JP2009064632A - Solid oxide fuel cell and method for manufacturing same - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid oxide fuel cell assuring high sealability when forming gas sealing by using a sheet or the like, and also to provide a method for manufacturing the same. <P>SOLUTION: In a conductive member 13, a gas seal layer 15 is joined so as to cover both end surfaces of an axial direction of a fuel cell tube 3, and the gas seal layer 15 consists of a first seal layer 25 of a side of the conductive member 13 and a second seal layer 27 laminated thereon. The first seal layer 25 and the second seal layer 27 are glass seal layers containing a crystal phase in a glass phase, and, in the seal layers 25 and 27, their volume ratios of the crystal phase are different respectively. Concretely, the first seal layer 25 contains glass as a principal component and a ceramic component of 5 to 40 vol.% as the crystal phase. On the other hand, the second seal layer 27 contains glass as a principal component and a ceramic component of 0 to 15 vol.% as the crystal phase. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、内部に異なるガス(燃料ガス、酸化剤ガス)を導入し、固体電解質の特性を利用して発電を行う固体酸化物形燃料電池及びその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell in which different gases (fuel gas, oxidant gas) are introduced therein and electric power is generated using characteristics of a solid electrolyte, and a method for manufacturing the same.

従来より、燃料電池として、固体電解質(固体酸化物)を用いた固体電解質型燃料電池(固体酸化物形燃料電池)が知られている。
この固体酸化物形燃料電池としては、例えば、固体電解質層の各面に燃料極と空気極とを備えた板状のセルを複数個使用したものが知られている。また、板状体以外に、円筒形状の空気極(内側電極)の外側に固体電解質層を形成し、更に固体電解質層の外側に燃料極(外側電極)を形成した円筒体のものが提案されている。
Conventionally, a solid oxide fuel cell (solid oxide fuel cell) using a solid electrolyte (solid oxide) is known as a fuel cell.
As this solid oxide fuel cell, for example, a battery using a plurality of plate-like cells each provided with a fuel electrode and an air electrode on each surface of a solid electrolyte layer is known. In addition to the plate-like body, a cylindrical body in which a solid electrolyte layer is formed outside a cylindrical air electrode (inner electrode) and a fuel electrode (outer electrode) is further formed outside the solid electrolyte layer is proposed. ing.

上述した固体酸化物形燃料電池では、燃料ガス(例えば水素)と酸化剤ガス(例えば空気)とを用いるため、それらのガスがリークしないように部材の接合部分などにガスシールを施す必要があるが、固体酸化物形燃料電池は、一般に800〜1000℃程度の高温で運転されることから、ガラスシールを考えた場合、ガラスの耐熱温度が不十分となることが多い。具体的には、ガラスの軟化点付近での運転となるため、ガラスの流動性が発生して形状維持することが困難であることが多い。   In the above-described solid oxide fuel cell, since a fuel gas (for example, hydrogen) and an oxidant gas (for example, air) are used, it is necessary to provide a gas seal at the joint portion of the member so that these gases do not leak. However, since the solid oxide fuel cell is generally operated at a high temperature of about 800 to 1000 ° C., when considering a glass seal, the heat resistant temperature of the glass is often insufficient. Specifically, since the operation is performed near the softening point of the glass, it is often difficult to maintain the shape because of the fluidity of the glass.

そのため、固体酸化物形燃料電池でガラスを用いてシールする場合は、セラミックス粉末やガラス繊維をガラスに混合して形状を保持する検討がなされている(特許文献1参照)。また、運転温度が高い固体酸化物形燃料電池は、起動、停止の際に、熱サイクルによってガラスが割れ易いことから、セラミックス粉末とガラス繊維を含有するガラスシートを使用してガスシールする技術も提案されている(特許文献2参照)。   Therefore, in the case of sealing with glass in a solid oxide fuel cell, studies have been made to maintain the shape by mixing ceramic powder or glass fiber with glass (see Patent Document 1). In addition, since solid oxide fuel cells with a high operating temperature are susceptible to cracking due to thermal cycles during startup and shutdown, there is also a technology for gas sealing using a glass sheet containing ceramic powder and glass fibers. It has been proposed (see Patent Document 2).

一方、根本的に、固体酸化物形燃料電池のガスシールの長期安定性を確保しながら、起動、停止時の熱サイクルにも耐え得るようにするには、低温作動化することが最善の手段と考えられる。この低温作動化には、固体酸化物形燃料電池の体積当たりの電極面積を極限まで大きくすることが一つの手法であり、特許文献3に記載の様な微細円筒状の燃料電池を高集積する技術は、有効な手段である。
特開2006−185775号公報 特開2006−512543号公報 特開2005−166470号公報
On the other hand, in order to withstand the thermal cycle at start and stop while ensuring the long-term stability of the gas seal of the solid oxide fuel cell, it is best to operate at low temperature. it is conceivable that. One way to achieve this low-temperature operation is to increase the electrode area per volume of the solid oxide fuel cell to the limit. Highly integrated fine cylindrical fuel cells as described in Patent Document 3 Technology is an effective means.
JP 2006-185775 A JP 2006-512543 A JP 2005-166470 A

しかしながら、上述した固体酸化物形燃料電池において、ガラスシールを行う方法として、ガラスペーストをシール部分に塗布する場合には、ガラスペーストをスクリーン印刷したり、ディスペンサーによって塗布することが考えられるが、突起物がある場合にはスクリーン印刷は不可能であり、また、微細円筒形状の燃料電池の間隔が狭い場合には、ディスペンサーによる塗布も不可能であった。   However, in the above-described solid oxide fuel cell, as a method of performing glass sealing, when glass paste is applied to the sealing portion, it is conceivable that the glass paste is screen-printed or applied by a dispenser. When there is an object, screen printing is impossible, and when the space between the fine cylindrical fuel cells is narrow, application by a dispenser is also impossible.

また、ガラスシートを作製してシールする手法の場合は、熱処理時にガラスシートに焼成収縮が生じたり、熱処理時に変形し易く、完全なガスシールを実現することは容易ではなかった。   In the case of a method of producing and sealing a glass sheet, firing shrinkage occurs in the glass sheet during heat treatment, or the glass sheet is easily deformed during heat treatment, and it is not easy to realize a complete gas seal.

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、シート等を用いてガスシールを行う場合に、例えば複雑形状な部材であっても、高いシール性を確保できる固体酸化物形燃料電池及びその製造方法を提供することにある。   The present invention has been made in order to solve the above-described problems. The object of the present invention is to secure high sealing performance even when a member having a complicated shape is used, for example, when performing gas sealing using a sheet or the like. An object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell and a method for manufacturing the same.

(1)請求項1の発明は、固体酸化物形燃料電池を構成する燃料電池構成部材と、該燃料電池構成部材に接合されてガスのシールを行うガスシール層とを備えた固体酸化物燃料電池において、前記ガスシール層は、ガラスを主成分とする複数のシール層からなり、その複数のシール層のうち少なくとも1層はガラス相中に結晶相を含むシール層であって、前記複数のシール層は、前記燃料電池構成部材に接する第1シール層と、該第1シール層の表面に形成された第2シール層とを備えるとともに、前記第1シール層における結晶相の体積比が、前記第2シール層における結晶相の体積比より大であることを特徴とする。   (1) The invention of claim 1 is a solid oxide fuel comprising a fuel cell constituent member constituting a solid oxide fuel cell and a gas seal layer bonded to the fuel cell constituent member and sealing gas. In the battery, the gas seal layer is composed of a plurality of seal layers mainly composed of glass, and at least one of the plurality of seal layers is a seal layer containing a crystal phase in the glass phase, The seal layer includes a first seal layer in contact with the fuel cell component and a second seal layer formed on a surface of the first seal layer, and a volume ratio of crystal phases in the first seal layer is It is larger than the volume ratio of the crystal phase in the second seal layer.

本発明では、複数のシール層のうち少なくとも1層はガラス相中に結晶相を含む層であるので、その結晶相の存在により、熱処理時の焼成収縮が抑えられ、狙い通りの形状が得やすい。また、多層構造とすることで、熱膨張率を一致させるなど多くの機能を持たすことも可能である。   In the present invention, at least one of the plurality of sealing layers is a layer containing a crystal phase in the glass phase, and therefore, due to the presence of the crystal phase, firing shrinkage during heat treatment is suppressed, and a desired shape can be easily obtained. . In addition, the multi-layer structure can provide many functions such as matching thermal expansion coefficients.

特に、本発明では、第1シール層の結晶相の体積比が、第2シール層の結晶相の体積比より多いので、接着する側の第1シール層の焼成時の変形を抑制し易いと同時に、第2シール層は第1シール層と比較して変形し易いため、第1シール層に追従する形でのシールが容易であり、しかも第2シール層が破損しにくいという効果がある。従って、本発明の固体酸化物形燃料電池は、高いシール性を備えており、ガスのリークが効果的に防止できるという顕著な効果を奏する。   In particular, in the present invention, since the volume ratio of the crystal phase of the first seal layer is larger than the volume ratio of the crystal phase of the second seal layer, it is easy to suppress deformation during firing of the first seal layer on the bonding side. At the same time, since the second seal layer is easily deformed as compared with the first seal layer, it is easy to seal the second seal layer following the first seal layer, and the second seal layer is not easily damaged. Therefore, the solid oxide fuel cell of the present invention has a high sealing performance, and has a remarkable effect that gas leakage can be effectively prevented.

