JP2012009426A - Solid oxide type fuel cell - Google Patents

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崇 龍
Makoto Omori
誠 大森
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid oxide type fuel cell (SOFC) which is provided with an interconnector, matched with a standpoint of environmental maintenance and has high electrical conductivity.SOLUTION: A fuel side electrode 110 of SOFC 100 is provided with an interconnector 140 formed of N-type semiconductor (SrTiO), and a P-type semiconductor film 150 is formed on the surface of the interconnector. SOFC 100 is excellent from the viewpoint of environment maintenance because no hexavalent chromium is contained in the interconnector. The P-type semiconductor film functions as a oxygen barrier layer, and thus occurrence of a phenomenon that the electrical resistance of the interconnector (N-type semiconductor) increases can be suppressed even under a condition that the interconnector is exposed to air. A PN junction is implemented at the contact portion between the P-type semiconductor film and the interconnector (N-type semiconductor). Occurrence of a phenomenon that current flows in the reverse direction can be suppressed in SOFC 100 by the property of the PN junction.

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池に関する。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell.

固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:SOFC)(の発電部)は、燃料側電極に、固体電解質からなる電解質膜、空気側電極を順に積層することで形成される。このSOFC(の発電部)に対して、燃料側電極に燃料ガス(水素ガス等)を供給するとともに空気側電極に酸素を含むガス(空気等)を供給することにより、固体電解質の酸素伝導度に基づいて燃料側電極と空気側電極との間に電位差が発生する。   A solid oxide fuel cell (SOFC) (a power generation unit thereof) is formed by sequentially laminating an electrolyte membrane made of a solid electrolyte and an air side electrode on a fuel side electrode. By supplying a fuel gas (hydrogen gas, etc.) to the fuel side electrode and a gas containing oxygen (air, etc.) to the air side electrode, the oxygen conductivity of the solid electrolyte is supplied to the SOFC (power generation unit). Therefore, a potential difference is generated between the fuel side electrode and the air side electrode.

SOFCでは、通常、燃料側電極と空気側電極の何れか一方又は両方のそれぞれにインターコネクタ(集電用の導電性接続部材)が電気的に接続されるように設けられる。この(これらの)インターコネクタを介して前記電位差に基づく電力が外部に取り出される。   In the SOFC, an interconnector (a conductive connection member for current collection) is usually provided so as to be electrically connected to either one or both of the fuel side electrode and the air side electrode. Electric power based on the potential difference is taken out through the (these) interconnectors.

このようにインターコネクタが設けられたSOFCに関し、特許文献1では、図2に示すように、燃料側電極に導電性セラミックスからなるインターコネクタが設けられ、このインターコネクタの表面にP型半導体膜が設けられたSOFCが記載されている。このようにインターコネクタの表面にP型半導体を設けると、理由は明確ではないが電流を効率良く流すことができる(即ち、導電性が向上する)、と記載されている。   Regarding the SOFC provided with the interconnector as described above, in Patent Document 1, as shown in FIG. 2, an interconnector made of conductive ceramics is provided on the fuel side electrode, and a P-type semiconductor film is formed on the surface of the interconnector. The provided SOFC is described. It is described that when a P-type semiconductor is provided on the surface of the interconnector as described above, the reason is not clear, but the current can flow efficiently (that is, the conductivity is improved).

特許第4146738号明細書Japanese Patent No. 4146638

ところで、特許文献1では、インターコネクタの材料である導電性セラミックスとして、ランタンクロマイトLaCrO系の導電性セラミックスが開示されている(図2を参照)。このランタンクロマイトLaCrOは、P型半導体の特性を示す。また、このランタンクロマイトLaCrOの材料には、通常、六価クロムが含まれている。一般に、環境を維持する観点からすれば、六価クロムを使用することは好ましくないといえる。 By the way, Patent Document 1 discloses lanthanum chromite LaCrO 3 -based conductive ceramics as conductive ceramics which are materials for interconnectors (see FIG. 2). This lanthanum chromite LaCrO 3 exhibits the characteristics of a P-type semiconductor. Moreover, the material of this lanthanum chromite LaCrO 3 usually contains hexavalent chromium. In general, it can be said that it is not preferable to use hexavalent chromium from the viewpoint of maintaining the environment.

本発明は、インターコネクタが設けられたSOFCであって、環境維持の観点に合致し、且つ、導電性が高いものを提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide an SOFC provided with an interconnector, which matches the viewpoint of environmental maintenance and has high conductivity.

本発明に係るSOFCは、燃料ガスと接触して前記燃料ガスを反応させる燃料側電極と、前記燃料側電極に設けられた固体電解質からなる電解質膜と、前記酸素を含むガスを反応させる空気側電極であって前記電解質膜を前記燃料側電極と空気側電極とで挟むように前記電解質膜に設けられた空気側電極と、からなる固体酸化物形燃料電池の発電部と、前記燃料側電極又は前記空気側電極に電気的に接続されるように設けられたN型半導体からなるインターコネクタと、前記インターコネクタの表面に形成された導電膜と、を備える。なお、材料がP型半導体であるかN型半導体であるかは、ゼーベック係数に基づいて判定され得る。一般に、ゼーベック係数が正であるものがP型半導体であり、負であるものがN型半導体であると判定され得る。   The SOFC according to the present invention includes a fuel side electrode that reacts with the fuel gas in contact with the fuel gas, an electrolyte membrane made of a solid electrolyte provided on the fuel side electrode, and an air side that reacts with the oxygen-containing gas. A power generation part of a solid oxide fuel cell comprising: an electrode, an air side electrode provided on the electrolyte membrane so as to sandwich the electrolyte membrane between the fuel side electrode and the air side electrode; and the fuel side electrode Alternatively, an interconnector made of an N-type semiconductor provided so as to be electrically connected to the air side electrode, and a conductive film formed on the surface of the interconnector. Whether the material is a P-type semiconductor or an N-type semiconductor can be determined based on the Seebeck coefficient. In general, it can be determined that the one with a positive Seebeck coefficient is a P-type semiconductor and the one with a negative Seebeck coefficient is an N-type semiconductor.

ここにおいて、前記N型半導体として、例えば、化学式(A1−x,B1−z(Ti1−y,D)O(ただし、A:アルカリ土類元素から選択される少なくとも1種類の元素、B:Sc,Y,及びランタノイド元素から選択される少なくとも1種類の元素、D:第4周期、第5周期、第6周期の遷移金属、及びAl,Si,Zn,Ga,Ge,Sn,Sb,Pb,Biから選択される少なくとも1種類の元素、xの範囲:0〜0.5、yの範囲:0〜0.5、zの範囲:−0.05〜0.05)で表わされるチタン酸化物が使用され得る。この場合、ストロンチウムチタネートSrTiOが使用されることが好ましい。 Here, as the N-type semiconductor, for example, formula (A 1-x, B x ) 1-z (Ti 1-y, D y) O 3 ( provided that, A: at least one selected from alkaline earth element B: Sc, Y, and at least one element selected from lanthanoid elements, D: fourth, fifth, and sixth transition metals, and Al, Si, Zn, Ga, Ge , Sn, Sb, Pb, Bi, x range: 0 to 0.5, y range: 0 to 0.5, z range: -0.05 to 0.05 ) Can be used. In this case, strontium titanate SrTiO 3 is preferably used.

