JP2015173091A - fuel cell - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell capable of reducing an occurrence frequency of peeling at an interface of an intermediate layer interposed in a boundary part between a support substrate and a fuel electrode, and also capable of operating at a high limitation fuel utilization ratio.SOLUTION: In a fuel cell, a support substrate 10 includes magnesium oxide MgO and first oxide ceramic. A fuel electrode collector part 21 includes nickel Ni and second oxide ceramic. An intermediate layer 15 is interposed in a boundary part between the support substrate 10 and the fuel electrode collector part 21. The intermediate layer 15 includes (Mg,Ni)O as a solid solution of magnesium oxide (MgO) and nickel oxide (NiO), the first oxide ceramic and the second oxide ceramic. In a state after being subjected to reduction treatment, the intermediate layer 15 has a lower porosity as compared with the support substrate 10 and the fuel electrode collector part 21. The support substrate 10 has a porosity of 25-55%, the fuel electrode collector part 21 has a porosity of 25-55%, and the intermediate layer 15 has a porosity of 10-43%.

Description

本発明は、燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell.

従来より、「ガス流路が内部に形成されるとともに、酸化マグネシウム(MgO)と第1酸化物セラミックスとを含んで構成された支持基板」と、「前記支持基板に設けられるとともに、ニッケル(Ni)と第2酸化物セラミックスとを含んで構成された燃料極と、固体電解質と、空気極とがこの順に積層されてなる発電素子部」と、を備えた固体酸化物形燃料電池が知られている(例えば、特許文献1を参照)。   Conventionally, “a support substrate having a gas flow path formed therein and including magnesium oxide (MgO) and first oxide ceramics” and “a nickel substrate (Ni) ) And a second oxide ceramics, a solid oxide fuel cell comprising a power generating element portion in which a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are laminated in this order is known. (For example, refer to Patent Document 1).

一般に、上述した燃料電池の各構成部材は、酸素含有雰囲気での焼成によって形成される。この酸素含有雰囲気での焼成によって、燃料極に含まれるNi成分は、NiOとなっている。NiOは電子伝導性を有さない。従って、燃料極の電子伝導性を獲得するため、燃料極(燃料電池)の焼成後、燃料極に対して「還元処理」がなされる。「還元処理」とは、還元雰囲気で行われる熱処理であり、具体的には、例えば、支持基板側から還元性の燃料ガスを流しながら、燃料極中のNiOを800〜1000℃程度の高温下にて還元する処理である。   In general, each component of the fuel cell described above is formed by firing in an oxygen-containing atmosphere. By firing in this oxygen-containing atmosphere, the Ni component contained in the fuel electrode is NiO. NiO does not have electronic conductivity. Therefore, in order to acquire the electron conductivity of the fuel electrode, after the fuel electrode (fuel cell) is fired, the fuel electrode is “reduced”. The “reduction treatment” is a heat treatment performed in a reducing atmosphere. Specifically, for example, NiO in the fuel electrode is heated at a high temperature of about 800 to 1000 ° C. while flowing a reducing fuel gas from the support substrate side. It is the process which reduces by.

上述した燃料電池では、焼成後の上記還元処理の際、支持基板と燃料極との境界部分にクラックが発生する場合があった。これは、以下の理由に基づくと考えられる。即ち、還元処理の際、燃料極中にはNiOが多量に含まれていることに起因して、このNiOがNiに還元されることによって燃料極が収縮する一方(還元収縮)、還元される物質の含有量の少ない支持基板の収縮量は小さい。従って、支持基板と燃料極との境界部分に、両者の収縮量の差に起因する過大な歪(従って、熱応力)が生じ得る。この過大な熱応力によって、支持基板と燃料極との境界部分にクラックが発生する、と考えられる。   In the fuel cell described above, cracks may occur at the boundary between the support substrate and the fuel electrode during the reduction treatment after firing. This is considered based on the following reasons. That is, during the reduction process, due to the fact that the fuel electrode contains a large amount of NiO, the NiO is reduced to Ni, so that the fuel electrode contracts (reduction shrinkage) while being reduced. The amount of shrinkage of the support substrate with a low content of the substance is small. Therefore, excessive strain (and hence thermal stress) due to the difference in the amount of contraction between the support substrate and the fuel electrode can occur. It is considered that cracks are generated at the boundary portion between the support substrate and the fuel electrode due to this excessive thermal stress.

