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JP7836655B2 - Solid oxide fuel cell and method for manufacturing the same - Google Patents
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JP7836655B2 - Solid oxide fuel cell and method for manufacturing the same - Google Patents

Solid oxide fuel cell and method for manufacturing the same

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Description

本発明は、固体酸化物型燃料電池およびその製造方法に関する。 This invention relates to a solid oxide fuel cell and a method for manufacturing the same.

自動車などで使用可能な固体酸化物型燃料電池システムを開発するためには、振動に耐えられかつ急速昇温でも割れないセルを開発することが望まれている。そこで、金属支持体で指示するメタルサポートタイプの固体酸化物型燃料電池が開発されている(例えば、特許文献1~3参照)。 To develop solid oxide fuel cell systems usable in automobiles and other applications, it is desirable to develop cells that can withstand vibration and do not crack even during rapid heating. Therefore, metal-supported solid oxide fuel cells, supported by a metal support, are being developed (see, for example, Patent Documents 1-3).

特開2020-124704号公報Japanese Patent Publication No. 2020-124704 特開2021-026947号公報Japanese Patent Publication No. 2021-026947 特開2017-195193号公報Japanese Patent Publication No. 2017-195193

改質器で改質ガス(H,CO,COなどを含むガス)を生成して発電を行なうシステムでは、改質器の存在によってシステム全体を小型化することが困難である。この課題を解決するための一つの方法は、固体酸化物型燃料電池内に触媒を付与し、ガスの改質と発電とを同時に行う内部改質機能を実現することが提案されている。しかしながら、従来の固体酸化物型燃料電池で使用される触媒は、粒径が大きく、比表面積が小さいため、十分な改質機能を実現することが困難である。一方、触媒の添加量を増やすと、改質性能は向上するが、多孔質部の空隙率が低下し、ガスが拡散しにくくなり、その結果、発電性能が低下してしまう問題がある。例えば、特許文献3に記載の技術では、燃料ガスは、第2電極→第1電極の順で通過した際に、第2電極の粒子径が第1電極の粒子径より大きいと、改質反応は十分に行えず、発電特性が低下していくと考えられる。 In systems that generate electricity by producing reformed gas (gas containing H₂ , CO, CO₂ , etc.) in a reformer, the presence of the reformer makes it difficult to miniaturize the entire system. One proposed solution to this problem is to add a catalyst to a solid oxide fuel cell to realize an internal reforming function that simultaneously reforms the gas and generates electricity. However, catalysts used in conventional solid oxide fuel cells have large particle sizes and small specific surface areas, making it difficult to achieve sufficient reforming function. On the other hand, increasing the amount of catalyst added improves reforming performance, but it reduces the porosity of the porous part, making it difficult for the gas to diffuse, and as a result, the power generation performance deteriorates. For example, in the technology described in Patent Document 3, when the fuel gas passes from the second electrode to the first electrode, if the particle size of the second electrode is larger than the particle size of the first electrode, the reforming reaction cannot be carried out sufficiently, and the power generation characteristics are thought to deteriorate.

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、高効率な内部改質および高い発電特性を両立させることができる固体酸化物型燃料電池およびその製造方法を提供することを目的とする。 This invention has been made in view of the above-mentioned problems, and aims to provide a solid oxide fuel cell and a method for manufacturing the same that can achieve both highly efficient internal reforming and high power generation characteristics.

本発明に係る固体酸化物型燃料電池は、酸化物イオン伝導性を有する固体酸化物を含む固体電解質層と、前記固体電解質層上に設けられ、電子伝導性セラミックスおよび酸化物イオン伝導性セラミックスを含む多孔体を有し、当該多孔体にアノード触媒を有するアノードと、前記アノードの前記固体電解質層と反対側の面に設けられ、金属材料とセラミックス材料とが混合された構造の多孔体を有し、当該多孔体に改質触媒を有する混合層と、前記混合層の前記固体電解質層と反対側の面に設けられ、金属を主成分とする支持体と、を備え、前記混合層の断面における各空隙の孔径分布において、出現頻度の第1ピークと、前記第1ピークよりも大きい孔径の第2ピークとが現れ、前記第1ピークと前記第2ピークとの間の最小頻度の孔径よりも大きい空隙のD10%径が、前記最小頻度の孔径よりも小さい空隙のD90%径以上である。 The solid oxide fuel cell according to the present invention comprises: a solid electrolyte layer containing a solid oxide having oxide ion conductivity; an anode provided on the solid electrolyte layer and having a porous body containing electron-conducting ceramics and oxide ion-conducting ceramics, with an anode catalyst in the porous body; a mixed layer provided on the side of the anode opposite to the solid electrolyte layer and having a porous body with a structure in which a metal material and a ceramic material are mixed, with a reforming catalyst in the porous body; and a support provided on the side of the mixed layer opposite to the solid electrolyte layer and mainly composed of metal. In the pore size distribution of each void in the cross-section of the mixed layer, a first peak of occurrence frequency and a second peak of pore size larger than the first peak appear, and the D10% diameter of voids larger than the minimum frequency pore size between the first and second peaks is greater than or equal to the D90% diameter of voids smaller than the minimum frequency pore size.

上記固体酸化物型燃料電池において、前記アノードの前記多孔体を構成するセラミックス粒子のD50%粒径と、前記混合層におけるセラミックス粒子のD50%粒径との比が、1.1:1~1:1.1であってもよい。 In the above-described solid oxide fuel cell, the ratio of the D50% particle size of the ceramic particles constituting the porous body of the anode to the D50% particle size of the ceramic particles in the mixed layer may be 1.1:1 to 1:1.1.

上記固体酸化物型燃料電池において、前記固体電解質層におけるセラミックス粒子の粒径は、前記アノードの前記多孔体を構成するセラミックス粒子のD50%粒径および前記混合層の前記多孔体を構成するセラミックス粒子のD50%粒径よりも大きくてもよい。 In the above-described solid oxide fuel cell, the particle size of the ceramic particles in the solid electrolyte layer may be larger than the D50% particle size of the ceramic particles constituting the porous body of the anode and the D50% particle size of the ceramic particles constituting the porous body of the mixed layer.

上記固体酸化物型燃料電池において、前記混合層の前記多孔体を構成するセラミックス粒子のD50%粒径は、0.5μm以上、3μm以下であってもよい。 In the above-described solid oxide fuel cell, the D50% particle size of the ceramic particles constituting the porous body of the mixed layer may be 0.5 μm or more and 3 μm or less.

上記固体酸化物型燃料電池において、前記混合層における前記小さい空隙のD50%径は、前記混合層の前記多孔体を構成するセラミックス粒子のD50%粒径の0.5倍以上、2倍以下であってもよい。 In the above-described solid oxide fuel cell, the D50% diameter of the small voids in the mixed layer may be 0.5 times or more and 2 times or less the D50% particle size of the ceramic particles constituting the porous body of the mixed layer.

上記固体酸化物型燃料電池において、前記アノード全体における空隙率は、40%以上80%以下であってもよい。 In the above-described solid oxide fuel cell, the porosity of the entire anode may be 40% or more and 80% or less.

上記固体酸化物型燃料電池において、前記アノードの厚みは、1μm以上、15μm以下であってもよい。 In the above-described solid oxide fuel cell, the thickness of the anode may be 1 μm or more and 15 μm or less.

上記固体酸化物型燃料電池において、前記混合層の前記多孔体を構成する金属粒子のD50%粒径は、2μm以上、10μm以下であってもよい。 In the above-described solid oxide fuel cell, the D50% particle size of the metal particles constituting the porous body in the mixed layer may be 2 μm or more and 10 μm or less.

上記固体酸化物型燃料電池において、前記混合層における前記大きい空隙のD50%径は、前記混合層の前記多孔体を構成する金属粒子のD50%粒径の0.5倍以上、2倍以下であってもよい。 In the above-described solid oxide fuel cell, the D50% diameter of the large voids in the mixed layer may be 0.5 times or more and 2 times or less the D50% particle size of the metal particles constituting the porous body of the mixed layer.

上記固体酸化物型燃料電池において、前記混合層全体における空隙率は、40%以上80%以下であってもよい。 In the above-described solid oxide fuel cell, the porosity of the entire mixed layer may be 40% or more and 80% or less.

上記固体酸化物型燃料電池において、前記混合層の厚みは、5μm以上、50μm以下であってもよい。 In the above-described solid oxide fuel cell, the thickness of the mixed layer may be 5 μm or more and 50 μm or less.

上記固体酸化物型燃料電池において、前記アノード触媒は、YがドープされたBaCe1-xZr(BCZY、x=0~1)、YがドープされたSrCe1-xZr(SCZY、x=0~1)、SrをドープされたLaScO(LSS)、Gdドープセリアの1つあるいは複数の混合体とNiを含んでいてもよい。 In the above-described solid oxide fuel cell, the anode catalyst may contain Ni and a mixture of one or more of the following: Y-doped BaCe 1 - x Zr x O 3 (BCZY, x=0 to 1), Y-doped SrCe 1-x Zr x O 3 (SCZY, x=0 to 1), Sr-doped LaScO 3 (LSS), and Gd-doped ceria.

上記固体酸化物型燃料電池において、前記アノード触媒のD50%粒径は、10nm以上、1μm以下であってもよい。 In the above-described solid oxide fuel cell, the D50% particle size of the anode catalyst may be 10 nm or larger and 1 μm or smaller.

本発明に係る固体酸化物型燃料電池の製造方法は、酸化物イオン伝導性を有する固体酸化物材料粉末を含む電解質グリーンシートの両面に、電子伝導性セラミックス材料粉末および酸化物イオン伝導性セラミックス材料粉末を含む電極グリーンシートと、セラミックス材料粉末および金属材料粉末を含む混合層グリーンシートと、金属粉末を含む支持体グリーンシートとが積層された積層体を焼成する工程と、前記混合層用グリーンシートの焼成によって得られる混合層に、改質触媒を含浸する工程と、を含み、前記混合層の断面における各空隙の孔径分布において、出現頻度の第1ピークと、前記第1ピークよりも大きい孔径の第2ピークとが現れ、前記第1ピークと前記第2ピークとの間の最小頻度の孔径よりも大きい空隙のD10%径が、前記最小頻度の孔径よりも小さい空隙のD90%径以上となるように、前記混合層用グリーンシートに添加する消失材の粒径を調整する。 The present invention relates to a method for manufacturing a solid oxide fuel cell, comprising the steps of: firing a laminate in which an electrode green sheet containing electron-conducting ceramic material powder and oxide-ion-conducting ceramic material powder, a mixed layer green sheet containing ceramic material powder and metal material powder, and a support green sheet containing metal powder are laminated on both sides of an electrolyte green sheet containing solid oxide material powder having oxide ion conductivity; and impregnating the mixed layer obtained by firing the mixed layer green sheet with a reforming catalyst, wherein the particle size of the lost material added to the mixed layer green sheet is adjusted so that, in the pore size distribution of each void in the cross-section of the mixed layer, a first peak of occurrence frequency and a second peak of pore size larger than the first peak appear, and the D10% diameter of voids larger than the minimum frequency pore size between the first and second peaks is 90% or greater than the D90% diameter of voids smaller than the minimum frequency pore size.

本発明によれば、高効率な内部改質および高い発電特性を両立させることができる固体酸化物型燃料電池およびその製造方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a solid oxide fuel cell and a method for manufacturing the same that can achieve both highly efficient internal reforming and high power generation characteristics.

固体酸化物型の燃料電池の積層構造を例示する模式的断面図である。This is a schematic cross-sectional view illustrating the layered structure of a solid oxide fuel cell. 第1支持体、第1混合層、アノード、カソード、第2混合層、および第2支持体の詳細を例示する拡大断面図である。This is an enlarged cross-sectional view illustrating details of the first support, the first mixed layer, the anode, the cathode, the second mixed layer, and the second support. 第1混合層の断面で確認される各空隙についての孔径分布を例示する図である。This figure illustrates the pore size distribution for each void observed in the cross-section of the first mixed layer. 燃料電池の製造方法のフローを例示する図である。This diagram illustrates a flow chart of a fuel cell manufacturing method.

以下、図面を参照しつつ、実施形態について説明する。 The embodiments will be described below with reference to the drawings.

(第1実施形態)
図1は、第1実施形態に係る固体酸化物型の燃料電池100の積層構造を例示する模式的断面図である。図1で例示するように、燃料電池100は、固体電解質層40の第1面(下面)にアノード30を備え、アノード30の固体電解質層40と反対側の面に第1混合層20を備え、第1混合層20の固体電解質層40と反対側の面に第1支持体10を備え、固体電解質層40の第2面(上面)にカソード50を備え、カソード50の固体電解質層40と反対側の面に第2混合層60を備え、第2混合層60の固体電解質層40と反対側の面に第2支持体70を備える構造を有している。複数の燃料電池100を積層させて、燃料電池スタックを構成してもよい。
(First Embodiment)
Figure 1 is a schematic cross-sectional view illustrating a stacked structure of a solid oxide type fuel cell 100 according to the first embodiment. As illustrated in Figure 1, the fuel cell 100 has a structure comprising an anode 30 on the first surface (bottom surface) of a solid electrolyte layer 40, a first mixed layer 20 on the surface of the anode 30 opposite to the solid electrolyte layer 40, a first support 10 on the surface of the first mixed layer 20 opposite to the solid electrolyte layer 40, a cathode 50 on the second surface (top surface) of the solid electrolyte layer 40, a second mixed layer 60 on the surface of the cathode 50 opposite to the solid electrolyte layer 40, and a second support 70 on the surface of the second mixed layer 60 opposite to the solid electrolyte layer 40. Multiple fuel cells 100 may be stacked to form a fuel cell stack.

