JP2006172989A - 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

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佳宏 舟橋
Hiroya Ishikawa
浩也 石川
Hitoshi Yokoi
等 横井
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid electrolyte fuel battery cell having a metallized layer provided by a method which does not produce the performance deterioration of a member, such as an air pole, etc., in a solid electrolyte layer, and to provide a solid electrolyte fuel battery which has a high heat resistance by brazing the metallized layer and an inter-connector and which can form a connector having a sufficient bonding strength and its manufacturing method. <P>SOLUTION: This solid electrolyte fuel battery includes, in the solid electrolyte fuel battery cell, a solid electrolyte layer 11, a fuel pole 12 provided in the one surface of the solid electrolyte layer 11, an air pole 13 which the solid electrolyte layer 11 is provided on the other hand, and is prepared, a metallized layer 141 provided in the peripheral edge of one or other surface of the solid electrolyte layer 11, the metallized layer 141 is made of the reductant of a metal oxide. This metallized layer 141 can be provided by a method which does not perform the performance deterioration of the member, such as the air pole, etc. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、各ガスを分離する金属セパレータ等の隔離部材との接合層の接合性が良好である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形燃料電池セル、並びにこのメタライズ層と金属製の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に関する。
本発明は、各種の構造を備える固体電解質形燃料電池において広く利用することができる。
The present invention relates to a solid oxide fuel cell having good bonding properties of a bonding layer with a separating member such as a metal separator that separates each gas, 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 fuel cell having a metallized layer provided by a method that does not cause a decrease in performance of a member such as an air electrode at the periphery of the solid electrolyte layer, and the metallized layer By brazing the metal isolation member, it is possible to form a bonding layer having high heat resistance and sufficient bonding strength, whereby the flow path of the fuel gas and the flow path of the combustion-supporting gas The present invention relates to a solid oxide fuel cell in which is isolated, and a method for manufacturing the same.
The present invention can be widely used in solid oxide fuel cells having various structures.

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、隔離部材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に流路隔離用の隔離部材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 sometimes referred to as a “fuel cell”) is formed by stacking a plurality of cells using a separating member. 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 flow path can be isolated by joining a flow path isolation member to the solid electrolyte layer.

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動作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動作させる場合は、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等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 a metal isolation member and an interconnector instead of ceramic, and use an inexpensive stainless steel isolation member or the like to lower the cost. You can also. The joining of the separating member 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 separating 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層とすること、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 metallization methods, it is possible to form a heat-resistant bonding layer and to bond without decomposing the air electrode. It's 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るため必要な厚さにするには手間がかかり、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、めっきに必要な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。
Further, in the film formation by CVD, since the actual film formation amount with respect to the target to be used is small, it takes time to obtain the required thickness, and it cannot be said to be 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 a member such as an air electrode is eluted during acid treatment necessary for plating. 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.

本各発明は、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該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、金属酸化物の還元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.上記還元物は、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1.又は2.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(例えば、図4、5における211、212等)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。
4.上記3.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との一面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、上記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、該未焼成固体電解質層並びに該メタライズ塗膜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に含有される該金属酸化物を還元して上記還元物を生成させる還元工程と、該メタライズ層141及び上記隔離部材22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。
5.上記3.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、上記金属酸化物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、並びに該メタライズ塗膜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に含有される該金属酸化物を還元して上記還元物を生成させる還元工程と、該メタライズ層141及び上記隔離部材22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。
6.上記3.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焼成工程と、該未焼成固体電解質層が焼成されてなる該固体電解質層11の他面の周縁部に、上記金属酸化物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に含有される該金属酸化物を還元して上記還元物を生成させる還元工程と、該メタライズ層141及び上記隔離部材22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種を含有する上記4.乃至上記6.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。
8.上記還元工程は、500〜1000℃、且つ0.01〜7体積%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4.乃至上記7.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 the other surface of the solid electrolyte layer 11, and the one surface or the other of the solid electrolyte layer 11. A solid oxide fuel cell comprising a metallized layer 141 provided on the peripheral edge of the surface, wherein the metallized layer 141 is made of a reduced metal oxide.
2. The reduction product is at least one metal selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Sn, Zn, Ga, W, and In. The solid oxide fuel cell described in 1.
3. Above 1. Or 2. A solid oxide fuel cell having a structure in which the solid electrolyte fuel cells described in 1 are connected via an interconnector 21 (for example, 211, 212 in FIGS. 4 and 5), each of the solid electrolyte fuel cells The fuel battery cell is partially joined to the solid electrolyte layer 11 and has a flow path for introducing fuel gas into the fuel electrode 12 and a flow path for introducing combustion-supporting gas into the air electrode 13. A solid oxide fuel cell comprising an isolation member 22 for isolating the metallized layer 141, wherein the metallized layer 141 provided on each solid electrolyte layer 11 and the isolation member 22 are joined to each other by a metal brazing material. .
4). 3. above. A method for producing a solid electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein a laminating step of laminating one side of an unsintered air electrode or an unsintered fuel electrode and an unsintered solid electrolyte layer, and the other side of the unsintered solid electrolyte layer A coating film forming step for forming a metallized coating film containing the above metal oxide on the peripheral portion, the unfired air electrode or the unfired fuel electrode, the unfired solid electrolyte layer, and the metallized coating film are integrally fired. A co-firing step, 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 to form a fuel electrode 12 or an air electrode 13. A fuel electrode or air electrode production step, a reduction step of reducing the metal oxide contained in the metallized layer 141 obtained by firing the metallized coating film to generate the reduced product, and the metallized layer 141 And the isolation member Joining step and a method for producing a solid electrolyte fuel cell characterized by comprising in this order 2 are bonded by a metal brazing material.
5. 3. 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. Alternatively, an unsintered air electrode or an unsintered fuel electrode / metallized coating film is formed on the peripheral surface of the other surface of the unsintered solid electrolyte layer. A firing step for firing the unfired air electrode or the unfired fuel electrode and the metallized coating film, and forming a unfired fuel electrode or an unfired air electrode on the other surface of the solid electrolyte layer 11; A fuel electrode or air electrode production step for producing the fuel electrode 12 or the air electrode 13 by firing, the metal oxide contained in the metallized layer 141 formed by firing the metallized coating film, and reducing the reduced product. Reduction process to be generated , Bonding process and a method for producing a solid electrolyte fuel cell characterized by comprising in this order to the metalized layer 141 and the isolation member 22 are joined by brazing filler metal.
6). 3. 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 an unsintered solid electrolyte layer, the unsintered air electrode or the unsintered fuel electrode, A firing step of integrally firing the unsintered solid electrolyte layer, and a metallized coating film containing the metal oxide on the peripheral edge of the other surface of the solid electrolyte layer 11 formed by firing the unsintered solid electrolyte layer Forming a metallized layer 141 and then firing to form a non-fired fuel electrode or an unfired air electrode on the other surface of the solid electrolyte layer 11, and then firing to form the fuel electrode 12 or A fuel electrode or air electrode production process for producing the air electrode 13, a reduction process for reducing the metal oxide contained in the metallized layer 141 to produce the reduced product, the metallized layer 141 and the isolation member 22. The metal b Joining step and a method for producing a solid electrolyte fuel cell characterized by comprising in this order of joining the wood.
7). The metal oxide contains at least one of Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Sn, Zn, Ga, W, and In. Thru 6. The manufacturing method of the solid oxide form fuel cell of any one of these.
8). The above reduction step is performed in a reducing atmosphere containing 500 to 1000 ° C. and 0.01 to 7% by volume of hydrogen, with the balance being nitrogen or an inert gas. Thru 7. 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によれば、作製時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141を備え、隔離部材との接合性を良好にすると共に良好な発電性能が維持される。
更に、還元物が、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Sn、Zn、Ga、W及びIn等のうちの少なくとも1種である場合は、隔離部材との接合性をより良好にすることができる。
本発明の固体電解質形燃料電池によれば、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。
According to the solid oxide fuel cell of the present invention, the metallized layer 141 is provided by a method that does not cause degradation of the performance of a member such as an air electrode at the time of production, and the bonding property with the isolation member is improved. At the same time, good power generation performance is maintained.
Furthermore, when the reduced product is at least one of Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Sn, Zn, Ga, W, In, and the like, the bondability with the isolation member can be further improved. it can.
According to the solid electrolyte fuel cell of the present invention, since the solid electrolyte layer and the separating member are joined by the joining layer 14 having high heat resistance and sufficient joining strength, sufficient power generation performance is maintained. The

