JP2006172946A - Solid electrolyte fuel battery cell, and solid electrolyte fuel battery using it and its manufacturing method - Google Patents

Solid electrolyte fuel battery cell, and solid electrolyte fuel battery using it and its manufacturing method Download PDF

Info

Publication number
JP2006172946A
JP2006172946A JP2004364925A JP2004364925A JP2006172946A JP 2006172946 A JP2006172946 A JP 2006172946A JP 2004364925 A JP2004364925 A JP 2004364925A JP 2004364925 A JP2004364925 A JP 2004364925A JP 2006172946 A JP2006172946 A JP 2006172946A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
solid electrolyte
electrolyte layer
fuel
electrode
layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2004364925A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yoshihiro Funahashi
佳宏 舟橋
Hiroya Ishikawa
浩也 石川
Hitoshi Yokoi
等 横井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Niterra Co Ltd
Original Assignee
NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NGK Spark Plug Co Ltd filed Critical NGK Spark Plug Co Ltd
Priority to JP2004364925A priority Critical patent/JP2006172946A/en
Publication of JP2006172946A publication Critical patent/JP2006172946A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid electrolyte fuel battery cell with a specific metallized layer, and to provide a solid electrolyte fuel cell having a structure where this metallized layer and a segregation separator are brazed and a method of manufacturing it. <P>SOLUTION: This cell includes a solid electrolyte layer 11, a fuel electrode 12 provided in one surface of the solid electrolyte layer 11, an air pole 13 which is provided on the other surface of the solid electrolyte layer 11, and a metallized layer 141 provided in the one surface or the other surface of the peripheral edge of this solid electrolyte layer 11. The fuel cell has a structure where the cell is connected through an inter-connector. Each cell has a segregation member which isolates a passage for introducing combustion supporting gas into the passage and an air pole for introducing the fuel gas into the fuel electrode. The metallized layer and the isolation member provided in each solid electrolyte layer are connected by a metal brazing material, respectively. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、固体電解質形燃料電池セル並びにそれを用いた固体電解質形燃料電池及びその製造方法に関する。更に詳しくは、本発明は、固体電解質層の周縁部に空気極等の部材の性能低下等を生じることのない方法で設けられたメタライズ層を備える固体電解質層セル、並びにこのメタライズ層と隔離部材とをロウ付けすることで、燃料ガスの流路と支燃性ガスの流路とが隔離された固体電解質形燃料電池及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell, a solid electrolyte fuel cell using the same, and a method for manufacturing the same. More specifically, the present invention relates to a solid electrolyte layer cell including a metallized layer provided at a peripheral portion of the solid electrolyte layer by a method that does not cause deterioration in performance of a member such as an air electrode, and the metallized layer and the separating member. The present invention relates to a solid oxide fuel cell in which the flow path of the fuel gas and the flow path of the combustion-supporting gas are separated by brazing and the manufacturing method thereof.

固体電解質形燃料電池(以下、「燃料電池」ということもある。)は、インターコネクタを用いて複数のセルを積層することにより形成されている。この燃料電池では、燃料極に供給される燃料ガスの流路と空気極に供給される支燃性ガスの流路とを隔離するためのガスシールがなされる。各々の流路は、固体電解質層と、それぞれの流路を隔離するための隔離部材とを接合することにより隔離することができる。   A solid electrolyte fuel cell (hereinafter also referred to as “fuel cell”) is formed by stacking a plurality of cells using an interconnector. In this fuel cell, a gas seal for isolating the flow path of the fuel gas supplied to the fuel electrode and the flow path of the combustion-supporting gas supplied to the air electrode is provided. Each channel can be isolated by joining a solid electrolyte layer and an isolation member for isolating each channel.

また、近年、イットリア安定化ジルコニア等からなる固体電解質層をできるだけ薄層として内部抵抗を低減し、800℃以下の比較的低温域で燃料電池を作動させる研究もなされている。そして、特に、このように低温域で作動させる場合は、セラミック製ではなく金属製の隔離部材及びインターコネクタを用いることができ、安価なステンレス鋼からなる隔離部材等を使用すれば、コストを引き下げることもできる。この隔離部材等の接合は、活性ロウ材を用いる方法及び固体電解質層の表面にメタライズ層を形成し、その後、このメタライズ層と隔離部材等とをロウ付けする方法などにより行うことができる(例えば、特許文献1参照。)。   In recent years, studies have been made to operate a fuel cell in a relatively low temperature range of 800 ° C. or lower by reducing the internal resistance by making a solid electrolyte layer made of yttria stabilized zirconia or the like as thin as possible. In particular, when operating in such a low temperature range, it is possible to use metal isolation members and interconnectors instead of ceramics, and use inexpensive stainless steel isolation members or the like to reduce costs. You can also. The joining of the isolation member or the like can be performed by a method using an active brazing material and a method of forming a metallized layer on the surface of the solid electrolyte layer and then brazing the metallized layer and the isolation member (for example, , See Patent Document 1).

特開2004−146129号公報JP 2004-146129 A

しかし、活性ロウ材に配合される活性化剤としては、通常、Ti及びZr等の金属元素が用いられており、このTi及びZr等は酸化され易い金属であるため、活性ロウ材を用いた接合は一般に高真空、低酸素分圧の雰囲気においてなされる。しかし、このような雰囲気では、接合される部材の材質等によっては接合時の雰囲気が十分な高真空、低酸素分圧に保持されないことがあり、その場合、活性ロウ材が有効に機能しないことがある。   However, as an activator to be blended in the active brazing material, metal elements such as Ti and Zr are usually used. Since Ti and Zr and the like are easily oxidized metals, an active brazing material was used. Bonding is generally performed in an atmosphere of high vacuum and low oxygen partial pressure. However, in such an atmosphere, depending on the material of the member to be joined, the atmosphere during joining may not be maintained at a sufficiently high vacuum and low oxygen partial pressure, and in this case, the active brazing material may not function effectively. There is.

更に、固体電解質層の表面にメタライズ層を形成する方法も一般的であり、メタライズの手法は各種あるものの、耐熱性を有する接合部とすること、及び空気極を分解させずに接合すること、は容易ではない。例えば、特許文献1では、固体電解質層に金属をコーティングする手法が用いられている。この金属をコーティングする手法としては各種あるが、特許文献1では、所謂、Mo−Mn法によりメタライズされている。しかし、このMo−Mn法では、加湿された水素雰囲気下、1400℃程度の高温において熱処理することが一般的であり、この雰囲気では空気極が分解され易いため、十分な発電性能を有する燃料電池とすることは困難である。   Furthermore, a method of forming a metallized layer on the surface of the solid electrolyte layer is also common, and although there are various methods of metallization, it is assumed that the joint has heat resistance and that the air electrode is not decomposed, Is not easy. For example, in Patent Document 1, a technique of coating a metal on the solid electrolyte layer is used. There are various methods for coating this metal. In Patent Document 1, metallization is performed by a so-called Mo-Mn method. However, in this Mo-Mn method, heat treatment is generally performed at a high temperature of about 1400 ° C. in a humidified hydrogen atmosphere, and since the air electrode is easily decomposed in this atmosphere, the fuel cell having sufficient power generation performance It is difficult to do.

また、CVDによる成膜では、使用するターゲットに対する実際の成膜量は僅かであり、コスト面及び量産面から好ましい方法とはいえない。更に、コバール等の金属を固体電解質層の表面に成膜する手法もあるが、耐熱性が十分ではなく好ましくない。また、無電解めっきによる成膜は、複雑なマスキングを必要とし、酸処理の際に空気極等の部材が溶出する等の問題もある。更に、金属にシリカ等を配合した材料を用いてメタライズする方法もあるが、緻密で高純度な固体電解質層の粒界にシリカ等が浸透し難く強固に接合することは容易ではない。   Moreover, in the film formation by CVD, the actual film formation amount with respect to the target to be used is very small, which is not a preferable method from the viewpoint of cost and mass production. Furthermore, there is a method of forming a metal such as Kovar on the surface of the solid electrolyte layer, but this is not preferable because the heat resistance is not sufficient. In addition, film formation by electroless plating requires complicated masking, and there is a problem that members such as an air electrode are eluted during acid treatment. Furthermore, there is a method of metallizing using a material in which silica or the like is mixed with a metal, but it is difficult to firmly join the silica or the like because the silica or the like hardly penetrates into the grain boundary of the dense and high-purity solid electrolyte layer.

本発明は上記の状況に鑑みてなされたものであり、固体電解質層の周縁部に空気極等の部材の性能低下等を生じることのない方法で設けられたメタライズ層を備える固体電解質形燃料電池セル、並びにこのメタライズ層と隔離部材とをロウ付けすることで、耐熱性が高く、且つ十分な接合強度を有する接合層を形成することができ、これにより燃料ガスの流路と支燃性ガスの流路とが隔離された固体電解質形燃料電池及びその製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above situation, and a solid electrolyte fuel cell including a metallized layer provided by a method that does not cause deterioration in the performance of a member such as an air electrode at the periphery of the solid electrolyte layer By brazing the cell and the metallized layer and the separating member, a bonding layer having high heat resistance and sufficient bonding strength can be formed, whereby the fuel gas flow path and the combustion-supporting gas can be formed. It is an object of the present invention to provide a solid oxide fuel cell in which the flow path is isolated and a method for manufacturing the same.

本発明は以下の通りである。
1.固体電解質層11と、該固体電解質層11の一面に設けられた燃料極12と、該固体電解質層11の他面のうちの周縁部を除く部分に設けられた空気極13と、該固体電解質層11の該一面又は該他面の周縁部に設けられたメタライズ層141と、を備える固体電解質形燃料電池セルにおいて、該メタライズ層141は、金属と、金属酸化物との混合物からなることを特徴とする固体電解質形燃料電池セル。
2.上記金属は、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Sn、Zn、Ga、W及びInのうちの少なくとも1種である上記1.に記載の固体電解質形燃料電池セル。
3.上記固体電解質層11はZrO系セラミックからなり、且つ上記金属酸化物はZrO、MgO、CaO及び希土類元素酸化物のうちの少なくとも1種である上記1.又は2.に記載の固体電解質形燃料電池セル。
4.上記混合物を100質量%とした場合に、上記金属は60〜99質量%であり、上記金属酸化物は1〜40質量%である上記1.乃至3.のうちのいずれか1項に記載の固体電解質形燃料電池セル。
5.上記1.乃至4.のうちのいずれか1項に記載の固体電解質形燃料電池セルがインターコネクタ21を介して接続された構造を備える固体電解質形燃料電池であって、各々の該固体電解質形燃料電池セルは、一部が上記固体電解質層11に接合され、且つ上記燃料極12に燃料ガスを導入するための流路と上記空気極13に支燃性ガスを導入するための流路とを隔離する隔離部材22を備え、各々の固体電解質層11に設けられた上記メタライズ層141と該隔離部材22とは、それぞれ金属ロウ材により接合されていることを特徴とする固体電解質形燃料電池。
6.上記5.に記載の固体電解質形燃料電池の製造方法であって、未焼成空気極又は未焼成燃料極と未焼成固体電解質層の一面とを積層する積層工程と、該未焼成固体電解質層の他面の周縁部に、還元性金属酸化物及び非還元性金属酸化物を含有するメタライズ塗膜を形成する塗膜形成工程と、該未焼成空気極又は該未焼成燃料極と該未焼成固体電解質層と該メタライズ塗膜とを一体に焼成する同時焼成工程と、該未焼成固体電解質層が焼成されてなる固体電解質層11の他面に未焼成燃料極又は未焼成空気極を形成し、その後、焼成して燃料極12又は空気極13を作製する燃料極又は空気極作製工程と、該メタライズ塗膜が焼成されてなるメタライズ層141に含有される該還元性金属酸化物を還元して上記金属を生成させる還元工程と、該メタライズ層141と上記隔離部材22とを金属ロウ材により接合する接合工程と、をこの順に備えることを特徴とする固体電解質形燃料電池の製造方法。
7.上記5.に記載の固体電解質形燃料電池の製造方法であって、未焼成固体電解質層を焼成して固体電解質層11を作製する固体電解質層作製工程と、該固体電解質層11の一面に未焼成空気極又は未焼成燃料極を設け、且つ該未焼成固体電解質層の他面の周縁部に、還元性金属酸化物と非還元性金属酸化物とを含有するメタライズ塗膜を形成する未焼成空気極又は未焼成燃料極・メタライズ塗膜形成工程と、該未焼成空気極又は該未焼成燃料極と該メタライズ塗膜とを焼成する焼成工程と、該固体電解質層11の他面に未焼成燃料極又は未焼成空気極を形成し、その後、焼成して燃料極12又は空気極13を作製する燃料極又は空気極作製工程と、該メタライズ塗膜が焼成されてなるメタライズ層141に含有される該還元性金属酸化物を還元して上記金属を生成させる還元工程と、該メタライズ層141と上記隔離部材22とを金属ロウ材により接合する接合工程と、をこの順に備えることを特徴とする固体電解質形燃料電池の製造方法。
8.上記5.に記載の固体電解質形燃料電池の製造方法であって、未焼成空気極又は未焼成燃料極と未焼成固体電解質層の一面とを積層する積層工程と、該未焼成空気極又は該未焼成燃料極と該未焼成固体電解質層とを一体に焼成する同時焼成工程と、該未焼成固体電解質層が焼成されてなる固体電解質層11の他面の周縁部に還元性金属酸化物と非還元性金属酸化物とを含有するメタライズ塗膜を形成し、その後、焼成してメタライズ層141を形成するメタライズ層形成工程と、該固体電解質層11の他面に未焼成燃料極又は未焼成空気極を形成し、その後、焼成して燃料極12又は空気極13を作製する燃料極又は空気極作製工程と、該メタライズ層141に含有される還元性金属酸化物を還元して金属酸化物還元物を生成させる還元工程と、該メタライズ層141と上記隔離部材22とを金属ロウ材により接合する接合工程と、をこの順に備えることを特徴とする固体電解質形燃料電池の製造方法。
9.上記還元性金属酸化物は、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Sn、Zn、Ga、W及びInのうちの少なくとも1種の金属元素を含有する上記6.乃至8.のうちのいずれか1項に記載の固体電解質形燃料電池の製造方法。
10.上記還元工程は、500〜1000℃、且つ0.01〜7質量%の水素を含有し、残部が窒素又は不活性ガスである還元雰囲気においてなされる上記6.乃至9.のうちのいずれか1項に記載の固体電解質形燃料電池の製造方法。
The present invention is as follows.
1. A solid electrolyte layer 11, a fuel electrode 12 provided on one surface of the solid electrolyte layer 11, an air electrode 13 provided on a portion of the other surface of the solid electrolyte layer 11 excluding the peripheral edge, and the solid electrolyte In the solid oxide fuel cell comprising the metallized layer 141 provided on the peripheral edge of the one surface or the other surface of the layer 11, the metallized layer 141 is made of a mixture of a metal and a metal oxide. A solid oxide fuel cell characterized by the above.
2. The metal is at least one of Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Sn, Zn, Ga, W and In. The solid oxide fuel cell described in 1.
3. The solid electrolyte layer 11 is made of a ZrO 2 ceramic, and the metal oxide is at least one of ZrO 2 , MgO, CaO, and a rare earth element oxide. Or 2. The solid oxide fuel cell described in 1.
4). When the mixture is 100% by mass, the metal is 60 to 99% by mass, and the metal oxide is 1 to 40% by mass. To 3. The solid oxide fuel cell according to any one of the above.
5. Above 1. To 4. A solid oxide fuel cell having a structure in which the solid oxide fuel cells according to any one of the above are connected via an interconnector 21, each of the solid electrolyte fuel cells being one The isolation member 22 is joined to the solid electrolyte layer 11 and isolates the flow path for introducing the fuel gas into the fuel electrode 12 and the flow path for introducing the combustion-supporting gas into the air electrode 13. A solid electrolyte fuel cell characterized in that the metallized layer 141 provided on each solid electrolyte layer 11 and the separating member 22 are joined by a metal brazing material.
6). 5. above. A method for producing a solid electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein a laminating step of laminating an unsintered air electrode or an unsintered fuel electrode and one surface of the unsintered solid electrolyte layer, and a method of forming the other surface of the unsintered solid electrolyte layer A coating film forming step for forming a metallized coating film containing a reducing metal oxide and a non-reducing metal oxide on the peripheral edge, the unsintered air electrode or the unsintered fuel electrode, and the unsintered solid electrolyte layer A co-firing step of integrally firing the metallized coating film, and forming an unfired fuel electrode or an unfired air electrode on the other surface of the solid electrolyte layer 11 formed by firing the unfired solid electrolyte layer, and then firing The fuel electrode or air electrode manufacturing step for manufacturing the fuel electrode 12 or the air electrode 13 and the reducing metal oxide contained in the metallized layer 141 formed by firing the metallized coating film are reduced to reduce the metal. A reduction step to be produced, and the metallization Joining step and a method for producing a solid electrolyte fuel cell characterized by comprising in this order a layer 141 and the isolation member 22 are joined by brazing filler metal.
7). 5. above. The solid electrolyte fuel cell manufacturing method according to claim 1, wherein the solid electrolyte layer is prepared by firing an unfired solid electrolyte layer, and an unsintered air electrode on one surface of the solid electrolyte layer 11. Or a non-fired air electrode provided with a non-fired fuel electrode and forming a metallized coating film containing a reducing metal oxide and a non-reducing metal oxide on the peripheral edge of the other surface of the unfired solid electrolyte layer, or An unsintered fuel electrode / metallized coating film forming step, a firing step of firing the unsintered air electrode or the unsintered fuel electrode and the metallized coating film, an unsintered fuel electrode or A fuel or air electrode production step of forming an unfired air electrode and then firing to produce the fuel electrode 12 or the air electrode 13 and the reduction contained in the metallized layer 141 formed by firing the metallized coating film Reducing the functional metal oxide A reduction step to produce the metal, the bonding step and, a method for producing a solid electrolyte fuel cell characterized by comprising in this order to the said metallized layer 141 and the isolation member 22 are joined by brazing filler metal.
8). 5. above. A method for producing a solid electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the unsintered air electrode or unsintered fuel electrode and one surface of the unsintered solid electrolyte layer are stacked, the unsintered air electrode or the unsintered fuel. A co-firing step of integrally firing the electrode and the unsintered solid electrolyte layer, and a reducing metal oxide and a non-reducing property on the peripheral portion of the other surface of the solid electrolyte layer 11 formed by firing the unsintered solid electrolyte layer A metallized coating film containing a metal oxide is formed and then fired to form a metallized layer 141, and an unsintered fuel electrode or unsintered air electrode is formed on the other surface of the solid electrolyte layer 11. Forming and then firing to produce a fuel electrode 12 or an air electrode 13, and a reductive metal oxide contained in the metallized layer 141 to reduce a metal oxide reduced product. Reduction step to be generated and the method Joining step and a method for producing a solid electrolyte fuel cell characterized by comprising in this order to a rise layer 141 and the isolation member 22 are joined by brazing filler metal.
9. The reducible metal oxide contains at least one metal element selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Sn, Zn, Ga, W, and In. To 8. The manufacturing method of the solid oxide form fuel cell of any one of these.
10. The above reduction step is performed in a reducing atmosphere containing 500 to 1000 ° C. and 0.01 to 7% by mass of hydrogen, with the balance being nitrogen or an inert gas. To 9. The manufacturing method of the solid oxide form fuel cell of any one of these.

