JP2009199956A - Horizontal stripe type solid oxide fuel cell stack and its manufacturing method - Google Patents

Horizontal stripe type solid oxide fuel cell stack and its manufacturing method Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problem wherein lanthanum chromite is used as an inter-connector material in a horizontal stripe type solid oxide fuel cell tack. <P>SOLUTION: In the horizontal stripe type solid oxide fuel cell tack and its manufacturing method, a plurality of cells made of an anode layer, an electrolyte layer, and a cathode layer are formed on the surface of a porous support substrate having a fuel passage in the inside, and adjacent cells are electrically connected in series via an inter-connector made of lanthanum chromite or a material of lanthanum chromite as a major component. A section of the anode layer where the inter-connector is arranged is set up to be an anode layer excluding zirconia, and a section involved on cell reaction is set up to be a section where the inter-connector is arranged, an anode layer with composition excluding common zirconia, and an anode layer with composition including zirconia, which is laminated on the above anode layer. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、横縞型固体酸化物形燃料電池スタック及びその作製方法に関する。   The present invention relates to a horizontal stripe solid oxide fuel cell stack and a method for manufacturing the same.

固体酸化物形燃料電池は、固体酸化物からなる電解質層を挟んでアノード層とカソード層を配した三層ユニットで構成される。その作動温度は一般的には800〜1000℃程度と高いが、800〜650℃程度という作動温度のものも開発されつつある。   A solid oxide fuel cell includes a three-layer unit in which an anode layer and a cathode layer are arranged with an electrolyte layer made of a solid oxide interposed therebetween. The operating temperature is generally as high as about 800 to 1000 ° C., but an operating temperature of about 800 to 650 ° C. is being developed.

固体酸化物形燃料電池の運転時には、アノード層側に燃料を通し、カソード層側に酸化剤ガス、例えば空気を通して、両電極を外部負荷に接続することで電力が得られる。ところが、単電池(以下“セル”と言う)一つでは高々0.8V程度の電圧しか得られないので、実用的な電力を得るためには複数個のセルを電気的に直列に接続する必要がある。隣接するセルを電気的に直列に接続するのと同時に、アノード層とカソード層のそれぞれに燃料と空気とを適正に分配、供給し、また排出する目的で、インターコネクタとセルとが交互に積層される。   During operation of the solid oxide fuel cell, electric power can be obtained by passing fuel to the anode layer side and passing an oxidant gas such as air to the cathode layer side and connecting both electrodes to an external load. However, since a single cell (hereinafter referred to as “cell”) can only obtain a voltage of about 0.8 V at most, it is necessary to electrically connect a plurality of cells in series in order to obtain practical power. There is. Interconnectors and cells are stacked alternately for the purpose of properly distributing, supplying, and discharging fuel and air to and from the anode and cathode layers at the same time that adjacent cells are electrically connected in series. Is done.

上記のような固体酸化物形燃料電池は複数個のセルを積層するタイプであるが、複数個のセルを横縞状に配置するタイプの固体酸化物形燃料電池も考えられている。横縞方式には円筒タイプ(特開平10−3932号公報)や中空扁平タイプ(国際公開第2004/082058号パンフレット、国際公開第2004/088783号パンフレット)などの方式がある。   The solid oxide fuel cell as described above is a type in which a plurality of cells are stacked, but a solid oxide fuel cell of a type in which a plurality of cells are arranged in a horizontal stripe shape is also considered. The horizontal stripe method includes a cylindrical type (Japanese Patent Laid-Open No. 10-3932) and a hollow flat type (International Publication No. 2004/082058, International Publication No. 2004/088783).

特開平10−3932号公報JP-A-10-3932 国際公開第2004/082058号パンフレットInternational Publication No. 2004/082058 Pamphlet 国際公開第2004/088783号パンフレットInternational Publication No. 2004/088783 Pamphlet

図1は中空扁平タイプの横縞型固体酸化物形燃料電池の構成例を示す図である。図1(a)は斜視図、図1(b)は平面図、図1(c)は、図1(b)中X−X線断面図である。中空扁平状の、多孔質で電気絶縁性の支持基板1の上に順次、アノード層2、電解質層3及びカソード層4を積層してなるセル5を複数個形成する。そして、隣接するセル5をインターコネクタ6、集電体7を介して電気的に直列に接続して構成される。支持基板1は支持基体、絶縁性基板、チューブ基板、フラットチューブ基板などとも称されるが、燃料ガスを通す多数の細孔をもつこと、つまり多孔質であることが必須である。   FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a hollow flat type horizontal stripe type solid oxide fuel cell. 1A is a perspective view, FIG. 1B is a plan view, and FIG. 1C is a cross-sectional view taken along line XX in FIG. 1B. A plurality of cells 5 formed by laminating an anode layer 2, an electrolyte layer 3, and a cathode layer 4 are sequentially formed on a hollow flat, porous, electrically insulating support substrate 1. The adjacent cells 5 are electrically connected in series via the interconnector 6 and the current collector 7. The support substrate 1 is also called a support base, an insulating substrate, a tube substrate, a flat tube substrate, or the like, but it is essential that the support substrate 1 has a large number of pores through which fuel gas passes, that is, is porous.

燃料ガスを、多孔質の支持基板1内の空間すなわち燃料流路8にセル5の配列と平行に流通させる。燃料流路8は、1個とは限らず複数でもよく、その断面形状についても矩形状(含、中空扁平状)、四角形状、楕円形状などに構成される。   The fuel gas is circulated in the space in the porous support substrate 1, that is, the fuel flow path 8 in parallel with the arrangement of the cells 5. The number of fuel flow paths 8 is not limited to one, and a plurality of fuel flow paths 8 may be used, and the cross-sectional shape of the fuel flow paths 8 may be a rectangular shape (including hollow flat shape), a rectangular shape, an elliptical shape, or the like.

ここで、図2に従い、横縞型固体酸化物形燃料電池スタックの作製過程例を説明する。図2(a)は多孔質の支持基板1であり、図2(b)のとおり多孔質の支持基板1上にアノード層2を配置する。次いで図2(c)のとおりインターコネクタ6を配置し、また図2(d)のとおり電解質層3を配置する。そして図2(e)のとおりカソード層4を配置し、また図2(f)のとおり集電体7を配置する。   Here, according to FIG. 2, an example of a manufacturing process of the horizontal stripe type solid oxide fuel cell stack will be described. FIG. 2A shows a porous support substrate 1, and an anode layer 2 is disposed on the porous support substrate 1 as shown in FIG. Next, the interconnector 6 is disposed as shown in FIG. 2C, and the electrolyte layer 3 is disposed as shown in FIG. And the cathode layer 4 is arrange | positioned as FIG.2 (e), and the electrical power collector 7 is arrange | positioned as FIG.2 (f).

多孔質の支持基板1は、内部に燃料流路8を有し且つ少なくともセル5に接する面が電気絶縁性となるように構成される。図2の例で言えば、多孔質の支持基板1の下面側が燃料流路8となり〔図1(c)参照〕、上面側が電気絶縁性となるように構成される。すなわち、多孔質の支持基板1の上面側にアノード層2、電解質層3が接するので、多孔質の支持基板1の上下面のうちこれらアノード層2、電解質層3と接する面は電気絶縁性とする。   The porous support substrate 1 has a fuel flow path 8 inside, and is configured such that at least a surface in contact with the cell 5 is electrically insulating. In the example of FIG. 2, the lower surface side of the porous support substrate 1 becomes the fuel flow path 8 [see FIG. 1 (c)], and the upper surface side is configured to be electrically insulating. That is, since the anode layer 2 and the electrolyte layer 3 are in contact with the upper surface side of the porous support substrate 1, the surfaces of the upper and lower surfaces of the porous support substrate 1 that are in contact with the anode layer 2 and the electrolyte layer 3 are electrically insulating. To do.

集電体7は、インターコネクタ6とともに隣接するセル5のアノード層2及びカソード層4間、すなわち一つのセル5のアノード層2と当該セル5の隣のセルのカソード層4との間を電気的に接続することから、一種のインターコネクタであるが、後述する本発明の特徴点との関係で本明細書では集電体と称している。   The current collector 7 is electrically connected with the interconnector 6 between the anode layer 2 and the cathode layer 4 of the adjacent cell 5, that is, between the anode layer 2 of one cell 5 and the cathode layer 4 of the cell adjacent to the cell 5. In this specification, the current collector is referred to as a current collector because it is a kind of interconnector.

