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JP6994736B2 - A method for manufacturing an electrolyte for a solid oxide fuel cell. - Google Patents
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JP6994736B2 - A method for manufacturing an electrolyte for a solid oxide fuel cell. - Google Patents

A method for manufacturing an electrolyte for a solid oxide fuel cell. Download PDF

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Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池用電解質の製造方法に係り、更に詳細には、ガス遮断性を有し、平滑かつ膜厚の薄い電解質を形成可能な固体酸化物形燃料電池用電解質の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing an electrolyte for a solid oxide fuel cell, and more specifically, an electrolyte for a solid oxide fuel cell having a gas blocking property and capable of forming a smooth and thin electrolyte. Regarding the manufacturing method.

固体酸化物形燃料電池は、燃料極と空気極とで電解質を挟んだ構造をしている。上記燃料極は、電子伝導性やガス拡散性が高いことが要求され、例えば、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)などの多孔質体が用いられている。 The solid oxide fuel cell has a structure in which an electrolyte is sandwiched between a fuel electrode and an air electrode. The fuel electrode is required to have high electron conductivity and gas diffusivity, and for example, a porous body such as yttria-stabilized zirconia (YSZ) is used.

上記電解質は、空気極から燃料極に酸素イオンを伝導する役割を担っており、高いイオン伝導率が要求される一方で、ガス遮断性、電子絶縁性が要求される。 The electrolyte plays a role of conducting oxygen ions from the air electrode to the fuel electrode, and while high ionic conductivity is required, gas blocking property and electron insulating property are required.

電解質層を薄くしてイオン伝導率を向上させ、固体酸化物形燃料電池の性能を向上させることが行われており、電解質層の強度低下防止のため、その表面は平滑であることが好ましい。 The electrolyte layer is thinned to improve the ionic conductivity and the performance of the solid oxide fuel cell is improved, and the surface thereof is preferably smooth in order to prevent the strength of the electrolyte layer from decreasing.

しかし、上記電解質に接する燃料極は、表面に凹凸を有する多孔質体であり、特に、空孔が大きく、例えば、表面粗さRzが4μm以上の表面が粗い燃料極上に薄くかつ平坦な電解質層を形成することは困難である。 However, the fuel electrode in contact with the electrolyte is a porous body having irregularities on the surface, and in particular, a thin and flat electrolyte layer having large pores, for example, a surface roughness Rz of 4 μm or more and a rough surface on the rough fuel electrode. Is difficult to form.

特許文献1の特開2005-158641号公報には、多孔質電極基材に樹脂を含浸させて空孔を塞いで研磨し、該多孔質電極基材上に電解質を形成した後に焼成し、上記樹脂を除去することで膜厚が均一な電解質膜を形成できる旨が開示されている。 In Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-158641 of Patent Document 1, a porous electrode base material is impregnated with a resin to close pores and polished, and an electrolyte is formed on the porous electrode base material and then fired. It is disclosed that an electrolyte membrane having a uniform film thickness can be formed by removing the resin.

特開2005-158641号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2005-158641

しかしながら、特許文献1に記載の電解質の形成方法では、電解質と燃料極との接触面積が小さく剥離が生じ易い。また、鏡面研磨が必要であり工数が増加してサイクルタイムが長くなる。さらに、燃料電池では多孔質電極基材に樹脂が残って電極の反応性が低下する可能性がある。 However, in the method for forming an electrolyte described in Patent Document 1, the contact area between the electrolyte and the fuel electrode is small and peeling is likely to occur. In addition, mirror polishing is required, which increases man-hours and lengthens the cycle time. Further, in the fuel cell, the resin may remain on the porous electrode base material and the reactivity of the electrode may decrease.

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、薄くかつ平滑な電解質を形成できる固体酸化物形燃料電池用電解質の製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a method for producing an electrolyte for a solid oxide fuel cell capable of forming a thin and smooth electrolyte. There is something in it.

本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、平滑面に多孔質燃料極(以下、多孔質アノード層という。)を配置し、該多孔質アノード層を介して、電解質となる金属イオン溶液を上記平滑面まで流下させ、加熱・焼成することで、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of diligent studies to achieve the above object, the present inventor has arranged a porous fuel electrode (hereinafter referred to as a porous anode layer) on a smooth surface, and with an electrolyte via the porous anode layer. It has been found that the above-mentioned problems can be solved by flowing the metal ion solution to the smooth surface, heating and firing, and the present invention has been completed.

即ち、本発明の固体酸化物形燃料電池用電解質の製造方法は、多孔質アノード層の空孔に金属イオン溶液を充填する充填工程と、上記金属イオン溶液が充填された多孔質アノード層を加熱し、固体電解質を形成する加熱工程と、を備える。
そして、上記充填工程が、上記金属イオン溶液で上記多孔質アノード層の一方の面側に開口する空孔を塞ぎ、かつ上記金属イオン溶液の平滑面を形成する処理であることを特徴とする。
That is, in the method for producing an electrolyte for a solid oxide fuel cell of the present invention, a filling step of filling the pores of the porous anode layer with a metal ion solution and heating of the porous anode layer filled with the metal ion solution are performed. It also comprises a heating step of forming a solid electrolyte.
The filling step is characterized in that the pores opened on one surface side of the porous anode layer are closed with the metal ion solution and a smooth surface of the metal ion solution is formed.

本発明によれば、焼成により電解質を形成する金属イオン溶液を、平滑部材上に配置した多孔質アノード層を介して上記平滑部材まで流下させることとしたため、金属イオン溶液が多孔質アノード層の下側の空孔を塞ぐと共に平滑部材表面を濡らし、平滑な薄い電解質膜を形成することができる。 According to the present invention, the metal ion solution forming the electrolyte by firing is allowed to flow down to the smoothing member via the porous anode layer arranged on the smoothing member, so that the metal ion solution is under the porous anode layer. It is possible to close the pores on the side and wet the surface of the smoothing member to form a smooth thin electrolyte film.

本発明の充填工程を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the filling process of this invention. 本発明の他の充填工程を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining another filling process of this invention. 実施例及び比較例で用いた多孔質アノード層の表面SEM像である。6 is a surface SEM image of the porous anode layer used in Examples and Comparative Examples. 実施例1の固体電解質層の表面SEM像である。6 is a surface SEM image of the solid electrolyte layer of Example 1. 固体電解質層を形成する複合酸化物の回析パターンである。It is a diffraction pattern of the composite oxide forming the solid electrolyte layer. 実施例2の固体電解質層の表面SEM像である。6 is a surface SEM image of the solid electrolyte layer of Example 2. 実施例3の固体電解質層の表面SEM像である。3 is a surface SEM image of the solid electrolyte layer of Example 3. 実施例4の固体電解質層の表面SEM像である。6 is a surface SEM image of the solid electrolyte layer of Example 4. 実施例5の固体電解質層の表面SEM像である。6 is a surface SEM image of the solid electrolyte layer of Example 5. 実施例6の固体電解質層の表面SEM像である。6 is a surface SEM image of the solid electrolyte layer of Example 6. 多孔質アノード層の断面SEM像である。It is a cross-sectional SEM image of a porous anode layer. 実施例6の固体電解質層の断面SEM像である。6 is a cross-sectional SEM image of the solid electrolyte layer of Example 6. 比較例1の固体電解質層の表面SEM像である。It is a surface SEM image of the solid electrolyte layer of Comparative Example 1.

本発明の固体酸化物形燃料電池用電解質の製造方法について詳細に説明する。
上記電解質の製造方法は、焼成によって固体電解質層(以下、単に「電解質層」ということがある。)を形成する複合酸化物となる金属イオンを含む金属イオン溶液を用いる。
The method for producing the electrolyte for a solid oxide fuel cell of the present invention will be described in detail.
The above-mentioned method for producing an electrolyte uses a metal ion solution containing metal ions as a composite oxide that forms a solid electrolyte layer (hereinafter, may be simply referred to as “electrolyte layer”) by firing.

そして、上記金属イオン溶液を、多孔質アノード層の空孔に充填する充填工程と、上記金属イオン溶液が充填された多孔質アノード層を加熱し、固体電解質を形成する加熱工程と、を備える。 Then, a filling step of filling the pores of the porous anode layer with the metal ion solution and a heating step of heating the porous anode layer filled with the metal ion solution to form a solid electrolyte are provided.

上記充填工程は、少なくとも多孔質アノード層の一方の面側に開口する空孔を、上記金属イオン溶液で塞ぐと共に、上記多孔質アノード層の一方の面側に金属イオン溶液で平滑面を形成する処理である。 In the filling step, at least the pores opened on one surface side of the porous anode layer are closed with the metal ion solution, and a smooth surface is formed on one surface side of the porous anode layer with the metal ion solution. It is a process.