なお、ここで、ガラス相とは、ガラスの非晶質相のことを示しており、結晶相とは、ガラスが結晶化した相及びセラミックス相を示している。
また、燃料電池構成部材としては、例えば燃料電池本体を構成する多孔質の導電性部材(燃料電池チューブを囲む部分)などが挙げられるが、燃料電池本体のみでなく、それをスタック化するためのフレームなど、燃料電池を作動させるために必要となる部材が挙げられる。
(2)請求項2の発明は、前記第2シール層の厚さが、20〜500μmであることを特徴とする。
これは、500μm以下とすることで、熱処理時に第2シール層の第1シール層に対する追従性が効果的に得られるためであり、20μm以上としたのは第2シール層を形成する際、作製が容易となるためである。
Here, the glass phase indicates an amorphous phase of glass, and the crystal phase indicates a phase in which glass is crystallized and a ceramic phase.
In addition, examples of the fuel cell constituent member include a porous conductive member (a portion surrounding the fuel cell tube) constituting the fuel cell main body, but not only the fuel cell main body but also for stacking it. Examples thereof include members necessary for operating the fuel cell, such as a frame.
(2) The invention of claim 2 is characterized in that the thickness of the second seal layer is 20 to 500 μm.
This is because the followability of the second seal layer with respect to the first seal layer can be effectively obtained during the heat treatment by setting the thickness to 500 μm or less. This is because it becomes easy.

(3)請求項3の発明は、前記第1シール層と第2シール層とにおけるガラス相の構成元素が、同一であることを特徴とする。
本発明は両シール相の構成を例示したものであり、ガラス相が同一である場合には、元素の拡散が少なくなり長期安定性を確保しやすいという利点がある。ここで、ガラス相が同一とは、同じ組成であることを意味している。
(3) The invention of claim 3 is characterized in that the constituent elements of the glass phase in the first seal layer and the second seal layer are the same.
The present invention exemplifies the structure of both seal phases, and when the glass phases are the same, there is an advantage that long-term stability is easily secured because of less element diffusion. Here, the same glass phase means the same composition.

(4)請求項4の発明は、前記各シール層に混合する少なくとも1種のフィラーの添加量の差により、前記第1シール層と第2シール層との結晶相の体積比を違えたことを特徴とする。   (4) In the invention of claim 4, the volume ratio of the crystal phases of the first seal layer and the second seal layer is changed due to the difference in the addition amount of at least one filler mixed in each of the seal layers. It is characterized by.

本発明では、フィラーの添加量を違えることにより、結晶相の体積比を違える手法を例示している。ここでは、フィラーとは例えばセラミックス粉末等の添加剤を示している。
(5)請求項5の発明では、前記第1シール層のフィラーの添加量が、5〜40体積%であることを特徴とする。
In this invention, the method of changing the volume ratio of a crystal phase by changing the addition amount of a filler is illustrated. Here, the filler indicates an additive such as ceramic powder.
(5) In invention of Claim 5, the addition amount of the filler of a said 1st sealing layer is 5-40 volume%, It is characterized by the above-mentioned.

本発明では、第1シール層のフィラーの添加量が5体積%以上であるので、焼成時の変形を抑制することができ、また、40体積%以下であるので、ガラス成分が多く、高いガスシール性を確保できる。   In the present invention, since the amount of filler added to the first seal layer is 5% by volume or more, deformation during firing can be suppressed, and since it is 40% by volume or less, there are many glass components and a high gas content. Sealability can be secured.

(6)請求項6の発明では、前記第2シール層のフィラーの添加量が、0〜15体積%であることを特徴とする。
本発明は、第2シール層のフィラーの添加量が15体積%以下であるので、ガラス成分が多く、熱処理する際において十分な柔軟性を確保できる。
(6) In invention of Claim 6, the addition amount of the filler of a said 2nd seal layer is 0-15 volume%, It is characterized by the above-mentioned.
In the present invention, since the amount of filler added to the second seal layer is 15% by volume or less, the glass component is large, and sufficient flexibility can be ensured during heat treatment.

(7)請求項7の発明では、前記ガラスの軟化点が、500℃以上であることを特徴とする。
固体酸化物形燃料電池のシール材料として、燃料電池の運転温度を考慮すると、最低でも400℃程度を想定しなければならず、それを考慮すると、500℃以上の軟化点を有するガラスを用いることにより、ガスシールの効果が得られる。なお、どの程度の軟化点のガラスを用いるかは、燃料電池の運転温度を考慮して、その運転温度より十分に高い軟化点(例えば100℃以上高い軟化点)を有するガラスを用いればよい。
(7) The invention of claim 7 is characterized in that the glass has a softening point of 500 ° C. or higher.
As a sealing material for a solid oxide fuel cell, when the operating temperature of the fuel cell is taken into consideration, at least about 400 ° C. must be assumed, and considering this, glass having a softening point of 500 ° C. or higher should be used. Thereby, the effect of a gas seal is acquired. Note that the glass having a softening point sufficiently higher than the operating temperature (for example, a softening point higher by 100 ° C. or more) may be used in consideration of the operating temperature of the fuel cell.

(8)請求項8の発明では、前記フィラーは、Al、Mg、Zr、Ce、Siの元素のうち少なくとも1種を含む酸化物、又はこれらの酸化物の混合物であることを特徴とする。   (8) The invention of claim 8 is characterized in that the filler is an oxide containing at least one of Al, Mg, Zr, Ce, and Si, or a mixture of these oxides.

本発明は、フィラーの種類を例示したものである。これらの酸化物は、その融点が高く、ガラス相中に分散し易いという利点がある。
なお、酸化物としては、例えば、Al23、MgO、ZrO2、CeO2、SiO2、MgAl24、ZrSiO4などを用いることができる。
The present invention exemplifies the types of fillers. These oxides have the advantage that their melting points are high and they are easily dispersed in the glass phase.
As the oxide, for example, Al 2 O 3, MgO, or the like can be used ZrO 2, CeO 2, SiO 2 , MgAl 2 O 4, ZrSiO 4.

(9)請求項9の発明は、前記請求項1〜8のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池の製造方法であって、前記第1シール層形成用のペーストと前記第2シール層形成用のシートとを作製し、前記燃料電池構成部材の表面に前記ペーストを介して前記シートを密着させて熱処理して接合することを特徴とする。   (9) The invention according to claim 9 is the method for producing a solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 8, wherein the paste for forming the first seal layer and the second seal layer are provided. A sheet for formation is prepared, and the sheet is closely attached to the surface of the fuel cell constituent member via the paste, and is heat-treated and bonded.

本発明で用いる第1シール層用のペーストには、第2シール層用のシートより多くの結晶相となる物質(例えばセラミックス粉末)が含まれている。よって、ペーストの焼成時の変形を抑制し易いと同時に、シートは比較的変形しやすいため、ペーストに追従する形でのシールが容易である。よって、熱処理後の第2シール層にクラックが発生しにくいという効果がある。   The paste for the first seal layer used in the present invention contains a substance (for example, ceramic powder) that becomes more crystalline phase than the sheet for the second seal layer. Therefore, since the deformation | transformation at the time of baking of a paste is easy to be suppressed, since a sheet | seat is comparatively easy to deform | transform, the seal | sticker in the form which follows a paste is easy. Therefore, there is an effect that cracks are hardly generated in the second seal layer after the heat treatment.

従って、本発明は、例えば微細径の円筒型のセルを高密度で集積したような複雑形状を有する固体酸化物形燃料電池のガスシール部分に対して、ガスシールすることが容易である。また、このシート及びペーストを用いる方法は、大量生産に適した方法であり、複雑形状を有する固体酸化物形燃料電池のガスシールを、安価に行うことができる。   Therefore, according to the present invention, for example, it is easy to gas-seal a gas-sealed portion of a solid oxide fuel cell having a complicated shape such as a high-density cylindrical cell having a small diameter. Moreover, the method using this sheet and paste is a method suitable for mass production, and can perform gas sealing of a solid oxide fuel cell having a complicated shape at a low cost.

(10)請求項10の発明では、前記ガラス材料にフィラーを混合した材料を用いて、前記第1シール層形成用のペースト及び第2シール層形成用のシートを作製することを特徴とする。   (10) The invention of claim 10 is characterized in that the paste for forming the first seal layer and the sheet for forming the second seal layer are produced using a material in which a filler is mixed with the glass material.