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、還元物からなるメタライズ層を設けたことによって固体電解質層と隔離部材とを金属ロウ材によって強固に接合することができ、耐熱性の高い接合層14を形成することができ、且つ、メタライズ層の作製に伴う固体電解質層、燃料極及び空気極の劣化を抑止することで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、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、自立型の燃料電池の製造に有用である。
また、金属酸化物が、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Sn、Zn、Ga、W及びIn等のうちの少なくとも1種を含有する場合は、この金属酸化物が容易に還元されて金属が生成し、この金属によって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体積%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、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。
According to the method for producing a solid oxide 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 oxide fuel cell of the present invention, the metallization comprising a reduced product By providing the layer, the solid electrolyte layer and the separating member can be firmly bonded with the metal brazing material, the bonding layer 14 having high heat resistance can be formed, and the solid electrolyte accompanying the production of the metallized layer By suppressing deterioration of the layer, the fuel electrode, and the air electrode, 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 the other fuel cell manufacturing method of the present invention are particularly useful for manufacturing a fuel electrode-supported fuel cell, and the other fuel cell manufacturing method of the present invention is In particular, it is useful for manufacturing a self-supporting fuel cell.
Further, when the metal oxide contains at least one of Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Sn, Zn, Ga, W, and In, the metal oxide is easily reduced to a metal The solid oxide fuel cell and the separating member can be firmly joined by this metal, 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 volume of hydrogen and the balance being nitrogen or an inert gas, the metal oxide is sufficiently reduced. In addition, the air electrode and the like are not decomposed, and a fuel cell having sufficient power generation performance can be obtained.

以下、本発明の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を図1〜12を用いて詳細に説明する。
[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
上記「固体電解質形燃料電池セル」(例えば、図1及び図4〜5参照。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の一面又は他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の他面の周縁部に設けられたメタライズ層141と、を有する。
また、上記「固体電解質形燃料電池102」(例えば、図3〜5参照。以下、「燃料電池」ということもある。)は、複数の固体電解質形燃料電池セル1011が積層されて形成されている。更に、各々の燃料電池102は、電池構造にもよるが、各々のセル間に配設されるインターコネクタ211、212、及び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である隔離セパレータ221、222、223等を備える。
Hereinafter, a solid oxide fuel cell of the present invention, a solid electrolyte fuel cell using the same, and a method for manufacturing the same will be described in detail with reference to FIGS.
[1] Solid electrolyte fuel cell and solid electrolyte fuel cell using the same “Solid electrolyte fuel cell” (see, for example, FIG. 1 and FIGS. 4 to 5, hereinafter sometimes referred to as “cell”). ) On the periphery of the solid electrolyte layer 11, the fuel electrode 12 provided on one surface or the other surface of the solid electrolyte layer 11, the air electrode 13 provided on the other surface, and the other surface of the solid electrolyte layer 11. And a metallized layer 141 provided.
The “solid oxide fuel cell 102” (for example, see FIGS. 3 to 5; hereinafter, also referred to as “fuel cell”) is formed by laminating a plurality of solid electrolyte fuel cells 1011. Yes. Furthermore, each fuel cell 102 has an interconnector 211, 212 disposed between each cell, and the fuel gas flow path and the combustion-supporting gas flow path, depending on the battery structure. Isolation separators 221, 222, 223, etc., which are the isolation members.

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1012のセルとすることもできるし、図9のように円筒型のセル1013とすることもできる。
図6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。
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, a flat cylindrical cell 1012 can be formed as shown in FIG. 6, or a cylindrical cell 1013 can be formed as shown in FIG.
In the 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 same except that the air electrode 13 is formed inside and the fuel electrode 12 is formed outside. It can also be a cell of 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、燃料電池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、燃料電池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 fuel 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 fuel 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。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, 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、固体電解質層及び空気極と同じ平面形状であり、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 the same planar shape as a solid electrolyte layer and an air electrode, and it is preferable that the fuel electrode and the solid electrolyte layer are laminated | stacked on each substantially whole 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、燃料電池を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 fuel cell at a low temperature in the temperature range of 500 to 850 ° C., and further 500 to 750 ° C. Even when it is used, 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、固体電解質層及び燃料極と同じ平面形状が好ましい。更に、隔離部材が固体電解質層の一面の周縁部に接合される場合は、空気極は固体電解質層及び燃料極より小さく形成される。この空気極と固体電解質層とは各々の全面で積層されていることが好ましい。   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, the same planar shape as a solid electrolyte layer and a fuel electrode is preferable. Furthermore, when the separating member is joined to the peripheral edge of one surface of the solid electrolyte layer, the air electrode is formed smaller than the solid electrolyte layer and the fuel electrode. The air electrode and the solid electrolyte layer are preferably laminated on the entire surface.