具体的には、図1に示すように、上記多孔質アノード層1を水平な平滑部材2上に配置し、上記多孔質アノード層の上方、すなわち他方の面側から、上記平滑部材側、すなわち上記多孔質アノード層の一方側の面側に向けて、上記多孔質アノード層1を介して金属イオン溶液3を流下させる。 Specifically, as shown in FIG. 1, the porous anode layer 1 is arranged on the horizontal smoothing member 2, and the above the porous anode layer, that is, from the other surface side, the smoothing member side, that is, The metal ion solution 3 is allowed to flow down through the porous anode layer 1 toward one surface side of the porous anode layer.

すると、金属イオン溶液3は、上記多孔質アノード層1内を通り、上記平滑部材に接する上記多孔質アノード層の一方側の面に開口する空孔11内に溜まる。この金属イオン溶液3は多孔質アノード層1と平滑部材2との接触部12に入り込み、上記平滑部材2の表面に濡れ広がって多孔質アノード層1の表面を覆う。 Then, the metal ion solution 3 passes through the porous anode layer 1 and accumulates in the pores 11 that open on one surface of the porous anode layer in contact with the smoothing member. The metal ion solution 3 enters the contact portion 12 between the porous anode layer 1 and the smoothing member 2, and spreads wet on the surface of the smoothing member 2 to cover the surface of the porous anode layer 1.

そして、上記平滑部材2を水平に保ったまま上記金属イオン溶液3を乾燥させて流動性をなくし固定することで、薄くかつ平滑な金属イオンを含む膜が形成される。この金属イオンを含む膜を加熱工程で焼成することで、表面が平滑な薄い電解質を形成できる。 Then, by drying the metal ion solution 3 while keeping the smoothing member 2 horizontal to eliminate the fluidity and fixing the metal ion solution 3, a thin and smooth film containing the metal ions is formed. By calcining the membrane containing the metal ions in the heating step, a thin electrolyte having a smooth surface can be formed.

なお、多孔質アノード層の表面凹凸が大きい場合は、必ずしも金属イオン溶液が多孔質アノード層内を通る必要はなく、平滑部材の表面を伝わせて多孔質アノード層の空孔に充填してもよい。 If the surface unevenness of the porous anode layer is large, the metal ion solution does not necessarily have to pass through the inside of the porous anode layer, and even if the metal ion solution is transmitted along the surface of the smoothing member and filled in the pores of the porous anode layer. good.

上記加熱工程の加熱温度は、金属イオン溶液や多孔質アノード層にもよるが、300℃以上700℃以下であることが好ましく、350℃以上450℃以下であることが好ましい。 The heating temperature in the heating step depends on the metal ion solution and the porous anode layer, but is preferably 300 ° C. or higher and 700 ° C. or lower, and preferably 350 ° C. or higher and 450 ° C. or lower.

上記の温度範囲で加熱することで多孔質アノード層への影響が少なく、後述する金属イオン溶液中の金属イオン以外の成分を分解して排除すると共に、上記金属イオン溶液中の金属イオンを酸化して電解質層を形成することができる。 By heating in the above temperature range, the effect on the porous anode layer is small, and components other than metal ions in the metal ion solution described later are decomposed and eliminated, and the metal ions in the metal ion solution are oxidized. Can form an electrolyte layer.

本発明の製造方法は、充填工程後、すぐに加熱工程を行ってもよいが、上記加熱工程の前に乾燥工程を設け、上記空孔に充填された金属イオン溶液を乾燥させてもよい。 In the production method of the present invention, the heating step may be performed immediately after the filling step, but a drying step may be provided before the heating step to dry the metal ion solution filled in the pores.

乾燥工程を設けることで、金属イオンを含む膜が多孔質アノード層に固定され、多孔質アノード層を平滑部材から離しても金属イオンを含む膜の形状変化が防止されるため、平滑部材と多孔質アノード層とを一体として加熱・焼成する必要がなく、加熱工程の自由度が高くなる。 By providing the drying step, the film containing metal ions is fixed to the porous anode layer, and even if the porous anode layer is separated from the smoothing member, the shape change of the film containing metal ions is prevented, so that the smoothing member and the porous member are porous. It is not necessary to heat and fire the quality anode layer as a unit, which increases the degree of freedom in the heating process.

なお、上記金属イオン溶液を乾燥せずに流動性を有する状態で上記多孔質アノード層を持ち上げ、金属イオン溶液と平滑部材とを離間させると、金属イオン溶液の表面に凹凸が生じて、平滑面を形成できない。 If the porous anode layer is lifted without drying the metal ion solution and the smooth member is separated from the metal ion solution, the surface of the metal ion solution becomes uneven and the smooth surface is formed. Cannot be formed.

つまり、多孔質アノード層の空孔内に溜まった金属イオン溶液が平滑部材から離れたときに、金属イオン溶液が多孔質アノード層の空孔内に留まるか否かは、金属イオン溶液の表面張力と粘度と重力とのバランスに左右される。 That is, whether or not the metal ion solution stays in the pores of the porous anode layer when the metal ion solution accumulated in the pores of the porous anode layer separates from the smoothing member is the surface tension of the metal ion solution. It depends on the balance between viscosity and gravity.

したがって、開口径が大きい空孔では、金属イオン溶液の表面張力が重力より小さくなって液だれが生じて凸部が形成され、開口径が小さい空孔では、金属イオン溶液の表面張力が重力より大きくなって金属イオン溶液の下端が空孔内に入り込んで凹部が形成されるため、表面凹凸が大きくなる。 Therefore, in pores with a large opening diameter, the surface tension of the metal ion solution becomes smaller than gravity, causing dripping to form convex portions, and in pores with a small opening diameter, the surface tension of the metal ion solution is greater than gravity. As the size increases, the lower end of the metal ion solution enters the pores to form recesses, so that the surface unevenness becomes large.

本発明において、電解質の表面が平滑であるとは、表面粗さRzが200nm以下であることをいう。 In the present invention, the smooth surface of the electrolyte means that the surface roughness Rz is 200 nm or less.

上記平滑部材としては、上記金属イオン溶液に濡れ、加熱工程において、金属イオン溶液や多孔質アノード層と反応せず、また、それ自身が分解や溶融することなく、形成された電解質層から剥離するものであれば、特に制限はない。 The smoothing member is wetted with the metal ion solution, does not react with the metal ion solution or the porous anode layer in the heating step, and is separated from the formed electrolyte layer without being decomposed or melted by itself. If it is a thing, there is no particular limitation.

例えば、表面に酸化膜を形成したシリコンウエハは、表面が鏡面に磨き上げられて、微細な凹凸や微粒子を限界まで排除された、超平坦・超清浄な基板であり、かつ耐熱性に優れるため、好ましく使用できる。 For example, a silicon wafer having an oxide film formed on its surface is an ultra-flat and ultra-clean substrate whose surface is mirror-polished to eliminate fine irregularities and fine particles to the limit, and has excellent heat resistance. , Can be preferably used.

上記充填工程で流下する金属イオン溶液の量は、上記多孔質アノード層内に形成される電解質層の膜厚が0.5μm以上となる量であることが好ましい。
多孔質アノード層内に形成された電解質層の膜厚が0.5μm以上であることで、電解質と燃料極との剥離が防止されると共にガス遮断性が向上する。
The amount of the metal ion solution flowing down in the filling step is preferably an amount such that the film thickness of the electrolyte layer formed in the porous anode layer is 0.5 μm or more.
When the film thickness of the electrolyte layer formed in the porous anode layer is 0.5 μm or more, the separation between the electrolyte and the fuel electrode is prevented and the gas barrier property is improved.

多孔質アノード層内に形成する電解質層の厚さの上限は、多孔質アノード層の膜厚の1/5以下であることが好ましく、1/10以下であることがより好ましく、さらに1/15以下であることが好ましい。具体的には、多孔質アノード層の膜厚にもよるが2μm以下であることが好ましい。 The upper limit of the thickness of the electrolyte layer formed in the porous anode layer is preferably 1/5 or less, more preferably 1/10 or less, and further 1/15 of the film thickness of the porous anode layer. The following is preferable. Specifically, it is preferably 2 μm or less, although it depends on the film thickness of the porous anode layer.

次に、金属イオン溶液について説明する。
上記金属イオン溶液は、焼成により酸素イオン導電性を示す複合金属酸化物を形成する金属が溶解した水溶液であり、遷移金属から成る群より選ばれた少なくとも二種以上の金属のイオンを含む。
Next, the metal ion solution will be described.
The metal ion solution is an aqueous solution in which a metal forming a composite metal oxide exhibiting oxygen ion conductivity is dissolved by firing, and contains ions of at least two kinds of metals selected from the group consisting of transition metals.