このような横縞型固体酸化物形燃料電池スタックを作製するにあたり、まず多孔質の支持基板1を作製するにあたっては、原料粉を混合した後、造粒し、押出成形等により燃料流路8となる開孔(空間)を有するグリーン基板を作製する。原料粉には成形を容易にし、焼結時に多孔質とするための補助材として例えばグラファイトを加える。次いで、グリーン基板上にアノード層材料をスクリーン印刷などにより塗布し、両者を共焼結する。アノード層2の構成材料としてはNiを含む材料を使用するが、その好ましい例としてNiとイットリア安定化ジルコニアとの混合物が使用される。   In producing such a horizontal stripe type solid oxide fuel cell stack, first, in producing the porous support substrate 1, the raw material powder is mixed, granulated, and formed into the fuel flow path 8 by extrusion molding or the like. A green substrate having an opening (space) is produced. For example, graphite is added to the raw material powder as an auxiliary material for facilitating molding and making it porous during sintering. Next, an anode layer material is applied onto the green substrate by screen printing or the like, and both are sintered together. A material containing Ni is used as the constituent material of the anode layer 2, and as a preferred example, a mixture of Ni and yttria-stabilized zirconia is used.

次いで、インターコネクタ材料を図2(c)のようにアノード層2の上面のインターコネクタ配置部分に塗布した後、電解質層材料を図2(d)のように塗布し、焼結する。電解質層3の構成材料としてはイットリア安定化ジルコニアなどが使用される。   Next, after the interconnector material is applied to the interconnector disposition portion on the upper surface of the anode layer 2 as shown in FIG. 2C, the electrolyte layer material is applied and sintered as shown in FIG. As a constituent material of the electrolyte layer 3, yttria stabilized zirconia or the like is used.

次いで、カソード層材料を電解質層3の上面に図2(d)のように塗布し、集電体材料を図2(f)のように塗布して焼成する。それら各材料を塗布する際には、水あるいは有機溶媒によりスラリーあるいはペーストにして塗布する。また、横縞型では複数のセル5を間隔を置いて配置するので、アノード層材料の塗布以降の塗布処理では適宜マスク等を使用して行われる。   Next, the cathode layer material is applied to the upper surface of the electrolyte layer 3 as shown in FIG. 2D, and the current collector material is applied as shown in FIG. When these materials are applied, they are applied as a slurry or paste with water or an organic solvent. Further, since the plurality of cells 5 are arranged at intervals in the horizontal stripe type, the coating process after the application of the anode layer material is appropriately performed using a mask or the like.

横縞型固体酸化物形燃料電池においては、支持基板内を燃料ガスが拡散するため、支持基板は多孔質の構造となっていなければならない。また、燃料ガスの流出を防ぐために多孔質の支持基板外部の酸化雰囲気とは緻密な部材を介して良好に隔離されていなければならない。そして、このような燃料ガスの流出を防ぐ部材である電解質層やインターコネクタは高温での焼成を必要としている。また、アノード層上に成膜するインターコネクタは、電解質層と接し、電解質層の構成材料としてイットリア安定化ジルコニアを使用する場合、その構成成分であるジルコニアと接触する構造になっている。   In the horizontal stripe type solid oxide fuel cell, since the fuel gas diffuses in the support substrate, the support substrate must have a porous structure. Further, in order to prevent the fuel gas from flowing out, it must be well isolated from the oxidizing atmosphere outside the porous support substrate through a dense member. And the electrolyte layer and interconnector which are the members which prevent the outflow of such fuel gas require baking at high temperature. Further, the interconnector formed on the anode layer is in contact with the electrolyte layer, and when yttria-stabilized zirconia is used as a constituent material of the electrolyte layer, the interconnector is in contact with the constituent zirconia.

また、インターコネクタの構成材料は、より高温での使用を考慮するとランタンクロマイトが有用であるが、ランタンクロマイトを緻密に焼結させるためには高温焼成が必要となる。しかし、ランタンクロマイトの緻密な薄膜を形成する際の焼成温度には、例えば特開平9−263961号公報に記載のとおり、1550℃という上限があり、1550℃以上では焼成収縮が著しく起こり、まためくれ、焼成切れ等を引き起こし、安定な膜が得られない。しかも、支持基板は燃料ガスが拡散するための孔が必要であり、その気孔率を確保するために焼成温度要件として上限温度約1500℃程度という制限がある。   In addition, lanthanum chromite is useful as a constituent material of the interconnector in consideration of use at a higher temperature, but high-temperature firing is required to sinter lanthanum chromite densely. However, the firing temperature when forming a dense lanthanum chromite thin film has an upper limit of 1550 ° C., for example, as described in JP-A-9-263961, and firing shrinkage occurs significantly at 1550 ° C. or higher. , Causing burnout and the like, and a stable film cannot be obtained. In addition, the support substrate needs to have holes for the fuel gas to diffuse, and there is a limit of an upper limit temperature of about 1500 ° C. as a firing temperature requirement in order to ensure the porosity.

特開平9−263961号公報JP-A-9-263916

ところで、本発明者らが、アノード層の構成材料としてNiとイットリア安定化ジルコニアの混合物を使用し、電解質層の構成材料としてイットリア安定化ジルコニアを使用し、インターコネクタの材料としてランタンクロマイトを使用し、焼成収縮やめくれ等に係る前述事実を考慮して1500℃で焼結させたところ、インターコネクタの構成材料であるランタンクロマイトとアノード層の構成材料であるジルコニアとの接合部における緻密性が低下していることがわかった。緻密性が低下すると、燃料ガスの流出を防ぐことができず、基板外部の酸化雰囲気と隔離されないことになる。   By the way, the present inventors use a mixture of Ni and yttria stabilized zirconia as the constituent material of the anode layer, use yttria stabilized zirconia as the constituent material of the electrolyte layer, and use lanthanum chromite as the material of the interconnector. In consideration of the above-mentioned facts related to firing shrinkage, turning, etc., sintering was performed at 1500 ° C., and the denseness at the joint between the lanthanum chromite, which is the constituent material of the interconnector, and zirconia, which is the constituent material of the anode layer, was reduced. I found out. When the denseness is lowered, the outflow of the fuel gas cannot be prevented and is not isolated from the oxidizing atmosphere outside the substrate.

本発明においては、そのような緻密性低下の問題を解決することにより、その作製上の歩留まりを改善し、また、燃料ガス漏れ、発電効率の低下、さらには燃焼による温度上昇による破壊、劣化などの問題を解決したものである。   In the present invention, by solving the problem of such a decrease in density, the production yield is improved, and fuel gas leakage, reduction in power generation efficiency, and further destruction and deterioration due to temperature increase due to combustion, etc. This is a solution to this problem.

すなわち、本発明は、横縞型固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、そのインターコネクタの構成材料としてランタンクロマイトまたはランタンクロマイトを主成分とする材料を使用する際の上記問題を解決してなる横縞型固体酸化物形燃料電池スタック及びその作製方法を提供することを目的とするものである。   That is, the present invention provides a horizontally-striped solid oxide fuel cell stack that solves the above-mentioned problems when using lanthanum chromite or a material mainly composed of lanthanum chromite as a constituent material of its interconnector. It is an object of the present invention to provide an oxide fuel cell stack and a method for manufacturing the same.

本発明(1)は、内部に燃料流路を有する多孔質の支持基板の表面に、アノード層、電解質層及びカソード層からなる複数個のセルを間隔を置いて配置するとともに、隣接するセル間をランタンクロマイトまたはランタンクロマイトを主成分とする材料からなるインターコネクタを介して電気的に直列に接続してなる横縞型固体酸化物形燃料電池スタックであって、前記アノード層のうち、(a)前記インターコネクタが配置される部分は、ジルコニアを含まない組成のアノード層(第1のアノード層)とし、(b)電池反応に関わる部分は、前記インターコネクタが配置される部分と共通のジルコニアを含まない組成のアノード層(第1のアノード層)と、その上に積層されるジルコニアを含む組成のアノード層(第2のアノード層)としてなることを特徴とする横縞型固体酸化物形燃料電池スタックである。   In the present invention (1), a plurality of cells comprising an anode layer, an electrolyte layer, and a cathode layer are arranged at intervals on the surface of a porous support substrate having a fuel flow path therein, and between adjacent cells. Is a horizontally-striped solid oxide fuel cell stack electrically connected in series via an interconnector made of lanthanum chromite or a material mainly composed of lanthanum chromite, wherein (a) The portion where the interconnector is disposed is an anode layer (first anode layer) having a composition not containing zirconia, and (b) the portion related to the battery reaction is made of zirconia common to the portion where the interconnector is disposed. An anode layer (first anode layer) having a composition not containing an anode layer (second anode layer) having a composition containing zirconia laminated thereon It is a segmented-in-series solid oxide fuel cell stack, characterized in comprising.