一般に、N型半導体の特性を示す材料(特に、上述したチタン酸化物等)には、六価クロムが含まれない。従って、上記構成を有する本発明に係るSOFCは、特許文献1に記載されたSOFC(インターコネクタの材料として六価クロムが含まれるランタンクロマイトLaCrOが使用される)に比して、環境を維持する観点において優れているといえる。 In general, a material exhibiting the characteristics of an N-type semiconductor (particularly, titanium oxide described above) does not contain hexavalent chromium. Therefore, the SOFC according to the present invention having the above configuration maintains the environment as compared with the SOFC described in Patent Document 1 (lanthanum chromite LaCrO 3 containing hexavalent chromium is used as an interconnector material). It can be said that it is excellent in terms of

加えて、ストロンチウムチタネートSrTiO等のチタン酸化物の表面が空気等の酸素分圧が高いガスに曝されている場合、チタン酸化物の電気抵抗が大きくなる(導電性が低くなる)現象が発生する。以下、この点について付言する。 In addition, when the surface of titanium oxide such as strontium titanate SrTiO 3 is exposed to a gas having a high oxygen partial pressure such as air, a phenomenon occurs in which the electrical resistance of titanium oxide increases (conductivity decreases). To do. Hereafter, this point is added.

例えば、特許第3723189号明細書において、Sr0.9La0.1TiOの酸化雰囲気(高酸素分圧)での導電率と、還元雰囲気(低酸素分圧)での導電率を測定した結果が示されている。(図35、図36を参照)。これによれば、酸化雰囲気(高酸素分圧)での導電率は、還元雰囲気(低酸素分圧)での導電率の約1/10となっている。これは、以下の理由に基づくと考えられる。即ち、還元雰囲気では、4価のTiが3価に還元されて電子が過剰となることにより、SrTiOはN型の導電性を示す。この結果、還元雰囲気(低酸素分圧)での導電率は大きくなる。一方、酸化雰囲気では、4価のTiが3価に還元され得ない。この結果、SrTiOはN型の導電性を示し得ない。この結果、酸化雰囲気(高酸素分圧)での導電率は小さくなる。 For example, in the specification of Japanese Patent No. 3723189, the conductivity of Sr 0.9 La 0.1 TiO 3 in an oxidizing atmosphere (high oxygen partial pressure) and the conductivity in a reducing atmosphere (low oxygen partial pressure) were measured. Results are shown. (See FIGS. 35 and 36). According to this, the conductivity in the oxidizing atmosphere (high oxygen partial pressure) is about 1/10 of the conductivity in the reducing atmosphere (low oxygen partial pressure). This is considered based on the following reasons. That is, in a reducing atmosphere, tetravalent Ti is reduced to trivalent and electrons become excessive, so that SrTiO 3 exhibits N-type conductivity. As a result, the conductivity in a reducing atmosphere (low oxygen partial pressure) increases. On the other hand, in an oxidizing atmosphere, tetravalent Ti cannot be reduced to trivalent. As a result, SrTiO 3 cannot exhibit N-type conductivity. As a result, the conductivity in an oxidizing atmosphere (high oxygen partial pressure) is reduced.

従って、SOFCのインターコネクタが空気等に曝される状況下において、チタン酸化物等からなるインターコネクタの表面に何らかの酸素バリア膜が設けられていないと、インターコネクタの電気抵抗が増大することに起因してSOFC全体として導電性が低くなる。   Therefore, in a situation where the SOFC interconnector is exposed to air or the like, the electrical resistance of the interconnector increases if any oxygen barrier film is not provided on the surface of the interconnector made of titanium oxide or the like. As a result, the conductivity of the SOFC as a whole is lowered.

これに対し、上記構成を有するSOFCでは、インターコネクタの表面に酸素バリア層として機能し得る(緻密な)導電膜が形成されている。従って、SOFCのインターコネクタが空気等に曝される状況下においても、インターコネクタの電気抵抗が増大する現象の発生が抑制され得る。この結果、SOFC全体としての導電性の低下が抑制され得る。このように、上記構成によれば、環境維持の観点に合致し、且つ導電性が高いSOFCが提供され得る。   On the other hand, in the SOFC having the above configuration, a (dense) conductive film that can function as an oxygen barrier layer is formed on the surface of the interconnector. Therefore, even when the SOFC interconnector is exposed to air or the like, the occurrence of a phenomenon in which the electrical resistance of the interconnector increases can be suppressed. As a result, a decrease in conductivity as a whole SOFC can be suppressed. Thus, according to the above configuration, an SOFC that matches the viewpoint of environmental maintenance and has high conductivity can be provided.

上記構成を有するSOFCでは、上述した「N型半導体からなるインターコネクタ」が前記燃料側電極に設けられ、且つ、前記導電膜がP型半導体からなることが好適である。   In the SOFC having the above configuration, it is preferable that the above-mentioned “interconnector made of an N-type semiconductor” is provided on the fuel side electrode, and the conductive film is made of a P-type semiconductor.

SOFCでは、燃料側電極が負極(アノード電極)として機能し、空気側電極が正極(カソード電極)として機能する。従って、「N型半導体からなるインターコネクタ」が前記燃料側電極に設けられ、且つ、そのインターコネクタの表面に「P型半導体からなる導電膜」が形成されている場合、SOFCにおいて、電流は、導電膜(P型半導体)→インターコネクタ(N型半導体)→燃料側電極→電解質膜→空気側電極の方向に流れる(電子は、空気側電極→電解質膜→燃料側電極→インターコネクタ(N型半導体)→導電膜(P型半導体)の方向に流れる)。   In the SOFC, the fuel side electrode functions as a negative electrode (anode electrode), and the air side electrode functions as a positive electrode (cathode electrode). Therefore, when an “interconnector made of an N-type semiconductor” is provided on the fuel-side electrode and a “conductive film made of a P-type semiconductor” is formed on the surface of the interconnector, in SOFC, the current is Conductive film (P-type semiconductor) → interconnector (N-type semiconductor) → fuel-side electrode → electrolyte membrane → air-side electrode (electrons are air-side electrode → electrolyte membrane → fuel-side electrode → interconnector (N-type) Semiconductor) → flows in the direction of conductive film (P-type semiconductor).

ここで、導電膜(P型半導体)とインターコネクタ(N型半導体)との接合部では、所謂「PN接合」が実現されている。PN接合では、電流は、P型半導体→N型半導体の方向には流れるが、N型半導体→P型半導体の方向には流れない性質を有する。従って、上記構成を有するSOFCでは、電流は、導電膜(P型半導体)→インターコネクタ(N型半導体)の方向には流れるが、インターコネクタ(N型半導体)→導電膜(P型半導体)の方向へは流れ難い。   Here, a so-called “PN junction” is realized at the junction between the conductive film (P-type semiconductor) and the interconnector (N-type semiconductor). In the PN junction, the current flows in the direction of P-type semiconductor → N-type semiconductor, but does not flow in the direction of N-type semiconductor → P-type semiconductor. Therefore, in the SOFC having the above configuration, the current flows in the direction of the conductive film (P-type semiconductor) → interconnector (N-type semiconductor), but the interconnector (N-type semiconductor) → conductive film (P-type semiconductor). It is difficult to flow in the direction.

この結果、SOFC外部の何らかの要因によって、SOFCにおいて逆方向の電流(空気側電極→電解質膜→燃料側電極→インターコネクタ(N型半導体)→導電膜(P型半導体)の方向の電流)が流れようとする傾向が発生したとしても、上述のPN接合の性質によって、この逆方向の電流が流れる現象の発生が抑制され得る。従って、上記構成を有するSOFCによれば、この逆方向の電流がSOFC内を流れることに起因するSOFCの破損等の発生が抑制され得る。   As a result, a reverse current (current in the direction of air side electrode → electrolyte film → fuel side electrode → interconnector (N-type semiconductor) → conductive film (P-type semiconductor)) flows in the SOFC due to some factor outside the SOFC. Even if such a tendency occurs, the occurrence of a phenomenon in which a current flows in the reverse direction can be suppressed due to the properties of the PN junction described above. Therefore, according to the SOFC having the above-described configuration, it is possible to suppress the occurrence of damage to the SOFC caused by the reverse current flowing in the SOFC.

