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JP6258882B2 - Green sheet for solid oxide fuel cell and method for producing the same - Google Patents
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Green sheet for solid oxide fuel cell and method for producing the same Download PDF

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Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池を形成するために用いられるグリーンシートおよびその製造方法に関する。   The present invention relates to a green sheet used for forming a solid oxide fuel cell and a method for producing the same.

固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell,以下、単に「SOFC」ということもある。)は、種々のタイプの燃料電池のなかでも発電効率が高く、また多様な燃料の使用が可能なため、環境負荷の少ない次世代の発電装置として開発が進められている。
SOFCの単セルは、本質的な構成として、酸素イオン伝導体からなる緻密な層状の固体電解質を基本とし、この固体電解質の一方の面に多孔質構造の空気極(カソード)が形成され、他方の面に多孔質構造の燃料極(アノード)が形成されている。なかでも、アノード支持層の上に、固体電解質層とカソード層とが順に形成されたアノード支持型のSOFCが広く採用されている。
Solid oxide fuel cells (hereinafter sometimes referred to simply as “SOFC”) have high power generation efficiency among various types of fuel cells and can use various fuels. It is being developed as a next-generation power generator with less environmental impact.
An SOFC single cell is essentially composed of a dense layered solid electrolyte made of oxygen ion conductor, and a porous structure air electrode (cathode) is formed on one side of the solid electrolyte, A fuel electrode (anode) having a porous structure is formed on the surface. Among these, anode-supported SOFCs in which a solid electrolyte layer and a cathode layer are sequentially formed on an anode support layer are widely used.

このアノード支持型のSOFCの典型的な製造においては、まず、液状媒体に導電性粉末を分散させたスラリー状(ペースト状、インク状を包含する。以下同様。)組成物を用意する。そしてこの組成物を、ドクターブレード法等によって厚み100μm程度のシート状に成形し、これを複数枚積層して乾燥させることで、比較的厚い(例えば厚みが約300μm〜1500μmの)アノード支持層用のグリーンシートを形成する。そして、このアノード支持層用のグリーンシートの上に固体電解質層およびカソード層(いずれも厚みが約20μm〜50μm程度)のグリーンシートを順に形成して焼成することでSOFCを得ている。その一方で、スラリー状組成物を使用することなく、乾燥工程を省略して、省エネルギーかつ低コストにSOFCを製造する方法も知られている。例えば特許文献1〜3には、導電性粉末とバインダとをそのまま、あるいは造粒した後、ロール成形することにより、SOFCを製造することが開示されている。   In typical production of this anode-supported SOFC, first, a slurry-like composition (including paste-like and ink-like, in which the conductive powder is dispersed in a liquid medium, the same applies hereinafter) is prepared. The composition is formed into a sheet having a thickness of about 100 μm by the doctor blade method or the like, and a plurality of these are laminated and dried, so that the anode support layer has a relatively thick thickness (for example, a thickness of about 300 μm to 1500 μm). The green sheet is formed. Then, a SOFC is obtained by sequentially forming and firing a solid electrolyte layer and a cathode layer (both having a thickness of about 20 μm to 50 μm) on the green sheet for the anode support layer. On the other hand, there is also known a method for producing SOFC with reduced energy and cost by omitting the drying step without using a slurry-like composition. For example, Patent Documents 1 to 3 disclose that an SOFC is produced by roll forming after the conductive powder and the binder are granulated as they are or after granulation.

特開2004−152773号公報JP 2004-152773 A 特開2012−146579号公報JP 2012-146579 A 特開2014−135135号公報JP 2014-135135 A

ところで、近年、SOFCの高性能化の一環として固体電解質層等の大面積化および薄層化が進められている。一般に、SOFCの電気抵抗は各層の厚みに比例して増大するため、固体電解質層を薄くする(例えば10μm以下とする)ことでより発電性能に優れたSOFCを実現し得る。その反面、アノード支持層をドクターブレード法により形成したSOFCについては、電解質層に厚み方向で貫通する貫通孔が形成され易いという新たな問題が生じていた。また、上記特許文献3に示される導電性粉末の造粒物をロール成形する手法では、発電性能に優れたSOFCを作製することが可能となるものの、その品質にバラつきが見られやすく、安定して発電性能の良いSOFCが得られ難いという問題があった。   By the way, in recent years, as part of improving the performance of SOFC, the solid electrolyte layer and the like have been increased in area and thickness. In general, since the electrical resistance of SOFC increases in proportion to the thickness of each layer, it is possible to realize an SOFC with better power generation performance by making the solid electrolyte layer thinner (for example, 10 μm or less). On the other hand, the SOFC in which the anode support layer is formed by the doctor blade method has a new problem that a through-hole penetrating in the thickness direction is easily formed in the electrolyte layer. In addition, although the method of roll forming the granulated product of the conductive powder shown in Patent Document 3 described above makes it possible to produce an SOFC with excellent power generation performance, its quality is likely to vary and is stable. Therefore, there is a problem that it is difficult to obtain a SOFC with good power generation performance.

本発明は、これらの事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、貫通孔等の欠陥が生じ難く、優れた発電性能と高い信頼性とを備えるSOFCを安定的に製造し得る、SOFC用のグリーンシートを提供することである。また、このグリーンシートを用いて製造されるSOFCを提供することである。   The present invention has been made in view of these circumstances, and an object of the present invention is to provide an SOFC that can hardly produce defects such as through holes and that can stably manufacture an SOFC having excellent power generation performance and high reliability. Is to provide a green sheet. Moreover, it is providing the SOFC manufactured using this green sheet.

上記目的を実現するべく、本発明によって、固体酸化物形燃料電池の形成に用いられるグリーンシートの製造方法が提供される。この製造方法は、下記の工程を包含することを特徴としている。
(1)少なくとも導電性材料と第1のバインダとを含む原料混合物を用意すること。ここで上記第1のバインダはアクリル系高分子化合物である。
(2)上記原料混合物をロール成形することにより、アノード支持層用グリーンシートを形成すること。
(3)上記アノード支持層用グリーンシートの表面に、少なくとも酸化物イオン伝導体と第2のバインダとを含む固体電解質層用グリーンシートを形成すること。
In order to achieve the above object, the present invention provides a method for producing a green sheet used for forming a solid oxide fuel cell. This manufacturing method is characterized by including the following steps.
(1) Preparing a raw material mixture containing at least a conductive material and a first binder. Here, the first binder is an acrylic polymer compound.
(2) Forming the green sheet for an anode support layer by roll-forming the raw material mixture.
(3) A solid electrolyte layer green sheet including at least an oxide ion conductor and a second binder is formed on the surface of the anode support layer green sheet.

アノード支持層用グリーンシートを公知のドクターブレード法等により成形し、複数枚を重ねて接合すると、その上面に形成される固体電解質層用グリーンシートに焼成により貫通孔やクラックが発生する等の欠陥が生じ得た。本発明者らの検討によると、これらの貫通孔やクラックは、これまで比較的厚めの固体電解質層であれば問題にならなかった固体電解質層内の空隙が、薄層化(例えば10μm以下)により貫通孔やクラックに進展したものであると考えられた。また、アノード支持層用グリーンシートを公知のドクターブレード法等により成形すると、比較的薄いグリーンシートシートを重ねて接合するため、接合界面に空隙が形成されたり、層間で部分剥離が発生したりしていた。そして焼成時にこのような空隙に含まれるガスが、層間の部分剥離部を優先的に伝い、局所的に集まって固体電解質層を突き破り得るとの知見を得た。   When a green sheet for anode support layer is formed by a known doctor blade method or the like and a plurality of sheets are joined together, defects such as through-holes and cracks are generated by firing in the solid electrolyte layer green sheet formed on the upper surface Could occur. According to the study by the present inventors, these through-holes and cracks have been reduced in thickness (for example, 10 μm or less) in the solid electrolyte layer, which has not been a problem until now if the solid electrolyte layer is relatively thick. It was thought that it progressed to a through-hole and a crack. In addition, when a green sheet for an anode support layer is formed by a known doctor blade method or the like, a relatively thin green sheet sheet is overlapped and bonded, so that a gap is formed at the bonding interface or partial peeling occurs between the layers. It was. And the gas contained in such a space | gap at the time of baking acquired the knowledge that the partial peeling part between layers preferentially gathered locally, and could break through a solid electrolyte layer.

これに対し、ロール成形法によれば、例えば100μm〜1500μm程度の比較的厚いアノード支持層用グリーンシートを、一度により等方的に(例えば、厚み方向に対する組成や気孔率のバラつきを抑えて、均質に)製造することが可能とされる。なお、本発明者らの更なる検討によると、上記文献3に開示の手法では、焼成前にグリーンシートを保管し、製造から長時間(例えば、常温で72時間以上、また80℃程度の高温で10時間以上)が経過した場合に、焼成して得られるSOFCの発電性能にバラつきが見られ得ることを知見した。そこで、本発明者らは、アノード支持層用グリーンシートに用いる第1のバインダとして、エーテル系高分子化合物に代えて、アクリル系高分子化合物を用いるようにしている。これにより、グリーンシートの保管時の品質安定性が高められ、製造から長時間の経過後にSOFCを製造しても、発電性能等の品質にバラつきが生じることを抑制するようにしている。したがって、ここで開示されるグリーンシートの製造方法によれば、固体電解質層の薄層化に伴う不都合(貫通孔の形成や、品質のばらつき等)が好適に抑制され、所望のタイミングで焼成を行うことができるSOFC用グリーンシートが提供される。   On the other hand, according to the roll forming method, for example, a relatively thick green sheet for an anode support layer of about 100 μm to 1500 μm is more isotropic at once (for example, suppressing variations in composition and porosity in the thickness direction, (Homogeneously). According to further studies by the present inventors, in the method disclosed in the above-mentioned document 3, the green sheet is stored before firing, and after production for a long time (for example, at room temperature for 72 hours or more, or at a high temperature of about 80 ° C.). It has been found that variation in the power generation performance of the SOFC obtained by firing can be observed when 10 hours or more) have elapsed. Accordingly, the present inventors use an acrylic polymer compound instead of the ether polymer compound as the first binder used in the anode support layer green sheet. As a result, the quality stability during storage of the green sheet is enhanced, and even if the SOFC is manufactured after a long time has elapsed from the manufacture, the occurrence of variations in quality such as power generation performance is suppressed. Therefore, according to the green sheet manufacturing method disclosed herein, inconvenience (formation of through holes, variation in quality, etc.) associated with thinning of the solid electrolyte layer is suitably suppressed, and firing is performed at a desired timing. A green sheet for SOFC that can be provided is provided.

なお、本明細書において「グリーンシート」とは、セラミックシート(ここではアノード支持層,固体電解質層,反応抑止層およびカソード層)を作製するに際して用意する、セラミック原料からなる未焼成の状態のシートをいう。なお、このグリーンシートは、完全な未焼成シートの他、例えば100℃以下の温度で乾燥したシート(乾燥シート)や、例えば200℃以下の温度で仮焼成したシート(仮焼成シート)をも包含する。
また、アノード支持層用グリーンシート等のグリーンシートに含まれるバインダの種類は、例えば熱分解ガスクロマトグラフ質量分析(Gas Chromatography-Mass Spectrometry:GC−MS)や、電子線マイクロアナライザ(Electron Probe Microanalysis:EPMA)による表面分析等から把握することができる。より具体的には、アノード支持層用グリーンシートおよび固体電解質層用グリーンシートからそれぞれ測定用試料を採取し、この測定試料を熱分解GC−MSに導入し分析することによって、バインダの種類を特定し得る。
In the present specification, the “green sheet” refers to an unfired sheet made of a ceramic raw material prepared when a ceramic sheet (in this case, an anode support layer, a solid electrolyte layer, a reaction suppression layer, and a cathode layer) is prepared. Say. The green sheet includes, in addition to a complete unfired sheet, for example, a sheet dried at a temperature of 100 ° C. or lower (dry sheet), or a sheet preliminarily fired at a temperature of 200 ° C. or lower (temporary fired sheet). To do.
The types of binders contained in the green sheet such as the anode support layer green sheet include, for example, pyrolysis gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) and electron probe microanalysis (EPMA). ). More specifically, a sample for measurement is collected from each of the green sheet for anode support layer and the green sheet for solid electrolyte layer, and the type of binder is specified by introducing this measurement sample into pyrolysis GC-MS and analyzing it. Can do.

ここに開示される製造方法の好ましい一態様において、上記アクリル系高分子化合物は、ガラス転移温度が−100℃以上10℃以下であることが好ましい。このようなアクリル系高分子化合物をバインダとして用いることで、より保管時の品質安定性が高められる。   In a preferred embodiment of the production method disclosed herein, the acrylic polymer compound preferably has a glass transition temperature of −100 ° C. or higher and 10 ° C. or lower. By using such an acrylic polymer compound as a binder, quality stability during storage can be further enhanced.

なお、ここに開示される製造方法の好ましい一態様において、上記固体電解質層用グリーンシートの形成は、印刷成形法またはドクターブレード法によって行うことを特徴としている。これらの手法によれば、従来に比べて薄く(例えば平均厚みが20μm以下の、好ましくは平均厚みが10μm以下の)緻密な固体電解質層用グリーンシートを、上記アノード支持層用グリーンシートに直接形成することができる。また、ここに開示される製造方法では、貫通孔や層間剥離などの不都合が少なく、表面平坦性に優れたアノード支持層用グリーンシートが形成される。したがって、印刷成形法またはドクターブレード法により薄層化された固体電解質層用グリーンシートを形成した場合にも、焼成による欠陥等の発生が好適に抑制され得るために好ましい。   In a preferred embodiment of the manufacturing method disclosed herein, the green sheet for the solid electrolyte layer is formed by a printing method or a doctor blade method. According to these methods, a dense green sheet for a solid electrolyte layer is formed directly on the green sheet for an anode support layer (eg, an average thickness of 20 μm or less, preferably an average thickness of 10 μm or less). can do. Moreover, in the manufacturing method disclosed here, there are few inconveniences such as through holes and delamination, and an anode support layer green sheet having excellent surface flatness is formed. Therefore, even when the green sheet for a solid electrolyte layer that is thinned by a printing molding method or a doctor blade method is formed, it is preferable because generation of defects and the like due to firing can be suitably suppressed.

ここに開示される製造方法の好ましい一態様において、上記アノード支持層用グリーンシートは、有機物含有率が10質量%以下となるよう形成することが好ましい。このようにして得られるグリーンシートは、焼成後のアノード支持層に反りや変形等が生じ難く、また、焼成時に有機物が燃え抜けることに伴い厚みの薄い固体電解質層に欠陥が発生するのを抑制することができる。したがって、固体電解質層に貫通孔等の欠陥をもたらすことなく、アノード支持層との界面接合性に優れたSOFCを実現することができる。
なお、有機物含有率は、例えば、示差熱−熱重量同時測定(Thermogravimetry −Differential Thermal Analysis:TG−DTA)により以下の手順で測定することができる。具体的には、グリーンシートから測定用試料としてのアノード支持層用グリーンシートを採取し、例えば大気雰囲気において測定用試料を500℃まで昇温する。そして、例えば25℃〜500℃の温度範囲における重量変化(重量減少量)に基づいて、有機物含有率を算出することができる。
In a preferred embodiment of the production method disclosed herein, the green sheet for an anode support layer is preferably formed so that the organic matter content is 10% by mass or less. The green sheet thus obtained is less likely to be warped or deformed in the anode support layer after firing, and it is also possible to suppress the occurrence of defects in the thin solid electrolyte layer due to organic matter burning out during firing. can do. Therefore, it is possible to realize an SOFC excellent in interfacial bonding with the anode support layer without causing defects such as through holes in the solid electrolyte layer.
In addition, organic substance content rate can be measured in the following procedures, for example by differential thermal-thermogravimetric simultaneous measurement (Thermogravimetry-Differential Thermal Analysis: TG-DTA). Specifically, a green sheet for an anode support layer as a measurement sample is collected from the green sheet, and the measurement sample is heated to 500 ° C., for example, in an air atmosphere. For example, the organic matter content can be calculated based on a weight change (weight reduction amount) in a temperature range of 25 ° C. to 500 ° C.

ここに開示される製造方法の好ましい一態様において、上記アノード支持層用グリーンシートは、平均厚みが100μm以上1500μm以下の単層構造となるよう形成するのが好ましい。アノード支持層用グリーンシートをこのような厚みとすることで、固体電解質層の薄層化による発電性能の向上を実現しつつ、強度や耐久性に優れたSOFCを実現することができる。加えて、単層構造とすることで、例えば100μm程度のシートを複数枚積層して結着してなる多層構造のアノード支持層用グリーンシートに比べて、グリーンシート全体に含まれる接合界面の数が少なくなり、SOFCを作製したときの抵抗を低く抑えることができる。このことは作業効率や製造コストの観点からも好ましい。したがって、より信頼性や耐久性に優れたSOFCを、従来に比べ簡便かつ安価に実現することができる。   In a preferred embodiment of the production method disclosed herein, the green sheet for an anode support layer is preferably formed so as to have a single layer structure having an average thickness of 100 μm to 1500 μm. By setting the green sheet for the anode support layer to such a thickness, an SOFC excellent in strength and durability can be realized while realizing improvement in power generation performance by thinning the solid electrolyte layer. In addition, the number of bonding interfaces included in the entire green sheet is higher than that of a green sheet for an anode support layer having a multilayer structure in which a plurality of sheets of about 100 μm, for example, are stacked and bonded by adopting a single layer structure. And the resistance when the SOFC is manufactured can be kept low. This is also preferable from the viewpoint of work efficiency and manufacturing cost. Therefore, an SOFC with higher reliability and durability can be realized more easily and at a lower cost than conventional ones.

なお、アノード支持層用グリーンシートが単層構造であるか否かは、例えば、走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope:SEM)観察により以下の手順で把握することができる。具体的には、例えば、まずクロスセクションポリッシャ加工等によってグリーンシートの断面出しを行い、この研磨断面をSEMで観察する。ここで、アノード支持層用グリーンシートの構成組織を観察することで、アノード支持層用グリーンシートが単層構造であるか否かを確認することができる。また、グリーンシート全体の構成層の数(シートの枚数)および各層の厚みを考慮しながら、アノード支持層用グリーンシートが単層構造であるか否かを判断するようにしても良い。   Whether or not the anode support layer green sheet has a single-layer structure can be grasped by, for example, scanning electron microscope (SEM) observation according to the following procedure. Specifically, for example, first, a cross section of the green sheet is formed by cross section polisher processing, and this polished cross section is observed with an SEM. Here, it is possible to confirm whether or not the anode support layer green sheet has a single layer structure by observing the structure of the anode support layer green sheet. Further, it may be determined whether or not the anode support layer green sheet has a single-layer structure in consideration of the number of constituent layers (the number of sheets) of the entire green sheet and the thickness of each layer.

ここに開示される製造方法において、上記第2のバインダは、ポリビニルブチラールおよびエチルセルロースの少なくとも1つを含むことが好ましい。このような第2のバインダおよび溶媒を用いることで、アノード支持層用グリーンシートと固体電解質層用グリーンシートとの界面密着性をより一層高めることができ、その後の焼成においてクラックや界面剥離等の発生をより確実に抑制することができる。   In the manufacturing method disclosed herein, the second binder preferably includes at least one of polyvinyl butyral and ethyl cellulose. By using such a second binder and solvent, the interfacial adhesion between the green sheet for anode support layer and the green sheet for solid electrolyte layer can be further enhanced. Generation | occurrence | production can be suppressed more reliably.

