JP2009238431A - Horizontal stripe type solid oxide fuel cell stack, and fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a horizontal stripe type solid oxide fuel cell stack in which variations of firing shrinkage and open-porosity of a support body are reduced and reliability is improved, and a fuel cell using it. <P>SOLUTION: The solid oxide fuel cell stack of lateral stripe type is composed of a plurality of fuel cells 13, in which a fuel electrode layer 13a, a solid electrolyte 13b, and an air electrode layer 13c are laminated in this order, are arranged side by side in the surface of a support body 11 equipped with a gas passage 12 inside, and the neighboring fuel cells 13 are connected electrically in series. The support body 11 is composed containing Ni and/or NiO and MgO, and since contents of SiO<SB>2</SB>and B<SB>2</SB>O<SB>3</SB>are respectively 200 ppm or less, the variations of the firing shrinkage and the open-porosity can be suppressed, and the variations in the power generation amount can be suppressed. This is the fuel cell composed by a plurality of these fuel cell stacks housed in a housing container. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックおよびそれを収納容器内に複数収納してなる燃料電池に関する。   The present invention relates to a horizontally-striped solid oxide fuel cell stack and a fuel cell in which a plurality of them are accommodated in a storage container.

近年、次世代エネルギーとして、電気絶縁性の支持体の表面に複数個の燃料電池セルを電気的に接続してなる横縞型燃料電池セルスタックを収納容器に収容した燃料電池が種々提案されている。このような燃料電池セルとしては、固体高分子形燃料電池セル、リン酸形燃料電池セル、溶融炭酸塩形燃料電池セル、固体酸化物形燃料電池セルなど各種のものが知られている。とりわけ、固体酸化物形燃料電池セルは、発電効率が高く、また、作動温度が700℃〜1000℃と高いため、その排熱を有効利用することにより発電効率を高めることができるなどの利点を有しており、研究開発が推し進められている。   In recent years, as next-generation energy, various fuel cells have been proposed in which a horizontal stripe type fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are electrically connected to the surface of an electrically insulating support is accommodated in a storage container. . As such fuel cells, various types such as solid polymer fuel cells, phosphoric acid fuel cells, molten carbonate fuel cells, solid oxide fuel cells are known. In particular, solid oxide fuel cells have high power generation efficiency and high operating temperatures of 700 ° C. to 1000 ° C., so that the power generation efficiency can be increased by effectively using the exhaust heat. Have research and development.

図14は、従来公知の固体酸化物形燃料電池セルを複数備える固体酸化物形燃料電池セルスタックの一部を示す拡大縦断面である。この固体酸化物形燃料電池セルスタックは、電気絶縁体である円筒状の支持体21の表面に、内側電極層としての燃料極層23a、固体電解質層23bおよび外側電極層としての空気極層23cがこの順に積層された多層構造の固体酸化物形燃料電池セル23(以下、燃料電池セルと略す場合がある。)を、支持体21の長手方向G(紙面上下方向)に所定間隔をおいて複数形成して電気的に接続することにより構成されている(例えば、特許文献1参照)。なお、このような形状の燃料電池セルスタックは、いわゆる「横縞型」といわれている。   FIG. 14 is an enlarged longitudinal sectional view showing a part of a solid oxide fuel cell stack including a plurality of conventionally known solid oxide fuel cells. This solid oxide fuel cell stack has a fuel electrode layer 23a as an inner electrode layer, a solid electrolyte layer 23b, and an air electrode layer 23c as an outer electrode layer on the surface of a cylindrical support 21 that is an electrical insulator. Are stacked in this order with a predetermined interval in the longitudinal direction G (up and down direction on the paper surface) of the support 21 of the solid oxide fuel cell 23 having a multilayer structure (hereinafter sometimes abbreviated as fuel cell). A plurality are formed and electrically connected (for example, see Patent Document 1). The fuel cell stack having such a shape is called a so-called “horizontal stripe type”.

そして、互いに隣接する燃料電池セル23は、それぞれセル間接続部材としてのインターコネクタ24により電気的に直列に接続されている。すなわち、一方の燃料電池セル23の燃料極層23aと他方の燃料電池セル23の空気極層23cとが、インターコネクタ24により電気的に接続されている。また、支持体21の内部には1つまたは複数のガス流路27が支持体21の長手方向Gに沿って形成されている。   Adjacent fuel cells 23 are electrically connected in series by interconnectors 24 as inter-cell connecting members. That is, the fuel electrode layer 23 a of one fuel battery cell 23 and the air electrode layer 23 c of the other fuel battery cell 23 are electrically connected by the interconnector 24. Further, one or more gas flow paths 27 are formed along the longitudinal direction G of the support 21 inside the support 21.

支持体21上に、燃料極層23a、固体電解質層23bおよび空気極層23cをこの順に積層してなる固体酸化物形燃料電池セルスタックでは、固体電解質層23bの酸素イオン伝導性が600℃以上で高くなるため、このような温度の際に燃料電池セル23の周囲に酸素を含むガス(空気)を流し、ガス流路27に水素を含むガス(燃料ガス)を流すことにより、空気極層23cと燃料極層23aとの酸素濃度差が大きくなり、空気極層23cと燃料極層23aとの間で電位差が発生する。   In the solid oxide fuel cell stack in which the fuel electrode layer 23a, the solid electrolyte layer 23b, and the air electrode layer 23c are laminated in this order on the support 21, the oxygen ion conductivity of the solid electrolyte layer 23b is 600 ° C. or higher. Therefore, at such a temperature, a gas (air) containing oxygen is caused to flow around the fuel battery cell 23, and a gas (fuel gas) containing hydrogen is caused to flow through the gas flow path 27. The difference in oxygen concentration between the fuel electrode layer 23a and the fuel electrode layer 23a increases, and a potential difference is generated between the air electrode layer 23c and the fuel electrode layer 23a.

この電位差により、酸素イオンは、空気極層23cから固体電解質層23bを通じて燃料極層23aへ移動する。移動した酸素イオンが、燃料極層23aで水素と結合して水となり、同時に燃料極層23aで電子が発生する。すなわち、空気極層23cでは、下記式(1)の電極反応を生じ、燃料極層23aでは、下記式(2)の電極反応を生じる。   Due to this potential difference, oxygen ions move from the air electrode layer 23c to the fuel electrode layer 23a through the solid electrolyte layer 23b. The moved oxygen ions combine with hydrogen in the fuel electrode layer 23a to become water, and at the same time, electrons are generated in the fuel electrode layer 23a. That is, the electrode reaction of the following formula (1) occurs in the air electrode layer 23c, and the electrode reaction of the following formula (2) occurs in the fuel electrode layer 23a.

そして、燃料極層23aと空気極層23cとを電気的に接続することにより、燃料極層23aから空気極層23cへの電子の移動が起こり、両極層間で起電力が生じる。このように、燃料電池セル23では、酸素(空気)と水素(燃料ガス)を供給することにより、前記の反応を連続して起こし、起電力を生じさせて発電する。   Then, by electrically connecting the fuel electrode layer 23a and the air electrode layer 23c, electrons move from the fuel electrode layer 23a to the air electrode layer 23c, and an electromotive force is generated between the electrode layers. As described above, in the fuel battery cell 23, by supplying oxygen (air) and hydrogen (fuel gas), the above reaction is continuously caused to generate an electromotive force to generate electric power.

このような横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックでは、電気絶縁性の材料を用いて支持体21を作製し、各燃料電池セル23間の電気的ショートを防いでいる。支持体21としては、例えばNiとMgAl(スピネル)との固溶体や、NiとMgOとの固溶体が用いられる(例えば、特許文献2〜特許文献6参照)。 In such a horizontal stripe type solid oxide fuel cell stack, the support 21 is produced using an electrically insulating material to prevent an electrical short circuit between the fuel cells 23. As the support 21, for example, a solid solution of Ni and MgAl 2 O 4 (spinel) or a solid solution of Ni and MgO is used (for example, see Patent Documents 2 to 6).

ところが、支持体21をNiおよび/またはNiOとMgOとを含む構成とした場合において、これらの組成に含まれる不純物が要因となって、焼成時における各支持体の収縮率にバラツキを生じる場合があった。さらに、横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックを複数本接続したバンドルや、該バンドルを複数個配置してなる燃料電池を用いて発電試験を行なった際、各支持体21の開気孔率にバラツキを生じ、それに伴い、横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックの発電性能にバラツキを生じる場合があった。そして、そのような横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックを用いる燃料電池において、一定の発電量を安定して得ることが困難となる場合があった。   However, when the support 21 is configured to contain Ni and / or NiO and MgO, impurities contained in these compositions may cause variations in the shrinkage rate of each support during firing. there were. Further, when a power generation test is performed using a bundle in which a plurality of horizontally-striped solid oxide fuel cell stacks are connected or a fuel cell in which a plurality of bundles are arranged, the open porosity of each support 21 is determined. In some cases, the power generation performance of the horizontally-striped solid oxide fuel cell stack varies. In a fuel cell using such a horizontally-striped solid oxide fuel cell stack, it may be difficult to stably obtain a certain amount of power generation.

特開平10−3932号公報JP-A-10-3932 特開平5−82146号公報JP-A-5-82146 特開平6−203855号公報JP-A-6-203855 特開平8−222246号公報JP-A-8-222246 特開平9−73906号公報JP-A-9-73906 特開平9−139220号公報JP-A-9-139220

本発明の課題は、支持体の収縮率のバラツキや開気孔率のバラツキを抑制し、発電性能のバラツキを抑制することができる横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックおよび燃料電池を提供することである。   An object of the present invention is to provide a horizontal-striped solid oxide fuel cell stack and a fuel cell that can suppress variations in shrinkage of the support and variations in open porosity and suppress variations in power generation performance. It is.

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、以下の知見を見出した。すなわち、Niおよび/またはNiOとMgOとを含む支持体に含まれる不純物のうち、SiOおよびBが支持体の収縮率のバラツキや開気孔率のバラツキに影響を及ぼしている。そして、これらSiOおよびBの含有量を、それぞれ特定の数値範囲内に制御すると、支持体の収縮率のバラツキや開気孔率のバラツキを抑制することができ、その結果、横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックの発電性能のバラツキを抑制することが可能となった。 As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have found the following findings. That is, among impurities contained in a support including Ni and / or NiO and MgO, SiO 2 and B 2 O 3 affect variations in shrinkage of the support and variations in open porosity. Then, the content of these SiO 2 and B 2 O 3, when control each within a specific numerical range, it is possible to suppress variations in dispersion and open porosity of the shrinkage of the support, as a result, segmented-in-series It has become possible to suppress variations in the power generation performance of the solid oxide fuel cell stack.