本発明(2)は、内部に燃料流路を有する多孔質の支持基板の表面に、アノード層、電解質層及びカソード層からなる複数個のセルを間隔を置いて形成するとともに、隣接するセル間をランタンクロマイトまたはランタンクロマイトを主成分とする材料からなるインターコネクタを介して電気的に直列に接続して横縞型固体酸化物形燃料電池スタックを作製するに際して、前紀アノード層のうち、(a)横縞型固体酸化物形燃料電池スタックとしての完成時においてインターコネクタとなるところのランタンクロマイトまたはランタンクロマイトを主成分とする材料が配置される部分には、ジルコニアを含まない組成のアノード層(第1のアノード層)を形成し、(b)横縞型固体酸化物形燃料電池スタックとしての完成時において電池反応に関わる部分には、前記インターコネクタが配置される部分と共通のジルコニアを含まない組成のアノード層(第1のアノード層)の上にジルコニアを含む組成のアノード層(第2のアノード層)を形成することを特徴とする横縞型固体酸化物形燃料電池スタックの作製方法である。   In the present invention (2), a plurality of cells comprising an anode layer, an electrolyte layer, and a cathode layer are formed at intervals on the surface of a porous support substrate having a fuel flow path therein, and between adjacent cells. Are connected in series via an interconnector made of lanthanum chromite or a material containing lanthanum chromite as a main component to produce a horizontal stripe-type solid oxide fuel cell stack. ) A lanthanum chromite or material containing lanthanum chromite as a main component at the time of completion as a horizontally-striped solid oxide fuel cell stack is disposed in the anode layer (first zirconia-free composition) (B) a cell reaction at the time of completion as a horizontally-striped solid oxide fuel cell stack In the part concerned, an anode layer (second anode layer) containing zirconia is formed on the anode layer (first anode layer) containing no zirconia in common with the part where the interconnector is disposed. This is a method for manufacturing a horizontal stripe type solid oxide fuel cell stack.

本発明によれば、横縞型固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、多孔質の支持基板の表面に配置するアノード層のうち、(a)ランタンクロマイトまたはランタンクロマイトを主成分とするインターコネクタが配置される部分は、ジルコニアを含まない組成のアノード層(第1のアノード層)とし、(b)電池反応に関わる部分は、前記インターコネクタが配置される部分と共通のジルコニアを含まない組成のアノード層(第1のアノード層)の上にジルコニアを含む組成のアノード層(第2のアノード層)とすることにより、
ランタンクロマイトまたはランタンクロマイトを主成分とするインターコネクタ材料を焼成温度1550℃以下、特に1450℃〜1500℃の範囲で形成でき、燃料ガス漏れ、発電効率の低下、また燃焼による温度上昇による破壊、劣化、電圧損失を改善することができる。
According to the present invention, in the horizontally-striped solid oxide fuel cell stack, (a) lanthanum chromite or an interconnector mainly composed of lanthanum chromite is disposed among the anode layers disposed on the surface of the porous support substrate. The part to be used is an anode layer having a composition not containing zirconia (first anode layer), and (b) the part relating to the battery reaction is an anode layer having a composition not containing zirconia in common with the part in which the interconnector is arranged By forming an anode layer (second anode layer) having a composition containing zirconia on the (first anode layer),
Lanthanum chromite or interconnector material composed mainly of lanthanum chromite can be formed at a firing temperature of 1550 ° C or lower, especially in the range of 1450 ° C to 1500 ° C. , Voltage loss can be improved.

また、本発明においては、その作製に際して、それらの特性を備えたランタンクロマイトまたはランタンクロマイトを主成分とする材料からなるインターコネクタを高い歩留まりで、再現性よく形成でき、横縞型固体酸化物形燃料電池スタックによる発電の安定性、信頼性を向上させることができる。   Further, in the present invention, a horizontal stripe-type solid oxide fuel that can be formed with high yield, reproducibility, and an interconnector made of lanthanum chromite having these characteristics or a material mainly composed of lanthanum chromite. The stability and reliability of power generation by the battery stack can be improved.

前述のとおり、インターコネクタ材料としてランタンクロマイトを使用する場合、緻密に焼結させるためには高温焼成が必要となるが、インターコネクタ材料としてランタンクロマイトを使用し、アノード層としてのイットリア安定化ジルコニアとともに1500℃以下で焼結させたところ、燃料ガスが漏れ、発電効率の低下や燃焼による温度上昇による破壊、劣化などが生じることが観察された。その原因追求の一環としてその界面およびその近傍を電子顕微鏡で観察したところ、ランタンクロマイト層とアノード層であるNiとイットリア安定化ジルコニアの混合物との接合部における緻密性が低下していることがわかった。   As described above, when lanthanum chromite is used as an interconnector material, high-temperature firing is required for dense sintering, but lanthanum chromite is used as an interconnector material with yttria-stabilized zirconia as an anode layer. When sintered at 1500 ° C. or lower, it was observed that the fuel gas leaked, and that the power generation efficiency was reduced or the temperature was increased due to combustion, causing destruction or deterioration. As a part of pursuing the cause, the interface and the vicinity thereof were observed with an electron microscope, and it was found that the denseness at the junction between the lanthanum chromite layer and the anode layer of Ni and yttria-stabilized zirconia was reduced. It was.

図3は上記電子顕微鏡写真である。図3中「緻密性低下」として楕円形状の枠で示しているとおり、緻密なNi−イットリア安定化ジルコニア層(図3中「ジルコニア」と標示している)とランタンクロマイト層とが接する界面およびその界面からランタンクロマイト層側の層に比較的大きな孔が多数観察される。   FIG. 3 is the electron micrograph. As indicated by the oval frame as “dense density reduction” in FIG. 3, the interface between the dense Ni-yttria stabilized zirconia layer (labeled “zirconia” in FIG. 3) and the lanthanum chromite layer and Many relatively large holes are observed in the layer on the lanthanum chromite layer side from the interface.

図4は、図1(a)中矩形状の点線枠Aで示す部分を拡大して示した図である。そして、上記「緻密性低下」の部分を当該図4で言えば、矩形状の点線枠Bで示している部分に相当する。この部分に生じる多数の比較的大きな孔が燃料ガス漏れの要因となり、発電効率の低下や燃焼による温度上昇による破壊、劣化などを引き起こすことになる。   FIG. 4 is an enlarged view showing a portion indicated by a rectangular dotted line frame A in FIG. In addition, the “dense density reduction” portion corresponds to a portion indicated by a rectangular dotted frame B in FIG. A large number of relatively large holes generated in this portion cause fuel gas leakage, leading to a decrease in power generation efficiency and a breakdown or deterioration due to a temperature increase due to combustion.

そこで、インターコネクタの構成材料であるランタンクロマイトまたはランタンクロマイトを主成分とする材料とジルコニアを接触させないために、前記アノード層のうち、(a)インターコネクタが配置される部分は、ジルコニアを含まない組成のアノード層(第1のアノード層)とし、(b)電池反応に関わる部分は、前記インターコネクタが配置される部分と共通のジルコニアを含まない組成のアノード層(第1のアノード層)と、その上に積層されるジルコニアを含む組成のアノード層(第2のアノード層)とすることを考え、この観点で実験を進めて本発明を完成したものである。   Therefore, in order to prevent lanthanum chromite, which is a constituent material of the interconnector, or a material mainly composed of lanthanum chromite and zirconia from contacting, the portion of the anode layer where (a) the interconnector is disposed does not include zirconia. The anode layer of the composition (first anode layer), and (b) the part involved in the battery reaction is the anode layer (first anode layer) of the composition not containing zirconia in common with the part where the interconnector is disposed The present invention has been completed by considering the use of an anode layer (second anode layer) having a composition containing zirconia laminated thereon and conducting an experiment from this viewpoint.

図5は、図4に対応して本発明を説明する図である。図5のとおり、ランタンクロマイトまたはランタンクロマイトを主成分とする材料からなるインターコネクタ6を配置する部分のアノード層をジルコニアを含まない組成のアノード層(第1のアノード層)2とし、電池反応に関わる部分のアノード層を、ジルコニアを含む組成のアノード層(第2のアノード層)2とジルコニアを含まない組成のアノード層(第1のアノード層)2’との2重層に形成する。   FIG. 5 is a diagram for explaining the present invention in correspondence with FIG. As shown in FIG. 5, the anode layer (first anode layer) 2 having a composition not containing zirconia is used as the anode layer in the portion where the interconnector 6 made of lanthanum chromite or a material containing lanthanum chromite as a main component is disposed. The part of the anode layer concerned is formed into a double layer of an anode layer (second anode layer) 2 having a composition containing zirconia and an anode layer (first anode layer) 2 'having a composition not containing zirconia.

インターコネクタ6は、ジルコニアを含まない組成のアノード層(第1のアノード層)2’の上面に配置する。また、ジルコニアを含む組成のアノード層(第2のアノード層)2は、電池反応に関わる部分に配置する。すなわち、電池反応に関わる部分については、ジルコニアを含む組成のアノード層(第2のアノード層)2はジルコニアを含まない組成のアノード層(第1のアノード層)2’の上面に配置する。そして、当該ジルコニアを含む組成のアノード層(第2のアノード層)2の上に順次、電解質層3、カソード層4を配置してセル5を構成する。   The interconnector 6 is disposed on the upper surface of the anode layer (first anode layer) 2 ′ having a composition not containing zirconia. Further, the anode layer (second anode layer) 2 having a composition containing zirconia is disposed in a portion related to the battery reaction. That is, for the part related to the battery reaction, the anode layer (second anode layer) 2 having a composition containing zirconia is disposed on the upper surface of the anode layer (first anode layer) 2 'having a composition not containing zirconia. Then, an electrolyte layer 3 and a cathode layer 4 are sequentially arranged on the anode layer (second anode layer) 2 having a composition containing the zirconia to constitute a cell 5.