固体電解質層40は、酸化物イオン伝導性を有する固体酸化物を主成分とし、ガス不透過性を有する緻密な固体層である。固体電解質層40は、スカンジア・イットリア安定化酸化ジルコニウム(ScYSZ)などを主成分とすることが好ましい。Y+Scの濃度は6mol%~15mol%の間で酸化物イオン伝導性が最も高く、この組成の材料を用いることが望ましい。また、固体電解質層40の厚みは、20μm以下であることが好ましく、より望ましいのは10μm以下である。電解質は薄いほど良いが、両側のガスが漏れないように製造するためには、1μm以上の厚みが望ましい。 The solid electrolyte layer 40 is a dense solid layer with gas impermeability, mainly composed of a solid oxide having oxide ion conductivity. Preferably, the solid electrolyte layer 40 is mainly composed of scandia -yttria stabilized zirconium oxide (ScYSZ). The oxide ion conductivity is highest when the concentration of Y₂O₃ + Sc₂O₃ is between 6 mol % and 15 mol%, and it is desirable to use a material with this composition. Furthermore, the thickness of the solid electrolyte layer 40 is preferably 20 μm or less, and more preferably 10 μm or less. While a thinner electrolyte is preferable, a thickness of 1 μm or more is desirable to prevent gas leakage from both sides during manufacturing.

図2は、第1支持体10、第1混合層20、アノード30、カソード50、第2混合層60、および第2支持体70の詳細を例示する拡大断面図である。 Figure 2 is an enlarged cross-sectional view illustrating the details of the first support 10, the first mixed layer 20, the anode 30, the cathode 50, the second mixed layer 60, and the second support 70.

第1支持体10は、ガス透過性を有するとともに、第1混合層20、アノード30、固体電解質層40、カソード50および第2混合層60を支持可能な部材である。第1支持体10は、金属多孔体であり、例えば、Fe-Cr合金の多孔体などである。 The first support 10 is a gas-permeable member capable of supporting the first mixed layer 20, anode 30, solid electrolyte layer 40, cathode 50, and second mixed layer 60. The first support 10 is a porous metal, such as a porous Fe-Cr alloy.

アノード30は、アノードとしての電極活性を有する電極であり、セラミックス材料の多孔体(電極骨格)を有する。多孔体には、金属成分が含まれていない。この構成では、高温還元雰囲気での焼成時に、金属成分の粗大化によるアノードの空隙率の低下が抑制される。また、第1支持体10の金属成分との合金化が抑制され、触媒機能低下が抑制される。 The anode 30 is an electrode possessing electrode activity as an anode, and has a porous ceramic material (electrode skeleton). The porous material does not contain any metal components. In this configuration, the decrease in the anode's porosity due to the coarsening of metal components during firing in a high-temperature reducing atmosphere is suppressed. Furthermore, alloying with the metal components of the first support 10 is suppressed, thereby preventing a decrease in catalytic function.

アノード30の多孔体は、電子伝導性および酸化物イオン伝導性を有している。アノード30の多孔体は、電子伝導性セラミックス31を含有している。電子伝導性セラミックス31として、例えば、組成式がABOで表されるペロブスカイト型酸化物であって、AサイトがCa、Sr、Ba、Laの群から選ばれる少なくとも1種であり、BサイトがTi、Crから選ばれる少なくとも1種であるペロブスカイト型酸化物を用いることができる。AサイトとBサイトのモル比は、B≧Aであってもよい。具体的には、電子伝導性セラミックス31として、LaCrO系材料、SrTiO系材料などを用いることができる。 The porous material of the anode 30 has both electronic conductivity and oxide ion conductivity. The porous material of the anode 30 contains an electronically conductive ceramic 31. As the electronically conductive ceramic 31, for example, a perovskite-type oxide represented by the compositional formula ABO3 can be used, in which the A site is at least one selected from the group Ca, Sr, Ba, and La, and the B site is at least one selected from Ti and Cr. The molar ratio of the A site to the B site may be B ≥ A. Specifically, as the electronically conductive ceramic 31, materials such as LaCrO3 - based materials and SrTiO3- based materials can be used.

また、アノード30の多孔体は、酸化物イオン伝導性セラミックス32を含有している。酸化物イオン伝導性セラミックス32は、ScYSZなどである。例えば、スカンジア(Sc)が5mol%~16mol%で、イットリア(Y)が1mol%~3mol%の組成範囲を有するScYSZを用いることが好ましい。スカンジアとイットリアの添加量が合わせて6mol%~15mol%となるScYSZがさらに好ましい。この組成範囲で、酸化物イオン伝導性が最も高くなるからである。なお、酸化物イオン伝導性セラミックス32は、例えば、酸化物イオンの輸率が99%以上の材料である。酸化物イオン伝導性セラミックス32として、GDCなどを用いてもよい。図2の例では、酸化物イオン伝導性セラミックス32として、固体電解質層40に含まれる固体酸化物と同じ固体酸化物を用いている。 Furthermore, the porous body of the anode 30 contains oxide ion conductive ceramics 32. The oxide ion conductive ceramics 32 are such as ScYSZ. For example, it is preferable to use ScYSZ having a composition range of 5 mol% to 16 mol% of scandia ( Sc2O3 ) and 1 mol% to 3 mol% of yttria ( Y2O3 ) . ScYSZ with a combined amount of scandia and yttria of 6 mol% to 15 mol% is even more preferable, because the oxide ion conductivity is highest in this composition range. The oxide ion conductive ceramics 32 are, for example, materials with an oxide ion transport fraction of 99% or more. GDC may also be used as the oxide ion conductive ceramics 32. In the example in Figure 2, the same solid oxide contained in the solid electrolyte layer 40 is used as the oxide ion conductive ceramics 32.

図2で例示するように、アノード30において、例えば、電子伝導性セラミックス31と酸化物イオン伝導性セラミックス32とが多孔体を形成している。この多孔体によって、複数の空隙が形成される。空隙部分の多孔体の表面には、アノード触媒が担持されている。したがって、空間的に連続して形成されている多孔体において、複数のアノード触媒が空間的に分散して配置されている。アノード触媒として、複合触媒を用いることが好ましい。例えば、複合触媒として、酸化物イオン伝導性セラミックス33と、触媒金属34とが、多孔体の表面に担持されていることが好ましい。酸化物イオン伝導性セラミックス33として、例えば、YがドープされたBaCe1-xZr(BCZY、x=0~1)、YがドープされたSrCe1-xZr(SCZY、x=0~1)、SrがドープされたLaScO(LSS)、GDCなどを用いることができる。触媒金属34として、Niなどを用いることができる。酸化物イオン伝導性セラミックス33は、酸化物イオン伝導性セラミックス32と同じ組成を有していてもよいが、異なる組成を有していてもよい。なお、触媒金属34として機能する金属は、未発電時には化合物の形態をとっていてもよい。例えば、Niは、NiO(酸化ニッケル)の形態をとっていてもよい。これらの化合物は、発電時には、アノード30に供給される還元性の燃料ガスによって還元され、アノード触媒として機能する金属の形態をとるようになる。例えば、アノード触媒のD50%粒径は、10nm以上、1μm以下である。 As illustrated in Figure 2, in the anode 30, for example, an electron-conducting ceramic 31 and an oxide ion-conducting ceramic 32 form a porous body. Multiple voids are formed by this porous body. The anode catalyst is supported on the surface of the porous body in the void portions. Therefore, multiple anode catalysts are spatially dispersed in the spatially continuous porous body. It is preferable to use a composite catalyst as the anode catalyst. For example, it is preferable that an oxide ion-conducting ceramic 33 and a catalyst metal 34 are supported on the surface of the porous body as a composite catalyst. As the oxide ion-conducting ceramic 33, for example, Y-doped BaCe 1-x Zr x O 3 (BCZY, x=0 to 1), Y-doped SrCe 1-x Zr x O 3 (SCZY, x=0 to 1), Sr-doped LaScO 3 (LSS), GDC, etc. can be used. Ni or the like can be used as the catalyst metal 34. The oxide ion conductive ceramic 33 may have the same composition as the oxide ion conductive ceramic 32, or it may have a different composition. The metal that functions as the catalyst metal 34 may be in the form of a compound when no power is being generated. For example, Ni may be in the form of NiO (nickel oxide). During power generation, these compounds are reduced by the reducing fuel gas supplied to the anode 30 and take the form of a metal that functions as an anode catalyst. For example, the D50% particle size of the anode catalyst is 10 nm or more and 1 μm or less.

なお、燃料電池100は例えば600℃~900℃の高温で発電するため、アノード30の多孔体を構成するセラミックス粒子が小さすぎると発電温度で当該セラミックス粒子が焼結し、ガスを流すための空隙が少なるおそれがある。そこで、断面において、アノード30の多孔体を構成するセラミックス粒子のD50%径に下限を設けることが好ましい。例えば、アノード30の多孔体を構成するセラミックス粒子のD50%径は、0.5μm以上であることが好ましく、0.8μm以上であることがより好ましく、1μm以上であることがさらに好ましい。なお、アノード30の多孔体を構成するセラミックス粒子とは、電子伝導性セラミックス31および酸化物イオン伝導性セラミックス32のことである。 Furthermore, since the fuel cell 100 generates electricity at high temperatures, for example, 600°C to 900°C, if the ceramic particles constituting the porous body of the anode 30 are too small, the ceramic particles may sinter at the power generation temperature, potentially reducing the void space for gas flow. Therefore, it is preferable to set a lower limit on the D50% diameter of the ceramic particles constituting the porous body of the anode 30 in the cross-section. For example, the D50% diameter of the ceramic particles constituting the porous body of the anode 30 is preferably 0.5 μm or larger, more preferably 0.8 μm or larger, and even more preferably 1 μm or larger. The ceramic particles constituting the porous body of the anode 30 refer to the electron-conducting ceramics 31 and the oxide ion-conducting ceramics 32.

一方、アノード30の多孔体を構成するセラミックス粒子が大きすぎると、比表面積が低下し、電極反応に寄与する三相界面が減少し、発電特性が低下するおそれがある。そこで、断面において、アノード30の多孔体を構成するセラミックス粒子のD50%径に上限を設けることが好ましい。例えば、アノード30の多孔体を構成するセラミックス粒子のD50%径は、3μm以下であることが好ましく、2.5μm以下であることがより好ましく、2μm以下であることがさらに好ましい。 On the other hand, if the ceramic particles constituting the porous body of the anode 30 are too large, the specific surface area decreases, reducing the three-phase interface that contributes to the electrode reaction, which may degrade the power generation characteristics. Therefore, it is preferable to set an upper limit on the D50% diameter of the ceramic particles constituting the porous body of the anode 30 in cross-section. For example, the D50% diameter of the ceramic particles constituting the porous body of the anode 30 is preferably 3 μm or less, more preferably 2.5 μm or less, and even more preferably 2 μm or less.

アノード30が薄すぎると、電極反応に寄与する三相界面が少なくなり、発電特性が低下するおそれがある。そこで、アノード30の厚みに、下限を設けることが好ましい。たとえば、アノード30の厚みは、1μm以上であることが好ましく、2μm以上であることがより好ましく、3μm以上であることがさらに好ましい。 If the anode 30 is too thin, the three-phase interface contributing to the electrode reaction will decrease, potentially degrading the power generation characteristics. Therefore, it is preferable to set a lower limit on the thickness of the anode 30. For example, the thickness of the anode 30 is preferably 1 μm or more, more preferably 2 μm or more, and even more preferably 3 μm or more.

一方、アノード30が厚すぎると、発電反応に利用されるガスがより長い距離を拡散しなければならない。このガス拡散抵抗を抑えるために、アノード30の厚みに、上限を設けることが好ましい。例えば、アノード30の厚みは、15μm以下であることが好ましく、12μm以下であることがより好ましく、10μm以下であることがさらに好ましい。 On the other hand, if the anode 30 is too thick, the gas used in the power generation reaction must diffuse over a longer distance. To suppress this gas diffusion resistance, it is preferable to set an upper limit on the thickness of the anode 30. For example, the thickness of the anode 30 is preferably 15 μm or less, more preferably 12 μm or less, and even more preferably 10 μm or less.

アノード30の厚みは、例えば、異なる10点の厚みの平均値を算出することによって得ることができる。 The thickness of anode 30 can be obtained, for example, by calculating the average thickness of 10 different points.

アノード30全体における空隙率が低すぎると、燃料ガスが十分に反応せず、発電性能が低下するおそれがある。そこで、アノード30の断面の全体における空隙率に下限を設けることが好ましい。例えば、アノード30全体における空隙率は、40%以上であることが好ましく、50%以上であることがより好ましく、60%以上であることがさらに好ましい。 If the porosity of the anode 30 as a whole is too low, the fuel gas may not react sufficiently, potentially leading to a decrease in power generation performance. Therefore, it is preferable to set a lower limit on the porosity of the anode 30 as a whole. For example, the porosity of the anode 30 as a whole is preferably 40% or more, more preferably 50% or more, and even more preferably 60% or more.