以下、逆方向の電流が流れる原因について付言する。一般に、SOFCの発電システムは、系統電力と連係して用いられることが多い。この場合、SOFC発電システムと系統電力との間には、お互いを保護するための保護装置が設けられる。例えば、特開2008−104334号公報には、系統電力と連係する燃料電池のシステムが記載されている(図1、及び段落0003を参照)。この文献には、「系統連系の異常(過電圧又は不足電圧の発生、周波数の上昇又は低下、単独運転、逆潮流電力の発生等)に起因して、分散型発電装置が使用されている場所における配電線の電気的な品質が低下したり、電気製品に悪影響が与えられたり、人身に悪影響が与えられたりすることを防止するための系統連系保護装置22」が記載されている。しかしながら、何らかの原因によってこの保護装置が作動しなかった場合、系統電力に基づく電流がSOFC発電システム側に流入してくる可能性がある。このような場合に、上述した逆方向の電流が流れる可能性がある。   Hereinafter, the reason why the reverse current flows will be described. In general, SOFC power generation systems are often used in conjunction with grid power. In this case, a protection device for protecting each other is provided between the SOFC power generation system and the grid power. For example, Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2008-104334 describes a fuel cell system linked to system power (see FIG. 1 and paragraph 0003). This document states that “locations where distributed generators are used due to grid interconnection abnormalities (occurrence of overvoltage or undervoltage, increase or decrease in frequency, isolated operation, generation of reverse power flow, etc.) Describes a grid connection protection device 22 ”for preventing the electrical quality of the distribution line from being deteriorated, the electrical product from being adversely affected, and the human body from being adversely affected. However, if this protection device does not operate for some reason, a current based on the grid power may flow into the SOFC power generation system. In such a case, the above-described reverse current may flow.

本発明の実施形態に係るSOFCの構成を示した模式図である。It is the schematic diagram which showed the structure of SOFC which concerns on embodiment of this invention. 従来のSOFCの構成を示した模式図である。It is the schematic diagram which showed the structure of the conventional SOFC.

(構成)
図1は、本発明の実施形態に係るSOFC(のセル)100の構成を示す。SOFC100は、燃料側電極110と、燃料側電極110の上面に積層された電解質膜120と、電解質膜120の上面に積層された空気側電極130を備える。これらの3層からなる平板状の積層体は、SOFC100の発電部を構成している。
(Constitution)
FIG. 1 shows the configuration of a SOFC (cell) 100 according to an embodiment of the present invention. The SOFC 100 includes a fuel side electrode 110, an electrolyte membrane 120 stacked on the upper surface of the fuel side electrode 110, and an air side electrode 130 stacked on the upper surface of the electrolyte membrane 120. A flat laminate composed of these three layers constitutes a power generation unit of the SOFC 100.

また、SOFC100では、燃料側電極110の下面にインターコネクタ140が電気的に接続されるように設けられている(接合されている)。インターコネクタ140の下面にはP型半導体からなる導電膜(P型半導体膜)150が形成されている。   In the SOFC 100, the interconnector 140 is provided (bonded) to the lower surface of the fuel side electrode 110 so as to be electrically connected. A conductive film (P-type semiconductor film) 150 made of a P-type semiconductor is formed on the lower surface of the interconnector 140.

SOFC100を上方からみた形状は、例えば、1辺が1〜30cmの正方形、長辺が5〜30cmで短辺が3〜15cmの長方形、又は直径が1〜30cmの円形である。SOFC100全体の厚さは、0.1〜3mmである。なお、インターコネクタ140は、燃料側電極110の下面の全面に設けられていてもよいし、一部のみに設けられていてもよい。また、P型半導体膜150は、インターコネクタ140の下面の全面に設けられていてもよいし、一部のみに設けられていてもよい。また、空気側電極130の上面にインターコネクタが設けられていてもよい。   The shape of the SOFC 100 viewed from above is, for example, a square having a side of 1 to 30 cm, a long side of 5 to 30 cm and a short side of 3 to 15 cm, or a diameter of 1 to 30 cm. The total thickness of the SOFC 100 is 0.1 to 3 mm. The interconnector 140 may be provided on the entire lower surface of the fuel side electrode 110 or may be provided on only a part thereof. Further, the P-type semiconductor film 150 may be provided on the entire lower surface of the interconnector 140 or may be provided only on a part thereof. In addition, an interconnector may be provided on the upper surface of the air-side electrode 130.

燃料側電極110(アノード電極)は、酸化ニッケルNiO及び/又はニッケルNi(電子伝導性を有する物質)とイットリア安定化ジルコニアYSZ(酸化性イオン(酸素イオン)伝導性を有する物質)とから構成される多孔質の薄板状の焼成体である。燃料側電極110の厚さは0.1〜3mmである。SOFC100の各構成部材の厚さのうち燃料側電極110の厚さが最も大きく、燃料側電極110は、SOFC100の支持体(支持基板、最も剛性が高い部材)として機能している。   The fuel side electrode 110 (anode electrode) is composed of nickel oxide NiO and / or nickel Ni (material having electronic conductivity) and yttria-stabilized zirconia YSZ (material having oxidative ion (oxygen ion) conductivity). It is a porous thin plate-like fired body. The thickness of the fuel side electrode 110 is 0.1 to 3 mm. The fuel-side electrode 110 has the largest thickness among the constituent members of the SOFC 100, and the fuel-side electrode 110 functions as a support body (support substrate, member having the highest rigidity) of the SOFC 100.

なお、燃料側電極110(アノード電極)は、酸化ニッケルNiO及び/又はニッケルNiとイットリアYとから構成されていてもよい。また、燃料側電極110は、燃料極集電層(インターコネクタ側)と燃料極活性層(電解質膜側)との2層によって構成されていてもよい。この場合、燃料極集電層は、電子伝導性を有する物質(Ni等)を含んで構成される。燃料極活性層は、電子伝導性を有する物質(Ni等)と酸化性イオン(酸素イオン)伝導性を有する物質(YSZ等)とを含んで構成される。燃料極活性層における「気孔部分を除いた全体積に対する酸化性イオン伝導性を有する物質の体積割合」は、燃料極集電層における「気孔部分を除いた全体積に対する酸化性イオン伝導性を有する物質の体積割合」よりも大きい。 The fuel side electrode 110 (anode electrode) may be composed of nickel oxide NiO and / or nickel Ni and yttria Y 2 O 3 . The fuel side electrode 110 may be composed of two layers, a fuel electrode current collecting layer (interconnector side) and a fuel electrode active layer (electrolyte membrane side). In this case, the anode current collecting layer is configured to include a material having electron conductivity (Ni or the like). The fuel electrode active layer includes a substance having electron conductivity (Ni or the like) and a substance having oxidizing ion (oxygen ion) conductivity (YSZ or the like). In the anode active layer, the “volume ratio of the substance having oxidative ion conductivity relative to the total volume excluding the pore portion” has the “oxidative ion conductivity relative to the total volume excluding the pore portion” in the anode current collecting layer. It is larger than the “volume ratio of the substance”.

電解質膜120は、YSZから構成される緻密な薄板状の焼成体である。電解質膜120の厚さは3〜30μmである。   The electrolyte membrane 120 is a dense thin plate-like fired body made of YSZ. The thickness of the electrolyte membrane 120 is 3 to 30 μm.