特許4883733号公報Japanese Patent No. 4888733

この問題に対処するため、本発明者は、支持基板と燃料極との境界部分に、支持基板及び燃料極より強度が高い中間層を介挿することによって、上述したクラックの発生頻度を小さくすることを考えている。具体的には、この中間層は、酸化マグネシウム(MgO)と酸化ニッケル(NiO)との固溶体である(Mg,Ni)Oと、前記第1酸化物セラミックスと、前記第2酸化物セラミックスと、を含む。加えて、支持基板及び燃料極と比べて中間層の強度を高くするため、前記燃料電池が「上記還元処理が施された還元体」である状態において、前記中間層の気孔率が、前記支持基板の気孔率及び前記燃料極の気孔率より小さい。   In order to cope with this problem, the present inventor reduces the occurrence frequency of the above-described cracks by inserting an intermediate layer having a higher strength than the support substrate and the fuel electrode at the boundary portion between the support substrate and the fuel electrode. I am thinking of that. Specifically, the intermediate layer includes (Mg, Ni) O, which is a solid solution of magnesium oxide (MgO) and nickel oxide (NiO), the first oxide ceramic, the second oxide ceramic, including. In addition, in order to increase the strength of the intermediate layer compared to the support substrate and the fuel electrode, the porosity of the intermediate layer is the support layer in a state where the fuel cell is “reduced body subjected to the reduction treatment”. It is smaller than the porosity of the substrate and the porosity of the fuel electrode.

ところで、このように中間層が介挿された燃料電池が熱応力的に過酷な環境下で稼働されると、中間層と支持基板との界面、又は、中間層と燃料極との界面(以下、単に「中間層の界面」と呼ぶ)に剥離が発生する場合があった。加えて、このように中間層が介挿されると、燃料電池の限界燃料利用率が極端に低下する場合があった。上述した中間層の界面の剥離の発生頻度の低減、並びに、燃料電池の限界燃料利用率の低下の抑制が望まれてきたところである。   By the way, when the fuel cell having the intermediate layer inserted therein is operated under a severe thermal stress environment, the interface between the intermediate layer and the support substrate or the interface between the intermediate layer and the fuel electrode (hereinafter referred to as the fuel cell). In some cases, peeling occurs at the interface of the “intermediate layer”. In addition, when the intermediate layer is interposed in this manner, the limit fuel utilization rate of the fuel cell may be extremely reduced. It has been desired to reduce the frequency of occurrence of the above-described peeling of the interface of the intermediate layer and to suppress a decrease in the limit fuel utilization rate of the fuel cell.

以上より、本発明は、支持基板と燃料極との境界部分に介挿された中間層の界面の剥離の発生頻度を低減でき、且つ、高い燃料利用率下で稼働し得る燃料電池を提供することを目的とする。   As described above, the present invention provides a fuel cell that can reduce the frequency of occurrence of delamination at the interface of the intermediate layer inserted in the boundary portion between the support substrate and the fuel electrode and can operate under a high fuel utilization rate. For the purpose.

本発明に係る燃料電池は、上述と同じ支持基板と、上述と同じ発電素子部と、を備える前記支持基板は、平板状であっても、円筒状であってもよい。   In the fuel cell according to the present invention, the support substrate including the same support substrate as described above and the same power generation element unit as described above may be flat or cylindrical.

本発明に係る燃料電池では、前記支持基板と前記燃料極との境界部分に中間層が介在し、前記中間層が、酸化マグネシウム(MgO)と酸化ニッケル(NiO)との固溶体である(Mg,Ni)Oと、前記第1酸化物セラミックスと、前記第2酸化物セラミックスと、を含む。前記第1、第2酸化物セラミックスは、同じであっても異なっていてもよい。   In the fuel cell according to the present invention, an intermediate layer is interposed at a boundary portion between the support substrate and the fuel electrode, and the intermediate layer is a solid solution of magnesium oxide (MgO) and nickel oxide (NiO) (Mg, Ni) O, the first oxide ceramic, and the second oxide ceramic. The first and second oxide ceramics may be the same or different.

