JP2003331874A - Interconnector for solid oxide fuel cell and its formation method - Google Patents
Interconnector for solid oxide fuel cell and its formation methodInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、優れた性能を有す
る固体酸化物形燃料電池用インターコネクタおよびその
形成方法に関する。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a solid oxide fuel cell interconnector having excellent performance and a method for forming the same.
【0002】[0002]
【従来の技術】燃料電極と酸化剤電極がセラミックスの
電解質を介して配置され、燃料として最終的に水素を、
酸化剤として酸素や空気を供給することで、水の電気分
解の逆の反応を利用して発電する固体酸化物形燃料電池
では、燃料電池の実用上十分な発電量を得るためには、
上述の固体酸化物形燃料電池の単位構成要素(単セル)
を複数個、直列および並列に電気的に接続すること(ス
タック化)が必要となる。燃料電池動作の際には、電池
の負極側(燃料電極側)では還元雰囲気に、正極側(酸
化剤電極側)では酸化雰囲気にさらされ、かつ、十分な
発電効率を得るためには、電解質のイオン伝導性を確保
し容易に酸化還元が起こる600℃以上の高温に燃料電
池本体を保つ必要がある。したがって、固体酸化物形燃
料電池におけるセル間接続では、正極もしくは負極の一
方をガス不透過で、かつ電気伝導性のあるセラミックス
材料(インターコネクタ)で被覆し、このインターコネ
クタとインターコネクタで被覆しなかった電極を高温酸
化雰囲気下、もしくは高温還元雰囲気下において電気的
に接続しなければならない。したがって、インターコネ
クタは燃料電池セルの正極もしくは負極の一方と強固に
密着して電気伝導性を保ちつつ、気体である燃料や空気
に対しては、それを透過しないほどの緻密性を有してい
る必要がある。この目的のために、従来よりインターコ
ネクタとしてLaCrO3系のペロブスカイト型酸化物
が使用されている。2. Description of the Related Art A fuel electrode and an oxidizer electrode are arranged via a ceramic electrolyte, and finally hydrogen is used as fuel.
In the solid oxide fuel cell that supplies oxygen or air as an oxidizer to generate electricity by using the reverse reaction of electrolysis of water, in order to obtain a practically sufficient power generation amount of the fuel cell,
Unit element of the above solid oxide fuel cell (single cell)
It is necessary to electrically connect a plurality of these in series and in parallel (stacking). During the operation of the fuel cell, the negative electrode side (fuel electrode side) of the cell is exposed to a reducing atmosphere, and the positive electrode side (oxidizer electrode side) is exposed to an oxidizing atmosphere. It is necessary to secure the ionic conductivity of the fuel cell body and keep the fuel cell body at a high temperature of 600 ° C. or higher at which redox easily occurs. Therefore, in the inter-cell connection in a solid oxide fuel cell, one of the positive electrode and the negative electrode is covered with a gas-impermeable and electrically conductive ceramic material (interconnector), and then with this interconnector and the interconnector. The electrodes must be electrically connected in a high temperature oxidizing atmosphere or a high temperature reducing atmosphere. Therefore, the interconnector is firmly adhered to one of the positive electrode and the negative electrode of the fuel cell to maintain the electrical conductivity, and is dense enough not to permeate gas or fuel or air. Need to be For this purpose, LaCrO 3 type perovskite type oxides have been conventionally used as interconnectors.
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たLaCrO3系ペロブスカイト型酸化物は難焼結性で
あり、緻密な焼結には1600℃以上の温度を必要とす
るが、このような温度で他の構成材料と同時に焼成する
ことは、他のセル構成材料が熱的に耐えられないため実
用に適さない。そこで溶射によって膜状にインターコネ
クタを作製する手法がとられたが、緻密に造ることは難
しく、しかも熱膨張によってクラックを生じるなど、安
定したインターコネクタを作製するのは困難であった。However, the above-mentioned LaCrO 3 type perovskite type oxide is difficult to sinter, and a temperature of 1600 ° C. or higher is required for dense sintering. Firing at the same time as other constituent materials is not suitable for practical use because other cell constituent materials cannot be thermally endured. Therefore, a method of manufacturing a film-shaped interconnector by thermal spraying has been adopted, but it is difficult to manufacture it densely, and it is difficult to manufacture a stable interconnector such as cracks caused by thermal expansion.