空気側電極130(カソード電極)は、ランタンストロンチウムコバルトフェライトLSCF(La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8)からなる多孔質の薄板状の焼成体である。空気側電極130の厚さは5〜50μmである。空気側電極130は、LSCFからなる第1層(電解質膜側)とランタンストロンチウムマンガナイトLSM(La0.8Sr0.2MnO)又はランタンストロンチウムコバルタイトLSC(La0.8Sr0.2CoO)からなる第2層(第1層の上面に積層された層)との2層によって構成されてもよい。 The air-side electrode 130 (cathode electrode) is a porous thin plate-like fired body made of lanthanum strontium cobalt ferrite LSCF (La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 ). The thickness of the air side electrode 130 is 5-50 micrometers. The air-side electrode 130 includes a first layer (electrolyte membrane side) made of LSCF and lanthanum strontium manganite LSM (La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 ) or lanthanum strontium cobaltite LSC (La 0.8 Sr 0.2 It may be configured by two layers including a second layer (a layer stacked on the upper surface of the first layer) made of CoO 3 .

なお、SOFC作製時又は作動中のSOFC100内において電解質膜120内のYSZと空気側電極130内のストロンチウムとが反応して電解質膜120と空気側電極130との間の電気抵抗が増大する現象の発生を抑制するために、電解質膜120と空気側電極130との間に反応防止層が介装されてもよい。反応防止層は、セリアからなる緻密な薄板状の焼成体であることが好ましい。セリアとしては、具体的には、GDC(ガドリニウムドープセリア)、SDC(サマリウムドープセリア)等が挙げられる。   It should be noted that the phenomenon in which the electrical resistance between the electrolyte membrane 120 and the air-side electrode 130 is increased due to the reaction between YSZ in the electrolyte membrane 120 and strontium in the air-side electrode 130 in the SOFC 100 during production or operation of the SOFC. In order to suppress the generation, a reaction preventing layer may be interposed between the electrolyte membrane 120 and the air side electrode 130. The reaction preventing layer is preferably a dense thin plate-like fired body made of ceria. Specific examples of ceria include GDC (gadolinium doped ceria) and SDC (samarium doped ceria).

インターコネクタ140は、N型半導体からなる緻密な薄板状の導電性接続部材である。インターコネクタ140の厚さは1〜100μmである。N型半導体としては、例えば、化学式が下記(1)式で表されるチタン酸化物が採用される。下記(1)式において、Aは、アルカリ土類元素から選択される少なくとも1種類の元素である。Bは、Sc,Y,及びランタノイド元素から選択される少なくとも1種類の元素である。Dは、第4周期、第5周期、第6周期の遷移金属、及びAl,Si,Zn,Ga,Ge,Sn,Sb,Pb,Biから選択される少なくとも1種類の元素である。xの範囲は、0〜0.5であり、yの範囲は、0〜0.5であり、zの範囲は、−0.05〜0.05である。δは0を含む微小値である。チタン酸化物としては、例えば、AとしてストロンチウムSrが使用された「ストロンチウムチタネートSrTiO」が採用され得る。 The interconnector 140 is a dense thin plate-like conductive connecting member made of an N-type semiconductor. The thickness of the interconnector 140 is 1 to 100 μm. As the N-type semiconductor, for example, a titanium oxide whose chemical formula is represented by the following formula (1) is employed. In the following formula (1), A is at least one element selected from alkaline earth elements. B is at least one element selected from Sc, Y, and lanthanoid elements. D is at least one element selected from transition metals of the fourth period, the fifth period, and the sixth period, and Al, Si, Zn, Ga, Ge, Sn, Sb, Pb, and Bi. The range of x is 0-0.5, the range of y is 0-0.5, and the range of z is -0.05-0.05. δ is a minute value including zero. As the titanium oxide, for example, “strontium titanate SrTiO 3 ” in which strontium Sr is used as A may be employed.

(A1−x,B1−z(Ti1−y,D)O3−δ …(1) (A 1-x , B x ) 1-z (Ti 1-y , D y ) O 3-δ (1)

P型半導体膜150は、P型半導体からなる薄板状の導電膜である。P型半導体膜150の厚さは1〜100μmである。後述するように、P型半導体膜150の気孔率は25%以下であることが好ましい。P型半導体としては、例えば、空気側電極130と同じ材料であるLSCF、LSC、LSM等が採用される。   The P-type semiconductor film 150 is a thin plate-like conductive film made of a P-type semiconductor. The thickness of the P-type semiconductor film 150 is 1 to 100 μm. As will be described later, the porosity of the P-type semiconductor film 150 is preferably 25% or less. As the P-type semiconductor, for example, LSCF, LSC, LSM, or the like, which is the same material as the air-side electrode 130, is employed.

図1に示すように、P型半導体膜150の下面には、例えば、集電膜160が形成され得る。この集電膜160の下面には、例えば、他のSOFC100の空気側電極130が接続される。これにより、隣接する2つのSOFC100が電気的に直列に接続される。集電膜160の材料としては、例えば、空気側電極130と同じ材料であるLSCF、LSC、LSM等が採用される。空気側電極へのガス(空気)の拡散性を考慮して、集電膜160の気孔率は、通常、25%より大きく且つ50%以下とされる。   As shown in FIG. 1, for example, a current collector film 160 may be formed on the lower surface of the P-type semiconductor film 150. For example, the air-side electrode 130 of another SOFC 100 is connected to the lower surface of the current collecting film 160. Thereby, two adjacent SOFCs 100 are electrically connected in series. As the material of the current collecting film 160, for example, LSCF, LSC, LSM, or the like, which is the same material as the air-side electrode 130, is employed. In consideration of the diffusibility of gas (air) to the air-side electrode, the porosity of the current collecting film 160 is usually larger than 25% and not larger than 50%.

このSOFC100に対して、燃料側電極110に燃料ガス(水素ガス等)を供給するとともに空気側電極130に酸素を含むガス(空気等)を供給することにより、下記(2)、(3)式に示す化学反応が発生する。これにより、燃料側電極110と空気側電極130との間に電位差が発生する。この電位差は、電解質膜120の酸素伝導度に基づく。
(1/2)・O+2e−→O2− (於:空気側電極130) …(2)
+O2−→HO+2e− (於:燃料側電極110) …(3)
By supplying a fuel gas (hydrogen gas or the like) to the fuel side electrode 110 and a gas containing oxygen (air or the like) to the air side electrode 130 to the SOFC 100, the following equations (2) and (3) The chemical reaction shown in FIG. As a result, a potential difference is generated between the fuel side electrode 110 and the air side electrode 130. This potential difference is based on the oxygen conductivity of the electrolyte membrane 120.
(1/2) · O 2 +2 e− → O 2− (where: air side electrode 130) (2)
H 2 + O 2− → H 2 O + 2 e− (in the fuel side electrode 110) (3)

この電位差に起因して、SOFC100において、図1に矢印で示すように、電流は、P型半導体膜150→インターコネクタ(N型半導体)140→燃料側電極110→電解質膜120→空気側電極130の方向に流れる(電子は、空気側電極130→電解質膜120→燃料側電極110→インターコネクタ(N型半導体)140→P型半導体膜150の方向に流れる)。そして、インターコネクタ(N型半導体)140(及び、空気側電極130に設けられた図示しないインターコネクタ)を介して、前記電位差に基づく電力がSOFC100の外部に取り出される。   Due to this potential difference, in the SOFC 100, as indicated by arrows in FIG. 1, the current is P-type semiconductor film 150 → interconnector (N-type semiconductor) 140 → fuel side electrode 110 → electrolyte film 120 → air side electrode 130. (Electrons flow in the direction of air-side electrode 130 → electrolyte film 120 → fuel-side electrode 110 → interconnector (N-type semiconductor) 140 → P-type semiconductor film 150). Then, the electric power based on the potential difference is taken out of the SOFC 100 via the interconnector (N-type semiconductor) 140 (and an interconnector (not shown) provided on the air-side electrode 130).