ここに開示される製造方法の好ましい一態様において、上記ロール成形法は、例えば、一対のロールの間に原料混合物(典型的には、ほぼ粉末状)を供給し、ロールの間を通すことで圧縮成形する方法であり得る。そして、このロール成形法は、以下の条件;
(1)上記一対のロールの温度を、上記第1のバインダの軟化温度よりも高くなるよう調整すること;
(2)上記一対のロールの間隔が、100μm以上1500μm以下となるよう調整すること;
(3)ロール線圧を0.1kN/cm以上30kN/cm以下に設定すること;および
(4)成形速度を0.1m/min以上20m/min以下に設定すること;
を、いずれも具備することが好ましい。このような態様によれば、その後の焼成において反りや変形等の不都合が生じ難い、等方性や均質性に優れたアノード支持層用グリーンシートを形成することができる。
In a preferred embodiment of the production method disclosed herein, the roll forming method includes, for example, supplying a raw material mixture (typically almost powdery) between a pair of rolls and passing between the rolls. It may be a method of compression molding. And this roll forming method has the following conditions;
(1) adjusting the temperature of the pair of rolls to be higher than the softening temperature of the first binder;
(2) adjusting the distance between the pair of rolls to be 100 μm or more and 1500 μm or less;
(3) The roll linear pressure is set to 0.1 kN / cm or more and 30 kN / cm or less; and (4) The molding speed is set to 0.1 m / min or more and 20 m / min or less;
Are preferably included. According to such an embodiment, it is possible to form a green sheet for an anode support layer that is less likely to cause inconveniences such as warping and deformation in subsequent firing, and is excellent in isotropy and homogeneity.

ここに開示される製造方法の好ましい一態様においては、上記固体電解質層用グリーンシートの表面に、少なくともセリウム酸化物を含む反応抑止層用グリーンシートを形成すること、をさらに包含する。反応抑止層用グリーンシートを形成することで、SOFCを作製した場合に固体電解質層とカソード層との界面がより安定化され、固相反応を抑制することができる。したがって、このグリーンシートによると、長期に亘り安定して高い性能を発現し得るSOFCを簡便に製造することができる。   In a preferred embodiment of the production method disclosed herein, the method further includes forming a green sheet for reaction inhibition layer containing at least cerium oxide on the surface of the green sheet for solid electrolyte layer. By forming the green sheet for the reaction inhibition layer, when the SOFC is produced, the interface between the solid electrolyte layer and the cathode layer is further stabilized, and the solid phase reaction can be suppressed. Therefore, according to this green sheet, an SOFC that can stably exhibit high performance over a long period of time can be easily produced.

他の側面において、ここに開示される技術は、SOFCの形成に用いられるグリーンシートを提供する。このグリーンシートは、少なくともアノード支持層用グリーンシートと、上記アノード支持層用グリーンシートに積層された固体電解質層用グリーンシートとを含んでいる。そして上記アノード支持層用グリーンシートは、少なくとも導電性材料と第1のバインダとを含み、平均厚みが100μm以上1500μm以下の単層構造である。ここで上記第1のバインダはアクリル系高分子化合物である。そして上記固体電解質層用グリーンシートは、少なくとも酸化物イオン伝導体と第2のバインダとを含む。
このような構成により、アノード支持層用グリーンシートと固体電解質層用グリーンシートの界面の接合性を良好に保つことができ、界面剥離等の発生を一層好適に抑制することができる。また、アクリル系高分子化合物を第1のバインダとして用いたアノード支持層用グリーンシートは、機械的強度や耐久性に優れ、且つ、保管に対する性状安定性に優れたものであり得る。したがって、ここで開示されるグリーンシートによれば、長期(例えば3日以上、特に1週間以上)の保管の後であっても、優れた発電性能(高出力密度)と信頼性(耐久性)とを高いレベルで両立し得るSOFCを製造することができる。
In another aspect, the technology disclosed herein provides a green sheet that is used to form SOFC. The green sheet includes at least an anode support layer green sheet and a solid electrolyte layer green sheet laminated on the anode support layer green sheet. The anode support layer green sheet includes at least a conductive material and a first binder, and has a single-layer structure with an average thickness of 100 μm to 1500 μm. Here, the first binder is an acrylic polymer compound. The solid electrolyte layer green sheet includes at least an oxide ion conductor and a second binder.
With such a configuration, the bondability at the interface between the anode support layer green sheet and the solid electrolyte layer green sheet can be kept good, and the occurrence of interface peeling or the like can be more suitably suppressed. Further, the green sheet for an anode support layer using an acrylic polymer compound as the first binder can be excellent in mechanical strength and durability and excellent in property stability with respect to storage. Therefore, according to the green sheet disclosed herein, excellent power generation performance (high output density) and reliability (durability) even after long-term storage (for example, 3 days or more, particularly 1 week or more) Can be manufactured at a high level.

ここに開示されるSOFC形成用グリーンシートの好ましい一態様について、上記アノード支持層用グリーンシートの有機物含有率は10質量%以下である。このようにして得られるグリーンシートは、焼成後のアノード支持層に反りや変形等が生じ難く、また、焼成時に有機物が燃え抜けることに伴い厚みの薄い固体電解質層に欠陥が発生するのを抑制することができる。したがって、固体電解質層に貫通孔等の欠陥をもたらすことなく、アノード支持層との界面接合性に優れたSOFCを実現することができる。   About the preferable one aspect | mode of the green sheet for SOFC formation disclosed here, the organic substance content rate of the said green sheet for anode support layers is 10 mass% or less. The green sheet thus obtained is less likely to be warped or deformed in the anode support layer after firing, and it is also possible to suppress the occurrence of defects in the thin solid electrolyte layer due to organic matter burning out during firing. can do. Therefore, it is possible to realize an SOFC excellent in interfacial bonding with the anode support layer without causing defects such as through holes in the solid electrolyte layer.

ここに開示されるSOFC形成用グリーンシートの好ましい一態様について、上記第2のバインダは、ポリビニルブチラールおよびエチルセルロースの少なくとも1つを含む。これらのバインダは、固体電解質層用グリーンシートのアノード支持層用グリーンシートに対する密着性をより一層高めることができ、その後の焼成においてクラックや界面剥離等の発生を抑制することができるために好ましい。   About the preferable one aspect | mode of the green sheet for SOFC formation disclosed here, the said 2nd binder contains at least 1 of polyvinyl butyral and ethyl cellulose. These binders are preferable because the adhesion of the solid electrolyte layer green sheet to the anode support layer green sheet can be further improved, and the occurrence of cracks, interfacial peeling, and the like can be suppressed in subsequent firing.

ここに開示されるSOFC形成用グリーンシートの好ましい一態様について、上記固体電解質層用グリーンシートの表面に少なくともセリウム酸化物を含む反応抑止層用グリーンシートを備えることを特徴としている。反応抑止層用グリーンシートを形成することで、焼成ないしはSOFCの運転時に固体電解質層とカソード層との界面がより安定化され、互いの固相反応を抑制することができる。したがって、このグリーンシートによると、長期に亘り安定して高い性能を発現し得るSOFCを簡便に製造することができる。   A preferred embodiment of the green sheet for SOFC formation disclosed herein is characterized in that a green sheet for a reaction inhibiting layer containing at least cerium oxide is provided on the surface of the green sheet for solid electrolyte layer. By forming the green sheet for the reaction inhibition layer, the interface between the solid electrolyte layer and the cathode layer is further stabilized during firing or SOFC operation, and the mutual solid-state reaction can be suppressed. Therefore, according to this green sheet, an SOFC that can stably exhibit high performance over a long period of time can be easily produced.

また、ここに開示される技術により、上記のグリーンシートが焼成されてなる積層体を備える、固体酸化物形燃料電池が提供される。上述のように、上記のグリーンシートは、固体電解質層用グリーンシートを従来よりも薄く形成した場合であっても、各層が均質で空隙や欠陥等の発生が抑制され、良好な接合性を保ち得る。したがって、このグリーンシートを用いて形成されているSOFCは高い発電性能を発揮し得る。また、焼成後のアノード支持層と固体電解質層との間の接合強度が高いため、SOFCの運転に際しても界面剥離を生じ難く、長期に亘って高い発電性能を安定的に発揮することができる。すなわち、ここで開示されるSOFCは、高性能且つ高耐久性を備えたものであり得る。   In addition, the technology disclosed herein provides a solid oxide fuel cell including a laminate obtained by firing the green sheet. As described above, even when the solid electrolyte layer green sheet is formed thinner than before, the above-mentioned green sheet is uniform in each layer and the generation of voids and defects is suppressed, and good bonding properties are maintained. obtain. Therefore, the SOFC formed using this green sheet can exhibit high power generation performance. In addition, since the bonding strength between the fired anode support layer and the solid electrolyte layer is high, it is difficult to cause interface peeling even during SOFC operation, and high power generation performance can be stably exhibited over a long period of time. In other words, the SOFC disclosed herein can have high performance and high durability.

ロール成形によりグリーンシートを製造する様子を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically a mode that the green sheet was manufactured by roll forming. 一実施形態に係るグリーンシートを模式的に示す断面図であり、(a)はアノード支持層用グリーンシートと固体電解質層グリーンシートとからなるSOFC用グリーンシートを、(b)はさらに反応抑止層用グリーンシートを備えたSOFC用グリーンシートを、それぞれ示している。FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a green sheet according to an embodiment, where (a) is a SOFC green sheet composed of an anode support layer green sheet and a solid electrolyte layer green sheet, and (b) is a reaction inhibition layer. Each of the SOFC green sheets provided with the green sheet is shown. 一実施形態に係るアノード支持型のSOFCを備えた発電システムを模式的に示す断面図である。1 is a cross-sectional view schematically showing a power generation system including an anode-supported SOFC according to an embodiment.

以下、適宜図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄(例えば、発電システムの構成や製造方法等)は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。なお、以下の図面において、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明し、重複する説明は省略または簡略化することがある。また、各図における寸法関係(長さ、幅、厚さ等)は実際の寸法関係を反映するものではない。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings as appropriate. Note that matters other than the matters specifically mentioned in the present specification and necessary for the implementation of the present invention (for example, the configuration and manufacturing method of the power generation system) can be obtained by those skilled in the art based on the prior art in this field. It can be grasped as a design matter. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in this specification and common technical knowledge in the field. In the following drawings, members / parts having the same action are described with the same reference numerals, and redundant descriptions may be omitted or simplified. In addition, the dimensional relationships (length, width, thickness, etc.) in each drawing do not reflect actual dimensional relationships.

図2(a)および(b)は、本発明により提供されるSOFC用グリーンシート110G,120Gである。図2(a)のグリーンシート110Gは、比較的厚みの厚いアノード支持層用グリーンシート10Gの表面に、固体電解質層用グリーンシート20Gが備えられている。また、図2(b)のグリーンシート120Gは、上記のグリーンシート110Gにおける固体電解質層用グリーンシート20G側の表面に、さらに反応抑止層用グリーンシート30Gが備えられている。これらのSOFC用グリーンシートの製造方法は特に限定されないものの、好適には、ここに開示されるSOFC用グリーンシートの製造方法により好適に製造することができる。以下、かかる製造方法について説明する。すなわち、この製造方法は、本質的に、以下の工程を包含することを特徴としている。   2A and 2B are SOFC green sheets 110G and 120G provided by the present invention. The green sheet 110G of FIG. 2A is provided with a solid electrolyte layer green sheet 20G on the surface of a relatively thick anode support layer green sheet 10G. In addition, the green sheet 120G of FIG. 2B is further provided with a reaction inhibiting layer green sheet 30G on the surface of the green sheet 110G on the solid electrolyte layer green sheet 20G side. Although the manufacturing method of these SOFC green sheets is not particularly limited, it can be suitably manufactured by the SOFC green sheet manufacturing method disclosed herein. Hereinafter, this manufacturing method will be described. That is, this manufacturing method is essentially characterized by including the following steps.

(1)少なくとも導電性材料と第1のバインダとを含む原料混合物を用意すること。ここで前記第1のバインダはアクリル系高分子化合物である。
(2)上記原料混合物をロール成形することにより、アノード支持層用グリーンシート10Gを形成すること。
(3)上記アノード支持層用グリーンシート10Gの表面に、少なくとも酸化物イオン伝導体と第2のバインダとを含む固体電解質層用グリーンシート20Gを形成すること。
好適な一態様では、上記の工程(3)の後に、さらに以下の工程を包含する。
(4)上記固体電解質層用グリーンシート20Gの表面に、少なくともセリウム酸化物とバインダとを含む反応抑止層用グリーンシート30Gを形成すること。
(1) Preparing a raw material mixture containing at least a conductive material and a first binder. Here, the first binder is an acrylic polymer compound.
(2) Form the anode support layer green sheet 10G by roll forming the raw material mixture.
(3) A solid electrolyte layer green sheet 20G including at least an oxide ion conductor and a second binder is formed on the surface of the anode support layer green sheet 10G.
In a preferred embodiment, the following steps are further included after the above step (3).
(4) The reaction inhibiting layer green sheet 30G containing at least cerium oxide and a binder is formed on the surface of the solid electrolyte layer green sheet 20G.

1.原料混合物の用意
ここで開示される製造方法では、先ず、図2(a)および(b)に示すようなアノード支持層用グリーンシート10Gを形成するための原料混合物を準備する。この原料混合物は、少なくとも導電性材料とバインダとを含んでいる。そして典型的には、これら導電性材料とバインダとがほぼ均一な分散状態で混合されることで原料混合物を構成している。
1. Preparation of Raw Material Mixture In the manufacturing method disclosed herein, first, a raw material mixture for forming the anode support layer green sheet 10G as shown in FIGS. 2 (a) and (b) is prepared. This raw material mixture contains at least a conductive material and a binder. Typically, the conductive material and the binder are mixed in a substantially uniform dispersion state to constitute a raw material mixture.

導電性材料としては、導電性を示し、従来からSOFCのアノード層の形成に用いることができる電気触媒的作用(触媒活性)を有する物質の一種または二種以上を特に限定することなく用いることができる。具体的には、チタン(Ti)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ストロンチウム(Sr)、ジルコニウム(Zr)、ルテニウム(Ru)、パラジウム(Pd)、オスミウム(Os)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、ランタン(La)、金(Au)等の金属材料、およびその金属酸化物を用いることができる。これらはいずれか1種を単独で用いても良いし、2種以上を組み合わせて用いても良い。なかでも、Co,Ni,Zr,Ru,酸化コバルト(CoO、Co、Co)、酸化ニッケル(NiO、Ni、Ni)、酸化ジルコニウム(ZrO)、酸化ルテニウム(RuO)等を好ましく用いることができる。特に、Niは他の金属に比べて比較的安価であり、且つ高い反応活性を示す(高い触媒能を有する)ことから特に好適な金属種であり得る。したがって、ここで開示される製造方法では、導電性材料として含ニッケル材料(例えばニッケルまたは酸化ニッケル)を特に好ましく用いることができる。 As the conductive material, one or two or more kinds of substances that exhibit conductivity and have an electrocatalytic action (catalytic activity) that can be conventionally used for forming the anode layer of SOFC are used without particular limitation. it can. Specifically, titanium (Ti), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu), zinc (Zn), strontium (Sr), zirconium (Zr), ruthenium (Ru), palladium (Pd), Metal materials such as osmium (Os), iridium (Ir), platinum (Pt), lanthanum (La), gold (Au), and metal oxides thereof can be used. Any of these may be used alone or in combination of two or more. Among them, Co, Ni, Zr, Ru, cobalt oxide (CoO, Co 2 O 3 , Co 3 O 4 ), nickel oxide (NiO, Ni 2 O 3 , Ni 3 O 4 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), Ruthenium oxide (RuO 2 ) or the like can be preferably used. In particular, Ni can be a particularly suitable metal species because it is relatively cheaper than other metals and exhibits high reaction activity (has high catalytic ability). Therefore, in the manufacturing method disclosed herein, a nickel-containing material (for example, nickel or nickel oxide) can be particularly preferably used as the conductive material.

導電性材料としては、また、例えば、上記の金属材料および/または金属酸化物材料(以下、単に「金属系材料」という。)と、他の材料とを混合した複合材料を用いることもできる。例えば、上記金属系材料と後述する固体電解質層20の形成材料(典型的には酸化物イオン伝導体)とを任意の割合で混合した複合材料を用いることができる。好適例として、ニッケル系材料(例えばNiO)と、例えばイットリア安定化ジルコニア(YSZ;Yttria stabilized zirconia),カルシア安定化ジルコニア(CSZ;Calcia stabilized zirconia),スカンジア安定化ジルコニア(ScSZ;Scandia stabilized zirconia)等の安定化ジルコニアとの混合物またはサーメットが挙げられる。これらはいずれか1種を上記金属系材料と混合しても良いし、2種以上を混合するようにしても良い。   As the conductive material, for example, a composite material obtained by mixing the above-described metal material and / or metal oxide material (hereinafter simply referred to as “metal-based material”) with another material may be used. For example, a composite material in which the metal-based material and a material for forming the solid electrolyte layer 20 described below (typically an oxide ion conductor) are mixed at an arbitrary ratio can be used. Preferable examples include nickel-based materials (for example, NiO) and, for example, yttria stabilized zirconia (YSZ), calcia stabilized zirconia (CSZ), scandia stabilized zirconia (ScSZ), and the like. And a mixture or cermet with the stabilized zirconia. Any one of these may be mixed with the metal material, or two or more may be mixed.

アノード支持層用グリーンシート10Gに固体電解質層の構成材料(酸化物イオン伝導体)を含ませることで、グリーンシートの間の整合性(馴染み)はもちろんのこと、焼成の際のアノード支持層と固体電解質層との整合性(例えば熱膨張係数の調和)を高めることができ、またSOFCの運転時のアノード支持層と固体電解質層との間の接合性(密着性)を向上させることができる。したがって、グリーンシートの形成から、その後得られるSOFCの運転においても、界面剥離等の不具合を抑制することができる。延いては、耐久性や信頼性に優れたSOFCを実現することができる。なお、金属系材料と固体電解質層形成材料との混合比率は、特に限定されないが、例えば質量比で、90:10〜40:60(好ましくは、80:20〜50:50)とすることができる。   By including the constituent material (oxide ion conductor) of the solid electrolyte layer in the anode support layer green sheet 10G, not only the consistency (familiarity) between the green sheets but also the anode support layer during firing The consistency with the solid electrolyte layer (for example, the harmony of thermal expansion coefficient) can be improved, and the bondability (adhesion) between the anode support layer and the solid electrolyte layer during operation of the SOFC can be improved. . Therefore, even in the operation of the SOFC obtained thereafter from the formation of the green sheet, problems such as interfacial peeling can be suppressed. As a result, an SOFC having excellent durability and reliability can be realized. The mixing ratio of the metal-based material and the solid electrolyte layer forming material is not particularly limited. For example, the mass ratio may be 90:10 to 40:60 (preferably 80:20 to 50:50). it can.