【0004】本発明の目的は、上記問題を解決するため
になされたもので、従来よりも緻密で熱的にも機械的に
も安定で高性能な固体酸化物形燃料電池用インターコネ
クタおよびその形成方法を提供することにある。The object of the present invention is to solve the above problems, and is a denser, thermally and mechanically stable and high performance interconnector for a solid oxide fuel cell, and an interconnector thereof. It is to provide a forming method.
【0005】[0005]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は特許請求の範囲に記載のような構成とする
ものである。すなわち、請求項1に記載のように、固体
酸化物形燃料電池に用いられるインターコネクタであっ
て、該インターコネクタは、組成がLa1−xCaxC
r1−yTiyO3(0<x≦0.4、0<y≦0.3)
で表されるチタニウムドープランタンカルシウムクロマ
イトにより構成してなる固体酸化物形燃料電池用インタ
ーコネクタとするものである。In order to achieve the above object, the present invention has a structure as described in the claims. That is, as described in claim 1, an interconnector used in a solid oxide fuel cell, wherein the interconnector has a composition of La 1-x Ca x C.
r 1-y Ti y O 3 (0 <x ≦ 0.4, 0 <y ≦ 0.3)
An interconnector for a solid oxide fuel cell, which is composed of titanium doplantan calcium chromite represented by
【0006】また、請求項2に記載のように、請求項1
において、上記チタニウムドープランタンカルシウムク
ロマイトは組成がLa0.7Ca0.3Cr0.9Ti
0. 1O3である固体酸化物形燃料電池用インターコネ
クタとするものである。Further, as described in claim 2, claim 1
In the above, the above titanium dolan tan calcium chromite has a composition of La 0.7 Ca 0.3 Cr 0.9 Ti.
0. An interconnector for a solid oxide fuel cell, which is 1 O 3 .
【0007】また、請求項3に記載のように、固体酸化
物形燃料電池に用いられるインターコネクタの形成方法
であって、組成がLa1−xCaxCr1−yTiyO
3(0<x≦0.4、0<y≦0.3)で表されるチタニ
ウムドープランタンカルシウムクロマイトよりなる粉末
を所望の箇所に溶射する固体酸化物形燃料電池用インタ
ーコネクタの形成方法とするものである。According to a third aspect of the present invention, there is provided a method of forming an interconnector used in a solid oxide fuel cell, wherein the composition is La 1-x Ca x Cr 1-y Ti y O.
3 (0 <x ≦ 0.4, 0 <y ≦ 0.3), and a method for forming an interconnector for a solid oxide fuel cell, which comprises spraying a powder of titanium doplantan calcium chromite on a desired location. To do.
【0008】また、請求項4に記載のように、固体酸化
物形燃料電池に用いられるインターコネクタの形成方法
であって、組成がLa1−xCaxCrO3(0<x≦
0.4)で表されるランタンカルシウムクロマイトに、
チタニアTiO2を所定の割合で混合した粉末を所望の
箇所に溶射する固体酸化物形燃料電池用インターコネク
タの形成方法とするものである。According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a method of forming an interconnector used in a solid oxide fuel cell, wherein the composition is La 1-x Ca x CrO 3 (0 <x≤.
Lanthanum calcium chromite represented by 0.4),
This is a method for forming an interconnector for a solid oxide fuel cell, in which a powder obtained by mixing titania TiO 2 in a predetermined ratio is sprayed onto a desired portion.
【0009】また、請求項5に記載のように、請求項4
において、上記ランタンカルシウムクロマイトにチタニ
アを30mol%以下の割合で混合した粉末を所望の箇所
に溶射する固体酸化物形燃料電池用インターコネクタの
形成方法とするものである。[0009] Further, as described in claim 5, claim 4
In the above method, a method of forming an interconnector for a solid oxide fuel cell, which comprises spraying a powder obtained by mixing the lanthanum calcium chromite with titania at a ratio of 30 mol% or less at a desired location.