本発明の固体電解質形燃料電池セルは、空気極等の部材の性能低下等を生じることのない方法で設けられたメタライズ層141を備え、良好な発電性能が維持される。
また、金属が、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Sn、Zn、Ga、W及びInのうちの少なくとも1種である場合は、十分な導電性を有するメタライズ層とすることができる。
更に、固体電解質層11がZrO系セラミックからなり、且つ金属酸化物がZrO、MgO、CaO及び希土類元素酸化物のうちの少なくとも1種である場合は、固体電解質層11とメタライズ層141との接合強度を向上させることができる。
また、混合物を100質量%とした場合に、金属が60〜99質量%であり、金属酸化物が1〜40質量%である場合は、十分な導電性を有するメタライズ層とすることができる。
本発明の固体電解質形燃料電池では、固体電解質層と隔離部材とが、耐熱性が高く、且つ十分な接合強度を有する接合層14により接合されているため、十分な発電性能が維持される。
本発明の固体電解質形燃料電池の製造方法、本発明の他の固体電解質形燃料電池の製造方法、及び本発明の更に他の固体電解質形燃料電池の製造方法によれば、固体電解質層と隔離部材とを強固に接合することができ、耐熱性の高い接合層を形成することができ、十分な発電性能が維持される燃料電池を容易に得ることができる。本発明の燃料電池の製造方法、及び本発明の更に他の燃料電池の製造方法は、特に、後記の燃料極支持型の燃料電池の製造に有用であり、本発明の他の燃料電池の製造方法は、特に、後記の自立型の燃料電池の製造に有用である。
更に、還元性金属酸化物が、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Sn、Zn、Ga、W及びInのうちの少なくとも1種の金属元素を含有する場合は、この還元性金属酸化物は容易に還元されて金属が生成し、固体電解質形燃料電池と隔離部材とを強固に接合することができ、十分な発電性能が維持される。
また、還元工程が、500〜1000℃、且つ0.01〜7質量%の水素を含有し、残部が窒素又は不活性ガスである還元雰囲気においてなされる場合は、還元性金属酸化物は十分に還元され、且つ空気極などが分解等を生じることがなく、十分な発電性能を有する燃料電池とすることができる。
The solid electrolyte fuel cell of the present invention includes a metallized layer 141 provided by a method that does not cause a performance degradation of a member such as an air electrode, and maintains good power generation performance.
Further, when the metal is at least one of Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Sn, Zn, Ga, W, and In, a metallized layer having sufficient conductivity can be obtained.
Furthermore, when the solid electrolyte layer 11 is made of ZrO 2 -based ceramic and the metal oxide is at least one of ZrO 2 , MgO, CaO and rare earth element oxide, the solid electrolyte layer 11 and the metallized layer 141 It is possible to improve the bonding strength.
Moreover, when a mixture is 100 mass%, when a metal is 60-99 mass% and a metal oxide is 1-40 mass%, it can be set as the metallization layer which has sufficient electroconductivity.
In the solid oxide fuel cell of the present invention, the solid electrolyte layer and the separating member are joined by the joining layer 14 having high heat resistance and sufficient joining strength, so that sufficient power generation performance is maintained.
According to the method for producing a solid electrolyte fuel cell of the present invention, the method for producing another solid electrolyte fuel cell of the present invention, and the method for producing another solid electrolyte fuel cell of the present invention, the solid electrolyte layer is isolated from the solid electrolyte layer. The member can be strongly bonded, a bonding layer having high heat resistance can be formed, and a fuel cell in which sufficient power generation performance is maintained can be easily obtained. The fuel cell manufacturing method of the present invention and still another fuel cell manufacturing method of the present invention are particularly useful for manufacturing a fuel electrode-supporting fuel cell described later, and manufacturing of another fuel cell of the present invention. The method is particularly useful for the production of a self-supporting fuel cell as described below.
Further, when the reducing metal oxide contains at least one metal element of Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Sn, Zn, Ga, W and In, the reducing metal oxide is It is easily reduced to produce metal, and the solid oxide fuel cell and the separating member can be firmly joined, and sufficient power generation performance is maintained.
Further, when the reduction step is performed in a reducing atmosphere containing 500 to 1000 ° C. and 0.01 to 7% by mass of hydrogen and the balance being nitrogen or an inert gas, the reducing metal oxide is sufficiently The fuel cell is reduced and the air electrode or the like is not decomposed, and the fuel cell has sufficient power generation performance.

以下、例えば、図1〜12を用いて本発明を詳細に説明する。
[1]固体電解質形燃料電池セル及びそれを用いた固体電解質形燃料電池
(1)固体電解質形燃料電池セル
上記「固体電解質形燃料電池セル」(以下、「セル」ということもある。)は、固体電解質層11と、この固体電解質層11の一面に設けられた燃料極12と、他面に設けられた空気極13と、固体電解質層11の一面又は他面の周縁部に設けられたメタライズ層141と、を有する。このセルの構造は特に限定されず、例えば、図1及び図4〜5のように、固体電解質層11、燃料極12及び空気極13が、いずれもシート状である平板型のセル1011とすることができる。更に、図6のように扁平円筒型のセル1012とすることもでき、図9のように円筒型のセル1013とすることもできる。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
[1] Solid electrolyte fuel cell and solid electrolyte fuel cell using the same (1) Solid electrolyte fuel cell The above "solid electrolyte fuel cell" (hereinafter also referred to as "cell"). The solid electrolyte layer 11, the fuel electrode 12 provided on one surface of the solid electrolyte layer 11, the air electrode 13 provided on the other surface, and the peripheral surface of one surface or the other surface of the solid electrolyte layer 11. And a metallized layer 141. The structure of this cell is not particularly limited. For example, as shown in FIGS. 1 and 4 to 5, the solid electrolyte layer 11, the fuel electrode 12, and the air electrode 13 are all plate-shaped cells 1011 that are in the form of sheets. be able to. Furthermore, it can also be set as the flat cylindrical cell 1012 like FIG. 6, and it can also be set as the cylindrical cell 1013 like FIG.

図6の扁平円筒型のセル1012では、固体電解質層11を介して内部に燃料極12、外部に空気極13が形成されているが、内部に空気極13、外部に燃料極12を形成する他は、同一構造のセルとすることもできる。また、図9の断面円形の円筒型のセル1013は、円筒型である他は上記の扁平円筒型と同様の構造とすることができる。更に、図9では、固体電解質層11を介して内部に空気極13、外部に燃料極12が形成されているが、内部に燃料極12、外部に空気極13を形成する他は、同一構造のセルとすることもできる。   In the flat cylindrical cell 1012 of FIG. 6, the fuel electrode 12 is formed inside through the solid electrolyte layer 11 and the air electrode 13 is formed outside, but the air electrode 13 is formed inside and the fuel electrode 12 is formed outside. Others can be cells having the same structure. Further, the cylindrical cell 1013 having a circular cross section in FIG. 9 can have the same structure as the above flat cylindrical type except that it is a cylindrical type. Further, in FIG. 9, the air electrode 13 is formed inside through the solid electrolyte layer 11 and the fuel electrode 12 is formed outside, but the same structure except that the fuel electrode 12 is formed inside and the air electrode 13 is formed outside. It can also be a cell.

上記「固体電解質層11」は、電池の作動時に燃料極に導入される燃料ガス又は空気極に導入される支燃性ガスのうちの一方の一部をイオンとして移動させることができるイオン伝導性を有する。どのようなイオンを伝導することができるかは特に限定されないが、イオンとしては、例えば、酸素イオン及び水素イオン等が挙げられる。また、上記「燃料極12」は、水素源となる燃料ガスと接触し、セルにおける負電極として機能する。更に、上記「空気極13」は、酸素源となる支燃性ガスと接触し、セルにおける正電極として機能する。   The “solid electrolyte layer 11” has ion conductivity that can move a part of one of the fuel gas introduced into the fuel electrode or the combustion-supporting gas introduced into the air electrode during the operation of the battery as ions. Have Although what kind of ion can be conducted is not particularly limited, examples of the ion include oxygen ion and hydrogen ion. The “fuel electrode 12” is in contact with a fuel gas serving as a hydrogen source and functions as a negative electrode in the cell. Further, the “air electrode 13” is in contact with a combustion-supporting gas serving as an oxygen source and functions as a positive electrode in the cell.

固体電解質層11の形成に用いる材料は燃料電池の使用条件等により適宜選択することができる。この材料としては、例えば、ZrO系セラミック、LaGaO系セラミック、BaCeO系セラミック、SrCeO系セラミック、SrZrO系セラミック及びCaZrO系セラミック等が挙げられる。これらの材料のうちでは、ZrO系セラミックが好ましく、Sc、Y及び希土類元素のうちの少なくとも1種により安定化されたZrO系セラミックが好ましく、Scにより安定化されたZrO系セラミックが特に好ましい。
尚、この固体電解質層の厚さは電気抵抗と強度とを勘案し、燃料電池が後記の自立型であるときは、100〜500μm、特に100〜300μm、更に100〜150μmとすることができる。後記の燃料極支持型又は空気極支持型であるときは、5〜100μm、特に5〜50μm、更に5〜30μmとすることができる。
The material used for forming the solid electrolyte layer 11 can be appropriately selected depending on the use conditions of the fuel cell. Examples of this material include ZrO 2 ceramics, LaGaO 3 ceramics, BaCeO 3 ceramics, SrCeO 3 ceramics, SrZrO 3 ceramics, and CaZrO 3 ceramics. Among these materials, preferably ZrO 2 based ceramic, Sc, Y and at least ZrO 2 based ceramic is preferably stabilized by one of rare earth elements, stabilized ZrO 2 based ceramic is particularly the Sc preferable.
The thickness of the solid electrolyte layer can be set to 100 to 500 μm, particularly 100 to 300 μm, and more preferably 100 to 150 μm when the fuel cell is a self-standing type described later in consideration of electric resistance and strength. When it is a fuel electrode support type or an air electrode support type described later, it can be set to 5 to 100 μm, particularly 5 to 50 μm, and further 5 to 30 μm.

上記「燃料極12」の形成に用いる材料も燃料電池の使用条件等により適宜選択することができる。この材料としては、例えば、Ni及びFe等の金属と、Sc、Y及び希土類元素のうちの少なくとも1種により安定化されたジルコニア等のZrO系セラミック、CeO系セラミック及び酸化マンガン等のセラミックのうちの少なくとも1種との混合物などが挙げられる。また、Pt、Au、Ag、Pd、Ir、Ru、Rh、Ni及びFe等の金属が挙げられる。これらの金属は1種のみでもよいし、2種以上の金属の合金でもよい。更に、これらの金属及び/又は合金と、上記セラミックの各々の少なくとも1種との混合物(サーメットを含む。)が挙げられる。また、Ni及びFe等の金属の酸化物と、上記セラミックの各々の少なくとも1種との混合物などが挙げられる。これらの材料のうちでは、Ni及びFe等の金属と、上記セラミックの各々の少なくとも1種との混合物が好ましく、NiとScにより安定化されたZrO系セラミックとの混合物が特に好ましい。
この燃料極の形状は特に限定されないが、前記のように平板状、扁平円筒形、円筒形等とすることができる。また、平板型のセルであるときは、燃料極は、固体電解質層及び空気極と同じ平面形状であることが好ましい。燃料極と固体電解質層とは各々の略全面で積層されていることが好ましい。
The material used to form the “fuel electrode 12” can also be appropriately selected depending on the use conditions of the fuel cell. Examples of this material include metals such as Ni and Fe, and ZrO 2 ceramics such as zirconia stabilized by at least one of Sc, Y and rare earth elements, CeO 2 ceramics, and ceramics such as manganese oxides. And a mixture with at least one of them. Moreover, metals, such as Pt, Au, Ag, Pd, Ir, Ru, Rh, Ni, and Fe, are mentioned. These metals may be used alone or in an alloy of two or more metals. Furthermore, a mixture (including cermet) of these metals and / or alloys and at least one of each of the above ceramics may be mentioned. Moreover, the mixture of metal oxides, such as Ni and Fe, and at least 1 type of each of the said ceramic etc. are mentioned. Among these materials, a mixture of a metal such as Ni and Fe and at least one of each of the ceramics is preferable, and a mixture of Ni and Sc stabilized with a ZrO 2 ceramic is particularly preferable.
The shape of the fuel electrode is not particularly limited, but may be a flat plate shape, a flat cylindrical shape, a cylindrical shape or the like as described above. Moreover, when it is a flat type cell, it is preferable that a fuel electrode is the same planar shape as a solid electrolyte layer and an air electrode. The fuel electrode and the solid electrolyte layer are preferably laminated on substantially the entire surface.

上記「空気極13」の形成に用いる材料も燃料電池の使用条件等により適宜選択することができる。この材料としては、例えば、各種の金属、金属の酸化物、金属の複酸化物等を用いることができる。金属としては、Pt、Au、Ag、Pd、Ir、Ru及びRh等の金属又は2種以上の金属を含有する合金が挙げられる。また、金属の酸化物としては、La、Sr、Ce、Co、Mn及びFe等の酸化物(La、SrO、Ce、Co、MnO及びFeO等)が挙げられる。更に、複酸化物としては、少なくともLa、Pr、Sm、Sr、Ba、Co、Fe及びMn等を含有する複酸化物(La1−xSrCoO系複酸化物、La1−xSrFeO系複酸化物、La1−xSrCo1−yFe系複酸化物、La1−xSrMnO系複酸化物、Pr1−xBaCoO系複酸化物及びSm1−xSrCoO系複酸化物等)が挙げられる。 The material used to form the “air electrode 13” can also be appropriately selected depending on the use conditions of the fuel cell. As this material, for example, various metals, metal oxides, metal double oxides, and the like can be used. Examples of the metal include metals such as Pt, Au, Ag, Pd, Ir, Ru, and Rh, or alloys containing two or more metals. Examples of the metal oxide include oxides such as La, Sr, Ce, Co, Mn, and Fe (La 2 O 3 , SrO, Ce 2 O 3 , Co 2 O 3 , MnO 2, FeO, and the like). It is done. Furthermore, as the double oxide, a double oxide containing at least La, Pr, Sm, Sr, Ba, Co, Fe, Mn, etc. (La 1-x Sr x CoO 3 -based double oxide, La 1-x Sr x FeO 3 -based double oxide, La 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3 -based double oxide, La 1-x Sr x MnO 3 -based double oxide, Pr 1-x Ba x CoO 3 -based double oxide Oxides and Sm 1-x Sr x CoO 3 -based double oxides).

これらのうちでは複酸化物が好ましく、Ln1−xCoO系複酸化物、Ln1−xFeO系複酸化物及びLn1−xCo1−yFe系複酸化物(Lnは希土類元素であり、MはSr又はBaである。)がより好ましい。これらのCo及び/又はFeを含有する複酸化物、特にCo及びFeを含有する複酸化物からなる空気極13は、SOFCを500〜850℃、更に500〜750℃の温度範囲で低温作動させた場合でも、電極として優れた性能を有する。これらの複酸化物は、Ln元素及びM元素の他に、更にその他の置換元素を有していてもよい。これらのLn1−xCoO系複酸化物、Ln1−xFeO系複酸化物及びLn1−xCo1−yFe系複酸化物のうちでも、Ln1−xCoO3±δ、Ln1−xFeO3±δ及びLn1−xCo1−yFe3±δで表され、0.2≦x≦0.8、0.5≦y≦0.9、且つ0≦δ<1(δは酸素過剰量又は酸素欠損量である。)である複酸化物が特に好ましく、LnはLa、Pr及びSmのうちの少なくとも1種であることが更に好ましい。このようなLn1−xCoO系複酸化物としては、例えば、La0.6Sr0.4CoO3±δ、Pr0.5Ba0.5CoO3±δ及びSm0.5Sr0.5CoO3±δ等が挙げられる。また、Ln1−xFeO系複酸化物としては、例えば、La0.6Sr0.4FeO3±δ、Pr0.5Ba0.5FeO3±δ及びSm0.5Sr0.5FeO3±δ等が挙げられる。更に、Ln1−xCo1−yFe系複酸化物としては、例えば、La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.83±δ、Pr0.5Ba0.5Co0.2Fe0.83±δ及びSm0.5Sr0.5Co0.2Fe0.83±δ等が挙げられる。 Preferably mixed oxide Of these, Ln 1-x M x CoO 3 -based mixed oxide, Ln 1-x M x FeO 3 -based mixed oxide and Ln 1-x M x Co 1 -y Fe y O 3 More preferred are system double oxides (Ln is a rare earth element and M is Sr or Ba). The air electrode 13 composed of these Co and / or Fe-containing double oxides, particularly Co and Fe-containing double oxides, operates the SOFC at a low temperature in the temperature range of 500 to 850 ° C., and further 500 to 750 ° C. Even if it is, it has excellent performance as an electrode. These double oxides may further contain other substitution elements in addition to the Ln element and the M element. These Ln 1-x M x CoO 3-based mixed oxide, among Ln 1-x M x FeO 3-based mixed oxide and Ln 1-x M x Co 1 -y Fe y O 3 based mixed oxide, Ln 1-x M x CoO 3 ± δ , Ln 1-x M x FeO 3 ± δ and Ln 1-x M x Co 1-y Fe y O 3 ± δ , 0.2 ≦ x ≦ 0. 8, 0.5 ≦ y ≦ 0.9 and 0 ≦ δ <1 (δ is oxygen excess or oxygen deficiency) is particularly preferable, and Ln is selected from La, Pr and Sm. More preferably, it is at least one of the above. Examples of such Ln 1-x M x CoO 3 -based double oxides include La 0.6 Sr 0.4 CoO 3 ± δ , Pr 0.5 Ba 0.5 CoO 3 ± δ and Sm 0.5. Sr 0.5 CoO 3 ± δ and the like. Examples of the Ln 1-x M x FeO 3 -based complex oxide include La 0.6 Sr 0.4 FeO 3 ± δ , Pr 0.5 Ba 0.5 FeO 3 ± δ and Sm 0.5 Sr. 0.5 FeO 3 ± δ and the like. Furthermore, as the Ln 1-x M x Co 1 -y Fe y O 3 based mixed oxide, for example, La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 ± δ, Pr 0.5 Ba 0.5 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 ± δ, Sm 0.5 Sr 0.5 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 ± δ and the like.

この空気極の形状は特に限定されないが、前記のように平板状、扁平円筒形、円筒形等とすることができる。また、平板型のセルであるときは、空気極は、固体電解質層及び燃料極と同じ平面形状であることが好ましい。   The shape of the air electrode is not particularly limited, but may be a flat plate shape, a flat cylindrical shape, a cylindrical shape or the like as described above. Moreover, when it is a flat type cell, it is preferable that an air electrode is the same planar shape as a solid electrolyte layer and a fuel electrode.

上記「メタライズ層141」は、金属と、金属酸化物との混合物からなる。
上記「金属」は、十分な導電性を有するメタライズ層を形成することができればよく、特に限定されない。この金属は1種のみでもよく、2種以上でもよい。この金属は、空気極等の燃料電池を構成する部材の性能低下を生じることなく、メタライズ層141を形成することができるものであることが好ましい。この金属は、500〜1000℃、且つ0.01〜7質量%の水素を含有し、残部が窒素又は不活性ガスの条件で金属酸化物が還元されて生成する金属であることが好ましい。この温度は550〜950℃、特に600〜850℃、更に650〜750℃とすることが好ましい。また、この水素の含有量は、0.05〜5質量%、特に0.1〜4質量%、更に0.5〜3質量%であることが好ましい。このような還元条件により還元される金属酸化物(還元性金属酸化物)は、上記の条件で還元されて金属が生成するものであればよく、特に限定されない。この還元性金属酸化物としては、例えば、Fe、Co、NiO、CuO及びMoO等が挙げられ、これらが還元されてFe、Co、Ni、Cu及びMo等の金属が生成する。
The “metallized layer 141” is made of a mixture of a metal and a metal oxide.
The “metal” is not particularly limited as long as a metallized layer having sufficient conductivity can be formed. This metal may be only one kind or two or more kinds. It is preferable that this metal is capable of forming the metallized layer 141 without causing a decrease in performance of members constituting the fuel cell such as an air electrode. This metal is preferably a metal containing 500 to 1000 ° C. and 0.01 to 7% by mass of hydrogen, with the balance being produced by reduction of the metal oxide under the condition of nitrogen or an inert gas. This temperature is preferably 550 to 950 ° C, particularly 600 to 850 ° C, and more preferably 650 to 750 ° C. The hydrogen content is preferably 0.05 to 5% by mass, particularly 0.1 to 4% by mass, and more preferably 0.5 to 3% by mass. The metal oxide (reducible metal oxide) reduced under such reducing conditions is not particularly limited as long as it is reduced under the above conditions to generate a metal. Examples of the reducing metal oxide include Fe 2 O 3 , Co 3 O 4 , NiO, CuO, and MoO 3. These are reduced and metals such as Fe, Co, Ni, Cu, and Mo are reduced. Generate.

還元性金属酸化物としては、上記の各種の金属酸化物の他、SnO、ZnO及びWO等を用いることもでき、これらが還元されてSn、Zn及びW等の金属が生成する。また、2種以上の金属元素が含有される還元性金属酸化物としては、CuFe、CuMoO及びCuWO等の複酸化物が挙げられ、これらが還元されてCuとFeとの混合物、CuとMoとの混合物又は合金及びCuとWとの混合物又は合金等の金属が生成する。更に、還元性金属酸化物として、CuOとNiO、及びNiOとCoのように金属酸化物の混合物を用いることもでき、これらが還元されてCuとNiとの混合物又は合金、及びNiとCoとの混合物又は合金等が生成する。 As the reducible metal oxide, SnO 2 , ZnO, and WO 3 can be used in addition to the above various metal oxides, and these are reduced to produce metals such as Sn, Zn, and W. Moreover, examples of the reducible metal oxide containing two or more kinds of metal elements include double oxides such as CuFe 2 O 4 , CuMoO 4, and CuWO 4 , and these are reduced to a mixture of Cu and Fe. A metal such as a mixture or alloy of Cu and Mo and a mixture or alloy of Cu and W is formed. Furthermore, as a reducible metal oxide, a mixture of metal oxides such as CuO and NiO, and NiO and Co 3 O 4 can be used, and these are reduced to a mixture or alloy of Cu and Ni, and Ni A mixture or alloy of Co and Co is produced.