上記複合金属酸化物を形成する酸化物としては、例えば、セリア(CeO)、イットリア(Y)、ガドリニア(Gd)、ジルコニア(ZrO)、スカンジア(Sc)、カルシア(CaO)、マグネシア(MgO)、およびサマリア(Sm)を挙げることができる。
なかでも、セリア(CeO)、イットリア(Y)、ガドリニア(Gd)およびジルコニア(ZrO)から成る群より選ばれた二種以上を含む複合金属酸化物を好ましく使用できる。
Examples of the oxide forming the composite metal oxide include ceria (CeO 2 ), yttrium (Y 2 O 3 ), gadrine (Gd 2 O 3 ), zirconia (ZrO 2 ), and scandia (Sc 2 O 3 ). , Calcia (CaO), magnesia (MgO), and Samaria (Sm 2 O 3 ).
Among them, a composite metal oxide containing two or more selected from the group consisting of ceria (CeO 2 ), yttrium (Y 2 O 3 ), gadolinia (Gd 2 O 3 ) and zirconia (ZrO 2 ) can be preferably used. ..

上記金属イオン溶液は、多孔質アノード層と反応せずに、多孔質アノード層を流下すればよく、上記金属のイオンに配位子が配位したキレート錯体や、上記金属の硝酸塩、硫酸塩、酢酸塩、クエン酸塩、酒石酸、及びリンゴ酸が溶解した水溶液を使用できる。
なかでも、キレート錯体は、水溶媒中で非常に安定であるため、水溶液のpHや共存イオン、および界面活性剤や粘度調整剤等の添加剤添加の影響を受けないことから溶液調整の自由度が高く、また多孔質アノード層内に残ったとしても、焼成によりキレート成分が熱分解されて多孔質アノード層外に排出され易く、好ましく使用できる。
The metal ion solution may flow down the porous anode layer without reacting with the porous anode layer, and may be a chelate complex in which a ligand is coordinated with the ion of the metal, or a nitrate or sulfate of the metal. An aqueous solution in which acetate, citrate, tartrate acid, and malic acid are dissolved can be used.
Among them, since the chelate complex is very stable in an aqueous solvent, it is not affected by the pH of the aqueous solution, coexisting ions, and the addition of additives such as surfactants and viscosity modifiers, so that the degree of freedom in solution adjustment is high. Even if it remains in the porous anode layer, the chelate component is thermally decomposed by firing and easily discharged to the outside of the porous anode layer, so that it can be preferably used.

上記キレート錯体を形成するキレート剤は、上記金属の金属イオンを安定的に捕捉できるものであれば特に制限されない。 The chelating agent that forms the chelate complex is not particularly limited as long as it can stably capture the metal ions of the metal.

上記キレート剤としては、例えば、エチレンジアミン四酢酸、1,2-シクロヘキサンジアミン四酢酸、ジヒドロキシエチルグリシン、ジアミノプロパノール四酢酸、ジエチレントリアミン五酢酸、エチレンジアミン二酢酸、エチレンジアミン二プロピオン酸、ヒドロキシエチレンジアミン三酢酸、グリコールエーテルジアミン四酢酸、ヘキサメチレンジアミン四酢酸、エチレンジアミンジ(o-ヒドロキシフェニル)酢酸、ヒドロキシエチルイミノ二酢酸、イミノ二酢酸、1,3-ジアミノプロパン四酢酸、1,2-ジアミノプロパン四酢酸、ニトリロ三酢酸、ニトリロ三プロピオン酸、トリエチレンテトラミン六酢酸、エチレンジアミン二こはく酸、1,3-ジアミノプロパン二こはく酸、グルタミン酸-N,N-二酢酸、アスパラギン酸-N,N-二酢酸、メチルグリシン二酢酸、3-ヒドロキシ-2,2’-イミノジこはく酸などの水溶性のアミノカルボン酸キレート形成剤や、グルコン酸、クエン酸、酒石酸、リンゴ酸などのヒドロキシカルボン酸キレート形成剤を挙げることができ、これらは2種以上を混合して用いることができ、また、これらのモノマーやオリゴマー、ポリマーも使用可能である。 Examples of the chelating agent include ethylenediaminetetraacetic acid, 1,2-cyclohexanediaminetetraacetic acid, dihydroxyethylglycine, diaminopropanol tetraacetic acid, diethylenetriaminepentaacetic acid, ethylenediaminediacetate, ethylenediaminedipropionic acid, hydroxyethylenediaminetriacetic acid and glycol ether. Diaminetetraacetic acid, hexamethylenediaminetetraacetic acid, ethylenediaminediaminediamine (o-hydroxyphenyl) acetic acid, hydroxyethyliminodiacetic acid, iminodiacetic acid, 1,3-diaminopropanetetraacetic acid, 1,2-diaminopropanetetraacetic acid, nitrilotri Acetic acid, nitrilotripropionic acid, triethylenetetraminehexacetic acid, ethylenediaminediaminediponic acid, 1,3-diaminopropanediaminedic acid, glutamate-N, N-diacetic acid, aspartic acid-N, N-diacetate, methylglycinedi Examples thereof include water-soluble aminocarboxylic acid chelate forming agents such as acetic acid, 3-hydroxy-2,2'-iminodi succinic acid, and hydroxycarboxylic acid chelating agents such as gluconic acid, citric acid, tartaric acid, and malic acid. , These can be used by mixing two or more kinds, and these monomers, oligomers and polymers can also be used.

これらのなかでも、200℃程度までの高温では分解しないアミノカルボン酸キレート剤、特にニトリロ三酢酸、エチレンジアミン四酢酸、ジエチレントリアミン五酢酸、トリエチレンテトラミン六酢酸からなる群より選択される1種または2種以上が好適である。 Among these, one or two selected from the group consisting of aminocarboxylic acid chelating agents that do not decompose at high temperatures up to about 200 ° C, especially nitrilotriacetic acid, ethylenediaminetetraacetic acid, diethylenetriaminepentaacetic acid, and triethylenetetraminehexacetic acid. The above is suitable.

これらアミノカルボン酸キレート剤は、例えば、有機酸などに比べて配位子の数が多いことから、pH等の変動などにかかわらず様々な金属イオンを水溶液中で安定化することができるため、本発明の製造方法で非常に有用である。 Since these aminocarboxylic acid chelating agents have a larger number of ligands than, for example, organic acids, various metal ions can be stabilized in an aqueous solution regardless of fluctuations in pH and the like. It is very useful in the production method of the present invention.

実際には、金属とのキレート生成定数や、キレート錯体の安定性や溶解性などを考慮して、使用する金属ごとに適切なものを適宜選択することが好ましい。 In practice, it is preferable to appropriately select an appropriate one for each metal to be used in consideration of the chelate formation constant with the metal, the stability and solubility of the chelate complex, and the like.

上記キレート錯体を含む金属イオン溶液を調製するために用いる金属化合物は、水溶媒中で上記キレート剤と反応することによりキレート錯体を形成できるものであれば特に制限されない。 The metal compound used for preparing the metal ion solution containing the chelate complex is not particularly limited as long as it can form a chelate complex by reacting with the chelate agent in an aqueous solvent.

上記金属化合物としては、例えば、金属の酸化物や水酸化物などのほか、炭酸塩などの塩を用いることができる。特に好ましいのは反応後に余分なイオン等が残留しない炭酸塩や水酸化物、酸化物である。 As the metal compound, for example, in addition to metal oxides and hydroxides, salts such as carbonates can be used. Particularly preferred are carbonates, hydroxides, and oxides in which extra ions and the like do not remain after the reaction.

但し、不純金属成分の混入が問題となるので、特に、ナトリウムやカリウムなどは焼成後も電解質層に残留して組成を乱す要因になるので、電解質層に積極的に取り込む場合を除いて使用は極力避けるべきである。 However, since contamination with impure metal components becomes a problem, sodium and potassium, in particular, remain in the electrolyte layer even after firing and cause a disturbance in the composition, so they should be used except when they are actively incorporated into the electrolyte layer. It should be avoided as much as possible.

なお、電解質層に、例えば塩素、リン、硫黄、ホウ素、珪素などの非金属元素が含まれるべき場合には、塩化物、硫酸塩、リン酸塩、ホウ酸塩、珪酸塩などを併用してもよい。 If the electrolyte layer should contain non-metal elements such as chlorine, phosphorus, sulfur, boron, and silicon, chloride, sulfate, phosphate, borate, silicate, etc. should be used in combination. May be good.

また、塩素、硫黄、リン等を含む無機酸;塩酸塩、硫酸塩、リン酸塩などの無機酸塩;チオール化合物などの有機物も、電解質層の組成として塩素などの非金属成分を積極的に含有させる場合を除けば、同様の理由で使用すべきではない。 In addition, inorganic acids including chlorine, sulfur, phosphorus, etc .; inorganic acid salts such as hydrochlorides, sulfates, phosphates; organic substances such as thiol compounds also positively contain non-metal components such as chlorine as the composition of the electrolyte layer. It should not be used for similar reasons except when it is contained.