一方、アノード30全体における空隙率が高すぎると、層間の密着性が低下し、はがれるおそれがある。そこで、アノード30全体における空隙率に上限を設けることが好ましい。例えば、アノード30全体における空隙率は、80%以下であることが好ましく、75%以下であることがより好ましく、70%以下であることがさらに好ましい。 On the other hand, if the porosity of the anode 30 as a whole is too high, the adhesion between layers will decrease, and there is a risk of delamination. Therefore, it is preferable to set an upper limit on the porosity of the anode 30 as a whole. For example, the porosity of the anode 30 as a whole is preferably 80% or less, more preferably 75% or less, and even more preferably 70% or less.

アノード30全体の空隙率は、断面写真において、アノード30の全体に対する、各空孔の合計面積の比率を算出することによって得ることができる。 The overall porosity of the anode 30 can be obtained by calculating the ratio of the total area of each void to the total area of the anode 30 in a cross-sectional photograph.

第1混合層20は、金属材料21とセラミックス材料22とを含有する。第1混合層20において、金属材料21とセラミックス材料22とがランダムに混合されている。したがって、金属材料21の層とセラミックス材料22の層とが積層されたような構造が形成されているわけではない。第1混合層20においても、複数の空隙が形成されている。金属材料21は、金属であれば特に限定されるものではない。図2の例では、金属材料21として、第1支持体10と同じ金属材料が用いられている。セラミックス材料22として、電子伝導性セラミックス31、酸化物イオン伝導性セラミックス32などを用いることができる。例えば、セラミックス材料22として、ScYSZ、GDC、SrTiO系材料、LaCrO系材料などを用いることができる。SrTiO系材料およびLaCrO系材料は高い電子伝導性を有するため、第1混合層20におけるオーム抵抗を小さくすることができる。 The first mixed layer 20 contains a metal material 21 and a ceramic material 22. In the first mixed layer 20, the metal material 21 and the ceramic material 22 are randomly mixed. Therefore, a structure in which layers of metal material 21 and layers of ceramic material 22 are stacked is not formed. Multiple voids are also formed in the first mixed layer 20. The metal material 21 is not particularly limited as long as it is a metal. In the example in Figure 2, the same metal material as the first support 10 is used as the metal material 21. As the ceramic material 22, an electronically conductive ceramic 31, an oxide ion conductive ceramic 32, etc., can be used. For example, as the ceramic material 22, ScYSZ, GDC, SrTiO3 -based material, LaCrO3 -based material, etc., can be used. Since SrTiO3- based material and LaCrO3- based material have high electronic conductivity, the ohmic resistance in the first mixed layer 20 can be reduced.

図2で例示するように、第1混合層20において、例えば、金属材料21とセラミックス材料22とが多孔体を形成している。この多孔体によって、複数の空隙が形成される。空隙部分の多孔体の表面には、複数の改質触媒が担持されている。改質触媒として、複合触媒を用いることが好ましい。例えば、複合触媒として、酸化物イオン伝導性セラミックス23と、触媒金属24とが、多孔体の表面に担持されている。したがって、金属材料21およびセラミックス材料22によって空間的に連続して形成されている多孔体において、複数の酸化物イオン伝導性セラミックス23および触媒金属24が空間的に分散して配置されている。改質触媒は、炭化水素ガスを水素ガスに改質することができるものであれば特に限定されるものではない。触媒金属24と酸化物イオン伝導性セラミックス23との組み合わせとして、例えば、NiとGDCとの組み合わせ、NiとYSZとの組み合わせ、NiとSDC(サマリアドープドセリア)との組み合わせなどを用いることができる。Niは、NiO(酸化ニッケル)の形態をとっていてもよい。これらの化合物は、発電時には、アノード30に供給される還元性の燃料ガスによって還元され、改質触媒として機能する金属の形態をとるようになる。酸化物イオン伝導性セラミックス23は、酸化物イオン伝導性セラミックス33と同じ材料とすることが好ましい。触媒金属24は、触媒金属34と同じ材料とすることが好ましい。 As illustrated in Figure 2, in the first mixed layer 20, for example, a metal material 21 and a ceramic material 22 form a porous body. This porous body creates multiple voids. Multiple reforming catalysts are supported on the surface of the porous body in the void portions. It is preferable to use a composite catalyst as the reforming catalyst. For example, as a composite catalyst, oxide ion conductive ceramics 23 and a catalyst metal 24 are supported on the surface of the porous body. Therefore, in the porous body formed spatially continuous by the metal material 21 and the ceramic material 22, multiple oxide ion conductive ceramics 23 and catalyst metals 24 are spatially dispersed. The reforming catalyst is not particularly limited as long as it can reform hydrocarbon gas into hydrogen gas. As combinations of catalyst metal 24 and oxide ion conductive ceramics 23, for example, a combination of Ni and GDC, a combination of Ni and YSZ, or a combination of Ni and SDC (Samaria-doped ceria) can be used. Ni may also be in the form of NiO (nickel oxide). During power generation, these compounds are reduced by the reducing fuel gas supplied to the anode 30, and become metals that function as reforming catalysts. It is preferable that the oxide ion conductive ceramic 23 is made of the same material as the oxide ion conductive ceramic 33. It is preferable that the catalyst metal 24 is made of the same material as the catalyst metal 34.

カソード50は、カソードとしての電極活性を有する電極であり、セラミックス材料の多孔体(電極骨格)を有する。多孔体には、金属成分が含まれていない。カソード50の多孔体は、電子伝導性および酸化物イオン伝導性を有している。カソード50は、電子伝導性セラミックス51を含有している。電子伝導性セラミックス51として、例えば、組成式がABOで表されるペロブスカイト型酸化物であって、AサイトがCa、Sr、Ba、Laの群から選ばれる少なくとも1種であり、BサイトがTi、Crから選ばれる少なくとも1種であるペロブスカイト型酸化物を用いることができる。AサイトとBサイトのモル比は、B≧Aであってもよい。具体的には、電子伝導性セラミックス51として、LaCrO系材料、SrTiO系材料などを用いることができる。電子伝導性セラミックス51は、電子伝導性セラミックス31と同じ成分を含んでいることが好ましく、同じ組成比率を有していることが好ましい。 The cathode 50 is an electrode having electrode activity as a cathode and has a porous body (electrode skeleton) made of ceramic material. The porous body does not contain any metal components. The porous body of the cathode 50 has electron conductivity and oxide ion conductivity. The cathode 50 contains electron-conductive ceramics 51. As the electron-conductive ceramics 51, for example, a perovskite-type oxide represented by the compositional formula ABO3 can be used, in which the A site is at least one selected from the group Ca, Sr, Ba, and La, and the B site is at least one selected from Ti and Cr. The molar ratio of the A site to the B site may be B ≥ A. Specifically, as the electron-conductive ceramics 51, LaCrO3 -based materials, SrTiO3 -based materials, etc., can be used. Preferably, the electron-conductive ceramics 51 contains the same components as the electron-conductive ceramics 31 and preferably has the same composition ratio.

また、カソード50の多孔体は、酸化物イオン伝導性セラミックス52を含有している。酸化物イオン伝導性セラミックス52は、ScYSZなどである。例えば、スカンジア(Sc)が5mol%~16mol%で、イットリア(Y)が1mol%~3mol%の組成範囲を有するScYSZを用いることが好ましい。スカンジアとイットリアの添加量が合わせて6mol%~15mol%となるScYSZがさらに好ましい。この組成範囲で、酸化物イオン伝導性が最も高くなるからである。なお、酸化物イオン伝導性セラミックス52は、例えば、酸化物イオンの輸率が99%以上の材料である。酸化物イオン伝導性セラミックス52として、GDCなどを用いてもよい。酸化物イオン伝導性セラミックス52は、酸化物イオン伝導性セラミックス32と同じ成分を含んでいることが好ましく、同じ組成比率を有していることが好ましい。図2の例では、酸化物イオン伝導性セラミックス52として、固体電解質層40に含まれる固体酸化物と同じ固体酸化物を用いている。 Furthermore, the porous body of the cathode 50 contains oxide ion conductive ceramics 52. The oxide ion conductive ceramics 52 are such as ScYSZ. For example, it is preferable to use ScYSZ having a composition range of 5 mol% to 16 mol% of scandia ( Sc2O3 ) and 1 mol% to 3 mol% of yttria ( Y2O3 ) . ScYSZ with a combined amount of scandia and yttria of 6 mol% to 15 mol% is even more preferable, as this composition range provides the highest oxide ion conductivity. The oxide ion conductive ceramics 52 are, for example, materials with an oxide ion transport rate of 99% or more. GDC may be used as the oxide ion conductive ceramics 52. It is preferable that the oxide ion conductive ceramics 52 contain the same components as the oxide ion conductive ceramics 32 and have the same composition ratio. In the example shown in Figure 2, the same solid oxide contained in the solid electrolyte layer 40 is used as the oxide ion conductive ceramic 52.

図2で例示するように、カソード50において、例えば、電子伝導性セラミックス51と酸化物イオン伝導性セラミックス52とが多孔体を形成している。この多孔体によって、複数の空隙が形成される。空隙部分の多孔体の表面には、カソード触媒53が担持されている。したがって、空間的に連続して形成されている多孔体において、複数のカソード触媒53が空間的に分散して配置されている。カソード触媒53として、酸化プラセオジム(PrO)、LSM(ランタンストロンチウムマンガナイト)、LSC(ランタンストロンチウムコバルタイト)などを用いることができる。LSMは、SrドープしたLaMnO系材料である。LSMは、SrドープしたLaCoO系材料である。 As illustrated in Figure 2, in the cathode 50, for example, an electron-conducting ceramic 51 and an oxide ion-conducting ceramic 52 form a porous body. Multiple voids are formed by this porous body. A cathode catalyst 53 is supported on the surface of the porous body in the void portions. Therefore, multiple cathode catalysts 53 are spatially dispersed in the spatially continuous porous body. As the cathode catalyst 53, materials such as praseodymium oxide ( ProOx ), LSM (lanthanum strontium manganite), and LSC (lanthanum strontium cobaltite) can be used. LSM is a Sr-doped LaMnO3 - based material. LSM is a Sr-doped LaCoO3 - based material.

第2混合層60は、金属材料61とセラミックス材料62とを含有する。第2混合層60において、金属材料61とセラミックス材料62とがランダムに混合されている。したがって、金属材料61の層とセラミックス材料62の層とが積層されたような構造が形成されているわけではない。第2混合層60においても、複数の空隙が形成されている。金属材料61は、金属であれば特に限定されるものではない。図2の例では、金属材料61として、第2支持体70と同じ金属材料が用いられている。セラミックス材料62として、電子伝導性セラミックス51、酸化物イオン伝導性セラミックス52などを用いることができる。例えば、セラミックス材料62として、ScYSZ、GDC、SrTiO系材料、LaCrO系材料などを用いることができる。SrTiO系材料およびLaCrO系材料は高い電子伝導性を有するため、第2混合層60におけるオーム抵抗を小さくすることができる。 The second mixed layer 60 contains a metal material 61 and a ceramic material 62. In the second mixed layer 60, the metal material 61 and the ceramic material 62 are randomly mixed. Therefore, a structure is not formed in which layers of metal material 61 and layers of ceramic material 62 are stacked. Multiple voids are also formed in the second mixed layer 60. The metal material 61 is not particularly limited as long as it is a metal. In the example in Figure 2, the same metal material as the second support 70 is used as the metal material 61. As the ceramic material 62, electron conductive ceramics 51, oxide ion conductive ceramics 52, etc. can be used. For example, as the ceramic material 62, ScYSZ, GDC, SrTiO3 -based material, LaCrO3- based material, etc. can be used. SrTiO3 -based material and LaCrO3 -based material have high electron conductivity, so the ohmic resistance in the second mixed layer 60 can be reduced.

第2支持体70は、ガス透過性を有するとともに、第2混合層60、カソード50、固体電解質層40、アノード30、および第1混合層20を支持可能な部材である。第2支持体70は、金属多孔体であり、例えば、Fe-Cr合金の多孔体などである。 The second support 70 is a gas-permeable member capable of supporting the second mixed layer 60, the cathode 50, the solid electrolyte layer 40, the anode 30, and the first mixed layer 20. The second support 70 is a porous metal, such as a porous Fe-Cr alloy.

燃料電池100は、以下の作用によって発電する。第2支持体70には、空気などの、酸素を含有する酸化剤ガスが供給される。酸化剤ガスは、第2支持体70および第2混合層60を介してカソード50に到達する。カソード50においては、カソード50に到達した酸素と、外部電気回路から供給される電子とが反応して酸化物イオンになる。酸化物イオンは、固体電解質層40を伝導してアノード30側に移動する。 The fuel cell 100 generates electricity through the following process: An oxidizing gas containing oxygen, such as air, is supplied to the second support 70. The oxidizing gas reaches the cathode 50 via the second support 70 and the second mixing layer 60. At the cathode 50, the oxygen that reaches the cathode 50 reacts with electrons supplied from an external electrical circuit to form oxide ions. These oxide ions then conduct through the solid electrolyte layer 40 to the anode 30.