上記「金属酸化物」は特に限定されないが、上記金属が還元性金属酸化物が還元されて生成するものである場合に、上記の条件で還元されず、金属酸化物のまま保持される金属酸化物、言い換えれば非還元性金属酸化物であることが好ましい。この非還元性金属酸化物に含有される金属元素は1種のみでもよく、2種以上でもよい。非還元性金属酸化物は、上記の条件で還元されないものであり、且つ固体電解質層11とメタライズ層141との接合性を向上させることができる金属酸化物であることが好ましい。このように接合性を向上させるためには、固体電解質層11に含有される金属元素と、非還元性金属酸化物に含有される金属元素との少なくとも一部が同種であることが好ましく、すべての金属元素が同種であることがより好ましい。更に、非還元性金属酸化物1411(図2参照)は、固体電解質層11を構成するセラミックスに固溶し得る金属元素を含有していることが好ましい。例えば、固体電解質層11がZrO系セラミックからなる場合、非還元性金属酸化物1411がZrO、MgO、CaO及び希土類元素酸化物のうちの少なくとも1種であることが好ましい。ZrOは同種であるため接合性を向上させることができ、Mg、Ca及び希土類元素はZrO系セラミックに固溶することで、接合性を向上させることができる。 The “metal oxide” is not particularly limited. However, when the metal is generated by reducing the reducible metal oxide, the metal oxide is not reduced under the above conditions and is maintained as the metal oxide. Preferably, it is a non-reducing metal oxide. The metal element contained in the non-reducing metal oxide may be only one type or two or more types. The non-reducible metal oxide is preferably a metal oxide that is not reduced under the above conditions and that can improve the bondability between the solid electrolyte layer 11 and the metallized layer 141. In order to improve the bondability in this way, it is preferable that at least a part of the metal element contained in the solid electrolyte layer 11 and the metal element contained in the non-reducing metal oxide are the same type, It is more preferable that the metal elements are the same. Furthermore, the non-reducing metal oxide 1411 (see FIG. 2) preferably contains a metal element that can be dissolved in the ceramic constituting the solid electrolyte layer 11. For example, when the solid electrolyte layer 11 is made of a ZrO 2 ceramic, it is preferable that the non-reducing metal oxide 1411 is at least one of ZrO 2 , MgO, CaO, and a rare earth element oxide. Since ZrO 2 is the same type, the bondability can be improved, and Mg, Ca, and rare earth elements can be dissolved in the ZrO 2 ceramic, thereby improving the bondability.

固体電解質形燃料電池セルは、還元性金属酸化物を還元させず、還元性金属酸化物と非還元性金属酸化物との混合物からなるメタライズ用皮膜を備える中間製品のまま保管等することもできる。
即ち、固体電解質層と、この固体電解質層の一面に設けられた燃料極と、固体電解質層の他面に設けられた空気極と、固体電解質層の周縁部に設けられたメタライズ用皮膜と、を備える固体電解質形燃料電池セルにおいて、メタライズ用皮膜は、還元性金属酸化物と、非還元性金属酸化物との混合物からなることを特徴とする固体電解質形燃料電池セルとすることもできる。
The solid oxide fuel cell does not reduce the reducible metal oxide, and can be stored as an intermediate product having a metallization film made of a mixture of a reducible metal oxide and a non-reducible metal oxide. .
That is, a solid electrolyte layer, a fuel electrode provided on one surface of the solid electrolyte layer, an air electrode provided on the other surface of the solid electrolyte layer, a metallization film provided on a peripheral portion of the solid electrolyte layer, In the solid electrolyte fuel cell having the above structure, the metallization film may be a solid oxide fuel cell characterized by comprising a mixture of a reducing metal oxide and a non-reducing metal oxide.

この中間製品の場合、必要となった時点でメタライズ用皮膜に含有される還元性金属酸化物を還元させてメタライズ層とし、固体電解質形燃料電池セルとして用いることができる。このようにすれば、保管等によってメタライズ層が劣化し、隔離部材との接合性が低下することを抑えることができる。この中間製品において、固体電解質層、燃料極、空気極、還元性金属酸化物及び非還元性金属酸化物等については、上記の本発明の固体電解質形燃料電池セルの場合の記載をそのまま適用することができる。   In the case of this intermediate product, when it becomes necessary, the reducing metal oxide contained in the metallization film can be reduced to form a metallized layer, which can be used as a solid electrolyte fuel cell. If it does in this way, it can suppress that a metallization layer deteriorates by storage etc. and a joint property with an isolation member falls. In this intermediate product, for the solid electrolyte layer, the fuel electrode, the air electrode, the reducing metal oxide and the non-reducing metal oxide, the description of the solid electrolyte fuel cell of the present invention is applied as it is. be able to.

(2)固体電解質形燃料電池
上記「固体電解質形燃料電池」は、例えば、図3〜5のように、複数の平板型の固体電解質形燃料電池セル1011を、インターコネクタ211、212を介して接続して形成することができる。この固体電解質形燃料電池102は、電池構造にもよるが、燃料ガスの流路と支燃性ガスの流路とを隔離するための隔離部材22(図2参照、図3〜5のような平板型の場合、以下、隔離セパレータ221、222、223という。)、並びにインターコネクタ211、212と燃料極12とを電気的に接続するためのニッケルフェルト層31、及びインターコネクタ211、212と空気極13とを電気的に接続するためのインコネル繊維メッシュ層32等の集電部材などを備える。
(2) Solid electrolyte fuel cell The above-mentioned “solid electrolyte fuel cell” includes, for example, a plurality of flat solid electrolyte fuel cells 1011 via interconnectors 211 and 212 as shown in FIGS. It can be formed by connection. Although this solid oxide fuel cell 102 depends on the cell structure, the isolation member 22 for isolating the flow path of the fuel gas and the flow path of the combustion-supporting gas (see FIG. 2, as shown in FIGS. 3 to 5) In the case of the flat plate type, hereinafter, the separators 221, 222, and 223), the nickel felt layer 31 for electrically connecting the interconnectors 211 and 212 and the fuel electrode 12, and the interconnectors 211 and 212 and air A current collecting member such as an Inconel fiber mesh layer 32 for electrically connecting the electrode 13 is provided.

また、図6のような扁平円筒型の固体電解質形燃料電池セル1012を用いて固体電解質形燃料電池を形成することもできる。この燃料電池は、図7のように、複数の扁平円筒型のセル1012が、インターコネクタ213を介して接続されて形成されている。この燃料電池は、電池構造にもよるが、図8のように、各々のセルの端部において固体電解質層11の周縁部を隔離部材22(図7のような扁平円筒型の場合、以下、燃料ガス導入兼隔離部材224という。)に接合して接合層14を形成し、これによって各々のセルを固定することができる。また、それぞれのセルは、インターコネクタ213及びインコネル繊維メッシュ層32等の集電部材などにより電気的に接続することができる。   In addition, a solid electrolyte fuel cell can be formed using a flat cylindrical solid oxide fuel cell 1012 as shown in FIG. As shown in FIG. 7, this fuel cell is formed by connecting a plurality of flat cylindrical cells 1012 via interconnectors 213. Although this fuel cell depends on the battery structure, as shown in FIG. 8, the peripheral portion of the solid electrolyte layer 11 is separated from the periphery of the solid electrolyte layer 11 at the end of each cell (in the case of a flat cylindrical type as shown in FIG. The fuel gas introduction / separation member 224) is joined to form the joining layer 14, whereby each cell can be fixed. Each cell can be electrically connected by a current collecting member such as the interconnector 213 and the Inconel fiber mesh layer 32.

この図7の燃料電池では、セルの上部側にも下部側と同様の隔離部材(図示せず)を配設し(この隔離部材は燃料ガス排出兼隔離部材となる。)、例えば、下方の燃料ガス導入兼隔離部材224の開口部から、燃料極12に設けられた貫通孔121に燃料ガスを導入し、貫通孔121の内部を流通させ、上方の燃料ガス排出兼隔離部材の開口部から排出させることができる。一方、各々のセルの外部空間(この空間は、すべてのセルを覆う密閉容器等により形成された密閉空間である。)に支燃性ガスを導入し、流通させ、排出させることができる。このようにして、燃料電池として作動させることができる。   In the fuel cell of FIG. 7, an isolation member (not shown) similar to the lower side is disposed on the upper side of the cell (this isolation member serves as a fuel gas discharge and isolation member). From the opening of the fuel gas introduction / separation member 224, the fuel gas is introduced into the through hole 121 provided in the fuel electrode 12 and circulated through the inside of the through hole 121, from the opening of the upper fuel gas discharge / separation member. It can be discharged. On the other hand, the combustion-supporting gas can be introduced into, circulated, and discharged into the external space of each cell (this space is a sealed space formed by a sealed container or the like covering all the cells). In this way, it can be operated as a fuel cell.

また、図6の扁平円筒型のセルにおいて、前記のように、内部に空気極13、外部に燃料極12を形成する他は、同一構造のセルとした場合、電池構造にもよるが、各々のセルの端部において固体電解質層の周縁部を隔離部材である支燃性ガス導入兼隔離部材に接合して接合層を形成し、これによって各々のセルを固定することができる。更に、それぞれのセルは、インターコネクタ及びニッケルフェルト層等の集電部材などにより電気的に接続することができ、燃料電池とすることができる。この燃料電池は、空気極に設けられた貫通孔に支燃性ガスを導入し、貫通孔の内部を流通させ、上方の支燃性ガス排出兼隔離部材の開口部から排出させ、一方、各々のセルの外部に形成された密閉空間に燃料ガスを導入し、流通させ、排出させることで、上記と同様に燃料電池として作動させることができる。   In addition, in the flat cylindrical cell of FIG. 6, when the cells have the same structure except that the air electrode 13 is formed inside and the fuel electrode 12 is formed outside as described above, each cell depends on the battery structure. At the end of each cell, the peripheral edge of the solid electrolyte layer is joined to a supporting gas introducing / separating member as a separating member to form a joining layer, whereby each cell can be fixed. Furthermore, each cell can be electrically connected by a current collecting member such as an interconnector and a nickel felt layer, and a fuel cell can be obtained. This fuel cell introduces a combustion-supporting gas into a through-hole provided in the air electrode, distributes the inside of the through-hole, and discharges it from the opening of the upper combustion-supporting gas discharge / separation member, By introducing the fuel gas into the sealed space formed outside the cell, allowing it to flow, and discharging it, the fuel cell can be operated in the same manner as described above.

更に、図9のような円筒型の固体電解質形燃料電池セル1013を用いて固体電解質形燃料電池を形成することもできる。このセル1013は、隔離部材、インターコネクタ214、及びニッケルフェルト層、インコネル繊維メッシュ層等の集電部材などを用いて、セル1012の場合と同様にして燃料電池とすることができ、同様にして作動させることができる。   Furthermore, a solid electrolyte fuel cell can be formed using a cylindrical solid oxide fuel cell 1013 as shown in FIG. This cell 1013 can be made into a fuel cell in the same manner as the cell 1012 by using a separating member, an interconnector 214, and a current collecting member such as a nickel felt layer and an Inconel fiber mesh layer. Can be operated.

図1の平板型のセル1011を用いた図3〜5の燃料電池102において、インターコネクタ211、212、隔離セパレータ221、222、223、並びに後記の蓋部材23及び底部材24等のその他の部材などは、いずれもステンレス鋼等の耐熱金属により形成されている。また、それぞれのセルの間を電気的に絶縁するため、絶縁性セラミックからなるセラミック製枠体51、52、53が、積層方向の所定部分に積層されて、短絡が防止されることもある。この固体電解質形燃料電池102では、メタライズ層141と、隔離セパレータ221、222、223とが金属ロウ材により接合されて接合層14が形成されており、固体電解質層と隔離セパレータ、及び隔離セパレータとインターコネクタ、並びに金属製枠体、セラミック製枠体、蓋部材、底部材等のその他の部材間は、直接又は間接的に金属ロウ材により接合され、接合部4が形成されている。   In the fuel cell 102 of FIGS. 3 to 5 using the flat plate cell 1011 of FIG. 1, the interconnectors 211 and 212, the separator separators 221, 222 and 223, and other members such as the lid member 23 and the bottom member 24 described later. Are formed of a heat-resistant metal such as stainless steel. In addition, in order to electrically insulate the respective cells, ceramic frame bodies 51, 52, 53 made of an insulating ceramic may be laminated at predetermined portions in the lamination direction to prevent a short circuit. In this solid electrolyte fuel cell 102, the metallized layer 141 and the separator separators 221, 222, and 223 are joined by a metal brazing material to form the joint layer 14, and the solid electrolyte layer, the separator separator, and the separator separator The interconnector and other members such as a metal frame, a ceramic frame, a lid member, and a bottom member are joined directly or indirectly by a metal brazing material to form a joint 4.

更に、図6の扁平円筒型のセル1012、及び図9の円筒型のセル1013を用いた燃料電池における燃料ガス導入兼隔離部材224(図7、8参照)もステンレス鋼等の耐熱金属により形成されている。この燃料ガス導入兼隔離部材224は導電性セラミックにより形成されていてもよい。また、これらの燃料電池では、メタライズ層と燃料ガス導入兼隔離部材224等とが金属ロウ材により接合されて接合層14(図8参照)が形成されており、他部材の間の所要個所が直接又は間接的に金属ロウ材により接合され、接合部が形成されている。   Further, the fuel gas introduction / separation member 224 (see FIGS. 7 and 8) in the fuel cell using the flat cylindrical cell 1012 of FIG. 6 and the cylindrical cell 1013 of FIG. 9 is also formed of a heat-resistant metal such as stainless steel. Has been. The fuel gas introduction / separation member 224 may be formed of a conductive ceramic. In these fuel cells, the metallized layer and the fuel gas introduction / separation member 224 are joined by a metal brazing material to form a joining layer 14 (see FIG. 8). Directly or indirectly joined by a metal brazing material to form a joint.

各種セパレータ及びインターコネクタ等を構成する耐熱金属は特に限定されず、ステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金等が挙げられる。ステンレス鋼としては、フェライト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼が挙げられる。フェライト系ステンレス鋼としては、SUS430、SUS434、SUS405等が挙げられる。マルテンサイト系ステンレス鋼としては、SUS403、SUS410、SUS431等が挙げられる。オーステナイト系ステンレス鋼としては、SUS201、SUS301、SUS305等が挙げられる。更に、ニッケル基合金としては、インコネル600、インコネル718、インコロイ802等が挙げられる。クロム基合金としては、Ducrlloy CRF(94質量%Cr−5質量%Fe−1質量%Y)等が挙げられる。これらの各種の金属は、それぞれ固体電解質形燃料電池の構造等によって選択することができる。 The heat-resistant metal constituting the various separators and interconnectors is not particularly limited, and examples include stainless steel, nickel-base alloy, and chromium-base alloy. Examples of the stainless steel include ferritic stainless steel, martensitic stainless steel, and austenitic stainless steel. Examples of ferritic stainless steel include SUS430, SUS434, and SUS405. Examples of martensitic stainless steel include SUS403, SUS410, and SUS431. Examples of austenitic stainless steel include SUS201, SUS301, and SUS305. Further, examples of the nickel-based alloy include Inconel 600, Inconel 718, Incoloy 802, and the like. The chromium-based alloys, Ducrlloy CRF (94 wt% Cr-5 wt% Fe-1 wt% Y 2 O 3), and the like. These various metals can be selected according to the structure of the solid oxide fuel cell.

各種セパレータ等は導電性セラミックにより形成されていてもよく、この導電性セラミックとしては、LaCrO系、MTiO系(Mは金属元素であり、このMはSr、Ca、Ba等のアルカリ土類金属である。)などが挙げられる。これらの各種の導電性セラミックは、それぞれ固体電解質形燃料電池の構造等によって選択することができる。 Various separators and the like may be formed of a conductive ceramic. Examples of the conductive ceramic include LaCrO 3 and MTiO 3 (M is a metal element, and M is an alkaline earth such as Sr, Ca, Ba, etc. Metal)). These various conductive ceramics can be selected according to the structure of the solid oxide fuel cell, respectively.

更に、セラミック製枠体51、52、53も絶縁性を有しておればよく、特に限定されないが、MgO、MgAl、ZrO及びAl並びにこれらの混合物等が用いられることが多い。 Furthermore, the ceramic frame bodies 51, 52, and 53 need only have insulating properties, and are not particularly limited, but MgO, MgAl 2 O 4 , ZrO 2, Al 2 O 3 , a mixture thereof, and the like are used. There are many.

金属ロウ材も特に限定されず、Ni系金属ロウ材(以下、「Ni系ロウ材」という。)及びAg系金属ロウ材(以下、「Ag系ロウ材」という。)等を用いることができる。この金属ロウ材としては、より耐熱性に優れるNi系ロウ材が好ましい。このNi系ロウ材としては、NiとB又はPとを含有し、このNi系ロウ材を100質量%とした場合に、Niの含有量が60質量%以上であるものを用いることができる。このNiの含有量は70質量%以上とすることができ、80質量%以上とすることもできる(Bを含有するときは、通常、95質量%以下であり、Pを含有するときは、通常、85質量%以下である。)。Niの含有量が60質量%以上であれば、十分に耐熱性の高いNi系ロウ材とすることができ、運転温度が800℃程度である場合に、900℃近くに昇温する部分があっても、更には800〜1000℃のより高温で運転させる場合であっても耐えられる固体電解質形燃料電池とすることができる。   The metal brazing material is not particularly limited, and a Ni-based metal brazing material (hereinafter referred to as “Ni-based brazing material”), an Ag-based metal brazing material (hereinafter referred to as “Ag-based brazing material”), and the like can be used. . As this metal brazing material, a Ni-based brazing material having better heat resistance is preferable. As this Ni-based brazing material, one containing Ni and B or P, and when the Ni-based brazing material is 100 mass%, a Ni content of 60 mass% or more can be used. The Ni content can be 70% by mass or more, and can be 80% by mass or more (when B is contained, it is usually 95% by mass or less, and when P is contained, it is usually 85 mass% or less). If the Ni content is 60% by mass or more, a sufficiently heat-resistant Ni-based brazing material can be obtained, and when the operating temperature is about 800 ° C, there is a portion where the temperature rises to near 900 ° C. However, it is possible to obtain a solid oxide fuel cell that can withstand even when operated at a higher temperature of 800 to 1000 ° C.

Ni系ロウ材にはNiの他にB又はPが含有されていてもよい。B又はPを含有することで、流動性が向上し、メタライズ層141と隔離セパレータ22との間等を十分に密着させることができ、接合強度をより大きくすることができる。B又はPの含有量は特に限定されないが、金属ロウ材を100質量%とした場合に、Bの場合は1〜5質量%、特に1.5〜4質量%、更に2〜3.5質量%とすることができる。Bの含有量が1〜5質量%であれば、Ni系ロウ材の流動性を十分に高くすることができる。また、Pの場合は5〜15質量%、特に6.5〜13.5質量%、更に8〜12質量%とすることができる。Pの含有量が5〜15質量%であれば、Ni系ロウ材の流動性を十分に高くすることができる。   The Ni-based brazing material may contain B or P in addition to Ni. By containing B or P, the fluidity is improved, the metallized layer 141 and the isolation separator 22 can be sufficiently adhered, and the bonding strength can be further increased. The content of B or P is not particularly limited, but when the metal brazing material is 100% by mass, in the case of B, 1 to 5% by mass, particularly 1.5 to 4% by mass, and further 2 to 3.5% by mass. %. If the content of B is 1 to 5% by mass, the flowability of the Ni-based brazing material can be sufficiently increased. Moreover, in the case of P, it can be 5-15 mass%, Especially 6.5-13.5 mass%, Furthermore, it can be 8-12 mass%. If the content of P is 5 to 15% by mass, the flowability of the Ni-based brazing material can be sufficiently increased.

Ni系ロウ材には、Ni及びB又はPの他に更にCrが含有されていてもよい。適量のCrを含有することにより、Ni系ロウ材の耐熱性をより高くすることができる。Crの含有量は特に限定されないが、Ni系ロウ材を100質量%とした場合に、5〜20質量%、特に10〜18質量%、更に12〜16質量%とすることができる。Crの含有量が8〜20質量%であれば、Ni系ロウ材の耐熱性を十分に高くすることができる。   In addition to Ni and B or P, the Ni brazing material may further contain Cr. By containing an appropriate amount of Cr, the heat resistance of the Ni-based brazing material can be further increased. The content of Cr is not particularly limited, but can be 5 to 20% by mass, particularly 10 to 18% by mass, and further 12 to 16% by mass when the Ni brazing material is 100% by mass. If the content of Cr is 8 to 20% by mass, the heat resistance of the Ni-based brazing material can be sufficiently increased.

金属ロウ材としてはAg系ロウ材を用いることもできる。このAg系ロウ材には通常Pdが含有され、AgとPdとの合計を100質量%とした場合に、Pdは2〜10質量%、特に3〜7質量%含有される。Pdの含有量が2〜10質量%であれば、耐酸化性等に優れるAg系ロウ材とすることができ、十分な耐久性を有する接合部を形成することができる。更に、接合時にAg系ロウ材が十分に流動し、接合部のシール性を向上させることができる。   An Ag-based brazing material can also be used as the metal brazing material. This Ag-based brazing material usually contains Pd. When the total amount of Ag and Pd is 100% by mass, Pd is contained in an amount of 2 to 10% by mass, particularly 3 to 7% by mass. If the content of Pd is 2 to 10% by mass, an Ag-based brazing material excellent in oxidation resistance and the like can be obtained, and a joint portion having sufficient durability can be formed. Furthermore, the Ag-based brazing material flows sufficiently at the time of joining, and the sealing performance of the joined portion can be improved.