上記「メタライズ層141」は、金属酸化物が還元されて生成した上記「還元物」である金属からなる。
上記「金属酸化物」は、還元されて金属を生成する金属酸化物である。このような条件で還元することによって、還元されやすい空気極を劣化させることなく金属ロウ材との接合性を向上させることができる。また、金属酸化物の形態で設けることで大気中で強固に焼き付けることができ、その後の還元で金属にすることで、隔離部材との接合に用いる金属ロウ材との接合性を良好にすることができる。
上記金属は、十分な接合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体積%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体積%、特に0.1〜4体積%、更に0.5〜3体積%であることが好ましい。
The “metallized layer 141” is made of a metal which is the “reduced product” generated by reducing a metal oxide.
The “metal oxide” is a metal oxide that is reduced to produce a metal. By reducing under such conditions, the bondability with the metal brazing material can be improved without deteriorating the air electrode that is easily reduced. Moreover, by providing it in the form of a metal oxide, it can be baked firmly in the atmosphere, and by making it a metal by subsequent reduction, the bondability with the metal brazing material used for joining with the isolation member is improved. Can do.
The metal is not particularly limited as long as it can form a metallized layer having sufficient bondability. 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 volume of hydrogen, with the balance being formed 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 volume, particularly 0.1 to 4% by volume, and more preferably 0.5 to 3% by volume.

このような還元条件により還元される金属酸化物としては、上記の条件で還元されて上記還元物が生成するものであればよく、特に限定されない。この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。
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との混合物及びCuとWとの混合物等の金属が生成する。更に、金属酸化物を2種以上混合した粉末を原料としてメタライズ層を作製することもできる。この例として、NiOとCuOの混合物、及びNiOとCoの混合物等を挙げることができる。これらを還元するとNi−Cu合金、及びNi−Co合金が生成する。
The metal oxide that is reduced under such reducing conditions is not particularly limited as long as it is reduced under the above conditions to produce the reduced product. Examples of the metal oxide include Fe 2 O 3 , Co 3 O 4 , NiO, CuO, and MoO 3. These are reduced to produce metals such as Fe, Co, Ni, Cu, and Mo. .
As the metal oxide, SnO 2 , ZnO, WO 3 and the like can be used in addition to the above various metal oxides, and these are reduced to produce metals such as Sn, Zn and W. In addition, examples of the metal oxide containing two or more kinds of metal elements include double oxides such as CuFe 2 O 4 , CuMoO 4, and CuWO 4 , which are reduced to a mixture of Cu and Fe, Cu Metals such as a mixture of Mo and Mo and a mixture of Cu and W are formed. Furthermore, a metallized layer can be produced using a powder obtained by mixing two or more metal oxides as a raw material. Examples thereof include a mixture of NiO and CuO, a mixture of NiO and Co 3 O 4 , and the like. When these are reduced, a Ni—Cu alloy and a Ni—Co alloy are produced.

尚、この固体電解質形燃料電池セルは、金属酸化物を還元せず、金属酸化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のうちの周縁部を除く部分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、金属酸化物を含有して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。
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。このようなセルは、保管等によってメタライズ層が劣化して、隔離部材との接合性が劣化することを抑制することができる。また、この中間製品において、固体電解質層、燃料極、空気極及び金属酸化物等については、上記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 addition, this solid oxide fuel cell can be stored as an intermediate product provided with a metallization film made of metal oxide without reducing 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 a portion other than the peripheral portion of the other surface of the solid electrolyte layer, and a peripheral portion of the solid electrolyte layer In the solid oxide fuel cell having the provided metallization coating, the metallization coating may be a solid oxide fuel cell characterized by containing a metal oxide.
In the case of this intermediate product, when it becomes necessary, the 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. Such a cell can suppress deterioration of the metallized layer due to storage or the like and deterioration of the bonding property with the isolation member. In this intermediate product, the description of the solid electrolyte fuel cell of the present invention can be applied as it is to the solid electrolyte layer, the fuel electrode, the air electrode, the metal oxide and the like.

固体電解質形燃料電池102では、例えば図3〜5に示すように、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を参照、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。   In the solid oxide fuel cell 102, for example, as shown in FIGS. 3 to 5, a flat solid electrolyte fuel cell 1011 can be connected via interconnectors 211 and 212. The solid oxide fuel cell 102 has an isolation member 22 (see FIG. 2, as shown in FIGS. 3 to 5) for isolating the flow path of the fuel gas and the flow path of the combustion-supporting gas, depending on the battery structure. In the case of a flat plate type, hereinafter referred to as isolation separators 221, 222, and 223), nickel felt layer 31 for electrically connecting interconnectors 211 and 212 and fuel electrode 12, and interconnectors 211 and 212, A current collecting member such as an Inconel fiber mesh layer 32 for electrically connecting the air 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。)に支燃性ガスが導入し、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, a 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。   Moreover, in the cell of FIG. 6, when it is set as the cell of the same structure except forming the air electrode 13 inside and the fuel electrode 12 outside as mentioned above, although it depends on the battery structure, the end of each cell In this part, the peripheral edge of the solid electrolyte layer is joined to a supporting gas introducing / separating member which is 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とすることもできる。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及び図4〜5の、平板型のセル1011を用いた燃料電池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及びその他の部品、例えば、後記の蓋部材23及び底部材24等は、通常、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。これらは導電性セラミックにより形成されていてもよい。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、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、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 using the flat plate cell 1011 shown in FIGS. 1 and 4 to 5, the interconnectors 211, 212, the separators 221, 222, 223 and other parts such as a lid member 23 and a bottom member described later are used. 24 and the like are usually formed of a heat-resistant metal such as stainless steel. These may be formed of a conductive ceramic. 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 the 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 Other members such as an interconnector, a frame, a lid member, and a bottom member are joined directly or indirectly by a metal brazing material to form a joint portion 4.

更に、図6の扁平円筒型のセル1012を用いた燃料電池におけるインターコネクタ213、燃料ガス導入兼隔離部材224、及び図9の円筒型のセル1013を用いた燃料電池におけるインターコネクタ214等も、通常、ステンレス鋼等の耐熱金属により形成されている。また、導電性セラミックにより形成されていてもよい。更に、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(例えば図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, an interconnector 213 in a fuel cell using the flat cylindrical cell 1012 of FIG. 6, a fuel gas introduction / separation member 224, an interconnector 214 in a fuel cell using the cylindrical cell 1013 of FIG. Usually, it is made of a heat-resistant metal such as stainless steel. Moreover, you may form with the electroconductive ceramic. Further, in these fuel cells, the metallized layer and the fuel gas introduction / separation member 224 and the like are joined by a metal brazing material to form a joining layer 14 (see, for example, FIG. 8). Are joined directly or indirectly 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、及び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。
また、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系及び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。)等が挙げられる。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。
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.
Various separators and the like may be formed of a conductive ceramic. Examples of the conductive ceramic include LaCrO 3 series and MTiO 3 series (M is a metal element, and M is an alkali such as Sr, Ca, Ba). Earth 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と隔離部材22等との間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 separating member 22 and the like 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層及び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、接合層等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. When 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 bonding layer and a bonding portion having sufficient durability can be formed. Furthermore, the Ag-based brazing material flows sufficiently at the time of bonding, and the sealing properties of the bonding layer and the like 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、接合層等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. Further, 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 the sealing properties such as the bonding layer are improved. Can be improved.