導電性材料の性状は特に限定されないが、例えば平均粒子径が0.01μm〜5μm(典型的には0.1μm〜2μm)程度の粉末状(粒子状)のものを好ましく用いることができる。また、上述のようなサーメットを調製・使用する場合には、実質的に同等な平均粒子径を有する材料同士を混合して用いることが好ましい。例えば、平均粒子径が約0.1μm〜5μmのニッケル系材料と、平均粒子径が約0.1μm〜5μmの安定化ジルコニアと、を上記比率で混合して用いることが好ましい。これによって、より均質なアノード支持層用グリーンシートを実現し得る。なお、本明細書において「平均粒子径」とは、一般的なレーザー回折・光散乱法に基づく粒度分布測定により測定した体積基準の粒度分布において、微粒子側からの累積50%に相当する粒径(D50粒径、メジアン径ともいう。)をいう。かかる粒径の調整は、従来公知の粉砕処理や篩いがけ、分級等によって行うことができる。 Although the property of the conductive material is not particularly limited, for example, a powdery (particulate) material having an average particle diameter of about 0.01 μm to 5 μm (typically 0.1 μm to 2 μm) can be preferably used. Moreover, when preparing and using the above cermets, it is preferable to mix and use materials having substantially the same average particle diameter. For example, it is preferable to use a nickel-based material having an average particle size of about 0.1 μm to 5 μm and a stabilized zirconia having an average particle size of about 0.1 μm to 5 μm in the above ratio. Thereby, a more uniform green sheet for an anode support layer can be realized. In the present specification, the “average particle size” means a particle size corresponding to 50% cumulative from the fine particle side in a volume-based particle size distribution measured by a particle size distribution measurement based on a general laser diffraction / light scattering method. (D 50 particle diameter, also called median diameter). Such adjustment of the particle diameter can be performed by a conventionally known pulverization process, sieving, classification or the like.

第1のバインダとしては、熱可塑性を有し、且つ脱バインダ処理(典型的には、200℃以上の加熱焼成)によって蒸発除去し得るものを用いることができる。なかでも、アクリル系高分子化合物または該アクリル系高分子化合物を主体とするものを好ましく用いることができる。アクリル系高分子化合物は、比較的少ない添加量で導電性材料の粒子間を強固に接着することができる。このため、アノード支持層用グリーンシート10Gの有機物含有率を低減することができ、その後の焼成時における反りやボイドの発生を抑制することができる。また、アノード支持層用グリーンシート10Gと固体電解質層用グリーンシート20Gとの密着性(親和性)を高めることができ、界面剥離の生じ難いグリーンシートを実現し得る。さらに、アクリル系高分子化合物は、耐水性や耐薬品性に優れるため、アノード支持層用グリーンシートの形状を長期に亘り安定的に保持し得る。とりわけ高温環境(例えば50℃以上、特に80℃以上)に長期間(例えば3日以上、さらには1週間以上、特に2週間以上)保管した場合であっても、これらバインダ成分が揮発され難く、安定した性状を保つことができる。したがって、SOFC(後述のハーフセルであり得る。)を製造(すなわちグリーンシート110G,120Gを焼成)するまでの期間を気にすることなく、任意のタイミングで使用可能な、信頼性や耐久性に優れたグリーンシートを好適に形成することができる。   As the first binder, one having thermoplasticity and capable of being evaporated and removed by a binder removal process (typically, heat baking at 200 ° C. or higher) can be used. Among these, an acrylic polymer compound or a compound mainly composed of the acrylic polymer compound can be preferably used. The acrylic polymer compound can firmly bond the particles of the conductive material with a relatively small addition amount. For this reason, the organic substance content rate of the green sheet 10G for anode support layers can be reduced, and generation | occurrence | production of the curvature and void at the time of subsequent baking can be suppressed. In addition, adhesion (affinity) between the green sheet for anode support layer 10G and the green sheet for solid electrolyte layer 20G can be improved, and a green sheet that hardly causes interfacial peeling can be realized. Furthermore, since the acrylic polymer compound is excellent in water resistance and chemical resistance, the shape of the green sheet for the anode support layer can be stably maintained over a long period of time. In particular, even when stored in a high temperature environment (for example, 50 ° C. or more, particularly 80 ° C. or more) for a long period (for example, 3 days or more, more than 1 week, particularly 2 weeks or more), these binder components are hardly volatilized. Stable properties can be maintained. Therefore, it is excellent in reliability and durability that can be used at any timing without worrying about the period until the manufacture of SOFC (which may be a half cell described later) (that is, firing the green sheets 110G and 120G). A green sheet can be suitably formed.

なお、上述のように、アノード支持層用グリーンシート10Gを構成するバインダとしてエーテル系高分子化合物を用いると、固体電解質層用グリーンシート20Gとの界面接合性は良好であるものの、保管に対する安定性が低いという欠点があった。とりわけ高温環境での保管によりグリーンシート110G,120Gの性状が変化しやすかった。詳細な原因は明らかではないものの、本発明者らは、この性状の変化はエーテル系高分子化合物が保管時に揮発してしまうことによるものであると考えている。本発明においては、アノード支持層用グリーンシート10Gを構成するバインダとして、エーテル系高分子化合物と同等の固体電解質層用グリーンシート20Gに対する界面接合性を示し、保管安定性に優れるものとして、数あるバインダ樹脂の中でも、とりわけアクリル系高分子化合物を使用するようにしている。これにより、エーテル系高分子化合物を用いていた場合に見られた、長時間の保管後、とりわけ高温での長時間の保管後のグリーンシートの変質が抑制され得る。また、エーテル系高分子化合物を用いた場合よりもロール成形性に優れ、連続して安定した品質のアノード支持層用グリーンシート10Gを形成することができる。延いては、高性能で、品質のバラつきの少ないSOFCを製造することが可能となる。   As described above, when an ether-based polymer compound is used as the binder constituting the anode support layer green sheet 10G, the interfacial bondability with the solid electrolyte layer green sheet 20G is good, but the stability to storage is high. Has the disadvantage of being low. In particular, the properties of the green sheets 110G and 120G were easily changed by storage in a high temperature environment. Although the detailed cause is not clear, the present inventors believe that the change in properties is due to the volatilization of the ether polymer compound during storage. In the present invention, as the binder constituting the anode support layer green sheet 10G, there are several examples that exhibit interfacial bonding properties to the solid electrolyte layer green sheet 20G equivalent to the ether polymer compound and are excellent in storage stability. Among the binder resins, acrylic polymer compounds are used in particular. Thereby, the deterioration of the green sheet after long-time storage, especially after long-time storage at a high temperature, seen when an ether-based polymer compound is used can be suppressed. Moreover, the green sheet 10G for anode support layers which is excellent in roll moldability compared with the case where an ether type polymer compound is used and has a continuously stable quality can be formed. As a result, it is possible to produce an SOFC with high performance and low quality variation.

アクリル系高分子化合物としては、特に制限なく各種のアクリル系高分子化合物を用いることができる。例えば、アルキル(メタ)アクリレートを主モノマー(単量体全体の50重量%超を占める成分)として含み、当該主モノマーと共重合性を有する副モノマーをさらに含むモノマー混合物であってもよい。このモノマー混合物は、これら主モノマーおよび副モノマーに加えて、他の共重合成分を任意に含んでいてもよい。そしてこれらのモノマー混合物が共重合することにより、所定の機能を有するアクリル系高分子化合物となり得る。   As the acrylic polymer compound, various acrylic polymer compounds can be used without particular limitation. For example, a monomer mixture containing alkyl (meth) acrylate as a main monomer (a component occupying more than 50% by weight of the whole monomer) and further containing a submonomer copolymerizable with the main monomer may be used. This monomer mixture may optionally contain other copolymerization components in addition to these main monomer and submonomer. The monomer mixture can be copolymerized to become an acrylic polymer compound having a predetermined function.

なお、本明細書中において「(メタ)アクリレート」とは、アクリレートおよびメタクリレートを意味する用語である。同様に、「(メタ)アクリル」はアクリルおよびメタクリルを意味する用語である。
アルキル(メタ)アクリレートとしては、例えば、一般式:CH=C(R)COORで表される化合物を好適に用いることができる。ここで、式中のRは水素原子またはメチル基を示している。また、Rは炭素原子数が1〜20の鎖状アルキル基を示している。Rは、炭素原子数が1〜14の鎖状アルキル基であるアルキル(メタ)アクリレートが好ましく、炭素原子数が1〜10、例えば2〜8の鎖状アルキル基であるアルキル(メタ)アクリレートがより好ましい。さらには、Rがブチル基または2−エチルヘキシル基であるアルキル(メタ)アクリレートなどが好ましい。
In the present specification, “(meth) acrylate” is a term meaning acrylate and methacrylate. Similarly, “(meth) acryl” is a term meaning acryl and methacryl.
As the alkyl (meth) acrylate, for example, a compound represented by the general formula: CH 2 ═C (R 1 ) COOR 2 can be suitably used. Here, R 1 in the formula represents a hydrogen atom or a methyl group. R 2 represents a chain alkyl group having 1 to 20 carbon atoms. R 2 is preferably an alkyl (meth) acrylate that is a chain alkyl group having 1 to 14 carbon atoms, and an alkyl (meth) acrylate that is a chain alkyl group having 1 to 10, for example, 2 to 8 carbon atoms. Is more preferable. Furthermore, an alkyl (meth) acrylate in which R 2 is a butyl group or a 2-ethylhexyl group is preferable.

炭素原子数が1〜20の鎖状アルキル基を有するアルキル(メタ)アクリレートとしては、例えば、メチル(メタ)アクリレート、エチル(メタ)アクリレート、プロピル(メタ)アクリレート、イソプロピル(メタ)アクリレート、n−ブチル(メタ)アクリレート、イソブチル(メタ)アクリレート、s−ブチル(メタ)アクリレート、ペンチル(メタ)アクリレート、イソペンチル(メタ)アクリレート、ヘキシル(メタ)アクリレート、ヘプチル(メタ)アクリレート、2−エチルヘキシル(メタ)アクリレート、オクチル(メタ)アクリレート、イソオクチル(メタ)アクリレート、ノニル(メタ)アクリレート、イソノニル(メタ)アクリレート、デシル(メタ)アクリレート、イソデシル(メタ)アクリレート、ウンデシル(メタ)アクリレート、ドデシル(メタ)アクリレート、トリデシル(メタ)アクリレート、テトラデシル(メタ)アクリレート、ペンタデシル(メタ)アクリレート、ヘキサデシル(メタ)アクリレート、ヘプタデシル(メタ)アクリレート、オクタデシル(メタ)アクリレート、ノナデシル(メタ)アクリレート、エイコシル(メタ)アクリレート等が挙げられる。これらアルキル(メタ)アクリレートは、1種を単独で用いても良いし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。特に限定されるわけではないが、好ましいアルキル(メタ)アクリレートとして、例えば、n−ブチルアクリレート(BA)および2−エチルヘキシルアクリレート(2EHA)等が挙げられる。   Examples of the alkyl (meth) acrylate having a chain alkyl group having 1 to 20 carbon atoms include methyl (meth) acrylate, ethyl (meth) acrylate, propyl (meth) acrylate, isopropyl (meth) acrylate, n- Butyl (meth) acrylate, isobutyl (meth) acrylate, s-butyl (meth) acrylate, pentyl (meth) acrylate, isopentyl (meth) acrylate, hexyl (meth) acrylate, heptyl (meth) acrylate, 2-ethylhexyl (meth) Acrylate, octyl (meth) acrylate, isooctyl (meth) acrylate, nonyl (meth) acrylate, isononyl (meth) acrylate, decyl (meth) acrylate, isodecyl (meth) acrylate, undecyl ( ) Acrylate, dodecyl (meth) acrylate, tridecyl (meth) acrylate, tetradecyl (meth) acrylate, pentadecyl (meth) acrylate, hexadecyl (meth) acrylate, heptadecyl (meth) acrylate, octadecyl (meth) acrylate, nonadecyl (meth) Examples include acrylate and eicosyl (meth) acrylate. These alkyl (meth) acrylates may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more type. Although not particularly limited, preferred alkyl (meth) acrylates include, for example, n-butyl acrylate (BA) and 2-ethylhexyl acrylate (2EHA).

副モノマーとしては、アクリル系高分子化合物に架橋点を導入したり、アクリル系高分子化合物の結着性を制御したりする機能を有し、所望のバインダ特性に応じて各種の官能基を含むモノマー成分を用いることができる。かかる官能基は、例えば、カルボキシル基、ヒドロキシ基、アミド基、アミノ基、エポキシ基等であり得る。特に限定されるわけではないが、なかでも、ヒドロキシル基を有するエチレン性不飽和モノマーを用いるのが好ましい。副モノマーの量は特に限定されず、所望の密着層特性が実現されるように適宜設計することができる。例えば、ポリマーの凝集力と粘着性とをバランス良く両立させる観点から、副モノマーの量は、アルキル(メタ)アクリレート100質量%に対して合計20質量%以下、より好ましくは15質量%以下、例えば10質量%以下とすることが例示される。なお、ここに例示した副モノマー以外の他の共重合成分を含むようにしてもよい。上記モノマー(主モノマーと副モノマーの総量)に占める副モノマーの割合は、所望の架橋度に応じて適宜選択すればよく、例えば、全モノマー成分100質量%に対して、1〜10質量%程度とすることができる。また、モノマー混合物を重合する方法は特に制限されず、従来公知の一般的な重合方法(エマルション重合、溶液重合等)を採用することができる。   As a secondary monomer, it has a function of introducing a crosslinking point into the acrylic polymer compound or controlling the binding property of the acrylic polymer compound, and includes various functional groups according to desired binder characteristics. Monomer components can be used. Such functional groups can be, for example, carboxyl groups, hydroxy groups, amide groups, amino groups, epoxy groups, and the like. Although not particularly limited, it is preferable to use an ethylenically unsaturated monomer having a hydroxyl group. The amount of the submonomer is not particularly limited, and can be appropriately designed so as to realize desired adhesion layer characteristics. For example, from the viewpoint of balancing the cohesive strength and adhesiveness of the polymer in a well-balanced manner, the amount of the secondary monomer is 20% by mass or less, more preferably 15% by mass or less, more preferably 15% by mass or less, based on 100% by mass of alkyl (meth) acrylate. It is exemplified that the content is 10% by mass or less. In addition, you may make it include other copolymerization components other than the submonomer illustrated here. What is necessary is just to select suitably the ratio of the submonomer to the said monomer (the total amount of a main monomer and a submonomer) according to the desired degree of crosslinking, for example, about 1-10 mass% with respect to 100 mass% of all monomer components. It can be. The method for polymerizing the monomer mixture is not particularly limited, and conventionally known general polymerization methods (emulsion polymerization, solution polymerization, etc.) can be employed.

ヒドロキシル基含有モノマーの好ましい例として、2−ヒドロキシエチル(メタ)アクリレート、2−ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、3−ヒドロキシプロピル(メタ)アクリレート、2−ヒドロキシブチル(メタ)アクリレート、4−ヒドロキシブチル(メタ)アクリレート、6−ヒドロキシヘキシル(メタ)アクリレート、8−ヒドロキシオクチル(メタ)アクリレート、10−ヒドロキシデシル(メタ)アクリレート、12−ヒドロキシラウリル(メタ)アクリレート、[4−(ヒドロキシメチル)シクロヘキシル]メチルアクリレート等のヒドロキシアルキル(メタ)アクリレートが挙げられる。特に好ましい例として、2−ヒドロキシエチルメタクリレートが挙げられる。
この様なバインダにおいて、50質量%以上(より好ましくは80質量%以上、さらに好ましくは90質量%以上)がアクリル系高分子化合物であるものを好ましく使用し得る。特に好ましい例として、実質的に100%がアクリル系高分子化合物からなるバインダが挙げられる。
Preferred examples of the hydroxyl group-containing monomer include 2-hydroxyethyl (meth) acrylate, 2-hydroxypropyl (meth) acrylate, 3-hydroxypropyl (meth) acrylate, 2-hydroxybutyl (meth) acrylate, 4-hydroxybutyl ( (Meth) acrylate, 6-hydroxyhexyl (meth) acrylate, 8-hydroxyoctyl (meth) acrylate, 10-hydroxydecyl (meth) acrylate, 12-hydroxylauryl (meth) acrylate, [4- (hydroxymethyl) cyclohexyl] methyl And hydroxyalkyl (meth) acrylates such as acrylate. A particularly preferred example is 2-hydroxyethyl methacrylate.
In such a binder, those in which 50% by mass or more (more preferably 80% by mass or more, more preferably 90% by mass or more) is an acrylic polymer compound can be preferably used. A particularly preferred example is a binder that is substantially 100% made of an acrylic polymer compound.

また、特に制限されるものではないが、第1のバインダとしてのアクリル系高分子化合物は、ガラス転移温度(Tg)が−100℃以上10℃以下であることが好ましい。Tgが上記範囲にあるアクリル系高分子化合物を用いることで、この原料混合物を後述のロール成形に供した場合の成形性が格段と向上されて、保管安定性に優れ、均一かつ等方的なアノード支持層用グリーンシート10Gを得ることができる。延いては、このグリーンシート110G,120Gを用いて製造されるSOFCの性能のバラつきをより一層抑制することが可能となる。Tgは、−100℃よりも低すぎると、ロール成形により得られるアノード支持層用グリーンシート10Gの密度が高められるものの、例えば室温での成形性に若干劣る傾向がある。したがって、Tgは−95℃以上であることが好ましく、−60℃以上であることがより好ましく、−40℃以上(例えば−30℃以上)であることが特に好ましい。またTgが10℃よりも高すぎると、例えば形成されたアノード支持層用グリーンシート10Gのロール成形性が若干劣る傾向にある。したがって、Tgは5℃以下であることが好ましく、0℃以下であることがより好ましく、例えば−1℃以下であることがより好ましい。   Although not particularly limited, the acrylic polymer compound as the first binder preferably has a glass transition temperature (Tg) of −100 ° C. or higher and 10 ° C. or lower. By using an acrylic polymer compound having a Tg in the above range, the formability when this raw material mixture is subjected to roll forming described later is remarkably improved, and it has excellent storage stability and is uniform and isotropic. A green sheet for anode support layer 10G can be obtained. As a result, it is possible to further suppress variations in the performance of the SOFC manufactured using the green sheets 110G and 120G. If Tg is too lower than −100 ° C., the density of the green sheet for anode support layer 10G obtained by roll forming is increased, but for example, there is a tendency to be slightly inferior in formability at room temperature. Therefore, Tg is preferably −95 ° C. or higher, more preferably −60 ° C. or higher, and particularly preferably −40 ° C. or higher (eg, −30 ° C. or higher). Moreover, when Tg is too higher than 10 ° C., for example, the roll formability of the formed anode support layer green sheet 10G tends to be slightly inferior. Therefore, Tg is preferably 5 ° C. or lower, more preferably 0 ° C. or lower, and more preferably −1 ° C. or lower, for example.

また、第1のバインダとしてのアクリル系高分子化合物は、常温(例えば10℃〜30℃の温度範囲)において水溶性であることが好ましい。この水溶性高分子としては、任意の非イオン性、アニオン性あるいはカチオン性の親水基を有するアクリル系高分子であってよい。特に好ましくは、アニオン性の親水基を分子構造に有するアニオン性アクリル高分子化合物であり得る。このアニオン性の親水基としては、例えば、カルボキシル基(−CO )やスルホン酸基(−SO )が挙げられ、このようなアニオン性基を有するポリアクリル酸ナトリウムや、アクリル酸共重合物等のアクリル系高分子化合物を特に好ましく用いることができる。なお、このような水溶性アクリル系高分子化合物の溶解条件は特に制限されないが、中性ないしはアルカリ性(例えばpH6〜13程度、好ましくはpH6〜10程度)で溶解するものであることが好ましい。 The acrylic polymer compound as the first binder is preferably water-soluble at normal temperature (for example, a temperature range of 10 ° C. to 30 ° C.). This water-soluble polymer may be an acrylic polymer having any nonionic, anionic or cationic hydrophilic group. Particularly preferred is an anionic acrylic polymer compound having an anionic hydrophilic group in the molecular structure. Examples of the anionic hydrophilic group include a carboxyl group (—CO 2 ) and a sulfonic acid group (—SO 3 ). Sodium polyacrylate having such an anionic group and acrylic acid copolymer An acrylic polymer compound such as a polymer can be particularly preferably used. The dissolution conditions for such a water-soluble acrylic polymer compound are not particularly limited, but are preferably neutral or alkaline (for example, about pH 6 to 13, preferably about pH 6 to 10).