すなわち、本発明の横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックは、内側電極層、固体電解質層および外側電極層をこの順に積層してなる燃料電池セルが、ガス流路を内部に備えた電気絶縁性の支持体の表面に複数並設され、一方の前記燃料電池セルの内側電極層と、該一方の燃料電池セルに隣接する他方の前記燃料電池セルの外側電極層とが電気的に接続されて、前記複数の燃料電池セルが直列に接続されているものであって、前記支持体は、Niおよび/またはNiOと、MgOとを含んで構成されるとともに、SiOおよびBの含有量がそれぞれ200ppm以下であることを特徴とする。 That is, the horizontally-striped solid oxide fuel cell stack of the present invention has a fuel cell formed by laminating an inner electrode layer, a solid electrolyte layer, and an outer electrode layer in this order. The inner electrode layer of one of the fuel battery cells is electrically connected to the outer electrode layer of the other fuel battery cell adjacent to the one fuel battery cell. The plurality of fuel cells are connected in series, and the support includes Ni and / or NiO and MgO, and is composed of SiO 2 and B 2 O 3 . Content is 200 ppm or less, respectively.

このような横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックにおいては、電気絶縁性の支持体に含まれる微量成分であるSiOおよびBの含有量をそれぞれ200ppm以下とすることにより、支持体の焼成時における収縮率のバラツキや開気孔率のバラツキを抑制することができる。それにより、横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックの発電量のバラツキを抑制することができる。 In such a horizontal stripe type solid oxide fuel cell stack, the content of SiO 2 and B 2 O 3 which are trace components contained in the electrically insulating support is set to 200 ppm or less, respectively. Variation in shrinkage rate and variation in open porosity during firing can be suppressed. Thereby, the variation in the electric power generation amount of a horizontal stripe type solid oxide fuel cell stack can be controlled.

また、本発明の横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックは、さらに前記支持体中のAlの含有量が200ppm以下であることが好ましい。 Moreover, in the horizontally-striped solid oxide fuel cell stack according to the present invention, the content of Al 2 O 3 in the support is preferably 200 ppm or less.

このような横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックにおいては、支持体におけるAlの含有量を200ppm以下とすることで、支持体の焼成時における収縮率のバラツキや開気孔率のバラツキをさらに抑制することができ、さらには発電量のバラツキをさらに抑制することができる。 In such a horizontal stripe type solid oxide fuel cell stack, the content of Al 2 O 3 in the support is 200 ppm or less, so that the shrinkage varies during firing of the support and the open porosity varies. Can be further suppressed, and variation in the amount of power generation can be further suppressed.

また、本発明の横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックは、前記支持体の開気孔率が30〜45%であることが好ましい。   Moreover, it is preferable that the horizontal-striped solid oxide fuel cell stack of the present invention has an open porosity of 30 to 45% of the support.

このような横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックにおいては、支持体の気孔率を30〜45%とすることにより、支持体のガス流路を流れる反応ガス(燃料ガス)を十分に燃料電池セル(燃料極層)に導入することができるとともに、支持体の強度が低下することを抑制できる。   In such a horizontal stripe type solid oxide fuel cell stack, by setting the porosity of the support to 30 to 45%, the reaction gas (fuel gas) flowing through the gas flow path of the support is sufficiently fuel cell. While being able to introduce into a cell (fuel electrode layer), it can suppress that the intensity | strength of a support body falls.

また、本発明の横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックは、前記支持体が70〜120MPaの3点曲げ強度を有することが好ましい。   In the horizontal stripe solid oxide fuel cell stack of the present invention, the support preferably has a three-point bending strength of 70 to 120 MPa.

このような横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックにおいては、支持体の3点曲げ強度を70〜120MPaとすることにより、支持体が破損等することを抑制できるとともに、支持体の強度のバラツキを抑制することができ、発電量のバラツキをさらに抑制することができる。   In such a horizontal stripe type solid oxide fuel cell stack, by setting the three-point bending strength of the support to 70 to 120 MPa, the support can be prevented from being damaged and the strength of the support varies. Can be suppressed, and variations in the amount of power generation can be further suppressed.

本発明の燃料電池は、上述したいずれかの横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックを収納容器内に複数収納してなることを特徴とする。   The fuel cell according to the present invention is characterized in that a plurality of the above-described horizontal-striped solid oxide fuel cell stacks are stored in a storage container.

このような燃料電池においては、上述した発電量のバラツキを抑制することができる横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックを収納容器内に複数収納してなることから、発電効率の向上した燃料電池とすることができる。   In such a fuel cell, a plurality of horizontally-striped solid oxide fuel cell stacks capable of suppressing the above-described variation in the amount of power generation are stored in a storage container. It can be.

本発明の横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックは、電気絶縁性の支持体が、Niおよび/またはNiOと、MgOとを含んで構成されるとともに、SiOおよびBの含有量がそれぞれ200ppm以下であることから、支持体の焼成時における収縮率のバラツキや開気孔率のバラツキを抑制することができる。それにより、発電量のバラツキを抑制することができ、信頼性の向上した横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックとすることができ、さらには信頼性の向上した燃料電池とすることができる。 In the horizontally-striped solid oxide fuel cell stack of the present invention, the electrically insulating support includes Ni and / or NiO and MgO, and the content of SiO 2 and B 2 O 3 Since each of these is 200 ppm or less, it is possible to suppress variation in shrinkage rate and variation in open porosity during firing of the support. As a result, variations in the amount of power generation can be suppressed, a horizontal stripe solid oxide fuel cell stack with improved reliability, and a fuel cell with improved reliability can be obtained.

以下、本発明の横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックの一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。図1は、本実施形態にかかる横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックの一部を拡大して示す縦断面図であり、図2はその横断面図である。   Hereinafter, an embodiment of a horizontally-striped solid oxide fuel cell stack according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is an enlarged vertical sectional view showing a part of a horizontally-striped solid oxide fuel cell stack according to the present embodiment, and FIG. 2 is a horizontal sectional view thereof.

図1および図2に示すように、本実施形態にかかる横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック(以下、セルスタックと略す場合がある。)は、内部にガス流路12を有するとともに、電気絶縁性の支持体11の表面に、複数個の燃料電池セル13が所定間隔で並設されている。   As shown in FIG. 1 and FIG. 2, a horizontally-striped solid oxide fuel cell stack (hereinafter sometimes abbreviated as “cell stack”) according to the present embodiment has a gas flow path 12 therein and an electric circuit. A plurality of fuel cells 13 are arranged in parallel at a predetermined interval on the surface of the insulating support 11.

燃料電池セル13は、内側電極層としての燃料極層13a、固体電解質層13bおよび外側電極層としての空気極層13cを、支持体11の表面にこの順で順次積層して構成されている。また、互いに隣接する燃料電池セル13は、セル間接続部材としてのインターコネクタ14により電気的に接続されている。すなわち、一方の燃料電池セル13の燃料極層13aと他方の燃料電池セル13の空気極層13cとがインターコネクタ14により、支持体11の長手方向において、直列に接続された構造となっている。   The fuel battery cell 13 is configured by sequentially laminating a fuel electrode layer 13a as an inner electrode layer, a solid electrolyte layer 13b, and an air electrode layer 13c as an outer electrode layer on the surface of the support 11 in this order. Adjacent fuel cells 13 are electrically connected by an interconnector 14 as an inter-cell connecting member. That is, the fuel electrode layer 13 a of one fuel cell 13 and the air electrode layer 13 c of the other fuel cell 13 are connected in series in the longitudinal direction of the support 11 by the interconnector 14. .

このようなセルスタックは、ガス流路12内に水素を含有する燃料ガスを流して支持体11を還元雰囲気に曝し、また空気極層13cの表面に空気などの酸素含有ガスを流して空気極層13cを酸化雰囲気に曝すことにより、燃料極層13aおよび空気極層13cにおいて、上述した式(1)および式(2)で示す電極反応が生じ、両極間に電位差が発生し、発電することができる。   In such a cell stack, a fuel gas containing hydrogen is caused to flow into the gas flow path 12 to expose the support 11 to a reducing atmosphere, and an oxygen-containing gas such as air is caused to flow on the surface of the air electrode layer 13c. By exposing the layer 13c to an oxidizing atmosphere, the electrode reaction represented by the above-described formulas (1) and (2) occurs in the fuel electrode layer 13a and the air electrode layer 13c, and a potential difference is generated between the two electrodes to generate power. Can do.

支持体11は中空平板状に形成され、その内部には隔壁11aで隔てられた複数(図2においては6個)のガス流路12が設けられている。支持体11を中空平板状とすることにより、支持体11の体積当たりの燃料電池セル13の面積を増加することができ、セルスタックの体積当たりの発電量を大きくすることができる。そのため、必要とする発電量を得るためのセルスタックの個数・容積を低減することができ、セルスタック間の接続箇所を低減することもできる。その結果、構造が簡易になり、組み立てが簡単になるとともに、燃料電池(横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック)の信頼性を向上させることができる。また、支持体11の内部に複数のガス流路12が設けられていることにより、支持体11の構造強度を向上させることができ、セルスタックの機械強度を高めることができる。   The support 11 is formed in a hollow flat plate shape, and a plurality (six in FIG. 2) of gas flow paths 12 separated by a partition wall 11a are provided therein. By making the support 11 have a hollow plate shape, the area of the fuel cell 13 per volume of the support 11 can be increased, and the amount of power generation per volume of the cell stack can be increased. Therefore, the number and volume of cell stacks for obtaining the required power generation amount can be reduced, and the number of connection points between the cell stacks can also be reduced. As a result, the structure is simplified, the assembly is simplified, and the reliability of the fuel cell (horizontal stripe solid oxide fuel cell stack) can be improved. Further, since the plurality of gas flow paths 12 are provided inside the support 11, the structural strength of the support 11 can be improved, and the mechanical strength of the cell stack can be increased.