本発明では、ペーストやシートの材料を例示したものであり、フィラーの添加量が多いほど、熱処理時の流動性を抑制することができる。
(11)請求項11の発明では、ドクターブレード法により、前記第2シール層形成用のシートを作製することを特徴とする。
In this invention, the material of paste and a sheet is illustrated and the fluidity | liquidity at the time of heat processing can be suppressed, so that there is much addition amount of a filler.
(11) The invention according to claim 11 is characterized in that the sheet for forming the second seal layer is produced by a doctor blade method.

本発明では、ドクターブレード法により、容易にシート状にすることができ、しかも、シート状にすることで、ガスシール性が得やすいという効果がある。
(12)請求項12の発明では、前記シート又は該シートの仮焼成体の表面に前記ペーストを塗布し、該ペーストにより前記シート又はその仮焼成体を前記燃料電池構成部材に密着させ、前記ガラスが軟化する温度で熱処理して、前記シート又はその仮焼成体を前記燃料電池構成部材の表面に接合することを特徴とする。
In the present invention, it is possible to easily form a sheet by the doctor blade method, and there is an effect that gas sealing properties are easily obtained by forming the sheet.
(12) In the invention of claim 12, the paste is applied to the surface of the sheet or the temporarily fired body of the sheet, the sheet or the temporarily fired body is adhered to the fuel cell constituent member with the paste, and the glass It heat-processes at the temperature which softens, and joins the said sheet | seat or its temporary-fired body to the surface of the said fuel cell structural member.

本発明では、シート又は仮焼成体にペーストを塗布して燃料電池構成部材の表面に密着させて熱処理するという手法により、容易に、シート(従って第2シール層)の熱変形を抑えたガスシールを実現することができる。   In the present invention, a gas seal in which thermal deformation of the sheet (and hence the second seal layer) is easily suppressed by a method in which a paste is applied to the sheet or the pre-fired body and adhered to the surface of the fuel cell constituent member and heat-treated. Can be realized.

ここで、仮焼成体とは、熱処理における本焼成より低い温度(例えば50〜100℃程度低い温度)で焼成したものであり、これにより、焼成前のシートより硬質のシートが得られる。   Here, the temporary fired body is fired at a temperature lower than the main firing in the heat treatment (for example, a temperature lower by about 50 to 100 ° C.), and thereby a harder sheet than the sheet before firing is obtained.

(13)請求項13の発明では、前記シート又はその仮焼成体は、筒状の内側電極とその外周面に形成された固体電解質層とを有する燃料電池チューブが貫通する貫通孔を有しており、該貫通孔に前記燃料電池チューブを通し、前記熱処理により、前記シート又はその仮焼成体を前記燃料電池構成部材の表面に接合することを特徴とする。   (13) In the invention of claim 13, the sheet or the temporarily fired body has a through-hole through which a fuel cell tube having a cylindrical inner electrode and a solid electrolyte layer formed on the outer peripheral surface thereof penetrates. The fuel cell tube is passed through the through hole, and the sheet or the temporarily fired body thereof is joined to the surface of the fuel cell constituent member by the heat treatment.

本発明は、燃料電池チューブの形状に合わせたシール方法を例示したものである。これにより、複雑形状であっても、容易に且つ確実にガスシールすることができる。
本発明により、筒状の内側電極とその外周面に形成された固体電解質層とを有する燃料電池チューブが、(例えば多孔質の導電性部材からなる)燃料電池構成部材の表面に形成されたガスシール層を貫いた構成が得られる。
The present invention exemplifies a sealing method adapted to the shape of the fuel cell tube. Thereby, even if it is a complicated shape, a gas seal can be carried out easily and reliably.
According to the present invention, a fuel cell tube having a cylindrical inner electrode and a solid electrolyte layer formed on the outer peripheral surface thereof is formed on the surface of a fuel cell component (for example, made of a porous conductive member). A structure penetrating the seal layer is obtained.

以下、固体酸化物形燃料電池の各構成について詳細に説明する。
・内側電極及び外側電極は、それぞれ、燃料ガスと接触する燃料極、酸素源となる酸化剤ガスと接触する空気極として使用される。
Hereinafter, each configuration of the solid oxide fuel cell will be described in detail.
The inner electrode and the outer electrode are used as a fuel electrode in contact with the fuel gas and an air electrode in contact with the oxidant gas serving as the oxygen source, respectively.

・「燃料極」は、水素源となる燃料ガスと接触し単セルにおける負電極として機能する。
この燃料極としては、金属(特にNi)粒子とセラミックス粒子からなるサーメットを採用できる。金属としては、Ni以外に、Cu、Fe、Co、Ag、Pt、Pd、W、Mo、及びこれらの合金等を採用できる。セラミックスとしては、ジルコニア、YSZ、ScSZ、SDC、GDC、アルミナ、シリカ、チタニアなどが挙げられる。特に、YSZ、ScSZ、SDC、GDCが望ましい。これらは、酸素イオン導電性があり、燃料極の電気化学的活性を高めるからである。
The “fuel electrode” is in contact with the fuel gas that is a hydrogen source and functions as a negative electrode in the single cell.
As the fuel electrode, a cermet made of metal (particularly Ni) particles and ceramic particles can be employed. In addition to Ni, Cu, Fe, Co, Ag, Pt, Pd, W, Mo, and alloys thereof can be used as the metal. Examples of the ceramic include zirconia, YSZ, ScSZ, SDC, GDC, alumina, silica, and titania. In particular, YSZ, ScSZ, SDC, and GDC are desirable. This is because they have oxygen ion conductivity and enhance the electrochemical activity of the fuel electrode.

・「空気極」は、酸素源となる酸化剤ガスと接触し、単セルにおける正電極として機能する。
空気極の材料としては、固体電解質形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、例えば金属、金属の酸化物、金属の複合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、Ru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。
The “air electrode” is in contact with an oxidant gas serving as an oxygen source and functions as a positive electrode in a single cell.
The material of the air electrode can be appropriately selected depending on the use conditions of the solid oxide fuel cell. As this material, for example, a metal, a metal oxide, a metal composite oxide, or the like can be used. Examples of the metal include metals such as Pt, Au, Ag, Pd, Ir, Ru, Ru, and alloys containing two or more metals.

更に、金属の酸化物としては、例えば、La、Sr、Ce、Co、Mn、Fe等の酸化物(例えば、La23、SrO、Ce23、Co23、MnO2、FeO等)が挙げられる。また、複酸化物としては、La、Pr、Sm、Sr、Ba、Co、Fe、Mn等のうちの少なくとも1種を含有する各種の複合酸化物(例えば、La1-xSrxCoO3系複合酸化物、La1-xSrxFeO3系複合酸化物、La1-xSrxCo1-yFey3系複合酸化物、La1-xSrxMnO3系複合酸化物、Pr1-xBaxCoO3系複合酸化物、Sm1-xSrxCoO3系複合酸化物等)が挙げられる。 Furthermore, examples of the metal oxide include oxides such as La, Sr, Ce, Co, Mn, and Fe (for example, La 2 O 3 , SrO, Ce 2 O 3 , Co 2 O 3 , MnO 2 , FeO). Etc.). Further, as the complex oxide, various complex oxides containing at least one of La, Pr, Sm, Sr, Ba, Co, Fe, Mn, etc. (for example, La 1-x Sr x CoO 3 series) Complex oxides, La 1-x Sr x FeO 3 complex oxides, La 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3 complex oxides, La 1-x Sr x MnO 3 complex oxides, Pr 1-x Ba x CoO 3 composite oxide, Sm 1-x Sr x CoO 3 composite oxide, and the like.

・「固体電解質層」としては、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、ScSZ(スカンジア安定化ジルコニア)、SDC(サマリアをドープしたセリア)、GDC(ガドリアをドープしたセリア)、ペロブスカイト系酸化物等が挙げられる。これらは、単一膜でもよいし、2種以上の組成が積層構造となっている多層膜でもよい。多層膜としては、例えばYSZ+SDC膜、YSZ+GDC膜などが挙げられる。   -Examples of the "solid electrolyte layer" include YSZ (yttria stabilized zirconia), ScSZ (scandia stabilized zirconia), SDC (ceria doped with samaria), GDC (ceria doped with gadria), perovskite oxide, etc. It is done. These may be a single film or a multilayer film in which two or more kinds of compositions have a laminated structure. Examples of the multilayer film include a YSZ + SDC film and a YSZ + GDC film.

この固体電解質層は、燃料電池の動作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一方の少なくとも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。   The solid electrolyte layer has ionic conductivity capable of moving at least a part of one of the fuel gas introduced into the fuel electrode or the combustion-supporting gas introduced into the air electrode during operation of the fuel cell as ions. . Although what kind of ion can be conducted is not particularly limited, examples of the ion include oxygen ion and hydrogen ion.