Ag系ロウ材には更にCuが含有されていてもよい。Cuが含有されている場合のAg、Pd及びCuの各々の含有量は特に限定されないが、Ag、Pd及びCuの合計を100質量%とした場合に、Agの含有量は45〜65質量%、特に50〜60質量%、Pdの含有量は15〜35質量%、特に20〜30質量%、Cuの含有量は10〜30質量%、特に15〜25質量%であることが好ましい。Cuが含有されている場合、含有されていないAg系ロウ材に比べてより多量のPdを含有していても、十分な流動性を有し、優れたシール性が維持される。また、AgとCuの合計は65質量%以上であることが好ましく、即ち、Pdの含有量が35質量%以下であれば、Ag系ロウ材が十分に流動し、接合部のシール性を向上させることができる。   The Ag-based brazing material may further contain Cu. The content of each of Ag, Pd and Cu when Cu is contained is not particularly limited, but when the total of Ag, Pd and Cu is 100% by mass, the content of Ag is 45 to 65% by mass. In particular, it is preferable that the content of Pd is 50 to 60% by mass, the content of Pd is 15 to 35% by mass, particularly 20 to 30% by mass, and the content of Cu is 10 to 30% by mass, and particularly 15 to 25% by mass. When Cu is contained, even if it contains a larger amount of Pd than an Ag-based brazing material that does not contain Cu, it has sufficient fluidity and maintains excellent sealing properties. The total of Ag and Cu is preferably 65% by mass or more, that is, if the Pd content is 35% by mass or less, the Ag-based brazing material flows sufficiently and improves the sealing performance of the joint. Can be made.

Ag系ロウ材には更にTiが含有されていてもよい。適量のTiを含有することにより、接合温度が比較的低い場合でも、特に大きな接合強度が得られる。このTiの含有量は、Ag、Pd及びTiの合計を100質量%とした場合に、又はCuが含有されているときは、Ag、Pd、Cu及びTiの合計を100質量%とした場合に、0.05〜10質量%であることが好ましく、特に0.05〜8質量%、更に0.05〜6質量%であることがより好ましい。Tiの含有量が0.05〜10質量%であれば、接合雰囲気が酸素分圧の低い雰囲気であっても、実用上、十分な強度を有する接合部を形成することができる。   The Ag-based brazing material may further contain Ti. By containing an appropriate amount of Ti, particularly high bonding strength can be obtained even when the bonding temperature is relatively low. The content of Ti is when the total of Ag, Pd and Ti is 100% by mass, or when Cu is contained, the total of Ag, Pd, Cu and Ti is 100% by mass. 0.05 to 10% by mass, particularly 0.05 to 8% by mass, and more preferably 0.05 to 6% by mass. When the Ti content is 0.05 to 10% by mass, a bonding portion having practically sufficient strength can be formed even if the bonding atmosphere is an atmosphere having a low oxygen partial pressure.

尚、Ni系ロウ材の熱膨張率は、組成にもよるが、(11〜14)×10−6/℃である。一方、Ag系ロウ材の熱膨張率は、通常、(16〜20)×10−6/℃である。更に、各種セパレータ等として用いられることが多いステンレス鋼の熱膨張率は(12〜17)×10−6/℃であり、固体電解質層となるZrO系、CeO系等のセラミックの熱膨張率は(10〜11.5)×10−6/℃である。このように、Ni系ロウ材の熱膨張率と、ステンレス鋼及びセラミックの各々の熱膨張率との差は、Ag系ロウ材の熱膨張率と、ステンレス鋼及びセラミックのそれぞれの熱膨張率との差より小さい。従って、Ni系ロウ材を用いた場合は、熱応力がより緩和され易く、より良好な接合状態が維持される。 The thermal expansion coefficient of the Ni-based brazing material is (11-14) × 10 −6 / ° C., although it depends on the composition. On the other hand, the thermal expansion coefficient of the Ag-based brazing material is usually (16 to 20) × 10 −6 / ° C. Furthermore, the thermal expansion coefficient of stainless steel, which is often used as various separators, is (12 to 17) × 10 −6 / ° C., and the thermal expansion of ceramics such as ZrO 2 -based and CeO 2 -based materials that become solid electrolyte layers The rate is (10 to 11.5) × 10 −6 / ° C. Thus, the difference between the thermal expansion coefficient of the Ni-based brazing material and the thermal expansion coefficient of each of the stainless steel and the ceramic is that the thermal expansion coefficient of the Ag-based brazing material and each of the thermal expansion coefficients of the stainless steel and the ceramic are Less than the difference. Therefore, when the Ni-based brazing material is used, the thermal stress is more easily relaxed, and a better bonded state is maintained.

Ni系ロウ材及びAg系ロウ材には、上記の各種の金属の他に、接合強度及びガスシール性等が低下しない範囲で他の金属が含有されていてもよい。そのような金属としてはSn、In、Nb等が挙げられる。これらの他の金属は、Ni系ロウ材及びAg系ロウ材の各々を100質量部とした場合に、10質量部以下、特に0.1〜10質量部、更には0.5〜5質量部含有させることができる。   The Ni-based brazing material and the Ag-based brazing material may contain other metals in addition to the above-described various metals as long as the bonding strength, gas sealability, and the like are not deteriorated. Examples of such metals include Sn, In, and Nb. These other metals are 10 parts by mass or less, particularly 0.1 to 10 parts by mass, and further 0.5 to 5 parts by mass, when each of the Ni-based brazing material and the Ag-based brazing material is 100 parts by mass. It can be included.

固体電解質形燃料電池において、各々のセルは、強度の観点から過度に薄層又は扁平なものとすることは好ましくない。そこで、固体電解質層を厚くしてセル全体の強度を高める自立型とすることができる。一方、発電性能の観点では固体電解質層を厚くすることは好ましくなく、この場合、燃料極支持型とすることができ、この燃料極支持型では、燃料極は固体電解質層の20倍以上の厚さであることが好ましい。20倍未満であるとセルの機械的強度が低下する傾向にある。燃料電池が、特に、平板型である場合、この燃料極の厚さは200〜3000μm、特に500〜2000μmであることが好ましい。200μm未満であると基板として有効に機能せず、3000μmを越えると、体積当たりの発電効率が低下する傾向にある。一方、下記のように空気極支持型とすることもでき、この場合は、燃料極の厚さは、10〜50μm、特に20〜40μmであることが好ましい。この厚さが10〜50μmであれば、電極として十分に機能し、50μmを越えて厚くする必要はない。   In the solid oxide fuel cell, it is not preferable that each cell be excessively thin or flat from the viewpoint of strength. Therefore, the solid electrolyte layer can be thickened to be a self-supporting type that increases the strength of the entire cell. On the other hand, it is not preferable to increase the thickness of the solid electrolyte layer from the viewpoint of power generation performance. In this case, the fuel electrode support type can be used, and in this fuel electrode support type, the fuel electrode is 20 times thicker than the solid electrolyte layer. It is preferable. If it is less than 20 times, the mechanical strength of the cell tends to decrease. In particular, when the fuel cell is a flat plate type, the thickness of the fuel electrode is preferably 200 to 3000 μm, particularly 500 to 2000 μm. If it is less than 200 μm, it will not function effectively as a substrate, and if it exceeds 3000 μm, the power generation efficiency per volume tends to decrease. On the other hand, an air electrode support type can also be used as described below. In this case, the thickness of the fuel electrode is preferably 10 to 50 μm, particularly preferably 20 to 40 μm. If this thickness is 10 to 50 μm, it functions sufficiently as an electrode and does not need to be thicker than 50 μm.

固体電解質形燃料電池では、空気極をセルの強度を支持する基板として形成することもできる。このように空気極支持型である場合は、空気極の厚さは固体電解質層の20倍以上の厚さであることが好ましい。20倍未満であるとセルの機械的強度が低下する傾向にある。燃料電池が、特に、平板型である場合、この空気極の厚さは200〜3000μm、特に500〜2000μmであることが好ましい。200μm未満であると基板として有効に機能せず、3000μmを越えると、体積当たりの発電効率が低下する傾向にある。一方、燃料極支持型である場合は、空気極の厚さは10〜100μm、特に20〜50μmであることが好ましい。10μm未満であると電極として十分に機能しないことがあり、100μmを越えると固体電解質層から剥離することがある。   In a solid oxide fuel cell, the air electrode can also be formed as a substrate that supports the strength of the cell. Thus, when it is an air electrode support type, it is preferable that the thickness of an air electrode is 20 times or more the thickness of a solid electrolyte layer. If it is less than 20 times, the mechanical strength of the cell tends to decrease. In particular, when the fuel cell is a flat plate type, the thickness of the air electrode is preferably 200 to 3000 μm, particularly 500 to 2000 μm. If it is less than 200 μm, it will not function effectively as a substrate, and if it exceeds 3000 μm, the power generation efficiency per volume tends to decrease. On the other hand, in the case of the fuel electrode support type, the thickness of the air electrode is preferably 10 to 100 μm, particularly preferably 20 to 50 μm. When the thickness is less than 10 μm, the electrode may not function sufficiently, and when the thickness exceeds 100 μm, the solid electrolyte layer may be peeled off.

[2]固体電解質形燃料電池の製造方法
固体電解質形燃料電池を製造する方法は特に限定されないが、例えば、本発明、本発明の他の、及び本発明の更に他の固体電解質形燃料電池の製造方法により製造することができる。
(1)本発明の固体電解質形燃料電池の製造方法
本発明の固体電解質形燃料電池の製造方法は、未焼成空気極又は未焼成燃料極と未焼成固体電解質層の一面とを積層する積層工程と、未焼成固体電解質層の他面の周縁部に、還元性金属酸化物及び非還元性金属酸化物を含有するメタライズ塗膜を形成する塗膜形成工程と、未焼成空気極又は該未焼成燃料極と未焼成固体電解質層とメタライズ塗膜とを一体に焼成する同時焼成工程と、未焼成固体電解質層が焼成されてなる固体電解質層11の他面に未焼成燃料極又は未焼成空気極を形成し、その後、焼成して燃料極12又は空気極13を作製する燃料極又は空気極作製工程と、メタライズ塗膜が焼成されてなるメタライズ層141に含有される還元性金属酸化物を還元して金属を生成させる還元工程と、メタライズ層141と隔離部材22とを金属ロウ材により接合する接合工程と、をこの順に備える。
[2] Method for Producing Solid Electrolyte Fuel Cell The method for producing the solid electrolyte fuel cell is not particularly limited. For example, the solid electrolyte fuel cell of the present invention, other of the present invention, and still another solid oxide fuel cell of the present invention is used. It can be manufactured by a manufacturing method.
(1) Manufacturing method of solid electrolyte fuel cell of this invention The manufacturing method of the solid electrolyte fuel cell of this invention is a lamination process which laminates | stacks a non-baking air electrode or a non-baking fuel electrode, and one side of a non-baking solid electrolyte layer. And a coating film forming step for forming a metallized coating film containing a reducing metal oxide and a non-reducing metal oxide on the peripheral edge of the other surface of the unsintered solid electrolyte layer, and a non-sintered air electrode or the unsintered A simultaneous firing step in which the fuel electrode, the unfired solid electrolyte layer, and the metallized coating film are integrally fired, and the unfired fuel electrode or unfired air electrode on the other surface of the solid electrolyte layer 11 obtained by firing the unfired solid electrolyte layer. And then firing to produce the fuel electrode 12 or the air electrode 13 and the reducing metal oxide contained in the metallized layer 141 obtained by firing the metallized coating film. To generate metal The original process and the joining process which joins the metallization layer 141 and the isolation member 22 with a metal brazing material are provided in this order.

(A)未焼成燃料極又は未焼成空気極及び未焼成固体電解質層の形成
未焼成燃料極を形成する方法は特に限定されない。例えば、Ni及びFe等の金属の酸化物粉末とジルコニア系セラミック等のセラミック粉末との混合粉末、各種の金属粉末、及び金属粉末とセラミック粉末との混合粉末などを含有するスラリーを、樹脂シート、ゴムシート及びガラス等の支持材の表面に塗布し、その後、乾燥し、更に必要に応じて加熱し、スラリーに有機バインダ等が含有される場合は、この有機バインダ等を除去することにより形成することができる。また、未焼成空気極を形成する方法も特に限定されない。例えば、各種の金属粉末、金属酸化物粉末、金属複酸化物粉末等を含有するスラリーを、樹脂シート、ゴムシート及びガラス等の支持材の表面に塗布し、その後、乾燥し、更に必要に応じて加熱し、スラリーに有機バインダ等が含有される場合は、この有機バインダ等を除去することにより形成することができる。更に、未焼成固体電解質層を形成する方法も特に限定されない。例えば、固体電解質であるセラミック粉末等を含有するスラリーを樹脂シート、ゴムシート及びガラス等の支持材の表面に塗布し、その後、乾燥し、更に必要に応じて加熱し、スラリーに有機バインダ等が含有される場合は、この有機バインダ等を除去することにより形成することができる。
(A) Formation of unsintered fuel electrode or unsintered air electrode and unsintered solid electrolyte layer The method for forming the unsintered fuel electrode is not particularly limited. For example, a slurry containing a mixed powder of a metal oxide powder such as Ni and Fe and a ceramic powder such as a zirconia-based ceramic, various metal powders, and a mixed powder of a metal powder and a ceramic powder, a resin sheet, It is applied to the surface of a support material such as a rubber sheet and glass, then dried, and further heated as necessary. When the slurry contains an organic binder or the like, it is formed by removing the organic binder or the like. be able to. Further, the method for forming the unfired air electrode is not particularly limited. For example, a slurry containing various metal powders, metal oxide powders, metal double oxide powders, etc. is applied to the surface of a support material such as a resin sheet, rubber sheet and glass, and then dried, and further if necessary When the slurry contains an organic binder or the like, the slurry can be formed by removing the organic binder or the like. Furthermore, the method for forming the unfired solid electrolyte layer is not particularly limited. For example, a slurry containing ceramic powder that is a solid electrolyte is applied to the surface of a support material such as a resin sheet, a rubber sheet, and glass, then dried and further heated as necessary, and an organic binder or the like is added to the slurry. When contained, it can be formed by removing the organic binder and the like.

(B)積層工程
上記「積層工程」で、未焼成燃料極又は未焼成空気極と、未焼成固体電解質層の一面とを積層する方法も特に限定されない。例えば、自立型では、未焼成固体電解質層に、上記の未焼成燃料極用のスラリー又は未焼成空気極用のスラリーを塗布し、その後、乾燥し、更に必要に応じて加熱することにより積層することができる。更に、燃料極支持型又は空気極支持型では、未焼成燃料極又は未焼成空気極に、上記の未焼成固体電解質用のスラリーを塗布し、その後、乾燥し、更に必要に応じて加熱することにより積層することができる。また、自立型では、未焼成燃料極又は未焼成空気極は、上記のスラリーを用いて予め未焼成燃料極又は未焼成空気極となるシートを形成し、このシートを、未焼成固体電解質層に積層して設けることもできる。更に、燃料極支持型又は空気極支持型では、未焼成固体電解質層は、上記のスラリーを用いて予め未焼成固体電解質層となるシートを形成し、このシートを、未焼成燃料極又は未焼成空気極に積層して設けることもできる。
(B) Lamination process The method of laminating the unfired fuel electrode or unfired air electrode and one surface of the unfired solid electrolyte layer in the “lamination process” is not particularly limited. For example, in the self-supporting type, the above-described unfired fuel electrode slurry or unfired air electrode slurry is applied to the unfired solid electrolyte layer, then dried, and further laminated by heating as necessary. be able to. Furthermore, in the fuel electrode support type or the air electrode support type, the slurry for the unfired solid electrolyte is applied to the unfired fuel electrode or the unfired air electrode, then dried, and further heated as necessary. Can be laminated. In the self-supporting type, the unfired fuel electrode or unfired air electrode is formed in advance by using the above slurry to form a sheet that becomes the unfired fuel electrode or unfired air electrode, and this sheet is used as the unfired solid electrolyte layer. It can also be provided by stacking. Further, in the fuel electrode support type or the air electrode support type, the unsintered solid electrolyte layer forms a sheet that becomes the unsintered solid electrolyte layer in advance using the slurry, and this sheet is formed into the unsintered fuel electrode or unsintered body. It can also be provided by being laminated on the air electrode.

(C)塗膜形成工程
上記「塗膜形成工程」で、メタライズ塗膜を形成する方法も特に限定されない。例えば、NiO等の還元性金属酸化物粉末とZrO等の非還元性金属酸化物粉末とを含有するスラリーを、未焼成固体電解質層の他面の周縁部に塗布し、その後、乾燥し、更に必要に応じて加熱することにより形成することができる。塗布方法は特に限定されず、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、スキージ法、スピンコート法等の各種の方法が挙げられる。
(C) Coating film formation process The method of forming a metallized coating film in the above "coating film formation process" is not particularly limited. For example, a slurry containing a reducing metal oxide powder such as NiO and a non-reducing metal oxide powder such as ZrO 2 is applied to the peripheral edge of the other surface of the unfired solid electrolyte layer, and then dried. Furthermore, it can form by heating as needed. The coating method is not particularly limited, and various methods such as a screen printing method, a doctor blade method, a squeegee method, and a spin coating method can be used.

(D)同時焼成工程
上記「同時焼成工程」は、未焼成燃料極又は未焼成空気極と、未焼成固体電解質層と、メタライズ塗膜とを、一体に焼成する工程であり、この同時焼成により、燃料極12又は空気極13、固体電解質層11及びメタライズ層141が形成される。この同時焼成の焼成温度は用いる原料粉末の種類等にもよるが、前記の各種の原料を用いる場合で、未焼成燃料極が同時焼成されるときは、1250〜1500℃、特に1250〜1450℃、更に1300〜1450℃とすることが好ましい。焼成温度が1250〜1500℃であれば、各々の未焼成体を十分に焼結させることができる。一方、未焼成空気極が同時焼成されるときは、800〜1300℃、特に800〜1250℃、更に800〜1200℃とすることが好ましい。
尚、焼成温度を保持する時間は、焼成温度にもよるが、30分〜5時間、特に30分〜3時間とすることができる。また、焼成雰囲気は、通常、大気雰囲気等の酸化雰囲気である。
(D) Co-firing step The "co-firing step" is a step of firing the unfired fuel electrode or unfired air electrode, the unfired solid electrolyte layer, and the metallized coating film integrally. The fuel electrode 12 or the air electrode 13, the solid electrolyte layer 11, and the metallized layer 141 are formed. Although the firing temperature of this co-firing depends on the type of raw material powder used, etc., when the above-mentioned various raw materials are used and the unfired fuel electrode is co-fired, it is 1250 to 1500 ° C., particularly 1250 to 1450 ° C. Furthermore, it is preferable to set it as 1300-1450 degreeC. If a calcination temperature is 1250-1500 degreeC, each unbaking body can fully be sintered. On the other hand, when the unfired air electrode is co-fired, it is preferably 800 to 1300 ° C, particularly preferably 800 to 1250 ° C, and more preferably 800 to 1200 ° C.
In addition, although it depends on the firing temperature, the time for maintaining the firing temperature can be 30 minutes to 5 hours, particularly 30 minutes to 3 hours. The firing atmosphere is usually an oxidizing atmosphere such as an air atmosphere.

(E)燃料極又は空気極作製工程
上記「燃料極又は空気極作製工程」で、未焼成燃料極又は未焼成空気極を形成する方法は前記(A)の通りである。塗布方法は特に限定されず、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、スキージ法、スピンコート法等の各種の方法が挙げられる。また、未焼成燃料極又は未焼成空気極の焼成条件は前記(D)の通りである。尚、この未焼成燃料極又は未焼成空気極の焼成は、可能な範囲で低温とすることが好ましく、より低温で焼成することにより、未焼成体が既に焼成されて形成されている燃料極12又は空気極13等が、この焼成により過度に緻密化されることがなく、燃料極12及び空気極13におけるガス拡散が損なわれることもない。
(E) Fuel electrode or air electrode production process The method for forming an unfired fuel electrode or an unfired air electrode in the above "fuel electrode or air electrode production process" is as described in (A) above. The coating method is not particularly limited, and various methods such as a screen printing method, a doctor blade method, a squeegee method, and a spin coating method can be used. The firing conditions for the unfired fuel electrode or the unfired air electrode are as described in (D) above. The unfired fuel electrode or unfired air electrode is preferably fired at a low temperature as much as possible. By firing at a lower temperature, the unfired body is already fired to form the fuel electrode 12. Alternatively, the air electrode 13 or the like is not excessively densified by the firing, and gas diffusion in the fuel electrode 12 and the air electrode 13 is not impaired.