支持体11は、燃料電池セル13との電気的ショートを防止する観点から、通常、電気抵抗値10Ω・cm以上の範囲に設定することが好ましい。前記電気抵抗値は、角柱状の試料片の両端部に電圧、電流の両端子を接続する4端子法により測定することができる。   From the viewpoint of preventing an electrical short circuit with the fuel cell 13, the support 11 is usually preferably set in a range of an electric resistance value of 10 Ω · cm or more. The electric resistance value can be measured by a four-terminal method in which both terminals of voltage and current are connected to both ends of a prismatic sample piece.

支持体11は、一対の平坦部nとそれらの両端を繋ぐ弧状部mとを有し、断面における長径の寸法(両端の弧状部m間の距離に相当)は、例えば、15mm〜50mm、その短径の寸法(一対の平坦部n間の距離に相当)は、例えば、2mm〜4mmの範囲とすることができる。さらに、支持体11は、その開気孔率が、例えば25%以上、好ましくは30%〜45%の範囲に設定することができる。それにより、ガス流路12内を流れる燃料ガスが燃料極層13aの表面まで流通することができる。   The support 11 has a pair of flat portions n and arc-shaped portions m connecting both ends thereof, and the major axis dimension in the cross section (corresponding to the distance between the arc-shaped portions m at both ends) is, for example, 15 mm to 50 mm, The dimension of the minor axis (corresponding to the distance between the pair of flat portions n) can be set in the range of 2 mm to 4 mm, for example. Further, the support 11 can have an open porosity of, for example, 25% or more, preferably 30% to 45%. Thereby, the fuel gas flowing through the gas flow path 12 can flow to the surface of the fuel electrode layer 13a.

ここで、本実施形態における支持体11は、Niおよび/またはNiO(NiOは、発電時には、通常、水素ガスにより還元されてNiとして存在する)と、MgOとを含んで構成されるとともに、SiOおよびBの含有量をそれぞれ200ppm以下、好ましくは100ppm以下にする。すなわち、上述の成分を含んで支持体11を作製するにあたり、NiあるいはNiOやMgOの原料に微量な不純物が含まれる場合がある。そしてこの不純物の組成や量によっては、焼成時における支持体11ごとの収縮率にバラツキを生じる場合や開気孔率にバラツキが生じる場合があり、それにより発電量のバラツキを生じる場合がある。 Here, the support 11 in this embodiment is configured to include Ni and / or NiO (NiO is usually reduced by hydrogen gas and present as Ni during power generation) and MgO, and SiO. The content of 2 and B 2 O 3 is 200 ppm or less, preferably 100 ppm or less. That is, in producing the support 11 including the above-described components, a trace amount of impurities may be contained in the raw material of Ni or NiO or MgO. Depending on the composition and amount of the impurities, there may be variations in the shrinkage rate for each support 11 during firing or variations in the open porosity, which may cause variations in the amount of power generation.

支持体11の収縮率のバラツキや開気孔率のバラツキに影響を及ぼす前記不純物の組成としては、SiOおよびBであり、その量としては、それぞれ200ppmよりも多い量である。それゆえ本実施形態においては、支持体11を作製するにあたり、原料であるNiOやMgOに含まれる微量な不純物の一種であるSiOおよびBの含有量をそれぞれ200ppm以下とする。これより、支持体11のSiOおよびBの含有量がそれぞれ200ppm以下になり、支持体11の収縮率のバラツキや開気孔率のバラツキの抑制が達成され、セルスタックの発電性能のバラツキを抑制することが可能となる。 The composition of the impurities affecting the variation of the shrinkage rate and the variation of the open porosity of the support 11 is SiO 2 and B 2 O 3 , and the amounts thereof are each greater than 200 ppm. Therefore, in the present embodiment, when the support 11 is manufactured, the contents of SiO 2 and B 2 O 3 that are one type of trace impurities contained in the raw materials NiO and MgO are set to 200 ppm or less, respectively. As a result, the contents of SiO 2 and B 2 O 3 in the support 11 become 200 ppm or less, respectively, and the variation in shrinkage rate and the variation in open porosity of the support 11 are achieved, and the power generation performance of the cell stack is reduced. Variations can be suppressed.

一方、これらの微量成分がそれぞれ200ppmより多い場合には、支持体11の内部に高強度且つ低開気孔率な領域、もしくは低強度且つ高開気孔率な領域が局所的に生成され、セルスタックの発電性能低下や破損の発生に繋がる。   On the other hand, when each of these trace components is more than 200 ppm, a region having high strength and low open porosity or a region having low strength and high open porosity is locally generated inside the support 11, and the cell stack Leading to power generation performance degradation and damage.

SiOおよびBの含有量は、原料精製の際の焼成時や粒度調整の際の機械的粉砕時のコンタミの混入防止等により、それぞれ200ppm以下とすることができる。また、後述するように、支持体11の作成時におけるSiOおよびBの含有量がそれぞれ200ppm以下となるように純度の高い市販の原料を用いることもできる。SiOおよびBの含有量は、水溶液化した試料をICP(Inductively Coupled Plasma)発光分光分析法により測定することができる。 The contents of SiO 2 and B 2 O 3 can be set to 200 ppm or less, respectively, by preventing contamination from being mixed during firing during raw material purification or mechanical pulverization during particle size adjustment. Further, as will be described later, commercially available raw materials with high purity can be used so that the contents of SiO 2 and B 2 O 3 at the time of producing the support 11 are each 200 ppm or less. The content of SiO 2 and B 2 O 3 can be measured by an ICP (Inductively Coupled Plasma) emission spectroscopic analysis method for an aqueous sample.

さらに支持体11においては、上述した不純物の1種であるAlの含有量を制御することが好ましい。それにより、支持体11の焼成時におけるバラツキや開気孔率のバラツキをより抑制することができ、発電量のバラツキをさらに抑制することができる。より具体的には、Alの含有量を200ppm以下、さらには100ppm以下とすることが好ましい。なお、Alの含有量を200ppm以下とするにあたっては、上述したSiOおよびBの含有量と同じ方法を採用することができる。 Further, in the support 11, it is preferable to control the content of Al 2 O 3 which is one of the impurities described above. Thereby, the dispersion | variation at the time of baking of the support body 11 and the dispersion | variation in open porosity can be suppressed more, and the dispersion | variation in electric power generation amount can further be suppressed. More specifically, the content of Al 2 O 3 is preferably 200 ppm or less, more preferably 100 ppm or less. Incidentally, the content of Al 2 O 3 when shall be 200ppm or less, it is possible to employ the same method as the content of SiO 2 and B 2 O 3 as described above.

ところで、本実施形態の支持体11は、Niおよび/またはNiOと、MgOとを含んで構成されるが、支持体11の先端部の破壊等を抑制する目的で、支持体11を構成するMgOに対するNiおよび/またはNiOのモル%の比〔(Niおよび/またはNiO)/MgO〕を0.15〜0.25の範囲とすることが好ましい。それにより、支持体11の先端部における破壊を抑制することができる。   By the way, although the support body 11 of this embodiment is comprised including Ni and / or NiO, and MgO, MgO which comprises the support body 11 in order to suppress destruction of the front-end | tip part of the support body 11, etc. The molar ratio of Ni and / or NiO to ([Ni and / or NiO) / MgO] is preferably in the range of 0.15 to 0.25. Thereby, the breakage at the tip of the support 11 can be suppressed.

また、支持体11を構成するNiおよび/またはNiOの割合を、支持体11の総量に対して10〜20モル%とすることが好ましい。なお、支持体11は、さらに後述する燃料極層13aや固体電解質層13b等の部材との熱膨脹率を整合させる目的でYを含有することが好ましい。 Further, the ratio of Ni and / or NiO constituting the support 11 is preferably 10 to 20 mol% with respect to the total amount of the support 11. The support 11 preferably further contains Y 2 O 3 for the purpose of matching the thermal expansion coefficient with members such as a fuel electrode layer 13a and a solid electrolyte layer 13b described later.

支持体11の開気孔率は、前記した通り、30〜45%とすることが好ましい。すなわち、支持体11の開気孔率を30%以上とすることにより、支持体11のガス流路12を流れる燃料ガスを十分に燃料極層に導入することができ、燃料利用率を向上させることができる。それにより、セルスタックでの発電量を向上させることができ、所定の発電量を得るにあたり、セルスタックの本数を減らすことができる。また、燃料利用率をさらに向上させるにあたっては、支持体11の開気孔率を32%以上とすることがより好ましい。また、支持体11の気孔率が45%より大きい場合には、支持体11の強度が低下する場合があり、さらには支持体11の表面に燃料電池セル13を配置してなるセルスタックをガス流路12に燃料ガス等を供給するためのマニホールドに固定した場合に、セルスタック(支持体11)の下端側(マニホールド側)に割れが生じる場合がある。前記開気孔率は、アルキメデス法に従って算出することができる。前記開気孔率を所定の値にするには、例えば後述する支持体成形体51を作製する際に添加する焼失材の量を調整することによって、任意に行うことができる。   As described above, the open porosity of the support 11 is preferably 30 to 45%. That is, by setting the open porosity of the support 11 to 30% or more, the fuel gas flowing through the gas flow path 12 of the support 11 can be sufficiently introduced into the fuel electrode layer, and the fuel utilization rate is improved. Can do. Thereby, the power generation amount in the cell stack can be improved, and the number of cell stacks can be reduced in obtaining a predetermined power generation amount. In order to further improve the fuel utilization rate, the open porosity of the support 11 is more preferably 32% or more. In addition, when the porosity of the support 11 is greater than 45%, the strength of the support 11 may decrease, and further, a cell stack formed by disposing the fuel cells 13 on the surface of the support 11 is gasified. When it fixes to the manifold for supplying fuel gas etc. to the flow path 12, a crack may arise in the lower end side (manifold side) of a cell stack (support body 11). The open porosity can be calculated according to the Archimedes method. The open porosity can be arbitrarily set, for example, by adjusting the amount of burnt material added when producing the support molded body 51 described later.