これを言い換えると、インターコネクタ6を配置する部分および電池反応に関わる部分の第1のアノード層の材料としては、従来考えられ使用されていた材料とは別の材料を使用し、従来考えられ使用されていた材料は、電池反応に関わる部分の第2のアノード層のみに使用するものである。   In other words, as the material of the first anode layer in the portion where the interconnector 6 is disposed and the portion related to the battery reaction, a material different from the material that has been conventionally considered and used is used. The material which has been used is used only for the second anode layer of the part related to the battery reaction.

本発明は、そのように、アノード層の形成時に電池反応に関わる部分を2層化することにより、インターコネクタ6の構成材料であるランタンクロマイトまたはランタンクロマイトを主成分とする材料を緻密に焼結することを可能としたものである。これにより、燃料ガス漏れ、これに伴う発電効率の低下、また燃焼による温度上昇による破壊、劣化などの問題を解決したものである。   In the present invention, lanthanum chromite, which is a constituent material of the interconnector 6, or a material mainly composed of lanthanum chromite is densely sintered by forming a layer related to the battery reaction when forming the anode layer. It is possible to do. This solves problems such as fuel gas leakage, a decrease in power generation efficiency associated therewith, and destruction and deterioration due to a temperature rise due to combustion.

ここで、ランタンクロマイトまたはランタンクロマイトを主成分とする材料を配置するところの「ジルコニアを含まない組成のアノード層(第1のアノード層)」の材料に求められる条件は、(1)ジルコニアを含まないこと、(2)収縮率、焼結性、緻密性がランタンクロマイトまたはランタンクロマイトを主成分とする材料にできるだけ近いこと、(3)高温且つ水素存在下で還元しないことである。このことから、ジルコニアを含まない組成のアノード層(第1のアノード層)2’としては、それら(1)〜(3)の3条件を満たす材料であれば使用できる。   Here, the conditions required for the material of the “anode layer (first anode layer) not containing zirconia” in which lanthanum chromite or a material containing lanthanum chromite as a main component is arranged include (1) zirconia is included. (2) shrinkage rate, sinterability, and denseness are as close as possible to lanthanum chromite or a material containing lanthanum chromite as a main component, and (3) no reduction in the presence of high temperature and hydrogen. Therefore, any material satisfying the three conditions (1) to (3) can be used as the anode layer (first anode layer) 2 'having a composition not containing zirconia.

本発明においては、それらの条件を満たす「ジルコニアを含まない組成のアノード層(第1のアノード層)」の材料の1種として「Niを含むY23(イットリア)」が有効であることを見出した。 In the present invention, “Ni-containing Y 2 O 3 (yttria)” is effective as one of the materials of the “anode layer having a composition not containing zirconia (first anode layer)” that satisfies these conditions. I found.

Niは、Y23に導電パスつまり導電性を付与するためのものであり、この観点から、Niを含むY23におけるNiの含有量は40〜70容量%(Y23とNiOの合計量中の割合)の範囲で選定できる。アノード層の原材料として用いられるNiの酸化物であるNiOは、電解質層3の電解質材料の収縮率、ランタンクロマイトの収縮率により近づける役割とともに、燃料電池としての作動時に多孔質の支持基板1の細孔を経てNiOを含むY23層に至る燃料ガスによりNiに還元することで導電性となる。Y23は還元しない。なおアノード層中のNi量は、蛍光X線分析、EPMA、ICP発光分光分析等の公知の方法を適宜用いて測定することができる。 Ni is for imparting a conductive path, that is, conductivity to Y 2 O 3. From this viewpoint, the content of Ni in Y 2 O 3 containing Ni is 40 to 70% by volume (Y 2 O 3 and The ratio can be selected in the range of the ratio of the total amount of NiO. NiO, which is an oxide of Ni used as a raw material for the anode layer, has a role of bringing the shrinkage rate of the electrolyte material of the electrolyte layer 3 closer to that of the lanthanum chromite, and the fineness of the porous support substrate 1 when operating as a fuel cell. It becomes conductive by being reduced to Ni by the fuel gas that reaches the Y 2 O 3 layer containing NiO through the holes. Y 2 O 3 is not reduced. The amount of Ni in the anode layer can be measured by appropriately using a known method such as fluorescent X-ray analysis, EPMA, or ICP emission spectroscopic analysis.

また、本発明の横縞型固体酸化物形燃料電池スタックにおいては、(a)ランタンクロマイトまたはランタンクロマイトを主成分とする材料からなるインターコネクタ6の厚さが20μm以上で且つランタンクロマイトまたはランタンクロマイトを主成分とする材料からなるインターコネクタ6と前記電池反応に関わる部分のジルコニアを含む組成のアノード層2(第2のアノード層)との間に隙間を有することとするか、または、(b)ランタンクロマイトまたはランタンクロマイトを主成分とする材料からなるインターコネクタ6の厚さが10μm以上で且つランタンクロマイトまたはランタンクロマイトを主成分とする材料からなるインターコネクタ6と電池反応に関わる部分のジルコニアを含む組成のアノード層2(第2のアノード層)との間の距離が2mm以上とすることにより、ランタンクロマイトまたはランタンクロマイトを主成分とする材料からなるインターコネクタ6、電池反応に関わる部分のジルコニアを含む組成のアノード層2ともに良好な緻密性が得られる。   Further, in the horizontal stripe type solid oxide fuel cell stack of the present invention, (a) the lanthanum chromite or the lanthanum chromite is made of lanthanum chromite or lanthanum chromite having a thickness of the interconnector 6 made of a material mainly composed of lanthanum chromite and 20 μm or more. A gap is provided between the interconnector 6 made of a material as a main component and the anode layer 2 (second anode layer) having a composition containing zirconia in a portion related to the battery reaction, or (b) The interconnector 6 made of lanthanum chromite or a material containing lanthanum chromite as a main component has a thickness of 10 μm or more, and includes the interconnector 6 made of lanthanum chromite or a material containing lanthanum chromite as a main component, and zirconia in a part related to the battery reaction. Anode layer 2 of composition (second anode layer ), The interconnector 6 made of lanthanum chromite or a material containing lanthanum chromite as a main component, and the anode layer 2 having a composition containing zirconia in the part relating to the battery reaction, have good denseness. Is obtained.

本発明において、アノード層の構成材料のうち、ジルコニアを含む材料としては、Niとイットリア安定化ジルコニア〔(Y23X(ZrO21-X(式中、X=0.05〜0.15)〕との混合物からなる材料などを使用するが、これらに限定されない。Niとイットリア安定化ジルコニアとの混合物からなる材料の場合、当該混合物中Niを40容量%以上分散させた材料であるのが好ましい。 In the present invention, among the constituent materials of the anode layer, materials containing zirconia include Ni and yttria stabilized zirconia [(Y 2 O 3 ) X (ZrO 2 ) 1-X (where X = 0.05 to 0.15)] is used, but the material is not limited thereto. In the case of a material made of a mixture of Ni and yttria-stabilized zirconia, a material in which Ni is dispersed in an amount of 40% by volume or more in the mixture is preferable.

本発明において、多孔質の支持基板1の構成材料としては、例えばMgOとMgAl24の混合物、ジルコニア系酸化物、ジルコニア系酸化物とMgOとMgAl24の混合物などを使用するが、これらに限定されない。このうち、MgOとMgAl24の混合物は、MgOが20〜70容量%含まれるMgOとMgAl24の混合物であるのが好ましい。また、ジルコニア系酸化物の例としては、イットリア安定化ジルコニア〔(Y23X(ZrO21-X(式中、X=0.03〜0.12)〕などが挙げられる。 In the present invention, as a constituent material of the porous support substrate 1, for example, a mixture of MgO and MgAl 2 O 4 , a zirconia-based oxide, a mixture of zirconia-based oxide, MgO and MgAl 2 O 4 , etc. are used. It is not limited to these. Of these, a mixture of MgO and MgAl 2 O 4 is preferably a mixture of MgO and MgAl 2 O 4 which MgO is contained 20 to 70% by volume. Examples of zirconia-based oxides include yttria-stabilized zirconia [(Y 2 O 3 ) X (ZrO 2 ) 1-X (where X = 0.03 to 0.12)].