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層等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 layer or the like 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.

本固体電解質形燃料電池は、各々のセルを構成する固体電解質、燃料極及び空気極のうち任意の層を支持基板とすることができる。更に、他の層を薄層又は扁平にすることで、発電効率を上げることができるが、強度の観点から過度に薄層等とすることは好ましくない。また、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い。
燃料極支持型である場合は、燃料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。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、空気極支持型である場合は、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 present solid electrolyte fuel cell, any layer of the solid electrolyte, fuel electrode, and air electrode constituting each cell can be used as a support substrate. Furthermore, although the power generation efficiency can be increased by making other layers thin or flat, it is not preferable to make the layers excessively thin from the viewpoint of strength. Moreover, it is not preferable to make the solid electrolyte layer thicker from the viewpoint of power generation performance.
In the case of the fuel electrode support type, the thickness of the fuel electrode is preferably 20 times or more that of the solid electrolyte layer. If it is less than 20 times, the mechanical strength of the cell tends to decrease. 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, in the case of the air electrode support type, 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.

また、空気極の厚さは、燃料極支持型である場合は、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。
一方、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。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。
In addition, the thickness of the air electrode is preferably 10 to 100 μm, particularly preferably 20 to 50 μm in the case of the fuel electrode support type. 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.
On the other hand, in the case of the air electrode support type, the thickness of the air electrode is preferably 20 times or more that of the solid electrolyte layer. If it is less than 20 times, the mechanical strength of the cell tends to decrease. 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.

上記「燃料ガス」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。   The above "fuel gas" is hydrogen, a hydrocarbon serving as a hydrogen source, a mixed gas of hydrogen and hydrocarbon, a fuel gas obtained by passing these gases through water at a predetermined temperature and humidifying them, and mixing these gases with water vapor. Fuel gas and the like. 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.

上記「支燃性ガス」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 “flammable 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.

[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、本発明及び本発明の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の一つは空気極支持型又は燃料極支持型の電池の製造方法であり、空気極支持型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、未焼成固体電解質層の他面の周縁部に、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、空気極支持型又は未焼成燃料極と、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、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、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、金属酸化物焼結体を還元して還元物を生成させ、メタライズ層141を形成する還元工程、及びメタライズ層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、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, but can be produced, for example, by the method for producing the solid electrolyte fuel cell of the present invention and other solid oxide fuel cells of the present invention. .
(1) Manufacturing Method of Solid Electrolyte Fuel Cell of the Present Invention One of the manufacturing methods of the solid oxide fuel cell of the present invention is a manufacturing method of an air electrode support type or a fuel electrode support type cell. Alternatively, a laminating step of laminating the unfired fuel electrode and one surface of the unfired solid electrolyte layer, and a coating film forming step of forming a metallized coating film containing a metal oxide on the periphery of the other surface of the unfired solid electrolyte layer A co-firing step in which the air electrode support type or unfired 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 A fuel electrode or air electrode manufacturing step of forming and firing to form a fuel electrode 12 or an air electrode 13, a reduction step of forming a metallized layer 141 by reducing the metal oxide sintered body to form a reduced product, and Metallization layer 141 and isolation member 22 The joining process of joining with a metal brazing material is provided in this order.

(A)未焼成燃料極又は未焼成空気極の形成
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は特に限定されない。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。
更に、各々の形成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、スキージ法及びスピンコート法等の各種の方法が挙げられる。
(A) Formation of unsintered fuel electrode or unsintered air electrode 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.
Furthermore, each formation method is not specifically limited, Various methods, such as a screen printing method, a doctor blade method, a squeegee method, and a spin coat method, are mentioned.

(B)積層工程
上記「積層工程」において、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方法は特に限定されない。例えば、自立型では、未焼成固体電解質層に、上記の未焼成空気極又は未焼成燃料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して積層することができる。更に、燃料極支持型では、未焼成燃料極に、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し、スラリーに含有される有機バインダ等があればそれを除去することにより積層することができる。また、空気極支持型では、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積層することができる。
更に、自立型では、未焼成燃料極は、上記のスラリーを用いて予め未焼成空気極又は未焼成燃料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、未焼成燃料極に積層して設けることもできる。また、更に、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、未焼成空気極に積層して設けることもできる。
(B) Lamination process In the said "lamination process", the method of laminating | stacking an unbaked air electrode or an unburned fuel electrode, and one surface of an unbaked solid electrolyte layer is not specifically limited. For example, in the self-supporting type, the slurry for the unsintered air electrode or unsintered fuel electrode may be applied to the unsintered solid electrolyte layer, then dried, and further heated and laminated as necessary. Furthermore, in the fuel electrode support type, the slurry for the unfired solid electrolyte is applied to the unsintered fuel electrode, then dried, and further heated as necessary, so that there is an organic binder contained in the slurry. If it is removed, it can be laminated. In the air electrode support type, the slurry for the unfired solid electrolyte is applied to the unfired air electrode, then dried, and further heated as necessary to remove the organic binder contained in the slurry. It can be laminated by doing.
Further, in the self-supporting type, the unfired fuel electrode is formed by previously forming a sheet that becomes an unfired air electrode or an unfired fuel electrode using the above slurry, and this sheet is laminated on the unfired solid electrolyte layer. You can also. Further, in the fuel electrode support type, the unfired solid electrolyte layer can be provided by forming a sheet to be an unfired solid electrolyte layer in advance using the slurry and laminating the sheet on the unburned fuel electrode. . Furthermore, in the air electrode support type, the unfired solid electrolyte layer is formed by previously forming a sheet that becomes the unfired solid electrolyte layer using the slurry, and this sheet is laminated on the unfired air electrode. You can also.