上記非金属成分は、熱分解や焼成により分解されるものであれば必要により適量加えても構わないが、大量に加えると混入する不純物により汚染されることもあるので、必要最小限に止めるべきである。 The above non-metal component may be added in an appropriate amount as long as it is decomposed by thermal decomposition or firing, but if it is added in a large amount, it may be contaminated by impurities mixed in, so it should be kept to the minimum necessary. Is.

なお、Crのように金属としての反応性が乏しい金属や、或いは、例えばTiのように炭酸塩、硝酸塩、水酸化物の形態をとらず、且つ酸化物が反応性に乏しい金属を用いる場合は、先ず塩化物や硫酸塩を用いて有機金属キレート水溶液を製造し、次いで晶析などにより高純度の有機金属キレート結晶を予め調製しておき、これを原料として使用することが望ましい。 When a metal having poor reactivity as a metal such as Cr, or a metal having no form of carbonate, nitrate or hydroxide such as Ti and having a poor oxide of oxide is used. First, it is desirable to produce an organic metal chelate aqueous solution using chloride or sulfate, and then prepare high-purity organic metal chelate crystals in advance by crystallization or the like, and use this as a raw material.

上記のCr、Ti等の金属以外でも、同様の手法により得られた高純度のキレート錯体結晶を予め調製し、これを原料として使用することも勿論可能である。 In addition to the above-mentioned metals such as Cr and Ti, it is of course possible to prepare high-purity chelate complex crystals obtained by the same method in advance and use them as raw materials.

上記キレート錯体を構成する金属成分の組成比は、電解質層の金属組成比と同一にすればよい。 The composition ratio of the metal components constituting the chelate complex may be the same as the metal composition ratio of the electrolyte layer.

キレート剤は、全ての金属化合物を溶解するために十分量用いる。
具体的には、全金属化合物量に対して、通常、1.0~1.5倍モル用いることが好ましい。
The chelating agent is used in sufficient amount to dissolve all the metal compounds.
Specifically, it is usually preferable to use 1.0 to 1.5 times the molar amount of the total amount of the metal compound.

キレート錯体の水溶液は、常法により調製すればよい。
例えば、先ずキレート剤を水に溶解した後に金属化合物を加え反応させて溶解すればよい。
The aqueous solution of the chelate complex may be prepared by a conventional method.
For example, the chelating agent may be first dissolved in water, then a metal compound may be added and reacted to dissolve the chelating agent.

電解質層に2種以上の金属酸化物を用いる場合には、対応する2種以上の金属化合物を加える。或いは、事前に固体状の有機金属キレートを調製しておき、水に溶解してもよい。 When two or more kinds of metal oxides are used for the electrolyte layer, the corresponding two or more kinds of metal compounds are added. Alternatively, a solid organometallic chelate may be prepared in advance and dissolved in water.

また、電解質層に2種以上の金属酸化物を含有させる場合には、対応する2種以上の金属イオンを含むキレート錯体やキレート錯体の水溶液を調製しておき、それらを混合してもよい。 When the electrolyte layer contains two or more kinds of metal oxides, an aqueous solution of a chelate complex or a chelate complex containing the corresponding two or more kinds of metal ions may be prepared and mixed.

キレート剤またはキレート錯体が溶解しない場合には、アンモニアや有機アミン等を加えてもよいし、加温してもよい。金属化合物は順次加えてもよい。 If the chelating agent or chelate complex is not dissolved, ammonia, an organic amine, or the like may be added or heated. The metal compounds may be added sequentially.

水はキレート剤と金属化合物が溶解するよう十分に用いればよいが、多過ぎると除去に手間がかかるため、通常はキレート剤と金属化合物を合わせた固形分の濃度が1~60質量%程度になるようにすればよい。また、加熱温度は特に制限されないが、通常、50℃から加熱還流条件とする。 Water should be used sufficiently to dissolve the chelating agent and the metal compound, but if it is too much, it takes time to remove it. Therefore, the concentration of the solid content of the chelating agent and the metal compound is usually about 1 to 60% by mass. It should be. The heating temperature is not particularly limited, but usually, the heating / reflux conditions are set from 50 ° C.

上記金属イオン溶液は、金属イオンの合計濃度が3質量%以上25質量%以下であることが好ましく、4質量%以上15質量%以下であることがより好ましい。 In the metal ion solution, the total concentration of metal ions is preferably 3% by mass or more and 25% by mass or less, and more preferably 4% by mass or more and 15% by mass or less.

金属イオン溶液中の金属イオン、すなわち複合酸化物を形成する金属の含有量が3質量%未満では、金属イオン溶液に含まれる金属成分が少なく、電解質膜が薄くなって欠陥が生じることがある。
また、25質量%を超えると、金属イオン溶液の粘度が高くなり、多孔質アノード層内を流下し難くなることがある。
When the content of the metal ion in the metal ion solution, that is, the metal forming the composite oxide is less than 3% by mass, the metal component contained in the metal ion solution is small, and the electrolyte film may become thin and defects may occur.
On the other hand, if it exceeds 25% by mass, the viscosity of the metal ion solution becomes high, and it may be difficult for the metal ion solution to flow down in the porous anode layer.

上記金属イオン溶液の粘度は、使用する多孔質アノード層にもよるが、2~10mPa・s(25℃)であることが好ましい。 The viscosity of the metal ion solution depends on the porous anode layer used, but is preferably 2 to 10 mPa · s (25 ° C.).

金属イオン溶液の粘度が2mPa・s未満では、金属イオン溶液が平滑部材上に濡れ広がり過ぎて電解質膜が薄くなり、10mPa・sを超えると多孔質アノード層内の途中に留まり易くなる。 If the viscosity of the metal ion solution is less than 2 mPa · s, the metal ion solution gets too wet and spreads on the smoothing member, and the electrolyte membrane becomes thin. If it exceeds 10 mPa · s, it tends to stay in the middle of the porous anode layer.

金属イオン溶液の粘度は、東機産業株式会社製回転粘度計VISCOMETER TVB-15Mにより、TM1ローターを使用し、回転数60rpm、金属イオン溶液の温度を25℃に設定して測定することができる。 The viscosity of the metal ion solution can be measured by using a rotary viscometer VISCOMETER TVB-15M manufactured by Toki Sangyo Co., Ltd. using a TM1 rotor at a rotation speed of 60 rpm and setting the temperature of the metal ion solution to 25 ° C.

電解質膜が薄く欠陥が生じる場合は、本発明の製造方法を複数回繰り返し行うことで、欠陥のない平滑な薄い電解質膜を形成できる。 When the electrolyte membrane is thin and defects occur, a smooth and thin electrolyte membrane without defects can be formed by repeating the production method of the present invention a plurality of times.

また、電解質膜の欠陥を防止する場合や、多孔質アノード層の外側に厚い電解質膜を形成する場合は、上記多孔質アノード層の一方側の面側、すなわち形成された電解質層の表面に、さらにPVD法やCVD法などによって電解質層を積層することで、多孔質アノード層の外側に厚い電解質膜を形成できる。
さらに、平滑部材と多孔質アノード層との間にスペーサを設けることでも、多孔質アノード層の外側に厚い電解質膜を形成できる。
Further, in the case of preventing defects in the electrolyte membrane or forming a thick electrolyte membrane on the outside of the porous anode layer, on one side of the porous anode layer, that is, on the surface of the formed electrolyte layer. Further, by laminating the electrolyte layer by the PVD method, the CVD method, or the like, a thick electrolyte membrane can be formed on the outside of the porous anode layer.
Further, by providing a spacer between the smoothing member and the porous anode layer, a thick electrolyte membrane can be formed on the outside of the porous anode layer.

また、図2に示すように、上記平滑部材2の表面に増粘剤4を塗布することが好ましい。
上記増粘剤4の塗膜を有する平滑部材2上に多孔質アノード層1を配置し、金属イオン溶液3を流下させることで、金属イオン溶液3が拡がる範囲が増粘剤4の塗膜上に制限され、欠陥のない平滑な薄い電解質膜を形成できる。
Further, as shown in FIG. 2, it is preferable to apply the thickener 4 to the surface of the smoothing member 2.
By arranging the porous anode layer 1 on the smoothing member 2 having the coating film of the thickener 4 and allowing the metal ion solution 3 to flow down, the range in which the metal ion solution 3 spreads is on the coating film of the thickener 4. It is possible to form a smooth and thin electrolyte membrane without defects.

上記増粘剤としては、金属イオン溶液に膨潤又は溶解して金属イオン溶液を吸収できればよく、例えば、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ヒドロエチルセルロース、カルボキシメチルセルロス、フェノール樹脂、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸エステル、ポリアクリル酸エステル共重合体、ポリメタクリル酸などの水溶性のアクリル樹脂、ゼラチン、澱粉、および、カゼインなどの水溶性樹脂を使用できる。 The thickener may be swelled or dissolved in a metal ion solution to absorb the metal ion solution. For example, polyvinyl alcohol, polyvinylpyrrolidone, hydroethyl cellulose, carboxymethyl cellulos, phenol resin, polyacrylic acid, polyacrylic acid. Water-soluble acrylic resins such as esters, polyacrylic acid ester copolymers, and polymethacrylic acid, and water-soluble resins such as gelatin, starch, and casein can be used.