支持体11の3点曲げ強度としては、70〜120MPaとすることが好ましい。これにより、支持体11が破損等することを抑制できるとともに、支持体11の強度のバラツキを抑制することができ、発電量のバラツキをさらに抑制することができる。前記3点曲げ強度は、JIS規格(JIS R1601)に基く3点曲げ強度により測定される値である。なお、支持体11の強度を向上させる目的で、Feを支持体11の総量に対して0.2モル%以下の量にて含有することもできる。 The three-point bending strength of the support 11 is preferably 70 to 120 MPa. Thereby, while being able to suppress that the support body 11 breaks etc., the variation in the intensity | strength of the support body 11 can be suppressed, and the variation in the electric power generation amount can further be suppressed. The three-point bending strength is a value measured by a three-point bending strength based on the JIS standard (JIS R1601). For the purpose of improving the strength of the support 11, Fe 2 O 3 can be contained in an amount of 0.2 mol% or less with respect to the total amount of the support 11.

次に、燃料極層13aは、例えば、希土類元素が固溶しているZrO(安定化ジルコニア)と、Niおよび/またはNiOとからなる多孔質の導電性サーメットで形成することができる。また、後述する固体電解質層13bの材料を用いることもできる。燃料極層13aにおいて、安定化ジルコニアの配合割合は、燃料極層13aの総量に対して、35体積%〜65体積%の範囲が好ましく、Niの配合割合はNiO換算で、燃料極層13aの総量に対して、35体積%〜65体積%の範囲が好ましい。また、燃料極層13aは、その開気孔率を、例えば15%以上、さらには20%〜40%の範囲とするのが好ましく、その厚みを良好な集電性能を発揮させるため、例えば、1μm〜100μmの範囲とすることが好ましい。 Next, the fuel electrode layer 13a can be formed of, for example, a porous conductive cermet made of ZrO 2 (stabilized zirconia) in which a rare earth element is dissolved and Ni and / or NiO. Moreover, the material of the solid electrolyte layer 13b described later can also be used. In the fuel electrode layer 13a, the blending ratio of the stabilized zirconia is preferably in the range of 35% by volume to 65% by volume with respect to the total amount of the fuel electrode layer 13a, and the blending ratio of Ni is calculated in terms of NiO in the fuel electrode layer 13a. The range of 35 volume%-65 volume% is preferable with respect to the total amount. In addition, the fuel electrode layer 13a preferably has an open porosity of, for example, 15% or more, more preferably in the range of 20% to 40%. It is preferable to be in a range of ˜100 μm.

固体電解質層13bは、希土類元素またはその酸化物を固溶させたZrOからなる安定化ZrOからなる緻密質のセラミックスで構成することができる。ここで、固溶させる希土類元素としては、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luなどが挙げられる。なお安価であるという点から、Y、Yb、またはこれらの酸化物であるY、Ybを用いることが好ましい。より具体的には、固体電解質層13bとして、8モル%のYが固溶している安定化ZrO(8モル% Yttria Stabilized Zirconia、以下「8YSZ」と言う。)が挙げられる。また、収縮率が8YSZとほぼ等しいランタンガレート系(LaGaO系)を用いることもできる。 The solid electrolyte layer 13b may be composed of a dense ceramic made of stabilized ZrO 2 composed of ZrO 2 which was a solid solution of a rare earth element or its oxide. Here, examples of the rare earth element to be dissolved include Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu. From the viewpoint of being inexpensive, it is preferable to use Y, Yb, or Y 2 O 3 or Yb 2 O 3 which is an oxide thereof. More specifically, the solid electrolyte layer 13b includes stabilized ZrO 2 (8 mol% Yttria Stabilized Zirconia, hereinafter referred to as “8YSZ”) in which 8 mol% Y is dissolved. Alternatively, a lanthanum gallate system (LaGaO 3 system) having a shrinkage rate substantially equal to 8YSZ can be used.

固体電解質層13bは、その厚みを10μm〜100μmとすることが好ましく、また相対密度(アルキメデス法による)を93%以上、さらには95%以上の範囲に設定することが好ましい。このような固体電解質層13bは、電極間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有すると同時に、燃料ガスまたは酸素含有ガスのリーク(ガス透過)を防止するためにガス遮断性を有している。   The thickness of the solid electrolyte layer 13b is preferably 10 μm to 100 μm, and the relative density (according to Archimedes method) is preferably set to 93% or more, more preferably 95% or more. Such a solid electrolyte layer 13b has a function as an electrolyte for bridging electrons between electrodes, and at the same time has a gas barrier property to prevent leakage of fuel gas or oxygen-containing gas (gas permeation). Yes.

空気極層13cは、導電性セラミックスから形成される。導電性セラミックスとしては、例えば、ABO型のペロブスカイト型酸化物が挙げられる。このようなペロブスカイト型酸化物としては、例えば、遷移金属型ペロブスカイト酸化物、好ましくは、LaMnO系酸化物、LaFeO系酸化物、LaCoO系酸化物など、特にAサイトにLaを有する遷移金属型ペロブスカイト酸化物を用いることができる。なお、600℃〜1000℃程度の比較的低温での電気伝導性が高いという観点から、LaCoO系酸化物を用いることが好ましい。また、前記したペロブスカイト型酸化物において、AサイトにLaおよびSrが共存してもよく、また、BサイトにFe、CoおよびMnが共存してもよい。 The air electrode layer 13c is formed from conductive ceramics. Examples of the conductive ceramic include ABO 3 type perovskite oxide. Examples of such perovskite oxides include transition metal perovskite oxides, preferably LaMnO 3 -based oxides, LaFeO 3 -based oxides, LaCoO 3 -based oxides, etc., particularly transition metals having La at the A site. A type perovskite oxide can be used. From the viewpoint of high electrical conductivity at a relatively low temperature of about 600 ° C. to 1000 ° C., it is preferable to use a LaCoO 3 -based oxide. In the perovskite oxide described above, La and Sr may coexist at the A site, and Fe, Co, and Mn may coexist at the B site.

このような空気極層13cは、前記した式(1)の電極反応を生ずることができる。また、空気極層13cは、その開気孔率が、例えば、20%以上、さらには30%〜50%の範囲に設定することが好ましい。空気極層13cの開気孔率をこの範囲内とすることにより、空気極層13cが良好なガス透過性を有することができる。さらに、空気極層13cの厚みを、例えば、30μm〜100μmの範囲に設定することにより、空気極層13cが良好な集電性を有することができる。   Such an air electrode layer 13c can cause the electrode reaction of the above-described formula (1). Moreover, it is preferable that the open porosity of the air electrode layer 13c is set in a range of, for example, 20% or more, and further 30% to 50%. By setting the open porosity of the air electrode layer 13c within this range, the air electrode layer 13c can have good gas permeability. Furthermore, by setting the thickness of the air electrode layer 13c to, for example, a range of 30 μm to 100 μm, the air electrode layer 13c can have good current collecting properties.

インターコネクタ14は、一方の燃料電池セル13の燃料極層13aと他方の燃料電池セル13の空気極層13cとを電気的に接続するものであり、導電性セラミックスから形成することができる。このような導電性セラミックスとしては、例えば、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物(LaCrO系酸化物)が挙げられる。LaCrO系酸化物は、耐還元性、耐酸化性が良好であるため、インターコネクタ14の腐食や劣化を有効に抑制することができる。 The interconnector 14 electrically connects the fuel electrode layer 13a of one fuel battery cell 13 and the air electrode layer 13c of the other fuel battery cell 13, and can be formed from conductive ceramics. Examples of such conductive ceramics include lanthanum chromite-based perovskite oxides (LaCrO 3 -based oxides). Since the LaCrO 3 oxide has good reduction resistance and oxidation resistance, corrosion and deterioration of the interconnector 14 can be effectively suppressed.

また、インターコネクタ14を形成する導電性セラミックスは、その相対密度(アルキメデス法)が、例えば、93%以上、さらには95%以上の範囲に設定することが好ましい。相対密度をこの範囲に設定することにより導電性セラミックスを緻密質とすることができ、支持体11内のガス流路12を通る燃料ガスと空気極層13cの外部を通る酸素含有ガスとのリークを有効に抑制することができる。また、このインターコネクタ14と固体電解質層13bとの接続部に、適宜、Yなどの接合層を介在させることにより、シール性を向上させることもできる。 Further, the conductive ceramic forming the interconnector 14 is preferably set to have a relative density (Archimedes method) in a range of, for example, 93% or more, and more preferably 95% or more. By setting the relative density within this range, the conductive ceramic can be made dense, and the leakage of the fuel gas passing through the gas flow path 12 in the support 11 and the oxygen-containing gas passing through the outside of the air electrode layer 13c. Can be effectively suppressed. Further, by appropriately interposing a bonding layer such as Y 2 O 3 in the connecting portion between the interconnector 14 and the solid electrolyte layer 13b, the sealing performance can be improved.

なお、前記した実施形態において、支持体11の表面に形成される燃料電池セル13は、内側電極層が燃料極層13aであって、外側電極層が空気極層13cである多層構造の例を示しているが、両電極層の位置関係を逆としてもよい。すなわち、支持体11の表面に、空気極層13c、固体電解質層13bおよび燃料極層13aをこの順で順次積層した燃料電池セル13を配置することもできる。この場合、支持体11のガス流路12内には、空気などの酸素含有ガスを流通させ、外側電極層としての燃料極層13aの表面には、水素含有ガスなどの燃料ガスを流通させる。   In the embodiment described above, the fuel cell 13 formed on the surface of the support 11 has an example of a multilayer structure in which the inner electrode layer is the fuel electrode layer 13a and the outer electrode layer is the air electrode layer 13c. Although shown, the positional relationship between both electrode layers may be reversed. That is, the fuel cell 13 in which the air electrode layer 13c, the solid electrolyte layer 13b, and the fuel electrode layer 13a are sequentially laminated in this order can be disposed on the surface of the support 11. In this case, an oxygen-containing gas such as air is circulated in the gas flow path 12 of the support 11, and a fuel gas such as a hydrogen-containing gas is circulated on the surface of the fuel electrode layer 13a as the outer electrode layer.

次に、前記した横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックを複数個接続したもの(以降、本明細書においてバンドルと言う。)について、図3を参照して説明する。   Next, a structure in which a plurality of horizontal stripe solid oxide fuel cell stacks described above are connected (hereinafter referred to as a bundle in the present specification) will be described with reference to FIG.