(C)塗膜形成工程
上記「塗膜形成工程」において、メタライズ塗膜を形成する方法は特に限定されない。例えば、NiO等の金属酸化物粉末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、スピンコート法等の各種の方法が挙げられる。
(C) Coating film formation process In the said "coating film formation process", the method of forming a metallized coating film is not specifically limited. For example, a slurry containing a metal oxide powder such as NiO can be applied and formed on the peripheral portion of the other surface of the unfired solid electrolyte layer. The coating method is not particularly limited, and various methods such as a screen printing method, a doctor blade 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、未焼成空気極又は未焼成燃料極と、未焼成固体電解質層と、メタライズ塗膜とを、一体に焼成する工程であり、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が同時に形成される。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あり、未焼成空気極が動じ焼成されるときは、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 above-mentioned "co-firing step" is a step of integrally firing the unfired air electrode or unfired fuel electrode, the unfired solid electrolyte layer, and the metallized coating film. The air electrode 13, the solid electrolyte layer 11, and the metallized layer 141 are formed simultaneously. Although the firing temperature of this co-firing depends on the kind of raw material powder used, etc., it is a case where the above-mentioned various raw materials are used. When the unfired air electrode is moved and fired, it is 1250 to 1500 ° C., particularly 1250 to 1450. It is preferable to set it as 1 degreeC and 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」において、未焼成燃料極又は未焼成空気極を形成する方法は特に限定されない。例えば、各種の金属粉末、金属酸化物粉末、及び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の他面に塗布し、その後、乾燥し、更に必要に応じて加熱して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、スキージ法及びスピンコート法等の各種の方法が挙げられる。
この未焼成燃料極又は未焼成空気極の焼成は、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もなく、燃料極12又は空気極13におけるガス拡散が損なわれることもない。
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。
(E) Fuel electrode or air electrode production process In the above-mentioned "fuel electrode or air electrode production process", the method for forming the unfired fuel electrode or the unfired air electrode is not particularly limited. For example, a slurry containing various metal powders, metal oxide powders, metal double oxide powders, and the like is applied to the other surface of the solid electrolyte layer 11, then dried, and further heated as necessary. be able to. 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.
Firing of the unfired fuel electrode or unfired air electrode, and firing conditions of the unfired fuel electrode or 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 fuel electrode 12 or air electrode is already fired. 13 and the like are not excessively densified by the firing, and gas diffusion in the fuel electrode 12 or the air electrode 13 is not impaired.
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.

(F)還元工程
上記「還元工程」において、メタライズ層141に含有される金属酸化物を還元して還元物を生成させる方法は、メタライズ層141が層間の接合性を向上させ、導電層として機能すればよく、特に限定されない。この金属酸化物は、温度が500〜1000℃であり、且つ0.01〜7体積%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体積%、特に0.1〜4体積%、更に、0.5〜3体積%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0.05〜5体積%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体積%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体積%であることが特に好ましい。
(F) Reduction Step In the above “reduction step”, the method of reducing the metal oxide contained in the metallized layer 141 to generate a reduced product is that the metallized layer 141 improves the bonding property between layers and functions as a conductive layer. There is no particular limitation. This metal oxide can be reduced in an atmosphere having a temperature of 500 to 1000 ° C., containing 0.01 to 7% by volume of hydrogen, and 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. In addition, the hydrogen content in the reducing atmosphere is preferably 0.05 to 5% by volume, particularly 0.1 to 4% by volume, and more preferably 0.5 to 3% by volume. Further, the temperature is preferably 550 to 950 ° C., and the hydrogen content is preferably 0.05 to 5% by volume, the temperature is 600 to 850 ° C., and the hydrogen content is 0.1 to 4%. More preferably, it is volume%, it is especially preferable that temperature is 650-750 degreeC, and content of hydrogen is 0.5-3 volume%.

(G)接合工程
上記「接合工程」は、メタライズ層141及び隔離部材22を接合する工程である。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. 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、金属酸化物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、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、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、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、金属酸化物焼結体を還元して還元物を生成させ、メタライズ層141を形成する還元工程、及びメタライズ層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、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. An unfired air electrode or an unfired fuel electrode is provided on one surface of the solid electrolyte layer 11 and a metallized coating film containing a metal oxide is formed on the periphery of the other surface of the unfired solid electrolyte layer. Firing air electrode or unfired fuel electrode / metallized coating film forming process, unburned air electrode or unfired fuel electrode and metallized coating film firing process, unburned fuel electrode or unfired on the other surface of the solid electrolyte layer 11 A fuel electrode or air electrode manufacturing step in which an air electrode is formed and fired to produce the fuel electrode 12 or the air electrode 13, a metal oxide sintered body is reduced to produce a reduced product, and a metallized layer 141 is formed. Process and metallization layer 1 41 and the separating member 22 are joined 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」は、未焼成固体電解質層を焼成することで固体電解質層11を作製する工程である。
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、LaGaO系セラミック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。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、スピンコート法等の各種の方法が挙げられる。
(A) Solid electrolyte layer preparation process The above-mentioned "solid electrolyte layer preparation process" is a process of preparing the solid electrolyte layer 11 by baking an 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 ceramics, LaGaO 3 -based ceramics, etc. is applied to the surface of a support material such as a resin sheet, rubber sheet and glass, and then dried and further heated as necessary. When the slurry contains an organic binder or the like, it can be formed by removing the organic binder or the like. The coating method is not particularly limited, and various methods such as a screen printing method, a doctor blade 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)未焼成空気極又は未焼成燃料極・メタライズ塗膜形成工程
上記「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」において、未焼成空気極又は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、未焼成燃料極は、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、そ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 air electrode or unsintered fuel electrode / metallized coating film forming step In the “unsintered air electrode or unsintered fuel electrode / metallized coating film forming step”, the unsintered air electrode or unsintered fuel electrode is formed. The method is not particularly limited. For example, the unfired fuel electrode contains 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等の金属酸化物粉末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、スクリーン印刷法及び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 metal oxide powder such as NiO is applied to the peripheral edge of the other surface of the solid electrolyte layer 11, then dried, and further heated as necessary, and an organic binder contained in the slurry, etc. It can be formed by removing. The coating method is not particularly limited, and various methods such as a screen printing method and a spin coating method can be used.

(c)焼成工程
上記「焼成工程」によって、未焼成空気極又は未焼成燃料極と、メタライズ塗膜とを、一体に焼成することにより、燃料極12又は空気極13並びにメタライズ層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、1200〜1450℃、特に1200〜1400℃、更に1250〜1400℃とすることが好ましい。焼成温度が1250〜1450℃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 The fuel electrode 12 or the air electrode 13 and the metallized layer 141 are formed by integrally firing the unfired air electrode or the unfired fuel electrode and the metallized coating film by the “firing step”. The The firing temperature depends on the type of raw material powder to be used, but when the above-mentioned various raw materials are used and the unfired fuel electrode is fired, it is 1200 to 1450 ° C, particularly 1200 to 1400 ° C, and further 1250. It is preferable to set it to -1400 degreeC. If a calcination temperature is 1250-1450 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
上記「空気極作製工程」、「還元工程」及び「接合工程」は、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 The above-mentioned "air electrode production process", "reduction process" and "joining process" This is the same as (E) fuel electrode or air electrode production process, (F) reduction process, and (G) joining process in the manufacturing method.

(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の他面の周縁部に金属酸化物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に含有される金属酸化物を還元して金属酸化物の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 A metallized coating film containing a metal oxide is formed on the peripheral edge of the surface, and then fired to form a metallized layer 141. On the other surface of the solid electrolyte layer 11, the unfired fuel electrode or unfired A fuel electrode or air electrode manufacturing step in which an air electrode is formed and then fired to prepare the fuel electrode 12 or the air electrode 13, and a metal oxide reduced product obtained by reducing the metal oxide contained in the metallized layer 141. Reducer to produce And a joining step of joining the metallized layer 141 and the isolation member 22 with a metal brazing material in this order.