また、上記金属イオン溶液は、ノニオン系界面活性剤を含むことができる。
上記金属イオン溶液がノニオン系界面活性剤を含むことで、金属イオン溶液の表面張力を均一化して多孔質アノード層への濡れ性が向上し、多孔質アノード層内を流下し易くなる。
仮に金属イオン溶液が流下せずに多孔質アノード層の途中に留まったとしても、ノニオン系界面活性剤は金属イオンや、塩素、リン、硫黄、ホウ素、珪素などの熱分解後も系内に残留しやすい非金属元素を含まないため、多孔質アノード層の反応性に影響を及ぼすことがない。
In addition, the metal ion solution can contain a nonionic surfactant.
When the metal ion solution contains a nonionic surfactant, the surface tension of the metal ion solution is made uniform, the wettability to the porous anode layer is improved, and it becomes easy to flow down in the porous anode layer.
Even if the metal ion solution does not flow down and stays in the middle of the porous anode layer, the nonionic surfactant remains in the system even after thermal decomposition of metal ions, chlorine, phosphorus, sulfur, boron, silicon, etc. Since it does not contain easily non-metal elements, it does not affect the reactivity of the porous anode layer.

上記ノニオン系界面活性剤としては、例えば、グリセリン脂肪酸エステルや、ソルビタン脂肪酸エステル等のエステル型、ポリオキシアルキレンアルキルエーテルや、アルキルフェノールエトキシレート等のエーテル型、2,4,7,9-テトラメチル-5-デシン-4,7,-ジオール、3,6-ジメチル-4-オクチン-3,6-ジオール等のエチレンオキサイド及び/又はプロピレンオキサイド付加物等のアセチレングリコール型、3,5-ジメチル-1-ヘキサン-3-オール等のエチレンオキサイド及び/又はプロピレンオキサイド付加物等のアセチレンアルコール型、アルカノールアミド型、などを使用できる。 Examples of the nonionic surfactant include ester types such as glycerin fatty acid ester and sorbitan fatty acid ester, ether types such as polyoxyalkylene alkyl ether and alkylphenol ethoxylate, and 2,4,7,9-tetramethyl-. Ethylene oxides such as 5-decine-4,7, -diols, 3,6-dimethyl-4-octin-3,6-diols and / or acetylene glycol types such as propylene oxide adducts, 3,5-dimethyl-1. -Ethylene oxide such as hexane-3-ol and / or acetylene alcohol type such as propylene oxide adduct, alkanolamide type, and the like can be used.

上記金属イオン溶液の表面張力は、多孔質アノード層の空孔径などにもよるが、80mN/m以下であることが好ましい。表面張力は80mN/m(20℃)以下であれば、金属イオン溶液が多孔質アノード層の途中に留まることを防止できる。さらに表面張力が40mN/m(20℃)以下であれば、より多孔質アノード層の微細気孔に浸透しやすくなる。 The surface tension of the metal ion solution is preferably 80 mN / m or less, although it depends on the pore diameter of the porous anode layer and the like. When the surface tension is 80 mN / m (20 ° C.) or less, it is possible to prevent the metal ion solution from staying in the middle of the porous anode layer. Further, when the surface tension is 40 mN / m (20 ° C.) or less, it becomes easier to penetrate into the fine pores of the porous anode layer.

表面張力は、協和界面科学製「CBVP-A3」を用いて、液温20℃にてウィルヘルミー法により測定できる。 The surface tension can be measured by the Wilhelmy method at a liquid temperature of 20 ° C. using "CBVP-A3" manufactured by Kyowa Interface Science.

上記多孔質アノード層としては、燃料極材料として従来から固体酸化物形燃料電池に用いられている材料を使用することができる。 As the porous anode layer, a material conventionally used for a solid oxide fuel cell can be used as a fuel electrode material.

上記燃料極材料としては、例えば、ニッケル(Ni)、イットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)、パラジウム(Pd)、ルテニウム(Ru)、およびチタン(Ti)等の金属からなる群から選ばれた金属の複合酸化物粒子の焼結体を使用でき、なかでも下記式で表される複合酸化物粒子の焼結体を好ましく使用できる。
(Y1-x(ZrO ・・・式
ただし、上記式中xの範囲は0.03<x<0.15である。
The fuel electrode material is a metal selected from the group consisting of metals such as nickel (Ni), yttrium (Y), zirconium (Zr), palladium (Pd), ruthenium (Ru), and titanium (Ti). The sintered body of the composite oxide particles of the above can be used, and among them, the sintered body of the composite oxide particles represented by the following formula can be preferably used.
(Y 2 O 3 ) 1-x (ZrO 2 ) x ... Formula However, the range of x in the above formula is 0.03 <x <0.15.

上記多孔質アノード層1は、図1、図2に示すように、他方の面側に多孔質金属層5を備えることが好ましい。
他方の面側から多孔質金属層でサポートされることで、多孔質金属層により強度が担保され、空孔径が大きくガス拡散性に優れる多孔質アノード層であっても膜厚を薄くすることができる。
As shown in FIGS. 1 and 2, the porous anode layer 1 preferably includes the porous metal layer 5 on the other surface side.
By being supported by the porous metal layer from the other surface side, the strength is secured by the porous metal layer, and the film thickness can be reduced even in the porous anode layer having a large pore diameter and excellent gas diffusivity. can.

上記多孔質アノード層の膜厚は、10μm以上100μm以下であることが好ましく、該多孔質アノード層の平均開口径は、1μm以上5μm以下であることが好ましい。
上記範囲の多孔質アノード層は、急速起動が可能になると共に、軽量かつ小型化した燃料電池を形成できる。
The film thickness of the porous anode layer is preferably 10 μm or more and 100 μm or less, and the average opening diameter of the porous anode layer is preferably 1 μm or more and 5 μm or less.
The porous anode layer in the above range enables rapid start-up and can form a lightweight and miniaturized fuel cell.

多孔質アノード層の平均開口径は、多孔質アノード層や表面像を画像解析により2値化処理を行うことで測定できる。 The average opening diameter of the porous anode layer can be measured by binarizing the porous anode layer and the surface image by image analysis.

上記多孔質金属層としては、ステンレス粒子の焼結体や、パンチングメタルなどを使用できる。 As the porous metal layer, a sintered body of stainless steel particles, a punching metal, or the like can be used.

上記多孔質金属層でサポートされた多孔質アノード層の製造方法について説明する。
上記 多孔質アノード層の製造方法は、スラリー調製工程と、塗工工程と、積層工程と、焼結工程を有する。
A method for producing a porous anode layer supported by the porous metal layer will be described.
The method for producing the porous anode layer includes a slurry preparation step, a coating step, a laminating step, and a sintering step.

多孔質アノード層用スラリーは、セラミック粒子および金属粒子を主成分とし、溶媒およびバインダーを含むスラリー原料を混合して形成される。
また、多孔質金属層用スラリーは、金属粉末を主成分とし、溶媒およびバインダーを含むスラリー原料を混合して形成される。
The slurry for the porous anode layer is formed by mixing ceramic particles and metal particles as main components, and a slurry raw material containing a solvent and a binder.
Further, the slurry for a porous metal layer is formed by mixing a slurry raw material containing a metal powder as a main component and a solvent and a binder.

上記スラリーに用いる溶媒としては、例えば、水、および/または、メタノール、エタノール、1-プロパノール(NPA)、2-プロパノール、エチレングリコール、プロピレングリコールなどのアルコール系溶媒、Nメチル-2ピロリドン(NMP)など有機溶媒が挙げられる。これら溶媒は、一種のみを用いてもよいし、二種以上を混合して用いてもよい。 Examples of the solvent used for the slurry include water and / or an alcohol-based solvent such as methanol, ethanol, 1-propanol (NPA), 2-propanol, ethylene glycol and propylene glycol, and N-methyl-2pyrrolidone (NMP). Examples include organic solvents. As these solvents, only one kind may be used, or two or more kinds may be mixed and used.

溶媒の使用量は、スラリーをシート状に成形する際において、その粘度が成形に適したものとなるように調整することが好ましい。 The amount of the solvent used is preferably adjusted so that the viscosity of the slurry is suitable for molding when the slurry is molded into a sheet.

上記 スラリーに添加するバインダーとしては、公知の有機バインダーを適宜選択して使用することができる。 As the binder to be added to the slurry, a known organic binder can be appropriately selected and used.