・燃料電池構成部材(例えば外側の電極の周囲に配置される多孔質の導電性部材)の構成材料としては、Ag、La、Sr、Mn、Co、Fe、Sm、Ce、Pr、Nd、Ca、Ba、Ni、Mg、Tiのいずれかの元素、又はこれらの元素を1種類以上含む酸化物を採用できる。例えば、La1-xSrxCrO3系材料(外側が燃料極及び空気極のどちらの電極でも可)、La1-xSrxCo1-yFey3系材料(外側が空気極の場合のみ可)、La1-xSrxMnO3系材料(外側が空気極の場合のみ)、Sm1-xSrxCoO3系材料(外側が空気極の場合のみ)等の通気性を有する材料を採用できる。 As constituent materials of the fuel cell constituent member (for example, a porous conductive member disposed around the outer electrode), Ag, La, Sr, Mn, Co, Fe, Sm, Ce, Pr, Nd, Ca , Ba, Ni, Mg, Ti, or an oxide containing one or more of these elements can be employed. For example, La 1-x Sr x CrO 3 -based material (the outer electrode can be either a fuel electrode or an air electrode), La 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3 -based material (the outer electrode is an air electrode) Only possible), La 1-x Sr x MnO 3 based material (only when the outside is an air electrode), Sm 1-x Sr x CoO 3 based material (only when the outside is an air electrode), etc. Material can be adopted.

・「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。   ・ "Fuel gas" refers to hydrogen, hydrocarbons that serve as hydrogen sources, mixed gases of hydrogen and hydrocarbons, fuel gases that have been humidified by passing these gases through water at a predetermined temperature, and water vapor mixed with these gases. Fuel gas and the like.

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、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 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.

・「酸化剤ガス」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。   -"Oxidant gas" includes a mixed gas of oxygen and other gases. The mixed gas may contain 80% by volume or less of an inert gas such as nitrogen and argon. Of these flammable gases, air (containing about 80% by volume of nitrogen) is preferred because it is safe and inexpensive.

以下、本発明の実施形態の例について説明する。
[実施形態]
ここでは、固体酸化物形燃料電池として、多数の固体酸化物形燃料電池セル(単セル)が集積されたキューブ状の固体酸化物形燃料電池スタック(以下単に燃料電池キューブとも記す)及びその製造方法について説明する。
Examples of embodiments of the present invention will be described below.
[Embodiment]
Here, as a solid oxide fuel cell, a cube-shaped solid oxide fuel cell stack (hereinafter also simply referred to as a fuel cell cube) in which a large number of solid oxide fuel cells (single cells) are integrated and its manufacture A method will be described.

a)まず、本実施例の燃料電池キューブの全体構成について説明する。
図1に示す様に、本実施例の燃料電池キューブ1では、多数の円筒状の燃料電池チューブ3が平行に配列された燃料電池層状部5、即ち、燃料電池チューブ3が軸方向に平行に配置されて左右方向に1列に並んだ燃料電池層状部5が形成されており、この燃料電池層状部5は、図の上下方向に平行に複数層形成されている。
a) First, the overall configuration of the fuel cell cube of this embodiment will be described.
As shown in FIG. 1, in the fuel cell cube 1 of the present embodiment, a fuel cell layered portion 5 in which a large number of cylindrical fuel cell tubes 3 are arranged in parallel, that is, the fuel cell tubes 3 are parallel to the axial direction. The fuel cell layered portions 5 are arranged and arranged in a line in the left-right direction, and the fuel cell layered portions 5 are formed in a plurality of layers in parallel in the vertical direction of the drawing.

また、燃料電池層状部5は、外側電極(空気極)7を介して多孔質の導電性板状体(集電体)9により、上下方向から挟まれた状態となっている。つまり、燃料電池層状部5は、外側電極7や導電性板状体9を介して積層された状態となっており、図の上下方向から空気極側の電気を取り出すことが可能となっている。   Further, the fuel cell layered portion 5 is sandwiched from above and below by a porous conductive plate (current collector) 9 via an outer electrode (air electrode) 7. That is, the fuel cell layered portion 5 is in a state of being laminated via the outer electrode 7 and the conductive plate-like body 9, and it is possible to take out electricity on the air electrode side from the vertical direction in the figure. .

なお、ここでは、(燃料電池チューブ3が配列された)燃料電池層状部5と外側電極7と導電性板状体9からなる部材を燃料電池キューブ本体11と称し、燃料電池キューブ本体11から燃料電池チューブ3を除いた部分を導電性部材13と称する。   Here, a member composed of the fuel cell layered portion 5 (in which the fuel cell tubes 3 are arranged), the outer electrode 7 and the conductive plate-like body 9 is referred to as a fuel cell cube main body 11, and the fuel cell cube main body 11 A portion excluding the battery tube 3 is referred to as a conductive member 13.

更に、本実施形態では、後に詳述する様に、燃料電池キューブ本体11の両端面、すなわち、円筒状の燃料電池チューブ3が突出する一対の端面には、各燃料電池チューブ3の軸方向の端部(開口を有する突出部分)4以外を覆う様に、ガスのリークを防止するガスシール層15が形成されている。つまり、キューブ状の導電性部材13において、燃料電池チューブ3の軸方向の両端面を覆うようにガスシール層15が接合されている。   Furthermore, in this embodiment, as will be described in detail later, both end surfaces of the fuel cell cube body 11, that is, a pair of end surfaces from which the cylindrical fuel cell tubes 3 project are provided in the axial direction of each fuel cell tube 3. A gas seal layer 15 for preventing gas leakage is formed so as to cover other than the end portion (projecting portion having an opening) 4. That is, in the cube-shaped conductive member 13, the gas seal layer 15 is joined so as to cover both end surfaces of the fuel cell tube 3 in the axial direction.

以下、各構成について更に詳しく説明する。
図2に示す様に、燃料電池チューブ3は、燃料ガス(例えば水素)に接する円筒状の内側電極(燃料極)17と、その外周面に形成された酸素イオン導電性を有する固体電解質層19からなり、固体電解質層19の外周面に、酸化剤ガス(例えば空気中の酸素)に接触する外側電極7が形成されている。
尚、燃料電池チューブ3の本数は、説明が容易な様に各図では異なって記載されているが、当然ながら実際には同じ本数(例えば縦10本×横10本=合計100本)である。
前記外側電極7は、同図の横1列に配置された他の同様な燃料電池チューブ3(従って各固体電解質層19)の外周面に接触し、他の燃料電池チューブ3と共用されている。つまり、外側電極7は、各燃料電池チューブ3と導電性板状体9の間に配置されて、各燃料電池チューブ3と導電性板状体9とを接続(接合)している。
Hereinafter, each configuration will be described in more detail.
As shown in FIG. 2, the fuel cell tube 3 includes a cylindrical inner electrode (fuel electrode) 17 in contact with a fuel gas (for example, hydrogen), and a solid electrolyte layer 19 having oxygen ion conductivity formed on the outer peripheral surface thereof. The outer electrode 7 is formed on the outer peripheral surface of the solid electrolyte layer 19 and is in contact with an oxidant gas (for example, oxygen in the air).
The number of the fuel cell tubes 3 is shown differently in each figure for easy explanation, but of course, the number is actually the same (for example, 10 vertical × 10 horizontal = 100 in total). .
The outer electrode 7 is in contact with the outer peripheral surface of another similar fuel cell tube 3 (and hence each solid electrolyte layer 19) arranged in one horizontal row in the same figure, and is shared with other fuel cell tubes 3. . That is, the outer electrode 7 is disposed between each fuel cell tube 3 and the conductive plate 9 to connect (join) each fuel cell tube 3 and the conductive plate 9.

従って、内側電極17と固体電解質層19と(共用される)外側電極7とから、1つの燃料電池(セル)21が構成されていることになる。
前記燃料電池チューブ3は、図3に示す様に、外径が3mm以下の円筒であり、円筒状の例えば厚み50〜400μmの内側電極17の外表面のうち、その両端を除いて例えば厚み2〜30μmの固体電解質層19で覆ったものである。
Therefore, one fuel cell (cell) 21 is constituted by the inner electrode 17, the solid electrolyte layer 19, and the (shared) outer electrode 7.
As shown in FIG. 3, the fuel cell tube 3 is a cylinder having an outer diameter of 3 mm or less, and the cylindrical outer surface of the inner electrode 17 having a thickness of 50 to 400 μm, for example, has a thickness of 2 except for both ends. It is covered with a solid electrolyte layer 19 of ˜30 μm.

また、導電性板状体9は、図4に示す様に、上下両側に、燃料電池チューブ3が嵌め込まれる断面形状が半円状の溝23が平行に形成されたものである。尚、燃料電池キューブ1の上端及び下端の導電性板状体9には、1面側のみに溝23が形成されている。   In addition, as shown in FIG. 4, the conductive plate-like body 9 has grooves 23 having a semicircular cross-sectional shape into which the fuel cell tube 3 is fitted in parallel on both upper and lower sides. In the upper and lower conductive plate-like bodies 9 of the fuel cell cube 1, grooves 23 are formed only on one surface side.