そして特に制限されるものではないが、第1のバインダとしてのアクリル系高分子化合物は、不揮発分(NV)が30%以上65%以下であることが好ましい。NVが上記範囲にあるアクリル系高分子化合物を用いることで、この原料混合物を後述のロール成形後の形状安定性が向上され得るために好ましい。NVは、30%よりも低すぎると、得られるアノード支持層用グリーンシート10G、延いてはグリーンシート110G,120Gの高温での性状が変質しやすくなる可能性があり得る。したがって、NVは35%以上であることが好ましく、40%以上であることがより好ましい。またNVが65%よりも高すぎると、アノード支持層用グリーンシート10Gのロール成形性が若干劣る傾向にある。したがって、NVは60%以下であることが好ましく、55%以下であることがより好ましく、例えば50%以下であることがより好ましい。   Although not particularly limited, the acrylic polymer compound as the first binder preferably has a nonvolatile content (NV) of 30% to 65%. By using an acrylic polymer compound having NV in the above range, this raw material mixture is preferable because the shape stability after roll molding described later can be improved. When NV is too lower than 30%, there is a possibility that the properties of the obtained anode support layer green sheet 10G, and thus the green sheets 110G and 120G, at high temperatures are likely to be altered. Therefore, NV is preferably 35% or more, and more preferably 40% or more. On the other hand, when NV is too higher than 65%, the roll formability of the anode support layer green sheet 10G tends to be slightly inferior. Therefore, NV is preferably 60% or less, more preferably 55% or less, for example, 50% or less.

なお、このようなアクリル系高分子化合物は、市販されているものを利用することもできる。特に限定するものではないが、かかるアクリル系高分子化合物としては、例えば、一例として、ジャパンコーティングレジン株式会社製のAP−60L,AP−80,AP−96,AP-360,AP368,ES−37,ES−64,ES−85,ES−232,ES−650,SA−200,HS−531,ESZ−4366−02,FK−285,FK−433,FK−854,FK−4300、Polymer Innovations社製のWB4101(いずれも商品名)等が好適なものとして挙げられる。   In addition, what is marketed can also be utilized for such an acrylic polymer compound. Although it does not specifically limit, As such an acrylic polymer compound, for example, as an example, AP-60L, AP-80, AP-96, AP-360, AP368, ES-37 manufactured by Japan Coating Resin Co., Ltd. , ES-64, ES-85, ES-232, ES-650, SA-200, HS-531, ESZ-4366-02, FK-285, FK-433, FK-854, FK-4300, Polymer Innovations WB4101 (all are brand names) made from the product etc. are mentioned as a suitable thing.

アノード支持層用グリーンシート10Gを形成するための原料混合物には、さらに、本発明の効果を著しく損なわない限りにおいて、例えば造孔材(気孔形成材)や可塑剤、酸化防止剤、増粘剤、分散剤等の各種添加剤等を必要に応じて含み得る。造孔材としては、例えばカーボン、炭化ケイ素、窒化ケイ素、澱粉等を好適に用いることができる。可塑剤としては、例えばプロピレングリコール等のグリコール類;エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、エチレングリコールイソプロピルエーテル等のグリコールエーテル類;フタル酸ジブチル、フタル酸ジオクチル、フタル酸ジトリデシル等のフタル酸エステル類;等を好適に用いることができる。分散剤としては、例えばカルボン酸系の高分子界面活性剤を好適に用いることができる。各種添加剤を使用する場合、原料混合物全体に占める添加剤の割合は、例えば0.1質量%〜20質量%とすることができ、通常は約0.5質量%〜10質量%とすることが好ましい。   The raw material mixture for forming the anode support layer green sheet 10G may further include, for example, a pore former (pore forming material), a plasticizer, an antioxidant, a thickener, as long as the effects of the present invention are not significantly impaired. In addition, various additives such as a dispersant may be included as necessary. As the pore former, for example, carbon, silicon carbide, silicon nitride, starch and the like can be suitably used. Examples of the plasticizer include glycols such as propylene glycol; glycol ethers such as ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, ethylene glycol monobutyl ether, and ethylene glycol isopropyl ether; dibutyl phthalate, dioctyl phthalate, ditridecyl phthalate And the like can be suitably used. As the dispersant, for example, a carboxylic acid polymer surfactant can be suitably used. When using various additives, the ratio of the additive to the whole raw material mixture can be, for example, 0.1% by mass to 20% by mass, and usually about 0.5% by mass to 10% by mass. Is preferred.

原料混合物の調製には、ボールミル、ミキサー、ディスパー、ニーダ等の従来公知の種々の攪拌・混合装置を適宜用いることができる。例えば導電性材料とバインダと必要に応じて用いられる他の成分(典型的には造孔材や可塑剤)とを任意の撹拌・混合装置に投入し、50rpm〜300rpmの攪拌速度で0.5時間〜1時間撹拌混合することによって均質な原料混合物を調製し得る。なお、上記原料を装置に投入する順序は特に限定されず、例えば一度に全ての材料を投入してもよく、複数回に分けて投入してもよい。   For the preparation of the raw material mixture, various conventionally known stirring / mixing devices such as a ball mill, a mixer, a disper, and a kneader can be appropriately used. For example, a conductive material, a binder, and other components (typically a pore former or a plasticizer) used as necessary are put into an arbitrary stirring / mixing device, and the stirring speed of 50 rpm to 300 rpm is 0.5. A homogeneous raw material mixture can be prepared by stirring and mixing for a period of time to 1 hour. In addition, the order in which the said raw material is thrown into an apparatus is not specifically limited, For example, all the materials may be thrown in at once and you may throw in in multiple times.

またあるいは、これらの原料混合物は、所定の大きさに造粒された造粒粒子の形態に調製されていても良い。造粒粒子の製法は特に制限されない。例えば、導電性材料および第1のバインダを所定の割合で乾式または湿式で混合して、造粒、分級等を行うことで製造されたものであってよい。造粒の手法についても特に制限はなく、例えば、転動造粒法、流動層造粒法、撹拌造粒法、圧縮造粒法、押出造粒法、破砕造粒法、スプレードライ法(噴霧造粒法)等であり得る。一好適例では、スプレードライ法を採用して、導電性材料とバインダとを溶媒中で混ぜ合わせたスラリー状組成物(懸濁液)を乾燥雰囲気中に噴霧し乾燥させることで造粒(成形)したものである。この手法では、噴霧される液滴中に含まれる粒子が概ね1つの塊になって造粒されるため、液滴の大きさによって造粒粒子の大きさや質量等が容易に調整され得る。なお、噴霧される液滴には導電性材料と第1のバインダ以外の材料、例えば上記の各種の添加剤をも含み得る。   Alternatively, these raw material mixtures may be prepared in the form of granulated particles granulated to a predetermined size. The method for producing the granulated particles is not particularly limited. For example, it may be manufactured by mixing a conductive material and a first binder at a predetermined ratio in a dry or wet manner, and performing granulation, classification, and the like. There is no particular limitation on the granulation method. For example, tumbling granulation method, fluidized bed granulation method, stirring granulation method, compression granulation method, extrusion granulation method, crushing granulation method, spray drying method (spraying method) Granulation method) and the like. In one preferred example, a spray-drying method is employed, and a slurry-like composition (suspension) in which a conductive material and a binder are mixed in a solvent is sprayed into a dry atmosphere and dried to form a granulation (molding). ). In this method, the particles contained in the droplets to be sprayed are granulated in one lump, so that the size and mass of the granulated particles can be easily adjusted depending on the size of the droplets. The droplets to be sprayed may also contain materials other than the conductive material and the first binder, for example, the various additives described above.

この場合の造粒粒子の大きさは特に制限されないが、例えば、生産効率を高める観点やより均質な活物質層を形成する観点等から、例えば粒径範囲はおよそ10μm以上200μm以下、好ましくは30μm以上180μm以下、例えば45μm以上150μm以下であるとよい。また、平均粒子径は、20μm以上100μm以下、好ましくは30μm以上90μm以下、例えば50μm以上80μm以下であるとよい。   The size of the granulated particles in this case is not particularly limited. For example, from the viewpoint of increasing production efficiency and forming a more homogeneous active material layer, the particle size range is, for example, about 10 μm to 200 μm, preferably 30 μm. It is good that they are 180 micrometers or less, for example, 45 micrometers or more and 150 micrometers or less. The average particle diameter is 20 μm or more and 100 μm or less, preferably 30 μm or more and 90 μm or less, for example, 50 μm or more and 80 μm or less.

なお、各材料の配合は、アノード支持層用グリーンシート10Gを形成したとき、全体に占める金属系材料(金属または金属酸化物)の割合が、約30質量%以上(典型的には40質量%〜80質量%)であり、通常は約45質量%〜70質量%であることが好ましい。固体電解質層の形成材料(典型的には酸化物イオン伝導体)を使用する場合、アノード支持層用グリーンシート10G全体に占める固体電解質層形成材料の割合は、例えば約10質量%〜50質量%とすることができ、通常は約20質量%〜40質量%とすることが好ましい。また、アノード支持層用グリーンシート10G全体に占めるバインダの割合は、例えば約1質量%〜20質量%とすることができ、通常は約2質量%〜10質量%とすることが好ましい。なお、特に好ましい構成では、アノード支持層用グリーンシート10Gにおける有機物含有率が10質量%以下(好ましくは8質量%以下、より好ましくは7質量%以下)である。有機物含有率を低減することで、後述のグリーンシートの焼成の際に発生し得る不都合(例えば反りや変形、界面剥離、固体電解質層の貫通孔の形成など)を一層抑制することができる。   The composition of each material is such that when the anode support layer green sheet 10G is formed, the ratio of the metal-based material (metal or metal oxide) to the whole is about 30% by mass or more (typically 40% by mass). ˜80% by mass), and usually preferably about 45% by mass to 70% by mass. When the solid electrolyte layer forming material (typically an oxide ion conductor) is used, the ratio of the solid electrolyte layer forming material in the entire anode support layer green sheet 10G is, for example, about 10% by mass to 50% by mass. Usually, it is preferably about 20% by mass to 40% by mass. Moreover, the ratio of the binder to the whole anode support layer green sheet 10G can be, for example, about 1% by mass to 20% by mass, and preferably about 2% by mass to 10% by mass. In a particularly preferred configuration, the organic substance content in the anode support layer green sheet 10G is 10% by mass or less (preferably 8% by mass or less, more preferably 7% by mass or less). By reducing the organic content, inconveniences (for example, warpage and deformation, interfacial peeling, formation of through-holes in the solid electrolyte layer, etc.) that may occur when firing the green sheet described later can be further suppressed.

2.アノード支持層用グリーンシートの形成
ここで開示される製造方法では、次に、上記原料混合物を用いて、図2(a)および(b)に示すようなアノード支持層用グリーンシート10Gを形成する。アノード支持層用グリーンシート10Gは、ロール成形法によって形成する。
ところで、これまでアノード支持層用グリーンシートの形成は、一般にドクターブレード法を用いて行われていた。かかる方法では、ドクターブレードと呼ばれる刃を用いて、上述したような材料を溶媒(典型的には有機溶媒)中に分散させてなるスラリー状組成物を所定の厚みに成形した後、溶媒を揮発させることによって所望の厚みのアノード支持層用グリーンシートを作成していた。このため、スラリー状組成物にはある程度の粘性を持たせる必要があり、このことによって乾燥時間が長びいたり、或いは乾燥時に環境衛生上の問題を生じたりすることがあり得る。また、かかる方法は製造条件(例えば、スラリー状組成物の粘度や乾燥温度等)の影響を受け易く、条件の微妙な変動でアノード支持層用グリーンシートにクラックやボイド等を生じたり、アノード支持層用グリーンシートの表面の平坦性が失われたりすることがあり得た。さらに、アノード支持型のSOFCに用いるために、アノード支持層用グリーンシートを比較的厚め(例えば100μm〜1500μm)に形成しようとすると、比重の大きい材料(典型的には金属系材料)が下部に沈降し、比重の軽いバインダが上部に偏在して、厚さ方向の組成や密度が不均質なものとなり得た。そこで、一般には100μm程度の厚みのシートをドクターブレード法によって複数枚作製し、該シートを積層して、加熱圧着或いはシートの間に接着剤としての有機物を付与して加圧したりすることで、アノード支持層用グリーンシートを形成していた。しかしながら、このように比較的薄いアノード支持層用グリーンシートを複数枚積層して形成する場合であっても、上記のとおりの厚み方向での組成や密度の不均質性は微視的に解消されていなかった。また、積層枚数の増加に伴ってシート間の界面の数が増え、該界面において空隙や接合不良を生じたり、或いは界面剥離を招来したりする可能性が高かった。
2. Formation of Green Sheet for Anode Support Layer Next, in the manufacturing method disclosed herein, a green sheet 10G for an anode support layer as shown in FIGS. 2A and 2B is formed using the raw material mixture. . The anode support layer green sheet 10G is formed by a roll forming method.
By the way, formation of the green sheet for anode support layers was generally performed using the doctor blade method until now. In such a method, using a blade called a doctor blade, a slurry-like composition obtained by dispersing the above materials in a solvent (typically an organic solvent) is formed to a predetermined thickness, and then the solvent is volatilized. Thus, a green sheet for an anode support layer having a desired thickness was produced. For this reason, it is necessary to give the slurry-like composition a certain degree of viscosity. This may cause a long drying time or may cause environmental hygiene problems during drying. In addition, such a method is easily affected by manufacturing conditions (for example, the viscosity of the slurry-like composition, the drying temperature, etc.), and subtle fluctuations in the conditions may cause cracks and voids in the anode support layer green sheet, The flatness of the surface of the layer green sheet could be lost. Furthermore, when the anode support layer green sheet is formed to be relatively thick (for example, 100 μm to 1500 μm) for use in an anode-supported SOFC, a material having a large specific gravity (typically a metal-based material) is formed at the bottom. The binder that settled down and light in specific gravity was unevenly distributed in the upper part, and the composition and density in the thickness direction could be inhomogeneous. Therefore, in general, a plurality of sheets having a thickness of about 100 μm are produced by the doctor blade method, the sheets are laminated, and the pressure is applied by applying an organic substance as an adhesive between the thermocompression bonding or the sheets, A green sheet for the anode support layer was formed. However, even when a plurality of relatively thin anode support layer green sheets are laminated as described above, the composition and density inhomogeneities in the thickness direction as described above are microscopically eliminated. It wasn't. Further, as the number of laminated sheets increases, the number of interfaces between the sheets increases, and there is a high possibility that voids and poor bonding occur at the interfaces, or interface peeling occurs.

これに対して、ここで開示されるロール成形法では、回転するロールで原料を圧縮し所望の形状のアノード支持層用グリーンシートを圧縮成形する。典型的には、反対方向に回転する一対のロールの間に原料を供給し、この一対のロール間で原料を圧縮することにより所望の形状に成形する。このため、原料(材料)を粉体のまま直接ロール成形機に投入することができ、すなわち原料混合物をスラリー状に調製する必要がない。このことは、作業効率(典型的には乾燥時間の短縮)や製造コスト、環境衛生の観点からも好ましい。また、スラリー状組成物を用いた場合にみられる原料の不均一化が発生しない点においても好ましい。   On the other hand, in the roll forming method disclosed herein, the raw material is compressed with a rotating roll, and a green sheet for an anode support layer having a desired shape is compression-molded. Typically, a raw material is supplied between a pair of rolls rotating in opposite directions, and the raw material is compressed between the pair of rolls to form a desired shape. For this reason, the raw material (material) can be directly put into the roll forming machine as a powder, that is, it is not necessary to prepare the raw material mixture into a slurry. This is also preferable from the viewpoint of work efficiency (typically shortening the drying time), manufacturing cost, and environmental sanitation. Moreover, it is preferable also in the point which does not generate | occur | produce the nonuniformity of the raw material seen when a slurry-like composition is used.

ここで開示される好適な一態様では、上記アノード支持層用グリーンシート10Gは、平均厚みが100μm以上1500μm以下の単層構造となるよう形成するのが好ましい。100μm以上1500μm以下の厚みとすることで、強度や耐久性に優れたアノード支持層用グリーンシート10Gとすることができる。加えて、単層構造とすることで、例えば100μm程度の層を積層し一体化させた場合に比べて界面の数が少ないため、界面間の接合不良が生じ難く、且つ焼成後のアノード支持層の抵抗を低く抑えることができる。このように、ロール成形法によれば、アノード支持型のSOFCに用いられるような比較的厚いアノード支持層用グリーンシート10Gであっても、安定的に形成することができる。すなわち、かかるアノード支持層用グリーンシート10Gは、等方性や均質性に優れた(例えば組成や気孔率にバラつきが少ない)ものであり得る。また、ロール成形法では溶媒を用いてスラリー状組成物を調製する必要がないため簡便であり、作業効率(典型的には乾燥時間の短縮)や製造コスト、環境衛生の観点からも好ましい。   In a preferred embodiment disclosed herein, the green sheet for anode support layer 10G is preferably formed to have a single-layer structure with an average thickness of 100 μm to 1500 μm. By setting it as the thickness of 100 micrometers or more and 1500 micrometers or less, it can be set as the green sheet 10G for anode support layers excellent in intensity | strength and durability. In addition, with a single layer structure, for example, the number of interfaces is small compared to the case where layers of about 100 μm are laminated and integrated, so that poor bonding between the interfaces hardly occurs, and the anode support layer after firing Resistance can be kept low. Thus, according to the roll forming method, even the relatively thick anode support layer green sheet 10G used in the anode support type SOFC can be stably formed. That is, the anode support layer green sheet 10G can be excellent in isotropy and homogeneity (for example, there is little variation in composition and porosity). The roll forming method is simple because it does not require the preparation of a slurry composition using a solvent, and is preferable from the viewpoint of work efficiency (typically shortening the drying time), production cost, and environmental hygiene.

図1に、一実施形態に係るロール成形機の模式的な断面図を示す。図1に示すロール成形機5は、大略的には、原料混合物1aを貯留する貯留タンク1と、一対のロール2と、を備える。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a roll forming machine according to an embodiment. The roll forming machine 5 shown in FIG. 1 generally includes a storage tank 1 that stores the raw material mixture 1a and a pair of rolls 2.

貯留タンク1は、原料混合物1aを貯留する容器である。貯留タンク1はまた、その底部にフィーダー1bを備えており、フィーダー1bの吐出口から一定量の原料混合物1aを一対のロール2の間に連続的に供給するよう構成されている。フィーダー1bとしては、定量性に優れるものであれば特に限定されず、例えばスクリュー式、振動式、流動式等の各種フィーダーを適宜採用し得る。   The storage tank 1 is a container for storing the raw material mixture 1a. The storage tank 1 also includes a feeder 1b at the bottom thereof, and is configured to continuously supply a certain amount of the raw material mixture 1a between the pair of rolls 2 from the discharge port of the feeder 1b. The feeder 1b is not particularly limited as long as it has excellent quantitativeness. For example, various types of feeders such as a screw type, a vibration type, and a fluid type can be appropriately employed.