本発明に係る燃料電池の特徴は、前記燃料電池が還元雰囲気で熱処理が施された還元体である状態において、前記中間層の気孔率が前記支持基板の気孔率及び前記燃料極の気孔率より小さく、前記支持基板の気孔率が25〜55%であり、前記燃料極の気孔率が25〜55%であり、前記中間層の気孔率が10〜43%である、ことにある。この場合、中間層の厚さが3〜100μmであると、好適である。   The fuel cell according to the present invention is characterized in that the porosity of the intermediate layer is more than the porosity of the support substrate and the porosity of the fuel electrode when the fuel cell is a reductant that has been heat-treated in a reducing atmosphere. The porosity of the support substrate is 25 to 55%, the porosity of the fuel electrode is 25 to 55%, and the porosity of the intermediate layer is 10 to 43%. In this case, it is preferable that the thickness of the intermediate layer is 3 to 100 μm.

本発明者は、上記のように、支持基板の気孔率が25〜55%であり且つ燃料極の気孔率が25〜55%である場合において、支持基板及び燃料極と比べて気孔率が小さい中間層の気孔率が10〜43%であるとき、中間層の界面の剥離の発生頻度が低減され、且つ、燃料電池の限界燃料利用率が低下し難くなる、ことを見出した(この点については後に詳述する)。   As described above, the present inventor has a lower porosity than the support substrate and the fuel electrode when the porosity of the support substrate is 25 to 55% and the porosity of the fuel electrode is 25 to 55%. It has been found that when the porosity of the intermediate layer is 10 to 43%, the frequency of occurrence of delamination at the interface of the intermediate layer is reduced, and the limit fuel utilization rate of the fuel cell is less likely to decrease (about this point) Will be detailed later).

本発明に係る燃料電池を示す斜視図である。1 is a perspective view showing a fuel cell according to the present invention. 図1に示す燃料電池の2−2線に対応する断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view corresponding to line 2-2 of the fuel cell shown in FIG. 図1に示す支持基板の凹部に埋設された燃料極及びインターコネクタの状態を示した平面図である。It is the top view which showed the state of the fuel electrode and interconnector which were embed | buried under the recessed part of the support substrate shown in FIG. 図1に示す燃料電池の作動状態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the operation state of the fuel cell shown in FIG. 図1に示す燃料電池の作動状態における電流の流れを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the flow of the electric current in the operating state of the fuel cell shown in FIG. 図1に示す支持基板を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the support substrate shown in FIG. 図1に示す燃料電池の製造過程における第1段階における図2に対応する断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 2 in a first stage in the manufacturing process of the fuel cell shown in FIG. 1. 図1に示す燃料電池の製造過程における第2段階における図2に対応する断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 2 in a second stage in the manufacturing process of the fuel cell shown in FIG. 1. 図1に示す燃料電池の製造過程における第3段階における図2に対応する断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 2 in a third stage in the manufacturing process of the fuel cell shown in FIG. 1. 図1に示す燃料電池の製造過程における第4段階における図2に対応する断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 2 in a fourth stage in the manufacturing process of the fuel cell shown in FIG. 1. 図1に示す燃料電池の製造過程における第5段階における図2に対応する断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 2 in a fifth stage in the manufacturing process of the fuel cell shown in FIG. 1. 図1に示す燃料電池の製造過程における第6段階における図2に対応する断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 2 in a sixth stage in the manufacturing process of the fuel cell shown in FIG. 1. 図1に示す燃料電池の製造過程における第7段階における図2に対応する断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 2 in a seventh stage in the manufacturing process of the fuel cell shown in FIG. 1. 図1に示す燃料電池の製造過程における第8段階における図2に対応する断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 2 in an eighth stage in the manufacturing process of the fuel cell shown in FIG. 1. 図1に示す燃料電池の製造過程における第9段階における図2に対応する断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 2 in a ninth stage in the manufacturing process of the fuel cell shown in FIG. 1. 支持基板と燃料極集電部との境界部分に中間層が介在した構成を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the structure which the intermediate | middle layer intervened in the boundary part of a support substrate and a fuel electrode current collection part. 図16に示した中間層の具体的な構造を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the specific structure of the intermediate | middle layer shown in FIG. 図16に示した中間層の変形例の図16に対応する模式図である。It is a schematic diagram corresponding to FIG. 16 of the modification of the intermediate | middle layer shown in FIG. 本発明に係る燃料電池の変形例の図2に対応する断面図である。It is sectional drawing corresponding to FIG. 2 of the modification of the fuel cell which concerns on this invention.