図3は、上述したセルスタックを複数(2個)組み合わせたバンドルにおける端部(セルスタックの端部)を拡大して示す縦断面図である。図3に示すように、互いのセルスタックは、集電部材19を介して互いに電気的に接続されている。   FIG. 3 is an enlarged longitudinal sectional view showing an end portion (end portion of the cell stack) in a bundle in which a plurality (two) of the cell stacks described above are combined. As shown in FIG. 3, the cell stacks are electrically connected to each other via a current collecting member 19.

セルスタックの端部において、セルスタック間接続部材15は、一方のセルスタックの端部に設けられるとともに、一方のセルスタックを構成する燃料電池セル13の燃料極層13aと導通している。また、セルスタック間接続部材15は、他方のセルスタックの端部において、集電部材19を介して、他方の燃料電池セル13の空気極層13cと導通している。   At the end of the cell stack, the inter-cell stack connecting member 15 is provided at the end of one cell stack and is electrically connected to the fuel electrode layer 13a of the fuel cell 13 constituting one cell stack. In addition, the inter-cell stack connecting member 15 is electrically connected to the air electrode layer 13 c of the other fuel cell 13 through the current collecting member 19 at the end of the other cell stack.

このように、複数個のセルスタックを集電部材19を介して互いに電気的に接続することにより、セルスタックを密に配置することができるため、発電量当たりのセルスタックの体積を小さくすることができる。そのため、小型で、熱効率の高いセルスタックを提供することができる。   As described above, since the cell stacks can be arranged densely by electrically connecting the plurality of cell stacks via the current collecting member 19, the volume of the cell stack per power generation amount can be reduced. Can do. Therefore, a small and highly heat efficient cell stack can be provided.

なお、セルスタック間接続部材15は、一方のセルスタックの燃料極層13aと他方のセルスタックの空気極層13cとを電気的に接続するものであれば特に制限されず、例えば、インターコネクタ14と同様の材料から形成することができる。   The inter-cell stack connecting member 15 is not particularly limited as long as it electrically connects the fuel electrode layer 13a of one cell stack and the air electrode layer 13c of the other cell stack. For example, the interconnector 14 It can be formed from the same material.

また、集電部材19は、他方のセルスタックを構成する燃料電池セル13の空気極層13cと導通するとともに、インターコネクタ14と空気極層13cとを電気的に接続するものであれば特に制限されず、例えば、耐熱性金属、導電性セラミックスなどから形成することができる。具体的には、例えば、金属フェルトおよび/または耐熱金属板、無機材料などが挙げられ、耐熱性、耐酸化性、電気伝導性という点から、Pt、Ag、Ni合金およびFe−Cr鋼合金の少なくとも1種を用いることが好ましい。   The current collecting member 19 is not particularly limited as long as it is electrically connected to the air electrode layer 13c of the fuel battery cell 13 constituting the other cell stack and electrically connects the interconnector 14 and the air electrode layer 13c. For example, it can be formed from a heat-resistant metal, conductive ceramics, or the like. Specifically, for example, a metal felt and / or a heat-resistant metal plate, an inorganic material, and the like are mentioned. From the viewpoint of heat resistance, oxidation resistance, and electrical conductivity, Pt, Ag, Ni alloy, and Fe—Cr steel alloy are used. It is preferable to use at least one kind.

また、集電部材19と、セルスタック間接続部材15および空気極層13cとの接続部に、AgやPtなどの貴金属を含有するペーストなどの導電性接着剤を塗布することにより、集電部材19の接続信頼性を向上させることもできる。なお、燃料極層13aが、外部電極層として形成されている場合には、集電部材19としては、例えば、Niフェルトから形成することができる。また、導電性接着剤としては、Ni金属を含有するペーストを例示することができる。   Further, by applying a conductive adhesive such as a paste containing a noble metal such as Ag or Pt to the connecting portion between the current collecting member 19, the inter-cell stack connecting member 15 and the air electrode layer 13c, the current collecting member The connection reliability of 19 can also be improved. When the fuel electrode layer 13a is formed as an external electrode layer, the current collecting member 19 can be formed from, for example, Ni felt. Moreover, as a conductive adhesive, the paste containing Ni metal can be illustrated.

図4は、前記したセルスタックを複数(3個)組み合わせたバンドルを示す縦断面図である。なお、図4では、燃料電池セル13およびインターコネクタ14、セルスタック間接続部材15を簡略化して示す。   FIG. 4 is a longitudinal sectional view showing a bundle in which a plurality (three) of the cell stacks described above are combined. In FIG. 4, the fuel cell 13, the interconnector 14, and the inter-cell stack connecting member 15 are shown in a simplified manner.

一方のセルスタックの端部のセルスタック間接続部材15と、他方のセルスタックの端部の空気極層13cとの間に集電部材19を介在させることにより、一方のセルスタックの支持体11の表面に形成された燃料極層13aは、セルスタック間接続部材15および集電部材19を介して、他方の燃料電池セルの空気極層13cに電気的に接続されている。また図4において、導電部材20は、セルスタックで発生した電力を取り出すための部材であり、これにより複数個のセルスタックで発電された電力を容易に引き出すことができる。   A current collecting member 19 is interposed between the inter-cell stack connecting member 15 at the end of one cell stack and the air electrode layer 13c at the end of the other cell stack, thereby supporting the support 11 of one cell stack. The fuel electrode layer 13a formed on the surface is electrically connected to the air electrode layer 13c of the other fuel battery cell via the inter-cell stack connecting member 15 and the current collecting member 19. In FIG. 4, the conductive member 20 is a member for taking out the electric power generated in the cell stack, whereby the electric power generated in the plurality of cell stacks can be easily drawn out.

そして、本発明の燃料電池は、上述したセルスタックの複数個を、収納容器内に収納して構成される。それにより、収納容器内にセルスタックを密に配置することができることから、発電量当たりの燃料電池の体積を小さくすることができ、小型で、熱効率の高い燃料電池を提供することができる。   The fuel cell of the present invention is configured by storing a plurality of the above-described cell stacks in a storage container. Accordingly, since the cell stack can be densely arranged in the storage container, the volume of the fuel cell per power generation amount can be reduced, and a small and highly efficient fuel cell can be provided.

なお、収納容器としては、外部から水素含有ガスなどの燃料ガスおよび空気などの酸素含有ガスを収納容器内に導入する導入管が設けられているほか、セルスタックの発電により使用された後の燃料ガスや酸素含有ガス(余剰のガス)を排気するための排気部を具備していることが好ましい。   The storage container is provided with an introduction pipe for introducing a fuel gas such as a hydrogen-containing gas and an oxygen-containing gas such as air from the outside into the storage container, and the fuel after being used by the power generation of the cell stack. It is preferable to have an exhaust part for exhausting gas or oxygen-containing gas (excess gas).

次に、前記した本実施形態にかかるセルスタックの製造方法について、図5から図8を参照して、説明する。
まず、図5に示すような支持体成形体51を作製する。支持体成形体51の材料としては、例えば平均粒径(D50)(以下、単に「平均粒径」と言う。)が0.1〜10.0μmのNiO粉末を10〜20モル%、平均粒径0.1〜5μmのFeを0.2モル%以下、平均粒径0.5〜5μmのY粉末を10〜15モル%、平均粒径0.5〜5μmのMgO粉末を65〜80モル%の割合で配合して混合する。前記割合は、支持体成形体51(すなわち支持体11)の総量に対する割合である。前記平均粒径は、レーザー回折散乱法を用いた粒度分布測定で得られる値である。
Next, a method of manufacturing the cell stack according to the above-described embodiment will be described with reference to FIGS.
First, a support molded body 51 as shown in FIG. 5 is produced. Examples of the material of the support molded body 51 include 10 to 20 mol% of NiO powder having an average particle diameter (D50) (hereinafter simply referred to as “average particle diameter”) of 0.1 to 10.0 μm, and an average particle diameter. 0.2 to 0.1 mol% Fe 2 O 3 having a diameter of 0.1 to 5 μm, 10 to 15 mol% of Y 2 O 3 powder having an average particle diameter of 0.5 to 5 μm, and MgO having an average particle diameter of 0.5 to 5 μm The powder is blended at a ratio of 65 to 80 mol% and mixed. The said ratio is a ratio with respect to the total amount of the support body molded body 51 (namely, the support body 11). The average particle diameter is a value obtained by particle size distribution measurement using a laser diffraction scattering method.

この混合粉末に、焼失材と、セルロース系有機バインダーと、水とからなる溶媒とを混合し押し出し成形して、図5に示すように内部にガス流路52を有する中空平板状で、扁平状の支持体成形体51を作製し、これを乾燥後900℃〜1200℃にて仮焼処理する。   The mixed powder is mixed with a burned material, a cellulose organic binder, and a solvent composed of water and extruded to form a hollow flat plate having a gas flow passage 52 therein, as shown in FIG. The support body molded body 51 was prepared, and this was dried and calcined at 900 ° C. to 1200 ° C.

なお、支持体11の開気孔率を30〜45%とするには、前記焼失材を、支持体成形体51(すなわち支持体11)の総量に対して10〜20重量%の割合で添加するのが好ましい。また、前記焼失材の平均粒径としては、5〜30μmであるのが好ましい。なお、焼失材としては有機系の樹脂(例えば、アクリル系の樹脂、ポリエチレン系の樹脂等)を用いることができる。   In order to set the open porosity of the support 11 to 30 to 45%, the burnout material is added at a ratio of 10 to 20% by weight with respect to the total amount of the support molded body 51 (that is, the support 11). Is preferred. The average particle size of the burned material is preferably 5 to 30 μm. An organic resin (for example, an acrylic resin, a polyethylene resin, or the like) can be used as the burnout material.

ここで、上述したNiO粉末やMgO粉末に含まれる微量成分であるSiOおよびB、さらにはAlの含有量が200ppm以下となるように、これらの不純物種がそれぞれ200ppm以下の純度の高い原料種を選定する。 Here, these impurity species are each 200 ppm or less so that the content of SiO 2 and B 2 O 3 which are trace components contained in the NiO powder and MgO powder described above, and further Al 2 O 3 is 200 ppm or less. Select raw material species with high purity.