本発明において、インターコネクタ6の構成材料としては、式(Ln,A)CrO3(式中、Lnはランタノイド、AはBa、Ca、MgまたはSrである)で示される酸化物を使用する。この材料を本明細書においてランタンクロマイトと称している。 In the present invention, as the constituent material of the interconnector 6, an oxide represented by the formula (Ln, A) CrO 3 (wherein Ln is a lanthanoid and A is Ba, Ca, Mg, or Sr) is used. This material is referred to herein as lanthanum chromite.

また、インターコネクタ6の構成材料としては、ランタンクロマイトに適宜Al23、MgOなどの助剤が添加されたものでもよく、この材料を本明細書においてランタンクロマイトを主成分とする材料と称している。 In addition, as a constituent material of the interconnector 6, lanthanum chromite may be appropriately added with auxiliary agents such as Al 2 O 3 and MgO, and this material is referred to as a material mainly composed of lanthanum chromite in this specification. ing.

本発明において、電解質層3の構成材料としてはイットリア安定化ジルコニア〔(Y23X(ZrO21-X(式中、X=0.05〜0.15)〕を使用する。 In the present invention, yttria stabilized zirconia [(Y 2 O 3 ) X (ZrO 2 ) 1-X (where X = 0.05 to 0.15)] is used as a constituent material of the electrolyte layer 3.

本発明において使用するカソード層4の構成材料としては例えば下記(1)〜(4)の材料が挙げられるが、これらに限定されない。
(1)La0.6Sr0.4Mn1.03などの(La,Sr)MnO3系材料。
(2)La0.6Sr0.4Co1.03などの(La,Sr)CoO3系材料。
(3)La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.83、La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.83などの(La,Sr)CoFeO3系材料。
(4)La0.9Ca0.1MnO3などの(La,Ca)MnO3系材料。
Examples of the constituent material of the cathode layer 4 used in the present invention include the following materials (1) to (4), but are not limited thereto.
(1) (La, Sr) MnO 3 -based materials such as La 0.6 Sr 0.4 Mn 1.0 O 3 .
(2) (La, Sr) CoO 3 -based materials such as La 0.6 Sr 0.4 Co 1.0 O 3 .
(3) (La, Sr) CoFeO 3 -based materials such as La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 and La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 .
(4) (La, Ca) MnO 3 -based materials such as La 0.9 Ca 0.1 MnO 3 .

本発明において、集電体7の構成材料としては、耐熱性且つ導電性の材料を使用するが、インターコネクタ6の構成材料と同じ材料でもよい。集電体7はインターコネクタ6よりも緻密でなくてもよいが、緻密であってもよい。   In the present invention, a heat-resistant and conductive material is used as the constituent material of the current collector 7, but the same material as the constituent material of the interconnector 6 may be used. The current collector 7 may not be denser than the interconnector 6, but may be denser.

〈横縞型固体酸化物形燃料電池スタックの作製態様〉
本発明(2)である横縞型固体酸化物形燃料電池スタックの作製方法の態様については、以下のとおりである。本発明(2)である横縞型固体酸化物形燃料電池スタックの作製方法により本発明(1)の横縞型固体酸化物形燃料電池スタックを作製するものである。
<Manufacturing mode of horizontal stripe type solid oxide fuel cell stack>
The aspect of the method for producing the horizontal stripe solid oxide fuel cell stack according to the present invention (2) is as follows. The horizontal-striped solid oxide fuel cell stack of the present invention (1) is manufactured by the method of manufacturing the horizontal-striped solid oxide fuel cell stack of the present invention (2).

(a)前記多孔質の支持基板の構成材料(前記0037段落参照)から適当な材料を選んで使用して横縞型固体酸化物形燃料電池スタックの完成時において内部に燃料流路8を有する多孔質の支持基板1となるものを形成する。   (A) A porous material having a fuel flow path 8 inside when a horizontally striped solid oxide fuel cell stack is completed by selecting and using a suitable material from the constituent materials of the porous support substrate (see paragraph 0037). A quality support substrate 1 is formed.

(b)前記アノード層の構成材料のうち、前記ジルコニアを含まない材料としては前記Niを含むY23からなる材料(前記0033段落参照)を使用する。なお、Niを含むY23からなる材料において、NiはNiOとして含むこともでき、本発明においてNiを含むY23からなる材料とは、NiOを含むY23からなる材料も含むものとする。
(b)′前記アノード層の構成材料のうち、前記ジルコニアを含む材料としては、前記ジルコニアを含む材料(前記0036段落参照)から適当な材料を選んで使用して横縞型固体酸化物形燃料電池スタックの完成時においてアノード層となるものを形成する。
アノード層の構成材料はジルコニアを含まない材料とジルコニアを含む材料の2種類を使用することになる。このうち、ジルコニアを含まない材料は、横縞型固体酸化物形燃料電池スタックの完成時において多孔質の支持基板1となるものの面のうち、横縞型固体酸化物形燃料電池スタックの完成時において燃料流路側となるところの面とは相対する面に配置し、ジルコニアを含む材料は、前記ジルコニアを含まない材料の面のうち、多孔質の支持基板1となるものの面と相対する面に配置する。
(B) Among the constituent materials of the anode layer, as the material not containing the zirconia, a material composed of Y 2 O 3 containing Ni (see paragraph 0033) is used. Incidentally, in the material consisting of Y 2 O 3 containing Ni, Ni may also be included as NiO, and materials consisting of Y 2 O 3 containing Ni in the present invention, even materials consisting of Y 2 O 3 containing NiO Shall be included.
(B) 'Among the constituent materials of the anode layer, as the material containing the zirconia, a suitable material is selected from the materials containing the zirconia (see paragraph 0036 above) and used in the horizontal stripe type solid oxide fuel cell. Form an anode layer upon completion of the stack.
As the constituent material of the anode layer, two kinds of materials, ie, a material not containing zirconia and a material containing zirconia are used. Among these, the material that does not contain zirconia is the fuel at the time of completion of the horizontal stripe type solid oxide fuel cell stack among the surfaces that become the porous support substrate 1 at the time of completion of the horizontal stripe type solid oxide fuel cell stack. It arrange | positions in the surface opposite to the surface used as the flow path side, and arrange | positions the material containing a zirconia in the surface opposite to the surface of what becomes the porous support substrate 1 among the surfaces of the material which does not contain the said zirconia. .

(c)前記インターコネクタ6の構成材料(前記0038段落、0039段落参照)から適当なランタンクロマイトまたはランタンクロマイトを主成分とする材料を選んで使用して、横縞型固体酸化物形燃料電池スタックの完成時に前記アノード層となるもののうちジルコニアを含有しないアノード層2’の表面に横縞型固体酸化物形燃料電池スタックの完成時にインターコネクタ6となるものを形成する。   (C) An appropriate lanthanum chromite or a material containing lanthanum chromite as a main component is selected from the constituent materials of the interconnector 6 (see paragraphs 0038 and 0039), and the horizontal stripe type solid oxide fuel cell stack is used. Of the anode layer 2 'that does not contain zirconia at the time of completion, one that becomes the interconnector 6 at the time of completion of the horizontal stripe solid oxide fuel cell stack is formed on the surface of the anode layer 2' that does not contain zirconia.

(d)前記電解質層3の構成材料(前記0040段落参照)から適当な材料を選んで使用して、横縞型固体酸化物形燃料電池スタックの完成時に前記両方のアノード層となるものと横縞型固体酸化物形燃料電池スタックの完成時に前記インターコネクタ6となるものの上面の一部以外を覆うように横縞型固体酸化物形燃料電池スタックの完成時において電解質層3となるものを形成する。   (D) A suitable material selected from the constituent materials of the electrolyte layer 3 (see paragraph 0040 above) is used to form both the anode layer and the horizontal stripe type when the horizontal stripe solid oxide fuel cell stack is completed. A layer that becomes the electrolyte layer 3 when the horizontal stripe solid oxide fuel cell stack is completed is formed so as to cover a portion other than a part of the upper surface of the interconnector 6 when the solid oxide fuel cell stack is completed.

(e)横縞型固体酸化物形燃料電池スタックの完成時において、前記多孔質の支持基板1となるもの、前記アノード層となるもの、前記インターコネクタ6となるものおよび前記電解質層3となるものを共焼結する。   (E) At the time of completion of the horizontal stripe type solid oxide fuel cell stack, the porous support substrate 1, the anode layer, the interconnector 6, and the electrolyte layer 3 Are co-sintered.

(f)前記カソード層4の構成材料(前記0041段落参照)から適当な材料を選んで使用して、横縞型固体酸化物形燃料電池スタックの完成時に前記電解質層3となるものを介して横縞型固体酸化物形燃料電池スタックの完成時に前記ジルコニアを含む材料からなるアノード層2となるものと対向する部位に横縞型固体酸化物形燃料電池スタックの完成時においてカソード層4となるものを形成する。   (F) An appropriate material is selected from the constituent materials of the cathode layer 4 (see paragraph 0041 above) and used to form the electrolyte layer 3 when the horizontal stripe solid oxide fuel cell stack is completed. When the horizontal solid oxide fuel cell stack is completed, the cathode layer 4 is formed at a position opposite to the anode layer 2 made of the material containing zirconia when the solid oxide fuel cell stack is completed. To do.