一対のロール2の間に供給された原料混合物1aは、ロール2の表面との摩擦力によって一対のロール2の間に引き込まれ、ロール2の間を通過する際に圧縮成形される。ロール2による圧延は、常温で行っても良いし、加熱しながら行っても良い。ここでは、後述するロール成形の条件等を調整することにより、所望の性状(例えば厚みや気孔率)を有するアノード支持層用グリーンシート10Gを好適に形成することができる。   The raw material mixture 1 a supplied between the pair of rolls 2 is drawn between the pair of rolls 2 by the frictional force with the surface of the roll 2, and is compression-molded when passing between the rolls 2. Rolling with the roll 2 may be performed at normal temperature or while heating. Here, the green sheet 10G for anode support layers which has desired properties (for example, thickness and porosity) can be suitably formed by adjusting the conditions of roll forming described later.

ロール2の直径は特に限定されないが、例えば数十cm〜数百cm程度であり得る。原料混合物やロール成形機の運転条件等が等しい場合は、一般にロールの直径が大きくなるほど密度の高い(緻密な)アノード支持層用グリーンシート10Gを形成することができる。また、一対のロール2間のプレス線圧は、特に限定されないが、通常10kg/mm〜500kg/mm程度であり、例えば50kg/mm〜200kg/mm程度とすることができる。また、アノード支持層用グリーンシート10Gの成形速度は、通常0.01m/分〜20m/分程度とすることができ、例えば0.05m/分〜10m/分、好ましくは0.1m/分〜1m/分とすることができる。かかる態様によれば、従来に比べて反りや変形等の不都合が生じ難く、均質なアノード支持層用グリーンシート10Gを安定して形成することができる。   The diameter of the roll 2 is not particularly limited, but may be, for example, about several tens of centimeters to several hundred centimeters. When the raw material mixture and the operating conditions of the roll forming machine are the same, in general, the higher the diameter of the roll, the higher the density (dense) green sheet 10G for the anode support layer can be formed. Further, the press linear pressure between the pair of rolls 2 is not particularly limited, but is usually about 10 kg / mm to 500 kg / mm, for example, about 50 kg / mm to 200 kg / mm. Further, the forming speed of the anode support layer green sheet 10G can be usually about 0.01 m / min to 20 m / min, for example, 0.05 m / min to 10 m / min, preferably 0.1 m / min to 1 m / min. According to such an aspect, inconveniences such as warping and deformation are less likely to occur than in the prior art, and the homogeneous anode support layer green sheet 10G can be formed stably.

また、一対のロール2の間隔は特に限定されず、目的物としてのアノード支持層用グリーンシート10Gの厚みに応じて適宜調整することができる。ここで開示されるアノード支持層用グリーンシート10Gは、SOFCの支持体として、例えば固体電解質層用グリーンシート20Gや反応抑止層用グリーンシート30G,カソード層用グリーンシート(図示せず)等に比べて厚めに形成される。支持体としてのアノード支持層用グリーンシート10Gの平均厚みは通常約100μm〜2000μmであることから、一対のロール2の間隔は例えば100μm以上(典型的には200μm以上、例えば300μm以上)であって、2000μm以下(典型的には1800μm以下、例えば1500μm以下)とすることができる。ロール成形法では、ロール2の間隔を調整するだけで所望の厚みを有するアノード支持層用グリーンシート10Gを形成することができるため簡便である。   Moreover, the space | interval of a pair of roll 2 is not specifically limited, It can adjust suitably according to the thickness of the green sheet 10G for anode support layers as a target object. The anode support layer green sheet 10G disclosed herein is a SOFC support, for example, compared with a solid electrolyte layer green sheet 20G, a reaction suppression layer green sheet 30G, a cathode layer green sheet (not shown), or the like. And thicker. Since the average thickness of the anode support layer green sheet 10G as a support is usually about 100 μm to 2000 μm, the distance between the pair of rolls 2 is, for example, 100 μm or more (typically 200 μm or more, for example, 300 μm or more). , 2000 μm or less (typically 1800 μm or less, for example, 1500 μm or less). The roll forming method is simple because the anode support layer green sheet 10G having a desired thickness can be formed simply by adjusting the interval between the rolls 2.

3.固体電解質層用グリーンシートの形成
ここで開示される製造方法では、次に、図2(a)および(b)に示すように、アノード支持層用グリーンシート10Gの表面に、少なくとも酸化物イオン伝導体と第2のバインダとを含む固体電解質層用グリーンシート20Gを形成する。かかる固体電解質層用グリーンシート20Gは、例えば、アノード支持層用グリーンシート10Gの上に、酸化物イオン伝導体と第2のバインダと必要に応じて含まれる添加剤(例えば可塑剤)とを溶媒に分散させてなるスラリー状の組成物(固体電解質層形成用スラリー)を任意の手法で供給し、溶媒を除去することで形成することができる。
3. Formation of Green Sheet for Solid Electrolyte Layer Next, in the manufacturing method disclosed herein, as shown in FIGS. 2 (a) and (b), at least oxide ion conduction is provided on the surface of the anode support layer green sheet 10G. The solid electrolyte layer green sheet 20G including the body and the second binder is formed. Such a solid electrolyte layer green sheet 20G includes, for example, an oxide ion conductor, a second binder, and an additive (for example, a plasticizer) included as necessary on the anode support layer green sheet 10G as a solvent. It can be formed by supplying a slurry composition (slurry for forming a solid electrolyte layer) dispersed in an arbitrary method and removing the solvent.

酸化物イオン伝導体としては、従来からSOFCの固体電解質層の構成材料として知られている各種の材料を特に限定することなく用いることができる。好適例として、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、カルシウム(Ca)、スカンジウム(Sc)、チタン(Ti)、ガリウム(Ga)、ストロンチウム(Sr)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、バリウム(Ba)、ランタン(La)、セリウム(Ce)、サマリウム(Sm)、ガドリニウム(Gd)、タングステン(W)、ビスマス(Bi)から選択される元素を含んだ酸化物が挙げられる。具体的には、イットリア(Y)、カルシア(CaO)、スカンジア(Sc)、マグネシア(MgO)、イッテルビア(Yb)、エルビア(Er)等の安定化剤で結晶構造を安定化させたジルコニア(ZrO);イットリア(Y)、ガドリニア(Gd)、サマリア(Sm)等のドープ剤をドープした酸化セリウム(CeO);等を採用し得る。これらはいずれか1種を単独で用いても良いし、2種以上を組み合わせて用いても良い。なかでも、ジルコニア(ZrO)にイットリウムの酸化物(例えば、イットリア(Y))を固溶させたイットリア安定化ジルコニア(YSZ)、またはスカンジウムの酸化物(例えばスカンジア(Sc))を固溶させたスカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)を好適に用いることができる。これらの酸化物は、比較的温度が低い場合(約500℃〜800℃)であっても高い酸化物イオン伝導性を示し得るため、起動性に優れたSOFCを実現し得ることから好ましい。固溶させる酸化物の量は特に限定されないが、例えば約1mol%〜20mol%(通常、約5mol%〜10mol%)とすることができる。 As the oxide ion conductor, various materials conventionally known as constituent materials for SOFC solid electrolyte layers can be used without any particular limitation. Preferred examples include magnesium (Mg), aluminum (Al), calcium (Ca), scandium (Sc), titanium (Ti), gallium (Ga), strontium (Sr), yttrium (Y), zirconium (Zr), niobium. And oxides containing an element selected from (Nb), barium (Ba), lanthanum (La), cerium (Ce), samarium (Sm), gadolinium (Gd), tungsten (W), and bismuth (Bi). It is done. Specifically, stabilization of yttria (Y 2 O 3 ), calcia (CaO), scandia (Sc 2 O 3 ), magnesia (MgO), ytterbia (Yb 2 O 3 ), erbia (Er 2 O 3 ), etc. Cerium oxide (CeO 2 ) doped with a dopant such as zirconia (ZrO 2 ), yttria (Y 2 O 3 ), gadolinia (Gd 2 O 3 ), samaria (Sm 2 O 3 ), whose crystal structure is stabilized with an agent ); Any of these may be used alone or in combination of two or more. Among them, yttrium-stabilized zirconia (YSZ) in which yttrium oxide (for example, yttria (Y 2 O 3 )) is dissolved in zirconia (ZrO 2 ), or scandium oxide (for example, scandia (Sc 2 O 3 )). Scandia-stabilized zirconia (ScSZ) in which)) is dissolved can be suitably used. Since these oxides can exhibit high oxide ion conductivity even when the temperature is relatively low (about 500 ° C. to 800 ° C.), these oxides are preferable because an SOFC with excellent startability can be realized. The amount of the oxide to be dissolved is not particularly limited, but may be, for example, about 1 mol% to 20 mol% (usually about 5 mol% to 10 mol%).

上記酸化物イオン伝導体の平均粒子径は、上記アノード支持層用グリーンシート10G(アノード支持層)の形成用として例示した導電性材料と同等とすることが好ましい。すなわち、平均粒子径が0.01μm〜5μm程度(例えば0.1μm〜2μm)程度の酸化物イオン伝導体を好ましく用いることができる。アノード支持層用グリーンシートおよび固体電解質層用グリーンシートに含まれる材料の平均粒子径を揃えることで、両者の層間における接着性を高めることができ、より高い接合性や機械的強度を実現することができる。   The average particle diameter of the oxide ion conductor is preferably equivalent to that of the conductive material exemplified for forming the green sheet for anode support layer 10G (anode support layer). That is, an oxide ion conductor having an average particle size of about 0.01 μm to 5 μm (for example, 0.1 μm to 2 μm) can be preferably used. By aligning the average particle size of the materials contained in the anode support layer green sheet and solid electrolyte layer green sheet, it is possible to improve the adhesion between the two layers and realize higher bondability and mechanical strength. Can do.

第2のバインダとしては、脱バインダ処理(典型的には、300℃以上で加熱焼成すること)やグリーンシートの焼成によって蒸発除去し得るものであれば、特に限定なく用いることができる。具体的には、メチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース、カルボキシメチルセルロース、カルボキシエチルセルロース、カルボキシエチルメチルセルロース、酢酸フタル酸セルロース等のセルロース系ポリマー;メタクリル酸エステル等のエステル系ポリマー;ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、ポリメチルメタクリレート、ポリブチルメタクリレート、ポリメチルアクリレート、ポリエチルメタクリレート等のアクリル系ポリマー;ポリアミドイミド、ポリイミド等のイミド系ポリマー;ポリエチレンオキサイド等のエチレン系ポリマー;ポリアクリロニトリル、ポリメタリロニトリル等のニトリル系ポリマー;ポリウレタン等のウレタン系ポリマー;ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリ塩化ビニリデンポリフッ化ビニル、酢酸ビニル等のビニル系重合体;スチレンブタジエンゴム等のゴム類;等を用いることができる。なかでも、セルロース系ポリマー(例えばエチルセルロース)やポリビニルブチラールを好適に用いることができる。   As the second binder, any binder can be used without particular limitation as long as it can be removed by evaporation by removing the binder (typically, heating and baking at 300 ° C. or higher) or baking the green sheet. Specifically, cellulose polymers such as methylcellulose, ethylcellulose, hydroxymethylcellulose, hydroxyethylcellulose, hydroxypropylcellulose, hydroxypropylmethylcellulose, carboxymethylcellulose, carboxyethylcellulose, carboxyethylmethylcellulose, and cellulose acetate phthalate; ester-based compounds such as methacrylate esters Polymers; acrylic polymers such as polyvinyl alcohol, polyvinyl butyral, polymethyl methacrylate, polybutyl methacrylate, polymethyl acrylate, polyethyl methacrylate; imide polymers such as polyamideimide and polyimide; ethylene polymers such as polyethylene oxide; polyacrylonitrile; Nito such as polymetallonitrile Le-based polymers; urethane polymer such as polyurethane, polyethylene, polypropylene, polyvinylidene fluoride, polyvinylidene chloride polyvinyl fluoride, vinyl polymer such as vinyl acetate; rubber such as styrene-butadiene rubber; and the like can be used. Especially, a cellulose polymer (for example, ethyl cellulose) and polyvinyl butyral can be used suitably.

溶媒としては、上記酸化物イオン伝導体および第2のバインダを好適に分散(または溶解)し得るもののうち一種または二種以上を特に限定することなく用いることができる。例えば、アルコール系溶剤、エーテル系溶剤、エステル系溶剤、ケトン系溶剤、環状エーテル系溶剤、芳香族炭化水素系溶剤または他の有機溶剤が挙げられる。なかでも、エタノール、イソプロピルアルコール、イソブチルアルコール、オクタノール、エチレングリコール、α−テルピネオール、ブチルセロソルブアセテート、ブチルカルビトールアセテート、ブチルジグリコールアセテート、イソボルニルアセテート、ブチルカルビトール、ブチルセロソルブ、メチルエチルケトン、シクロヘキサン、トルエン、キシレン等を好適に用いることができる。特に好ましくは、αーテルピネオール、ブチルセロソルブアセテート、ブチルカルビトールアセテート、ブチルジグリコールアセテート、イソボルニルアセテート、ブチルカルビトール、ブチルセロソルブが挙げられる。   As the solvent, one or two or more of those capable of suitably dispersing (or dissolving) the oxide ion conductor and the second binder can be used without any particular limitation. For example, alcohol solvents, ether solvents, ester solvents, ketone solvents, cyclic ether solvents, aromatic hydrocarbon solvents or other organic solvents can be used. Among them, ethanol, isopropyl alcohol, isobutyl alcohol, octanol, ethylene glycol, α-terpineol, butyl cellosolve acetate, butyl carbitol acetate, butyl diglycol acetate, isobornyl acetate, butyl carbitol, butyl cellosolve, methyl ethyl ketone, cyclohexane, toluene, Xylene or the like can be suitably used. Particularly preferred are α-terpineol, butyl cellosolve acetate, butyl carbitol acetate, butyl diglycol acetate, isobornyl acetate, butyl carbitol and butyl cellosolve.

好適な一態様では、バインダとしてセルロースおよびその誘導体(典型的にはエチルセルロース)を、溶媒としてα−テルピネオールを用いることである。また、好適な他の一態様では、バインダとしてポリビニルブチラールを、溶媒としてブチルセロソルブアセテート、ブチルカルビトールアセテート、ブチルジグリコールアセテート、イソボルニルアセテート等のエステル系溶剤および/またはイソプロピルアルコール等のアルコール系溶剤を用いることである。本発明者の検討によれば、上記の組み合わせのバインダおよび溶媒を用いて固体電解質層用グリーンシート20Gを形成することによって、アノード支持層用グリーンシート10Gと固体電解質層用グリーンシート20Gとの界面密着性をより一層高めることができ、界面剥離やボイド(空隙)等の発生を抑制することができるために好ましい。   In a preferred embodiment, cellulose and a derivative thereof (typically ethyl cellulose) are used as a binder, and α-terpineol is used as a solvent. In another preferred embodiment, polyvinyl butyral is used as a binder, and an ester solvent such as butyl cellosolve acetate, butyl carbitol acetate, butyl diglycol acetate, and isobornyl acetate and / or an alcohol solvent such as isopropyl alcohol. Is to use. According to the study of the present inventor, by forming the solid electrolyte layer green sheet 20G using the binder and the solvent in the above combination, the interface between the anode support layer green sheet 10G and the solid electrolyte layer green sheet 20G. It is preferable because the adhesion can be further enhanced and the occurrence of interface peeling and voids (voids) can be suppressed.

固体電解質層用グリーンシート20Gを形成するためのスラリー(以下、「固体電解質層形成用スラリー」のように表現する場合がある。)の固形分濃度(NV)は特に限定されないが、例えば60質量%〜80質量%とすることが好ましく、例えば65質量%〜75質量%程度とすることができる。換言すれば、固体電解質層形成用スラリー全体に占める溶媒の割合は、例えば約20質量%〜40質量%とすることができ、通常は約25質量%〜35質量%とすることが好ましい。
また、固体電解質層形成用スラリー全体に占める酸化物イオン伝導体の割合は、約50質量%以上であり、通常は約60質量%〜70質量%であることが好ましい。固体電解質層形成用スラリー全体に占めるバインダの割合は、例えば約1質量%〜10質量%とすることができ、通常は約1質量%〜5質量%とすることが好ましい。各種添加剤を使用する場合、固体電解質層形成用スラリー全体に占める添加剤の割合は、例えば0.1質量%〜20質量%とすることができ、通常は約0.5質量%〜15質量%とすることが好ましい。
The solid content concentration (NV) of the slurry for forming the solid electrolyte layer green sheet 20G (hereinafter sometimes referred to as “solid electrolyte layer forming slurry”) is not particularly limited. It is preferable to set it as% -80 mass%, for example, it can be set as about 65 mass% -75 mass%. In other words, the ratio of the solvent in the entire solid electrolyte layer forming slurry can be, for example, about 20% by mass to 40% by mass, and is usually preferably about 25% by mass to 35% by mass.
Moreover, the ratio of the oxide ion conductor to the whole solid electrolyte layer forming slurry is about 50% by mass or more, and preferably about 60% by mass to 70% by mass. The proportion of the binder in the entire solid electrolyte layer forming slurry can be, for example, about 1% by mass to 10% by mass, and is usually preferably about 1% by mass to 5% by mass. When using various additives, the ratio of the additive to the whole solid electrolyte layer forming slurry can be, for example, 0.1% by mass to 20% by mass, and usually about 0.5% by mass to 15% by mass. % Is preferable.

固体電解質層形成用スラリーの供給方法としては、一般的なスラリーの塗布技術、例えば印刷法(凸版印刷、オフセット印刷、グラビア印刷、インクジェット印刷、スクリーン印刷等)、シート成形法(ドクターブレード法等)、ディッピング法、スプレー法等を採用することができ、なかでも印刷成形法(典型的にはスクリーン印刷法)やドクターブレード法を好ましく採用し得る。かかる手法によれば、従来に比べて薄く緻密な固体電解質層用グリーンシート20Gを好適に形成することができる。   As a method for supplying the slurry for forming the solid electrolyte layer, a general slurry application technique, for example, printing methods (letter printing, offset printing, gravure printing, inkjet printing, screen printing, etc.), sheet forming methods (doctor blade method, etc.) In addition, a dipping method, a spray method, and the like can be employed, and among them, a printing molding method (typically a screen printing method) and a doctor blade method can be preferably employed. According to such a method, it is possible to suitably form a thin green electrolyte sheet 20G for a solid electrolyte layer as compared with the related art.

また、ここで開示される製造方法の好適な一態様では、固体電解質層形成用スラリーを供給した後に、適当な乾燥手法で該固体電解質層形成用スラリーに含まれる溶媒を除去する。かかる手法としては、自然乾燥、熱風、低湿風、真空、赤外線、遠赤外線、電子線等による乾燥を単独または組み合わせて用いることができる。これにより、酸化物イオン伝導体および第2のバインダからなる固体電解質層用グリーンシート20Gが形成される。   In a preferred embodiment of the production method disclosed herein, after the slurry for forming the solid electrolyte layer is supplied, the solvent contained in the slurry for forming the solid electrolyte layer is removed by an appropriate drying method. As such a method, natural drying, hot air, low-humidity air, vacuum, infrared, far-infrared, electron beam, or the like can be used alone or in combination. Thereby, the green sheet 20G for solid electrolyte layers which consists of an oxide ion conductor and a 2nd binder is formed.