(F)還元工程
上記「還元工程」は、メタライズ層141に含有される還元性金属酸化物を還元して金属を生成させる工程であり、還元方法は、メタライズ層141が接合性を向上させる層として機能し、且つ非還元性金属酸化物が還元されなければよく、特に限定されない。この還元性金属酸化物は、温度が500〜1000℃であり、且つ0.01〜7質量%の水素を含有し、残部が窒素又は不活性ガスである雰囲気において還元することができる。この温度は550〜950℃、特に600〜850℃、更に650〜750℃とすることが好ましい。また、還元雰囲気における水素の含有量は、0.05〜5質量%、特に0.1〜4質量%、更に0.5〜3質量%であることが好ましい。更に、温度が550〜950℃であり、且つ水素の含有量が0.5〜5質量%であることが好ましく、温度が600〜850℃であり、且つ水素の含有量が0.1〜4質量%であることがより好ましく、温度が650〜750℃であり、且つ水素の含有量が0.5〜3質量%であることが特に好ましい。
(F) Reduction Step The “reduction step” is a step of reducing the reducible metal oxide contained in the metallized layer 141 to generate a metal, and the reduction method is a layer in which the metallized layer 141 improves the bondability. And the non-reducing metal oxide is not particularly limited and is not particularly limited. The reducing metal oxide can be reduced in an atmosphere having a temperature of 500 to 1000 ° C. and containing 0.01 to 7% by mass of hydrogen, with the balance being nitrogen or an inert gas. This temperature is preferably 550 to 950 ° C, particularly 600 to 850 ° C, and more preferably 650 to 750 ° C. Further, the hydrogen content in the reducing atmosphere is preferably 0.05 to 5% by mass, particularly 0.1 to 4% by mass, and more preferably 0.5 to 3% by mass. Furthermore, the temperature is preferably 550 to 950 ° C., and the hydrogen content is preferably 0.5 to 5% by mass, the temperature is 600 to 850 ° C., and the hydrogen content is 0.1 to 4%. It is more preferable that the mass is mass%, the temperature is 650 to 750 ° C., and the hydrogen content is particularly preferably 0.5 to 3 mass%.

(G)接合工程
上記「接合工程」は、メタライズ層141と隔離部材22とを接合する工程である。このメタライズ層141と隔離部材22とは、前記の金属ロウ材を用いて接合することができる。接合の際の雰囲気は酸素分圧の低い雰囲気であれば特に限定されず、真空雰囲気、窒素雰囲気及びアルゴン雰囲気等とすることができる。金属ロウ材を用いる場合、接合雰囲気は酸素分圧の低い雰囲気であることが好ましく、そのような接合雰囲気であれば接合強度を大きく向上させることができる。一方、接合雰囲気の酸素分圧は空気極が分解しない程度に低いことが好ましい。接合の際の雰囲気における酸素分圧は特に限定されないが、10〜10−15Pa、特に10〜10−10Paであることが好ましい。
(G) Joining Step The “joining step” is a step of joining the metallized layer 141 and the isolation member 22 together. The metallized layer 141 and the separating member 22 can be joined using the metal brazing material. The atmosphere during the bonding is not particularly limited as long as the atmosphere has a low oxygen partial pressure, and may be a vacuum atmosphere, a nitrogen atmosphere, an argon atmosphere, or the like. When the metal brazing material is used, the bonding atmosphere is preferably an atmosphere having a low oxygen partial pressure. With such a bonding atmosphere, the bonding strength can be greatly improved. On the other hand, it is preferable that the oxygen partial pressure of the bonding atmosphere is low enough not to decompose the air electrode. The oxygen partial pressure in the atmosphere during bonding is not particularly limited, but is preferably 10 to 10 −15 Pa, particularly preferably 10 to 10 −10 Pa.

金属ロウ材によってメタライズ層141と隔離部材22とを接合する際の温度は特に限定されないが、金属ロウ材の固相点温度以上で、且つ液相点温度を100℃越える温度以下とすることが好ましい。金属ロウ材の固相点温度以上の温度で接合すれば、金属ロウ材が融解し、メタライズ層141と隔離部材22との間に十分に流動し、これらを密着させることができる。また、特に金属ロウ材の液相点温度を越える温度で接合した場合は、より安定した十分なシール性及び接合強度が維持され、容易に剥離することがない。   The temperature at which the metallized layer 141 and the isolation member 22 are joined with the metal brazing material is not particularly limited, but the temperature is not lower than the solid phase temperature of the metal brazing material and not higher than the temperature exceeding the liquid phase temperature of 100 ° C. preferable. If the bonding is performed at a temperature equal to or higher than the solidus temperature of the metal brazing material, the metal brazing material is melted and sufficiently flows between the metallized layer 141 and the separating member 22 and can be brought into close contact with each other. In particular, when bonding is performed at a temperature exceeding the liquidus temperature of the metal brazing material, more stable and sufficient sealing properties and bonding strength are maintained, and they do not easily peel off.

また、メタライズ層141と隔離部材22とを接合する際の雰囲気は酸素分圧の低い雰囲気であれば特に限定されず、真空雰囲気、窒素雰囲気及びアルゴン雰囲気等とすることができる。金属ロウ材を用いる場合、接合雰囲気は酸素分圧の低い雰囲気であることが好ましく、そのような接合雰囲気であれば接合強度を大きく向上させることができる。一方、接合雰囲気の酸素分圧は空気極が分解しない程度に低いことが好ましい。接合の際の雰囲気における酸素分圧は特に限定されないが、10〜10−15Pa、特に10〜10−10Paであることが好ましい。 Moreover, the atmosphere at the time of joining the metallized layer 141 and the isolation member 22 is not particularly limited as long as the atmosphere has a low oxygen partial pressure, and may be a vacuum atmosphere, a nitrogen atmosphere, an argon atmosphere, or the like. When the metal brazing material is used, the bonding atmosphere is preferably an atmosphere having a low oxygen partial pressure. With such a bonding atmosphere, the bonding strength can be greatly improved. On the other hand, it is preferable that the oxygen partial pressure of the bonding atmosphere is low enough not to decompose the air electrode. The oxygen partial pressure in the atmosphere during bonding is not particularly limited, but is preferably 10 to 10 −15 Pa, particularly preferably 10 to 10 −10 Pa.

(2)本発明の他の固体電解質形燃料電池の製造方法
本発明の他の固体電解質形燃料電池の製造方法は、未焼成固体電解質層を焼成して固体電解質層11を作製する固体電解質層作製工程と、固体電解質層11の一面に未焼成空気極又は未焼成燃料極を設け、且つ未焼成固体電解質層の他面の周縁部に、還元性金属酸化物と非還元性金属酸化物とを含有するメタライズ塗膜を形成する未焼成空気極又は未焼成燃料極・メタライズ塗膜形成工程と、未焼成空気極又は未焼成燃料極とメタライズ塗膜とを焼成する焼成工程と、固体電解質層11の他面に未焼成燃料極又は未焼成空気極を形成し、その後、焼成して燃料極12又は空気極13を作製する燃料極又は空気極作製工程と、メタライズ塗膜が焼成されてなるメタライズ層141に含有される該還元性金属酸化物を還元して上記金属を生成させる還元工程と、メタライズ層141と隔離部材22とを金属ロウ材により接合する接合工程と、をこの順に備える。
(2) Other Solid Electrolyte Fuel Cell Manufacturing Method of the Present Invention Another solid electrolyte fuel cell manufacturing method of the present invention is a solid electrolyte layer in which a solid electrolyte layer 11 is produced by firing an unfired solid electrolyte layer. A non-reduced metal oxide and a non-reducible metal oxide provided on the peripheral portion of the other side of the non-fired solid electrolyte layer by providing a non-fired air electrode or a non-fired fuel electrode on one surface of the solid electrolyte layer 11; An unsintered air electrode or an unsintered fuel electrode / metallized coating film forming step, a firing step of firing the unsintered air electrode or unsintered fuel electrode and the metallized coating film, and a solid electrolyte layer An unfired fuel electrode or an unfired air electrode is formed on the other surface of the fuel electrode 11 and then fired to produce a fuel electrode 12 or an air electrode 13, and a metallized coating film is fired. Contained in the metallized layer 141 A reducing step of reducing the reducing metal oxide to produce the metal, and a joining step of joining the metallized layer 141 and the separating member 22 with a metal brazing material in this order.

(a)固体電解質層作製工程
上記「固体電解質層作製工程」で、未焼成固体電解質層を焼成することにより固体電解質層11を作製することができる。
未焼成固体電解質層を形成する方法は特に限定されない。例えば、ジルコニア系セラミック等のセラミック粉末を含有するスラリーを、樹脂シート、ゴムシート及びガラス等の支持材の表面に塗布し、その後、乾燥し、更に必要に応じて加熱し、スラリーに有機バインダ等が含有される場合は、この有機バインダ等を除去することにより形成することができる。塗布方法は特に限定されず、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、スキージ法、スピンコート法等の各種の方法が挙げられる。
(A) Solid Electrolyte Layer Preparation Step In the “solid electrolyte layer preparation step”, the solid electrolyte layer 11 can be prepared by baking the unfired solid electrolyte layer.
The method for forming the unfired solid electrolyte layer is not particularly limited. For example, a slurry containing ceramic powder such as zirconia-based ceramic is applied to the surface of a support material such as a resin sheet, a rubber sheet and glass, then dried, and further heated as necessary to add an organic binder to the slurry. Can be formed by removing the organic binder and the like. The coating method is not particularly limited, and various methods such as a screen printing method, a doctor blade method, a squeegee method, and a spin coating method can be used.

未焼成固体電解質層の焼成温度は用いる原料粉末の種類等にもよるが、前記の各種の原料を用いる場合は、1250〜1500℃、特に1250〜1450℃、更に1300〜1450℃とすることが好ましい。焼成温度が1250〜1500℃であれば、未焼成固体電解質層を十分に焼結させることができる。
尚、焼成温度を保持する時間は、焼成温度にもよるが、30分〜5時間、特に30分〜3時間とすることができる。また、焼成雰囲気は、通常、大気雰囲気等の酸化雰囲気である。
The firing temperature of the unsintered solid electrolyte layer depends on the type of raw material powder used, but when using the above-mentioned various raw materials, it may be set to 1250 to 1500 ° C., particularly 1250 to 1450 ° C., more preferably 1300 to 1450 ° C. preferable. When the firing temperature is 1250 to 1500 ° C., the unsintered solid electrolyte layer can be sufficiently sintered.
In addition, although it depends on the firing temperature, the time for maintaining the firing temperature can be 30 minutes to 5 hours, particularly 30 minutes to 3 hours. The firing atmosphere is usually an oxidizing atmosphere such as an air atmosphere.

(b)未焼成燃料極又は未焼成空気極・メタライズ塗膜形成工程
上記「未焼成燃料極又は未焼成空気極・メタライズ塗膜形成工程」で、未焼成燃料極又は未焼成空気極を形成する方法も特に限定されない。未焼成燃料極は、例えば、Ni及びFe等の金属の酸化物粉末とジルコニア系セラミック等のセラミック粉末との混合粉末、各種の金属粉末、及び金属粉末とセラミック粉末との混合粉末などを含有するスラリーを、固体電解質層11の一面に塗布し、その後、乾燥し、更に必要に応じて加熱し、スラリーに有機バインダ等が含有される場合は、この有機バインダ等を除去することにより形成することができる。更に、未焼成空気極は、例えば、各種の金属粉末、金属酸化物粉末、金属複酸化物粉末等を含有するスラリーを、固体電解質層11の一面に塗布し、その後、乾燥し、更に必要に応じて加熱し、スラリーに有機バインダ等が含有される場合は、この有機バインダ等を除去することにより形成することができる。いずれの場合も塗布方法は特に限定されず、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、スキージ法、スピンコート法等の各種の方法が挙げられる。
(B) Unsintered fuel electrode or unsintered air electrode / metallized coating film forming step The unsintered fuel electrode or unsintered air electrode is formed in the “unsintered fuel electrode or unsintered air electrode / metallized coating film forming step”. The method is not particularly limited. The unsintered fuel electrode contains, for example, mixed powders of metal oxide powders such as Ni and Fe and ceramic powders such as zirconia ceramics, various metal powders, and mixed powders of metal powders and ceramic powders. The slurry is applied to one surface of the solid electrolyte layer 11, then dried, and further heated as necessary. When the slurry contains an organic binder or the like, the slurry is formed by removing the organic binder or the like. Can do. Further, the unsintered air electrode is prepared, for example, by applying a slurry containing various metal powders, metal oxide powders, metal double oxide powders, etc. to one surface of the solid electrolyte layer 11 and then drying it. When the organic binder etc. are contained in the slurry according to the heating, it can be formed by removing the organic binder. In any case, the coating method is not particularly limited, and various methods such as a screen printing method, a doctor blade method, a squeegee method, and a spin coating method are exemplified.

また、メタライズ塗膜を形成する方法も特に限定されない。例えば、NiO等の還元性金属酸化物粉末とZrO等の非還元性金属酸化物粉末とを含有するスラリーを、固体電解質層11の他面の周縁部に塗布し、その後、乾燥し、更に必要に応じて加熱し、スラリーに含有される有機バインダ等を除去することにより形成することができる。塗布方法は特に限定されず、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、スキージ法、スピンコート法等の各種の方法が挙げられる。 Further, the method for forming the metallized coating film is not particularly limited. For example, a slurry containing a reducible metal oxide powder such as NiO and a non-reducible metal oxide powder such as ZrO 2 is applied to the peripheral edge of the other surface of the solid electrolyte layer 11 and then dried. It can form by heating as needed and removing the organic binder etc. which are contained in a slurry. The coating method is not particularly limited, and various methods such as a screen printing method, a doctor blade method, a squeegee method, and a spin coating method can be used.

(c)焼成工程
上記「焼成工程」で、未焼成燃料極又は未焼成空気極と、メタライズ塗膜とを、一体に焼成する。これにより、燃料極12又は空気極13及びメタライズ層141が形成される。この焼成の温度は用いる原料粉末の種類等にもよるが、前記の各種の原料を用いる場合で、未焼成燃料極が焼成されるときは、1250〜1500℃、特に1250〜1450℃、更に1300〜1450℃とすることが好ましい。焼成温度が1250〜1500℃であれば、各々の未焼成体を十分に焼結させることができる。更に、未焼成空気極が焼成されるときは、800〜1300℃、特に800〜1250℃、更に800〜1200℃とすることが好ましい。
尚、焼成温度を保持する時間は、焼成温度にもよるが、30分〜5時間、特に30分〜3時間とすることができる。また、焼成雰囲気は、通常、大気雰囲気等の酸化雰囲気である。
(C) Firing step In the “firing step”, the unfired fuel electrode or unfired air electrode and the metallized coating film are integrally fired. Thereby, the fuel electrode 12 or the air electrode 13 and the metallized layer 141 are formed. The firing temperature depends on the type of raw material powder used, but when the above-mentioned various raw materials are used and the unfired fuel electrode is fired, it is 1250 to 1500 ° C., particularly 1250 to 1450 ° C., and further 1300 It is preferable to set it to -1450 degreeC. If a calcination temperature is 1250-1500 degreeC, each unbaking body can fully be sintered. Furthermore, when a non-baking air electrode is baked, it is preferable to set it as 800-1300 degreeC, especially 800-1250 degreeC, and also 800-1200 degreeC.
In addition, although it depends on the firing temperature, the time for maintaining the firing temperature can be 30 minutes to 5 hours, particularly 30 minutes to 3 hours. The firing atmosphere is usually an oxidizing atmosphere such as an air atmosphere.

(d)燃料極又は空気極作製工程、還元工程及び接合工程
それぞれ上記(1)の本発明の固体電解質形燃料電池の製造方法における(E)燃料極又は空気極作製工程、(F)還元工程及び(G)接合工程と同様である。
(D) Fuel electrode or air electrode production process, reduction process, and joining process (E) Fuel electrode or air electrode production process, (F) Reduction process in the method for producing a solid electrolyte fuel cell of the present invention of (1) above, respectively. And (G) It is the same as that of a joining process.

(3)本発明の更に他の固体電解質形燃料電池の製造方法
本発明の更に他の固体電解質形燃料電池の製造方法は、未焼成空気極又は未焼成燃料極と未焼成固体電解質層の一面とを積層する積層工程と、未焼成空気極又は未焼成燃料極と未焼成固体電解質層とを一体に焼成する同時焼成工程と、未焼成固体電解質層が焼成されてなる固体電解質層11の他面の周縁部に還元性金属酸化物と非還元性金属酸化物とを含有するメタライズ塗膜を形成し、その後、焼成してメタライズ層141を形成するメタライズ層形成工程と、固体電解質層11の他面に未焼成燃料極又は未焼成空気極を形成し、その後、焼成して燃料極12又は空気極13を作製する燃料極又は空気極作製工程と、メタライズ層141に含有される還元性金属酸化物を還元して金属酸化物還元物を生成させる還元工程と、メタライズ層141と隔離部材22とを金属ロウ材により接合する接合工程と、をこの順に備える。
(3) Still another method for producing a solid electrolyte fuel cell according to the present invention is a method for producing a solid electrolyte fuel cell according to another embodiment of the present invention. Other than the solid electrolyte layer 11 formed by firing the unfired solid electrolyte layer, the simultaneous firing step of integrally firing the unfired air electrode or unfired fuel electrode, and the unfired solid electrolyte layer Forming a metallized coating film containing a reducible metal oxide and a non-reducible metal oxide on the peripheral edge of the surface, and then firing to form a metallized layer 141; A reducing electrode contained in the metallized layer 141, and a fuel electrode or air electrode manufacturing step of forming a non-fired fuel electrode or a non-fired air electrode on the other surface and then firing to form the fuel electrode 12 or the air electrode 13. Reduce oxide to gold A reduction step for generating a reduced metal oxide and a joining step for joining the metallized layer 141 and the isolation member 22 with a metal brazing material are provided in this order.

上記の製造方法において、積層工程、還元工程、接合工程及び燃料極又は空気極作製工程は前記の本発明の固体電解質形燃料電池の製造方法における各々の工程に関する記載をそのまま適用することができる。また、同時焼成工程は、前記の本発明の固体電解質形燃料電池の製造方法において、メタライズ塗膜が形成されていないことを除いて前記の本発明の固体電解質形燃料電池の製造方法における同時焼成工程に関する記載をそのまま適用することができる。更に、メタライズ層形成工程は、固体電解質層の他面の周縁部に、還元性金属酸化物と非還元性金属酸化物とを含有するメタライズ塗膜を形成し、該メタライズ塗膜を焼成する工程である。
以上の固体電解質形燃料電池の製造方法において、固体電解質層、燃料極、空気極等の形成に用いる材料、及び還元性金属酸化物、非還元性金属酸化物等については、前記の固体電解質形燃料電池セルの場合の記載をそのまま適用することができる。また、各種のセパレータ及び金属ロウ材等については前記の固体電解質形燃料電池の場合の記載をそのまま適用することができる。
In the above production method, the description of each step in the method for producing a solid electrolyte fuel cell of the present invention can be applied as it is to the lamination step, the reduction step, the joining step, and the fuel electrode or air electrode production step. The co-firing step is the co-firing in the method for producing a solid oxide fuel cell of the present invention except that a metallized coating film is not formed in the method for producing a solid electrolyte fuel cell of the present invention. The description regarding the process can be applied as it is. Furthermore, the metallized layer forming step is a step of forming a metallized coating film containing a reducing metal oxide and a non-reducing metal oxide on the peripheral edge of the other surface of the solid electrolyte layer, and firing the metalized coating film. It is.
In the method for producing a solid electrolyte fuel cell, the solid electrolyte layer, the fuel electrode, the material used for forming the air electrode, the reducing metal oxide, the non-reducing metal oxide, etc. The description of the fuel cell can be applied as it is. The description of the solid oxide fuel cell can be applied as it is to various separators and metal brazing materials.

以下、平板型のセル及び燃料電池に関する実施例により本発明を具体的に説明する。
[1]メタライズ層の密着性の評価
実施例1〜5、比較例1〜3及び参考例1〜5
(1)固体電解質形燃料電池セル(試験用セル)の製造
(a)自立型(実施例1〜3、比較例1〜3及び参考例1〜3)
未焼成固体電解質層は、8モル%のイットリアが固溶されたジルコニア(以下、「8YSZ」という。)粉末に、溶媒としてトルエンとメチルエチルケトンとの混合溶媒、及びバインダとしてポリビニルアルコールを配合したスラリーを用いて、ドクターブレード法により作製した。また、未焼成燃料極は、酸化ニッケル(NiO)粉末と、上記の8YSZ粉末とを混合し、その後、造孔材として人造黒鉛粉末を配合し、更に混合し、次いで、溶媒としてブチルカルビトールを配合したスラリーを用いて、スクリーン印刷法により作製した。
Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of examples relating to flat plate cells and fuel cells.
[1] Evaluation of adhesion of metallized layer Examples 1 to 5, Comparative Examples 1 to 3 and Reference Examples 1 to 5
(1) Manufacture of solid oxide fuel cell (test cell) (a) Self-supporting type (Examples 1 to 3, Comparative Examples 1 to 3 and Reference Examples 1 to 3)
The unsintered solid electrolyte layer is a slurry in which 8 mol% of yttria is dissolved in zirconia (hereinafter referred to as “8YSZ”) powder, a mixed solvent of toluene and methyl ethyl ketone as a solvent, and polyvinyl alcohol as a binder. And prepared by the doctor blade method. The unburned fuel electrode is a mixture of nickel oxide (NiO) powder and the above 8YSZ powder, and then blended artificial graphite powder as a pore former, further mixed, and then butyl carbitol as a solvent. Using the blended slurry, a screen printing method was used.