特に、本実施形態では、図5に示す様に、導電性部材13において、燃料電池チューブ3の軸方向の両端面を覆うようにガスシール層15が接合されており、このガスシール層15は、導電性部材13側の第1シール層25とその上に積層された第2シール層27とから構成されている。   In particular, in this embodiment, as shown in FIG. 5, in the conductive member 13, the gas seal layer 15 is joined so as to cover both end surfaces of the fuel cell tube 3 in the axial direction. The first sealing layer 25 on the conductive member 13 side and the second sealing layer 27 laminated thereon are configured.

第1シール層25及び第2シール層27は、ガラス相中に結晶相を含むガラスシール層であり、各シール層25、27においては、それぞれ結晶相の体積比が異なる。具体的には、第1シール層25は、例えば、Ba,Mg,Zn,Si,Alを含むガラスを主成分とし、結晶相として例えば、MgOからなるセラミックス成分を5〜40体積%含んでいる。一方、第2シール層27は、例えば、Ba,Mg,Zn,Si,Alを含むガラスを主成分とし、結晶相として例えば、MgOからなるセラミックス成分を0〜15体積%含んでいる。   The first seal layer 25 and the second seal layer 27 are glass seal layers containing a crystal phase in the glass phase, and the volume ratio of the crystal phase is different in each of the seal layers 25 and 27. Specifically, the first seal layer 25 contains, for example, glass containing Ba, Mg, Zn, Si, and Al as a main component, and contains 5 to 40% by volume of a ceramic component made of, for example, MgO as a crystal phase. . On the other hand, the second seal layer 27 contains, for example, glass containing Ba, Mg, Zn, Si, and Al as a main component, and contains 0 to 15% by volume of a ceramic component made of, for example, MgO as a crystal phase.

つまり、第1シール層25及び第2シール層27は、共にガラス相中にセラミックス粒子(粉末)が混在した構成のガラスシール層であり、第1シール層25に含まれるセラミックスの含有量は、第2シール層27に含まれるセラミックスの含有量より多く設定されている。   That is, both the first seal layer 25 and the second seal layer 27 are glass seal layers having a structure in which ceramic particles (powder) are mixed in the glass phase, and the ceramic content contained in the first seal layer 25 is: The amount of ceramics contained in the second seal layer 27 is set higher than the content of ceramics.

ここで、第1シール層25と第2シール層27とにおける結晶層が同一の種類である場合には、元素の拡散が少なくなり長期安定性を確保しやすい。また、第1シール層25に第2シール層27に含有していない結晶層が含まれている場合、第2シール層を形成する熱処理時に、第2シール層が第1シール層に追従しやすい。   Here, when the crystal layers in the first seal layer 25 and the second seal layer 27 are of the same type, the diffusion of elements is reduced, and long-term stability is easily ensured. Further, when the first seal layer 25 includes a crystal layer that is not included in the second seal layer 27, the second seal layer easily follows the first seal layer during the heat treatment for forming the second seal layer. .

上述した燃料電池キューブ1では、導電性板状体9を介して、前記図1のX方向に空気を流し、Y方向に燃料ガスを流すことにより、発電を行うことができる。また、発電された電気は、例えば、内側電極(燃料極)17側の集電を燃料電池チューブ3の両端から、外側電極(空気極)7の側の集電を同図の上下平面から取り出すことができる。   In the fuel cell cube 1 described above, power can be generated by flowing air in the X direction of FIG. 1 and flowing fuel gas in the Y direction via the conductive plate 9. For example, the electricity collected on the inner electrode (fuel electrode) 17 side is taken out from both ends of the fuel cell tube 3, and the current collection on the outer electrode (air electrode) 7 side is taken out from the upper and lower planes of FIG. be able to.

また、前記燃料電池キューブ1は、例えば図6に示す様に、装置をコンパクトにして高い出力を得るために、例えば三段に積層した積層キューブ31として使用される。
この場合、燃料電池キューブ1の燃料ガスを供給及び排出するY方向の両側において、燃料電池チューブ3の開口を有する端部4を囲むようして、マニホールド33で覆う。即ち、積層キューブ31のY方向の両端面をマニホールド33、35で覆う。同様にして、燃料電池キューブ1の空気を供給及び排出するX方向の両側をマニホールド37、39で覆う。
The fuel cell cube 1 is used, for example, as a laminated cube 31 laminated in three stages, for example, as shown in FIG.
In this case, the fuel cell cube 1 is covered with the manifold 33 so as to surround the end portion 4 having the opening of the fuel cell tube 3 on both sides in the Y direction for supplying and discharging the fuel gas. That is, both end surfaces in the Y direction of the laminated cube 31 are covered with the manifolds 33 and 35. Likewise, the manifolds 37 and 39 cover both sides of the fuel cell cube 1 in the X direction for supplying and discharging air.

そして、燃料供給側のマニホールド33のパイプ41を介して燃料ガスを供給すると、燃料ガスは燃料電池チューブ3の円筒内を通って反応した後、燃料排出側のマニホールド35のパイプ43を介して排出される。同様にして、空気給側のマニホールド37のパイプ45を介して空気を供給すると、空気は多孔質の導電性部材13を通って反応した後、空気排出側のマニホールド39のパイプ47を介して排出される。   When fuel gas is supplied through the pipe 41 of the fuel supply side manifold 33, the fuel gas reacts through the cylinder of the fuel cell tube 3 and is then discharged through the pipe 43 of the fuel discharge side manifold 35. Is done. Similarly, when air is supplied through the pipe 45 of the manifold 37 on the air supply side, the air reacts through the porous conductive member 13 and then exhausts through the pipe 47 of the manifold 39 on the air discharge side. Is done.

b)次に、前記燃料電池キューブ1の製造方法について説明する。
(1)燃料電池キューブ本体作製工程
例えば平均粒子径0.1〜2μm(望ましくは0.1〜1μm、更に望ましくは0.3〜0.8μm)のNiO:50重量%、平均粒子径0.1〜2μm(望ましくは0.1〜1μm、更に望ましくは0.3〜0.8μm)のGd0.2Ce0.81.9:39重量%、セルロース系バインダ:7重量%を、乾式ミキサで1時間混合後、水を粉末に対して14外重量%添加して、更に30分混合した。
b) Next, a method for manufacturing the fuel cell cube 1 will be described.
(1) Fuel cell cube body manufacturing process For example, NiO having an average particle size of 0.1 to 2 μm (preferably 0.1 to 1 μm, more preferably 0.3 to 0.8 μm): 50% by weight, Gd 0.2 Ce 0.8 O 1.9 : 39% by weight, cellulosic binder: 7% by weight of 1 to 2 μm (preferably 0.1 to 1 μm, more preferably 0.3 to 0.8 μm) is mixed with a dry mixer for 1 hour. Thereafter, 14% by weight of water was added to the powder and mixed for another 30 minutes.

この混合物を3本ロールに通した後、作製した素地を1晩放置した。
その後、図7に示す様に、前記素地を一軸油圧シリンダ型押し出し成型機51にて、押し出し成形を行った。
After passing this mixture through three rolls, the prepared substrate was left overnight.
Thereafter, as shown in FIG. 7, the substrate was subjected to extrusion molding with a uniaxial hydraulic cylinder type extrusion molding machine 51.

また、Gd0.2Ce0.81.9に対し、ブチラール系バインダ:4外重量、メチルエチル
ケトン:100外重量%を加え、24時間混合してスラリー53とし、そのスラリー53中に、前記押し出し成形によって形成した燃料極成形体55を浸漬した。これによって、燃料極成形体55の表面に固体電解質の被膜57を形成した。
Further, a butyral binder: 4 wt.% And methyl ethyl ketone: 100 wt.% Are added to Gd 0.2 Ce 0.8 O 1.9 and mixed for 24 hours to form a slurry 53. In the slurry 53, the fuel formed by the extrusion molding. The polar molded body 55 was immersed. As a result, a solid electrolyte coating 57 was formed on the surface of the fuel electrode molded body 55.

その後、被膜57を形成した燃料極成形体55を、大気中にて1400℃で1時間同時焼成して、燃料電池チューブ3を製造した。
一方、平均粒子径10〜60μm(望ましくは20〜50μm、更に望ましくは30〜50μm)のLa0.6Sr0.4Co0.2Fe0.83(LSCF粉末)93重量%、セルロース系バインダ7重量%を、乾式ミキサで1時間混合後、水を粉末に対して14外重量%添加して、更に30分混合した。
Thereafter, the fuel electrode molded body 55 on which the coating film 57 was formed was simultaneously fired in the atmosphere at 1400 ° C. for 1 hour to produce the fuel cell tube 3.
On the other hand, 93% by weight of La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 (LSCF powder) having an average particle size of 10 to 60 μm (preferably 20 to 50 μm, more preferably 30 to 50 μm) and 7% by weight of a cellulose binder are dry-treated. After mixing with a mixer for 1 hour, water was added in an amount of 14% by weight based on the powder, and the mixture was further mixed for 30 minutes.