次いで、燃料極層材料および固体電解質層材料を作製する。例えば、NiO粉末と、Yなどの希土類元素酸化物が固溶したZrO粉末とを混合し、これに焼失材を添加し、アクリル系バインダーとトルエンとを混合してスラリーとし、ドクターブレード法にてスラリーを塗布して乾燥し、図6(a)に示すように、厚さ80μm〜120μmの燃料極層テープ53aを作製する。 Next, a fuel electrode layer material and a solid electrolyte layer material are produced. For example, a NiO powder and a ZrO 2 powder in which a rare earth element oxide such as Y 2 O 3 is dissolved are mixed, a burned-out material is added thereto, and an acrylic binder and toluene are mixed to form a slurry. The slurry is applied by a blade method and dried to produce a fuel electrode layer tape 53a having a thickness of 80 μm to 120 μm, as shown in FIG.

別途、8YSZに、アクリル系バインダーとトルエンを混合してスラリーとし、ドクターブレード法にてスラリーを塗布して乾燥し、図6(a)に示すように、厚さ10μm〜50μmの固体電解質層テープ53bを作製する。   Separately, 8YSZ is mixed with an acrylic binder and toluene to form a slurry, and the slurry is applied by a doctor blade method and dried. As shown in FIG. 6A, a solid electrolyte layer tape having a thickness of 10 μm to 50 μm. 53b is produced.

次に、図6(b)に示すように、燃料極層テープ53aと固体電解質層テープ53bとを、両者の重なり合わない部分が、それぞれの端部から幅1mm〜5mmとなるように重ね合わせ、図6(c)に示すように貼り合せる。   Next, as shown in FIG. 6 (b), the fuel electrode layer tape 53a and the solid electrolyte layer tape 53b are overlapped so that the portions where they do not overlap each other have a width of 1 mm to 5 mm. And bonding as shown in FIG.

その後、図7(a)に示すように、図6(c)にて貼り合わせた燃料極層テープ53aと固体電解質層テープ53bを、燃料極層テープ53a側を下にして仮焼した支持体仮焼体51に横縞状に貼り付ける。これを繰り返し行い、支持体仮焼体51表面に複数の燃料極層テープ53aおよび固体電解質層テープ53bの積層体を貼り付ける。なお、このとき一方の燃料極層テープ53aおよび固体電解質層テープ53bの積層体と、他方の燃料極層テープ53aおよび固体電解質層テープ53bの積層体とは、幅3mm〜20mmの間隔をあけて配置する。次に、これらの積層体を貼り付けた状態で、支持体成形体51を乾燥し、その後900℃〜1300℃の温度範囲で仮焼する。   Thereafter, as shown in FIG. 7A, the fuel electrode layer tape 53a and the solid electrolyte layer tape 53b bonded in FIG. 6C are calcined with the fuel electrode layer tape 53a side down. Affixed to the calcined body 51 in a horizontal stripe pattern. This is repeated, and a laminate of a plurality of fuel electrode layer tapes 53a and solid electrolyte layer tape 53b is attached to the surface of the support calcined body 51. At this time, the laminate of one fuel electrode layer tape 53a and the solid electrolyte layer tape 53b and the laminate of the other fuel electrode layer tape 53a and the solid electrolyte layer tape 53b are spaced from each other by a width of 3 mm to 20 mm. Deploy. Next, the support body molded body 51 is dried in a state where these laminates are adhered, and then calcined in a temperature range of 900 ° C. to 1300 ° C.

次に、インターコネクタ成形体54、セルスタック間接続部材成形体59を形成する。なお、インターコネクタ14とセルスタック間接続部材15とは同じ材料を用いることができるので、ここでは同じ工程で両者を形成する。   Next, the interconnector molded body 54 and the inter-cell stack connecting member molded body 59 are formed. In addition, since the same material can be used for the interconnector 14 and the connection member 15 between cell stacks, both are formed in the same process here.

まず、ランタンクロマイト(LaCrO)とポリビニルアルコール(PVA)系バインダーとで、ディップ用スラリーを作製する。次に、図7(a)に示すように、固体電解質層テープ53bの両端部を除いた部分(幅2mm〜5mm)を、マスキングテープ61でマスキングし、次いで、図7(b)に示すように、ディップ用スラリー中にディップし、インターコネクタ成形体54とセルスタック間接続部材成形体59を形成する。その後、乾燥させ、次いで、図7(c)に示すように、マスキングテープ61を除去する。その後、1450℃〜1550℃で焼成し、インターコネクタ14とセルスタック間接続部材15とが、燃料極層13aを覆い、かつ固体電解質層13bの端部に2mm〜5mm程度の幅で重なるようにする。 First, a dip slurry is prepared with lanthanum chromite (LaCrO 3 ) and a polyvinyl alcohol (PVA) binder. Next, as shown in FIG. 7A, the portion (width 2 mm to 5 mm) excluding both ends of the solid electrolyte layer tape 53b is masked with a masking tape 61, and then as shown in FIG. 7B. Then, dip in the slurry for dip to form the interconnector molded body 54 and the inter-cell stack connecting member molded body 59. Thereafter, drying is performed, and then the masking tape 61 is removed as shown in FIG. Thereafter, firing is performed at 1450 ° C. to 1550 ° C. so that the interconnector 14 and the inter-cell stack connection member 15 cover the fuel electrode layer 13a and overlap the end portion of the solid electrolyte layer 13b with a width of about 2 mm to 5 mm. To do.

次に、図8(a)に示すように、セルスタック間接続部材15の全面と、インターコネクタ14のほぼ全面(ただし、インターコネクタ14が燃料極層13aに接続されている側の反対側の一部を除く)とを、マスキングテープ63でマスキングする。   Next, as shown in FIG. 8A, the entire surface of the inter-cell stack connecting member 15 and the substantially entire surface of the interconnector 14 (however, on the side opposite to the side where the interconnector 14 is connected to the fuel electrode layer 13a). Are masked with a masking tape 63.

次いで、図8(b)に示すように、ランタンコバルタイト(LaCoO)とイソプロピルアルコールとを混合したスラリーをマスキングした積層体に吹き付け、厚さ10μm〜100μmの空気極層成形体53cを形成する。その後、図8(c)に示すように、マスキングテープ63を除去し、1000℃〜1200℃で熱処理を行うことにより、横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックを得ることができる。 Next, as shown in FIG. 8B, a slurry obtained by mixing lanthanum cobaltite (LaCoO 3 ) and isopropyl alcohol is sprayed onto the masked laminate to form an air electrode layer molded body 53c having a thickness of 10 μm to 100 μm. . Thereafter, as shown in FIG. 8C, the masking tape 63 is removed, and heat treatment is performed at 1000 ° C. to 1200 ° C., whereby a horizontal stripe solid oxide fuel cell stack can be obtained.

なお、以上の説明では、各層の積層を、テープ積層、ディップおよびスプレー吹きつけを併用して行ったが、本発明は、いずれかの積層法のみを用いてもよい。特に、積層時の乾燥工程が短時間であり工程の短時間化の観点から、ディップにより各層を積層することが好ましい。   In the above description, each layer is laminated using tape lamination, dip and spray spraying, but the present invention may use only any lamination method. In particular, the drying process at the time of lamination is short, and it is preferable to laminate each layer by dipping from the viewpoint of shortening the process.

以下、実施例を挙げて本発明についてさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated further in detail, this invention is not limited to a following example.

(支持体成形体の作製)
平均粒径0.5〜1.0μmのNiO粉末と、平均粒径0.8〜3.0μmのMgO粉末と、平均粒径0.8〜1.5μmのY粉末とを、表1の組成(試料No.1〜試料No.7)となるように配合して混合した。なお、微量成分であるSiO、B、およびAlは、試料No.4の含有量を基準として、各試料No.1〜3、5〜7における含有量となるように試料No.4の混合物に微量成分を添加して調製した。
(Preparation of support molded body)
NiO powder having an average particle size of 0.5 to 1.0 μm, MgO powder having an average particle size of 0.8 to 3.0 μm, and Y 2 O 3 powder having an average particle size of 0.8 to 1.5 μm No. 1 (Sample No. 1 to Sample No. 7) were mixed and mixed. Incidentally, SiO 2, B 2 O 3 is a minor component, and Al 2 O 3, the sample No. 4 based on the content of each sample No. 1 to 3 and 5 to 7 so that the sample No. 4 was prepared by adding trace components to the mixture.

また、試料No.4の混合物におけるSiO、B、およびAlの含有量は、水溶液化した試料をICP発光分光分析法により測定した。より具体的には、前記混合物を硼酸および炭酸ナトリウムに混合し、溶融させたものを塩酸に溶解させて水溶液化した後、まず、原子吸光分析により試料に含まれる元素の定性分析を行い、次いで、特定した各元素について標準液を希釈したものを標準試料として、ICP発光分光分析にかけて定量化した。 Sample No. The contents of SiO 2 , B 2 O 3 , and Al 2 O 3 in the mixture of No. 4 were measured by ICP emission spectroscopic analysis of an aqueous solution sample. More specifically, the mixture is mixed with boric acid and sodium carbonate, and the melted solution is dissolved in hydrochloric acid to form an aqueous solution. Then, first, qualitative analysis of elements contained in the sample is performed by atomic absorption analysis, and then Each of the specified elements was quantified by ICP emission spectroscopic analysis using a diluted standard solution as a standard sample.

ついで、それぞれの混合物に、平均粒径20μmの焼失材(アクリル系の樹脂)と、セルロース系からなる有機バインダーと、水とからなる溶媒とを配合して混合して、支持体材料を得た。なお、前記焼失材は、支持体材料の総量に対して15重量%の割合で添加した。   Subsequently, a burnt material (acrylic resin) having an average particle diameter of 20 μm, a cellulose organic binder, and a solvent made of water were mixed and mixed in each mixture to obtain a support material. . The burned-out material was added at a ratio of 15% by weight with respect to the total amount of the support material.

得られた支持体材料を、押出成形して、図5に示すように、ガス流路52を内部に有する長径寸法35mm、短径寸法4.2mm、横断面が扁平状の支持体成形体51を作製し、これを乾燥した後、1200℃で脱脂・仮焼した。その後、1485℃の条件で焼成した。   The obtained support material is extruded and, as shown in FIG. 5, a support molded body 51 having a major axis dimension of 35 mm, a minor axis dimension of 4.2 mm, and a transverse cross section having a gas channel 52 inside. After drying this, this was degreased and calcined at 1200 ° C. Then, it baked on 1485 degreeC conditions.