一方、第1支持体10には、炭化水素ガス、水蒸気などを含有する燃料ガスが供給される。燃料ガスは、第1支持体10の空隙を介して第1混合層20に到達する。燃料ガスは、第1混合層20の改質触媒の触媒作用により、水素ガスを含む改質ガスに改質される。改質反応は、例えば、下記式で表すことができる。
2CH + 2HO → CO + 6H + CO
Meanwhile, fuel gas containing hydrocarbon gas, water vapor, etc., is supplied to the first support 10. The fuel gas reaches the first mixing layer 20 through the voids in the first support 10. The fuel gas is reformed into a reformed gas containing hydrogen gas by the catalytic action of the reforming catalyst in the first mixing layer 20. The reforming reaction can be represented, for example, by the following formula.
2CH 4 + 2H 2 O → CO + 6H 2 + CO 2

改質ガスは、第1混合層20の空隙を介してアノード30に到達する。アノード30に到達した水素は、アノード30において電子を放出するとともに、カソード50側から固体電解質層40を伝導してくる酸化物イオンと反応して水(HO)になる。放出された電子は、外部電気回路によって外部に取り出される。外部に取り出された電子は、電気的な仕事をした後に、カソード50に供給される。以上の作用によって、発電が行われる。 The reformed gas reaches the anode 30 through the voids in the first mixing layer 20. The hydrogen that reaches the anode 30 releases electrons and reacts with oxide ions that conduct through the solid electrolyte layer 40 from the cathode 50 side to form water ( H₂O ). The released electrons are extracted to the outside by an external electrical circuit. The extracted electrons perform electrical work before being supplied to the cathode 50. Electricity is generated through the above process.

以上の発電反応において、触媒金属24は、改質反応の触媒として機能する。触媒金属34は、水素と酸化物イオンとの反応における触媒として機能する。電子伝導性セラミックス31は、水素と酸化物イオンとの反応によって得られる電子の伝導を担う。酸化物イオン伝導性セラミックス32は、固体電解質層40からアノード30に到達した酸化物イオンの伝導を担う。カソード触媒53は、酸素ガスと電子とから酸化物イオンが生成される反応における触媒として機能する。電子伝導性セラミックス51は、外部電気回路からの電子の伝導を担う。酸化物イオン伝導性セラミックス52は、固体電解質層40への酸化物イオンの伝導を担う。 In the above power generation reaction, catalyst metal 24 functions as a catalyst for the reforming reaction. Catalyst metal 34 functions as a catalyst in the reaction between hydrogen and oxide ions. Electronically conductive ceramics 31 are responsible for the conduction of electrons obtained from the reaction between hydrogen and oxide ions. Oxide ion conductive ceramics 32 are responsible for the conduction of oxide ions that have reached the anode 30 from the solid electrolyte layer 40. Cathode catalyst 53 functions as a catalyst in the reaction in which oxide ions are generated from oxygen gas and electrons. Electronically conductive ceramics 51 are responsible for the conduction of electrons from the external electrical circuit. Oxide ion conductive ceramics 52 are responsible for the conduction of oxide ions to the solid electrolyte layer 40.

このように、本実施形態に係る燃料電池100では、燃料ガスの改質と発電とが燃料電池100の内部で行なわれている。しかしながら、十分な改質作用を得るために改質触媒の添加量を増やすと、第1混合層20の空隙率が低下し、ガスが拡散しにくくなり、発電性能が低下するおそれがある。そこで、本実施形態に係る第1混合層20は、高効率な内部改質および高い発電特性を両立させることができる構造を有している。 As described above, in the fuel cell 100 according to this embodiment, fuel gas reforming and power generation are performed inside the fuel cell 100. However, if the amount of reforming catalyst added is increased to obtain sufficient reforming action, the porosity of the first mixing layer 20 decreases, making it difficult for the gas to diffuse, which may reduce power generation performance. Therefore, the first mixing layer 20 according to this embodiment has a structure that can achieve both highly efficient internal reforming and high power generation characteristics.

具体的には、第1混合層20は、小さい空隙と、大きい空隙とを有している。大きい空隙のD10%径が、小さい空隙のD90%径以上となっている。図3は、第1混合層20の断面で確認される各空隙についての孔径分布を例示する図である。図3において、横軸は各空隙の孔径を対数で示し、縦軸は出現頻度(%)を表している。図3で例示するように、小さい空隙について、比較的小さい孔径に出現頻度の第1ピークが現れている。また、大きい空隙について、比較的大きい孔径に出現頻度の第2ピークが現れる。したがって、第1ピークの孔径<第2ピークの孔径の関係が得られている。 Specifically, the first mixed layer 20 has both small and large voids. The 10% diameter of the large voids is greater than or equal to the 90% diameter of the small voids. Figure 3 illustrates the pore size distribution for each void observed in the cross-section of the first mixed layer 20. In Figure 3, the horizontal axis represents the pore size of each void on a logarithmic scale, and the vertical axis represents the frequency of occurrence (%). As illustrated in Figure 3, for the small voids, a first peak in the frequency of occurrence appears at relatively small pore sizes. Similarly, for the large voids, a second peak in the frequency of occurrence appears at relatively large pore sizes. Therefore, the relationship between the pore size of the first peak and the pore size of the second peak is obtained.

触媒金属24が配置される空隙が小さいほど、ガスと触媒金属24とを十分に接触させることができるようになり、改質反応が進行しやすくなる。したがって、上記第1ピークが現れるように小さい空隙を多く設けることによって、高効率な内部改質を実現することができる。 The smaller the voids in which the catalyst metal 24 is positioned, the more sufficiently the gas and catalyst metal 24 can come into contact, and the easier it is for the reforming reaction to proceed. Therefore, by creating many small voids so that the first peak appears, highly efficient internal reforming can be achieved.

次に、第1混合層20に大きい空隙が設けられていると、改質反応によって得られた改質ガスの拡散を促進することができる。したがって、上記第2ピークが現れるように大きい空隙を多く設けることによって、高い発電特性を実現することができる。 Next, if large voids are provided in the first mixing layer 20, the diffusion of the reformed gas obtained by the reforming reaction can be promoted. Therefore, by providing many large voids so that the second peak appears, high power generation characteristics can be achieved.

以上のように、本実施形態に係る第1混合層20の構成によって、高効率な内部改質および高い発電特性を両立することができる。 As described above, the configuration of the first mixed layer 20 according to this embodiment makes it possible to achieve both highly efficient internal reforming and high power generation characteristics.

第1混合層20の空隙は、断面写真(例えば、各層の積層方向に沿った断面)で確認することができる。各空隙の孔径については、例えば、5000倍の倍率の断面写真を5枚以上取得し、画像処理によって算出することができる。例えば、画像処理を行い、各空隙の面積を算出する。次に、各空隙の面積に等しい円形の直径を、空隙の孔径とする。 The voids in the first mixed layer 20 can be confirmed by cross-sectional photographs (for example, cross-sections along the stacking direction of each layer). The diameter of each void can be calculated by, for example, obtaining five or more cross-sectional photographs at a magnification of 5000x and performing image processing. For example, image processing is performed to calculate the area of each void. Next, the diameter of a circle equal to the area of each void is defined as the void diameter.

小さい空隙と大きい空隙との境界については、例えば、図3で例示した孔径分布において、第1ピークと第2ピークとの間の最小頻度の孔径と定義することができる。 The boundary between small and large voids can be defined, for example, as the minimum frequency void size between the first and second peaks in the pore size distribution illustrated in Figure 3.

なお、第1混合層20における小さい空隙の孔径が小さすぎると、ガスが流れにくくなり、ガス拡散抵抗の増加による発電性能が低下するおそれがある。そこで、小さい空隙の第1ピークの孔径に下限を設けることが好ましい。例えば、第1ピークの孔径は、0.3μm以上であることが好ましく、0.5μm以上であることがより好ましく、1μm以上であることがさらに好ましい。また、小さい空隙のD10%径は、1μm以上であることが好ましく、1.5μm以上であることがより好ましく、2μm以上であることがさらに好ましい。 Furthermore, if the pore diameter of the small voids in the first mixing layer 20 is too small, gas flow will be hindered, potentially reducing power generation performance due to increased gas diffusion resistance. Therefore, it is preferable to set a lower limit on the pore diameter of the first peak of the small voids. For example, the pore diameter of the first peak is preferably 0.3 μm or larger, more preferably 0.5 μm or larger, and even more preferably 1 μm or larger. Also, the D10% diameter of the small voids is preferably 1 μm or larger, more preferably 1.5 μm or larger, and even more preferably 2 μm or larger.

一方、第1混合層20における小さい空隙の孔径が大きすぎると、ガスと改質触媒とを十分に接触させることができないおそれがある。そこで、第1ピークの孔径に上限を設けることが好ましい。例えば、第1ピークの孔径は、5μm以下であることが好ましく、4μm以下であることがより好ましく、3μm以下であることがさらに好ましい。また、小さい空隙のD90%径は、3μm以下であることが好ましく、2.5μm以下であることがより好ましく、2μm以下であることがさらに好ましい。 On the other hand, if the pore size of the small voids in the first mixing layer 20 is too large, there is a risk that the gas and the reforming catalyst may not be able to come into sufficient contact. Therefore, it is preferable to set an upper limit on the pore size of the first peak. For example, the pore size of the first peak is preferably 5 μm or less, more preferably 4 μm or less, and even more preferably 3 μm or less. Furthermore, the D90% diameter of the small voids is preferably 3 μm or less, more preferably 2.5 μm or less, and even more preferably 2 μm or less.

第1混合層20における大きい空隙の孔径が小さすぎると、改質ガスを十分に拡散させることができないおそれがある。そこで、第2ピークの孔径に下限を設けることが好ましい。例えば、第2ピークの孔径は、1μm以上であることが好ましく、2μm以上であることがより好ましく、3μm以上であることがさらに好ましい。また、大きい空隙のD10%径は、8μm以上であることが好ましく、10μm以上であることがより好ましく、12μm以上であることがさらに好ましい。 If the pore size of the large voids in the first mixing layer 20 is too small, the reformed gas may not be able to diffuse sufficiently. Therefore, it is preferable to set a lower limit for the pore size of the second peak. For example, the pore size of the second peak is preferably 1 μm or larger, more preferably 2 μm or larger, and even more preferably 3 μm or larger. Furthermore, the D10% diameter of the large voids is preferably 8 μm or larger, more preferably 10 μm or larger, and even more preferably 12 μm or larger.

一方、第1混合層20における大きい空隙の孔径が大きすぎると、層の密着性が低下し、はがれるおそれがある。そこで、第2ピークの孔径に上限を設けることが好ましい。例えば、第2ピークの孔径は、20μm以下であることが好ましく、18μm以下であることがより好ましく、15μm以下であることがさらに好ましい。また、大きい空隙のD90%径は、30μm以下であることが好ましく、28μm以下であることがより好ましく、25μm以下であることがさらに好ましい。 On the other hand, if the pore diameter of the large voids in the first mixed layer 20 is too large, the adhesion of the layer will decrease, and there is a risk of delamination. Therefore, it is preferable to set an upper limit on the pore diameter of the second peak. For example, the pore diameter of the second peak is preferably 20 μm or less, more preferably 18 μm or less, and even more preferably 15 μm or less. Furthermore, the D90% diameter of the large voids is preferably 30 μm or less, more preferably 28 μm or less, and even more preferably 25 μm or less.

なお、図3の例では、小さい空隙のD10%径が0.2μm程度であり、D50%径が1μm程度であり、D90%径が5μm程度である。また、大きい空隙のD10%径が5μm程度であり、D50%径が10μm程度であり、D90%系が30μm程度である。 In the example shown in Figure 3, the D10% diameter of the small void is approximately 0.2 μm, the D50% diameter is approximately 1 μm, and the D90% diameter is approximately 5 μm. Similarly, the D10% diameter of the large void is approximately 5 μm, the D50% diameter is approximately 10 μm, and the D90% diameter is approximately 30 μm.

第1混合層20全体における空隙率が低すぎると、改質反応が十分に進行せず、発電性能が低下するおそれがある。そこで、第1混合層20全体における空隙率に下限を設けることが好ましい。例えば、第1混合層20全体における空隙率は、40%以上であることが好ましく、50%以上であることがより好ましく、60%以上であることがさらに好ましい。 If the porosity of the entire first mixed layer 20 is too low, the reforming reaction may not proceed sufficiently, potentially leading to a decrease in power generation performance. Therefore, it is preferable to set a lower limit on the porosity of the entire first mixed layer 20. For example, the porosity of the entire first mixed layer 20 is preferably 40% or more, more preferably 50% or more, and even more preferably 60% or more.