【0010】また、請求項6に記載のように、請求項3
ないし請求項5のいずれか1項において、上記粉末の粒
径は30〜60μmである固体酸化物形燃料電池用イン
ターコネクタの形成方法とするものである。Further, as described in claim 6, claim 3
The method for forming an interconnector for a solid oxide fuel cell according to claim 5, wherein the powder has a particle diameter of 30 to 60 μm.
【0011】また、請求項7に記載のように、請求項3
ないし請求項5のいずれか1項において、上記粉末の溶
射出力は60〜90kWである固体酸化物形燃料電池用
インターコネクタの形成方法とするものである。Further, as described in claim 7, claim 3
The method for forming a solid oxide fuel cell interconnector according to claim 5, wherein the thermal spray output of the powder is 60 to 90 kW.
【0012】また、請求項8に記載のように、請求項3
ないし請求項7のいずれか1項において、上記粉末を溶
射して形成されるインターコネクタの膜厚は150〜2
00μmである固体酸化物形燃料電池用インターコネク
タの形成方法とするものである。[0012] Further, as described in claim 8, claim 3
The film thickness of the interconnector formed by spraying the powder according to any one of claims 1 to 7 is 150 to 2
A method for forming a solid oxide fuel cell interconnector having a diameter of 00 μm.
【0013】本発明に用いるインターコネクタ用材料チ
タニウムドープランタンカルシウムクロマイトLa
1−xCaxCr1−yTiyO3(0<x≦0.4、
0<y≦0.3)は、チタンドープによって焼結性が向
上し、溶射後にガス透過の少ない膜を作ることができ
る。Material for Interconnector Used in the Present Invention Titanium Dolan Plant Calcium Chromite La
1-x Ca x Cr 1-y Ti y O 3 (0 <x ≦ 0.4,
When 0 <y ≦ 0.3), the sinterability is improved by titanium doping, and a film with less gas permeation can be formed after thermal spraying.
【0014】また、図1の還元雰囲気(N2とH2の混
合ガス雰囲気)における熱膨張特性〔試料温度(℃)と
1mm当たりの膨張(μm)を示す〕に示されるよう
に、チタニウムをドープしたカルシウムランタンクロマ
イトは、ドープしないものやアルミニウムをドープした
ものに比べて熱膨張や還元膨張が抑えられており、電解
質および空気極として用いられる代表的な材料であるY
SZ(イットリアスタビライズドジルコニア)やLSM
(ランタンストロンチウムマンガナイト)とほぼ近い値
となっている。このことは、製膜後の熱処理によって溶
射膜をより緻密にすることを可能とし、また、燃料電池
としての長期使用における安定性をも向上させている。Further, as shown in the thermal expansion characteristics [indicates sample temperature (° C.) and expansion per 1 mm (μm)] in a reducing atmosphere (mixed gas atmosphere of N 2 and H 2 ) in FIG. The doped calcium lanthanum chromite has suppressed thermal expansion and reduction expansion compared to those not doped or doped with aluminum, and is a typical material used as an electrolyte and an air electrode.
SZ (yttria stabilized zirconia) and LSM
(Lanthan strontium manganite) is almost the same value. This makes it possible to make the sprayed film more dense by heat treatment after film formation, and also improves the stability in long-term use as a fuel cell.
【0015】また、チタニウムドープは図2に示すよう
に、還元雰囲気(N2とH2の混合ガス雰囲気)での電
気伝導度の低下を抑制する効果もある。なお、図2にお
いて横軸は1000/T(1/K)を表し、T:絶対温
度、K:ケルビンを示し、縦軸は電気伝導度(S/c
m)を表し、S:ジーメンスを示す。インターコネクタ
は、酸化、還元の両雰囲気下で使用されるため、還元雰
囲気での電気伝導度の低下は燃料電池の性能の低下を招
くことになる。この意味で、チタニウムドープランタン
カルシウムクロマイトを用いた溶射膜インターコネクタ
を有する固体酸化物形燃料電池セルでは高性能化が図れ
る効果がある。Further, as shown in FIG. 2, titanium doping also has an effect of suppressing a decrease in electric conductivity in a reducing atmosphere (mixed gas atmosphere of N 2 and H 2 ). In FIG. 2, the horizontal axis represents 1000 / T (1 / K), T: absolute temperature, K: Kelvin, and the vertical axis represents electrical conductivity (S / c).
m) and S: Siemens. Since the interconnector is used in both oxidizing and reducing atmospheres, a decrease in electrical conductivity in a reducing atmosphere leads to a decrease in fuel cell performance. In this sense, a solid oxide fuel cell having a sprayed film interconnector using titanium doplantan calcium chromite has the effect of achieving higher performance.