(製造方法)
次に、図1に示したSOFC100の製造方法の一例について説明する。
(Production method)
Next, an example of a method for manufacturing the SOFC 100 shown in FIG. 1 will be described.

燃料側電極110は、以下のように製造された。即ち、NiO粉末とYSZ粉末とが混合され、この混合物にバインダーとしてポリビニルアルコール(PVA)が添加されてスラリーが作製された。このスラリーがスプレードライヤーで乾燥・造粒され、燃料側電極用の粉末が得られた。この粉末が金型プレス成形法により成形され、その後、電気炉(酸素含有雰囲気中)で空気中にて1400℃で3時間焼成されて、燃料側電極110が製造された。   The fuel side electrode 110 was manufactured as follows. That is, NiO powder and YSZ powder were mixed, and polyvinyl alcohol (PVA) was added as a binder to this mixture to prepare a slurry. This slurry was dried and granulated with a spray dryer to obtain a powder for the fuel side electrode. This powder was molded by a die press molding method, and then fired in air at 1400 ° C. for 3 hours in an electric furnace (in an oxygen-containing atmosphere) to produce a fuel-side electrode 110.

電解質膜120は、以下のように燃料側電極110の上面に形成された。即ち、YSZ粉末に水とバインダーが加えられ、この混合物がボールミルで24時間混合されてスラリーが作製された。このスラリーが、燃料側電極110の上面に塗布・乾燥され、電気炉(酸素含有雰囲気中)で空気中にて1400℃で2時間共焼結されて、燃料側電極110の上面に電解質膜120が形成された。なお、燃料側電極110の上面に後に電解質膜120となる膜を形成するに際し、テープ積層法、印刷法等が用いられてもよい。   The electrolyte membrane 120 was formed on the upper surface of the fuel side electrode 110 as follows. That is, water and a binder were added to the YSZ powder, and this mixture was mixed with a ball mill for 24 hours to prepare a slurry. This slurry is applied and dried on the upper surface of the fuel side electrode 110, and is co-sintered in air at 1400 ° C. for 2 hours in an electric furnace (in an oxygen-containing atmosphere), and the electrolyte membrane 120 is formed on the upper surface of the fuel side electrode 110. Formed. In forming a film that will later become the electrolyte membrane 120 on the upper surface of the fuel-side electrode 110, a tape lamination method, a printing method, or the like may be used.

空気側電極130は、以下のように電解質膜120の上面に形成された。即ち、LSCF粉末に水とバインダーが加えられ、この混合物がボールミルで24時間混合されてスラリーが作製された。このスラリーが、電解質膜120の上面に塗布・乾燥され、電気炉(酸素含有雰囲気中)で空気中にて1000℃で1時間焼成されて、電解質膜120の上面に空気側電極130が形成された。   The air side electrode 130 was formed on the upper surface of the electrolyte membrane 120 as follows. That is, water and a binder were added to the LSCF powder, and this mixture was mixed with a ball mill for 24 hours to prepare a slurry. This slurry is applied and dried on the upper surface of the electrolyte membrane 120 and baked at 1000 ° C. for 1 hour in the air in an electric furnace (in an oxygen-containing atmosphere) to form the air-side electrode 130 on the upper surface of the electrolyte membrane 120. It was.

インターコネクタ140は、以下のように燃料側電極110の下面に形成された。即ち、ストロンチウムチタネート粉末を用いてプラズマ溶射法にて、燃料側電極110の下面にインターコネクタ用の膜が形成された。このインターコネクタ用の膜を1000℃で2時間アニールすることにより、燃料側電極110の下面にインターコネクタ140が形成された。なお、インターコネクタ用の膜の形成方法としては、エアロゾルデポジション法などが挙げられる。   The interconnector 140 was formed on the lower surface of the fuel side electrode 110 as follows. That is, a film for an interconnector was formed on the lower surface of the fuel side electrode 110 by plasma spraying using strontium titanate powder. The interconnector 140 was formed on the lower surface of the fuel side electrode 110 by annealing the interconnector film at 1000 ° C. for 2 hours. An example of a method for forming a film for an interconnector is an aerosol deposition method.

また、上述した燃料側電極110の前駆体(焼成前)と電解質膜120の前駆体(焼成前)との積層体(焼成前)を形成した後、この積層体の燃料側電極側に、印刷法、テープ積層法、スラリーディップ法等を用いてインターコネクタ用の膜を更に形成・積層し、この3層からなる積層体を共焼成することにより、インターコネクタ140を形成することも可能である。   In addition, after forming the laminate (before firing) of the precursor of the fuel side electrode 110 (before firing) and the precursor of the electrolyte membrane 120 (before firing), printing is performed on the fuel side electrode side of this laminate. It is also possible to form the interconnector 140 by further forming and laminating a film for an interconnector using a method, a tape laminating method, a slurry dip method, and the like, and co-firing the laminate composed of these three layers. .

P型半導体膜150は、以下のようにインターコネクタ140の下面に形成された。即ち、LSCF粉末に水とバインダーが加えられ、この混合物がボールミルで24時間混合されてスラリーが作製された。そのスラリーを利用して、インターコネクタ140の下面にスプレー法等によって膜が形成された。このP型半導体の膜を1000℃で2時間焼成することにより、インターコネクタ140の下面にP型半導体膜150が形成される。P型半導体の膜の形成方法としては、印刷法、テープ積層法、スラリーディップ法も適用可能である。   The P-type semiconductor film 150 was formed on the lower surface of the interconnector 140 as follows. That is, water and a binder were added to the LSCF powder, and this mixture was mixed with a ball mill for 24 hours to prepare a slurry. Using the slurry, a film was formed on the lower surface of the interconnector 140 by a spray method or the like. The P-type semiconductor film 150 is formed on the lower surface of the interconnector 140 by baking the P-type semiconductor film at 1000 ° C. for 2 hours. As a method for forming a P-type semiconductor film, a printing method, a tape lamination method, and a slurry dip method are also applicable.

以上により、SOFC100を構成する部材の積層が完了する。ここで、燃料側電極110は導電性を有する必要がある。従って、焼成後の燃料側電極110(焼成体)に対して、800℃の高温下にて還元ガスを供給する熱処理(還元処理)が行われる。この還元処理により、NiOがNiへと還元されて、燃料側電極110は導電性を獲得する。以上、図1に示したSOFC100の製造方法の一例について説明した。   Thus, the lamination of the members constituting the SOFC 100 is completed. Here, the fuel side electrode 110 needs to have conductivity. Therefore, heat treatment (reduction treatment) for supplying a reducing gas at a high temperature of 800 ° C. is performed on the fired fuel-side electrode 110 (fired body). By this reduction treatment, NiO is reduced to Ni, and the fuel side electrode 110 acquires electrical conductivity. In the above, an example of the manufacturing method of SOFC100 shown in FIG. 1 was demonstrated.