尚、上記LSCF粉末の様な粗大粒子を得る方法としては、LSCF粉末(0.1〜2μm程度)を仮焼成した後、粒度調整して使用する方法、又は、LSCF粉末(0.1〜2μm程度)を転動造粒機やスプレードライなどを用いて球状粒子とし、仮焼後使用する方法がある。   In addition, as a method of obtaining coarse particles such as the above LSCF powder, after calcination of the LSCF powder (about 0.1 to 2 μm), the particle size is adjusted, or the LSCF powder (0.1 to 2 μm) is used. Grade) is formed into spherical particles using a rolling granulator or spray dry, and used after calcination.

そして、前記混合物を3本ロールに通した後、作製した素地を1晩放置した。
その後、前記素地をスクリュー型押し出し成型機(図示せず)にて、押し出し成形を行った。
And after passing the said mixture through 3 rolls, the produced base was left overnight.
Then, the said base material was extrusion-molded with the screw-type extrusion molding machine (not shown).

次に、この成形体を、大気中にて1200〜1500℃で1〜3時間焼成して、導電性板状体9を製造した。これにより、平均粒子径が大きな導電性板状体9が得られる。
その後、導電性板状体9の表面(燃料電池チューブ3を挟む溝23側の表面)に、外側電極7の電極材料を塗布した。具体的には、平均粒子径0.1〜2μm(望ましくは0.1〜1μm、更に望ましくは0.3〜0.8μm)のLSCF粉末に対して、バインダとしてエチルセルロース:5外重量%、分散剤:1外重量%、ブチルカルビトール:13外重量%を加え、3本ロールにて混合したペースト59をスクリーン印刷にて溝23が埋まるように塗布した。
Next, this molded body was fired at 1200 to 1500 ° C. for 1 to 3 hours in the air to produce a conductive plate 9. Thereby, the electroconductive plate-like body 9 with a large average particle diameter is obtained.
Thereafter, the electrode material of the outer electrode 7 was applied to the surface of the conductive plate 9 (the surface on the side of the groove 23 sandwiching the fuel cell tube 3). Specifically, with respect to LSCF powder having an average particle size of 0.1 to 2 μm (preferably 0.1 to 1 μm, more preferably 0.3 to 0.8 μm), ethyl cellulose as a binder: 5% by weight, dispersed Agent: 1 wt%, butyl carbitol: 13 wt% was added, and paste 59 mixed by three rolls was applied by screen printing so that the grooves 23 were filled.

そして、導電性板状体9の溝23上に、燃料電池チューブ3を設置し、他の導電性板状体9で挟み込み積層した。
その後、大気中にて1000℃で2時間焼成し、ブロック状の導電性部材13に多数の燃料電池チューブ3が貫挿された構造の燃料電池キューブ本体11を得た。
Then, the fuel cell tube 3 was installed on the groove 23 of the conductive plate 9, and was sandwiched and laminated by another conductive plate 9.
Then, it baked at 1000 degreeC in air | atmosphere for 2 hours, and obtained the fuel cell cube main body 11 of the structure where many fuel cell tubes 3 were penetrated by the block-shaped electroconductive member 13. FIG.

(2)ガスシール層形成工程
軟化点700℃、粒子径平均4μmのBa,Mg,Zn,Si,Alを含むからなるガラス粉末と、所定量(例えばガラスに対して20体積%)の粒子径平均2μmのマグネシア粉末とに、ポリビニルブチラール、アミン系分散剤、可塑剤を適量添加し、エタノールとトルエンを溶媒としてスラリーとした。
(2) Gas seal layer forming step Glass powder composed of Ba, Mg, Zn, Si, Al having a softening point of 700 ° C. and an average particle size of 4 μm, and a particle size of a predetermined amount (for example, 20% by volume with respect to glass) Appropriate amounts of polyvinyl butyral, amine-based dispersant, and plasticizer were added to magnesia powder with an average of 2 μm, and a slurry was obtained using ethanol and toluene as solvents.

得られたスラリーを用いて、ドクターブレード法によりシートを形成して切断し、図8に示す様に、厚さ300μmのガラスシート61を得た。このガラスシート61に対して、打ち抜き加工により、各燃料電池チューブ3が貫挿される多数の貫通孔63を形成した。   Using the obtained slurry, a sheet was formed by a doctor blade method and cut to obtain a glass sheet 61 having a thickness of 300 μm as shown in FIG. A large number of through-holes 63 into which the fuel cell tubes 3 are inserted are formed in the glass sheet 61 by punching.

これとは別に、前記ガラス粉末と、所定量(例えばガラスに対して5体積%)の前記マグネシア粉末とに、エチルセルロース、アミン系分散剤を適量添加し、ブチルカルビトールを溶媒としてペーストを作製した。   Separately, an appropriate amount of ethyl cellulose and an amine-based dispersant was added to the glass powder and a predetermined amount (for example, 5% by volume of glass) of the magnesia powder, and a paste was prepared using butyl carbitol as a solvent. .

このペーストを、前記ガラスシート61の一方の面に塗布して、ペースト層65を形成した。
そして、このペースト層65を有するガラスシート61を、ペースト層65を導電性部材13側にし、貫通孔63に燃料電池チューブ3を通して、燃料電池キューブ本体11の端面(即ち導電性部材13の端面)に接合した。なお、ガラスシート61は、ペースト層65の粘着力により、燃料電池キューブ本体11の両端面に密着した。
This paste was applied to one surface of the glass sheet 61 to form a paste layer 65.
Then, the glass sheet 61 having the paste layer 65 is placed on the conductive member 13 side, the fuel cell tube 3 is passed through the through hole 63, and the end surface of the fuel cell cube body 11 (that is, the end surface of the conductive member 13). Joined. The glass sheet 61 was adhered to both end faces of the fuel cell cube body 11 by the adhesive force of the paste layer 65.

なお、ガスシール層15から突出した各燃料電池チューブ3の根本部分には、ペースト層65を有するガラスシート61を接着する際に、ガスシール層15と燃料電池チューブ3との間隙から流出したガラス成分等が帯状に付着している。   The glass that has flowed out from the gap between the gas seal layer 15 and the fuel cell tube 3 when the glass sheet 61 having the paste layer 65 is bonded to the base portion of each fuel cell tube 3 protruding from the gas seal layer 15. Ingredients and the like are attached to the belt.

その後、この燃料電池キューブ本体11を、ガラスの軟化点より高い、例えば700℃にて2時間加熱し、ペースト層65を軟化させて、ガラスシート61を燃料電池キューブ本体11に強固に接合した。   Thereafter, the fuel cell cube body 11 was heated at a temperature higher than the softening point of glass, for example, 700 ° C. for 2 hours to soften the paste layer 65, and the glass sheet 61 was firmly bonded to the fuel cell cube body 11.

なお、ガラスシート61には、ペースト層65よりも多くのセラミックスが含まれているので、ペースト層65が軟化した場合でも、その形状は殆ど崩れない。
これによって、燃料電池キューブ本体11の端面にガスシール層15が接合された燃料電池キューブ1が得られる。
Since the glass sheet 61 contains more ceramics than the paste layer 65, even when the paste layer 65 is softened, its shape is hardly collapsed.
As a result, the fuel cell cube 1 in which the gas seal layer 15 is joined to the end face of the fuel cell cube body 11 is obtained.

c)上述した様に、本実施形態の燃料電池キューブ1は、燃料電池キューブ本体11の端面に、(セラミックスの含有量が多い)ペースト層65を介して(セラミックスの含有量が少ない)ガラスシート61を密着させて加熱して接合するので、燃料電池キューブ本体11の端面から多数の燃料電池チューブ3が突出する複雑な構造であっても、高い気密性を実現できる。すなわち、ガスシール層15は、燃料電池チューブ3と隙間無く密着しているので、ガスシール層15を挟んで、導電性部材13側(内側)とその反対側(外側:燃料電池チューブ3が突出する側)との間でガスがリークすることがない。
従って、前記図6に示した様に、燃料供給側及び排出側をマニホールド33、35で覆った状態で、燃料電池キューブ1に燃料ガスを供給する場合には、燃料電池チューブ3の端部4の周囲に燃料ガスを充填するが、本実施形態では、ガスシール層15は、燃料電池チューブ3と隙間無く密着しているので、導電性部材13の内側とその外側との間でガスがリークすることがない。よって、非常に効率の良い装置となる。
c) As described above, the fuel cell cube 1 of the present embodiment has a glass sheet (low ceramic content) on the end surface of the fuel cell cube body 11 via the paste layer 65 (high ceramic content). Since 61 is brought into close contact with each other and heated and joined, even with a complicated structure in which a large number of fuel cell tubes 3 protrude from the end face of the fuel cell cube body 11, high airtightness can be realized. That is, since the gas seal layer 15 is in close contact with the fuel cell tube 3 without a gap, the conductive member 13 side (inner side) and the opposite side (outer side: the fuel cell tube 3 protrudes across the gas seal layer 15. Gas does not leak between the two sides.
Accordingly, as shown in FIG. 6, when supplying fuel gas to the fuel cell cube 1 with the fuel supply side and the discharge side covered with the manifolds 33 and 35, the end 4 of the fuel cell tube 3 is used. In this embodiment, since the gas seal layer 15 is in close contact with the fuel cell tube 3 without any gap, gas leaks between the inside of the conductive member 13 and the outside thereof. There is nothing to do. Therefore, it becomes a very efficient device.