一方、第1混合層20全体における空隙率が高すぎると、層間の密着性が低下し、はがれるおそれがある。そこで、第1混合層20全体における空隙率に上限を設けることが好ましい。例えば、第1混合層20全体における空隙率は、80%以下であることが好ましく、75%以下であることがより好ましく、70%以下であることがさらに好ましい。 On the other hand, if the porosity of the entire first mixed layer 20 is too high, the adhesion between layers will decrease, and there is a risk of delamination. Therefore, it is preferable to set an upper limit on the porosity of the entire first mixed layer 20. For example, the porosity of the entire first mixed layer 20 is preferably 80% or less, more preferably 75% or less, and even more preferably 70% or less.

第1混合層20全体の空隙率は、断面写真において、第1混合層20の全体に対する、各空孔の合計面積の比率を算出することによって得ることができる。 The porosity of the entire first mixed layer 20 can be obtained by calculating the ratio of the total area of each void to the total area of the first mixed layer 20 in a cross-sectional photograph.

第1混合層20の小さい空隙および大きい空隙は、第1混合層20の多孔体を構成する金属粒子とセラミックス粒子とによって形成されている。第1混合層20の断面において、第1混合層20の多孔体を構成する金属粒子のD50%粒径は、例えば、2μm以上、10μm以下である。第1混合層20の断面において、第1混合層20の多孔体を構成するセラミックス粒子のD50%粒径は、例えば、0.5μm以上、3μm以下である。例えば、第1混合層20の多孔体を構成する金属粒子のD50%粒径は、第1混合層20の多孔体を構成するセラミックス粒子のD50%粒径よりも大きくなっている。例えば、上記小さい空隙は第1混合層20の多孔体を構成するセラミックス粒子によって形成されており、上記小さい空隙のD50%径は第1混合層20の多孔体を構成するセラミックス粒子のD50%粒径の0.5倍以上、2倍以下程度であることが好ましい。例えば、上記大きい空隙は第1混合層20の多孔体を構成する金属粒子によって形成されており、上記大きい空隙のD50%径は第1混合層20の多孔体を構成する金属粒子のD50%粒径の0.5倍以上、2倍以下程度であることが好ましい。なお、第1混合層20の多孔体を構成する金属粒子とは、金属材料21のことである。第1混合層20の多孔体を構成するセラミックス粒子とは、セラミックス材料22のことである。 The small and large voids in the first mixed layer 20 are formed by the metal particles and ceramic particles that constitute the porous body of the first mixed layer 20. In the cross-section of the first mixed layer 20, the D50% particle size of the metal particles constituting the porous body of the first mixed layer 20 is, for example, 2 μm or more and 10 μm or less. In the cross-section of the first mixed layer 20, the D50% particle size of the ceramic particles constituting the porous body of the first mixed layer 20 is, for example, 0.5 μm or more and 3 μm or less. For example, the D50% particle size of the metal particles constituting the porous body of the first mixed layer 20 is larger than the D50% particle size of the ceramic particles constituting the porous body of the first mixed layer 20. For example, the small voids are formed by ceramic particles constituting the porous body of the first mixed layer 20, and it is preferable that the D50% diameter of the small voids is approximately 0.5 times or more and 2 times or less the D50% particle size of the ceramic particles constituting the porous body of the first mixed layer 20. For example, the large voids are formed by metal particles constituting the porous body of the first mixed layer 20, and it is preferable that the D50% diameter of the large voids is approximately 0.5 times or more and 2 times or less the D50% particle size of the metal particles constituting the porous body of the first mixed layer 20. Note that the metal particles constituting the porous body of the first mixed layer 20 refer to the metal material 21. The ceramic particles constituting the porous body of the first mixed layer 20 refer to the ceramic material 22.

第1混合層20が薄すぎると、金属材料21の粒子がアノード30を破り、発電に寄与する有効電極面積が低下するおそれがある。そこで、第1混合層20を平坦にするために、第1混合層20の厚みに下限を設けることが好ましい。例えば、第1混合層20の厚みは、5μm以上であることが好ましく、10μm以上であることがより好ましく、15μm以上であることがさらに好ましい。一方、第1混合層20が厚すぎると、改質ガスの拡散が阻害され、発電特性が低下するおそれがある。そこで、第1混合層20の厚みに上限を設けることが好ましい。例えば、第1混合層20の厚みは、50μm以下であることが好ましく、30μm以下であることがより好ましく、20μm以下であることがさらに好ましい。なお、第1混合層20の厚みは、例えば、異なる10点の厚みの平均値を算出することによって得ることができる。 If the first mixed layer 20 is too thin, the particles of the metal material 21 may break through the anode 30, potentially reducing the effective electrode area that contributes to power generation. Therefore, to ensure the first mixed layer 20 is flat, it is preferable to set a lower limit on its thickness. For example, the thickness of the first mixed layer 20 is preferably 5 μm or more, more preferably 10 μm or more, and even more preferably 15 μm or more. On the other hand, if the first mixed layer 20 is too thick, the diffusion of the reformed gas may be inhibited, potentially reducing power generation characteristics. Therefore, it is preferable to set an upper limit on the thickness of the first mixed layer 20. For example, the thickness of the first mixed layer 20 is preferably 50 μm or less, more preferably 30 μm or less, and even more preferably 20 μm or less. The thickness of the first mixed layer 20 can be obtained, for example, by calculating the average value of the thicknesses at 10 different points.

アノード30の多孔体を構成するセラミックス粒子のD50%粒径と、第1混合層20の多孔体を構成するセラミックス粒子のD50%粒径との差が大きいと、熱膨張応力が生じやすく、固体電解質層40が割れるおそれがある。そこで、アノード30の多孔体を構成するセラミックス粒子のD50%平均粒径と、第1混合層20の多孔体を構成するセラミックス粒子のD50%粒径との差は、小さいことが好ましい。例えば、本実施形態においては、アノード30の多孔体を構成するセラミックス粒子のD50%粒径と、第1混合層20の多孔体を構成するセラミックス粒子のD50%粒径との比が、1:1.1~1.1:1であることが好ましい。 If the difference between the 50% particle size of the ceramic particles constituting the porous body of the anode 30 and the 50% particle size of the ceramic particles constituting the porous body of the first mixed layer 20 is large, thermal expansion stress is likely to occur, potentially causing the solid electrolyte layer 40 to crack. Therefore, it is preferable that the difference between the average 50% particle size of the ceramic particles constituting the porous body of the anode 30 and the 50% particle size of the ceramic particles constituting the porous body of the first mixed layer 20 be small. For example, in this embodiment, the ratio of the 50% particle size of the ceramic particles constituting the porous body of the anode 30 to the 50% particle size of the ceramic particles constituting the porous body of the first mixed layer 20 is preferably 1:1.1 to 1.1:1.

固体電解質層40に含まれるセラミックス粒子の粒径は、アノード30の多孔体を構成するセラミックス粒子のD50%粒径および第1混合層20の多孔体を構成するセラミックス粒子のD50%粒径よりも大きいことが好ましい。酸化物イオンが移動する際に粒界抵抗が小さいからである。 The particle size of the ceramic particles contained in the solid electrolyte layer 40 is preferably larger than the 50% particle size of the ceramic particles constituting the porous body of the anode 30 and the 50% particle size of the ceramic particles constituting the porous body of the first mixed layer 20. This is because the grain boundary resistance is small when oxide ions move.

また、燃料電池100は、金属を主成分とする第1支持体10および第2支持体70を備えることから、熱衝撃、機械的衝撃等に強い構成を有している。また、第1混合層20は、金属材料21とセラミックス材料22とを含有することから、金属の材料性質とセラミックスの材料性質とを併せ持つ。したがって、第1混合層20は、第1支持体10との間に高い密着性を有するとともに、アノード30との間に高い密着性を有する。以上のことから、第1支持体10とアノード30との間の層間剥がれを抑制することができる。第2混合層60は、金属材料61とセラミックス材料62とを含有することから、金属の材料性質とセラミックスの材料性質とを併せ持つ。したがって、第2混合層60は、第2支持体70との間に高い密着性を有するとともに、カソード50との間に高い密着性を有する。以上のことから、第2支持体70とカソード50との間の層間剥がれを抑制することができる。 Furthermore, since the fuel cell 100 comprises a first support 10 and a second support 70, both primarily composed of metal, it has a structure that is resistant to thermal shock, mechanical shock, and the like. Also, since the first mixed layer 20 contains a metal material 21 and a ceramic material 22, it possesses the material properties of both metal and ceramic. Therefore, the first mixed layer 20 has high adhesion to the first support 10 and also high adhesion to the anode 30. As a result, delamination between the first support 10 and the anode 30 can be suppressed. Since the second mixed layer 60 contains a metal material 61 and a ceramic material 62, it possesses the material properties of both metal and ceramic. Therefore, the second mixed layer 60 has high adhesion to the second support 70 and also high adhesion to the cathode 50. As a result, delamination between the second support 70 and the cathode 50 can be suppressed.

また、燃料電池100においては、アノード30の多孔体に酸化物イオン伝導性セラミックス33が担持されている。この構造では、先に多孔体を焼成によって形成し、その後に酸化物イオン伝導性セラミックス33を含浸させて低温で焼成することが可能となる。したがって、酸化物イオン伝導性セラミックス32と酸化物イオン伝導性セラミックス33とが同じ組成を有していなくても、酸化物間反応が抑制される。したがって、酸化物イオン伝導性セラミックス33として、複合触媒に適した酸化物を選択する自由度が大きくなる。 Furthermore, in the fuel cell 100, oxide ion-conducting ceramics 33 are supported on the porous body of the anode 30. This structure allows for the formation of the porous body by firing first, followed by impregnation with the oxide ion-conducting ceramics 33 and firing at a low temperature. Therefore, even if the oxide ion-conducting ceramics 32 and 33 do not have the same composition, the reaction between oxides is suppressed. Consequently, there is greater flexibility in selecting an oxide suitable for the composite catalyst as the oxide ion-conducting ceramics 33.

同様に、燃料電池100においては、カソード50の多孔体にカソード触媒53が担持されている。この構造では、先に多孔体を焼成によって形成し、その後にカソード触媒53を含浸させて低温で焼成することが可能となる。したがって、酸化物イオン伝導性セラミックス52とカソード触媒53とが同じ組成を有していなくても、酸化物間反応が抑制される。したがって、カソード触媒53として、好ましい酸化物を選択する自由度が大きくなる。 Similarly, in the fuel cell 100, the cathode catalyst 53 is supported on the porous body of the cathode 50. This structure allows the porous body to be formed first by firing, and then the cathode catalyst 53 to be impregnated and fired at a low temperature. Therefore, even if the oxide ion conductive ceramic 52 and the cathode catalyst 53 do not have the same composition, the reaction between oxides is suppressed. Consequently, there is greater freedom in selecting a preferred oxide for the cathode catalyst 53.

同様に、燃料電池100においては、第1混合層20の多孔体に酸化物イオン伝導性セラミックス23および触媒金属24が担持されている。この構造では、先に多孔体を焼成によって形成し、その後に酸化物イオン伝導性セラミックス23および触媒金属24を含浸させて低温で焼成することが可能となる。 Similarly, in the fuel cell 100, oxide ion conductive ceramics 23 and catalyst metal 24 are supported on the porous body of the first mixed layer 20. This structure allows for the formation of the porous body by firing first, followed by impregnation with the oxide ion conductive ceramics 23 and catalyst metal 24, and then firing at a low temperature.

また、第1支持体10における空隙率、第1混合層20における空隙率、アノード30における空隙率との間には、(第1支持体10>第1混合層20>アノード30)の関係が成立することが好ましい。第2支持体70における空隙率、第2混合層60における空隙率、カソード50における空隙率との間には、(第2支持体70>第2混合層60>カソード50)の関係が成立することが好ましい。この関係が成立することで、支持体においては十分なガス透過性が得られる。電極では、比較的低い空隙率を有することによって、ガス透過性を保ちつつ、高い電子伝導性と高い酸化物イオン伝導性が得られる。混合層では、ガス透過性が得られるとともに、支持体との接触面積が得られて支持体との密着性が得られるようになる。 Furthermore, it is preferable that the following relationship holds between the porosity of the first support 10, the porosity of the first mixed layer 20, and the porosity of the anode 30: (first support 10 > first mixed layer 20 > anode 30). Similarly, it is preferable that the following relationship holds between the porosity of the second support 70, the porosity of the second mixed layer 60, and the porosity of the cathode 50: (second support 70 > second mixed layer 60 > cathode 50). This relationship ensures sufficient gas permeability in the support. In the electrodes, relatively low porosity allows for high electronic conductivity and high oxide ion conductivity while maintaining gas permeability. In the mixed layer, gas permeability is achieved, and a contact area with the support is obtained, resulting in good adhesion to the support.

また、第1支持体10の厚み、第1混合層20の厚み、およびアノード30の厚みの間には、第1支持体10>第1混合層20>アノード30の関係が成立することが好ましく、第2支持体70の厚み、第2混合層60の厚み、およびカソード50の厚みの間には、第2支持体70>第2混合層60>カソード50の関係が成立することが好ましい。これらの関係が成立することにより、燃料電池100全体の多く(例えば8割以上)の体積がメタル材料で構成されるため、急速昇降温、フレキシブルなどの機械的強度が向上するという効果が得られる。 Furthermore, it is preferable that the following relationship holds between the thicknesses of the first support 10, the first mixed layer 20, and the anode 30: first support 10 > first mixed layer 20 > anode 30. Similarly, it is preferable that the following relationship holds between the thicknesses of the second support 70, the second mixed layer 60, and the cathode 50: second support 70 > second mixed layer 60 > cathode 50. When these relationships are met, a large portion (e.g., 80% or more) of the fuel cell 100 is composed of metal material, resulting in improved mechanical strength, such as rapid temperature rise/fall and flexibility.