以下、材料がP型半導体であるかN型半導体であるかの判別手法について付言する。この判別は、ゼーベック係数に基づいてなされ得る。一般に、ゼーベック係数が正であるものがP型半導体であり、負であるものがN型半導体であると判定され得る。   Hereinafter, a method for determining whether a material is a P-type semiconductor or an N-type semiconductor will be additionally described. This determination can be made based on the Seebeck coefficient. In general, it can be determined that the one with a positive Seebeck coefficient is a P-type semiconductor and the one with a negative Seebeck coefficient is an N-type semiconductor.

具体的には、例えば、以下のように判定がなされる。先ず、材料の粉末を一軸プレスを用いて成形し、その成形体を1400℃×2時間で焼成し、焼結体を得る。得られた焼結体から、φ3.0mm、L=10mmの試験片を作製し、ULVAC理工のZME−3シリーズの評価装置を用いてゼーベック係数の測定を行う。この測定は、例えば、不活性ガスの雰囲気下、750℃で行われる。この測定の結果、ゼーベック係数が正となったものがP型半導体、負となったものがN型半導体と判定され得る。上述のインターコネクタ140ではゼーベック係数が負となり、上述のP型半導体膜150ではゼーベック係数が正となる。   Specifically, for example, the determination is made as follows. First, the material powder is molded using a uniaxial press, and the molded body is fired at 1400 ° C. for 2 hours to obtain a sintered body. A test piece of φ3.0 mm and L = 10 mm is prepared from the obtained sintered body, and the Seebeck coefficient is measured using a ZVAC-3 series evaluation device manufactured by ULVAC Riko. This measurement is performed at, for example, 750 ° C. in an inert gas atmosphere. As a result of this measurement, it can be determined that a Seebeck coefficient becomes positive as a P-type semiconductor, and a negative Seebeck coefficient as an N-type semiconductor. In the interconnector 140 described above, the Seebeck coefficient is negative, and in the P-type semiconductor film 150 described above, the Seebeck coefficient is positive.

(SOFC100の特徴、及び作用・効果)
SOFC100では、P型半導体膜150とインターコネクタ(N型半導体)140との接合部において、所謂「PN接合」が実現されている。PN接合では、電流は、P型半導体→N型半導体の方向には流れるが、N型半導体→P型半導体の方向には流れ難い性質を有する。即ち、SOFC100では、電流は、P型半導体膜150→インターコネクタ(N型半導体)140の方向には流れるが、インターコネクタ(N型半導体)140→P型半導体膜150の方向へは流れ難い。
(Characteristics and functions / effects of SOFC100)
In the SOFC 100, a so-called “PN junction” is realized at the junction between the P-type semiconductor film 150 and the interconnector (N-type semiconductor) 140. In the PN junction, the current flows in the direction of P-type semiconductor → N-type semiconductor, but hardly flows in the direction of N-type semiconductor → P-type semiconductor. That is, in the SOFC 100, the current flows in the direction of the P-type semiconductor film 150 → interconnector (N-type semiconductor) 140, but hardly flows in the direction of the interconnector (N-type semiconductor) 140 → P-type semiconductor film 150.

以上より、SOFC100の作動中では、上記PN接合の性質によって、電流は、P型半導体膜150→インターコネクタ(N型半導体)140→燃料側電極110→電解質膜120→空気側電極130の方向に流れ得る(図1を参照)。   From the above, during the operation of the SOFC 100, due to the nature of the PN junction, the current flows in the direction of P-type semiconductor film 150 → interconnector (N-type semiconductor) 140 → fuel side electrode 110 → electrolyte film 120 → air side electrode 130. Can flow (see FIG. 1).

一方、SOFC100の外部の何らかの要因によって、SOFC100において逆方向の電流(空気側電極130→電解質膜120→燃料側電極110→インターコネクタ(N型半導体)140→P型半導体膜150の方向の電流)が流れようとする傾向が発生したとしても(逆方向の電流が流れる原因については、発明の概要の欄を参照)、上述のPN接合の性質によって、この逆方向の電流が流れる現象の発生が抑制され得る。従って、SOFC100では、この逆方向の電流がSOFC100内を流れることに起因するSOFC100の内部の破損等の発生が抑制され得る。   On the other hand, the current in the reverse direction in SOFC 100 (current in the direction of air-side electrode 130 → electrolyte film 120 → fuel-side electrode 110 → interconnector (N-type semiconductor) 140 → P-type semiconductor film 150) due to some factor outside SOFC 100) (See the summary of the invention for the reason why the reverse current flows), due to the nature of the PN junction, the phenomenon of the reverse current flowing may occur. Can be suppressed. Therefore, in the SOFC 100, it is possible to suppress the occurrence of damage or the like inside the SOFC 100 due to the reverse current flowing in the SOFC 100.

また、インターコネクタ140を構成するN型半導体(特に、上述したチタン酸化物等)には、六価クロムが含まれない。従って、SOFC100は、特許文献1に記載されたSOFC(インターコネクタの材料として六価クロムが含まれるランタンクロマイトLaCrOが使用される)に比して、環境を維持する観点において優れているといえる。 Further, the N-type semiconductor (particularly the titanium oxide described above) constituting the interconnector 140 does not include hexavalent chromium. Therefore, the SOFC 100 is superior to the SOFC described in Patent Document 1 (the lanthanum chromite LaCrO 3 containing hexavalent chromium is used as an interconnector material) in terms of maintaining the environment. .

加えて、ストロンチウムチタネートSrTiO等のチタン酸化物の表面が空気等の酸素分圧が高いガスに曝されると、チタン酸化物の電気抵抗が大きくなる(導電性が低くなる)(この原因については、発明の概要の欄を参照)。従って、SOFC100のインターコネクタ140が空気等に曝される状況下において、インターコネクタ140の表面(特に、図1において下面の表面)に何らかの酸素バリア膜が設けられていないと、インターコネクタ140の電気抵抗が増大することに起因してSOFC100全体として導電性が低くなる。 In addition, when the surface of a titanium oxide such as strontium titanate SrTiO 3 is exposed to a gas having a high oxygen partial pressure such as air, the electrical resistance of the titanium oxide increases (conductivity decreases). See the Summary of Invention section). Therefore, in the situation where the interconnector 140 of the SOFC 100 is exposed to air or the like, if no oxygen barrier film is provided on the surface of the interconnector 140 (particularly, the lower surface in FIG. 1), Due to the increase in resistance, the conductivity of the SOFC 100 as a whole is lowered.

これに対し、SOFC100では、インターコネクタ140の下面の表面に酸素バリア層として機能し得るP型半導体膜150が形成されている。従って、SOFC100のインターコネクタ140が空気等に曝される状況下においても、インターコネクタ140の電気抵抗が増大する現象の発生が抑制され得る。この結果、SOFC100全体としての導電性の低下が抑制され得る。   On the other hand, in the SOFC 100, a P-type semiconductor film 150 that can function as an oxygen barrier layer is formed on the surface of the lower surface of the interconnector 140. Therefore, even when the interconnector 140 of the SOFC 100 is exposed to air or the like, the occurrence of a phenomenon in which the electrical resistance of the interconnector 140 increases can be suppressed. As a result, a decrease in conductivity as the entire SOFC 100 can be suppressed.