(焼成収縮率の測定)
試料No.1〜7のそれぞれの焼結体(すなわち支持体)を15個ずつ作製し(N=15)、それぞれの焼結体の焼成前後の幅(長径)寸法をノギスで測定した。そして、焼成前と焼成後の幅寸法の差を焼成前の幅寸法で除して、焼成収縮率(%)を算出した。各組成の15個の試料間において、焼成収縮率の値のバラツキ、すなわち式:(焼成収縮率の最大値)−(焼成収縮率の最小値)から算出される値が5%以内に制御されたものを合格とした。その結果を、表2に示す。
(Measurement of firing shrinkage)
Sample No. Fifteen sintered bodies (i.e., supports) of 1 to 7 were produced (N = 15), and the width (major axis) dimension of each sintered body before and after firing was measured with a caliper. And the difference of the width dimension before baking and the width dimension after baking was remove | divided by the width dimension before baking, and baking shrinkage rate (%) was computed. Between 15 samples of each composition, the variation in the value of the firing shrinkage rate, that is, the value calculated from the formula: (maximum value of firing shrinkage rate) − (minimum value of firing shrinkage rate) is controlled within 5%. Was accepted. The results are shown in Table 2.

表2から明らかなように、比較試料である試料No.5〜7のみ焼成収縮率のバラツキが5%を超えており、各試料間でのバラツキが大きいことが判る。一方、本発明品である試料No.1〜4は、焼成収縮率のバラツキがいずれも5%以下であり、バラツキが小さかった。   As apparent from Table 2, the sample No. which is a comparative sample. Only in 5-7, the variation of the firing shrinkage rate exceeds 5%, and it can be seen that the variation among the samples is large. On the other hand, sample no. As for 1-4, the variation of the baking shrinkage rate was 5% or less, and the variation was small.

特に、SiO、B、およびAlの含有量がそれぞれ200ppm以下であり、かつそれぞれの微量成分の含有量が最も少ない試料No.4は、焼成収縮率のバラツキが最も小さく2.2%であった。一方、Alの微量成分だけが所定の含有量よりも多い試料No.1は、焼成収縮率の判定は合格したものの、そのバラツキは3.9%となった。 In particular, Sample No. 2 has a content of SiO 2 , B 2 O 3 , and Al 2 O 3 of 200 ppm or less and the smallest content of each trace component. No. 4 had the smallest variation in the firing shrinkage rate and was 2.2%. On the other hand, sample No. 2 in which only a trace amount component of Al 2 O 3 is larger than the predetermined content. No. 1 passed the determination of the firing shrinkage rate, but the variation was 3.9%.

(開気孔率と3点曲げ強度の測定)
本発明の試料No.4と比較例である試料No.7の焼結体を各12個用いて、開気孔率と焼成強度を測定した。開気孔率はアルキメデス法により測定し、3点曲げ強度はJIS規格に基く3点曲げ強度により測定した。その結果を、図9および図10に示す。
(Measurement of open porosity and 3-point bending strength)
Sample No. of the present invention. 4 and comparative sample No. Using 12 each of the sintered bodies of No. 7, the open porosity and the firing strength were measured. The open porosity was measured by the Archimedes method, and the three-point bending strength was measured by the three-point bending strength based on JIS standards. The results are shown in FIG. 9 and FIG.

図9に示す焼成収縮率と開気孔率の関係より、両試料とも比較的相関があることが確認できた。しかし、試料No.7の焼成収縮率に約8%程度のバラツキがあり、それに伴い開気孔率のバラツキが広がり、開気孔率が30%を下回る焼結体が存在した。一方、試料No.4の焼成収縮率のバラツキは約3%以内となり、開気孔率においてもいずれも30〜45%の範囲内であった。次に、両試料を用いて、開気孔率と3点曲げ強度の関係を測定評価した。その結果、図10に示すように、3点曲げ強度は開気孔率にほぼ依存する傾向があった。そして、試料No.7の焼結体においては、開気孔率が大きくばらつくために、3点曲げ強度においても大きくばらつく結果となった。その結果、試料No.7の焼結体において、強度の低いものとしては50MPa程度であった。   From the relationship between the firing shrinkage rate and the open porosity shown in FIG. 9, it was confirmed that both samples were relatively correlated. However, sample no. There was a variation of about 8% in the firing shrinkage ratio of No. 7, and the variation of the open porosity increased accordingly, and there was a sintered body having an open porosity of less than 30%. On the other hand, sample No. The variation in the firing shrinkage ratio of No. 4 was within about 3%, and the open porosity was also in the range of 30 to 45%. Next, the relationship between the open porosity and the three-point bending strength was measured and evaluated using both samples. As a result, as shown in FIG. 10, the three-point bending strength tended to depend substantially on the open porosity. And sample no. In the sintered body of No. 7, since the open porosity varies greatly, the three-point bending strength also varies greatly. As a result, sample no. In the sintered body of No. 7, the low strength was about 50 MPa.

次に、両試料の3点曲げ強度のバラツキを確認するため、ワイブルプロットにより評価した。その結果を図11に示す。図11から明らかなように、試料No.4は、バラツキが少ないことが判った。以上のことから、焼成収縮率のバラツキが開気孔率、3点曲げ強度のバラツキを多大化させていることが確認できた。   Next, in order to confirm the variation in the three-point bending strength of both samples, evaluation was made by Weibull plot. The result is shown in FIG. As is clear from FIG. No. 4 was found to have little variation. From the above, it was confirmed that the variation in the firing shrinkage rate increased the variation in the open porosity and the three-point bending strength.

(支持体の組織観察)
上記で得た試料No.7のうち、焼成収縮率が25%程度の試料を用い、支持体内部の組織を観察した。その結果を、図12に示す。図12は、試料No.7(焼成収縮率25%程度)の断面を示す走査型電子顕微鏡(SEM)による拡大画像である。
(Observation of support structure)
Sample No. obtained above. Among these, a sample having a firing shrinkage of about 25% was used, and the structure inside the support was observed. The result is shown in FIG. FIG. 7 is an enlarged image by a scanning electron microscope (SEM) showing a cross section of 7 (firing shrinkage rate of about 25%).

図12から明らかなように、支持体の構成材料である、NiOが固溶したMgOとYのそれぞれの粒子に加え、灰色の粒子Aが局所的に散在していることが判った。エネルギー分散分光分析(EDS)によって組成分析を行った結果、この粒子AはSi(構成材料の原料に含まれるSiと考えられる)とYとの反応生成物であることを確認した。以上のことから、焼成時における収縮率のバラツキを誘発する要因は、不純物(微量成分)の1種であるSiが支持体を構成する原料中に含まれるYと反応することによる影響が極めて高いと考えられる。また、他の不純物(微量成分)であるBについては、上記の評価結果より焼成収縮率のバラツキを誘発させている要因であると考えられる。なお、図12において、白色に見える粒子はYであり、黒色に見える粒子はMgOにNiOが固溶した粒子である。 As is apparent from FIG. 12, in addition to the respective particles of MgO and Y 2 O 3 in which NiO is a solid material, which is a constituent material of the support, gray particles A are locally scattered. . As a result of performing composition analysis by energy dispersive spectroscopy (EDS), it was confirmed that this particle A is a reaction product of Si (considered as Si contained in the raw material of the constituent material) and Y. From the above, the factor that induces the variation in shrinkage rate during firing is very high due to the reaction of Si, which is one kind of impurities (trace component), with Y contained in the raw material constituting the support. it is conceivable that. Further, B, which is another impurity (a trace component), is considered to be a factor inducing variation in the firing shrinkage rate from the above evaluation results. In FIG. 12, particles that appear white are Y 2 O 3 and particles that appear black are particles in which NiO is dissolved in MgO.

(燃料極層テープおよび固体電解質層テープの作製)
図6(a)に示すように、平均粒径0.5μmの8YSZ粉末に、アクリル系バインダーとトルエンとを混合したスラリーを、ドクターブレード法にて塗布して乾燥し、厚さ40μmの固体電解質層テープ53bを作製した。
(Production of fuel electrode layer tape and solid electrolyte layer tape)
As shown in FIG. 6 (a), a slurry obtained by mixing an acrylic binder and toluene with 8YSZ powder having an average particle size of 0.5 μm is applied by a doctor blade method and dried to obtain a solid electrolyte having a thickness of 40 μm. A layer tape 53b was produced.

次いで、平均粒径0.5μmのNi粉末と、平均粒径0.5μmの8YSZ粉末とを、Ni粉末と8YSZ粉末との体積比が48:52となるように配合して混合した。この混合物に、焼失材と、アクリル系バインダーと、トルエンとを混合したスラリーを、ドクターブレード法にて塗布して乾燥し、厚さ約80μmの燃料極層テープ53aを作製した。   Next, Ni powder having an average particle size of 0.5 μm and 8YSZ powder having an average particle size of 0.5 μm were blended and mixed so that the volume ratio of Ni powder to 8YSZ powder was 48:52. A slurry obtained by mixing a burned material, an acrylic binder, and toluene into this mixture was applied by a doctor blade method and dried to prepare a fuel electrode layer tape 53a having a thickness of about 80 μm.

次に、図6(b)に示すように、これらの燃料極層テープ53aと、固体電解質層テープ53bとを、両者の重なり合わない部分が、それぞれの端部に、幅3mmとなるように重ね合わせ、図6(c)に示すように、2000kg/cmの圧力で貼り合わせた。これらの燃料極層テープ53aと固体電解質層テープ53bとを貼り合わせた積層テープを、実施例1における表1に示した試料No.4、7の組成により構成された各支持体成形体51上に横縞状に貼り付けた。また、1つの積層テープとこれと隣接する他の積層テープとは10mmの間隔をあけて配置した。その後、この支持体成形体51を乾燥し、1250℃で仮焼した。 Next, as shown in FIG. 6B, the fuel electrode layer tape 53a and the solid electrolyte layer tape 53b are such that the portions where they do not overlap each other have a width of 3 mm. As shown in FIG. 6 (c), the layers were bonded together at a pressure of 2000 kg / cm 2 . A laminated tape obtained by laminating these fuel electrode layer tape 53a and solid electrolyte layer tape 53b was used as a sample No. 1 shown in Table 1 in Example 1. It stuck on each support body molded object 51 comprised by the composition of 4 and 7 in the shape of a horizontal stripe. Further, one laminated tape and another laminated tape adjacent thereto were arranged with an interval of 10 mm. Then, this support body molded body 51 was dried and calcined at 1250 ° C.