更に、未焼成空気極は、La0.6Sr0.4MnO粉末に、溶媒としてブチルカルビトールを配合したスラリーを用いて、スクリーン印刷法により作製した。また、メタライズ層となるメタライズ塗膜は、表2に記載の還元性金属酸化物粉末[NiO粉末(還元により金属Niが生成する。)又はNiOとCoとの混合粉末(還元により金属Niと金属Coとが生成する。)]50質量%と、非還元性金属酸化物(混合セラミックス、上記の8YSZ又はY)50質量%との混合粉末に、溶媒としてブチルカルビトールを配合したスラリーを用いて、スクリーン印刷法により作製した。 Furthermore, the unsintered air electrode was produced by a screen printing method using a slurry in which butyl carbitol was blended as a solvent with La 0.6 Sr 0.4 MnO 3 powder. In addition, the metallized coating film used as the metallized layer is a reducible metal oxide powder [NiO powder (metal Ni is generated by reduction) or a mixed powder of NiO and Co 3 O 4 (metal by reduction). Ni and metal Co are formed.)] In a mixed powder of 50% by mass and non-reducible metal oxide (mixed ceramic, 8YSZ or Y 2 O 3 ) 50% by mass, butyl carbitol is added as a solvent. Using the blended slurry, a screen printing method was used.

(b)燃料極支持型(実施例4、5及び参考例4、5)
未焼成燃料極は、酸化ニッケル(NiO)粉末と、上記の8YSZ粉末とを混合し、その後、造孔材として人造黒鉛粉末を配合し、更に混合し、次いで、分散剤としてジエチルアミン、及び有機溶媒としてトルエンとメチルエチルケトンとを配合し、その後、可塑剤としてジブチルフタレート、バインダとしてポリビニルアルコールを配合し、更に混合して調製したスラリーを用いて、ドクターブレード法により作製した。また、未焼成固体電解質層は、8モル%のイットリアが固溶されたジルコニア(以下、「8YSZ」という。)粉末に、溶媒としてブチルカルビトールを配合したスラリーを用いて、スクリーン印刷法により作製した。
更に、未焼成空気極及びメタライズ塗膜は、上記の自立型の場合と同じスラリーを用いて、同じ方法で作製した。
(B) Fuel electrode support type (Examples 4 and 5 and Reference Examples 4 and 5)
The non-fired fuel electrode is a mixture of nickel oxide (NiO) powder and the above 8YSZ powder, then blended artificial graphite powder as a pore former, further mixed, then diethylamine as a dispersant, and organic solvent Toluene and methyl ethyl ketone were blended, and then dibutyl phthalate was blended as a plasticizer, polyvinyl alcohol was blended as a binder, and a slurry prepared by further mixing was prepared by a doctor blade method. The unsintered solid electrolyte layer is produced by screen printing using a slurry in which butyl carbitol is mixed as a solvent in a zirconia (hereinafter referred to as “8YSZ”) powder in which 8 mol% of yttria is dissolved. did.
Furthermore, the unsintered air electrode and the metallized coating film were prepared by the same method using the same slurry as in the case of the self-supporting type.

各々の未焼成体として上記のものを使用し、表1に記載の作製手順(1)〜(4)に従って固体電解質形燃料電池セルを製造した。このセルの固体電解質層は50×50mmの大きさで、厚さは自立型では300μm、燃料極支持型では20μmである。また、燃料極は自立型では35×35mm、燃料極支持型では50×50mmの大きさで、厚さは自立型では30μm、燃料極支持型では1300μmである。更に、空気極は35×35mmの大きさで、厚さは自立型及び燃料極支持型のいずれの場合も30μmである。また、固体電解質層の周縁部に形成されたメタライズ層は幅が5mm、厚さが5μmである。   The above-mentioned ones were used as the green bodies, and solid oxide fuel cells were produced according to the production procedures (1) to (4) shown in Table 1. The solid electrolyte layer of this cell is 50 × 50 mm in size, and the thickness is 300 μm for the self-supporting type and 20 μm for the fuel electrode support type. The fuel electrode is 35 × 35 mm for the self-supporting type, 50 × 50 mm for the fuel electrode supporting type, and has a thickness of 30 μm for the self-supporting type and 1300 μm for the fuel electrode supporting type. Further, the air electrode has a size of 35 × 35 mm, and the thickness is 30 μm in both of the self-supporting type and the fuel electrode supporting type. The metallized layer formed on the peripheral edge of the solid electrolyte layer has a width of 5 mm and a thickness of 5 μm.

Figure 2006172946
Figure 2006172946

Figure 2006172946
尚、表1及び表2における「8YSZ」は、8モル%のイットリアが固溶されたジルコニアである。また、「LSM」は、La0.6Sr0.4MnOである。
Figure 2006172946
In Tables 1 and 2, “8YSZ” is zirconia in which 8 mol% of yttria is dissolved. “LSM” is La 0.6 Sr 0.4 MnO 3 .

(2)剥離テスト
上記(1)において作製した試験体を用いて、メタライズ層の全面に布製の粘着テープを貼着させ、その後、剥離することにより粘着テープを用いた剥離テストを行った。残存率は下記のようにして算出した。結果を表2に併記する。
残存率(%)=[(テスト前のメタライズ層の面積−テスト後のメタライズ層の面積) /テスト前のメタライズ層の面積]×100
尚、参考例1〜5では、還元されておらず、金属酸化物のままであるためメタライズの機能はないが便宜上メタライズ層という。
(2) Peeling test Using the test body prepared in the above (1), a cloth adhesive tape was stuck on the entire surface of the metallized layer, and then a peeling test using the adhesive tape was performed by peeling. The residual rate was calculated as follows. The results are also shown in Table 2.
Residual rate (%) = [(area of metallized layer before test−area of metallized layer after test) / area of metallized layer before test] × 100
In Reference Examples 1 to 5, it is not reduced and remains a metal oxide, so it does not have a metallizing function but is referred to as a metallized layer for convenience.

表2の結果によれば、実施例1〜5では、セルの作成手順及びメタライズ層の形成に用いる還元性金属酸化物及び非還元性金属酸化物の種類によらず、剥離テスト後の残存率はいずれも100%であり、メタライズ層は固体電解質層に十分に密着していることが分かる。一方、固体電解質層の周縁部に、窒素雰囲気下、1200℃、1時間の条件でNiを焼き付けてメタライズ層を形成した比較例1では、残存率は20%と極めて低く、劣っていた。また、メタライズ層として、常法により固体電解質層の周縁部に無電解Niめっき層を形成した比較例2では、残存率は100%であり、優れていたが、めっき時に用いられた硝酸により空気極の一部が溶解していた。更に、メタライズ層として、常法により固体電解質層の周縁部にMo−Mn法によりMo−Mnメタライズ層を形成した比較例3では、残存率は95%であり、十分であったが、空気極においてSrCo等の酸素不足によって生成する構成相の存在がX線回折により確認された。
尚、参考例1〜5では、剥離テスト後の残存率はいずれも100%であり、メタライズ層は固体電解質層に十分に密着していることが分かる。
According to the results of Table 2, in Examples 1 to 5, the residual rate after the peel test, regardless of the type of the reducing metal oxide and the non-reducing metal oxide used for forming the cell and forming the metallized layer Is 100%, and it can be seen that the metallized layer is sufficiently adhered to the solid electrolyte layer. On the other hand, in Comparative Example 1 in which a metallized layer was formed by baking Ni under a nitrogen atmosphere at 1200 ° C. for 1 hour on the periphery of the solid electrolyte layer, the residual rate was extremely low at 20%, which was inferior. Further, in Comparative Example 2 in which an electroless Ni plating layer was formed on the periphery of the solid electrolyte layer by a conventional method as a metallized layer, the residual rate was 100%, which was excellent. A part of the pole was dissolved. Furthermore, in Comparative Example 3 in which the Mo-Mn metallized layer was formed on the peripheral edge of the solid electrolyte layer by a conventional method as a metallized layer, the residual rate was 95%, which was sufficient. The presence of a constituent phase produced by oxygen deficiency such as Sr 2 Co 2 O 5 was confirmed by X-ray diffraction.
In Reference Examples 1 to 5, it can be seen that the residual ratio after the peel test is 100%, and the metallized layer is sufficiently adhered to the solid electrolyte layer.

[2]固体電解質形燃料電池セルの固体電解質層と金属セパレータとの接合強度及びセルの発電性能
実施例6〜15及び比較例5〜6
(1)固体電解質形燃料電池セル(試験用セル)の製造
10モル%のスカンジアにより安定化されたジルコニア粉末に、溶媒としてトルエンとメチルエチルケトンとの混合溶媒、及びバインダとしてポリビニルアルコールを混合し、未焼成固体電解質層用スラリーを調製した。その後、このスラリーを、ドクターブレード法により樹脂シートの一面に塗布し、未焼成固体電解質層を形成した。次いで、酸化ニッケル(NiO)粉末と、8YSZ粉末とを混合し、その後、造孔材として人造黒鉛粉末を配合し、更に混合した。次いで、溶媒としてブチルカルビトールを配合し、未焼成燃料極用スラリーを調製した。その後、このスラリーを用いて、スクリーン印刷法により、未焼成固体電解質層の一面に、未焼成燃料極を、未焼成固体電解質層と同心円状に形成した。
[2] Bond strength between the solid electrolyte layer of the solid oxide fuel cell and the metal separator, and the power generation performance of the cells Examples 6 to 15 and Comparative Examples 5 to 6
(1) Manufacture of solid electrolyte fuel cell (test cell) A mixed solvent of toluene and methyl ethyl ketone as a solvent and polyvinyl alcohol as a binder are mixed with zirconia powder stabilized by 10 mol% of scandia, A slurry for a fired solid electrolyte layer was prepared. Then, this slurry was apply | coated to one surface of the resin sheet by the doctor blade method, and the unbaking solid electrolyte layer was formed. Next, nickel oxide (NiO) powder and 8YSZ powder were mixed, and then artificial graphite powder was blended as a pore former and further mixed. Next, butyl carbitol was blended as a solvent to prepare an unfired fuel electrode slurry. Thereafter, using this slurry, an unfired fuel electrode was formed concentrically with the unfired solid electrolyte layer on one surface of the unfired solid electrolyte layer by screen printing.

その後、表3、表4に記載のメタライズ材料(還元性金属酸化物)80体積%と、混合セラミックス(非還元性金属酸化物)20体積%とを混合し、次いで、溶媒としてブチルカルビトールを混合し、メタライズ塗膜用スラリーを調製した。その後、このスラリーを用いて、スクリーン印刷法により、未焼成固体電解質層の他面の端縁部に、メタライズ塗膜を、未焼成固体電解質層と同心円状に形成した。次いで、大気雰囲気において1400℃で1時間保持して一体に焼成した。焼成後の、固体電解質層11は直径20mm、厚さ500μm、燃料極12は直径10mm、厚さ15μm、メタライズ層141は外径20mm、内径12mm、厚さ15μmであった。   Thereafter, 80% by volume of the metallized material (reducible metal oxide) described in Tables 3 and 4 and 20% by volume of mixed ceramics (non-reducible metal oxide) were mixed, and then butyl carbitol was used as a solvent. Mixing was performed to prepare a slurry for a metallized coating film. Then, using this slurry, a metallized coating film was formed concentrically with the unfired solid electrolyte layer on the edge of the other surface of the unfired solid electrolyte layer by screen printing. Subsequently, it baked integrally by hold | maintaining at 1400 degreeC in an air atmosphere for 1 hour. After firing, the solid electrolyte layer 11 had a diameter of 20 mm and a thickness of 500 μm, the fuel electrode 12 had a diameter of 10 mm and a thickness of 15 μm, and the metallized layer 141 had an outer diameter of 20 mm, an inner diameter of 12 mm, and a thickness of 15 μm.

その後、La0.6Sr0.4(Co0.2Fe0.8)O粉末に、溶媒としてブチルカルビトールを混合してスラリーを調製した。次いで、このスラリーを用いて、スクリーン印刷法により、固体電解質層11の他面に、未焼成空気極を、固体電解質層11と同心円状に形成した。その後、1100℃で1時間保持して焼成し、直径10mm、厚さ15μmの空気極13を形成した。その後、2質量%の水素と98質量%の窒素とからなる還元雰囲気において700℃に加熱し、メタライズ材料(還元性金属酸化物)を還元し、Ni又はCoを生成させ、メタライズ層141を形成し、試験用セルを製造した。 Thereafter, a slurry was prepared by mixing butyl carbitol as a solvent with La 0.6 Sr 0.4 (Co 0.2 Fe 0.8 ) O 3 powder. Next, using this slurry, an unfired air electrode was formed concentrically with the solid electrolyte layer 11 on the other surface of the solid electrolyte layer 11 by screen printing. Then, it hold | maintained at 1100 degreeC for 1 hour, and baked, and formed the air electrode 13 10 mm in diameter and 15 micrometers in thickness. Thereafter, the metallized material (reducible metal oxide) is reduced by heating to 700 ° C. in a reducing atmosphere composed of 2% by mass of hydrogen and 98% by mass of nitrogen to form Ni or Co, and the metallized layer 141 is formed. The test cell was manufactured.

(2)試験セル用セパレータの接合
上記(1)において製造した試験用セルの固体電解質層12の他面の端縁部に形成されたメタライズ層141と、SUS430からなる試験セル用セパレータ81(後記の固体電解質形燃料電池102では隔離セパレータ221、222、223に相当する金属セパレータであり、外径40mm、厚さ50μmであり、中心部に直径12mmの開口部が形成されている。)の下面の内周縁との間を、表3に記載された金属ロウ材を用いて真空雰囲気において1100℃でロウ付けし、接合層14を形成した。
(2) Joining of Test Cell Separator Test Cell Separator 81 Composed of Metallized Layer 141 Formed at the Edge of Other Surface of Solid Electrolyte Layer 12 of Test Cell Produced in (1) above and SUS430 The solid oxide fuel cell 102 is a metal separator corresponding to the separators 221, 222, and 223, has an outer diameter of 40 mm, a thickness of 50 μm, and an opening having a diameter of 12 mm in the center. A bonding layer 14 was formed by brazing at 1100 ° C. in a vacuum atmosphere using a metal brazing material described in Table 3 between the inner peripheral edge and the inner peripheral edge.

Figure 2006172946
Figure 2006172946

Figure 2006172946
尚、表3及び表4における「8YSZ」は、8モル%のイットリアが固溶され、安定化されたジルコニアである。また、「ScSZ」は、10モル%のスカンジアが固溶され、安定化されたジルコニアである。
Figure 2006172946
“8YSZ” in Tables 3 and 4 is zirconia stabilized by dissolving 8 mol% of yttria. “ScSZ” is zirconia stabilized by dissolving 10 mol% of scandia.

(3)接合界面の電子顕微鏡観察
上記(2)におけるロウ付けにより形成された接合層を周辺の部材を含めて樹脂により固定し、その後、金属セパレータと燃料極との方向に切断し、断面を鏡面研磨し、電子顕微鏡によって観察した。その結果、金属ロウ材は、試験セル用セパレータ81及びメタライズ層141と、各々の接合界面が確認できないほどに一体化していた。また、メタライズ層141に含有される混合セラミックス(非還元性金属酸化物)と固体電解質層11を構成するScSZとは接合界面において共焼結していることも確認された。このように固体電解質層11と試験セル用セパレータ81とは強固に接合されていることが分かった。
(3) Electron microscope observation of the bonding interface The bonding layer formed by brazing in (2) above is fixed with resin including the peripheral members, then cut in the direction of the metal separator and the fuel electrode, The sample was mirror-polished and observed with an electron microscope. As a result, the metal brazing material was integrated with the test cell separator 81 and the metallized layer 141 such that the respective bonding interfaces could not be confirmed. It was also confirmed that the mixed ceramics (non-reducing metal oxide) contained in the metallized layer 141 and the ScSZ constituting the solid electrolyte layer 11 were co-sintered at the bonding interface. Thus, it was found that the solid electrolyte layer 11 and the test cell separator 81 were firmly joined.

(4)接合強度の測定
上記(2)において作製した試験セル用セパレータ81が接合された試験用セルを、実施例6〜18及び比較例5〜6の各々についてそれぞれ5個作製し、25℃〜800℃まで12℃/分の速度で昇温させ、800℃で1時間保持し、その後、12℃/分の速度で25℃まで降温させる熱サイクルを1、3、5及び10回加え、熱サイクルの接合強度に及ぼす影響を検討した。尚、各々の熱サイクル回数について実施例6〜18及び比較例5〜6のそれぞれについて各々5個の試験体を作製し、評価した。
(4) Measurement of bonding strength Five test cells, each of Examples 6 to 18 and Comparative Examples 5 to 6, were prepared and bonded to each other at 25 ° C. Heat up to ˜800 ° C. at a rate of 12 ° C./min, hold at 800 ° C. for 1 hour, and then add 1, 3, 5 and 10 heat cycles to cool down to 25 ° C. at a rate of 12 ° C./min, The effect of thermal cycle on bonding strength was investigated. In addition, five test bodies were produced and evaluated for each of Examples 6 to 18 and Comparative Examples 5 to 6 for each number of thermal cycles.

接合強度は、外径40mm、内径22mm、高さ3mmのSUS430製の円筒形の支持台82の上面に、図11のように、上記(2)において作製した試験セル用セパレータ81が接合された試験用セルを、支持台82の外周と試験セル用セパレータ81の外周とが一致するように載置し、その後、空気極13の上面に直径10mm、高さ10mmのSUS430製の荷重負荷用治具83を載せ、次いで、荷重負荷用治具83の上方から荷重を負荷し、試験セル用セパレータ81と固体電解質層11とが剥離するときの荷重を測定し、この荷重を接合面積で除して算出した。結果を5個の試験体の平均値として表3、4に併記する。   As shown in FIG. 11, the test cell separator 81 produced in (2) above was joined to the upper surface of a cylindrical support base 82 made of SUS430 having an outer diameter of 40 mm, an inner diameter of 22 mm, and a height of 3 mm. The test cell is placed so that the outer periphery of the support base 82 and the outer periphery of the test cell separator 81 coincide with each other. Thereafter, the load cell is made of SUS430 having a diameter of 10 mm and a height of 10 mm on the upper surface of the air electrode 13. Next, a load is applied from above the load loading jig 83, the load when the test cell separator 81 and the solid electrolyte layer 11 are peeled off is measured, and this load is divided by the bonding area. Calculated. The results are also shown in Tables 3 and 4 as average values of 5 test specimens.

(5)発電性能の評価
図12のように、上記(2)において作製した試験用セルの試験セル用セパレータ81の外周縁の上下面を、シールガラスからなるアルミナ管用シール部85を介して外側アルミナ管841により挟持した。その後、上下の各々の内側アルミナ管842のそれぞれの先端に付設された白金網861を、それぞれ燃料極12と空気極13とに接触させた。次いで、この試験装置を700℃に調温された電気炉に収容し、下方の内側アルミナ管842内に水素ガスを流通させ、上方の内側アルミナ管842内に大気と同じ比率で混合した酸素ガスと窒素ガスとの混合ガスを流通させて発電させ、白金網861に接続した白金線862から電気を取出し、発電出力を求めた。尚、この試験用セルでは、空気極にLSCF等を用いているため、より低温で作動させることができる。従って、700℃で発電性能を評価した。結果を表3、4に併記する。
(5) Evaluation of power generation performance As shown in FIG. 12, the upper and lower surfaces of the outer peripheral edge of the test cell separator 81 of the test cell prepared in (2) above are placed outside through an alumina tube seal portion 85 made of seal glass. It was sandwiched between alumina tubes 841. Thereafter, platinum nets 861 attached to the respective tips of the upper and lower inner alumina tubes 842 were brought into contact with the fuel electrode 12 and the air electrode 13, respectively. Next, this test apparatus is housed in an electric furnace adjusted to 700 ° C., hydrogen gas is circulated in the lower inner alumina tube 842, and oxygen gas mixed in the upper inner alumina tube 842 at the same ratio as the atmosphere. A mixed gas of nitrogen and nitrogen gas was circulated to generate electric power, and electricity was taken out from a platinum wire 862 connected to a platinum net 861 to obtain a power generation output. This test cell can be operated at a lower temperature because LSCF or the like is used for the air electrode. Therefore, the power generation performance was evaluated at 700 ° C. The results are also shown in Tables 3 and 4.