【0016】以上の効果はチタニウムドープランタンカ
ルシウムクロマイトを直接溶射する代わりに、ランタン
カルシウムクロマイトLa1−xCaxCrO3(0<
x≦0.4)にチタニアTiO2を30mol%以下の割合
で混合した粉末を溶射しても同様であり、良好なインタ
ーコネクタを有する固体酸化物形燃料電池セルを得るこ
とができる。The above-mentioned effects are obtained by directly spraying titanium doplantane calcium chromite with lanthanum calcium chromite La 1-x Ca x CrO 3 (0 <
The same applies to spraying a powder obtained by mixing titania TiO 2 at a ratio of 30 mol% or less to x ≦ 0.4), and a solid oxide fuel cell having a good interconnector can be obtained.
【0017】[0017]
【発明の実施の形態】〈実施の形態1〉以下に、本発明
の実施の形態の一例を挙げ、図面を用いてさらに詳細に
説明する。図3は、中空平板構造のSOFCセルを例と
した固体酸化物形燃料電池セルの断面図であり、La
1−xSrxMnO3の多孔体基板で構成される空気極
1上で、インターコネクタ4を溶射するスペースを除い
た部分にYSZ電解質2が配置され、電解質2上の一部
にNi/YSZの燃料極3が配置され固体電解質型燃料
電池の単セルを構成している。このインターコネクタ用
に電解質を配置しなかった部分に、チタニウムドープラ
ンタンカルシウムクロマイトLa0.7Ca0 .3Cr
0.9Ti0.1O3の粉末を用いて、出力60〜90
kWで溶射を行うことによって、緻密なインターコネク
タが作製される。膜厚は150〜200μmと薄くで
き、燃料電池セルの電気的損失も低減できる。なお、上
記La0. 7Ca0.3Cr0.9Ti0.1O3の粉
末の溶射出力としては、85kW程度が最も緻密で良好
な溶射膜が得られた。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION <Embodiment 1> Hereinafter, an example of an embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings. FIG. 3 is a cross-sectional view of a solid oxide fuel cell unit that exemplifies an SOFC cell having a hollow flat plate structure.
On the air electrode 1 composed of a porous substrate of 1-x Sr x MnO 3 , the YSZ electrolyte 2 is arranged in a portion excluding a space for spraying the interconnector 4, and Ni / YSZ is formed on a portion of the electrolyte 2. The fuel electrode 3 is arranged to form a unit cell of a solid oxide fuel cell. In the portion where the electrolyte was not arranged for this interconnector, titanium doplantane calcium chromite La 0.7 Ca 0 . 3 Cr
Output of 60 to 90 using 0.9 Ti 0.1 O 3 powder
A dense interconnector is produced by performing thermal spraying at kW. The film thickness can be as thin as 150 to 200 μm, and the electrical loss of the fuel cell can be reduced. In addition, the La 0. The spray output of powder 7 Ca 0.3 Cr 0.9 Ti 0.1 O 3, most dense and good sprayed film about 85kW was obtained.