(f)の工程において、横縞型固体酸化物形燃料電池スタックの完成時に前記電解質層3となるものを介して横縞型固体酸化物形燃料電池スタックの完成時に前記アノード層となるものと対向する部位とは、横縞型固体酸化物形燃料電池スタックの完成時に前記電解質層3となるものを挟んで、前記カソード層4の構成材料と前記ジルコニアを含む材料からなるアノード層2となるものが対向して形成される、と言う意味である。   In the step (f), it faces the anode layer when the horizontal stripe solid oxide fuel cell stack is completed through the electrolyte layer 3 when the horizontal stripe solid oxide fuel cell stack is completed. The portion is opposite to the constituent material of the cathode layer 4 and the anode layer 2 made of the material containing zirconia, with the portion that becomes the electrolyte layer 3 when the horizontal stripe solid oxide fuel cell stack is completed. Is formed.

(g)前記集電体7の構成材料(前記0042段落参照)から適当な材料を選んで使用して、横縞型固体酸化物形燃料電池スタックの完成時に前記カソード層4となるものと横縞型固体酸化物形燃料電池スタックの完成時に前記インターコネクタ6となるものの間に横縞型固体酸化物形燃料電池スタックの完成時において集電体7となるものを形成する。   (G) An appropriate material selected from the constituent materials of the current collector 7 (see paragraph 0042 above) is used to form the cathode layer 4 when the horizontal stripe solid oxide fuel cell stack is completed. Between the interconnector 6 when the solid oxide fuel cell stack is completed, the current collector 7 is formed when the horizontal stripe solid oxide fuel cell stack is completed.

こうして形成したところの完成した横縞型固体酸化物形燃料電池スタックが本発明(1)の横縞型固体酸化物形燃料電池スタックとなる。   The completed horizontal stripe solid oxide fuel cell stack thus formed is the horizontal stripe solid oxide fuel cell stack of the present invention (1).

このことから、本発明(1)の横縞型固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、前記(a)に記載の多孔質の支持基板となるものが当該完成した横縞型固体酸化物形燃料電池スタックにおいて多孔質の支持基板1となり、前記(b)記載のジルコニアを含まない材料と前記(b)′に記載のジルコニアを含む材料が当該完成した横縞型固体酸化物形燃料電池スタックにおいてアノード層となり、前記(c)に記載のインターコネクタとなるものが当該完成した横縞型固体酸化物形燃料電池スタックにおいてインターコネクタ6となり、前記(d)に記載の電解質層となるものが当該完成した横縞型固体酸化物形燃料電池スタックにおいて電解質層3となり、前記(f)に記載のカソード層となるものが当該完成した横縞型固体酸化物形燃料電池スタックにおいてカソード層4となり、前記(g)に記載の集電体となるものが当該完成した横縞型固体酸化物形燃料電池スタックにおいて集電体7となる。   From this, in the horizontal stripe solid oxide fuel cell stack of the present invention (1), the porous support substrate described in (a) above is the completed horizontal stripe solid oxide fuel cell stack. In the porous support substrate 1, the material containing no zirconia as described in (b) and the material containing zirconia as described in (b) ′ serve as an anode layer in the completed horizontal-stripe solid oxide fuel cell stack, The interconnector described in (c) becomes the interconnector 6 in the completed horizontal stripe solid oxide fuel cell stack, and the electrolyte layer described in (d) becomes the completed horizontal stripe solid. In the oxide fuel cell stack, the electrolyte layer 3 and the cathode layer described in (f) are the completed horizontally-striped solid oxide fuel cell. The cathode layer 4 becomes in a stack, wherein those as a collector according to (g) as a collector 7 in the finished segmented-in-series solid oxide fuel cell stack.

前記(b)に記載のジルコニアを含まない材料で形成されたアノード(第1のアノード層)層2’と(b)′に記載のジルコニアを含む材料で形成されたアノード層(第2のアノード層)2の配置は図5に示すとおりである。   Anode (first anode layer) layer 2 ′ formed of a material not containing zirconia as described in (b) and an anode layer (second anode) formed of a material containing zirconia as described in (b) ′ The arrangement of the layer 2 is as shown in FIG.

以上の工程を端的に纏めると「内部に燃料流路を有する多孔質の支持基板の表面に、順次、アノード層、電解質層及びカソード層からなる複数個のセルを形成するとともに、隣接するセル間をランタンクロマイトまたはランタンクロマイトを主成分とする材料からなるインターコネクタを介して電気的に直列に接続して横縞型固体酸化物形燃料電池スタックを作製するに際して、前記アノード層のうち、(a)横縞型固体酸化物形燃料電池スタックとしての完成時においてインターコネクタが配置される部分には、ジルコニアを含まない組成のアノード層(第1のアノード層)を形成し、(b)横縞型固体酸化物形燃料電池スタックとしての完成時において電池反応に関わる部分には、前記インターコネクタが配置される部分と共通のジルコニアを含まない組成のアノード層(第1のアノード層)の上にジルコニアを含む組成のアノード層(第2のアノード層)を形成することを特徴とする横縞型固体酸化物形燃料電池スタックの作製方法」となり、これが本発明(2)である。   Summarizing the above process, “a plurality of cells composed of an anode layer, an electrolyte layer, and a cathode layer are sequentially formed on the surface of a porous support substrate having a fuel flow path therein, and between adjacent cells. Are connected in series via an interconnector made of lanthanum chromite or a material mainly composed of lanthanum chromite to produce a horizontally-striped solid oxide fuel cell stack. An anode layer (first anode layer) having a composition not containing zirconia is formed in a portion where the interconnector is disposed when the horizontally striped solid oxide fuel cell stack is completed. (B) Horizontally striped solid oxide When the physical fuel cell stack is completed, the part related to the cell reaction includes the same zirco as the part where the interconnector is arranged. An anode layer (second anode layer) containing zirconia is formed on an anode layer (first anode layer) having a composition containing no a. This is the present invention (2).

そして、本発明(2)の作製方法によって作製されたものが、本発明(1)の横縞型固体酸化物形燃料電池スタックであり、これを端的に纏めると「内部に燃料流路を有する多孔質の支持基板の表面に、アノード層、電解質層及びカソード層からなる複数個のセルを形成するとともに、隣接するセル間をランタンクロマイトまたはランタンクロマイトを主成分とする材料からなるインターコネクタを介して電気的に直列に接続してなる横縞型固体酸化物形燃料電池スタックであって、前記アノード層のうち、(a)前記インターコネクタが配置される部分は、ジルコニアを含まない組成のアノード層(第1のアノード層)とし、(b)電池反応に関わる部分は、前記インターコネクタが配置される部分と共通のジルコニアを含まない組成のアノード層(第1のアノード層)と、その上に積層されるジルコニアを含む組成のアノード層(第2のアノード層)としてなることを特徴とする横縞型固体酸化物形燃料電池スタック」となる。   And what was produced by the production method of the present invention (2) is the horizontal stripe solid oxide fuel cell stack of the present invention (1). A plurality of cells composed of an anode layer, an electrolyte layer and a cathode layer are formed on the surface of a porous support substrate, and between adjacent cells, lanthanum chromite or an interconnector made of lanthanum chromite as a main component is used. A horizontally striped solid oxide fuel cell stack electrically connected in series, wherein (a) a portion of the anode layer where the interconnector is disposed is an anode layer having a composition not containing zirconia ( The first anode layer), and (b) the part involved in the battery reaction is an alloy having a composition not containing zirconia in common with the part where the interconnector is disposed. A horizontally-striped solid oxide fuel cell stack characterized by comprising a cathode layer (first anode layer) and an anode layer (second anode layer) having a composition containing zirconia laminated thereon. Become.

本明細書においては、横縞型固体酸化物形燃料電池スタックとしての完成時に各部材となるものの形成過程についても、便宜上、例えば横縞型固体酸化物形燃料電池スタックとしての完成時に多孔質の支持基板となるものを形成する過程について「多孔質の支持基板を形成し」、「多孔質の支持基板を形成する」などとも記載している。しかし、横縞型固体酸化物形燃料電池スタックとしての形成過程つまり完成前は、完成時に多孔質の支持基板となるところの材料を配置しただけであり、横縞型固体酸化物形燃料電池スタックとしての完成時にはじめて多孔質の支持基板となるものである。この点、横縞型固体酸化物形燃料電池スタックとしての完成時に、アノード層となるものを形成すること、インターコネクタとなるものを形成すること、電解質層となるものを形成すること、カソード層となるものを形成すること、集電体となるものを形成することについても同様である。   In the present specification, for the sake of convenience, for example, a porous support substrate at the time of completion as a horizontal stripe type solid oxide fuel cell stack is also provided for the formation process of each member when the horizontal stripe type solid oxide fuel cell stack is completed. The process of forming the product is also described as “forming a porous support substrate”, “forming a porous support substrate”, and the like. However, the formation process as a horizontal stripe type solid oxide fuel cell stack, that is, before completion, only the material that becomes the porous support substrate at the time of completion was arranged, and as a horizontal stripe type solid oxide fuel cell stack, It becomes a porous support substrate only when it is completed. In this regard, upon completion of the horizontal stripe type solid oxide fuel cell stack, forming an anode layer, forming an interconnector, forming an electrolyte layer, a cathode layer, The same applies to the formation of the current collector and the current collector.