上記有機バインダーとしては、例えば、エチレン系共重合体、スチレン系共重合体、アクリレート系共重合体、メタクリレート系共重合体、ビニルブチラール系樹脂、ビニルアセタール系樹脂、ビニルホルマール系樹脂、ビニルアルコール系樹脂、エチルセルロースなどのセルロース類が挙げられる。
なお、各スラリーには、必要に応じて可塑剤や分散剤などを添加してもよい。
Examples of the organic binder include ethylene-based copolymers, styrene-based copolymers, acrylate-based copolymers, methacrylate-based copolymers, vinyl butyral-based resins, vinyl acetal-based resins, vinylformal-based resins, and vinyl alcohol-based binders. Examples thereof include celluloses such as resins and ethyl cellulose.
If necessary, a plasticizer, a dispersant, or the like may be added to each slurry.

上記スラリー原料の混合には、公知の攪拌装置を適宜選択して使用することができる。 A known stirring device can be appropriately selected and used for mixing the slurry raw materials.

次に、塗工工程では、ナイフコート、ドクターブレードなどの塗工装置を用いたテープキャスト法などのシート成形法を用いて上記スラリー調製工程で調製した各スラリーをシート状に成形する。 Next, in the coating step, each slurry prepared in the above slurry preparation step is molded into a sheet shape by using a sheet forming method such as a tape casting method using a coating device such as a knife coat or a doctor blade.

得られた各スラリーのシートを、乾燥後、必要に応じて加熱処理することによって多孔質アノード層用シート、多孔質金属層用シートを得ることができる。 A sheet for a porous anode layer and a sheet for a porous metal layer can be obtained by heat-treating the obtained sheets of each slurry after drying, if necessary.

次に、積層工程では、多孔質アノード層用シート、および多孔質金属層用シートを順に積層して貼り合わせて積層体を形成する。 Next, in the laminating step, the porous anode layer sheet and the porous metal layer sheet are laminated in order and laminated to form a laminated body.

最後に、焼結工程では、上記積層体を脱脂および焼結して、メタルサポートセルの前駆体であるハーフセルを得ることができる。なお、焼成条件は特に制限されず、公知の条件に設定することができる。
なお、アノード層が1層構造の場合を説明したが、2層以上の多層構造とすることができ、層の数に応じて調製するスラリーの種類を変更することができる。
Finally, in the sintering step, the laminate can be degreased and sintered to obtain a half cell which is a precursor of the metal support cell. The firing conditions are not particularly limited and can be set to known conditions.
Although the case where the anode layer has a one-layer structure has been described, it is possible to have a multi-layer structure having two or more layers, and the type of slurry to be prepared can be changed according to the number of layers.

以下、本発明を実施例により詳細に説明するが、本発明は下記実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to the following Examples.

<有機金属キレート水溶液の作製>
エチレンジアミン四酢酸(263.3g)と、水(800g)とを入れたビーカーに25%アンモニア水(61.3g)を加えた。
<Preparation of organometallic chelate aqueous solution>
25% aqueous ammonia (61.3 g) was added to a beaker containing ethylenediaminetetraacetic acid (263.3 g) and water (800 g).

この溶液を60℃まで加温し、攪拌しながら炭酸セリウム八水和物(218.3g)と酸化ガドリニウム(32.7g)を吹きこぼれないように順次ゆっくりと投入し、100℃で3時間攪拌し完全に溶解させた。その後室温まで自然放冷し、水を加えて総量1000gとすることで、金属モル比がCe:Gd=0.8:0.2である無色透明の有機金属キレート水溶液を得た。
この有機金属キレート水溶液のpHは6.0であった。
This solution is heated to 60 ° C., and while stirring, cerium carbonate octahydrate (218.3 g) and gadolinium oxide (32.7 g) are slowly added in sequence so as not to spill over, and the mixture is stirred at 100 ° C. for 3 hours. Completely dissolved. Then, it was allowed to cool naturally to room temperature, and water was added to make a total amount of 1000 g to obtain a colorless and transparent organometallic chelate aqueous solution having a metal molar ratio of Ce: Gd = 0.8: 0.2.
The pH of this organometallic chelate aqueous solution was 6.0.

[実施例1]
上記有機金属キレート水溶液に水を加えて金属イオン(Ce4+、Gd3+)の濃度が4.8質量%の有機金属キレート水溶液とし、さらに非イオン性界面活性剤(ポリオキシアルレンアルキルエーテル:ノイゲンXL-80:第一工業製薬製)を0.1質量%となるように加えて金属イオン溶液を調製した。
[Example 1]
Water is added to the above organic metal chelate aqueous solution to make an organic metal chelate aqueous solution having a metal ion (Ce 4+ , Gd 3+ ) concentration of 4.8% by mass, and a nonionic surfactant (polyoxyallene alkyl ether: Neugen). XL-80: manufactured by Daiichi Kogyo Seiyaku Co., Ltd.) was added in an amount of 0.1% by mass to prepare a metal ion solution.

この金属イオン溶液は、粘度が3.2mPa・s(25℃)、表面張力は27.0mN/mであった。 This metal ion solution had a viscosity of 3.2 mPa · s (25 ° C.) and a surface tension of 27.0 mN / m.

複合酸化物粒子((Y0.08(ZrO0.92)から成り、多孔質金属層にサポートされた、膜厚が50μm、直径が30mmの多孔質アノード層を、1/4に切断して、多孔質アノード層が下になるように、表面に酸化膜を形成した平滑なシリコンウエハ基板上に設置した。 1 is a porous anode layer having a film thickness of 50 μm and a diameter of 30 mm, which is composed of composite oxide particles ((Y 203) 0.08 ( ZrO 2 ) 0.92 ) and is supported by a porous metal layer. It was cut into quarters and placed on a smooth silicon wafer substrate with an oxide film formed on the surface so that the porous anode layer was on the bottom.

多孔質金属層側から上記金属イオン溶液を約0.8ml滴下して、多孔質アノード層に浸透させ、シリコンウエハ基板の表面を濡らした。 About 0.8 ml of the above metal ion solution was dropped from the porous metal layer side to penetrate the porous anode layer and wet the surface of the silicon wafer substrate.

この多孔質アノード層をシリコンウエハ基板に載せたまま水平を保ってマッフル炉内に入れ、大気雰囲気下、昇温速度5℃/minで400℃まで加熱してSiO基板ごと1時間焼成し、室温まで自然冷却して固体酸化物形燃料電池用電解質を得た。 The porous anode layer was placed in a muffle furnace while being placed on the silicon wafer substrate while being kept horizontal, heated to 400 ° C. at a heating rate of 5 ° C./min in an air atmosphere, and the entire SiO 2 substrate was fired for 1 hour. The electrolyte was naturally cooled to room temperature to obtain an electrolyte for a solid oxide fuel cell.

電界放射型走査電子顕微鏡FE-SEM(JEOL製 JSM-6700F)を用いて多孔質アノード層の表面、および電解質層の表面を観察した。
上記多孔質アノード層の表面SEM像を図3に、実施例1の固体酸化物形燃料電池用電解質の表面SEM像を図4に示す。上記多孔質アノード層の平均開孔径は2.5μmであった。
The surface of the porous anode layer and the surface of the electrolyte layer were observed using a field emission scanning electron microscope FE-SEM (JSM-6700F manufactured by JEOL).
The surface SEM image of the porous anode layer is shown in FIG. 3, and the surface SEM image of the electrolyte for a solid oxide fuel cell of Example 1 is shown in FIG. The average pore size of the porous anode layer was 2.5 μm.

また、金属イオン溶液をSiO基板に滴下して実施例1と同条件で焼成して複合酸化物を形成し、この複合酸化物の結晶性を下記の条件で測定した。
測定結果を図5に示す。
X線回折装置:試料水平型多目的X線回折装置 (UltimaIV Rigaku製)
電圧:40 kV
電流:40 mA
角度:10~80°
Further, a metal ion solution was dropped onto a SiO 2 substrate and calcined under the same conditions as in Example 1 to form a composite oxide, and the crystallinity of the composite oxide was measured under the following conditions.
The measurement results are shown in FIG.
X-ray diffractometer: Sample horizontal multipurpose X-ray diffractometer (manufactured by UltimaIV Rigaku)
Voltage: 40 kV
Current: 40 mA
Angle: 10-80 °

図5より、金属イオン溶液を焼成して得た電解質は、結晶性を有していることがわかる。 From FIG. 5, it can be seen that the electrolyte obtained by firing the metal ion solution has crystallinity.