上記の製造方法において、積層工程、還元工程、接合工程並びに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、金属酸化物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。この金属酸化物については、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。
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、各種セパレータ等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 manufacturing method, the description regarding each step in the manufacturing method of the solid electrolyte fuel cell of the present invention can be applied as it is to the stacking step, the reduction step, the joining step, and the fuel electrode or air electrode manufacturing 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 metal oxide on the peripheral portion of the other surface of the solid electrolyte layer and firing the metallized coating film. As for this metal oxide, the description in the case of the solid oxide fuel cell can be applied as it is.
In the above solid oxide fuel cell manufacturing method, the materials used for forming the solid electrolyte layer, the fuel electrode, the air electrode, and the metal oxide, etc., are the same as those in the case of the solid oxide fuel cell. Can be applied. The description of the solid oxide fuel cell can be applied as it is to various separators and metal brazing materials.

以下、実施例により平板型の燃料電池セル及び燃料電池に関する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、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、更に混合した。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 relating to a flat plate type fuel cell and a fuel cell will be specifically described by way of examples.
[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 prepared by blending zirconia (hereinafter referred to as “8YSZ”) powder in which 8 mol% of yttria is solid-dissolved with diethylamine as a dispersant and toluene and methyl ethyl ketone as organic solvents. Dibutyl phthalate as an agent and polyvinyl alcohol as a binder were blended and further prepared by a doctor blade method using a slurry prepared by mixing. The unfired fuel electrode was prepared by mixing nickel oxide (NiO) powder and the above 8YSZ powder, and then mixing artificial graphite powder as a pore former and further mixing. Subsequently, it produced by the screen-printing method using the slurry which mix | blended butyl carbitol as a solvent.

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のメタライズ層の欄に記載の金属酸化物粉末[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。)]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. Moreover, the metallized coating film used as a metallized layer is a metal oxide powder [NiO powder (metal Ni is produced by reduction) described in the column of the metallized layer in Table 2 or a mixed powder of NiO and Co 3 O 4 ( Reduction produced metal Ni and metal Co))] and a slurry in which butyl carbitol was blended as a solvent.

(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に記載の製作手順(1)〜(4)に従って固体電解質形燃料電池セルを作製した。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 each green body, and solid electrolyte 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 2006172989
Figure 2006172989

Figure 2006172989
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 2006172989
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の未焼成メタライズ層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層としての機能はないが便宜上メタライズ層という。
(2) Peel test Using the test body prepared in (1) above, a cloth adhesive tape was attached to the entire surface of the metallized layer, and then peeled to perform a peel test. 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
Note that the unfired metallized layers of Reference Examples 1 to 5 are not reduced and remain as metal oxides, and thus have no function as a metallized layer, but are referred to as a metallized layer for convenience.

表2の結果によれば、セルの作成手順及びメタライズ層の形成に用いる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、LaCo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 in Table 2, regardless of the cell preparation procedure and the type of metal oxide used for forming the metallized layer, the remaining rate after the peel test is 100%, and the metallized layer is sufficient for the solid electrolyte layer. It turns out that it adheres to.
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 existence of constituent phases generated due to lack of oxygen such as Sr 2 Co 2 O 5 and La 2 Co 2 O 4 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試験セル用セパレータとの接合強度(破壊強度)及びセルの発電性能
実施例6〜11及び比較例4〜6
(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を用いて、プレス成形した後、冷間静水圧プレスにて1500kg/cmの圧力で加圧し、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] Joining strength (breaking strength) between the solid electrolyte layer of the solid electrolyte fuel cell and the separator for the test cell and the power generation performance of the cells Examples 6 to 11 and Comparative Examples 4 to 6
(1) Manufacture of solid electrolyte fuel cell (test cell) After pressing using zirconia powder stabilized with 10 mol% scandia, pressure of 1500 kg / cm 2 by cold isostatic pressing To form a green solid electrolyte layer. 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, an unsintered fuel electrode was formed concentrically with the unsintered solid electrolyte layer on one surface of the unsintered solid electrolyte layer by screen printing using this slurry.

その後、表3に記載のメタライズ材料(金属酸化物)に、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。
次いで、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。その後、大気雰囲気において1400℃で1時間保持して一体に焼成し、実施例6、8、9、11用の焼結体を得た。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。
また、未焼成固体電解質層及び未焼成燃料極の積層体を上記条件で焼成した後、上記スラリーを用いて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、その後、上記条件で焼成し、実施例7、10用の焼結体を得た。
Thereafter, butyl carbitol as a solvent was mixed with the metallized material (metal oxide) shown in Table 3 to prepare a slurry for the metallized coating film.
Next, 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. Then, it hold | maintained at 1400 degreeC in the air atmosphere for 1 hour, and baked integrally, and the sintered compact for Examples 6, 8, 9, and 11 was obtained. 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.
In addition, after firing the laminate of the unsintered solid electrolyte layer and the unsintered fuel electrode under the above conditions, a metallized coating film is formed concentrically with the unsintered solid electrolyte layer using the slurry, and then fired under the above conditions. As a result, sintered bodies for Examples 7 and 10 were obtained.

次いで、La0.6Sr0.4(Co0.2Fe0.8)O粉末に、バインダとしてポリビニルアルコールを混合して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。次いで、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体積%の水素と98体積%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(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。 Next, a slurry was prepared by mixing polyvinyl alcohol as a binder with La 0.6 Sr 0.4 (Co 0.2 Fe 0.8 ) O 3 powder. Thereafter, an unsintered air electrode was formed concentrically with the solid electrolyte layer 11 on the other surface of the solid electrolyte layer 11 by screen printing using this slurry. Subsequently, the air electrode 13 having a diameter of 10 mm and a thickness of 15 μm was formed by holding at 1100 ° C. for 1 hour and firing. Thereafter, heating to 700 ° C. in a reducing atmosphere composed of 2% by volume of hydrogen and 98% by volume of nitrogen to reduce the metallized material (metal oxide), generate Ni or Co, and form the metallized layer 141. A test cell was produced.

(2)試験セル用セパレータの接合
図10に示すように、上記(1)において製造した試験用セルの固体電解質層11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に相当する金属製隔離部材であり、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℃でロウ付けした。
(2) Joining of Test Cell Separator As shown in FIG. 10, the test cell manufactured in the above (1) comprises a metallized layer 141 formed on the edge of the other surface of the solid electrolyte layer 11 and SUS430. Test cell separator 81 (in the solid oxide fuel cell 102 described later, a metal separator corresponding to the separators 221, 222, and 223, an outer diameter of 40 mm, a thickness of 50 μm, and an opening having a diameter of 12 mm in the center) Was formed by brazing at 1100 ° C. in a vacuum atmosphere using a metal brazing material described in Table 3.