以下、実験例を基に本発明をさらに詳しく説明するが、本発明が実験例に限定されないことはもちろんである。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on experimental examples, but the present invention is not limited to the experimental examples.

〈実験例1〉
ランタンクロマイトの原料粉に(1)何も添加しない、(2)ジルコニア粉末を1質量%(原料粉と添加物の合計量中の割合、以下同じ)添加する、(3)Y23粉末を1質量%添加する、(4)NiOを1質量%添加する、の4種をプレス成型によりペレット化し、1500℃で焼成した。このペレットサンプルにエタノールを滴下し、エタノールが含浸するか否かを試験した。
<Experimental example 1>
(1) Add nothing to the raw material powder of lanthanum chromite, (2) Add 1% by mass of zirconia powder (ratio in the total amount of raw material powder and additive, the same applies hereinafter), (3) Y 2 O 3 powder 4 types of (4) 1% by mass of NiO were added, pelletized by press molding, and fired at 1500 ° C. Ethanol was dropped into the pellet sample to test whether ethanol was impregnated.

その結果は以下のとおりであった。(1)のサンプルには浸透はみられず、緻密に焼結していることがわかった。(2)のサンプルにはエタノールが浸透した。このサンプルは1500℃で焼成しても緻密にならないことがわかった。(3)、(4)のサンプルには(1)と同様にエタノールの浸透はみられず、緻密に焼結していることがわかった。   The results were as follows. The sample of (1) showed no penetration and was found to be densely sintered. Ethanol penetrated into the sample of (2). It was found that this sample did not become dense when fired at 1500 ° C. It was found that the samples of (3) and (4) were not sintered with ethanol as in (1), and were densely sintered.

これらの結果から、ランタンクロマイトは焼成温度1500℃で緻密になるが、ジルコニアはランタンクロマイトの焼結性を阻害し、Y23、NiOはランタンクロマイトの焼結性を阻害しないことがわかり、ランタンクロマイト層と接するアノード層(第1のアノード層)の成分として、Y23、NiOが適当であることが確認できた。 These results show that lanthanum chromite becomes dense at a firing temperature of 1500 ° C., but zirconia inhibits the sinterability of lanthanum chromite, and Y 2 O 3 and NiO do not inhibit the sinterability of lanthanum chromite, It was confirmed that Y 2 O 3 and NiO were suitable as components of the anode layer (first anode layer) in contact with the lanthanum chromite layer.

〈実験例2〉
本実験2では、Niを40容量%(Y23とNiOの合計量中の割合)添加したジルコニアを含まない組成のアノード層(第1のアノード層)を配したものの断面を観察した。図6はその電子顕微鏡写真である。図6のとおり、ジルコニアを含まない組成のアノード層(第1のアノード層)を配した部分及びその両側の層には大きな孔はなく、良好な緻密性を有していることがわかる。
<Experimental example 2>
In Experiment 2, a cross section of the anode layer (first anode layer) having a composition not containing zirconia added with 40% by volume of Ni (ratio in the total amount of Y 2 O 3 and NiO) was observed. FIG. 6 is an electron micrograph thereof. As shown in FIG. 6, it can be seen that the portion where the anode layer (first anode layer) having a composition not containing zirconia is disposed and the layers on both sides thereof have no large pores and have good denseness.

ここで、図6の電子顕微鏡写真を図3の電子顕微鏡写真と対比すると、図3においては緻密なジルコニア層とランタンクロマイト層とが接する界面およびその界面からランタンクロマイト層側の層に比較的大きな孔が多数観察された。これに対して、図6においては緻密なジルコニア層とランタンクロマイト層とが接する界面およびその界面からランタンクロマイト層側に孔は殆ど観察されず、各層、また境界にも孔は実質上見当たらない。このように本発明に係るジルコニアを含まない組成のアノード層(第1のアノード層)の効果は明らかである。   Here, when the electron micrograph of FIG. 6 is compared with the electron micrograph of FIG. 3, in FIG. 3, the interface between the dense zirconia layer and the lanthanum chromite layer and the interface is relatively large from the interface to the lanthanum chromite layer side. Many holes were observed. On the other hand, in FIG. 6, almost no holes are observed on the lanthanum chromite layer side from the interface where the dense zirconia layer and the lanthanum chromite layer are in contact, and virtually no holes are found in each layer or boundary. Thus, the effect of the anode layer (first anode layer) having a composition not containing zirconia according to the present invention is clear.

〈実験例3〉
本実験3では、(1)インターコネクタを構成するランタンクロマイトの厚さを変え、(2)ランタンクロマイトと電池反応に関わる部分のジルコニアを含む組成のアノード層(第2のアノード層。ここでは「活性層」と指称する)との距離を変えたサンプルを作製し、ランタンクロマイトの厚さaと活性層との距離bとの関係での緻密性如何について試験した。図7にそれら厚さa、距離bの該当箇所を示し、表1にその試験結果を記載している。
<Experimental example 3>
In this experiment 3, (1) the thickness of the lanthanum chromite constituting the interconnector was changed, and (2) the anode layer (second anode layer, in this case, containing lanthanum chromite and zirconia in the part related to the battery reaction. Samples with different distances from the active layer (referred to as “active layer”) were prepared and tested for denseness in relation to the thickness a of lanthanum chromite and the distance b of the active layer. FIG. 7 shows the corresponding portions of the thickness a and the distance b, and Table 1 shows the test results.

表1のとおり、ランタンクロマイトの厚さaが20μm以上で且つランタンクロマイト層と活性層との間に隙間を有する(本実施例においては距離bが0mm超である)か、または、ランタンクロマイトの厚さaが10μm以上で且つランタンクロマイト層と活性層との間の距離bが2mm以上であると、ランタンクロマイト層、活性層ともに良好な緻密性が得られる。   As shown in Table 1, the lanthanum chromite thickness a is 20 μm or more and there is a gap between the lanthanum chromite layer and the active layer (in this embodiment, the distance b is greater than 0 mm), When the thickness a is 10 μm or more and the distance b between the lanthanum chromite layer and the active layer is 2 mm or more, both the lanthanum chromite layer and the active layer have good denseness.

Figure 2009199956
Figure 2009199956

以上のとおり、横縞型固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、ランタンクロマイトまたはランタンクロマイトを主成分とする材料からなるインターコネクタ6と、アノード層のうち、インターコネクタが配置される部分はジルコニアを含まない組成のアノード層(第1のアノード層)2’を配し、電池反応に関わる部分はジルコニアを含む組成のアノード層(第2のアノード層)2を配することにより、ランタンクロマイトまたはランタンクロマイトを主成分とする材料からなる層とアノード層の界面の緻密性を改善することができる。そして、Y23の粒径範囲、Niの添加割合を適正化ないしは最適化することにより実用に耐え得るランタンクロマイトまたはランタンクロマイトを主成分とする材料からなる層を形成することができる。 As described above, in the horizontally-striped solid oxide fuel cell stack, the interconnector 6 made of lanthanum chromite or a material mainly composed of lanthanum chromite and the portion where the interconnector is disposed do not include zirconia. A lanthanum chromite or a lanthanum chromite can be obtained by arranging an anode layer (first anode layer) 2 ′ having a composition and arranging an anode layer (second anode layer) 2 having a composition containing zirconia as a part relating to the cell reaction. It is possible to improve the denseness of the interface between the layer made of the material as the main component and the anode layer. A layer made of lanthanum chromite or a material containing lanthanum chromite as a main component that can withstand practical use can be formed by optimizing or optimizing the particle size range of Y 2 O 3 and the addition ratio of Ni.

また、本発明によれば、1550℃以上では焼成収縮が著しく起こるなど問題があったランタンクロマイトまたはランタンクロマイトを主成分とする材料からなる緻密薄膜を焼成温度1550℃以下、特に1450℃〜1500℃の範囲で再現性よく形成できる。   Further, according to the present invention, a dense thin film made of lanthanum chromite or a material containing lanthanum chromite as a main component has a problem such as significant shrinkage at 1550 ° C. or more. Can be formed with good reproducibility.