表3、4の結果によれば、実施例6〜18では、熱サイクル1回の接合強度が482〜498kPa/mmであり、熱サイクル10回後の接合強度が482〜490kPa/mmであって、メタライズ材料(還元性金属酸化物)、混合セラミックス(非還元性金属酸化物)及び金属ロウ材の種類によらず、熱サイクルによる接合強度の低下がほとんどないことが分かる。更に、メタライズ材料としてNiO、混合セラミックスとして8YSZを使用し、8YSZの含有量を5〜30質量%と変化させた実施例6〜9の場合も、同様に熱サイクルによる接合強度の低下はほとんどなかった。一方、固体電解質層11と試験用セパレータとをメタライズ層を介さず直接接合した比較例5では、熱サイクル1回の接合強度が51kPa/mmと極めて低く、熱サイクルを10回加えた場合は、この熱サイクルによって固体電解質層11と試験用セパレータとが剥離してしまった。また、固体電解質層11と試験用セパレータとを通常のMo−Mn法により形成したメタライズ層を介して接合した比較例6では、熱サイクル1回の接合強度は492kPa/mmと高いものの、熱サイクルを10回後の接合強度は397kPa/mmと大きく低下していることが分かる。 According to the results of Tables 3 and 4, in Examples 6 to 18, the bonding strength after one thermal cycle is 482 to 498 kPa / mm 2 , and the bonding strength after 10 thermal cycles is 482 to 490 kPa / mm 2 . Thus, it can be seen that there is almost no decrease in bonding strength due to thermal cycling regardless of the type of metallized material (reducing metal oxide), mixed ceramics (non-reducing metal oxide) and metal brazing material. Furthermore, in the case of Examples 6 to 9 where NiO is used as the metallizing material and 8YSZ is used as the mixed ceramic and the content of 8YSZ is changed to 5 to 30% by mass, there is almost no decrease in the bonding strength due to the thermal cycle. It was. On the other hand, in Comparative Example 5 in which the solid electrolyte layer 11 and the test separator were directly bonded without using a metallized layer, the bonding strength at one thermal cycle was as extremely low as 51 kPa / mm 2, and the thermal cycle was applied ten times. The solid electrolyte layer 11 and the test separator were peeled off by this thermal cycle. Further, in Comparative Example 6 in which the solid electrolyte layer 11 and the test separator were joined through a metallized layer formed by a normal Mo-Mn method, although the joining strength per thermal cycle was as high as 492 kPa / mm 2 , It can be seen that the bonding strength after 10 cycles is greatly reduced to 397 kPa / mm 2 .

また、実施例6〜12及び16〜18並びに比較例5〜6の試験体を用いた発電性能の評価によれば、固体電解質層11と試験用セパレータとをメタライズ層を介さず直接接合した比較例5の発電出力0.33W/cmを基準とし、この基準値に対する百分率により表した劣化率は、実施例6〜12及び16〜18では、0〜最大でも6%であり、劣化率は極めて小さいことが分かる。一方、通常のMo−Mn法によりメタライズ層を形成した比較例6では、発電出力は0.07W/cmであり、劣化率は79%であって、発電性能の低下が大きいことが分かる。 Moreover, according to the evaluation of the power generation performance using the test bodies of Examples 6 to 12 and 16 to 18 and Comparative Examples 5 to 6, the solid electrolyte layer 11 and the test separator were directly joined without using the metallized layer. Based on the power generation output of 0.33 W / cm 2 in Example 5, the deterioration rate expressed as a percentage with respect to this reference value is 0 to 6% at the maximum in Examples 6 to 12 and 16 to 18, and the deterioration rate is It can be seen that it is extremely small. On the other hand, in Comparative Example 6 in which the metallized layer was formed by the usual Mo—Mn method, the power generation output was 0.07 W / cm 2 , the deterioration rate was 79%, and it can be seen that the power generation performance was greatly reduced.

[3]固体電解質形燃料電池
実施例16
本発明の燃料極支持型の固体電解質形燃料電池セルを使用し、このセルを3個有する燃料極支持型の内部マニホールド型固体電解質形燃料電池を製造した。
(1)燃料電池の構造
(a)セル及び各種セパレータ
3個のセルが積層された構造を備える平板型の燃料電池1021の外観を図3に斜視図により示す。また、図4は、図3におけるA−A断面の模式図であり、図5は、図3におけるB−B断面の模式図である。
この平板型の燃料電池1021では、3個のセル101がインターコネクタ211、212を介して積層されている。各々のセルは平面形状が正方形の燃料極12を基板としている。この燃料極12の表面には、平面方向の形状、寸法が燃料極12と同じである固体電解質層11が形成されている。更に、この固体電解質層11の表面には、平面方向の形状が固体電解質層11と同じであり、寸法が固体電解質層11より小さい空気極13が形成されている。
[3] Solid electrolyte fuel cell Example 16
The fuel electrode support type solid electrolyte fuel cell of the present invention was used, and a fuel electrode support type internal manifold type solid oxide fuel cell having three cells was manufactured.
(1) Structure of fuel cell (a) Cells and various separators The appearance of a flat plate type fuel cell 1021 having a structure in which three cells are stacked is shown in a perspective view in FIG. 4 is a schematic diagram of the AA cross section in FIG. 3, and FIG. 5 is a schematic diagram of the BB cross section in FIG.
In this flat plate type fuel cell 1021, three cells 101 are stacked via interconnectors 211 and 212. Each cell uses a fuel electrode 12 having a square planar shape as a substrate. On the surface of the fuel electrode 12, a solid electrolyte layer 11 having the same shape and size in the planar direction as the fuel electrode 12 is formed. Further, on the surface of the solid electrolyte layer 11, an air electrode 13 having the same shape in the planar direction as the solid electrolyte layer 11 and having a size smaller than that of the solid electrolyte layer 11 is formed.

上部のセルは、インターコネクタ211の上面に配設されたニッケルフェルト層31、基板となる燃料極12、固体電解質層11、空気極13、インコネル繊維メッシュ層32及び蓋部材23をこの順に備える。また、下面が固体電解質層11及び金属製枠体62と接合され、上面が絶縁性セラミックであるMgO−MgAl焼結体からなるセラミック製枠体51及び金属製枠体61を介して蓋部材23と接合されている上部セル用隔離セパレータ221を有する。
中間のセルは、インターコネクタ212の上面に配設されたニッケルフェルト層31、基板となる燃料極12、固体電解質層11、空気極13及びインコネル繊維メッシュ層32をこの順に備える。また、下面が固体電解質層11及び金属製枠体64と接合され、上面が絶縁性セラミックであるMgO−MgAl焼結体からなるセラミック製枠体52及び金属製枠体63を介してインターコネクタ211と接合されている中間セル用隔離セパレータ222を有する。
下部のセルは、底部材24の上面に配設されたニッケルフェルト層31、基板となる燃料極12、固体電解質層11、空気極13及びインコネル繊維メッシュ層32をこの順に備える。また、下面が固体電解質層11及び金属製枠体66と接合され、上面がセラミック製枠体53及び金属製枠体65を介してインターコネクタ212と接合されている下部セル用隔離セパレータ223を有する。
The upper cell includes a nickel felt layer 31 disposed on the upper surface of the interconnector 211, a fuel electrode 12 serving as a substrate, a solid electrolyte layer 11, an air electrode 13, an Inconel fiber mesh layer 32, and a lid member 23 in this order. Further, the lower surface is joined to the solid electrolyte layer 11 and the metal frame body 62, and the upper surface is interposed through the ceramic frame body 51 and the metal frame body 61 made of an MgO—MgAl 2 O 4 sintered body that is an insulating ceramic. An upper cell isolation separator 221 joined to the lid member 23 is provided.
The intermediate cell includes a nickel felt layer 31 disposed on the upper surface of the interconnector 212, a fuel electrode 12 serving as a substrate, a solid electrolyte layer 11, an air electrode 13, and an Inconel fiber mesh layer 32 in this order. Further, the lower surface is joined to the solid electrolyte layer 11 and the metal frame 64, and the upper surface is interposed through the ceramic frame 52 and the metal frame 63 made of an MgO—MgAl 2 O 4 sintered body that is an insulating ceramic. An intermediate cell isolation separator 222 joined to the interconnector 211 is provided.
The lower cell includes a nickel felt layer 31 disposed on the upper surface of the bottom member 24, a fuel electrode 12 serving as a substrate, a solid electrolyte layer 11, an air electrode 13, and an Inconel fiber mesh layer 32 in this order. The lower cell isolation separator 223 has a lower surface bonded to the solid electrolyte layer 11 and the metal frame 66 and an upper surface bonded to the interconnector 212 via the ceramic frame 53 and the metal frame 65. .

蓋部材23、上部セル用隔離セパレータ221、中間セル用隔離セパレータ222、下部セル用隔離セパレータ223、インターコネクタ211、212、金属製枠体61、62、63、64、65、66及び底部材24は、いずれもSUS430により形成されている。更に、蓋部材23と金属製枠体61、上部セル用隔離セパレータ221と金属製枠体62、金属製枠体62とインターコネクタ211、インターコネクタ211と金属製枠体63、中間セル用隔離セパレータ222と金属製枠体64、金属製枠体64とインターコネクタ212、インターコネクタ212と金属製枠体65、下部セル用隔離セパレータ223と金属製枠体66、及び金属製枠体66と底部材24、はそれぞれNi系金属ロウ材を使用し、真空雰囲気下、1100℃で接合され、接合部4が形成されている。また、金属製枠体61と上部セル用隔離セパレータ221、金属製枠体63と中間セル用隔離セパレータ222、及び金属製枠体65と下部セル用隔離セパレータ223、はそれぞれセラミック製枠体51、52、53を介して接合されており、同様にNi系金属ロウ材を使用し、真空雰囲気下、1100℃で接合され、接合部4が形成されている。   Lid member 23, upper cell isolation separator 221, intermediate cell isolation separator 222, lower cell isolation separator 223, interconnectors 211 and 212, metal frames 61, 62, 63, 64, 65, 66 and bottom member 24 Are both formed of SUS430. Furthermore, the lid member 23 and the metal frame 61, the upper cell isolation separator 221 and the metal frame 62, the metal frame 62 and the interconnector 211, the interconnector 211 and the metal frame 63, and the intermediate cell isolation separator 222 and metal frame 64, metal frame 64 and interconnector 212, interconnector 212 and metal frame 65, lower cell isolation separator 223 and metal frame 66, and metal frame 66 and bottom member 24, each using a Ni-based metal brazing material, and joined at 1100 ° C. in a vacuum atmosphere to form a joint 4. Further, the metal frame 61 and the upper cell isolation separator 221, the metal frame 63 and the intermediate cell isolation separator 222, and the metal frame 65 and the lower cell isolation separator 223 are the ceramic frame 51, respectively. Similarly, a Ni-based metal brazing material is used and bonded at 1100 ° C. in a vacuum atmosphere to form a bonded portion 4.

(b)燃料ガス導入管又は排出管、及び支燃性ガス導入管又は排出管
上部セルにおいて、上部セル用隔離セパレータ221とインターコネクタ211との間に形成された空間には、上部セルの燃料極12に燃料ガスを導入するための燃料ガス導入管71が開口している(図4参照)。更に、この空間の燃料ガス導入管71の開口部の対角線側には、上部セルの燃料極12から燃料ガスを排出するための燃料ガス排出管72が開口している(図4参照)。また、蓋部材23と上部セル用隔離セパレータ221との間に形成された空間には、上部セルの空気極13に支燃性ガスを導入するための支燃性ガス導入管73が開口している(図5参照)。更に、この空間の支燃性ガス導入管73の開口部の対角線側には、上部セルの空気極13から支燃性ガスを排出するための支燃性ガス排出管74が開口している(図5参照)。
(B) Fuel gas introduction pipe or discharge pipe, and combustion-supporting gas introduction pipe or discharge pipe In the upper cell, the space formed between the upper cell isolation separator 221 and the interconnector 211 has no fuel in the upper cell. A fuel gas introduction pipe 71 for introducing fuel gas into the pole 12 is opened (see FIG. 4). Furthermore, a fuel gas discharge pipe 72 for discharging fuel gas from the fuel electrode 12 of the upper cell is opened on the diagonal side of the opening of the fuel gas introduction pipe 71 in this space (see FIG. 4). In addition, in the space formed between the lid member 23 and the upper cell isolation separator 221, a support gas introducing pipe 73 for introducing the support gas into the air electrode 13 of the upper cell is opened. (See FIG. 5). Further, on the diagonal side of the opening of the combustion-supporting gas introduction pipe 73 in this space, a combustion-supporting gas discharge pipe 74 for discharging combustion-supporting gas from the air electrode 13 of the upper cell is opened ( (See FIG. 5).

また、中間セルにおいて、中間セル用隔離セパレータ222とインターコネクタ212との間に形成された空間には、中間セルの燃料極12に燃料ガスを導入するための燃料ガス導入管71が開口している(図4参照)。更に、この空間の燃料ガス導入管71の開口部の対角線側には、上部セルの燃料極12から燃料ガスを排出するための燃料ガス排出管72が開口している(図4参照)。また、インターコネクタ211と中間セル用隔離セパレータ222との間に形成された空間には、中間セルの空気極13に支燃性ガスを導入するための支燃性ガス導入管73が開口している(図5参照)。更に、この空間の支燃性ガス導入管73の開口部の対角線側には、上部セルの空気極13から支燃性ガスを排出するための支燃性ガス排出管74が開口している(図5参照)。   Further, in the intermediate cell, a fuel gas introduction pipe 71 for introducing fuel gas into the fuel electrode 12 of the intermediate cell is opened in a space formed between the intermediate cell isolation separator 222 and the interconnector 212. (See FIG. 4). Furthermore, a fuel gas discharge pipe 72 for discharging fuel gas from the fuel electrode 12 of the upper cell is opened on the diagonal side of the opening of the fuel gas introduction pipe 71 in this space (see FIG. 4). In addition, in the space formed between the interconnector 211 and the intermediate cell isolation separator 222, a support gas introducing pipe 73 for introducing the support gas into the air electrode 13 of the intermediate cell is opened. (See FIG. 5). Further, on the diagonal side of the opening of the combustion-supporting gas introduction pipe 73 in this space, a combustion-supporting gas discharge pipe 74 for discharging combustion-supporting gas from the air electrode 13 of the upper cell is opened ( (See FIG. 5).

更に、下部セルにおいて、下部セル用隔離セパレータ223と底部材24との間に形成された空間には、下部セルの燃料極12に燃料ガスを導入するための燃料ガス導入管71が開口している(図4参照)。また、この空間の燃料ガス導入管71の開口部の対角線側には、下部セルの燃料極12から燃料ガスを排出するための燃料ガス排出管72が開口している(図4参照)。更に、インターコネクタ212と下部セル用隔離セパレータ223との間に形成された空間には、下部セルの空気極13に支燃性ガスを導入するための支燃性ガス導入管73が開口している(図5参照)。また、この空間の支燃性ガス導入管73の開口部の対角線側には、下部セルの空気極13から支燃性ガスを排出するための支燃性ガス排出管74が開口している(図5参照)。
尚、この実施例16の燃料電池では、上部セルの上面に更に他のセルが積層された場合、蓋部材がインターコネクタとして機能することになる。更に、下部セルの下面に更に他のセルが積層された場合、底部材がインターコネクタとして機能することになる。
Further, in the lower cell, a fuel gas introduction pipe 71 for introducing fuel gas into the fuel electrode 12 of the lower cell is opened in a space formed between the lower cell isolation separator 223 and the bottom member 24. (See FIG. 4). A fuel gas discharge pipe 72 for discharging fuel gas from the fuel electrode 12 of the lower cell is opened on the diagonal side of the opening of the fuel gas introduction pipe 71 in this space (see FIG. 4). Further, in the space formed between the interconnector 212 and the lower cell isolation separator 223, a support gas introducing pipe 73 for introducing the support gas into the air electrode 13 of the lower cell is opened. (See FIG. 5). Further, on the diagonal line side of the opening of the combustion-supporting gas introduction pipe 73 in this space, a combustion-supporting gas discharge pipe 74 for discharging combustion-supporting gas from the air electrode 13 of the lower cell is opened ( (See FIG. 5).
In the fuel cell of Example 16, when another cell is stacked on the upper surface of the upper cell, the lid member functions as an interconnector. Furthermore, when another cell is further laminated on the lower surface of the lower cell, the bottom member functions as an interconnector.

また、上部セル、中間セル及び下部セルの各々に燃料ガス又は支燃性ガスを導入し、又は排出するためのそれぞれの管は、本管に側管が取り付けられた構造であり、上部セル、中間セル及び下部セルに燃料ガス又は支燃性ガスが同時に導入され、且つ排出される。更に、燃料ガス導入管と燃料ガス排出管、及び支燃性ガス導入管と支燃性ガス排出管は、この実施例16の場合は、燃料ガス及び支燃性ガスがそれぞれ対角線方向に流通するような位置に取り付けられている。これにより、上部セル、中間セル及び下部セルの各々の燃料極と燃料ガス、及び空気極と支燃性ガスをそれぞれ効率よく接触させることができる。   Each pipe for introducing or discharging fuel gas or combustion-supporting gas into each of the upper cell, intermediate cell and lower cell has a structure in which a side pipe is attached to the main pipe, Fuel gas or combustion-supporting gas is simultaneously introduced into and discharged from the intermediate cell and the lower cell. Further, in the case of the sixteenth embodiment, the fuel gas introduction pipe and the fuel gas discharge pipe, and the fuel support gas introduction pipe and the combustion support gas discharge pipe are respectively circulated in the diagonal direction. It is attached to such a position. Thereby, each fuel electrode and fuel gas of an upper cell, an intermediate | middle cell, and a lower cell and an air electrode and a combustion-supporting gas can be made to contact each efficiently.

(2)燃料電池からの電力の取り出し
この燃料電池1021では、上部セルの燃料極12は、ニッケルフェルト層31を介してインターコネクタ211と電気的に接続されている。また、インターコネクタ211は、インコネル繊維メッシュ層32を介して中間セルの空気極13と電気的に接続されている。更に、中間セルの燃料極12は、ニッケルフェルト層31を介してインターコネクタ212と電気的に接続されている。また、インターコネクタ212は、インコネル繊維メッシュ層32を介して下部セルの空気極13と電気的に接続されている。このように上部セル、中間セル及び下部セルは各々直列に接続されている。また、スタックを所定の作動温度に昇温させ、燃料ガス導入管71に水素等の燃料ガスを導入して燃料極12と接触させ、支燃性ガス導入管73に空気等の支燃性ガスを導入して空気極13と接触させることにより、燃料極12と空気極13との間に起電力が生じ、この電力を外部に取り出すことにより発電装置として機能させることができる。電力は、燃料極側においては底部材24に取り出され、空気極側においては蓋部材23に取り出され、蓋部材23と底部材24との間でスタック全体の電力を取り出すことができる。
(2) Extraction of Power from Fuel Cell In this fuel cell 1021, the fuel electrode 12 of the upper cell is electrically connected to the interconnector 211 via the nickel felt layer 31. Further, the interconnector 211 is electrically connected to the air electrode 13 of the intermediate cell via the Inconel fiber mesh layer 32. Further, the fuel electrode 12 of the intermediate cell is electrically connected to the interconnector 212 via the nickel felt layer 31. The interconnector 212 is electrically connected to the air electrode 13 of the lower cell via the Inconel fiber mesh layer 32. Thus, the upper cell, the intermediate cell, and the lower cell are connected in series. Further, the stack is heated to a predetermined operating temperature, a fuel gas such as hydrogen is introduced into the fuel gas introduction pipe 71 and brought into contact with the fuel electrode 12, and a combustion-supporting gas such as air is introduced into the combustion-supporting gas introduction pipe 73. Is introduced and brought into contact with the air electrode 13, an electromotive force is generated between the fuel electrode 12 and the air electrode 13, and the electric power can be taken out to function as a power generator. The electric power is taken out to the bottom member 24 on the fuel electrode side and taken out to the lid member 23 on the air electrode side, and the electric power of the entire stack can be taken out between the lid member 23 and the bottom member 24.

(3)燃料電池の作用
この固体電解質形燃料電池では、3個のセルがそれぞれ燃料極支持型であり、この構造の場合、750℃程度の作動温度でも電流を取り出すことができる。そのため、蓋部材、各種セパレータ、金属製枠体及び底部材を、セラミックではなくSUS430等のステンレス鋼により形成することができる。上部セル、中間セル及び下部セルのそれぞれにおいて、固体電解質層に設けられたメタライズ層と隔離セパレータとは、金属ロウ材を使用し、真空雰囲気下、1100℃で接合され、接合層14が形成されている。
(3) Operation of the fuel cell In this solid electrolyte fuel cell, each of the three cells is a fuel electrode support type. With this structure, current can be taken out even at an operating temperature of about 750 ° C. Therefore, the lid member, various separators, the metal frame, and the bottom member can be formed of stainless steel such as SUS430 instead of ceramic. In each of the upper cell, the intermediate cell, and the lower cell, the metallized layer provided in the solid electrolyte layer and the isolation separator are bonded at 1100 ° C. in a vacuum atmosphere using a metal brazing material to form a bonding layer 14. ing.