以下、酸素バリア層として機能するP型半導体膜の気孔率と、P型半導体膜によるインターコネクタの電気抵抗増大の抑制効果との関係について調査した試験について付言する。この実験では、緻密なストロンチウムチタネート膜の一方側の表面にP型半導体膜が形成された複数の試験膜であってそれぞれのP型半導体膜の気孔率が異なる複数の試験膜が準備された。試験膜の一方側の表面(即ち、P型半導体が露出している表面)が空気に曝され、試験膜の他方側の表面(即ち、ストロンチウムチタネートが露出している表面)が30℃の加湿水素に曝された状態で、800℃に維持された各試験膜の電気抵抗がそれぞれ測定された。   In the following, a test that investigates the relationship between the porosity of a P-type semiconductor film functioning as an oxygen barrier layer and the effect of suppressing the increase in electrical resistance of the interconnector by the P-type semiconductor film will be added. In this experiment, a plurality of test films each having a P-type semiconductor film formed on one surface of a dense strontium titanate film and having different porosities of the respective P-type semiconductor films were prepared. Humidification of one side of the test membrane (ie, the surface where the P-type semiconductor is exposed) is exposed to air and the other side of the test membrane (ie, the surface where the strontium titanate is exposed) is 30 ° C. The electrical resistance of each test membrane maintained at 800 ° C. in the state exposed to hydrogen was measured.

P型半導体膜の気孔率は、以下のように測定された。先ず、P型半導体膜の気孔内に樹脂が進入するようにそのP型半導体膜に対して所謂「樹脂埋め」処理がなされた。その「樹脂埋め」処理されたP型半導体膜の表面に対して機械研磨がなされた。機械研磨された表面の微構造を走査型電子顕微鏡を用いて観察して得られた画像に対して画像処理を行うことによって、気孔の部分(樹脂が進入している部分)と気孔でない部分(樹脂が進入していない部分)の面積がそれぞれ算出された。その比率がP型半導体膜の気孔率とされた。   The porosity of the P-type semiconductor film was measured as follows. First, a so-called “resin filling” process was performed on the P-type semiconductor film so that the resin entered the pores of the P-type semiconductor film. The surface of the P-type semiconductor film treated with “resin filling” was mechanically polished. By performing image processing on the image obtained by observing the microstructure of the mechanically polished surface with a scanning electron microscope, the pore portion (the portion where the resin enters) and the non-pore portion ( The area of the portion where the resin did not enter was calculated. The ratio was taken as the porosity of the P-type semiconductor film.

この実験の結果を表1に示す。表1では、「電気抵抗」として、P型半導体膜の気孔率が2%である試験膜の電気抵抗に対する各試験膜の電気抵抗の割合(無次元)が示されている。   The results of this experiment are shown in Table 1. In Table 1, the ratio (non-dimensional) of the electrical resistance of each test film to the electrical resistance of the test film in which the porosity of the P-type semiconductor film is 2% is shown as “electric resistance”.

Figure 2012009426
Figure 2012009426

表1から理解できるように、P型半導体膜の気孔率が小さいほど試験品の電気抵抗が小さくなる。これは、P型半導体膜の気孔率が小さいほど、P型半導体膜の酸素バリア層としての機能が強く発揮されて、P型半導体膜によるインターコネクタの電気抵抗増大の抑制効果が大きくなることを意味する。   As can be understood from Table 1, the smaller the porosity of the P-type semiconductor film, the smaller the electrical resistance of the test product. This is because the smaller the porosity of the P-type semiconductor film, the stronger the function of the P-type semiconductor film as an oxygen barrier layer, and the greater the effect of suppressing the increase in the electrical resistance of the interconnector by the P-type semiconductor film. means.

表1によれば、P型半導体膜の気孔率が25%より大きい場合に比して25%以下の場合では、試験品の電気抵抗が十分に小さいということができる。更には、P型半導体膜の気孔率が15%以下の場合では、試験品の電気抵抗がより一層小さいということができる。以上より、P型半導体膜によるインターコネクタの電気抵抗増大の抑制効果の観点からは、P型半導体膜の気孔率は25%以下であることが好ましく、更には、15%以下であるとより好ましい。   According to Table 1, it can be said that the electrical resistance of the test product is sufficiently small when the porosity of the P-type semiconductor film is 25% or less compared to the case where the porosity of the P-type semiconductor film is larger than 25%. Furthermore, when the porosity of the P-type semiconductor film is 15% or less, it can be said that the electrical resistance of the test product is even smaller. From the above, from the viewpoint of the effect of suppressing the increase in electrical resistance of the interconnector by the P-type semiconductor film, the porosity of the P-type semiconductor film is preferably 25% or less, and more preferably 15% or less. .

従来では、一般に、インターコネクタ膜の表面に形成される導電膜として、図1に示す集電膜160のようにガスの拡散性を考慮して気孔率が25%よりも大きい多孔質の膜が使用されてきた。これに対し、SOFC100では、インターコネクタ膜の電気抵抗増大の抑制を優先して、インターコネクタ膜の表面に形成される導電膜として気孔率が25%以下の比較的緻密な膜が使用され得る。この点で、SOFC100は従来のものとは全く異なる。   Conventionally, as a conductive film formed on the surface of an interconnector film, a porous film having a porosity of more than 25% in consideration of gas diffusibility, such as a current collecting film 160 shown in FIG. Have been used. On the other hand, in SOFC 100, priority is given to suppressing the increase in electrical resistance of the interconnector film, and a relatively dense film having a porosity of 25% or less can be used as the conductive film formed on the surface of the interconnector film. In this respect, the SOFC 100 is completely different from the conventional one.

以下、インターコネクタの膜厚T1に対するP型半導体の膜厚T2の割合(T2/T1)と、P型半導体膜の焼成時におけるインターコネクタ膜とP型半導体膜との界面でのクラック発生の有無との関係について調査した試験について付言する。この実験では、燃料側電極、電解質膜、及びインターコネクタ膜(ストロンチウムチタネート膜)が共焼成されて得られた積層体(焼成体)におけるインターコネクタ膜の表面にP型半導体膜が焼成により形成された複数の試験品であってT1とT2の組み合わせが異なる複数の試験品が作製された。T1とT2の各組み合わせにつき、5つのサンプルが作製された。   Hereinafter, the ratio (T2 / T1) of the film thickness T2 of the P-type semiconductor to the film thickness T1 of the interconnector, and the presence or absence of cracks at the interface between the interconnector film and the P-type semiconductor film during firing of the P-type semiconductor film I will add to the study that investigated the relationship with. In this experiment, a P-type semiconductor film was formed by firing on the surface of the interconnector film in the laminate (fired body) obtained by co-firing the fuel side electrode, the electrolyte film, and the interconnector film (strontium titanate film). A plurality of test products having different combinations of T1 and T2 were produced. Five samples were made for each combination of T1 and T2.

表2に示すように、各サンプルでは、インターコネクタ膜(ストロンチウムチタネート膜)の膜厚が20〜100μmとされ、インターコネクタ膜の気孔率は5%以下とされた。P型半導体膜の膜厚は5〜100μmとされ、P型半導体膜の気孔率は25%又は15%に調整された。P型半導体としてはLSCFが使用された。P型半導体膜の気孔率及び膜厚は、原料の合成法(固相法、液相法(クエン酸法、共沈法))、原料の平均粒径(0.2〜1.0μm)、原料の比表面積(1〜25m/g)、及びP型半導体膜の焼成温度(900〜1200℃)を調整することによって調整された。 As shown in Table 2, in each sample, the thickness of the interconnector film (strontium titanate film) was 20 to 100 μm, and the porosity of the interconnector film was 5% or less. The film thickness of the P-type semiconductor film was 5 to 100 μm, and the porosity of the P-type semiconductor film was adjusted to 25% or 15%. LSCF was used as the P-type semiconductor. The porosity and thickness of the P-type semiconductor film are as follows: raw material synthesis method (solid phase method, liquid phase method (citric acid method, coprecipitation method)), average raw material particle size (0.2 to 1.0 μm), It adjusted by adjusting the specific surface area (1-25 m < 2 > / g) of a raw material, and the baking temperature (900-1200 degreeC) of a P-type semiconductor film.