発電する際にガスを流しやすくするため、つまりガス拡散抵抗を抑えたい観点から、第1支持体10および第2支持体70の金属成分の結晶粒径は、第1混合層20および第2混合層60の金属成分の結晶粒径よりも大きいことが好ましい。結晶粒径は大きいと、粒子同士間の隙間も大きくなるため、ガスは通過しやすくなる。例えば、第1支持体10および第2支持体70の金属成分の結晶粒径は、10μm以上であることが好ましく、20μm以上であることがより好ましい。また、グリーンシートを作製する際に、金属の結晶粒径は大きすぎると、塗工時に金属粉末は沈降し、グリーンシートの厚み方向に材料の分布が不均一になる。グリーンシートの品質を維持する観点から、第1支持体10および第2支持体70の金属成分の結晶粒径は、100μm以下であることが好ましく、80μm以下であることが好ましい。 From the perspective of facilitating gas flow during power generation, that is, suppressing gas diffusion resistance, it is preferable that the crystal grain size of the metal components in the first support 10 and the second support 70 is larger than that of the metal components in the first mixed layer 20 and the second mixed layer 60. Larger crystal grain sizes result in larger gaps between particles, allowing gas to pass through more easily. For example, the crystal grain size of the metal components in the first support 10 and the second support 70 is preferably 10 μm or larger, and more preferably 20 μm or larger. Furthermore, when manufacturing the green sheet, if the metal crystal grain size is too large, the metal powder will settle during coating, resulting in an uneven distribution of the material in the thickness direction of the green sheet. From the perspective of maintaining the quality of the green sheet, it is preferable that the crystal grain size of the metal components in the first support 10 and the second support 70 is 100 μm or smaller, and more preferably 80 μm or smaller.

以下、燃料電池100の製造方法について説明する。図4は、燃料電池100の製造方法のフローを例示する図である。 The manufacturing method of the fuel cell 100 will be described below. Figure 4 is a diagram illustrating the flow of the manufacturing method of the fuel cell 100.

(第1支持体用材料および第2支持体用材料の作製工程)
支持体用材料として、金属粉末(例えば、粒径が10μm~100μm)、可塑剤(例えば、シートの密着性を調整するため、1wt%~6wt%まで調整)、溶剤(トルエン、2-プロパノール(IPA)、1-ブタノール、ターピネオール、酢酸ブチル、エタノールなどで、粘度に応じて20wt%~30wt%)、消失材(有機物)、バインダ(PVB、アクリル樹脂、エチルセルロースなど)を混合してスラリとする。支持体用材料は、支持体を形成するための材料として用いる。有機成分(消失材、バインダ固形分、可塑剤)と金属粉末との体積比は、例えば1:1~20:1の範囲とし、空隙率に応じて有機成分量を調整する。
(Process for manufacturing the material for the first support and the material for the second support)
As a support material, metal powder (e.g., particle size 10 μm to 100 μm), plasticizer (e.g., adjusted from 1 wt% to 6 wt% to adjust the adhesion of the sheet), solvent (toluene, 2-propanol (IPA), 1-butanol, terpineol, butyl acetate, ethanol, etc., 20 wt% to 30 wt% depending on viscosity), loss agent (organic matter), and binder (PVB, acrylic resin, ethylcellulose, etc.) are mixed to form a slurry. The support material is used as the material for forming the support. The volume ratio of organic components (loss agent, binder solids, plasticizer) to metal powder is, for example, in the range of 1:1 to 20:1, and the amount of organic components is adjusted according to the porosity.

(第1混合層用材料および第2混合層用材料の作製工程)
混合層用材料として、セラミックス材料22,62の原料であるセラミックス材料粉末(例えば、粒径が100nm~10μm)、金属材料21,61の原料である小粒径の金属材料粉末(例えば、粒径が1μm~10μm)、溶剤(トルエン、2-プロパノール(IPA)、1-ブタノール、ターピネオール、酢酸ブチル、エタノールなどで、粘度に応じて20wt%~30wt%)、可塑剤(例えば、シートの密着性を調整するため、1wt%~6wt%まで調整)、消失材(有機物)、およびバインダ(PVB、アクリル樹脂、エチルセルロースなど)を混合してスラリとする。有機成分(消失材、バインダ固形分、可塑剤)と、セラミックス材料粉末および金属材料粉末と、の体積比は、例えば1:1~5:1の範囲とし、空隙率に応じて有機成分量を調整する。また、空隙の孔径は、消失材の粒径を調整することによって制御される。セラミックス材料粉末は、電子伝導性材料粉末と酸化物イオン伝導性材料粉末とを含んでいてもよい。この場合、電子伝導性材料粉末と酸化物イオン伝導性材料粉末との体積比率は、例えば、1:9~9:1の範囲とすることが好ましい。また、電子伝導性材料の代わりに電解質材料ScYSZ、GDCなどを用いても界面のはがれが無く、セルの作製が可能である。ただし、オーム抵抗を小さくする観点から、電子伝導性材料と金属粉末とを混合することが好ましい。なお、第1混合層用材料においては、小さい空隙および大きい空隙を同時に形成するために、小さい粒径の消失材と、大きい粒径の消失材を、例えば1:9~9:1の範囲で混合することが好ましい。
(Process for manufacturing the material for the first mixed layer and the material for the second mixed layer)
As a material for the mixed layer, ceramic material powder (e.g., particle size 100 nm to 10 μm), which is the raw material for ceramic materials 22 and 62; small particle size metal material powder (e.g., particle size 1 μm to 10 μm), which is the raw material for metal materials 21 and 61; solvent (toluene, 2-propanol (IPA), 1-butanol, terpineol, butyl acetate, ethanol, etc., 20 wt% to 30 wt% depending on viscosity); plasticizer (e.g., adjusted from 1 wt% to 6 wt% to adjust the adhesion of the sheet); waste material (organic matter); and binder (PVB, acrylic resin, ethyl cellulose, etc.) are mixed to form a slurry. The volume ratio of organic components (waste material, binder solids, plasticizer) to ceramic material powder and metal material powder is, for example, in the range of 1:1 to 5:1, and the amount of organic components is adjusted according to the porosity. The pore size of the voids is controlled by adjusting the particle size of the waste material. The ceramic material powder may contain both an electronically conductive material powder and an oxide ion conductive material powder. In this case, the volume ratio of the electronically conductive material powder to the oxide ion conductive material powder is preferably in the range of 1:9 to 9:1. Furthermore, even if an electrolyte material such as ScYSZ or GDC is used instead of the electronically conductive material, there is no delamination at the interface, and the cell can be fabricated. However, from the viewpoint of reducing ohmic resistance, it is preferable to mix the electronically conductive material with metal powder. In the material for the first mixed layer, in order to simultaneously form small and large voids, it is preferable to mix a loss material with a small particle size and a loss material with a large particle size in a range of 1:9 to 9:1.

(アノード用材料の作製工程)
アノード用材料として、多孔体を構成するセラミックス材料粉末、溶剤(トルエン、2-プロパノール(IPA)、1-ブタノール、ターピネオール、酢酸ブチル、エタノールなどで、粘度に応じて20wt%~30wt%)、可塑剤(例えば、シートの密着性を調整するため、1wt%~6wt%まで調整)、消失材(有機物)、およびバインダ(PVB、アクリル樹脂、エチルセルロースなど)を混合してスラリとする。多孔体を構成するセラミックス材料粉末として、電子伝導性セラミックス31の原料である電子伝導性材料粉末(例えば、粒径が100nm~10μm)、酸化物イオン伝導性セラミックス32の原料である酸化物イオン伝導性材料粉末(例えば、粒径が100nm~10μm)などを用いてもよい。有機成分(消失材、バインダ固形分、可塑剤)と電子伝導性材料粉末との体積比は、例えば1:1~5:1の範囲とし、空隙率に応じて有機成分量を調整する。また、空隙の孔径は、消失材の粒径を調整することによって制御される。電子伝導性材料粉末と酸化物イオン伝導性材料粉末との体積比率は、例えば、1:9~9:1の範囲とする。
(Process for preparing materials for the anode)
As the anode material, a slurry is prepared by mixing ceramic material powder constituting the porous body, a solvent (toluene, 2-propanol (IPA), 1-butanol, terpineol, butyl acetate, ethanol, etc., 20 wt% to 30 wt% depending on viscosity), a plasticizer (for example, adjusted from 1 wt% to 6 wt% to adjust the adhesion of the sheet), a waste material (organic substance), and a binder (PVB, acrylic resin, ethylcellulose, etc.). As the ceramic material powder constituting the porous body, an electronically conductive material powder (for example, with a particle size of 100 nm to 10 μm), which is the raw material for electronically conductive ceramics 31, or an oxide ion conductive material powder (for example, with a particle size of 100 nm to 10 μm), which is the raw material for oxide ion conductive ceramics 32, may be used. The volume ratio of the organic component (waste material, binder solids, plasticizer) to the electronically conductive material powder is, for example, in the range of 1:1 to 5:1, and the amount of the organic component is adjusted according to the porosity. Furthermore, the pore size of the voids is controlled by adjusting the particle size of the lost material. The volume ratio of the electronically conductive material powder to the oxide ion conductive material powder is, for example, in the range of 1:9 to 9:1.

(カソード用材料の作製工程)
カソード用材料として、多孔体を構成するセラミックス材料粉末、溶剤(トルエン、2-プロパノール(IPA)、1-ブタノール、ターピネオール、酢酸ブチル、エタノールなどで、粘度に応じて20wt%~30wt%)、可塑剤(例えば、シートの密着性を調整するため、1wt%~6wt%まで調整)、消失材(有機物)、およびバインダ(PVB、アクリル樹脂、エチルセルロースなど)を混合してスラリとする。多孔体を構成するセラミックス材料粉末として、電子伝導性セラミックス51の原料である電子伝導性材料粉末(例えば、粒径が100nm~10μm)、酸化物イオン伝導性セラミックス52の原料である酸化物イオン伝導性材料粉末(例えば、粒径が100nm~10μm)などを用いてもよい。有機成分(消失材、バインダ固形分、可塑剤)と電子伝導性材料粉末との体積比は、例えば1:1~5:1の範囲とし、空隙率に応じて有機成分量を調整する。また、空隙の孔径は、消失材の粒径を調整することによって制御される。電子伝導性材料粉末と酸化物イオン伝導性材料粉末との体積比率は、例えば、1:9~9:1の範囲とする。なお、アノード用材料とカソード用材料とが共通する場合には、アノード用材料をカソード用材料として用いてもよい。
(Process for preparing materials for the cathode)
As a cathode material, a slurry is prepared by mixing ceramic material powder constituting the porous body, a solvent (toluene, 2-propanol (IPA), 1-butanol, terpineol, butyl acetate, ethanol, etc., 20 wt% to 30 wt% depending on viscosity), a plasticizer (for example, adjusted from 1 wt% to 6 wt% to adjust the adhesion of the sheet), a waste material (organic substance), and a binder (PVB, acrylic resin, ethylcellulose, etc.). As the ceramic material powder constituting the porous body, an electronically conductive material powder (for example, with a particle size of 100 nm to 10 μm), which is the raw material for electronically conductive ceramics 51, or an oxide ion conductive material powder (for example, with a particle size of 100 nm to 10 μm), which is the raw material for oxide ion conductive ceramics 52, may be used. The volume ratio of the organic component (waste material, binder solids, plasticizer) to the electronically conductive material powder is, for example, in the range of 1:1 to 5:1, and the amount of the organic component is adjusted according to the porosity. Furthermore, the pore size of the voids is controlled by adjusting the particle size of the lost material. The volume ratio of the electron-conducting material powder to the oxide ion-conducting material powder is, for example, in the range of 1:9 to 9:1. In cases where the anode material and the cathode material are common, the anode material may be used as the cathode material.

(電解質層用材料の作製工程)
電解質層用材料として、酸化物イオン伝導性材料粉末(例えば、ScYSZ、YSZ、GDCなどであって、粒径が10nm~1000nm)、溶剤(トルエン、2-プロパノール(IPA)、1-ブタノール、ターピネオール、酢酸ブチル、エタノールなどで、粘度に応じて20wt%~30wt%)、可塑剤(例えば、シートの密着性を調整するため、1wt%~6wt%まで調整)、およびバインダ(PVB、アクリル樹脂、エチルセルロースなど)を混合してスラリとする。有機成分(バインダ固形分、可塑剤)と酸化物イオン伝導性材料粉末との体積比は、例えば6:4~3:4の範囲とする。
(Process for manufacturing materials for the electrolyte layer)
As a material for the electrolyte layer, an oxide ion conductive material powder (e.g., ScYSZ, YSZ, GDC, etc., with a particle size of 10 nm to 1000 nm), a solvent (toluene, 2-propanol (IPA), 1-butanol, terpineol, butyl acetate, ethanol, etc., 20 wt% to 30 wt% depending on viscosity), a plasticizer (e.g., adjusted from 1 wt% to 6 wt% to adjust the adhesion of the sheet), and a binder (PVB, acrylic resin, ethyl cellulose, etc.) are mixed to form a slurry. The volume ratio of organic components (binder solids, plasticizer) to oxide ion conductive material powder is, for example, in the range of 6:4 to 3:4.