【0018】溶射用チタニウムドープランタンカルシウ
ムクロマイトLa1−xCaxCr 1−yTiyO
3(0<x≦0.4、0<y≦0.3)の粉末の作製は、
La2O 3とCaCO3を(1−x)/2:x、Cr
(NO3)3とTiO2を1−y:yのモル比で混合し
ボールミルで十分混合粉砕した後、空気中900℃で6
時間仮焼きした後、再混合粉砕して、1200〜140
0℃で焼成することにより単一のペロブスカイト相を得
た。粉末の平均粒径は焼成温度と時間によって変わる
が、良好な溶射膜を作製するには、30〜60μm、望
ましくは50μm程度にするのが適当である。Titanium Doplantan Calciu for Thermal Spraying
Mukuromite La1-xCaxCr 1-yTiyO
Three(0 <x≤0.4, 0 <y≤0.3)
LaTwoO ThreeAnd CaCOThreeIs (1-x) / 2: x, Cr
(NOThree)ThreeAnd TiOTwoIn a molar ratio of 1-y: y
After thoroughly mixing and pulverizing with a ball mill, 6 in air at 900 ° C
After calcination for an hour, remix and pulverize to 1200-140
A single perovskite phase is obtained by firing at 0 ° C.
It was Average particle size of powder changes with firing temperature and time
However, in order to produce a good thermal spray coating,
More preferably, it is about 50 μm.
【0019】〈実施の形態2〉実施の形態1の溶射用チ
タニウムドープランタンカルシウムクロマイトを作製す
る変わりに、La2O3、CaCO3、Cr(NO3)
3からランタンカルシウムクロマイトを作製し、市販の
チタニアTiO2を10mol%程度、ボールミルで12
時間混合したものを溶射に用いても上記実施の形態1と
同様の効果が得られる。<Embodiment 2> Instead of producing the titanium spray lanthanum calcium chromite for thermal spraying of Embodiment 1, La 2 O 3 , CaCO 3 , Cr (NO 3 ) is used.
Lanthanum calcium chromite was prepared from 3 and commercially available titania TiO 2 was used in an amount of about 10 mol% with a ball mill.
The same effect as in the above-described first embodiment can be obtained by using the material mixed for time for thermal spraying.
【0020】以上実施の形態で具体的に説明したよう
に、薄くて緻密で熱膨張率が他の固体酸化物形燃料電池
の構成部材に接近し、かつ還元雰囲気での電気伝導度の
低下が小さいインターコネクタを実現でき、固体酸化物
形燃料電池の性能を向上させることができる。As described in detail in the above embodiment, the thin and dense solid oxide fuel cell is close to other solid oxide fuel cell constituent members, and the electric conductivity in the reducing atmosphere is lowered. A small interconnector can be realized and the performance of the solid oxide fuel cell can be improved.
【0021】[0021]
【発明の効果】本発明によれば、固体酸化物形燃料電池
のインターコネクタとして、焼結性がよく、熱膨張率が
他の構成部材であるLSMやYSZと近く、しかも還元
膨張を抑えた材料を用いて溶射法により薄くて緻密なイ
ンターコネクタを円筒型もしくは中空平板型の空気極基
体管上に作製することができ、従来技術に比べて優れた
性能を有する固体酸化物形燃料電池セルを実現すること
ができる。According to the present invention, as an interconnector for a solid oxide fuel cell, it has good sinterability and a thermal expansion coefficient close to that of other constituent members such as LSM and YSZ, and the reduction expansion was suppressed. A thin and dense interconnector can be produced by a thermal spraying method using a material on a cylindrical or hollow flat plate type cathode electrode tube, and the solid oxide fuel cell unit has excellent performance as compared with the prior art. Can be realized.
【図1】本発明の実施の形態で例示したチタニウムドー
プランタンカルシウムクロマイトの熱膨張特性をアルミ
ニウムドープランタンカルシウムクロマイトやランタン
カルシウムクロマイトなどと比較して示した図。FIG. 1 is a diagram showing the thermal expansion characteristics of titanium doplantan calcium chromite exemplified in the embodiment of the present invention in comparison with aluminum doplantan calcium chromite and lanthanum calcium chromite.
【図2】本発明の実施の形態で例示したチタニウムドー
プランタンカルシウムクロマイトの還元雰囲気における
電気伝導度をアルミニウムドープランタンカルシウムク
ロマイトと比較して示した図。FIG. 2 is a diagram showing the electrical conductivity of titanium doplantan calcium chromite exemplified in the embodiment of the present invention in a reducing atmosphere in comparison with aluminum doplantan calcium chromite.