Figure 2006172989
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(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、試験セル用セパレータ81から燃料極の方向に切断し、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、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。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 peripheral members, and then cut from the test cell separator 81 toward the fuel electrode, The cross section was mirror-polished and observed with an electron microscope. As a result, the test cell separator 81 and the metallized layer 141 were integrated with each other so that the respective bonding interfaces could not be confirmed. 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6〜11及び比較例4〜6の各々について接合強度の測定を行った。
(4) Measurement of bonding strength The bonding strength was measured for each of Examples 6 to 11 and Comparative Examples 4 to 6 for the test cells to which the test cell separator 81 produced in (2) above was bonded.

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に示すように、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接合し、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から固体電解質層11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。また、結果を5個の試験体の平均値として表3に併記した。   As shown in FIG. 11, the test cell separator 81 produced in the above (2) is 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 was joined so that the outer periphery of the support base 82 and the outer periphery of the test cell separator 81 coincided, and then the upper surface of the air electrode 13 was made of SUS430 having a diameter of 10 mm and a height of 10 mm. Next, a load is applied from above the load loading jig 83, the load when the solid electrolyte layer 11 is peeled from the test cell separator 81 is measured, and the load is divided by the bonding area. Calculated. The results are also shown in Table 3 as an average value of five test specimens.

(5)発電性能の評価
図12に示すように、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から電気を取り出し、最大出力密度を求めた。尚、この試験用セルでは、空気極13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 produced in the above (2) are passed through an alumina tube seal portion 85 made of seal glass. After being sandwiched between the outer alumina tubes 841, 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 power, and electricity was taken out from the platinum wire 862 connected to the platinum net 861 to obtain the maximum output density. In this test cell, since LSCF or the like is used for the air electrode 13, it can be operated at a lower temperature. Therefore, the power generation performance was evaluated at 700 ° C. The results are also shown in Table 3.

表3の結果によれば、実施例6〜11では、接合強度が483〜502kPa/mmであって、メタライズ層141と他の層との一体焼成又は別焼成の違い、並びにメタライズ材料(金属酸化物)及び金属ロウ材の種類によらず、十分な接合強度を備えることが分かる。
一方、固体電解質層11と試験セル用セパレータ81とをメタライズ層を介さず直接接合した比較例4では、接合強度が51kPa/mmと極めて低く、固体電解質層11と試験セル用セパレータ81とが剥離しやすい。
また、固体電解質層11と試験セル用セパレータ81とを通常の無電解Niめっきにより形成したメタライズ層を介して接合した比較例5では、接合強度は480kPa/mmと高いものの、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、固体電解質層11と試験セル用セパレータ81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、接合強度は491kPa/mmと高いものの、後述する発電性能の劣化率が著しかった。
According to the results of Table 3, in Examples 6 to 11, the bonding strength was 483 to 502 kPa / mm 2 , the difference between the integral firing or the separate firing of the metallized layer 141 and another layer, and the metallized material (metal It can be seen that sufficient bonding strength is provided regardless of the type of the oxide) and the metal brazing material.
On the other hand, in Comparative Example 4 in which the solid electrolyte layer 11 and the test cell separator 81 were directly joined without a metallized layer, the joining strength was extremely low at 51 kPa / mm 2, and the solid electrolyte layer 11 and the test cell separator 81 were Easy to peel.
Further, in Comparative Example 5 in which the solid electrolyte layer 11 and the test cell separator 81 are joined through a metallized layer formed by ordinary electroless Ni plating, the joining strength is as high as 480 kPa / mm 2 , but it is used at the time of plating. Part of the air electrode was dissolved by the nitric acid.
Further, in Comparative Example 6 in which the solid electrolyte layer 11 and the test cell separator 81 are joined through a metallized layer formed by a normal Mo-Mn method, the joining strength is as high as 491 kPa / mm 2 , but power generation performance to be described later The deterioration rate of was remarkable.

また、実施例6〜11及び比較例4〜6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と試験セル用セパレータ81とをメタライズ層を介さず直接接合した比較例4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6〜11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 11 and Comparative Examples 4 to 6, Comparative Example 4 in which the solid electrolyte layer 11 and the test cell separator 81 were directly joined without a metallized layer. Based on the power generation output of 0.33 W / cm 2 , the deterioration rate expressed as a percentage of the reference value is 0 to 6% at the maximum in Examples 6 to 11, indicating that the deterioration rate 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
本発明の固体電解質形燃料電池セルの製造方法により製造された燃料極支持型の固体電解質形燃料電池セルを使用し、この固体電解質形燃料電池セルを3個有する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固体電解質形燃料電池102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。
この固体電解質形燃料電池102では、3個のセル1011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 A fuel electrode-supported solid electrolyte fuel cell manufactured by the method for manufacturing a solid electrolyte fuel cell of the present invention is used, and the solid electrolyte fuel cell has three. An internal manifold type solid oxide fuel cell was manufactured.
(1) Structure of fuel cell (a) Cell and various separators FIG. 3 is a perspective view showing the appearance of a flat-plate solid electrolyte fuel cell 102 having a structure in which three cells are stacked. 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 solid oxide fuel cell 102, three cells 1011 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と接合されている隔離部材である上部セル用隔離セパレータ221を有する。更に、固体電解質層11及び上部セル用隔離セパレータ221は、図2に示すように、メタライズ層141及びロウ付け層142からなる接合層14を介して接合されている。
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と接合されている隔離部材である中間セル用隔離セパレータ222を有する。更に、固体電解質層11及び中間セル用隔離セパレータ222は、図2に示すように、メタライズ層141及びロウ付け層142からなる接合層14を介して接合されている。
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と接合されている隔離部材である下部セル用隔離セパレータ223を有する。更に、固体電解質層11及び下部セル用隔離セパレータ223は、図2に示すように、メタライズ層141及びロウ付け層142からなる接合層14を介して接合されている。
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 is provided as an isolation member joined to the lid member 23. Further, the solid electrolyte layer 11 and the upper cell isolation separator 221 are bonded via a bonding layer 14 including a metallized layer 141 and a brazing layer 142 as shown in FIG.
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. It has an intermediate cell isolation separator 222 that is an isolation member joined to the interconnector 211. Furthermore, the solid electrolyte layer 11 and the intermediate cell isolation separator 222 are joined together via a joining layer 14 including a metallized layer 141 and a brazing layer 142 as shown in FIG.
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. Further, the lower cell isolation, which is an isolation member whose lower surface is bonded to the solid electrolyte layer 11 and the metal frame 66 and whose upper surface is bonded to the interconnector 212 via the ceramic frame 53 and the metal frame 65. A separator 223 is included. Further, the solid electrolyte layer 11 and the lower cell isolation separator 223 are bonded via a bonding layer 14 including a metallized layer 141 and a brazing layer 142 as shown in FIG.