(焼成工程)
まず、PET(ポリエチレンテレフタレート)フィルム上に、第1支持体用材料を塗工することで、第1支持体グリーンシートを作製する。別のPETフィルム上に、第1混合層用材料を塗工することで、第1混合層グリーンシートを作製する。別のPETフィルム上に、アノード用材料を塗工することで、アノードグリーンシートを作製する。別のPETフィルム上に、電解質層用材料を塗工することで、電解質層グリーンシートを作製する。別のPETフィルム上に、カソード用材料を塗工することで、カソードグリーンシートを作製する。別のPETフィルム上に、第2混合層用材料を塗工することで、第2混合層グリーンシートを作製する。別のPETフィルム上に、第2支持体用材料を塗工することで、第2支持体グリーンシートを作製する。例えば、第1支持体グリーンシートを複数枚、第1混合層グリーンシートを1枚、アノードグリーンシートを1枚、電解質層グリーンシートを1枚、カソードグリーンシートを1枚、第2混合層グリーンシートを1枚、第2支持体グリーンシートを複数枚の順に積層し、所定の大きさにカットする。その後、酸素分圧が10-20atm以下の還元雰囲気において1100℃~1300℃程度の温度範囲で焼成する。それにより、第1支持体10、第1混合層20、アノード30の多孔体、固体電解質層40、カソード50の多孔体、第2混合層60、第2支持体70を備えるセルを得ることができる。炉内に流す還元ガスは、H(水素)を不燃ガス(Ar(アルゴン)、He(ヘリウム)、N(窒素)など)で希釈したガスであってもよく、Hが100%のガスであってもよい。安全を考慮して、爆発限界までの上限を設けることが好ましい。例えば、HとArの混合ガスの場合には、Hの濃度は4体積%以下であることが好ましい。
(Firing process)
First, a first support green sheet is prepared by coating a PET (polyethylene terephthalate) film with a first support material. A first mixed layer green sheet is prepared by coating another PET film with a first mixed layer material. An anode green sheet is prepared by coating another PET film with an anode material. An electrolyte layer green sheet is prepared by coating another PET film with an electrolyte layer material. A cathode green sheet is prepared by coating another PET film with a cathode material. A second mixed layer green sheet is prepared by coating another PET film with a second mixed layer material. A second support green sheet is prepared by coating another PET film with a second support material. For example, multiple first support green sheets, one first mixed layer green sheet, one anode green sheet, one electrolyte layer green sheet, one cathode green sheet, one second mixed layer green sheet, and multiple second support green sheets are stacked in that order and cut to a predetermined size. Then, the assembly is fired in a reducing atmosphere with an oxygen partial pressure of 10⁻²⁰ atm or less at a temperature range of approximately 1100°C to 1300°C. This yields a cell comprising a first support 10, a first mixed layer 20, a porous anode 30, a porous solid electrolyte layer 40, a porous cathode 50, a second mixed layer 60, and a second support 70. The reducing gas flowing into the furnace may be a gas in which H₂ (hydrogen) is diluted with a non-combustible gas (such as Ar (argon), He (helium), N₂ (nitrogen)), or it may be a gas of 100% H₂ . For safety reasons, it is preferable to set an upper limit up to the explosion limit. For example, in the case of a mixed gas of H₂ and Ar, the concentration of H₂ is preferably 4% by volume or less.

(アノードおよび第1混合層の含浸工程)
次に、酸化物イオン伝導性セラミックス33および触媒金属34の原料を、アノード30の多孔体内に含浸させ、酸化物イオン伝導性セラミックス23および触媒金属24の原料を、第1混合層20の多孔体内に含浸させる。例えば、還元雰囲気で所定の温度で焼成するとGdドープセリアあるいはSc,YドープジルコニアとNiが生成するように、Zr、Y、Sc、Ce、Gd、Niの各硝酸塩または塩化物を水またはアルコール類(エタノール、2-プロパノール、メタノールなど)に溶かし、アノード30および第1混合層20の多孔体内に含浸、乾燥させ、熱処理を必要回数繰り返す。
(Impregnation process of the anode and the first mixed layer)
Next, the raw materials for the oxide ion conductive ceramic 33 and the catalyst metal 34 are impregnated into the porous body of the anode 30, and the raw materials for the oxide ion conductive ceramic 23 and the catalyst metal 24 are impregnated into the porous body of the first mixed layer 20. For example, nitrates or chlorides of Zr, Y, Sc, Ce, Gd, and Ni are dissolved in water or alcohols (ethanol, 2-propanol, methanol, etc.) so that Gd-doped ceria or Sc,Y-doped zirconia and Ni are produced when fired at a predetermined temperature in a reducing atmosphere. These solutions are then impregnated into the porous bodies of the anode 30 and the first mixed layer 20, dried, and the heat treatment is repeated the required number of times.

(カソード含浸工程)
次に、PrOなどのカソード触媒53をカソード50の多孔体内に含浸させる。カソード触媒53としてPrOを用いる場合には、例えば、Prの硝酸塩または塩化物を水またはアルコール類(エタノール、2-プロパノール、メタノールなど)に溶かし、カソード50の多孔体内に含浸、乾燥させ、熱処理を必要回数繰り返す。カソード触媒53としてLSMを用いる場合には、例えば、Srの硝酸塩または塩化物、Laの硝酸塩または塩化物、Mnの硝酸塩または塩化物を水またはアルコール類(エタノール、2-プロパノール、メタノールなど)に溶かし、ハーフセルを含浸、乾燥させ、熱処理を必要回数繰り返す。カソード触媒53としてLSCを用いる場合には、例えば、Srの硝酸塩または塩化物、Laの硝酸塩または塩化物、Coの硝酸塩または塩化物を水またはアルコール類(エタノール、2-プロパノール、メタノールなど)に溶かし、ハーフセルを含浸、乾燥させ、熱処理を必要回数繰り返す。
(Cathode impregnation process)
Next, a cathode catalyst 53 such as PrOx is impregnated into the porous body of the cathode 50. When PrOx is used as the cathode catalyst 53, for example, a nitrate or chloride of Pr is dissolved in water or an alcohol (ethanol, 2-propanol, methanol, etc.), impregnated into the porous body of the cathode 50, dried, and the heat treatment is repeated the required number of times. When LSM is used as the cathode catalyst 53, for example, a nitrate or chloride of Sr, a nitrate or chloride of La, or a nitrate or chloride of Mn is dissolved in water or an alcohol (ethanol, 2-propanol, methanol, etc.), impregnated into the half cell, dried, and the heat treatment is repeated the required number of times. When using LSC as the cathode catalyst 53, for example, dissolve Sr nitrate or chloride, La nitrate or chloride, or Co nitrate or chloride in water or alcohol (ethanol, 2-propanol, methanol, etc.), impregnate the half-cell with the solution, dry it, and repeat the heat treatment the required number of times.

なお、上記実施形態では、アノード30とカソード50とを同時に焼成しているが、それに限られない。例えば、第1支持体10、第1混合層20、アノード30、および固体電解質層40を焼成した後に、カソード50を形成してもよい。 In the above embodiment, the anode 30 and cathode 50 are fired simultaneously, but this is not the only option. For example, the cathode 50 may be formed after firing the first support 10, the first mixed layer 20, the anode 30, and the solid electrolyte layer 40.

上記実施形態に係る製造方法に従って、燃料電池を作製した。 A fuel cell was manufactured according to the manufacturing method described in the above embodiment.

(実施例1)
第1混合層用材料を作製する際に、平均粒径が10μmの消失材と、平均粒径が1μmの消失材とを体積比=1:3で混合し、燃料電池を作製した。燃料電池の断面を確認したところ、第1混合層の各空隙についての孔径分布において、小さい空隙に第1ピークが現れ、大きい空隙に第2ピークが現れた。小さい空隙について、D10%径は0.1μmであり、第1ピークの孔径は0.5μmであり、D90%径は1μmであった。大きい空隙について、D10%径は5μmであり、第2ピークの孔径は15μmであり、D90%径は40μmであった。第1混合層に含まれるセラミックス粒子のD50%粒径と、アノードに含まれるセラミックス粒子のD50%粒径との比は、1:1.1であった。メタン(CH)を燃料ガスとして用いて発電評価を行なったところ、0.7W/cmの発電特性が得られた。
(Example 1)
When preparing the material for the first mixed layer, a fuel cell was fabricated by mixing a lost material with an average particle size of 10 μm and a lost material with an average particle size of 1 μm in a volume ratio of 1:3. Upon examining the cross-section of the fuel cell, a first peak appeared in the pore size distribution for each void in the first mixed layer, and a second peak appeared in the voids with larger voids. For the small voids, the D10% diameter was 0.1 μm, the pore size of the first peak was 0.5 μm, and the D90% diameter was 1 μm. For the large voids, the D10% diameter was 5 μm, the pore size of the second peak was 15 μm, and the D90% diameter was 40 μm. The ratio of the D50% particle size of the ceramic particles contained in the first mixed layer to the D50% particle size of the ceramic particles contained in the anode was 1:1.1. When power generation was evaluated using methane ( CH₄ ) as the fuel gas, a power generation characteristic of 0.7 W/ cm² was obtained.

(実施例2)
第1混合層用材料を作製する際に、平均粒径が5μmの消失材と、平均粒径が1μmの消失材とを体積比=1:1で混合し、燃料電池を作製した。その他の条件は、実施例1と同様とした。燃料電池の断面を確認したところ、第1混合層の各空隙についての孔径分布において、小さい空隙に第1ピークが現れ、大きい空隙に第2ピークが現れた。小さい空隙について、D10%径は0.3μmであり、第1ピークの孔径は1μmであり、D90%径は3μmであった。大きい空隙について、D10%径は3μmであり、第2ピークの孔径は10μmであり、D90%径は30μmであった。第1混合層に含まれるセラミックス粒子のD50%粒径と、アノードに含まれるセラミックス粒子のD50%粒径との比は、1:1であった。メタン(CH)を燃料ガスとして用いて発電評価を行なったところ、1.0W/cmの発電特性が得られた。
(Example 2)
When preparing the material for the first mixed layer, a lost material with an average particle size of 5 μm and a lost material with an average particle size of 1 μm were mixed in a volume ratio of 1:1 to produce a fuel cell. Other conditions were the same as in Example 1. When the cross-section of the fuel cell was examined, a first peak appeared in the pore size distribution for small voids and a second peak appeared in the large voids. For the small voids, the D10% diameter was 0.3 μm, the pore size of the first peak was 1 μm, and the D90% diameter was 3 μm. For the large voids, the D10% diameter was 3 μm, the pore size of the second peak was 10 μm, and the D90% diameter was 30 μm. The ratio of the D50% particle size of the ceramic particles contained in the first mixed layer to the D50% particle size of the ceramic particles contained in the anode was 1:1. When power generation was evaluated using methane ( CH₄ ) as the fuel gas, a power generation characteristic of 1.0 W/ cm² was obtained.

(実施例3)
第1混合層用材料を作製する際に、平均粒径が5μmの消失材と、平均粒径が1μmの消失材とを体積比=3:1で混合し、燃料電池を作製した。その他の条件は、実施例1と同様とした。燃料電池の断面を確認したところ、第1混合層の各空隙についての孔径分布において、小さい空隙に第1ピークが現れ、大きい空隙に第2ピークが現れた。小さい空隙について、D10%径は0.5μmであり、第1ピークの孔径は1.5μmであり、D90%径は3.5μmであった。大きい空隙について、D10%径は1μmであり、第2ピークの孔径は6μmであり、D90%径は10μmであった。第1混合層に含まれるセラミックス粒子のD50%粒径と、アノードに含まれるセラミックス粒子のD50%粒径との比は、1.1:1であった。このように、第1混合層に含まれるセラミックス粒子のD50%粒径は、アノードに含まれるセラミックス粒子のD50%粒径より若干大きくなった。これは、1μmの消失材が少ないため、凝集したセラミックス粒子が焼結によって粒成長したと考えられる。また、第1混合層において、小さい空隙は実施例1,2より少なくなったことが確認された。メタン(CH)を燃料ガスとして用いて発電評価を行なったところ、0.5W/cmの発電特性が得られた。
(Example 3)
When preparing the material for the first mixed layer, a waste material with an average particle size of 5 μm and a waste material with an average particle size of 1 μm were mixed in a volume ratio of 3:1 to fabricate a fuel cell. Other conditions were the same as in Example 1. When the cross-section of the fuel cell was examined, a first peak appeared in the pore size distribution for small voids and a second peak appeared in the large voids. For the small voids, the D10% diameter was 0.5 μm, the pore size of the first peak was 1.5 μm, and the D90% diameter was 3.5 μm. For the large voids, the D10% diameter was 1 μm, the pore size of the second peak was 6 μm, and the D90% diameter was 10 μm. The ratio of the D50% particle size of the ceramic particles contained in the first mixed layer to the D50% particle size of the ceramic particles contained in the anode was 1.1:1. Thus, the D50% particle size of the ceramic particles contained in the first mixed layer was slightly larger than the D50% particle size of the ceramic particles contained in the anode. This is thought to be because, due to the small amount of 1 μm lost material, the aggregated ceramic particles grew larger through sintering. Furthermore, it was confirmed that the number of small voids in the first mixed layer was reduced compared to Examples 1 and 2. When power generation was evaluated using methane ( CH4 ) as the fuel gas, a power generation characteristic of 0.5 W/ cm² was obtained.