なお、固体電解質層用グリーンシート20Gの厚み(平均厚み)は、従来に比べて薄く形成することができる。固体電解質層用グリーンシート20Gの厚みは厳密には制限されないものの、典型的には10μm以下、例えば7μm以下、特に5μm以下となるよう形成することが好ましい。上記範囲とすることで、抵抗をより低く抑えることができ、優れた発電性能(高出力密度)を発揮し得るSOFCを実現することができる。また、固体電解質層用グリーンシート20Gの厚みは、典型的には1μm以上、例えば2μm以上、好ましくは3μm以上となるよう形成することが好ましい。上記範囲とすることで、固体電解質層用グリーンシート20Gの形成時に生じ得るピンホールや塗工スジの発生や、焼成の際に固体電解質層に貫通孔が形成される等の不都合の発生を抑制することができる。
上述のようにして、例えば、図2(a)に示すような、アノード支持層用グリーンシート10Gと固体電解質層用グリーンシート20Gとが積層されたグリーンシート110Gを作製することができる。
In addition, the thickness (average thickness) of the solid electrolyte layer green sheet 20G can be formed thinner than the conventional one. Although the thickness of the solid electrolyte layer green sheet 20G is not strictly limited, the thickness is typically 10 μm or less, for example, 7 μm or less, and particularly preferably 5 μm or less. By setting it as the said range, resistance can be restrained lower and SOFC which can exhibit the outstanding power generation performance (high power density) is realizable. The thickness of the solid electrolyte layer green sheet 20G is typically formed to be 1 μm or more, for example, 2 μm or more, preferably 3 μm or more. By setting the above range, it is possible to suppress the occurrence of inconveniences such as generation of pinholes and coating streaks that may occur during formation of the solid electrolyte layer green sheet 20G, and formation of through holes in the solid electrolyte layer during firing. can do.
As described above, for example, a green sheet 110G in which the anode support layer green sheet 10G and the solid electrolyte layer green sheet 20G are laminated as shown in FIG.

4.反応抑止層の形成
ここで開示される好適な一態様では、例えば、図2(b)に示すように、固体電解質層用グリーンシート20Gの表面に反応抑止層用グリーンシート30Gを備えることができる。例えば、SOFCの固体電解質層に酸化ジルコニウム系の材料を含み、且つ後述するカソード層にペロブスカイト構造の酸化物材料を含む場合には、それらを作製するための焼成ないしは焼成後のSOFCにおいて固体電解質層とカソード層とが接触する部分(界面)で固相反応を生じ得る。かかる固相反応は、固体電解質層および/またはカソード層間の酸化物イオン伝導性が低下する原因となり得るために好ましくない。そのため、上記材料を用いてSOFCを製造する場合には、固体電解質層とカソード層との間に両者の反応を防止する反応抑止層を設けることができる。また、ここに開示されるグリーンシート110Gについても、固体電解質層用グリーンシート20Gの表面に、反応抑止層を形成するための反応抑止層用グリーンシート30Gを形成することができる。
4). Formation of Reaction Inhibiting Layer In a preferred embodiment disclosed herein, for example, as shown in FIG. 2B, a green sheet for reaction inhibiting layer 30G can be provided on the surface of the green sheet for solid electrolyte layer 20G. . For example, when the SOFC solid electrolyte layer contains a zirconium oxide-based material and the cathode layer described later contains an oxide material having a perovskite structure, the solid electrolyte layer in the fired or fired SOFC for producing them A solid phase reaction can occur at the part (interface) where the cathode layer and the cathode layer are in contact. Such a solid phase reaction is not preferable because it can cause a decrease in oxide ion conductivity between the solid electrolyte layer and / or the cathode layer. Therefore, when manufacturing SOFC using the said material, the reaction suppression layer which prevents reaction of both can be provided between a solid electrolyte layer and a cathode layer. Moreover, also about the green sheet 110G disclosed here, the green sheet 30G for reaction suppression layers for forming a reaction suppression layer can be formed on the surface of the green sheet 20G for solid electrolyte layers.

かかる反応抑止層用グリーンシート30Gは、例えば、セリウム酸化物とバインダと必要に応じて含まれる添加剤(例えば分散剤)とを溶媒に分散させて調整してなるスラリー状の組成物(反応抑止層形成用スラリー)を、固体電解質層用グリーンシート20Gの表面に任意の手法で供給した後、溶媒を除去することで形成することができる。
セリウム酸化物としては、例えば固体電解質層の形成材料として例示したセリウム酸化物を用いることができる。好適例として、ガドリニア(Gd)をドープした酸化セリウム(CeO)が挙げられる。上記置換的な構成元素の量(異元素のドープ量)は、特に限定されないが、例えば当該置換元素の酸化物換算で1mol%〜20mol%(例えば5mol%〜15mol%)とすることができる。
The reaction inhibiting layer green sheet 30G includes, for example, a slurry-like composition (reaction inhibiting) prepared by dispersing cerium oxide, a binder, and an additive (for example, a dispersant) included as necessary in a solvent. The layer forming slurry) can be formed by supplying the surface of the solid electrolyte layer green sheet 20G by any method and then removing the solvent.
As the cerium oxide, for example, cerium oxide exemplified as a material for forming the solid electrolyte layer can be used. A preferable example is cerium oxide (CeO 2 ) doped with gadolinia (Gd 2 O 3 ). The amount of the substitutional constituent element (the doping amount of the different element) is not particularly limited, but can be, for example, 1 mol% to 20 mol% (for example, 5 mol% to 15 mol%) in terms of oxide of the substitution element.

バインダや溶媒としては特に限定されず、例えば固体電解質層用グリーンシート20Gの形成用として例示したものの中から適宜採用し得る。好適な一態様では、上記固体電解質層用グリーンシート20Gの形成に用いた第2のバインダや溶媒を使用することである。例えば、バインダにセルロースおよびその誘導体(典型的にはエチルセルロース)を、溶媒にα−テルピネオールを、それぞれ好ましく採用し得る。或いは、バインダにポリビニルブチラールを、溶媒にブチルセロソルブアセテート、ブチルカルビトールアセテート、ブチルジグリコールアセテート、イソボルニルアセテート等のエステル系溶剤を用いることができる。かかる構成によれば、固体電解質層用グリーンシート20Gと反応抑止層用グリーンシート30Gとの間の親和性(相溶性)を高めることができ、かかる界面において自己組織化を生じさせることができる。したがって、界面剥離等の不都合を一層抑制することができ、高い発電性能を長期に亘って発揮し得る、高性能なSOFCを製造することが可能とされる。なお、反応抑止層用グリーンシート30Gの添加剤としては、カルボン酸系(例えばモノカルボン酸、ジカルボン酸等)の界面活性剤を好ましく用いることができる。   It does not specifically limit as a binder or a solvent, For example, it can employ | adopt suitably from what was illustrated as an object for formation of the green sheet 20G for solid electrolyte layers. In a preferred aspect, the second binder or solvent used for forming the solid electrolyte layer green sheet 20G is used. For example, cellulose and a derivative thereof (typically ethyl cellulose) can be preferably used as the binder, and α-terpineol can be preferably used as the solvent. Alternatively, polyvinyl butyral can be used as the binder, and an ester solvent such as butyl cellosolve acetate, butyl carbitol acetate, butyl diglycol acetate, or isobornyl acetate can be used as the solvent. According to such a configuration, the affinity (compatibility) between the solid electrolyte layer green sheet 20G and the reaction suppression layer green sheet 30G can be increased, and self-organization can be caused at the interface. Therefore, inconveniences such as interface peeling can be further suppressed, and a high-performance SOFC that can exhibit high power generation performance over a long period can be manufactured. In addition, as an additive of the reaction inhibiting layer green sheet 30G, a carboxylic acid type surfactant (for example, monocarboxylic acid, dicarboxylic acid, etc.) can be preferably used.

反応抑止層形成用スラリーの固形分濃度(NV)は特に限定されないが、典型的には60質量%〜80質量%(例えば65質量%〜75質量%)程度とすることができ、概ね固体電解質層形成用スラリーと同等とすることが好ましい。換言すれば、反応抑止層形成用スラリー全体に占める溶媒の割合は、例えば約20質量%〜40質量%とすることができ、通常は約25質量%〜35質量%とすることが好ましい。
また、反応抑止層形成用スラリー全体に占める上記セリウム酸化物の割合は、約50質量%以上であり、通常は約60質量%〜70質量%であることが好ましい。反応抑止層形成用スラリー全体に占めるバインダの割合は、例えば約1質量%〜10質量%とすることができ、通常は約1質量%〜5質量%とすることが好ましい。なお、反応抑止層形成用スラリーの調製方法は、固体電解質層形成用スラリーと同様であり得る。
The solid content concentration (NV) of the reaction inhibiting layer forming slurry is not particularly limited, but can typically be about 60% by mass to 80% by mass (for example, 65% by mass to 75% by mass), and is generally a solid electrolyte. It is preferable to be equivalent to the layer forming slurry. In other words, the ratio of the solvent in the entire reaction inhibiting layer forming slurry can be, for example, about 20% by mass to 40% by mass, and is usually preferably about 25% by mass to 35% by mass.
Moreover, the ratio of the said cerium oxide to the whole slurry for reaction suppression layer formation is about 50 mass% or more, and it is preferable normally that it is about 60 mass%-70 mass%. The ratio of the binder to the whole reaction inhibiting layer forming slurry can be, for example, about 1% by mass to 10% by mass, and is usually preferably about 1% by mass to 5% by mass. In addition, the preparation method of the slurry for reaction suppression layer formation may be the same as that of the slurry for solid electrolyte layer formation.

反応抑止層形成用スラリーの供給方法は特に限定されないが、固体電解質層用グリーンシート20Gを形成する場合と同様とすることができ、例えば印刷法(例えばスクリーン印刷法)を採用することができる。そして、供給された反応抑止層形成用スラリーの溶媒を除去することで、反応抑止層用グリーンシート30Gを形成することができる。
反応抑止層用グリーンシート30Gの厚みは特に限定されないが、厚すぎる場合は焼成後に得られる固体電解質層の酸化物イオン伝導性を妨げ、発電性能が低下する虞がある。また、あまりに薄い場合は焼成ないしは焼成後に固体電解質層とカソード層とが接触し反応を生じ得る等、反応抑止層としての役割を果たさない虞がある。かかる観点から、反応抑止層用グリーンシート30Gの平均厚みは、0.5μm〜10μmであることが適当であり、通常1μm〜5μm程度であることが好ましい。
上述のようにして、図2(b)に示すような、アノード支持層用グリーンシート10Gと固体電解質層用グリーンシート20Gと反応抑止層用グリーンシート30Gとが順に積層されたグリーンシート120Gを製造することができる。
The method for supplying the reaction inhibiting layer forming slurry is not particularly limited, but can be the same as that for forming the solid electrolyte layer green sheet 20G. For example, a printing method (for example, a screen printing method) can be employed. And the green sheet 30G for reaction suppression layers can be formed by removing the solvent of the slurry for reaction suppression layer formation supplied.
The thickness of the reaction inhibiting layer green sheet 30G is not particularly limited, but if it is too thick, the oxide ion conductivity of the solid electrolyte layer obtained after firing may be hindered, and the power generation performance may be reduced. On the other hand, if it is too thin, the solid electrolyte layer and the cathode layer may come into contact with each other after firing or may cause a reaction. From this viewpoint, the average thickness of the reaction inhibiting layer green sheet 30G is suitably 0.5 μm to 10 μm, and is usually preferably about 1 μm to 5 μm.
As described above, the green sheet 120G in which the anode support layer green sheet 10G, the solid electrolyte layer green sheet 20G, and the reaction suppression layer green sheet 30G are sequentially laminated as shown in FIG. 2B is manufactured. can do.

[固体酸化物形燃料電池(SOFC)] [Solid oxide fuel cell (SOFC)]

図3は、ここに開示される円筒型のアノード支持型SOFC50を備えた発電システムの一構成例を示す断面図である。本発明により、上記グリーンシート110G,120Gを焼成してなる積層体を備えた固体酸化物形燃料電池(SOFC)50が提供される。
かかるSOFC50は、例えば、以下の手順で好適に製造することができる。
[ハーフセル]
すなわち、まず、上記で作製したグリーンシート110Gを所定の温度で焼成(共焼成)して、アノード支持層10の表面に固体電解質層20が形成されたハーフセルを得る。あるいは、反応抑止層用グリーンシート30Gを備えたグリーンシート120Gを所定の温度で焼成(共焼成)して、アノード支持層10の表面に固体電解質層20および反応抑止層30が順に形成されたハーフセルを得る。このときの焼成時の温度は、例えば約1200℃〜1500℃とすることができる。また、焼成時間は、例えば約1時間〜5時間とすることができる。
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a power generation system including the cylindrical anode-supported SOFC 50 disclosed herein. According to the present invention, there is provided a solid oxide fuel cell (SOFC) 50 including a laminate formed by firing the green sheets 110G and 120G.
Such SOFC 50 can be suitably manufactured, for example, by the following procedure.
[Half-cell]
That is, first, the green sheet 110G produced above is fired (co-fired) at a predetermined temperature to obtain a half cell in which the solid electrolyte layer 20 is formed on the surface of the anode support layer 10. Alternatively, the green cell 120G including the reaction inhibiting layer green sheet 30G is fired (cofired) at a predetermined temperature, and the solid electrolyte layer 20 and the reaction inhibiting layer 30 are sequentially formed on the surface of the anode support layer 10. Get. The temperature at the time of baking at this time can be about 1200 degreeC-1500 degreeC, for example. Moreover, baking time can be made into about 1 hour-5 hours, for example.

アノード支持層10は、ガス拡散性に優れた多孔質構造を有しており、気孔率は通常約10体積%〜50体積%であり、20体積%〜40体積%であることが好ましい。また、アノード支持層10の平均細孔径は、通常約10μm以下であり、0.1μm〜5μmであることが好ましい。かかる範囲を満たす場合、ガスとの接触面積を十分に確保し得、高い機械的強度と優れたガス拡散性とを好適に両立し得る。
固体電解質層20および反応抑止層30は、薄膜状で緻密構造を有しており、気孔率は通常約30体積%以下であり、20体積%以下であることが好ましい。かかる範囲を満たす場合、より出力密度の高いSOFCを実現し得る。
なお、本明細書において「平均細孔径」とは、一般的な水銀圧入法の測定によって得られる値をいう。また、本明細書において「気孔率」とは、上記水銀圧入法の測定によって得られる気孔容積(Vb(cm))を、見かけの体積(Va(cm))で除して、100を掛けることにより、算出した値(Vb/Va×100(%))をいう。
The anode support layer 10 has a porous structure with excellent gas diffusibility, and the porosity is usually about 10% to 50% by volume, preferably 20% to 40% by volume. The average pore diameter of the anode support layer 10 is usually about 10 μm or less, preferably 0.1 μm to 5 μm. When satisfying such a range, a sufficient contact area with the gas can be ensured, and high mechanical strength and excellent gas diffusibility can be suitably achieved.
The solid electrolyte layer 20 and the reaction inhibition layer 30 are thin and have a dense structure, and the porosity is usually about 30% by volume or less, preferably 20% by volume or less. When satisfying such a range, an SOFC with higher power density can be realized.
In the present specification, the “average pore diameter” means a value obtained by measurement by a general mercury intrusion method. Further, in this specification, the “porosity” is obtained by dividing the pore volume (Vb (cm 3 )) obtained by the measurement of the mercury intrusion method by the apparent volume (Va (cm 3 )). By multiplying, the calculated value (Vb / Va × 100 (%)) is said.

[カソード層]
そしてこれらのハーフセルの固体電解質層20側(または反応抑止層30側)の表面に、カソード層用グリーンシートを形成し、再度焼成することで、ハーフセルにカソード層40を形成することができる。これにより、SOFC50を製造することができる。
カソード層用グリーンシートは、カソード構成材料(例えばペロブスカイト型酸化物)とバインダと必要に応じて含まれる添加剤とを溶媒に分散させてなるスラリー状の組成物(カソード層形成用スラリー)を調整し、上記の固体電解質層あるいは反応抑止層用のグリーンシート20G,30Gと同様に、所定の厚みに供給して、溶媒を除去(乾燥)することで形成することができる。そして、このハーフセル・カソード層用グリーンシート積層体を所定の温度で焼成することによって、SOFC50を製造することができる。このときの焼成温度は、例えば700℃〜1200℃(好ましくは800℃〜1100℃)とすることができ、焼成時間は約1時間〜5時間とすることができる。
[Cathode layer]
And the cathode layer 40 can be formed in a half cell by forming the green sheet for cathode layers in the surface of the solid electrolyte layer 20 side (or reaction suppression layer 30 side) of these half cells, and baking again. Thereby, SOFC50 can be manufactured.
The green sheet for the cathode layer is prepared by preparing a slurry-like composition (cathode layer forming slurry) in which a cathode constituent material (for example, perovskite oxide), a binder, and an additive contained as necessary are dispersed in a solvent. In the same manner as the green sheets 20G and 30G for the solid electrolyte layer or reaction suppression layer, it can be formed by supplying a predetermined thickness and removing (drying) the solvent. The SOFC 50 can be manufactured by firing the green sheet laminate for the half cell / cathode layer at a predetermined temperature. The firing temperature at this time can be, for example, 700 ° C. to 1200 ° C. (preferably 800 ° C. to 1100 ° C.), and the firing time can be about 1 hour to 5 hours.

焼成後のカソード層40は、アノード支持層10と同様にガス拡散性に優れた多孔質構造を有し、気孔率は通常約10体積%〜30体積%であり、15体積%〜25体積%であることが好ましい。また、カソード層40の平均細孔径は、通常約10μm以下であり、0.1μm〜5μmであることが好ましい。かかる範囲を満たす場合、ガスとの接触面積を十分に確保し得、高い発電性能を実現し得る。カソード層40の平均厚みは、発電性能の観点から、通常約50μm以下(典型的には、約5μm〜20μm)であるが、かかる厚みに限定されるものではない。   The fired cathode layer 40 has a porous structure excellent in gas diffusibility like the anode support layer 10, and the porosity is usually about 10% to 30% by volume, and 15% to 25% by volume. It is preferable that Further, the average pore diameter of the cathode layer 40 is usually about 10 μm or less, and preferably 0.1 μm to 5 μm. When satisfying such a range, a sufficient contact area with the gas can be secured and high power generation performance can be realized. The average thickness of the cathode layer 40 is usually about 50 μm or less (typically about 5 μm to 20 μm) from the viewpoint of power generation performance, but is not limited to such thickness.

カソード層40を構成する材料としては、従来からSOFCのカソード層の形成に用いられる物質の一種または二種以上を特に限定することなく用いることができる。なかでも、酸化雰囲気において優れた耐久性を発揮し得るものが好ましい。典型的として、ランタンコバルタイト(LaCoO)系、ランタンマンガネート(LaMnO)系、ランタンフェライト(LaFeO)系、ランタンニッケラート(LaNiO)系のペロブスカイト型酸化物;サマリウムコバルタイト(SmCoO)系ペロブスカイト型酸化物;等が挙げられる。 As a material constituting the cathode layer 40, one kind or two or more kinds of substances conventionally used for forming the cathode layer of SOFC can be used without particular limitation. Among these, those that can exhibit excellent durability in an oxidizing atmosphere are preferable. Typically, lanthanum cobaltite (LaCoO 3 ), lanthanum manganate (LaMnO 3 ), lanthanum ferrite (LaFeO 3 ), lanthanum nickelate (LaNiO 3 ) perovskite oxides; samarium cobaltite (SmCoO 3 ) -Based perovskite oxides.