【図3】本発明の実施の形態で例示したTFP型の固体
酸化物形燃料電池セルの断面構造を示す模式図。FIG. 3 is a schematic diagram showing a cross-sectional structure of the TFP type solid oxide fuel cell illustrated in the embodiment of the present invention.
1…空気極 2…電解質 3…燃料極 4…インターコネクタ 1 ... Air electrode 2 ... Electrolyte 3 ... Fuel pole 4 ... Interconnector
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Claims (8)
ーコネクタであって、該インターコネクタは、組成がL
a1−xCaxCr1−yTiyO3(0<x≦0.
4、0<y≦0.3)で表されるチタニウムドープラン
タンカルシウムクロマイトにより構成してなることを特
徴とする固体酸化物形燃料電池用インターコネクタ。1. An interconnector used in a solid oxide fuel cell, wherein the interconnector has a composition of L.
a 1-x Ca x Cr 1-y Ti y O 3 (0 <x ≦ 0.
An interconnector for a solid oxide fuel cell, characterized in that it is composed of titanium dolan tan calcium chromite represented by 4, 0 <y ≦ 0.3).
ランタンカルシウムクロマイトは組成がLa0.7Ca
0.3Cr0.9Ti0.1O3であることを特徴とす
る固体酸化物形燃料電池用インターコネクタ。2. The composition according to claim 1, wherein the titanium doplantan calcium chromite has a composition of La 0.7 Ca.
An interconnector for a solid oxide fuel cell, which is 0.3 Cr 0.9 Ti 0.1 O 3 .
ーコネクタの形成方法であって、組成がLa1−xCa
xCr1−yTiyO3(0<x≦0.4、0<y≦0.
3)で表されるチタニウムドープランタンカルシウムク
ロマイトよりなる粉末を所望の箇所に溶射することを特
徴とする固体酸化物形燃料電池用インターコネクタの形
成方法。3. A method of forming an interconnector used in a solid oxide fuel cell, the composition being La 1-x Ca.
x Cr 1-y Ti y O 3 (0 <x ≦ 0.4, 0 <y ≦ 0.
A method for forming an interconnector for a solid oxide fuel cell, which comprises spraying a powder of titanium doplantan calcium chromite represented by 3) onto a desired portion.
ーコネクタの形成方法であって、組成がLa1−xCa
xCrO3(0<x≦0.4)で表されるランタンカル
シウムクロマイトに、チタニアTiO2を所定の割合で
混合した粉末を所望の箇所に溶射することを特徴とする
固体酸化物形燃料電池用インターコネクタの形成方法。4. A method of forming an interconnector used in a solid oxide fuel cell, the composition of which is La 1-x Ca.
lanthanum calcium chromite represented by x CrO 3 (0 <x ≦ 0.4), solid oxide fuel cells for a powder mixed titania TiO 2 at a predetermined ratio, characterized in that spraying on a desired position For forming interconnectors for automobiles.
ムクロマイトにチタニアを30mol%以下の割合で混合
した粉末を所望の箇所に溶射することを特徴とする固体
酸化物形燃料電池用インターコネクタの形成方法。5. The method for forming an interconnector for a solid oxide fuel cell according to claim 4, wherein a powder obtained by mixing the lanthanum calcium chromite with titania at a ratio of 30 mol% or less is sprayed onto a desired portion. .
おいて、上記粉末の粒径は30〜60μmであることを
特徴とする固体酸化物形燃料電池用インターコネクタの
形成方法。6. The method for forming an interconnector for a solid oxide fuel cell according to claim 3, wherein the particle size of the powder is 30 to 60 μm.
おいて、上記粉末の溶射出力は60〜90kWであるこ
とを特徴とする固体酸化物形燃料電池用インターコネク
タの形成方法。7. The method for forming an interconnector for a solid oxide fuel cell according to claim 3, wherein the thermal spray output of the powder is 60 to 90 kW.
おいて、上記粉末を溶射して形成されるインターコネク
タの膜厚は150〜200μmであることを特徴とする
固体酸化物形燃料電池用インターコネクタの形成方法。8. The solid oxide fuel cell according to claim 3, wherein the interconnector formed by spraying the powder has a film thickness of 150 to 200 μm. For forming interconnectors for automobiles.
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Cited By (7)
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