(実験例1)
次に、本発明の効果を確認する実験例について説明する。
本実験例は、前記実施形態とほぼ同様な構成の試料を作製し、そのガスシール性を調べたものである。
(Experimental example 1)
Next, an experimental example for confirming the effect of the present invention will be described.
In this experimental example, a sample having a configuration substantially similar to that of the above-described embodiment was produced, and the gas sealing property was examined.

<試料の作製>
・前記実施形態と同様にして、下記表1の各種の組成のガラスシートを作製した。
・前記実施形態と同様にして、下記表1の各種の組成のガラスペーストを作製した。
<Preparation of sample>
-The glass sheet of the various composition of following Table 1 was produced similarly to the said embodiment.
-The glass paste of the various composition of following Table 1 was produced like the said embodiment.

・テスト用多孔体を、下記の方法で作製した。
La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.83(LSCF粉末)に対して、ポリメタクリル酸メチルのビーズを100外重量%混合し、更にLSCF粉末に対してセルロース系バインダ7重量%を、乾式ミキサで1時間混合後、水を粉末に対して14外重量%添加して、更に30分混合した。この様にして作製したはい土を一晩放置し、その後前記はい土をスクリュー型押出成形機にて平板状に押出成形し、正方形に切断し、この成形体を大気にて、1400℃で1時間焼成し、テスト用多孔体を得た。
-The porous body for a test was produced with the following method.
La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 (LSCF powder) was mixed with 100% by weight of polymethyl methacrylate beads, and 7% by weight of a cellulose binder was further added to the LSCF powder with a dry mixer. After time mixing, water was added in an amount of 14% by weight based on the powder, and the mixture was further mixed for 30 minutes. The thus-prepared soil is allowed to stand overnight, and then the soil is extruded into a flat plate shape with a screw-type extruder and cut into squares. The test body was fired for a time to obtain a test porous body.

<ガラスシートの熱処理時の収縮率の確認方法>
前記ガラスシートを1cm角(厚み50〜500μm)に切断し、その片面全面にスクリーン印刷法により、厚さ200μmとなるように前記ガラスペーストを塗布した。3分程度放置した後、ガラスシートに塗布したガラスペーストを接着剤として、2cm角のテスト用多孔体の表面に貼り付けて、700℃、2時間の条件で熱処理を加えた。そして、熱処理を加える前と加えた後のガラスシートの寸法を測定し、熱処理前と後とでどの程度収縮したかを算出し、収縮率(長さ方向)を求めた。その結果を、下記表1及び表2に記す。
<Confirmation method of shrinkage rate during heat treatment of glass sheet>
The glass sheet was cut into 1 cm square (thickness: 50 to 500 μm), and the glass paste was applied to the entire surface of one side by screen printing so as to have a thickness of 200 μm. After leaving for about 3 minutes, the glass paste applied to the glass sheet was attached as an adhesive to the surface of a 2 cm square test porous body and subjected to heat treatment at 700 ° C. for 2 hours. And the dimension of the glass sheet before and after heat processing was measured, it calculated how much it shrunk before and after heat processing, and the shrinkage | contraction rate (length direction) was calculated | required. The results are shown in Tables 1 and 2 below.

<ガスシール性の確認方法>
前記収縮率の測定に用いた試料を利用し、図9に示す測定器具71を用いて、ガスシール性の確認を行った。
<Method for confirming gas sealability>
Using the sample used for the measurement of the shrinkage rate, the gas sealing property was confirmed using the measuring instrument 71 shown in FIG.

この測定器具71は、上下の環状のパッキン73、75の間に、(テスト用多孔体57の表面にガラスシール79を貼り付けた)試料81を、ガラスシール79を上側して挟み込み、上方治具83を図示しないネジにより締め付けてシールし、ガスボンベ85からガス(例えば、空気)を、測定器具71の中央の流路87に供給するものである。   In this measuring instrument 71, a sample 81 (with a glass seal 79 attached to the surface of the test porous body 57) is sandwiched between the upper and lower annular packings 73, 75 with the glass seal 79 facing upward, The tool 83 is tightened and sealed with a screw (not shown), and gas (for example, air) is supplied from the gas cylinder 85 to the central flow path 87 of the measuring instrument 71.

具体的には、試料81の片面(上側)より0.2MPaのガス圧を加えた状態で、ガス供給バルブ89を閉め、ガス供給バルブ89を閉じたときから10時間後に、加えたガス圧がどの程度減少しているかをガス圧計91により確認した。その結果を下記表1に記す。   Specifically, in a state where a gas pressure of 0.2 MPa is applied from one side (upper side) of the sample 81, the gas supply valve 89 is closed, and the applied gas pressure is 10 hours after the gas supply valve 89 is closed. The degree of decrease was confirmed by the gas pressure gauge 91. The results are shown in Table 1 below.

Figure 2009064632
Figure 2009064632

Figure 2009064632
この表1及び表2から明らかな様に、実施例の試料No.1〜15は、ガラスシートに混合されているMgOの添加量が、ガラスペーストに混合されているMgOの添加量より少ないので、ガラスシートの熱収縮率が2%以下であり、10時間後のガラスリーク量が5%以下と少なく好適である。
Figure 2009064632
As is apparent from Table 1 and Table 2, sample Nos. 1 to 15 in the examples have a smaller amount of MgO added to the glass sheet than the amount of MgO added to the glass paste. The glass sheet has a heat shrinkage rate of 2% or less, and the glass leak amount after 10 hours is as small as 5% or less.

また、この表1及び表2から、ガラスシートへのMgOの添加量が増加するにつれて、ガラスシートの収縮が大きくなることが分かる。更に、ガラスペーストへのMgOの添加量が増加すると、熱処理時のガラスシートの収縮量が少なくなることが分かる。また、ガスのリーク率については、ガラスシート及びガラスペーストへのMgOの添加量が増えれば増えるほど、ガスリークが大きくなることが分かる。
また、実施例No.2、13〜15を比較すると、第2シール層の厚さを変化させているが、シート厚さが薄くなるとともに、第2シール層の第1シール層への追従性が良くなり、ガラスシートの収縮率が小さくなることが分かる。
Further, from Table 1 and Table 2, it can be seen that the shrinkage of the glass sheet increases as the amount of MgO added to the glass sheet increases. Furthermore, it can be seen that as the amount of MgO added to the glass paste increases, the amount of shrinkage of the glass sheet during heat treatment decreases. As for the gas leak rate, it can be seen that as the amount of MgO added to the glass sheet and glass paste increases, the gas leak increases.
Moreover, when Example No. 2 and 13-15 are compared, although the thickness of the 2nd seal layer is changed, while the sheet thickness becomes thin, the followability to the 1st seal layer of the 2nd seal layer It can be seen that the shrinkage rate of the glass sheet is reduced.

なお、比較例の試料No.1、3、6、12は、ガラスペーストへのMgOの添加量が多すぎたため、ガスリーク率が高くなってしまったと考えられる。比較例試料No.8〜12は、ガラスシート中へのMgO添加量が多すぎたため、ガスリーク率が高くなってしまったと考えられる。比較例試料No.2、4、5、7、8は、ガラスシートへのMgO添加量に対し、ガラスペーストのMgO添加量のほうが少なく、その結果、ガラスシートの収縮量が多くなってしまったと考えられる。
比較例No.13は、ガラスシートが15μmと薄く、シートの取り扱いが困難で試料が作製できなかった。また、比較例No.14はシートが600μmと厚く、第2シール層の第1シール層への追従性が悪く、ガラスシートの収縮率が大きくなったと考えられる。
In addition, it is considered that the sample Nos. 1, 3, 6, and 12 of the comparative example had a high gas leak rate because the amount of MgO added to the glass paste was too large. In Comparative Samples Nos. 8 to 12, it is considered that the gas leak rate was increased because the amount of MgO added to the glass sheet was too large. Comparative Sample Nos. 2, 4, 5, 7, and 8 had a smaller amount of MgO added to the glass paste than the amount of MgO added to the glass sheet, and as a result, the amount of shrinkage of the glass sheet increased. Conceivable.
In Comparative Example No. 13, the glass sheet was as thin as 15 μm, and it was difficult to handle the sheet, so a sample could not be prepared. In Comparative Example No. 14, the sheet is as thick as 600 μm, the followability of the second seal layer to the first seal layer is poor, and the shrinkage rate of the glass sheet is considered to be large.