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、接合層14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 bonded at 1100 ° C. in a vacuum atmosphere to form a bonding layer 14. 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 this fuel cell, when another cell is further 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71と燃料ガス排出管72、及び支燃性ガス導入管73と支燃性ガス排出管74は、この実施例の場合は、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 this embodiment, the fuel gas introduction pipe 71 and the fuel gas discharge pipe 72, and the combustion support gas introduction pipe 73 and the combustion support gas discharge pipe 74 are respectively in the diagonal direction. It is attached to the position where it circulates. 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
この平板型燃料電池102スタックでは、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 the Fuel Cell In this flat plate fuel cell 102 stack, 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部材とは、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。
これらの接合層14においては、それぞれ圧縮応力が残留しているものと考えられる。これにより、種々の外力に耐えられる強靭なスタック構造とすることができる。
(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 on the solid electrolyte layer and the separating member are bonded at 1100 ° C. in a vacuum atmosphere using a metal brazing material, thereby forming the bonding layer 14. ing.
It is considered that compressive stress remains in each of the bonding layers 14. Thereby, it can be set as the strong stack structure which can endure various external forces.

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、セル等の平面形状は、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 or the like 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.

本発明の平板型の固体電解質形燃料電池セルの断面を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the cross section of the flat type solid oxide fuel cell of this invention. 本発明の平板型の固体電解質形燃料電池セルの固体電解質層に隔離部材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 conjugate | zygote which joined the isolation member to the solid electrolyte layer of the flat type solid electrolyte form fuel cell of the present invention. 平板で燃料極支持型の固体電解質形燃料電池を示す斜視図である。1 is a perspective view showing a solid electrolyte fuel cell of a flat plate and a fuel electrode support type. FIG. 図3の固体電解質形燃料電池の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 electrolyte form fuel cell of FIG. 図3の固体電解質形燃料電池のB−B断面を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the BB cross section of the solid oxide fuel cell of FIG. 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 (flat cylindrical type) of the solid oxide fuel cell of this invention. 図6の固体電解質形燃料電池セルがインターコネクタを介して3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 three solid oxide fuel cells of FIG. 6 are connected via an interconnector, and a fuel gas introduction / separation member is disposed at the lower part. 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 type) of the solid oxide fuel cell of this invention. 試験用セルと試験セル用セパレータの構成を説明するための模式斜視図である。It is a model perspective view for demonstrating the structure of the cell for a test, and the separator for a test cell. 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方向を表す。It is a schematic diagram which shows the cross section of the test body which measures joining strength. In addition, the downward arrow at the top of the load loading jig represents the load direction. 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(還元物)、142;ロウ付け層、21、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(隔離部材)、222;中間セル用隔離セパレータ(隔離部材)、223;下部セル用隔離セパレータ(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 (reduced product) 142; brazing layer, 21, 211, 212, 213, 214; interconnector, 22; isolation member, 221; isolation separator for upper cell (isolation member), 222; isolation separator for intermediate cell (isolation member), 223 ; Bottom cell isolation separator (separation member), 23; lid member, 24; bottom member, 31; nickel felt layer, 32; inconel fiber mesh layer, 4; joint, 51, 52, 53; 61, 62, 63, 64, 65, 66; metal frame, 71; fuel gas introduction pipe, 72; fuel gas exhaust pipe, 73; combustion-supporting gas introduction pipe, 74; Flammable gas exhaust pipe, 81; separator for test battery, 82; support base, 83; jig for load application, 841; outer alumina pipe, 842; inner alumina pipe, 85; seal section for alumina pipe, 861; Net, 862; platinum wire.

Claims (8)

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、金属酸化物の還元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 reduced metal oxide, and is a solid oxide fuel cell.
上記還元物は、Fe、Co、Ni、Cu、Mo、Sn、Zn、Ga、W及びInのうちの少なくとも1種の金属である請求項1に記載の固体電解質形燃料電池セル。   2. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the reduced product is at least one metal selected from Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Sn, Zn, Ga, W, and In. 請求項1又は2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 oxide fuel cell according to claim 1 or 2 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3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、上記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、該未焼成固体電解質層並びに該メタライズ塗膜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に含有される該金属酸化物を還元して上記還元物を生成させる還元工程と、
該メタライズ層141及び上記隔離部材22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 3,
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 the 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 unfired 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 metal oxide contained in the metallized layer 141 formed by firing the metallized coating film to generate the reduced product;
A solid oxide fuel cell manufacturing method 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3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、上記金属酸化物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、並びに該メタライズ塗膜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に含有される該金属酸化物を還元して上記還元物を生成させる還元工程と、
該メタライズ層141及び上記隔離部材22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 3,
A solid electrolyte layer preparation step of baking the unfired solid electrolyte layer to prepare the solid electrolyte layer 11;
An unsintered metal electrode 11 is provided with an unsintered air electrode or an unsintered fuel electrode, and a metallized coating film containing the metal oxide is formed on the periphery of the other surface of the unsintered solid electrolyte layer 11. Air electrode or unfired fuel electrode / metallized coating film forming process,
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 in which a non-fired fuel electrode or a non-fired air electrode is formed on the other surface of the solid electrolyte layer 11 and then fired to produce the fuel electrode 12 or the air electrode 13;
A reduction step of reducing the metal oxide contained in the metallized layer 141 formed by firing the metallized coating film to generate the reduced product;
A solid oxide fuel cell manufacturing method 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3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焼成工程と、
該未焼成固体電解質層が焼成されてなる該固体電解質層11の他面の周縁部に、上記金属酸化物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に含有される該金属酸化物を還元して上記還元物を生成させる還元工程と、
該メタライズ層141及び上記隔離部材22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 3,
A laminating step of laminating the unsintered air electrode or unsintered fuel electrode and unsintered solid electrolyte layer;
A firing step of integrally firing the unfired air electrode or the unfired fuel electrode and the unfired solid electrolyte layer;
A metallized layer is formed by forming a metallized coating film containing the metal oxide on the peripheral portion of the other surface of the solid electrolyte layer 11 formed by firing the unsintered solid electrolyte layer, and then firing to form a metallized layer 141 Forming process;
A fuel electrode or air electrode manufacturing step in which a non-fired fuel electrode or a non-fired air electrode is formed on the other surface of the solid electrolyte layer 11 and then fired to produce the fuel electrode 12 or the air electrode 13;
A reduction step of reducing the metal oxide contained in the metallized layer 141 to generate the reduced product;
A solid oxide fuel cell manufacturing method 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4乃至6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。   7. The metal oxide according to claim 4, wherein the metal oxide contains at least one metal element selected from Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Sn, Zn, Ga, W, and In. The manufacturing method of the solid electrolyte form fuel cell of description. 上記還元工程は、500〜1000℃、且つ0.01〜7体積%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4乃至7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 volume% hydrogen, and is any one of the Claims 4 thru | or 7 made in the reducing atmosphere whose remainder is nitrogen or an inert gas. A method for producing a solid oxide fuel cell as described in 1).
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