(比較例1)
第1混合層用材料を作製する際に、平均粒径が1μmの消失材のみを用いて燃料電池を作製した。その他の条件は、実施例1と同様とした。燃料電池の断面を確認したところ、第1混合層の各空隙についての孔径分布において、2種類のピークは確認されなかった。第1混合層に含まれるセラミックス粒子のD50%粒径と、アノードに含まれるセラミックス粒子のD50%粒径との比は、1:1であった。5μmの消失材はないため、大きい空隙は確認されなかった。空隙の大きさは、0.5~2μm程度であった。メタン(CH)を用いて発電評価を行なったところ、0.2W/cmの発電特性が得られた。ガス拡散抵抗は実施例1より大きいため、発電特性が低下した。
(Comparative Example 1)
When preparing the material for the first mixed layer, a fuel cell was fabricated using only waste material with an average particle size of 1 μm. Other conditions were the same as in Example 1. Upon examining the cross-section of the fuel cell, no two types of peaks were observed in the pore size distribution for each void in the first mixed layer. The ratio of the D50% particle size of ceramic particles contained in the first mixed layer to the D50% particle size of ceramic particles contained in the anode was 1:1. Since there was no 5 μm waste material, no large voids were observed. The size of the voids was approximately 0.5 to 2 μm. When power generation was evaluated using methane ( CH₄ ), a power generation characteristic of 0.2 W/ cm² was obtained. The power generation characteristic decreased because the gas diffusion resistance was greater than in Example 1.

(比較例2)
第1混合層用材料を作製する際に、平均粒径が5μmの消失材のみを用いて燃料電池を作製した。その他の条件は、実施例1と同様とした。燃料電池の断面を確認したところ、第1混合層の各空隙についての孔径分布において、2種類のピークは確認されなかった。第1混合層におけるセラミックスの粒子はかなり粒成長していた。これは、1μmの消失材が存在しないため、セラミックス粒子の凝集体が多くなったからであると考えらえる。また、小さい空隙が観察されず、空隙の大きさは3~10μm程度であった。メタン(CH)を用いて発電評価を行なったところ、0.05W/cmの発電特性が得られた。改質反応はわずかに進行し、反応するガスは少ないため、ほとんど電力を取り出せなかった。
(Comparative Example 2)
In preparing the material for the first mixed layer, a fuel cell was fabricated using only the waste material with an average particle size of 5 μm. Other conditions were the same as in Example 1. Upon examining the cross-section of the fuel cell, no two types of peaks were observed in the pore size distribution for each void in the first mixed layer. The ceramic particles in the first mixed layer had grown considerably. This is thought to be because, since there was no 1 μm waste material, there were many aggregates of ceramic particles. In addition, no small voids were observed, and the size of the voids was about 3 to 10 μm. When power generation was evaluated using methane ( CH₄ ), a power generation characteristic of 0.05 W/ cm² was obtained. The reforming reaction proceeded only slightly, and since there was little reacting gas, almost no electricity could be extracted.

なお、実施例1において、小さい消失材をより多く添加し、改質反応は十分に進行したが、5μmの消失材で作られた大きい空隙が少ないため、ガス拡散抵抗の増大によって、発電特性が低くなったと考えられる。実施例3は逆で、小さい空隙が少ないため、改質反応は十分に進行せず、反応に寄与するCOとHの量が低下したため、発電特性が低くなったと考えられる。 In Example 1, although the reforming reaction proceeded sufficiently due to the addition of a larger amount of small lost material, the power generation characteristics were likely reduced due to an increase in gas diffusion resistance because there were fewer large voids created by the 5 μm lost material. In Example 3, the opposite was true; the reforming reaction did not proceed sufficiently because there were fewer small voids, and the amount of CO and H₂ contributing to the reaction decreased, which is likely why the power generation characteristics were reduced.

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 Although embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to these specific embodiments, and various modifications and changes are possible within the scope of the gist of the invention as described in the claims.

10 第1支持体
20 第1混合層
21 金属材料
22 セラミックス材料
23 酸化物イオン伝導性セラミックス
24 触媒金属
30 アノード
31 電子伝導性セラミックス
32 酸化物イオン伝導性セラミックス
33 酸化物イオン伝導性セラミックス
34 触媒金属
40 固体電解質層
50 カソード
51 電子伝導性セラミックス
52 酸化物イオン伝導性セラミックス
53 カソード触媒
60 第2混合層
70 第2支持体
100 燃料電池
10 First support 20 First mixed layer 21 Metal material 22 Ceramic material 23 Oxide ion conductive ceramic 24 Catalyst metal 30 Anode 31 Electronically conductive ceramic 32 Oxide ion conductive ceramic 33 Oxide ion conductive ceramic 34 Catalyst metal 40 Solid electrolyte layer 50 Cathode 51 Electronically conductive ceramic 52 Oxide ion conductive ceramic 53 Cathode catalyst 60 Second mixed layer 70 Second support 100 Fuel cell

Claims (14)

酸化物イオン伝導性を有する固体酸化物を含む固体電解質層と、
前記固体電解質層上に設けられ、電子伝導性セラミックスおよび酸化物イオン伝導性セラミックスを含む多孔体を有し、当該多孔体にアノード触媒を有するアノードと、
前記アノードの前記固体電解質層と反対側の面に設けられ、金属材料とセラミックス材料とが混合された構造の多孔体を有し、当該多孔体に改質触媒を有する混合層と、
前記混合層の前記固体電解質層と反対側の面に設けられ、金属を主成分とする支持体と、を備え、
前記混合層の断面における各空隙の孔径分布において、出現頻度の第1ピークと、前記第1ピークよりも大きい孔径の第2ピークとが現れ、前記第1ピークと前記第2ピークとの間の最小頻度の孔径よりも大きい空隙のD10%径が、前記最小頻度の孔径よりも小さい空隙のD90%径以上である、固体酸化物型燃料電池。
A solid electrolyte layer containing a solid oxide having oxide ion conductivity,
An anode is provided on the solid electrolyte layer and has a porous body containing electron-conducting ceramics and oxide ion-conducting ceramics, the porous body having an anode catalyst,
A mixed layer is provided on the side of the anode opposite to the solid electrolyte layer, having a porous structure in which a metal material and a ceramic material are mixed, and the porous structure has a modifying catalyst.
The mixed layer comprises a support made mainly of metal, provided on the side opposite to the solid electrolyte layer of the mixed layer,
A solid oxide fuel cell in which, in the pore size distribution of each void in the cross-section of the mixed layer, a first peak of occurrence frequency and a second peak of pore size larger than the first peak appear, and the D10% diameter of voids larger than the minimum frequency pore size between the first and second peaks is greater than or equal to the D90% diameter of voids smaller than the minimum frequency pore size.
前記アノードの前記多孔体を構成するセラミックス粒子のD50%粒径と、前記混合層の前記多孔体を構成するセラミックス粒子のD50%粒径との比が、1:1.1~1.1:1である、請求項1に記載の固体酸化物型燃料電池。 The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the ratio of the D50% particle size of the ceramic particles constituting the porous body of the anode to the D50% particle size of the ceramic particles constituting the porous body of the mixed layer is 1:1.1 to 1.1:1. 前記固体電解質層におけるセラミックス粒子の粒径は、前記アノードの前記多孔体を構成するセラミックス粒子のD50%粒径および前記混合層の前記多孔体を構成するセラミックス粒子のD50%粒径よりも大きい、請求項1または請求項2に記載の固体酸化物型燃料電池。 The solid oxide fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the particle size of the ceramic particles in the solid electrolyte layer is larger than the D50% particle size of the ceramic particles constituting the porous body of the anode and the D50% particle size of the ceramic particles constituting the porous body of the mixed layer. 前記混合層の前記多孔体を構成するセラミックス粒子のD50%粒径は、0.5μm以上、3μm以下である、請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の固体酸化物型燃料電池。 The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the D50% particle size of the ceramic particles constituting the porous body of the mixed layer is 0.5 μm or more and 3 μm or less. 前記混合層における前記小さい空隙のD50%径は、前記混合層の前記多孔体を構成するセラミックス粒子のD50%粒径の0.5倍以上、2倍以下であることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の固体酸化物型燃料電池。 The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the D50% diameter of the small voids in the mixed layer is 0.5 times or more and 2 times or less the D50% particle size of the ceramic particles constituting the porous body of the mixed layer. 前記アノード全体における空隙率は、40%以上80%以下である、請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の固体酸化物型燃料電池。 The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein the porosity of the entire anode is 40% or more and 80% or less. 前記アノードの厚みは、1μm以上、15μm以下である、請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の固体酸化物型燃料電池。 The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 6, wherein the thickness of the anode is 1 μm or more and 15 μm or less. 前記混合層の前記多孔体を構成する金属粒子のD50%粒径は、2μm以上、10μm以下である、請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の固体酸化物型燃料電池。 The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 7, wherein the D50% particle size of the metal particles constituting the porous body of the mixed layer is 2 μm or more and 10 μm or less. 前記混合層における前記大きい空隙のD50%径は、前記混合層の前記多孔体を構成する金属粒子のD50%粒径の0.5倍以上、2倍以下である、請求項1から請求項8のいずれか一項に記載の固体酸化物型燃料電池。 The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 8, wherein the D50% diameter of the large voids in the mixed layer is 0.5 times or more and 2 times or less the D50% particle size of the metal particles constituting the porous body of the mixed layer. 前記混合層全体における空隙率は、40%以上80%以下である、請求項1から請求項9のいずれか一項に記載の固体酸化物型燃料電池。 The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 9, wherein the porosity in the entire mixed layer is 40% or more and 80% or less. 前記混合層の厚みは、5μm以上、50μm以下である、請求項1から請求項10のいずれか一項に記載の固体酸化物型燃料電池。 The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 10, wherein the thickness of the mixed layer is 5 μm or more and 50 μm or less. 前記アノード触媒は、YがドープされたBaCe1-xZr(BCZY、x=0~1)、YがドープされたSrCe1-xZr(SCZY、x=0~1)、SrをドープされたLaScO(LSS)、Gdドープセリアの1つあるいは複数の混合体とNiを含む、請求項1から請求項11のいずれか一項に記載の固体酸化物型燃料電池。 The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 11, wherein the anode catalyst comprises a mixture of one or more of the following: Y-doped BaCe 1-x Zr x O 3 (BCZY, x=0 to 1), Y-doped SrCe 1-x Zr x O 3 (SCZY, x=0 to 1), Sr-doped LaScO 3 (LSS), and Gd-doped ceria, and Ni. 前記アノード触媒のD50%粒径は、10nm以上、1μm以下である、請求項1から請求項12のいずれか一項に記載の固体酸化物型燃料電池。 The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 12, wherein the D50% particle size of the anode catalyst is 10 nm or more and 1 μm or less. 酸化物イオン伝導性を有する固体酸化物材料粉末を含む電解質グリーンシートの両面に、電子伝導性セラミックス材料粉末および酸化物イオン伝導性セラミックス材料粉末を含む電極グリーンシートと、セラミックス材料粉末および金属材料粉末を含む混合層グリーンシートと、金属粉末を含む支持体グリーンシートとが積層された積層体を焼成する工程と、
前記混合層グリーンシートの焼成によって得られる混合層に、改質触媒を含浸する工程と、を含み、
前記混合層の断面における各空隙の孔径分布において、出現頻度の第1ピークと、前記第1ピークよりも大きい孔径の第2ピークとが現れ、前記第1ピークと前記第2ピークとの間の最小頻度の孔径よりも大きい空隙のD10%径が、前記最小頻度の孔径よりも小さい空隙のD90%径以上となるように、前記混合層グリーンシートに添加する消失材の粒径を調整する、固体酸化物型燃料電池の製造方法。
A process of firing a laminate in which an electrolyte green sheet containing oxide ion conductive solid oxide material powder is laminated on both sides, an electrode green sheet containing electron conductive ceramic material powder and oxide ion conductive ceramic material powder, a mixed layer green sheet containing ceramic material powder and metal material powder, and a support green sheet containing metal powder are laminated together,
The process includes impregnating the mixed layer obtained by firing the mixed layer green sheet with a modifying catalyst,
A method for manufacturing a solid oxide fuel cell, comprising adjusting the particle size of the lost material added to the mixed layer green sheet such that, in the pore size distribution of each void in the cross-section of the mixed layer, a first peak of occurrence frequency and a second peak of pore size larger than the first peak appear, and the D10% diameter of voids larger than the minimum frequency pore size between the first and second peaks is greater than or equal to the D90% diameter of voids smaller than the minimum frequency pore size.
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