尚、本発明は前記実施態様等になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
例えば前記実施形態では、ドクターブレード法で作製したガラスシートを用いたが、このガラスシートに代えて、ガラスシートの仮焼成体を用いてよい。
In addition, this invention is not limited to the said embodiment etc. at all, and it cannot be overemphasized that it can implement with a various aspect in the range which does not deviate from this invention.
For example, in the said embodiment, although the glass sheet produced by the doctor blade method was used, it replaced with this glass sheet and may use the temporary baking body of a glass sheet.

この仮焼成体を用いる場合には、打ち抜き工程の段階で、仮焼成工程による収縮量を計算して、燃料電池キューブのチューブ配管に合わせて打ち抜き、650℃、1時間の条件にて仮焼成することにより得ることができる。ここでの熱処理温度は、本焼成の温度に対し、50〜100℃より低い温度を焼成することが望ましい。   In the case of using this temporarily fired body, the amount of shrinkage due to the temporarily firing process is calculated at the stage of the punching process, punched according to the tube piping of the fuel cell cube, and temporarily fired at 650 ° C. for 1 hour. Can be obtained. The heat treatment temperature here is desirably fired at a temperature lower than 50 to 100 ° C. with respect to the main firing temperature.

固体電解質型燃料電池キューブを示す斜視図である。It is a perspective view which shows a solid oxide fuel cell cube. 図1のA−A断面の一部を拡大して示す断面図である。It is sectional drawing which expands and shows a part of AA cross section of FIG. 固体電解質型燃料電池キューブに用いられる燃料電池チューブを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the fuel cell tube used for a solid oxide fuel cell cube. 固体電解質型燃料電池キューブに用いられる導電性板状体を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the electroconductive plate-shaped body used for a solid oxide fuel cell cube. 固体電解質型燃料電池キューブのガスシール部分を拡大して示す説明図である。It is explanatory drawing which expands and shows the gas-seal part of a solid oxide fuel cell cube. 複数の固体電解質型燃料電池キューブが組み合わされた装置を分解して示す説明図である。It is explanatory drawing which decomposes | disassembles and shows the apparatus with which the some solid oxide fuel cell cube was combined. 固体電解質型燃料電池キューブの製造方法を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the manufacturing method of a solid oxide fuel cell cube. 固体電解質型燃料電池キューブのガスシール部分の形成方法を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the formation method of the gas seal part of a solid oxide fuel cell cube. 実験例の実験方法を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the experimental method of an experiment example.

符号の説明Explanation of symbols

1…固体酸化物形燃料電池スタック(燃料電池キューブ)
3…燃料電池チューブ
5…燃料電池層状部
7…空気極(外側電極)
9…導電性板状体
11…燃料電池キューブ本体
13…導電性部材
15…ガスシール層
17…燃料極(内側電極)
19…固体電解質層
21…燃料電池セル
25…第1シール層
27…第2シール層
1. Solid oxide fuel cell stack (fuel cell cube)
3 ... Fuel cell tube 5 ... Fuel cell layered part 7 ... Air electrode (outer electrode)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 9 ... Conductive plate-like body 11 ... Fuel cell cube main body 13 ... Conductive member 15 ... Gas seal layer 17 ... Fuel electrode (inner electrode)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 19 ... Solid electrolyte layer 21 ... Fuel cell 25 ... 1st sealing layer 27 ... 2nd sealing layer

Claims (13)

固体酸化物形燃料電池を構成する燃料電池構成部材と、該燃料電池構成部材に接合されてガスのシールを行うガスシール層とを備えた固体酸化物燃料電池において、
前記ガスシール層は、ガラスを主成分とする複数のシール層からなり、その複数のシール層のうち少なくとも1層はガラス相中に結晶相を含むシール層であって、
前記複数のシール層は、前記燃料電池構成部材に接する第1シール層と、該第1シール層の表面に形成された第2シール層とを備えるとともに、前記第1シール層における結晶相の体積比が、前記第2シール層における結晶相の体積比より大であることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
In a solid oxide fuel cell comprising: a fuel cell constituent member constituting a solid oxide fuel cell; and a gas seal layer bonded to the fuel cell constituent member to seal a gas.
The gas seal layer is composed of a plurality of seal layers mainly composed of glass, and at least one of the plurality of seal layers is a seal layer containing a crystal phase in a glass phase,
The plurality of seal layers include a first seal layer in contact with the fuel cell component and a second seal layer formed on a surface of the first seal layer, and a volume of a crystal phase in the first seal layer. The solid oxide fuel cell, wherein the ratio is larger than the volume ratio of the crystal phase in the second seal layer.
前記第2シール層の厚さが、20〜500μmであることを特徴とする請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池。   2. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the second seal layer has a thickness of 20 to 500 μm. 前記第1シール層と第2シール層とにおけるガラス相の構成元素が、同一であることを特徴とする請求項1又は2に記載の固体酸化物形燃料電池。   3. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the constituent elements of the glass phase in the first seal layer and the second seal layer are the same. 前記各シール層に混合する少なくとも1種のフィラーの添加量の差により、前記第1シール層と第2シール層との結晶相の体積比を違えたことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。   The volume ratio of the crystal phase of the first seal layer and the second seal layer is different depending on the difference in the amount of at least one filler mixed in each of the seal layers. The solid oxide fuel cell according to any one of the above. 前記第1シール層のフィラーの添加量が、5〜40体積%であることを特徴とする請求項4に記載の固体酸化物形燃料電池。   5. The solid oxide fuel cell according to claim 4, wherein the amount of filler added to the first seal layer is 5 to 40% by volume. 前記第2シール層のフィラーの添加量が、0〜15体積%であることを特徴とする請求項4又は5に記載の固体酸化物形燃料電池。   The solid oxide fuel cell according to claim 4 or 5, wherein the amount of filler added to the second seal layer is 0 to 15% by volume. 前記ガラスの軟化点が、500℃以上であることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。   The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 6, wherein a softening point of the glass is 500 ° C or higher. 前記フィラーは、Al、Mg、Zr、Ce、Siの元素のうち少なくとも1種を含む酸化物、又はこれらの酸化物の混合物であることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。   The said filler is an oxide containing at least 1 sort (s) among the elements of Al, Mg, Zr, Ce, and Si, or a mixture of these oxides. Solid oxide fuel cell. 前記請求項1〜8のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池の製造方法であって、
前記第1シール層形成用のペーストと前記第2シール層形成用のシートとを作製し、前記燃料電池構成部材の表面に前記ペーストを介して前記シートを密着させて熱処理して接合することを特徴とする固体酸化物形燃料電池の製造方法。
A method for producing a solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 8,
The first seal layer forming paste and the second seal layer forming sheet are prepared, and the sheet is brought into close contact with the surface of the fuel cell constituent member through the paste, and then heat treated and bonded. A method for producing a solid oxide fuel cell.
前記ガラス材料にフィラーを混合した材料を用いて、前記第1シール層形成用のペーストと前記第2シール層形成用のシートとを作製することを特徴とする請求項9に記載の固体酸化物形燃料電池の製造方法。   10. The solid oxide according to claim 9, wherein the first seal layer forming paste and the second seal layer forming sheet are prepared using a material obtained by mixing the glass material with a filler. Of manufacturing a fuel cell. ドクターブレード法により、前記第2シール層形成用のシートを作製することを特徴とする請求項10に記載の固体酸化物形燃料電池の製造方法。   11. The method for producing a solid oxide fuel cell according to claim 10, wherein the sheet for forming the second seal layer is produced by a doctor blade method. 前記シート又は該シートの仮焼成体の表面に前記ペーストを塗布し、該ペーストにより前記シート又はその仮焼成体を前記燃料電池構成部材に密着させ、前記ガラスが軟化する温度で熱処理して、前記シート又はその仮焼成体を前記燃料電池構成部材の表面に接合することを特徴とする請求項9〜11のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池の製造方法。   The paste is applied to the surface of the sheet or the pre-fired body of the sheet, the sheet or the pre-fired body is closely adhered to the fuel cell constituent member by the paste, and heat-treated at a temperature at which the glass is softened, The method for producing a solid oxide fuel cell according to any one of claims 9 to 11, wherein a sheet or a temporarily fired body thereof is joined to a surface of the fuel cell constituent member. 前記シート又はその仮焼成体は、筒状の内側電極とその外周面に形成された固体電解質層とを有する燃料電池チューブが貫通する貫通孔を有しており、
該貫通孔に前記燃料電池チューブを通し、前記熱処理により、前記シート又はその仮焼成体を前記燃料電池構成部材の表面に接合することを特徴とする請求項12に記載の固体酸化物形燃料電池の製造方法。
The sheet or its pre-fired body has a through-hole through which a fuel cell tube having a cylindrical inner electrode and a solid electrolyte layer formed on the outer peripheral surface thereof penetrates,
13. The solid oxide fuel cell according to claim 12, wherein the fuel cell tube is passed through the through hole, and the sheet or a temporarily fired body thereof is joined to a surface of the fuel cell constituent member by the heat treatment. Manufacturing method.
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