[実施例2]
上記有機金属キレート水溶液に水を加えて金属イオン(Ce4+、Gd3+)の濃度が9.6質量%の金属イオン溶液を調製し、さらに非イオン性界面活性剤(ポリオキシアルキレンアルキルエーテル:ノイゲンXL-80:第一工業製薬製)を0.1質量%となるように加えて金属イオン溶液を調製した。
この金属イオン溶液は、粘度が4.4mPa・s(25℃)、表面張力が27.7mN/m(20℃)であった。
この金属イオン溶液を用いる他は実施例1と同様にして固体酸化物形燃料電池用電解質を得た。 実施例2の固体酸化物形燃料電池用電解質の表面SEM像を図6に示す。
[Example 2]
Water is added to the above organic metal chelate aqueous solution to prepare a metal ion solution having a metal ion (Ce 4+ , Gd 3+ ) concentration of 9.6% by mass, and a nonionic surfactant (polyoxyalkylene alkyl ether: Neugen) is further prepared. XL-80: manufactured by Daiichi Kogyo Seiyaku Co., Ltd.) was added in an amount of 0.1% by mass to prepare a metal ion solution.
This metal ion solution had a viscosity of 4.4 mPa · s (25 ° C.) and a surface tension of 27.7 mN / m (20 ° C.).
An electrolyte for a solid oxide fuel cell was obtained in the same manner as in Example 1 except that this metal ion solution was used. The surface SEM image of the electrolyte for a solid oxide fuel cell of Example 2 is shown in FIG.

[実施例3]
上記有機金属キレート水溶液:金属イオン(Ce4+、Gd3+)の濃度が12.8質量%に非イオン性界面活性剤(ポリオキシアルキレンアルキルエーテル:ノイゲンXL-80:第一工業製薬製)を0.1質量%となるように加えて金属イオン溶液を調製した。
この金属イオン溶液は、粘度が5.5mPa・s(25℃)、表面張力が28.0mN/m(20℃)であった。
この金属イオン溶液を用いる他は実施例1と同様にして固体酸化物形燃料電池用電解質を得た。実施例3の固体酸化物形燃料電池用電解質の表面SEM像を図7に示す。
[Example 3]
The above organic metal chelate aqueous solution: a nonionic surfactant (polyoxyalkylene alkyl ether: Neugen XL-80: manufactured by Dai-ichi Kogyo Seiyaku Co., Ltd.) is 0 to a concentration of metal ions (Ce 4+ , Gd 3+ ) of 12.8% by mass. A metal ion solution was prepared by adding the amount to 1% by mass.
This metal ion solution had a viscosity of 5.5 mPa · s (25 ° C.) and a surface tension of 28.0 mN / m (20 ° C.).
An electrolyte for a solid oxide fuel cell was obtained in the same manner as in Example 1 except that this metal ion solution was used. The surface SEM image of the electrolyte for a solid oxide fuel cell of Example 3 is shown in FIG.

[実施例4]
非イオン性界面活性剤(ポリオキシアルキレンアルキルエーテル:ノイゲン-XL80:第一工業製薬製)を、非イオン性界面活性剤(2,4,7,9-テトラメチル-5-デシン-4,7,-ジオールのエチレンオキサイド付加物(Ethoxyated-2,4,7,9-Tetramethyl-5-decyne-4,7-diol):アセチレノールE40:川研ファインケミカル社製)に替える他は実施例1と同様にして金属イオン溶液を調製した。
この金属イオン溶液は、粘度が3.4mPa・s(25℃)、表面張力が31.3mN/m(20℃)であった。
この金属イオン溶液を用いる他は実施例1と同様にして固体酸化物形燃料電池用電解質を得た。 実施例4の固体酸化物形燃料電池用電解質の表面SEM像を図8に示す。
[Example 4]
Nonionic surfactant (polyoxyalkylene alkyl ether: Neugen-XL80: manufactured by Dai-ichi Kogyo Seiyaku), nonionic surfactant (2,4,7,9-tetramethyl-5-decyne-4,7) , -The same as in Example 1 except that the ethylene oxide adduct of diol (Ethoxydated-2, 4,7,9-Tetramethyl-5-decyne-4,7-diol): acetylenol E40: manufactured by Kawaken Fine Chemicals Co., Ltd.) is replaced. To prepare a metal ion solution.
This metal ion solution had a viscosity of 3.4 mPa · s (25 ° C.) and a surface tension of 31.3 mN / m (20 ° C.).
An electrolyte for a solid oxide fuel cell was obtained in the same manner as in Example 1 except that this metal ion solution was used. The surface SEM image of the electrolyte for a solid oxide fuel cell of Example 4 is shown in FIG.

[実施例5]
非イオン性界面活性剤を加えない他は実施例1と同様にして金属イオン溶液を調製した。
この金属イオン溶液は、粘度が3.3mPa・s(25℃)、表面張力が72.6mN/m(20℃)であった。
この金属イオン溶液を用いる他は実施例1と同様にして固体酸化物形燃料電池用電解質を得た。 実施例5の固体酸化物形燃料電池用電解質の表面SEM像を図9に示す。
[Example 5]
A metal ion solution was prepared in the same manner as in Example 1 except that a nonionic surfactant was not added.
This metal ion solution had a viscosity of 3.3 mPa · s (25 ° C.) and a surface tension of 72.6 mN / m (20 ° C.).
An electrolyte for a solid oxide fuel cell was obtained in the same manner as in Example 1 except that this metal ion solution was used. The surface SEM image of the electrolyte for a solid oxide fuel cell of Example 5 is shown in FIG.

[実施例6]
増粘剤(ポリビニルアルコール:PVA217:KURARAY製)に蒸留水を加え、およそ15質量%のPVA水溶液を調製した。
表面に酸化膜を形成した平滑なシリコンウエハ基板の端に調製したPVA水溶液を滴下し、ブレードコート法によりシリコンウエハ基板上にPVA水溶液を塗り付けた。
[Example 6]
Distilled water was added to a thickener (polyvinyl alcohol: PVA217: manufactured by KURARAY) to prepare an approximately 15% by mass PVA aqueous solution.
The prepared PVA aqueous solution was dropped on the edge of a smooth silicon wafer substrate having an oxide film formed on the surface, and the PVA aqueous solution was applied onto the silicon wafer substrate by the blade coating method.

このSiO基板を用いる他は実施例1と同様にして、固体酸化物形燃料電池用電解質を得た。実施例6の固体酸化物形燃料電池用電解質の表面SEM像を図10に示す。
また、電解質形成前の多孔質アノード層の断面EM像を図11に、電解質形成後の多孔質アノード層の断面SEM像を図12に示す。
An electrolyte for a solid oxide fuel cell was obtained in the same manner as in Example 1 except that the SiO 2 substrate was used. The surface SEM image of the electrolyte for a solid oxide fuel cell of Example 6 is shown in FIG.
Further, FIG. 11 shows a cross-sectional EM image of the porous anode layer before the electrolyte formation, and FIG. 12 shows a cross-sectional SEM image of the porous anode layer after the electrolyte formation.

図12より、多孔質アノード層の外側に形成された1.0μm以下の非常に薄い電解質膜によって多孔質アノード層の表面が覆われており、多孔質アノード層の内部に膜厚が3.5μmの電解質層が形成されていることがわかる。 From FIG. 12, the surface of the porous anode layer is covered with a very thin electrolyte membrane of 1.0 μm or less formed on the outside of the porous anode layer, and the film thickness is 3.5 μm inside the porous anode layer. It can be seen that the electrolyte layer of is formed.

[比較例1]
上記多孔質金属層にサポートされた多孔質アノード層にCVD法により、膜厚2μm狙いの条件でセリウム-ガドリウム複合酸化物膜を形成し、固体酸化物形燃料電池用電解質を得た。
比較例1の固体酸化物形燃料電池用電解質の表面SEM像を図13に示す。
[Comparative Example 1]
A cerium-gadolium composite oxide film was formed on the porous anode layer supported by the porous metal layer by a CVD method under the condition of aiming at a film thickness of 2 μm to obtain an electrolyte for a solid oxide fuel cell.
FIG. 13 shows a surface SEM image of the electrolyte for a solid oxide fuel cell of Comparative Example 1.

<評価>
実施例1~6、比較例1の固体酸化物形燃料電池用電解質を評価した。
評価結果を表1に示す。
<Evaluation>
The electrolytes for solid oxide fuel cells of Examples 1 to 6 and Comparative Example 1 were evaluated.
The evaluation results are shown in Table 1.