ここで、例えば上記ランタンコバルタイト系酸化物とは、LaおよびCoを構成金属元素とする酸化物の他、LaおよびCo以外に他の一種以上の金属元素(遷移金属元素および/または典型金属元素)を含む酸化物をも包含する意味である。また、ランタンマンガネート系酸化物、ランタンフェライト系酸化物、ランタンニッケラート系酸化物およびサマリウムコバルタイト系酸化物についても同様である。典型例として、SrをドープしたLaMnO系酸化物(例えば、La0.8Sr0.2MnO)、SrをドープしたLaCoO系酸化物(例えば、La0.6Sr0.4CoO)、SrおよびFeをドープしたLaCoO系酸化物(例えば、La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8)等が挙げられる。これらの酸化物は、いわゆる電子−酸化物イオン混合伝導体であり、他のペロブスカイト型酸化物に比べて高い反応活性を示す(高い触媒能を有する)ことから好適である。 Here, for example, the above lanthanum cobaltite-based oxide is an oxide having La and Co as constituent metal elements, as well as one or more metal elements other than La and Co (transition metal element and / or typical metal element) ) Containing oxides. The same applies to lanthanum manganate oxides, lanthanum ferrite oxides, lanthanum nickelate oxides, and samarium cobaltite oxides. As typical examples, an Sr-doped LaMnO 3 oxide (eg, La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 ), an Sr-doped LaCoO 3 oxide (eg, La 0.6 Sr 0.4 CoO 3). ), LaCoO 3 oxides doped with Sr and Fe (for example, La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 ) and the like. These oxides are so-called electron-oxide ion mixed conductors, and are preferable because they exhibit higher reaction activity (have higher catalytic ability) than other perovskite oxides.

カソード層用グリーンシートは、また、本発明の効果を著しく損なわない限りにおいて、バインダや各種添加剤等を必要に応じて含み得る。これらは、例えばアノード支持層用グリーンシート10Gの形成用として上述したもののうちの、一種または二種以上を適宜用いることができる。   The cathode layer green sheet can also contain a binder, various additives, and the like as necessary as long as the effects of the present invention are not significantly impaired. For example, one or two or more of those described above for forming the anode support layer green sheet 10G can be used as appropriate.

以上のようにして製造されるSOFC50は、アノード支持層(燃料極)10と、固体電解質層20と、反応抑止層30と、カソード層(空気極)40と、が順に積層された構造を有している。また、アノード支持層10の端部12と、燃料ガスを供給するガス管70の接合面とが接続部材60によって接合され、気体が流出および/または流入しないように封止されている。一方、カソード層40は外気に露出した構造を有している。SOFC50の使用時には、アノード支持層10側の固体電解質表面に燃料ガス(典型的には水素(H))が、カソード層40側の固体電解質表面に酸素(O)含有ガス(典型的には空気)が、それぞれ供給される。このSOFC50に電流を印加すると、カソード層40において酸素が還元され、酸化物イオンとなる。そして、該酸化物イオンが(固体電解質層20を介して)アノード支持層10に到達し、燃料ガスを酸化して電子を放出することによって電気エネルギーの生成(すなわち発電)が行われる。 The SOFC 50 manufactured as described above has a structure in which the anode support layer (fuel electrode) 10, the solid electrolyte layer 20, the reaction suppression layer 30, and the cathode layer (air electrode) 40 are sequentially laminated. doing. Further, the end 12 of the anode support layer 10 and the joining surface of the gas pipe 70 for supplying the fuel gas are joined by the connecting member 60 and sealed so that the gas does not flow out and / or flow in. On the other hand, the cathode layer 40 has a structure exposed to the outside air. When the SOFC 50 is used, a fuel gas (typically hydrogen (H 2 )) is present on the solid electrolyte surface on the anode support layer 10 side, and an oxygen (O 2 ) -containing gas (typically on the solid electrolyte surface on the cathode layer 40 side). Air). When a current is applied to the SOFC 50, oxygen is reduced in the cathode layer 40 to become oxide ions. Then, the oxide ions reach the anode support layer 10 (through the solid electrolyte layer 20), oxidize the fuel gas, and emit electrons, thereby generating electric energy (that is, power generation).

なお、図3に示すSOFCは円筒型(Tubular)であるが、他にも種々の構造、例えば従来公知の多角形型、平型(Planar)あるいは円筒の周側面を垂直に押し潰した扁平円筒型(Flat Tubular)等とすることができ、形状やサイズは特に限定されない。例えば平型は、電力密度が高く円筒型に比べて安価であるという特徴を有する。また、円筒型はガスの流量を一定に保ち易く、より安定的な発電が可能であるという特徴を有する。このため、用途等に応じて適宜好ましい形状およびサイズを選択することが好ましい。また、平型のSOFCとしては、ここで開示されるアノード支持型(ASC;Anode-Supported Cell)の他にも、例えばアノード支持層の下に多孔質な金属シートを入れた、メタルサポートセル(MSC;Metal-Supported Cell)とすることもできる。   The SOFC shown in FIG. 3 is a cylindrical type (Tubular), but various other structures such as a conventionally known polygonal type, a flat type (Planar), or a flat cylinder in which the peripheral side surface of the cylinder is vertically crushed. The shape (Flat Tubular) can be used, and the shape and size are not particularly limited. For example, the flat type has a feature that it has a high power density and is cheaper than the cylindrical type. In addition, the cylindrical type has a feature that it is easy to keep the gas flow rate constant and more stable power generation is possible. For this reason, it is preferable to select a preferable shape and size as appropriate according to the application. In addition to the anode-supported cell (ASC) disclosed herein, the flat SOFC includes, for example, a metal support cell (porous metal sheet placed under the anode support layer). MSC (Metal-Supported Cell).

以下、本発明に関するいくつかの実施例を説明するが、本発明をかかる具体例に示すものに限定することを意図したものではない。   Several examples relating to the present invention will be described below, but the present invention is not intended to be limited to the specific examples.

[グリーンシートの作製]
(例1)
導電性材料として、平均粒子径0.5μmの酸化ニッケル(NiO)粉末と、平均粒子径0.5μmの8mol%イットリア安定化ジルコニア(8YSZ)粉末とを、NiO:8YSZ=60:40の質量比率で混ぜ合わせ、混合粉末とした。また、第1のバインダとして、下記の表1に示すガラス転移温度(Tg)が−96℃のアクリル高分子系バインダ1を用意した。表1には、この第1のバインダの主組成,イオン性,pH,不揮発成分量等の性状についても示した。そして、上記の混合粉末と、第1のバインダと、造孔材(炭素粒子)と、可塑剤(グリコールエーテル)とを、100:7:10:3の質量比で配合し、イオン交換水を加えて撹拌することにより、スラリー状組成物を調製した。次いで、このスラリー状組成物を用い、スプレードライ手法により造粒することで、造粒粒子の形態の原料混合物を用意した。
[Production of green sheets]
(Example 1)
As a conductive material, a nickel oxide (NiO) powder having an average particle diameter of 0.5 μm and an 8 mol% yttria-stabilized zirconia (8YSZ) powder having an average particle diameter of 0.5 μm are mixed at a mass ratio of NiO: 8YSZ = 60: 40. To make a mixed powder. Moreover, the acrylic polymer type | system | group binder 1 whose glass transition temperature (Tg) shown in following Table 1 is -96 degreeC was prepared as a 1st binder. Table 1 also shows properties such as the main composition, ionicity, pH, and amount of nonvolatile components of the first binder. And said mixed powder, a 1st binder, a pore making material (carbon particle), and a plasticizer (glycol ether) are mix | blended by the mass ratio of 100: 7: 10: 3, and ion-exchange water is carried out. In addition, a slurry-like composition was prepared by stirring. Subsequently, using this slurry-like composition, the raw material mixture in the form of granulated particles was prepared by granulating by a spray drying method.

上記のように用意した原料混合物を一対のロールの間に連続的に供給し、圧縮成形すること(ロール成形法)により、厚みが約0.5mm程度のシート状のアノード支持層用グリーンシートを形成した。この時の圧延条件は、以下のとおりとした。なお、ここで得られたアノード支持層用グリーンシートは、一部を下記に示す各種の特性評価に供した。
ロール温度:30℃
ロール間ギャップ:500μm
ロール線圧:100kg/mm
成形速度:0.5m/min
By continuously supplying the raw material mixture prepared as described above between a pair of rolls and compression molding (roll molding method), a sheet-like green sheet for an anode support layer having a thickness of about 0.5 mm is obtained. Formed. The rolling conditions at this time were as follows. A part of the green sheet for anode support layer obtained here was subjected to various characteristics evaluations shown below.
Roll temperature: 30 ° C
Gap between rolls: 500 μm
Roll linear pressure: 100 kg / mm
Molding speed: 0.5m / min

次に、平均粒子径0.5μmの8YSZ粉末と、バインダ(エチルセルロース;EC)と、溶媒(α−テルピネオール;TE)とを、65:4:31の質量比率で混練することにより、スラリー状の固体電解質層形成用組成物を調製した。これを上記アノード支持層用グリーンシートの上にスクリーン印刷法によって供給(印刷)し、厚み5μmの固体電解質層用グリーンシートを形成した。   Next, an 8YSZ powder having an average particle diameter of 0.5 μm, a binder (ethylcellulose; EC), and a solvent (α-terpineol; TE) were kneaded at a mass ratio of 65: 4: 31 to form a slurry. A composition for forming a solid electrolyte layer was prepared. This was supplied (printed) onto the anode support layer green sheet by a screen printing method to form a solid electrolyte layer green sheet having a thickness of 5 μm.

同様に、平均粒子径0.5μmの10%ガドリニウムドープセリア(GDC)粉末と、バインダ(EC)と、溶媒(α−TE)とを、65:4:31の質量比率で混練することにより、スラリー状の反応抑止層形成用組成物を調製した。これを上記固体電解質層用グリーンシートの上にスクリーン印刷法によって供給(印刷)し、厚み5μmの反応抑止層用グリーンシートを形成した。
これにより、アノード支持層用グリーンシート−固体電解質層用グリーンシート−反応抑止層用グリーンシートが一体的に積層形成されている、例1のSOFC用グリーンシートを得た。
Similarly, by kneading 10% gadolinium-doped ceria (GDC) powder having an average particle size of 0.5 μm, a binder (EC), and a solvent (α-TE) at a mass ratio of 65: 4: 31, A slurry-like composition for forming a reaction inhibition layer was prepared. This was supplied (printed) onto the solid electrolyte layer green sheet by a screen printing method to form a reaction inhibiting layer green sheet having a thickness of 5 μm.
Thereby, the green sheet for SOFC of Example 1 in which the green sheet for the anode support layer, the green sheet for the solid electrolyte layer, and the green sheet for the reaction suppression layer are integrally formed is obtained.

(例2)
上記の第1のバインダとして、Tgが−44℃のアクリル高分子系バインダ2を用い、その他は例1と同様にして、例2のSOFC用グリーンシートを得た。なお、例2で用いたアクリル高分子系バインダ2のその他の性状については表1に示した。
(Example 2)
The SOFC green sheet of Example 2 was obtained in the same manner as in Example 1 except that acrylic polymer binder 2 having a Tg of −44 ° C. was used as the first binder. The other properties of the acrylic polymer binder 2 used in Example 2 are shown in Table 1.

(例3)
上記の第1のバインダとして、Tgが−30℃のアクリル高分子系バインダ3を用い、その他は例1と同様にして、例3のSOFC用グリーンシートを得た。例3で用いたアクリル高分子系バインダ3のその他の性状については表1に示した。
(Example 3)
The SOFC green sheet of Example 3 was obtained in the same manner as in Example 1 except that acrylic polymer binder 3 having a Tg of −30 ° C. was used as the first binder. The other properties of the acrylic polymer binder 3 used in Example 3 are shown in Table 1.

(例4)
上記の第1のバインダとして、Tgが−3℃のアクリル高分子系バインダ4を用い、その他は例1と同様にして、例4のSOFC用グリーンシートを得た。例4で用いたアクリル高分子系バインダ4のその他の性状については表1に示した。
(Example 4)
The SOFC green sheet of Example 4 was obtained in the same manner as in Example 1 except that acrylic polymer binder 4 having a Tg of −3 ° C. was used as the first binder. The other properties of the acrylic polymer binder 4 used in Example 4 are shown in Table 1.

(例5)
アノード支持層用グリーンシートの形成時に、バインダとして、Tgが61℃のポリエーテル系バインダを用い、その他は例1と同様にして、例5のSOFC用グリーンシートを得た。例5で用いたポリエーテル系バインダ5のその他の性状については表1に示した。
(Example 5)
A SOFC green sheet of Example 5 was obtained in the same manner as in Example 1 except that a polyether binder having a Tg of 61 ° C. was used as the binder when forming the anode support layer green sheet. The other properties of the polyether binder 5 used in Example 5 are shown in Table 1.

(例6)
上記のロール成形法に代えて、ドクターブレード法によりアノード支持層用グリーンシートを形成した。すなわち、第1のバインダとして、例3と同じTgが−30℃のアクリル高分子系バインダ3を用いた。そして、上記例1と同様にして、混合粉末と、第1のバインダ(バインダ3)と、造孔材と、可塑剤とを配合し、溶媒(α−TE)に分散させることで、スラリー状のアノード形成用組成物を調整した。そしてまず、スラリー状のアノード形成用組成物をキャリアシート上に供給し、100μm程度の厚みのサブシートを作製する。そしてこのサブシートを所定寸法に5枚切り出し、デンプンを含む接着材を介して積層することで、総厚みが約0.5mm程度のシート状のアノード支持層用グリーンシートとした。
そしてその他は例1と同様にして、例6のSOFC用グリーンシートを得た。
(Example 6)
Instead of the roll forming method, a green sheet for an anode support layer was formed by a doctor blade method. That is, an acrylic polymer binder 3 having a Tg of −30 ° C. as in Example 3 was used as the first binder. Then, in the same manner as in Example 1, the mixed powder, the first binder (binder 3), the pore former, and the plasticizer are blended and dispersed in a solvent (α-TE) to form a slurry. The anode forming composition was prepared. First, a slurry-like composition for forming an anode is supplied onto a carrier sheet to produce a sub-sheet having a thickness of about 100 μm. Then, five sub-sheets were cut out to a predetermined size and laminated via an adhesive containing starch to obtain a sheet-like green sheet for an anode support layer having a total thickness of about 0.5 mm.
The others were the same as Example 1 to obtain the SOFC green sheet of Example 6.

[SOFCの作製]
上記例1〜6で得たSOFC用グリーンシートを、焼成後の寸法が直径20mmの円形となるように切り出し、1350℃で共焼成することで、SOFCのハーフセルを得た。
また、カソード材料として、平均粒子径2μmのLSCF粉末(La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8の粉末)を用意した。LSCF粉末と、バインダ(EC)と、溶媒(TE)とを、80:3:17の質量比で混練することにより、スラリー状の空気極形成用組成物を得た。これを上記で用意した各例のハーフセルグリーンシートの反応抑止層用グリーンシートの上にスクリーン印刷法によって円形に供給することで、空気極層用グリーンシートを形成した。次いで、これを1100℃で焼成して空気極を形成し、例1〜6の評価用のSOFCを得た。
[Production of SOFC]
The SOFC green sheets obtained in Examples 1 to 6 were cut out so that the size after firing was a circle with a diameter of 20 mm, and cofired at 1350 ° C. to obtain a SOFC half cell.
Moreover, LSCF powder (La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 powder) having an average particle diameter of 2 μm was prepared as a cathode material. The LSCF powder, the binder (EC), and the solvent (TE) were kneaded at a mass ratio of 80: 3: 17 to obtain a slurry-like composition for forming an air electrode. This was supplied in a circular shape by a screen printing method on the green sheet for reaction suppression layer of the half-cell green sheet of each example prepared above, thereby forming a green sheet for an air electrode layer. Subsequently, this was baked at 1100 degreeC and the air electrode was formed, and SOFC for evaluation of Examples 1-6 was obtained.

[有機物含有率]
上記例1〜6におけるアノード支持層用グリーンシートについて、示差熱・熱重量分析を行うことにより、シートに含まれる有機成分の含有率を測定した。具体的には、示差熱−熱重量同時測定装置(株式会社リガク製,Thermo plus)を用い、大気雰囲気において所定の昇温速度(ここでは10℃/min)で500℃まで昇温したときの減量プロファイルを基に、アノード支持層用グリーンシート中の有機物含量を測定した。そして、得られた有機物含量を測定前の重量で除すことで有機物含有率(質量%)を算出した。結果を表1の「有機物含有率」の欄に示した。
[Organic content]
About the green sheet for anode support layers in the said Examples 1-6, the content rate of the organic component contained in a sheet | seat was measured by performing differential thermal and thermogravimetric analysis. Specifically, using a differential thermal-thermogravimetric simultaneous measurement device (Rigaku Corporation, Thermo plus), when the temperature is raised to 500 ° C. at a predetermined temperature increase rate (here, 10 ° C./min) in the air atmosphere. Based on the weight loss profile, the organic substance content in the anode support layer green sheet was measured. And the organic substance content rate (mass%) was computed by remove | dividing the obtained organic substance content by the weight before a measurement. The results are shown in the column of “Organic content” in Table 1.

[表面粗さ]
上記例1〜6におけるアノード支持層用グリーンシートについて、JIS B 0601:2001に準拠して表面粗さを測定した。具体的には、表面粗さ測定器(株式会社東京精密、surfcom120A)を用い、測定長を5mmとして、各例のアノード支持層用グリーンシートの表面の算術平均粗さ(Ra)を測定した。測定は10回行い、その平均値を、表1の「Ra」の欄に示した。
[Surface roughness]
About the green sheet for anode support layers in the said Examples 1-6, surface roughness was measured based on JISB0601: 2001. Specifically, using a surface roughness measuring instrument (Tokyo Seimitsu Co., Ltd., surfcom120A), the measurement length was 5 mm, and the arithmetic average roughness (Ra) of the surface of the green sheet for anode support layer in each example was measured. The measurement was performed 10 times, and the average value is shown in the column “Ra” in Table 1.

[引張強度]
上記例1〜6におけるアノード支持層用グリーンシートについて、JIS K7161:1994(プラスチック−引張特性の試験方法)に準じて引張強度を測定した。試験片は、各例のグリーンシートから所定の試験片打ち抜き刃を用いて打ち抜くことで、用意した。測定には、引張強度試験機(島津製作所製、卓上試験機:EZ−TEST)を用い、試験片の両端をつかみ治具で保持しつつ、つかみ治具を引張速度で100mm/分で引張り方向に移動させた。そして試験片が破断したときの引張破壊応力を測定し、試験片の断面積で除すことで引張強度を求めた。試験は10回行い、その平均値を、表1の「引張強度」の欄に示した。
[Tensile strength]
About the green sheet for anode support layers in the above Examples 1 to 6, the tensile strength was measured according to JIS K7161: 1994 (plastic-tensile property test method). The test piece was prepared by punching from the green sheet of each example using a predetermined test piece punching blade. For the measurement, a tensile strength tester (manufactured by Shimadzu Corporation, tabletop tester: EZ-TEST) is used, and the holding jig is held at both ends by the holding jig, and the holding jig is pulled at a pulling speed of 100 mm / min. Moved to. And the tensile fracture stress when the test piece broke was measured, and the tensile strength was obtained by dividing by the cross-sectional area of the test piece. The test was performed 10 times, and the average value is shown in the column of “Tensile strength” in Table 1.

[グリーンシート性状観察]
上記例1〜6で得たSOFC用グリーンシートの性状を観察し、クラックや破れ等の欠陥がないか確認した。観察手法としては目視および走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope:SEM)観察とを併用した。すなわち、ハーフセル用グリーンシートの断面を切り出し、複数(10面)の断面を目視およびSEMにて観察し、各層間にクラックや破れ、部分剥離等の有無を調べた。その結果を、表1の「積層時欠陥」の欄に示す。
[Green sheet property observation]
The properties of the SOFC green sheets obtained in Examples 1 to 6 were observed, and it was confirmed that there were no defects such as cracks and tears. As the observation method, visual observation and scanning electron microscope (SEM) observation were used in combination. That is, the cross section of the half-cell green sheet was cut out, and a plurality of (10 surfaces) cross sections were observed visually and by SEM, and the presence or absence of cracks, tears, partial peeling, etc. was examined between the respective layers. The result is shown in the column of “Defects during stacking” in Table 1.