各サンプルについて、インターコネクタ膜とP型半導体膜との界面でのクラック発生の有無が判定された。クラック発生の有無の判定は、目視、或いは、走査型電子顕微鏡により得られる画像を視ることによってなされた。この実験の結果を表2に示す。   About each sample, the presence or absence of the crack generation | occurrence | production in the interface of an interconnector film | membrane and a P-type semiconductor film was determined. The determination of the presence or absence of cracks was made visually or by viewing an image obtained with a scanning electron microscope. The results of this experiment are shown in Table 2.

Figure 2012009426
Figure 2012009426

表2から理解できるように、T2/T1が2.5より大きいと、クラックが発生する。一方、T2/T1が0.05〜2.5では、クラックが発生しない。以上、インターコネクタ膜とP型半導体膜との界面でのクラック発生の抑制の観点からは、T2/T1が0.05〜2.5であることが好ましい。   As understood from Table 2, when T2 / T1 is larger than 2.5, a crack is generated. On the other hand, when T2 / T1 is 0.05 to 2.5, no crack occurs. As described above, from the viewpoint of suppressing the occurrence of cracks at the interface between the interconnector film and the P-type semiconductor film, T2 / T1 is preferably 0.05 to 2.5.

なお、本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記実施形態では、インターコネクタ(N型半導体)140の表面に導電膜としてのP型半導体膜150が形成されているが、インターコネクタ(N型半導体)140の表面に導電膜としてのN型半導体膜が形成されていてもよい。この場合、上述した「PN接合の性質による、逆方向電流の発生の抑制効果」が作用しない。また、導電膜として、貴金属(Au,Ag等)からなる膜が使用されていてもよい。   In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various modification can be employ | adopted within the scope of the present invention. For example, in the above embodiment, the P-type semiconductor film 150 as the conductive film is formed on the surface of the interconnector (N-type semiconductor) 140, but the N-type as the conductive film is formed on the surface of the interconnector (N-type semiconductor) 140. A type semiconductor film may be formed. In this case, the “suppression effect of reverse current generation due to the nature of the PN junction” does not work. Further, a film made of a noble metal (Au, Ag, etc.) may be used as the conductive film.

また、上記実施形態では、インターコネクタ(N型半導体)140が燃料側電極110に設けられているが、インターコネクタ(N型半導体)140が空気側電極130に設けられていてもよい。   In the above embodiment, the interconnector (N-type semiconductor) 140 is provided on the fuel-side electrode 110, but the interconnector (N-type semiconductor) 140 may be provided on the air-side electrode 130.

また、上記実施形態では、燃料側電極110内に燃料ガスの流路が形成されていないが、燃料側電極内に燃料ガスの流路が形成されていてもよい。加えて、SOFC100を構成する積層体は、単独で存在しているが(図1を参照)、この積層体が、或る装置全体の一部分として存在していてもよい。   Further, in the above embodiment, the fuel gas flow path is not formed in the fuel side electrode 110, but the fuel gas flow path may be formed in the fuel side electrode. In addition, although the laminated body which comprises SOFC100 exists independently (refer FIG. 1), this laminated body may exist as a part of the whole certain apparatus.

100…SOFC、110…燃料側電極、120…電解質膜、130…空気側電極、140…インターコネクタ、150…P型半導体膜   DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... SOFC, 110 ... Fuel side electrode, 120 ... Electrolyte membrane, 130 ... Air side electrode, 140 ... Interconnector, 150 ... P-type semiconductor membrane

Claims (6)

燃料ガスと接触して前記燃料ガスを反応させる燃料側電極と、前記燃料側電極に設けられた固体電解質からなる電解質膜と、前記酸素を含むガスを反応させる空気側電極であって前記電解質膜を前記燃料側電極と空気側電極とで挟むように前記電解質膜に設けられた空気側電極と、からなる固体酸化物形燃料電池の発電部と、
前記燃料側電極又は前記空気側電極に電気的に接続されるように設けられたN型半導体からなるインターコネクタと、
前記インターコネクタの表面に形成された導電膜と、
を備えた固体酸化物形燃料電池。
A fuel-side electrode that reacts with the fuel gas in contact with the fuel gas; an electrolyte membrane made of a solid electrolyte provided on the fuel-side electrode; and an air-side electrode that reacts with the gas containing oxygen, the electrolyte membrane An air-side electrode provided on the electrolyte membrane so as to sandwich the fuel-side electrode and the air-side electrode, and a power generation unit of a solid oxide fuel cell,
An interconnector made of an N-type semiconductor provided to be electrically connected to the fuel side electrode or the air side electrode;
A conductive film formed on the surface of the interconnector;
A solid oxide fuel cell.
請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池において、
前記インターコネクタは、前記N型半導体としての、化学式(A1−x,B1−z(Ti1−y,D)O(ただし、A:アルカリ土類元素から選択される少なくとも1種類の元素、B:Sc,Y,及びランタノイド元素から選択される少なくとも1種類の元素、D:第4周期、第5周期、第6周期の遷移金属、及びAl,Si,Zn,Ga,Ge,Sn,Sb,Pb,Biから選択される少なくとも1種類の元素、xの範囲:0〜0.5、yの範囲:0〜0.5、zの範囲:−0.05〜0.05)で表わされるチタン酸化物からなる、固体酸化物形燃料電池。
The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein
The interconnector, as the N-type semiconductor, the formula (A 1-x, B x ) 1-z (Ti 1-y, D y) O 3 ( provided that, A: at least selected from alkaline earth element One element, B: at least one element selected from Sc, Y, and lanthanoid elements, D: transition metals of the fourth, fifth, and sixth periods, and Al, Si, Zn, Ga, At least one element selected from Ge, Sn, Sb, Pb, Bi, x range: 0 to 0.5, y range: 0 to 0.5, z range: -0.05 to 0. A solid oxide fuel cell comprising the titanium oxide represented by (05).
請求項2に記載の固体酸化物形燃料電池において、
前記インターコネクタは、前記N型半導体としてのストロンチウムチタネートSrTiOからなる、固体酸化物形燃料電池。
The solid oxide fuel cell according to claim 2, wherein
The interconnector is a solid oxide fuel cell made of strontium titanate SrTiO 3 as the N-type semiconductor.
請求項1乃至請求項3の何れか一項に記載の固体酸化物形燃料電池において、
前記インターコネクタは前記燃料側電極に設けられていて、
前記導電膜はP型半導体からなる、固体酸化物形燃料電池。
The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 3,
The interconnector is provided on the fuel side electrode,
The conductive film is a solid oxide fuel cell made of a P-type semiconductor.
請求項1乃至請求項4の何れか一項に記載の固体酸化物形燃料電池において、
前記導電膜の気孔率は25%以下である、固体酸化物形燃料電池。
The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein
A solid oxide fuel cell, wherein the conductive film has a porosity of 25% or less.
請求項5に記載の固体酸化物形燃料電池において、
前記インターコネクタの膜の厚さに対する前記導電膜の厚さの割合は0.05〜2.5である、固体酸化物形燃料電池。
The solid oxide fuel cell according to claim 5, wherein
The solid oxide fuel cell, wherein the ratio of the thickness of the conductive film to the thickness of the film of the interconnector is 0.05 to 2.5.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2015002109A (en) * 2013-06-17 2015-01-05 日本特殊陶業株式会社 Solid oxide fuel battery, and method for manufacturing the same
CN106058291A (en) * 2016-07-01 2016-10-26 中国科学院上海硅酸盐研究所 Connector material for solid oxide fuel cell and preparation method of connector material

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