また、実施例16の固体電解質形燃料電池を用いて発電させる場合、燃料極側には燃料ガスを導入し、空気極側には支燃性ガスを導入する。燃料ガスとしては、水素、水素源となる炭化水素、水素と炭化水素との混合ガス、及びこれらのガスを所定温度の水中を通過させ加湿した燃料ガス、これらのガスに水蒸気を混合させた燃料ガス等が挙げられる。炭化水素は特に限定されず、例えば、天然ガス、ナフサ、石炭ガス化ガス等が挙げられる。更に、メタン、エタン、プロパン、ブタン及びペンタン等の炭素数が1〜10、好ましくは1〜7、より好ましくは1〜4の飽和炭化水素、並びにエチレン及びプロピレン等の不飽和炭化水素を主成分とするものが好ましく、飽和炭化水素を主成分とするものが更に好ましい。これらの燃料ガスは1種のみを用いてもよいし、2種以上を併用することもできる。また、50体積%以下の窒素及びアルゴン等の不活性ガスを含有していてもよい。   When power is generated using the solid oxide fuel cell of Example 16, fuel gas is introduced to the fuel electrode side, and combustion-supporting gas is introduced to the air electrode side. As fuel gas, hydrogen, hydrocarbon as a hydrogen source, mixed gas of hydrogen and hydrocarbon, fuel gas obtained by passing these gases through water at a predetermined temperature and humidified, and fuel obtained by mixing these gases with water vapor Gas etc. are mentioned. The hydrocarbon is not particularly limited, and examples thereof include natural gas, naphtha, and coal gasification gas. Further, the main components are saturated hydrocarbons having 1 to 10, preferably 1 to 7, more preferably 1 to 4 carbon atoms such as methane, ethane, propane, butane and pentane, and unsaturated hydrocarbons such as ethylene and propylene. Those having a saturated hydrocarbon as a main component are more preferable. These fuel gas may use only 1 type and can also use 2 or more types together. Moreover, you may contain inert gas, such as nitrogen and argon of 50 volume% or less.

支燃性ガスとしては、酸素と他の気体との混合ガス等が挙げられる。また、この混合ガスには80体積%以下の窒素及びアルゴン等の不活性ガスが含有されていてもよい。これらの支燃性ガスのうちでは安全であって、且つ安価であるため空気(約80体積%の窒素が含まれている。)が好ましい。   Examples of the combustion-supporting gas include a mixed gas of oxygen and another gas. The mixed gas may contain 80% by volume or less of an inert gas such as nitrogen and argon. Among these combustion-supporting gases, air (containing about 80% by volume of nitrogen) is preferable because it is safe and inexpensive.

尚、本発明では上記の実施例に限られず、目的、用途等によって本発明の範囲内において種々変更した実施例とすることができる。例えば、セルの平面形状は、長方形、円形及び楕円形等とすることができ、同様の平面形状を有する固体電解質形燃料電池とすることができる。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope of the present invention depending on the purpose, application, and the like. For example, the planar shape of the cell can be a rectangle, a circle, an ellipse, or the like, and a solid oxide fuel cell having a similar planar shape can be obtained.

本発明の固体電解質形燃料電池セル1011の一例(平板型)の断面を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the cross section of an example (flat plate type) of the solid oxide fuel cell 1011 of this invention. 図1の固体電解質形燃料電池セルの固体電解質層に隔離セパレータを接合した接合体の断面の一部を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows a part of cross section of the joined body which joined the isolation separator to the solid electrolyte layer of the solid oxide fuel cell of FIG. 実施例16の平板型固体電解質形燃料電池102を示す斜視図である。FIG. 16 is a perspective view showing a flat solid electrolyte fuel cell 102 of Example 16. 図3の固体電解質形燃料電池102のA−A断面を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the AA cross section of the solid oxide fuel cell 102 of FIG. 図3の固体電解質形燃料電池102のB−B断面を示す模式図である。FIG. 4 is a schematic diagram showing a BB cross section of the solid oxide fuel cell 102 of FIG. 3. 本発明の固体電解質形燃料電池セルの他の例(扁平円筒型のセル1012)の断面(インターコネクタが配設されている。)を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the cross section (interconnector is arrange | positioned) of the other example (flat cylindrical cell 1012) of the solid oxide fuel cell of this invention. 図6の固体電解質形燃料電池セル1012がインターコネクタを介して4個接続され、下部に燃料ガス導入兼隔離部材が配設されている様子を示す斜視図である。FIG. 7 is a perspective view showing a state in which four solid oxide fuel cells 1012 of FIG. 6 are connected via an interconnector, and a fuel gas introduction / separation member is disposed at the bottom. 図7において固体電解質層の周縁部に設けられたメタライズ層と燃料ガス導入兼隔離部材とがロウ付けにより接合されている様子を示す模式図である。FIG. 8 is a schematic diagram showing a state in which the metallized layer provided at the peripheral edge of the solid electrolyte layer and the fuel gas introduction / separation member in FIG. 7 are joined by brazing. 本発明の固体電解質形燃料電池セルの更に他の例(円筒型のセル1013)の断面(インターコネクタが配設されている。)を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the cross section (The interconnector is arrange | positioned.) Of the other example (cylindrical cell 1013) of the solid oxide fuel cell of this invention. 試験用セルと金属セパレータの斜視図である。It is a perspective view of a test cell and a metal separator. 接合強度を測定する試験体の断面を示す模式図である。尚、荷重負荷用治具の上部の下向きの矢印は荷重の負荷を表す。It is a schematic diagram which shows the cross section of the test body which measures joining strength. The downward arrow at the top of the load loading jig represents the load. 発電性能を測定する試験体の断面を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the cross section of the test body which measures electric power generation performance.

符号の説明Explanation of symbols

1011、1012、1013;固体電解質形燃料電池セル、102;固体電解質形燃料電池、11;固体電解質層、12;燃料極、13;空気極、14;接合層、141;メタライズ層、1411;金属酸化物(非還元性金属酸化物)、142;ロウ付け層、21;インターコネクタ、211、212、213、214;インターコネクタ、22;隔離部材、221;上部セル用隔離セパレータ、222;中間セル用隔離セパレータ、223;下部セル用隔離セパレータ、224;燃料ガス導入兼隔離部材、23;蓋部材、24;底部材、31;ニッケルフェルト層、32;インコネル繊維メッシュ層、4;接合部、51、52、53;セラミック製枠体、61、62、63、64、65、66;金属製枠体、71;燃料ガス導入管、72;燃料ガス排気管、73;支燃性ガス導入管、74;支燃性ガス排気管、81;試験電池用セパレータ、82;支持台、83;荷重負荷用治具、841;外側のアルミナ管、842;内側のアルミナ管、85;アルミナ管用シール部、861;白金網、862;白金線。   1011, 1012, 1013; solid electrolyte fuel cell, 102; solid electrolyte fuel cell, 11; solid electrolyte layer, 12; fuel electrode, 13; air electrode, 14; bonding layer, 141; metallized layer, 1411; Oxide (non-reducible metal oxide), 142; brazing layer, 21; interconnector, 211, 212, 213, 214; interconnector, 22; isolation member, 221; isolation separator for upper cell, 222; intermediate cell Separator for separator, 223; Separator for lower cell, 224; Fuel gas introduction and isolation member, 23; Lid member, 24; Bottom member, 31; Nickel felt layer, 32; Inconel fiber mesh layer, 4; 52, 53; Ceramic frame, 61, 62, 63, 64, 65, 66; Metal frame, 71; Fuel gas introduction pipe, 72 Fuel gas exhaust pipe, 73; Supporting gas introduction pipe, 74; Supporting gas exhaust pipe, 81; Test battery separator, 82; Support base, 83; Load load jig, 841; Outer alumina pipe, 842; inner alumina tube, 85; seal portion for alumina tube, 861; platinum net, 862; platinum wire.

Claims (10)

固体電解質層11と、該固体電解質層11の一面に設けられた燃料極12と、該固体電解質層11の他面に設けられた空気極13と、該固体電解質層11の該一面又は該他面の周縁部に設けられたメタライズ層141と、を備える固体電解質形燃料電池セルにおいて、
該メタライズ層141は、金属と、金属酸化物との混合物からなることを特徴とする固体電解質形燃料電池セル。
A solid electrolyte layer 11, a fuel electrode 12 provided on one surface of the solid electrolyte layer 11, an air electrode 13 provided on the other surface of the solid electrolyte layer 11, and the one surface or the other of the solid electrolyte layer 11. In a solid oxide fuel cell comprising: a metallized layer 141 provided on the peripheral edge of the surface;
The metallized layer 141 is made of a mixture of a metal and a metal oxide, and is a solid oxide fuel cell.
上記金属は、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Sn、Zn、Ga、W及びInのうちの少なくとも1種である請求項1に記載の固体電解質形燃料電池セル。   The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the metal is at least one of Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Sn, Zn, Ga, W, and In. 上記固体電解質層11はZrO系セラミックからなり、且つ上記金属酸化物はZrO、MgO、CaO及び希土類元素酸化物のうちの少なくとも1種である請求項1又は2に記載の固体電解質形燃料電池セル。 3. The solid electrolyte fuel according to claim 1, wherein the solid electrolyte layer 11 is made of a ZrO 2 -based ceramic, and the metal oxide is at least one of ZrO 2 , MgO, CaO, and a rare earth element oxide. Battery cell. 上記混合物を100質量%とした場合に、上記金属は60〜99質量%であり、上記金属酸化物は1〜40質量%である請求項1乃至3のうちのいずれか1項に記載の固体電解質形燃料電池セル。   The solid according to any one of claims 1 to 3, wherein the metal is 60 to 99 mass% and the metal oxide is 1 to 40 mass% when the mixture is 100 mass%. Electrolyte fuel cell. 請求項1乃至4のうちのいずれか1項に記載の固体電解質形燃料電池セルがインターコネクタ21を介して接続された構造を備える固体電解質形燃料電池であって、
各々の該固体電解質形燃料電池セルは、一部が上記固体電解質層11に接合され、且つ上記燃料極12に燃料ガスを導入するための流路と上記空気極13に支燃性ガスを導入するための流路とを隔離する隔離部材22を備え、各々の固体電解質層11に設けられた上記メタライズ層141と該隔離部材22とは、それぞれ金属ロウ材により接合されていることを特徴とする固体電解質形燃料電池。
A solid oxide fuel cell comprising a structure in which the solid electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 4 is connected via an interconnector 21;
Each of the solid electrolyte fuel cells is partially joined to the solid electrolyte layer 11 and introduces a combustion-supporting gas into the air electrode 13 and a flow path for introducing fuel gas into the fuel electrode 12. Characterized in that the metallized layer 141 provided on each solid electrolyte layer 11 and the isolation member 22 are joined by a metal brazing material, respectively. Solid electrolyte fuel cell.
請求項5に記載の固体電解質形燃料電池の製造方法であって、
未焼成空気極又は未焼成燃料極と未焼成固体電解質層の一面とを積層する積層工程と、
該未焼成固体電解質層の他面の周縁部に、還元性金属酸化物及び非還元性金属酸化物を含有するメタライズ塗膜を形成する塗膜形成工程と、
該未焼成空気極又は該未焼成燃料極と該未焼成固体電解質層と該メタライズ塗膜とを一体に焼成する同時焼成工程と、
該未焼成固体電解質層が焼成されてなる固体電解質層11の他面に未焼成燃料極又は未焼成空気極を形成し、その後、焼成して燃料極12又は空気極13を作製する燃料極又は空気極作製工程と、
該メタライズ塗膜が焼成されてなるメタライズ層141に含有される該還元性金属酸化物を還元して上記金属を生成させる還元工程と、
該メタライズ層141と上記隔離部材22とを金属ロウ材により接合する接合工程と、をこの順に備えることを特徴とする固体電解質形燃料電池の製造方法。
A method for producing a solid oxide fuel cell according to claim 5,
A laminating step of laminating the unsintered air electrode or unsintered fuel electrode and one surface of the unsintered solid electrolyte layer;
A coating film forming step of forming a metallized coating film containing a reducing metal oxide and a non-reducing metal oxide on the peripheral edge of the other surface of the unfired solid electrolyte layer;
A co-firing step of integrally firing the unfired air electrode or the unburned fuel electrode, the unfired solid electrolyte layer, and the metallized coating;
A fuel electrode or a non-sintered air electrode formed on the other surface of the solid electrolyte layer 11 formed by firing the unsintered solid electrolyte layer, and then fired to produce the fuel electrode 12 or the air electrode 13 Air electrode manufacturing process;
A reduction step of reducing the reducing metal oxide contained in the metallized layer 141 obtained by firing the metallized coating film to produce the metal;
A method of manufacturing a solid oxide fuel cell, comprising: a joining step of joining the metallized layer 141 and the isolation member 22 with a metal brazing material in this order.
請求項5に記載の固体電解質形燃料電池の製造方法であって、
未焼成固体電解質層を焼成して固体電解質層11を作製する固体電解質層作製工程と、 該固体電解質層11の一面に未焼成空気極又は未焼成燃料極を設け、且つ該未焼成固体電解質層の他面の周縁部に、還元性金属酸化物と非還元性金属酸化物とを含有するメタライズ塗膜を形成する未焼成空気極又は未焼成燃料極・メタライズ塗膜形成工程と、
該未焼成空気極又は該未焼成燃料極と該メタライズ塗膜とを焼成する焼成工程と、
該固体電解質層11の他面に未焼成燃料極又は未焼成空気極を形成し、その後、焼成して燃料極12又は空気極13を作製する燃料極又は空気極作製工程と、
該メタライズ塗膜が焼成されてなるメタライズ層141に含有される該還元性金属酸化物を還元して上記金属を生成させる還元工程と、
該メタライズ層141と上記隔離部材22とを金属ロウ材により接合する接合工程と、をこの順に備えることを特徴とする固体電解質形燃料電池の製造方法。
A method for producing a solid oxide fuel cell according to claim 5,
A solid electrolyte layer manufacturing step of baking the unfired solid electrolyte layer to form the solid electrolyte layer 11, an unburned air electrode or an unburned fuel electrode provided on one surface of the solid electrolyte layer 11, and the unburned solid electrolyte layer A non-fired air electrode or a non-fired fuel electrode / metallized coating film forming step for forming a metallized coating film containing a reducing metal oxide and a non-reducing metal oxide on the peripheral portion of the other surface;
A firing step of firing the unfired air electrode or the unfired fuel electrode and the metallized coating;
A fuel electrode or air electrode manufacturing step of forming a non-fired fuel electrode or a non-fired air electrode on the other surface of the solid electrolyte layer 11, and then firing to produce the fuel electrode 12 or the air electrode 13;
A reduction step of reducing the reducing metal oxide contained in the metallized layer 141 obtained by firing the metallized coating film to produce the metal;
A method of manufacturing a solid oxide fuel cell, comprising: a joining step of joining the metallized layer 141 and the isolation member 22 with a metal brazing material in this order.
請求項5に記載の固体電解質形燃料電池の製造方法であって、
未焼成空気極又は未焼成燃料極と未焼成固体電解質層の一面とを積層する積層工程と、
該未焼成空気極又は該未焼成燃料極と該未焼成固体電解質層とを一体に焼成する同時焼成工程と、
該未焼成固体電解質層が焼成されてなる固体電解質層11の他面の周縁部に還元性金属酸化物と非還元性金属酸化物とを含有するメタライズ塗膜を形成し、その後、焼成してメタライズ層141を形成するメタライズ層形成工程と、
該固体電解質層11の他面に未焼成燃料極又は未焼成空気極を形成し、その後、焼成して燃料極12又は空気極13を作製する燃料極又は空気極作製工程と、
該メタライズ層141に含有される還元性金属酸化物を還元して金属酸化物還元物を生成させる還元工程と、
該メタライズ層141と上記隔離部材22とを金属ロウ材により接合する接合工程と、をこの順に備えることを特徴とする固体電解質形燃料電池の製造方法。
A method for producing a solid oxide fuel cell according to claim 5,
A laminating step of laminating the unsintered air electrode or unsintered fuel electrode and one surface of the unsintered solid electrolyte layer;
A co-firing step of integrally firing the unfired air electrode or the unburned fuel electrode and the unfired solid electrolyte layer;
A metallized coating film containing a reducing metal oxide and a non-reducing metal oxide is formed on the periphery of the other surface of the solid electrolyte layer 11 formed by firing the unfired solid electrolyte layer, and then fired. A metallization layer forming step of forming the metallization layer 141;
A fuel electrode or air electrode manufacturing step of forming a non-fired fuel electrode or a non-fired air electrode on the other surface of the solid electrolyte layer 11, and then firing to produce the fuel electrode 12 or the air electrode 13;
A reduction step of reducing the reducible metal oxide contained in the metallized layer 141 to produce a reduced metal oxide,
A method of manufacturing a solid oxide fuel cell, comprising: a joining step of joining the metallized layer 141 and the isolation member 22 with a metal brazing material in this order.
上記還元性金属酸化物は、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Sn、Zn、Ga、W及びInのうちの少なくとも1種の金属元素を含有する請求項6乃至8のうちのいずれか1項に記載の固体電解質形燃料電池の製造方法。   The reducing metal oxide contains at least one metal element selected from Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Sn, Zn, Ga, W, and In. A method for producing a solid oxide fuel cell according to Item. 上記還元工程は、500〜1000℃、且つ0.01〜7質量%の水素を含有し、残部が窒素又は不活性ガスである還元雰囲気においてなされる請求項6乃至9のうちのいずれか1項に記載の固体電解質形燃料電池の製造方法。   The said reduction | restoration process is 500-1000 degreeC, and contains 0.01-7 mass% hydrogen, and is any one of the Claims 6 thru | or 9 made in the reducing atmosphere which remainder is nitrogen or an inert gas. A method for producing a solid oxide fuel cell as described in 1).
JP2004364925A 2004-12-16 2004-12-16 Solid electrolyte fuel battery cell, and solid electrolyte fuel battery using it and its manufacturing method Pending JP2006172946A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004364925A JP2006172946A (en) 2004-12-16 2004-12-16 Solid electrolyte fuel battery cell, and solid electrolyte fuel battery using it and its manufacturing method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004364925A JP2006172946A (en) 2004-12-16 2004-12-16 Solid electrolyte fuel battery cell, and solid electrolyte fuel battery using it and its manufacturing method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2006172946A true JP2006172946A (en) 2006-06-29

Family

ID=36673458

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2004364925A Pending JP2006172946A (en) 2004-12-16 2004-12-16 Solid electrolyte fuel battery cell, and solid electrolyte fuel battery using it and its manufacturing method

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2006172946A (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013235651A (en) * 2012-05-02 2013-11-21 Ngk Spark Plug Co Ltd Assembly and solid oxide fuel battery with the same
JP2014534555A (en) * 2011-09-27 2014-12-18 シーメンス アクチエンゲゼルシヤフトSiemens Aktiengesellschaft Power storage element
JP2020087790A (en) * 2018-11-28 2020-06-04 太陽誘電株式会社 Fuel cell and fuel cell stack

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014534555A (en) * 2011-09-27 2014-12-18 シーメンス アクチエンゲゼルシヤフトSiemens Aktiengesellschaft Power storage element
US9660257B2 (en) 2011-09-27 2017-05-23 Siemens Aktiengesellschaft Storage element
JP2013235651A (en) * 2012-05-02 2013-11-21 Ngk Spark Plug Co Ltd Assembly and solid oxide fuel battery with the same
JP2020087790A (en) * 2018-11-28 2020-06-04 太陽誘電株式会社 Fuel cell and fuel cell stack
CN111244498A (en) * 2018-11-28 2020-06-05 太阳诱电株式会社 Fuel cell and fuel cell stack
JP7330689B2 (en) 2018-11-28 2023-08-22 太陽誘電株式会社 Fuel cells and fuel cell stacks
CN111244498B (en) * 2018-11-28 2024-07-12 太阳诱电株式会社 Fuel cell and fuel cell stack

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5242952B2 (en) Solid electrolyte fuel cell and manufacturing method thereof
JP4737946B2 (en) Solid electrolyte fuel cell
KR101405477B1 (en) A method of producing a cell for a metal-supported solid oxide fuel cell and cell for a metal-supported solid oxide fuel cell
JP2006202727A (en) Solid electrolyte fuel cell
JP5313726B2 (en) Solid oxide fuel cell and interconnector for the cell
JP2004319286A (en) Manufacturing method of solid oxide fuel cell
JP2008226654A (en) Cell of fuel cell, cell stack of fuel cell, and fuel cell
JP2010080151A (en) Cell stack and fuel battery module as well as fuel cell device equipped with the same
JP5289190B2 (en) Fuel cell stack device, fuel cell module and fuel cell device
JP5079991B2 (en) Fuel cell and fuel cell
JP4912576B2 (en) Fuel cell
JP5247051B2 (en) Fuel cell and fuel cell stack, and fuel cell
JP4015913B2 (en) Single cell for solid oxide fuel cell and fuel cell using the same
JP2004319290A (en) Solid electrolyte fuel cell
JP2006172989A (en) Solid electrolyte fuel battery cell and solid electrolyte fuel battery using it and its manufacturing method
JP5409295B2 (en) Fuel cell, fuel cell stack device, fuel cell module and fuel cell device
WO2011138915A1 (en) High-temperature structural material, structural body for solid electrolyte fuel cell, and solid electrolyte fuel cell
JP5294649B2 (en) Cell stack and fuel cell module
JP2007134133A (en) Solid electrolyte fuel cell
JP2007200568A (en) Solid oxide fuel cell and its manufacturing method
JP5432231B2 (en) Joining member for solid oxide fuel cell
JP4640906B2 (en) Laminated body and solid oxide fuel cell
JP2006172946A (en) Solid electrolyte fuel battery cell, and solid electrolyte fuel battery using it and its manufacturing method
JP2006024436A (en) Solid electrolyte fuel cell
JP5890244B2 (en) Joined body and solid oxide fuel cell using the same