[高温保持後重量変化]
上記例1〜6で得たSOFC用グリーンシートの保存特性を調べた。具体的には、各例のグリーンシートを85℃の恒温槽に15日間保管し、保管前後でのグリーンシートの重量変化を調べた。その結果を、初期重量に対する重量減少量の割合(%)として、表1の「高温保持後重量変化」の欄に示した。
[Weight change after holding at high temperature]
The storage characteristics of the SOFC green sheets obtained in Examples 1 to 6 were examined. Specifically, the green sheets of each example were stored in a constant temperature bath at 85 ° C. for 15 days, and the change in weight of the green sheets before and after storage was examined. The results are shown in the column of “weight change after holding at high temperature” in Table 1 as a percentage (%) of the weight loss with respect to the initial weight.

[焼成後性状観察]
上記例1〜6で得たハーフセルの積層状態を、上記と同様にして目視とSEMとで観察し、ハーフセルに反りや界面剥離等の欠陥がないか観察した。その結果を、表1の「焼成後界面剥離」の欄に、欠陥があった場合を「有」、無かった場合を「無」として示した。
また、反応抑止層および固体電解質層に貫通孔等が形成されてリークが生じないかどうかを、アルコールを使用した漏れ試験を行うことで確認した。具体的には、各例のハーフセルの固体電解質層の表面にアルコールを滴下し、ハーフセルの裏側、すなわちアノードへのアルコールの漏れの有無を確認する。そして、5分間以内に漏れが確認できた場合に、固体電解質層にリークがあると判断した。その結果を、表1の「焼成後リーク」の欄に、リークがあった場合を「有」、無かった場合を「無」として示した。
[Characteristic observation after firing]
The laminated state of the half cells obtained in Examples 1 to 6 was observed with eyes and SEM in the same manner as described above, and the half cells were observed for defects such as warpage and interface peeling. The result was shown in the column of “exfoliation after firing” in Table 1 as “present” when there was a defect and “absence” when there was no defect.
In addition, it was confirmed by performing a leak test using alcohol whether or not through holes or the like were formed in the reaction suppression layer and the solid electrolyte layer to cause leakage. Specifically, alcohol is dropped on the surface of the solid electrolyte layer of the half cell of each example, and the presence or absence of leakage of alcohol to the back side of the half cell, that is, the anode is confirmed. When leakage was confirmed within 5 minutes, it was determined that there was a leakage in the solid electrolyte layer. The results are shown in the “Leak after firing” column of Table 1 as “Yes” when there is a leak and “No” when there is no leak.

[発電性能]
例1〜6のSOFCを下記の条件で運転させた際の電力密度を測定した。その結果、最大出力密度(W/cm)を発電性能として、表1の「発電性能」の欄に示した。
燃料極供給ガス:水素ガス(50ml/min)
空気極供給ガス:空気(100ml/min)
運転温度:700℃
[Power generation performance]
The power density when the SOFCs of Examples 1 to 6 were operated under the following conditions was measured. As a result, the maximum power density (W / cm 2 ) is shown in the “power generation performance” column of Table 1 as the power generation performance.
Fuel electrode supply gas: Hydrogen gas (50 ml / min)
Air electrode supply gas: Air (100 ml / min)
Operating temperature: 700 ° C

Figure 0006258882
Figure 0006258882

表1に示すように、ドクターブレード法によってアノード支持層用グリーンシートを形成した例6では、接着剤を用いての積層が必要であることから、有機物含有率が大幅に高くなってしまい、また、アノード支持層内での接合界面に気泡が形成されたり、一部シートの破れが生じたりし易いことがわかった。そして、焼成後のハーフセルにおいては、界面剥離やリークが見られた。これは、グリーンシートに含まれる有機物や接合界面の気泡等が焼成で燃えぬける際に、組織が不均質で脆弱な部位や界面剥離部等を燃焼ガスが優先的に伝い、固体電解質層を局所的に突き抜けて貫通孔を形成したことによるものであると考えられる。また、界面剥離は、スラリー状に調製された原料が乾燥されるまでに約100μmの厚みの中でマイグレーションを起こし、厚み方向で組成ムラが発生しやすいことにもよると考えられる。固体電解質層が薄層化されると、これまでに問題とならなかったドクターブレード法によるアノード支持層の組織ムラや、固体電解質層の厚みムラ等が、貫通孔という重大な欠陥を形成する要因となったと考えられる。その結果、SOFCの発電性能は0.28W/cmと、極めて低い値となった。 As shown in Table 1, in Example 6 in which the green sheet for the anode support layer was formed by the doctor blade method, lamination with an adhesive was necessary, so that the organic matter content rate was significantly increased. It has been found that bubbles are likely to be formed at the bonding interface in the anode support layer and that some sheets are easily torn. And in the half cell after baking, interface peeling and a leak were seen. This is because when the organic matter contained in the green sheet and the bubbles at the bonding interface are burned away by firing, the combustion gas preferentially propagates through the heterogeneous and fragile sites and the interfacial exfoliation part, and the solid electrolyte layer is locally transferred. This is considered to be due to the fact that the through-hole was formed through. In addition, it is considered that the interfacial peeling is caused by the fact that migration occurs within a thickness of about 100 μm until the raw material prepared in a slurry state is dried, and composition unevenness is likely to occur in the thickness direction. When the solid electrolyte layer is thinned, factors such as the uneven structure of the anode support layer by the doctor blade method and the uneven thickness of the solid electrolyte layer, which had not been a problem until now, cause serious defects called through-holes. It is thought that it became. As a result, the power generation performance of SOFC was a very low value of 0.28 W / cm 2 .

一方、ロール成形法によって形成された例1〜5のグリーンシートは、原料混合物はマイグレーション等を起こさず、一度の成形でアノード支持層を形成できるため、アノード支持層が全体として均質な(等方的な)構造となり、これを焼成して得られるセルについて、気泡や界面剥離、リークの問題は生じ難いことが確認された。また、得られたSOFCはいずれも発電性能が0.38W/cmと、比較的良好な値であった。
しかしながら、第1バインダとしてエーテル系高分子化合物を用いた例5のグリーンシートについては、85℃の高温で15日間保管した場合の重量変化が極めて大きかった。そしてこの高温保管後のグリーンシートを焼成したところ、焼成後に大きなリークが生じた。これは、成形時および高温保管により例5のグリーンシートの組織が不均一となってしまい、さらに焼成時に不均質部分がより顕在化されて、界面剥離等が生じたものと推測される。
On the other hand, the green sheets of Examples 1 to 5 formed by the roll forming method do not cause migration or the like in the raw material mixture, and the anode support layer can be formed by one molding, so that the anode support layer is homogeneous as a whole (isotropic It was confirmed that the problem of bubbles, interfacial delamination, and leakage hardly occurred in the cell obtained by firing this structure. The obtained SOFCs had a relatively good value of power generation performance of 0.38 W / cm 2 .
However, regarding the green sheet of Example 5 using an ether-based polymer compound as the first binder, the weight change when stored at a high temperature of 85 ° C. for 15 days was extremely large. When the green sheet after high-temperature storage was fired, a large leak occurred after firing. This is presumed that the structure of the green sheet of Example 5 became non-uniform during molding and high-temperature storage, and the heterogeneous portion became more apparent during firing, resulting in interfacial peeling and the like.

これに対し、第1バインダとしてアクリル系高分子化合物を用いた例1〜4のグリーンシートは、高温保存後も重量変化がほぼ見られず、品質が安定していることが確認できた。すなわち、グリーンシートを製造後、実際にセルを作製するまでに、たとえ85℃の高温の環境であっても2週間以上は安定した品質で保管できることが示された。また、例1〜4においては、例5の場合と比較して、クラックの発生等をきたすことなく高品質なグリーンシートをロール成形法により連続的に安定して製造できることが確認できた。
なお、例1〜4の比較から解るように、第1バインダとして使用したアクリル系高分子化合物のTgにより、得られるアノード支持層用グリーンシートの性状に変化が見られることが解った。すなわち、同じロール成形条件で製造した場合であっても、Tgが大きいバインダを用いるほど、得られるアノード支持層用グリーンシートの表面粗さが小さく、引張強度が高くなることが解った。なかでも、例2〜3に係るSOFCは特に高い発電性能を実現できることが確認された。具体的なデータは示していないが、Tgが大きいバインダを用いた場合は、グリーンシートの密度がやや低くなってしまっていたが、反対にロール成形性がより一層良好となり、結果としてグリーンシートの平滑性や強度(すなわち原料混合物の結合性)が向上されたものと考えられる。そして、これに伴い、SOFCの発電性能も良好となることが確認された。
On the other hand, it was confirmed that the green sheets of Examples 1 to 4 using the acrylic polymer compound as the first binder showed almost no change in weight even after high temperature storage and the quality was stable. In other words, it was shown that, after the green sheet was manufactured, until it was actually manufactured, even in an environment at a high temperature of 85 ° C., it could be stored with stable quality for 2 weeks or more. Moreover, in Examples 1-4, compared with the case of Example 5, it has confirmed that a high quality green sheet could be continuously manufactured stably by a roll forming method, without causing generation | occurrence | production of a crack.
As can be seen from the comparison of Examples 1 to 4, it was found that the properties of the green sheet for an anode support layer obtained were changed by the Tg of the acrylic polymer compound used as the first binder. That is, even when manufactured under the same roll forming conditions, it was found that the surface roughness of the obtained green sheet for anode support layer becomes smaller and the tensile strength becomes higher as the binder having a larger Tg is used. Among these, it was confirmed that the SOFCs according to Examples 2 to 3 can achieve particularly high power generation performance. Although specific data is not shown, when a binder having a large Tg was used, the density of the green sheet was slightly lowered, but on the contrary, the roll formability was further improved, and as a result, the green sheet It is considered that the smoothness and strength (that is, the binding property of the raw material mixture) has been improved. Along with this, it was confirmed that the power generation performance of the SOFC was also improved.

以上の結果から、ここに開示されるSOFC用グリーンシートの製造方法によると、従来よりも薄い固体電解質層をスクリーン印刷によって形成する場合でも、焼成時にこの固体電解質層に貫通孔(リーク)やクラックなどの欠陥が形成されない、高品質なグリーンシートを形成することができる。また、このSOFC用グリーンシートは保存性に優れているため、グリーンシートの製造から焼成までに時間や温度環境に負荷がかかっても、上記の薄い固体電解質層に欠陥を誘起することなく、高品質なSOFCを製造することが可能とされる。また、SOFC用グリーンシートは成形性良く製造されるため、品質のバラつきが抑制されている。したがって、かかるSOFC用グリーンシートを用いて製造されるSOFCは、性能のバラつきが抑制されたものとなり得る。   From the above results, according to the SOFC green sheet manufacturing method disclosed herein, even when a solid electrolyte layer thinner than the conventional one is formed by screen printing, through holes (leaks) or cracks are formed in the solid electrolyte layer during firing. It is possible to form a high-quality green sheet in which defects such as these are not formed. In addition, since this SOFC green sheet is excellent in storage stability, even if a load is imposed on the time and temperature environment from the production of the green sheet to firing, it does not induce defects in the thin solid electrolyte layer, and the It is possible to manufacture a quality SOFC. Moreover, since the SOFC green sheet is manufactured with good moldability, variations in quality are suppressed. Therefore, the SOFC manufactured using the SOFC green sheet can be one in which variation in performance is suppressed.

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。例えば、上記に例示した実施形態における導電性材料、酸化物イオン伝導体、カソード構成材料等は一例に過ぎず、上記以外の材料を使用できることは言うまでもない。   As mentioned above, although the specific example of this invention was demonstrated in detail, these are only illustrations and do not limit a claim. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above. For example, the conductive materials, oxide ion conductors, cathode constituent materials, and the like in the embodiments exemplified above are merely examples, and it goes without saying that materials other than those described above can be used.

1 貯留タンク
1a 原料混合物
1b フィーダー
2 ロール
5 ロール成形機
10 アノード支持層
10G アノード支持層用グリーンシート
20 固体電解質層
20G 固体電解質層用グリーンシート
30 反応抑止層
30G 反応抑止層用グリーンシート
40 カソード層
50 SOFC
60 接合部材
70 ガス管
110G グリーンシート
120G グリーンシート
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Storage tank 1a Raw material mixture 1b Feeder 2 Roll 5 Roll forming machine 10 Anode support layer 10G Green sheet 20 for anode support layer Solid electrolyte layer 20G Green sheet 30 for solid electrolyte layer 30 Reaction suppression layer 30G Green sheet 40 for reaction suppression layer Cathode layer 50 SOFC
60 Joining member 70 Gas pipe 110G Green sheet 120G Green sheet

Claims (14)

固体酸化物形燃料電池の形成に用いられるグリーンシートの製造方法であって:
少なくとも導電性材料と第1のバインダとを含む原料混合物を用意すること、ここで前記第1のバインダはアクリル系高分子化合物である;
前記原料混合物をロール成形することにより、アノード支持層用グリーンシートを形成すること;
前記アノード支持層用グリーンシートの表面に、少なくとも酸化物イオン伝導体と第2のバインダとを含む固体電解質層用グリーンシートを形成すること;
を包含する、製造方法。
A method for producing a green sheet used to form a solid oxide fuel cell comprising:
Providing a raw material mixture including at least a conductive material and a first binder, wherein the first binder is an acrylic polymer;
Forming a green sheet for an anode support layer by roll forming the raw material mixture;
Forming a solid electrolyte layer green sheet including at least an oxide ion conductor and a second binder on a surface of the anode support layer green sheet;
Manufacturing method.
前記アクリル系高分子化合物は、ガラス転移温度が−100℃以上10℃以下である、請求項1に記載の製造方法。   The said acrylic polymer compound is a manufacturing method of Claim 1 whose glass transition temperature is -100 degreeC or more and 10 degrees C or less. 前記固体電解質層用グリーンシートの形成は、印刷成形法またはドクターブレード法によって行う、請求項1または2に記載の製造方法。   The green sheet for the solid electrolyte layer is formed by a printing method or a doctor blade method according to claim 1 or 2. 前記アノード支持層用グリーンシートは、有機物含有率が10質量%以下となるよう形成する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の製造方法。   The said green sheet for anode support layers is a manufacturing method of any one of Claims 1-3 formed so that an organic substance content rate may be 10 mass% or less. 前記アノード支持層用グリーンシートは、平均厚みが100μm以上1500μm以下の単層構造となるよう形成する、請求項1〜4のいずれか1項に記載の製造方法。   5. The manufacturing method according to claim 1, wherein the green sheet for an anode support layer is formed to have a single layer structure with an average thickness of 100 μm to 1500 μm. 前記第2のバインダは、ポリビニルブチラールおよびエチルセルロースの少なくとも1つを含む、請求項1〜5のいずれか1項に記載の製造方法。   The manufacturing method according to any one of claims 1 to 5, wherein the second binder includes at least one of polyvinyl butyral and ethyl cellulose. 前記ロール成形は、一対の圧延ロールの間に前記原料混合物を供給して圧縮成形を施すことにより行い、以下の条件;
(1)前記一対のロールの温度を、前記第1のバインダの軟化温度よりも高くなるよう調整すること;
(2)前記一対のロールの間隔が、100μm以上1500μm以下となるよう調整すること;
(3)ロール線圧を0.1kN/cm以上30kN/cm以下に設定すること;および
(4)成形速度を0.1m/min以上20m/min以下に設定すること;
を、いずれも具備する、請求項1〜6のいずれか1項に記載の製造方法。
The roll forming is performed by supplying the raw material mixture between a pair of rolling rolls and performing compression forming, and the following conditions:
(1) adjusting the temperature of the pair of rolls to be higher than the softening temperature of the first binder;
(2) adjusting the distance between the pair of rolls to be 100 μm or more and 1500 μm or less;
(3) The roll linear pressure is set to 0.1 kN / cm or more and 30 kN / cm or less; and (4) The molding speed is set to 0.1 m / min or more and 20 m / min or less;
The manufacturing method of any one of Claims 1-6 which comprises all.
前記固体電解質層用グリーンシートの表面に、少なくともセリウム酸化物を含む反応抑止層用グリーンシートを形成すること、をさらに包含する、請求項1〜7のいずれか1項に記載の製造方法。   The method according to any one of claims 1 to 7, further comprising forming a green sheet for a reaction inhibition layer containing at least cerium oxide on a surface of the green sheet for a solid electrolyte layer. 固体酸化物形燃料電池の形成に用いられるグリーンシートであって、
少なくともアノード支持層用グリーンシートと、前記アノード支持層用グリーンシートに積層された固体電解質層用グリーンシートとを含み、
前記アノード支持層用グリーンシートは、少なくとも導電性材料と第1のバインダとを含み、ロール成形法により形成されてなる平均厚みが100μm以上1500μm以下の単層構造であって、
前記第1のバインダはアクリル系高分子化合物であり、
前記固体電解質層用グリーンシートは、少なくとも酸化物イオン伝導体と第2のバインダとを含む、固体酸化物形燃料電池形成用のグリーンシート。
A green sheet used to form a solid oxide fuel cell,
At least a green sheet for an anode support layer, and a green sheet for a solid electrolyte layer laminated on the green sheet for an anode support layer,
The anode support layer green sheet includes at least a conductive material and a first binder, and has a single-layer structure having an average thickness of 100 μm to 1500 μm formed by a roll forming method ,
The first binder is an acrylic polymer compound,
The green sheet for forming a solid oxide fuel cell, wherein the green sheet for a solid electrolyte layer includes at least an oxide ion conductor and a second binder.
前記アノード支持層用グリーンシートの有機物含有率は10質量%以下である、請求項9に記載のグリーンシート。   The green sheet according to claim 9, wherein the organic substance content of the green sheet for an anode support layer is 10% by mass or less. 前記第2のバインダは、ポリビニルブチラールおよびエチルセルロースの少なくとも1つを含む、請求項9または10に記載のグリーンシート。   The green sheet according to claim 9 or 10, wherein the second binder contains at least one of polyvinyl butyral and ethyl cellulose. 前記固体電解質層用グリーンシートの表面に少なくともセリウム酸化物を含む反応抑止層用グリーンシートを備える、請求項9〜11のいずれか1項に記載のグリーンシート。   The green sheet according to any one of claims 9 to 11, comprising a green sheet for a reaction inhibition layer containing at least cerium oxide on a surface of the green sheet for a solid electrolyte layer. 前記アノード支持層用グリーンシートは、少なくとも導電性材料と第1のバインダとを含み造粒されてなる造粒粒子が、平均厚みが100μm以上1500μm以下の単層構造にロール成形されたロール成形体であって、
前記第1のバインダはアクリル系高分子化合物であり、
前記固体電解質層用グリーンシートは、少なくとも酸化物イオン伝導体と第2のバインダとを含む、請求項9〜12のいずれか1項に記載のグリーンシート。
The green sheet for an anode support layer is a roll formed body in which granulated particles formed by granulation containing at least a conductive material and a first binder are roll-formed into a single layer structure having an average thickness of 100 μm to 1500 μm. Because
The first binder is an acrylic polymer compound,
The green sheet according to any one of claims 9 to 12, wherein the solid electrolyte layer green sheet includes at least an oxide ion conductor and a second binder.
請求項9〜13のいずれか1項に記載のグリーンシートが焼成されてなる積層体を備える、固体酸化物形燃料電池。 A solid oxide fuel cell comprising a laminate formed by firing the green sheet according to any one of claims 9 to 13 .
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