(ガス遮断性)
治具を用いて固体酸化物形燃料電池用電解質の外周を配管に固定し、上記配管内を真空引きしてガスリークの有無を確認した。
〇:ガスリークなし
×:ガスリークあり
(Gas barrier)
The outer circumference of the solid oxide fuel cell electrolyte was fixed to the pipe using a jig, and the inside of the pipe was evacuated to check for gas leaks.
〇: No gas leak ×: With gas leak

(絶縁性)
固体酸化物形燃料電池用電解質を一対の導電板で挟み、導電板間の電気絶縁性を確認した。
〇:絶縁性あり
×:絶縁性なし
(Insulation)
The electrolyte for a solid oxide fuel cell was sandwiched between a pair of conductive plates, and the electrical insulation between the conductive plates was confirmed.
〇: With insulation ×: No insulation

Figure 0006994736000001
Figure 0006994736000001

上記結果より、本発明の固体酸化物形燃料電池用電解質の製造方法によれば、多孔質アノード層の一方側の面の空孔を金属イオン溶液で塞ぐと共に、多孔質アノード層の表面を金属イオン溶液で濡らすことができる。
そして、これを焼成することで、表面粗さRzが4μm以上の表面が粗い多孔質アノード層であっても、その空孔を完全に閉塞してガス遮断性を有し、多孔質アノード層の外部に該多孔質アノード層の開孔径よりも膜厚が薄い電解質膜が形成されて絶縁性が得られることが確認された。
From the above results, according to the method for producing an electrolyte for a solid oxide fuel cell of the present invention, the pores on one side of the porous anode layer are closed with a metal ion solution, and the surface of the porous anode layer is made of metal. It can be wetted with an ionic solution.
Then, by firing this, even if the surface is a coarse porous anode layer having a surface roughness Rz of 4 μm or more, the pores are completely closed to have a gas blocking property, and the porous anode layer has a gas barrier property. It was confirmed that an electrolyte film having a thickness smaller than the opening diameter of the porous anode layer was formed on the outside to obtain insulating properties.

1 多孔質アノード層
11 空孔
12 接触部
2 平滑部材
3 金属イオン溶液
4 増粘剤
5 多孔質金属層
1 Porous anode layer 11 Pore 12 Contact part 2 Smoothing member 3 Metal ion solution 4 Thickener 5 Porous metal layer

Claims (19)

多孔質アノード層の空孔に金属イオン溶液を充填する充填工程と、
上記金属イオン溶液が充填された多孔質アノード層を加熱し、固体電解質を形成する加熱工程と、を備え、
上記充填工程が、上記金属イオン溶液で上記多孔質アノード層の一方の面側に開口する空孔を塞ぎ、かつ上記金属イオン溶液で平滑面を形成する処理であることを特徴とする固体酸化物形燃料電池用電解質の製造方法。
The filling process of filling the pores of the porous anode layer with a metal ion solution,
A heating step of heating the porous anode layer filled with the metal ion solution to form a solid electrolyte is provided.
The solid oxide is characterized in that the filling step is a process of closing the pores opened on one surface side of the porous anode layer with the metal ion solution and forming a smooth surface with the metal ion solution. A method for manufacturing electrolytes for solid fuel cells.
上記充填工程が、上記多孔質アノード層を水平な平滑部材上に配置し、上記金属イオン溶液を上記多孔質アノード層の他方の面側から一方の面側に流下させる処理であることを特徴とする請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池用電解質の製造方法。 The filling step is characterized in that the porous anode layer is arranged on a horizontal smoothing member, and the metal ion solution is allowed to flow down from the other surface side of the porous anode layer to one surface side. The method for producing an electrolyte for a solid oxide fuel cell according to claim 1. 上記平滑部材が、その表面に増粘剤を含む塗膜を備えることを特徴とする請求項2に記載の固体酸化物形燃料電池用電解質の製造方法。 The method for producing an electrolyte for a solid oxide fuel cell according to claim 2, wherein the smoothing member includes a coating film containing a thickener on its surface. 上記加熱工程前に、上記空孔に充填された金属イオン溶液を乾燥する乾燥工程を備えることを特徴とする請求項1~3のいずれか1つの項に記載の固体酸化物形燃料電池用電解質の製造方法。 The electrolyte for a solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 3, further comprising a drying step of drying the metal ion solution filled in the pores before the heating step. Manufacturing method. 上記多孔質アノード層内に、膜厚が0.5μm以上の固体電解質層を形成することを特徴とする請求項1~4のいずれか1つの項に記載の固体酸化物形燃料電池用電解質の製造方法。 The electrolyte for a solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein a solid electrolyte layer having a thickness of 0.5 μm or more is formed in the porous anode layer. Production method. 上記加熱工程後に、上記多孔質アノード層の一方側の面に固体電解質層をさらに積層する工程を有することを特徴とする請求項1~5のいずれか1つの項に記載の固体酸化物形燃料電池用電解質の製造方法。 The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 5, further comprising a step of further laminating a solid electrolyte layer on one surface of the porous anode layer after the heating step. A method for manufacturing an electrolyte for a battery. 上記金属イオン溶液が、水溶液であることを特徴とする請求項1~6のいずれか1つの項に記載の固体酸化物形燃料電池用電解質の製造方法。 The method for producing an electrolyte for a solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 6, wherein the metal ion solution is an aqueous solution. 上記金属イオン溶液が、キレート剤を含むことを特徴とする請求項1~7のいずれか1つの項に記載の固体酸化物形燃料電池用電解質の製造方法。 The method for producing an electrolyte for a solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 7, wherein the metal ion solution contains a chelating agent. 上記キレート剤が、ニトリロ三酢酸、エチレンジアミン四酢酸、ジエチレントリアミン五酢酸、及びトリエチレンテトラミン六酢酸から成る群より選ばれた少なくとも一種であることを特徴とする請求項8に記載の固体酸化物形燃料電池用電解質の製造方法。 The solid oxide fuel cell according to claim 8, wherein the chelating agent is at least one selected from the group consisting of nitrilotriacetic acid, ethylenediaminetetraacetic acid, diethylenetriaminepentacetic acid, and triethylenetetraminehexacetic acid. A method for manufacturing an electrolyte for a battery. 上記金属イオン溶液が、ノニオン系界面活性剤を含むことを特徴とする請求項1~9のいずれか1つの項に記載の固体酸化物形燃料電池用電解質の製造方法。 The method for producing an electrolyte for a solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 9, wherein the metal ion solution contains a nonionic surfactant. 上記金属イオン溶液の金属イオンの合計濃度が、3質量%以上25質量%以下であることを特徴とする請求項1~10のいずれか1つの項に記載の固体酸化物形燃料電池用電解質の製造方法。 The electrolyte for a solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 10, wherein the total concentration of metal ions in the metal ion solution is 3% by mass or more and 25% by mass or less. Production method. 上記金属イオン溶液の粘度が、2~10mPa・s(25℃)であることを特徴とする請求項1~11のいずれか1つの項に記載の固体酸化物形燃料電池用電解質の製造方法。 The method for producing an electrolyte for a solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 11, wherein the metal ion solution has a viscosity of 2 to 10 mPa · s (25 ° C.). 上記金属イオン溶液の表面張力が80mN/m(20℃)以下であることを特徴とする請求項1~12のいずれか1つの項に記載の固体酸化物形燃料電池用電解質の製造方法。 The method for producing an electrolyte for a solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 12, wherein the surface tension of the metal ion solution is 80 mN / m (20 ° C.) or less. 上記金属イオン溶液が、遷移金属から成る群より選ばれた少なくとも二種以上の金属のイオンを含むことを特徴とする請求項1~13のいずれか1つの項に記載の固体酸化物形燃料電池用電解質の製造方法。 The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 13, wherein the metal ion solution contains ions of at least two or more metals selected from the group consisting of transition metals. How to make electrolytes. 上記多孔質アノード層が、下記式で表される複合酸化物粒子を含むことを特徴とする請求項1~14のいずれか1つの項に記載の固体酸化物形燃料電池用電解質の製造方法。
(Y1-x(ZrO ・・・式
ただし、上記式中xの範囲は0.03<x<0.15である。
The method for producing an electrolyte for a solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 14, wherein the porous anode layer contains composite oxide particles represented by the following formula.
(Y 2 O 3 ) 1-x (ZrO 2 ) x ... Formula However, the range of x in the above formula is 0.03 <x <0.15.
上記加熱工程の加熱温度が、300℃以上700℃以下であることを特徴とする請求項1~15のいずれか1つの項に記載の固体酸化物形燃料電池用電解質の製造方法。 The method for producing an electrolyte for a solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 15, wherein the heating temperature in the heating step is 300 ° C. or higher and 700 ° C. or lower. 上記多孔質アノード層が、他方の面に多孔質金属層を備えることを特徴とする請求項1~16のいずれか1つの項に記載の固体酸化物形燃料電池用電解質の製造方法。 The method for producing an electrolyte for a solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 16, wherein the porous anode layer includes a porous metal layer on the other surface. 上記固体電解質が、ガス遮断性を有することを特徴とする請求項1~17のいずれか1つの項に記載の固体酸化物形燃料電池用電解質の製造方法。 The method for producing an electrolyte for a solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 17, wherein the solid electrolyte has a gas blocking property. 上記固体電解質が、結晶性を有することを特徴とする請求項1~18のいずれか1つの項に記載の固体酸化物形燃料電池用電解質の製造方法。 The method for producing an electrolyte for a solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 18, wherein the solid electrolyte has crystallinity.
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