(インターコネクタ成形体およびセルスタック間接続材成形体の作製)
次に、ランタンクロマイト(LaCrO)とPVA系バインダーで、ディップ用スラリーを作製し、次いで、図7(a)に示すように、先に作製した積層テープの両端部を除いた部分をマスキングテープ61で覆った。その後ディップ用スラリーでディップし、その後乾燥させ、マスキングテープを除去してインターコネクタ14とセルスタック間接続部材15とを形成した後、1485℃で2時間焼成した。
(Production of interconnector molded body and cell stack connecting material molded body)
Next, a slurry for dip is prepared with lanthanum chromite (LaCrO 3 ) and a PVA-based binder, and then, as shown in FIG. 7 (a), the portions excluding both ends of the previously prepared laminated tape are masked tape. Covered with 61. Thereafter, it was dipped with a slurry for dipping, then dried, the masking tape was removed to form the interconnector 14 and the inter-cell stack connection member 15, and then baked at 1485 ° C. for 2 hours.

(空気極層成形体の作製)
次いで、図8(a)に示すように、セルスタック間接続部材15の全面と、インターコネクタ14の表面のうち、インターコネクタ14が燃料極層テープ13aと接続されている側と反対側の一部を除く面とを、マスキングテープ63でマスキングした。次いで、図8(b)に示すように、平均粒径0.7μmのランタンコバルタイト(LaCoO)とイソプロピルアルコールとを混合したスラリーを、マスキングした積層体に吹き付け、厚さ20μmの空気極層成形体53cを形成した。
(Preparation of air electrode layer compact)
Next, as shown in FIG. 8A, one of the entire surface of the inter-cell stack connecting member 15 and the surface of the interconnector 14 on the side opposite to the side where the interconnector 14 is connected to the fuel electrode layer tape 13a. The surface excluding the portion was masked with a masking tape 63. Next, as shown in FIG. 8B, a slurry obtained by mixing lanthanum cobaltite (LaCoO 3 ) having an average particle diameter of 0.7 μm and isopropyl alcohol was sprayed on the masked laminate, and an air electrode layer having a thickness of 20 μm. A molded body 53c was formed.

(横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックの作製)
次いで、空気極層成形体53cを形成した積層体のマスキングテープ63を除去し、その後、1100℃で処理を行い、図1に示す横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックを作製した。
(Production of horizontal stripe type solid oxide fuel cell stack)
Next, the masking tape 63 of the laminated body on which the air electrode layer molded body 53c was formed was removed, and thereafter, the treatment was performed at 1100 ° C. to produce the horizontal stripe solid oxide fuel cell stack shown in FIG.

(セルスタックの性能評価)
作製した各セルスタックを用い、支持体のガス流路内部に還元ガス(N/H)、外周部に酸化ガス(空気)を導入し、セルスタックの中心部が750℃(先端部近傍が800〜850℃)になるように昇温し、200時間保持した。その後、還元ガス(N/H)流量を調整することにより燃料利用率を変化させ、同時にセルスタックのセル電圧を測定評価した。その結果を、図13に示す。
(Performance evaluation of cell stack)
Using each of the prepared cell stacks, reducing gas (N 2 / H 2 ) was introduced into the gas flow path of the support, and oxidizing gas (air) was introduced into the outer periphery. The center of the cell stack was 750 ° C. (near the tip) The temperature was raised to 800 to 850 ° C. and held for 200 hours. Thereafter, the fuel utilization was changed by adjusting the flow rate of the reducing gas (N 2 / H 2 ), and at the same time, the cell voltage of the cell stack was measured and evaluated. The result is shown in FIG.

図13から明らかなように、比較例である試料No.7の支持体を用いて作製したセルスタックは、その支持体の開気孔率が22%程度で、燃料利用率(Uf)が62%程度で電圧降下が著しくなる結果となった。一方、本発明品である試料No.4の支持体を用いて作製したセルスタックは、その支持体の開気孔率が35%程度で、上記同様の限界Ufは74%程度であった。以上の結果から、支持体の開気孔率が小さいと還元ガスの拡散不足を招き、その結果燃料電池セルから発生する電圧が低下することが確認できた。   As is clear from FIG. 13, sample No. The cell stack produced using the support No. 7 had a result that the voltage drop was remarkable when the open porosity of the support was about 22% and the fuel utilization rate (Uf) was about 62%. On the other hand, sample no. The cell stack produced using the support No. 4 had an open porosity of about 35%, and the same limit Uf as above was about 74%. From the above results, it was confirmed that when the open porosity of the support was small, the diffusion of the reducing gas was insufficient, and as a result, the voltage generated from the fuel cell decreased.

本発明の一実施形態にかかる横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックの一部を拡大して示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which expands and shows a part of horizontal stripe type solid oxide fuel cell stack concerning one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態にかかる横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックの一部を拡大して示す横断面図である。It is a cross-sectional view which expands and shows a part of horizontal stripe type solid oxide fuel cell stack concerning one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態にかかる横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックの端部接続構造を拡大して示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which expands and shows the edge part connection structure of the horizontal stripe type solid oxide fuel cell stack concerning one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態にかかる横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックを3つ並べて構成されるバンドルを示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the bundle comprised by arranging three horizontally striped solid oxide fuel cell stacks concerning one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態にかかる横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックの支持体を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the support body of the horizontal stripe type solid oxide fuel cell stack concerning one Embodiment of this invention. (a)〜(c)は、本発明の一実施形態にかかる横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料電池セルの製造工程を示す縦断面図である。(A)-(c) is a longitudinal cross-sectional view which shows the manufacturing process of the fuel cell of the horizontal stripe type solid oxide fuel cell stack concerning one Embodiment of this invention. (a)〜(c)は、本発明の一実施形態にかかる横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料電池セル間を電気的に接続するインターコネクタの形成工程を示す縦断面図である。(A)-(c) is a longitudinal cross-sectional view which shows the formation process of the interconnector which electrically connects between the fuel cells of the horizontal stripe type solid oxide fuel cell stack concerning one embodiment of the present invention. . (a)〜(c)は、本発明の一実施形態にかかる横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックの空気極層の作製工程を示す縦断面図である。(A)-(c) is a longitudinal cross-sectional view which shows the preparation process of the air electrode layer of the horizontal stripe type solid oxide fuel cell stack concerning one Embodiment of this invention. 実施例における支持体の焼成収縮率と開気孔率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the baking shrinkage rate and the open porosity of the support body in an Example. 実施例における支持体の開気孔率と焼成強度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the open porosity of the support body in an Example, and baking strength. 実施例における支持体のワイブルプロットを示すグラフである。It is a graph which shows the Weibull plot of the support body in an Example. 実施例における試料No.7(焼成収縮率25%程度)の断面を示す走査型電子顕微鏡(SEM)による拡大画像である。Sample No. in the examples. 7 is an enlarged image by a scanning electron microscope (SEM) showing a cross section of 7 (firing shrinkage rate of about 25%). 実施例における横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックの燃料利用率とセル電圧との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the fuel utilization factor and cell voltage of a horizontal stripe type solid oxide fuel cell stack in an example. 従来の横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックの一部を拡大して示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which expands and shows a part of conventional horizontal stripe type solid oxide fuel cell stack.

符号の説明Explanation of symbols

11 支持体
12 ガス流路
13 燃料電池セル
13a 燃料極層
13b 固体電解質層
13c 空気極層
14 インターコネクタ
15 セルスタック間接続部材
20 導電部材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Support body 12 Gas flow path 13 Fuel cell 13a Fuel electrode layer 13b Solid electrolyte layer 13c Air electrode layer 14 Interconnector 15 Inter-cell stack connection member 20 Conductive member

Claims (5)

内側電極層、固体電解質層および外側電極層をこの順に積層してなる燃料電池セルが、ガス流路を内部に備えた電気絶縁性の支持体の表面に複数並設され、一方の前記燃料電池セルの内側電極層と、該一方の燃料電池セルに隣接する他方の前記燃料電池セルの外側電極層とが電気的に接続されて、前記複数の燃料電池セルが直列に接続されている横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックであって、
前記支持体は、Niおよび/またはNiOと、MgOとを含んで構成されるとともに、SiOおよびBの含有量がそれぞれ200ppm以下であることを特徴とする横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック。
A plurality of fuel cells, each of which is formed by laminating an inner electrode layer, a solid electrolyte layer, and an outer electrode layer in this order, are arranged side by side on the surface of an electrically insulating support provided with a gas flow path. A horizontal stripe type in which an inner electrode layer of a cell and an outer electrode layer of the other fuel cell adjacent to the one fuel cell are electrically connected, and the plurality of fuel cells are connected in series A solid oxide fuel cell stack,
The support is a Ni and / or NiO, while being configured to include a MgO, segmented-in-series solid oxide fuel, wherein the content of SiO 2 and B 2 O 3 is 200ppm or less, respectively Battery cell stack.
さらに前記支持体はAlの含有量が200ppm以下であることを特徴とする請求項1に記載の横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック。 The horizontal stripe-type solid oxide fuel cell stack according to claim 1, wherein the support has an Al 2 O 3 content of 200 ppm or less. 前記支持体の開気孔率が30〜45%であることを特徴とする請求項1または2に記載の横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック。   The horizontal stripe-type solid oxide fuel cell stack according to claim 1 or 2, wherein the support has an open porosity of 30 to 45%. 前記支持体が70〜120MPaの3点曲げ強度を有することを特徴とする請求項1〜3のうちいずれかに記載の横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック。   The horizontal stripe type solid oxide fuel cell stack according to any one of claims 1 to 3, wherein the support has a three-point bending strength of 70 to 120 MPa. 請求項1〜4のうちいずれかに記載の横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックを収納容器内に複数収納してなることを特徴とする燃料電池。   5. A fuel cell comprising a plurality of horizontally-striped solid oxide fuel cell stacks according to claim 1 in a storage container.
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