中空扁平タイプの横縞型固体酸化物形燃料電池の構成例を示す図Diagram showing a configuration example of a hollow flat type horizontal stripe solid oxide fuel cell 横縞型固体酸化物形燃料電池スタックの作製過程例を説明する図Diagram illustrating an example of a process for producing a horizontal stripe solid oxide fuel cell stack インターコネクタ材料としてランタンクロマイトを使用した場合の固体電解質層とランタンクロマイト層との界面の電子顕微鏡写真(図面代用写真)Electron micrograph of the interface between the solid electrolyte layer and the lanthanum chromite layer when lanthanum chromite is used as the interconnector material (drawing substitute photo) 図1(c)中矩形状の点線枠Aで示す部分を拡大して示した図The figure which expanded and showed the part shown with the rectangular dotted-line frame A in FIG.1 (c). 図4に対応して本発明を説明する図The figure explaining this invention corresponding to FIG. 23に対してNiOを5質量%添加した中間層を配したものの断面を観察した電子顕微鏡写真(図面代用写真)Electron micrograph (drawing substitute photo) observing a cross section of an intermediate layer in which 5 mass% of NiO is added to Y 2 O 3 〈実験例6〉におけるランタンクロマイトの厚さaと、ランタンクロマイトと活性層との距離bの関係を示す図The figure which shows the relationship of the thickness a of lanthanum chromite in <Experimental example 6>, and the distance b of lanthanum chromite and an active layer.

符号の説明Explanation of symbols

1 多孔質の支持基板
2’ アノード層〔ジルコニアを含まない組成のアノード層(第1のアノード層)〕
2 アノード層〔ジルコニアを含む組成のアノード層(第2のアノード層)〕
3 電解質層
4 カソード層
5 セル
6 インターコネクタ
7 集電体(インターコネクタ)
8 燃料流路
a ランタンクロマイトの厚さ
b ランタンクロマイトと活性層との距離



DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Porous support substrate 2 'Anode layer [Anode layer (1st anode layer) of a composition which does not contain zirconia]
2 Anode layer [Anode layer having a composition containing zirconia (second anode layer)]
3 Electrolyte layer 4 Cathode layer 5 Cell 6 Interconnector 7 Current collector (interconnector)
8 Fuel flow path a Thickness of lanthanum chromite b Distance between lanthanum chromite and active layer



Claims (9)

内部に燃料流路を有する多孔質の支持基板の表面に、アノード層、電解質層及びカソード層からなる複数個のセルを間隔を置いて配置するとともに、隣接するセル間をランタンクロマイトまたはランタンクロマイトを主成分とする材料からなるインターコネクタを介して電気的に直列に接続してなる横縞型固体酸化物形燃料電池スタックであって、
前記アノード層のうち、
(a)前記インターコネクタが配置される部分は、ジルコニアを含まない組成のアノード層とし、
(b)電池反応に関わる部分は、前記インターコネクタが配置される部分と共通のジルコニアを含まない組成のアノード層と、その上に積層されるジルコニアを含む組成のアノード層としてなる
ことを特徴とする横縞型固体酸化物形燃料電池スタック。
A plurality of cells composed of an anode layer, an electrolyte layer, and a cathode layer are arranged at intervals on the surface of a porous support substrate having a fuel flow path therein, and lanthanum chromite or lanthanum chromite is placed between adjacent cells. A horizontally-striped solid oxide fuel cell stack electrically connected in series via an interconnector made of a material as a main component,
Of the anode layer,
(A) The portion where the interconnector is disposed is an anode layer having a composition not containing zirconia,
(B) The part relating to the battery reaction is an anode layer having a composition not containing zirconia in common with the part where the interconnector is disposed, and an anode layer having a composition containing zirconia laminated thereon. Horizontally striped solid oxide fuel cell stack.
請求項1に記載の横縞型固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、前記インターコネクタが配置される部分におけるジルコニアを含まない組成のアノード層がNiを含むY23層からなることを特徴とする横縞型固体酸化物形燃料電池スタック。 In segmented-in-series solid oxide fuel cell stack according to claim 1, wherein the anode layer of the composition containing no zirconia in part the interconnector is disposed is made of Y 2 O 3 layer comprising Ni Horizontally striped solid oxide fuel cell stack. 請求項2に記載の横縞型固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、前記Niを含むY23層におけるNiの含有量が40〜70容量%の範囲であることを特徴とする横縞型固体酸化物形燃料電池スタック。 In segmented-in-series solid oxide fuel cell stack according to claim 2, segmented-in-series solid oxide, wherein the content of Ni in the Y 2 O 3 layer comprising the Ni is in the range of 40 to 70 volume% Physical fuel cell stack. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の横縞型固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、前記インターコネクタの厚さが20μm以上で且つ前記インターコネクタと前記電池反応に関わる部分のジルコニアを含む組成のアノード層との間に隙間を有することを特徴とする横縞型固体酸化物形燃料電池スタック。   4. The horizontal stripe-type solid oxide fuel cell stack according to claim 1, wherein the interconnector has a thickness of 20 μm or more and contains a portion of zirconia involved in the battery reaction with the interconnector. 5. A horizontal-striped solid oxide fuel cell stack having a gap between the anode layer and the anode layer. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の横縞型固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、前記インターコネクタの厚さが10μm以上で、且つ、前記インターコネクタと前記電池反応に関わる部分のジルコニアを含む組成のアノード層との間の距離が2mm以上であることを特徴とする横縞型固体酸化物形燃料電池スタック。   The horizontal stripe type solid oxide fuel cell stack according to any one of claims 1 to 3, wherein the interconnector has a thickness of 10 µm or more, and the interconnector and a portion of the zirconia involved in the battery reaction. A horizontal stripe-type solid oxide fuel cell stack, wherein the distance between the anode layer and the composition containing the anode layer is 2 mm or more. 内部に燃料流路を有する多孔質の支持基板の表面に、アノード層、電解質層及びカソード層からなる複数個のセルを間隔を置いて形成するとともに、隣接するセル間をランタンクロマイトまたはランタンクロマイトを主成分とする材料からなるインターコネクタを介して電気的に直列に接続して横縞型固体酸化物形燃料電池スタックを作製するに際して、
前記アノード層のうち、
(a)横縞型固体酸化物形燃料電池スタックとしての完成時においてインターコネクタが配置される部分には、ジルコニアを含まない組成のアノード層を形成し、
(b)横締型固体酸化物形燃料電池スタックとしての完成時において電池反応に関わる部分には、前記インターコネクタが配置される部分と共通のジルコニアを含まない組成のアノード層の上にジルコニアを含む組成のアノード層を形成する
ことを特徴とする横縞型固体酸化物形燃料電池スタックの作製方法。
A plurality of cells composed of an anode layer, an electrolyte layer, and a cathode layer are formed at intervals on the surface of a porous support substrate having a fuel flow path therein, and lanthanum chromite or lanthanum chromite is formed between adjacent cells. When producing a horizontally-striped solid oxide fuel cell stack by electrically connecting in series via an interconnector made of the main component material,
Of the anode layer,
(A) An anode layer having a composition not containing zirconia is formed in a portion where the interconnector is disposed at the time of completion as a horizontal stripe type solid oxide fuel cell stack,
(B) At the time of completion as a laterally-clamped solid oxide fuel cell stack, zirconia is formed on the anode layer having a composition not containing zirconia in common with the portion where the interconnector is disposed in the portion related to the cell reaction. A method for producing a horizontal stripe solid oxide fuel cell stack, comprising forming an anode layer having a composition containing the anode layer.
請求項6に記載の横縞型固体酸化物形燃料電池スタックの作製方法において、前記ジルコニアを含まない組成のアノード層を、Niを含むY23により形成することを特徴とする横縞型固体酸化物形燃料電池スタックの作製方法。 7. The method for producing a horizontal stripe solid oxide fuel cell stack according to claim 6, wherein the anode layer having a composition not containing zirconia is formed of Y 2 O 3 containing Ni. A method for manufacturing a physical fuel cell stack. 請求項7に記載の横縞型固体酸化物形燃料電池スタックの作製方法において、前記Niを含むY23からなるアノード層を形成する焼成を1450℃〜1500℃の温度範囲で行うことを特徴とする横縞型固体酸化物形燃料電池スタックの作製方法。 8. The method of manufacturing a horizontal stripe type solid oxide fuel cell stack according to claim 7, wherein the firing for forming the anode layer made of Y 2 O 3 containing Ni is performed in a temperature range of 1450 ° C. to 1500 ° C. A manufacturing method of a horizontal stripe type solid oxide fuel cell stack. 請求項7または8に記載の横縞型固体酸化物形燃料電池スタックの作製方法において、前記Niを含むY23におけるNiの添加量を40〜70容量%の範囲にすることを特徴とする横縞型固体酸化物形燃料電池スタックの作製方法。

9. The method for producing a horizontal stripe solid oxide fuel cell stack according to claim 7 or 8, wherein an addition amount of Ni in Y 2 O 3 containing Ni is in a range of 40 to 70% by volume. A method for producing a horizontal stripe solid oxide fuel cell stack.

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