(構成)
図1は、本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池(SOFC)の構造体を示す。このSOFCは、長手方向(x軸方向)を有する平板状の支持基板10の上下面(互いに平行な両側の主面(平面))のそれぞれに、電気的に直列に接続された複数(本例では、4つ)の同形の発電素子部Aが長手方向において所定の間隔をおいて配置された、所謂「横縞型」と呼ばれる構成を有する。
(Constitution)
FIG. 1 shows a structure of a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention. This SOFC is electrically connected in series to each of the upper and lower surfaces (main surfaces (planes) on both sides parallel to each other) of the flat support substrate 10 having a longitudinal direction (x-axis direction) (this example). In this case, the four power generation element portions A having the same shape are arranged at predetermined intervals in the longitudinal direction, so-called “horizontal stripe type”.

このSOFCの全体を上方からみた形状は、例えば、長手方向の辺の長さが50〜500mmで長手方向に直交する幅方向(y軸方向)の長さが10〜100mmの長方形である。このSOFCの全体の厚さは、1〜5mmである。このSOFCの全体は、厚さ方向の中心を通り且つ支持基板10の主面に平行な面に対して上下対称の形状を有する。以下、図1に加えて、このSOFCの図1に示す2−2線に対応する部分断面図である図2を参照しながら、このSOFCの詳細について説明する。図2は、代表的な1組の隣り合う発電素子部A,Aのそれぞれの構成(の一部)、並びに、発電素子部A,A間の構成を示す部分断面図である。その他の組の隣り合う発電素子部A,A間の構成も、図2に示す構成と同様である。   The shape of the entire SOFC as viewed from above is, for example, a rectangle whose length in the longitudinal direction is 50 to 500 mm and whose length in the width direction (y-axis direction) perpendicular to the longitudinal direction is 10 to 100 mm. The total thickness of this SOFC is 1-5 mm. The entire SOFC has a vertically symmetrical shape with respect to a plane passing through the center in the thickness direction and parallel to the main surface of the support substrate 10. Hereinafter, in addition to FIG. 1, the details of the SOFC will be described with reference to FIG. 2, which is a partial cross-sectional view of the SOFC corresponding to line 2-2 shown in FIG. FIG. 2 is a partial cross-sectional view showing a configuration (part of) each of a typical pair of adjacent power generation element portions A and A and a configuration between the power generation element portions A and A. The configuration between the other power generation element portions A and A in other sets is the same as the configuration shown in FIG.

支持基板10は、電子伝導性を有さない多孔質の材料からなる平板状の焼成体である。後述する図6に示すように、支持基板10の内部には、長手方向に延びる複数(本例では、6本)の燃料ガス流路11(貫通孔)が幅方向において所定の間隔をおいて形成されている。本例では、支持基板10の上下面における複数の発電素子部Aに対応する位置に、凹部12がそれぞれ形成されている。各凹部12は、支持基板10の材料からなる底壁と、全周に亘って支持基板10の材料からなる周方向に閉じた側壁(長手方向に沿う2つの側壁と幅方向に沿う2つの側壁)と、で画定された直方体状の窪みである。各凹部12の長さ(x軸方向の寸法)は5〜50mmであり、幅(y軸方向の寸法)は2〜95mmであり、深さ(z軸方向の寸法)は0.03〜1.5mmである。   The support substrate 10 is a flat plate-like fired body made of a porous material having no electronic conductivity. As shown in FIG. 6 to be described later, a plurality of (six in this example) fuel gas passages 11 (through holes) extending in the longitudinal direction are provided in the support substrate 10 at predetermined intervals in the width direction. Is formed. In this example, the recesses 12 are respectively formed at positions corresponding to the plurality of power generation element portions A on the upper and lower surfaces of the support substrate 10. Each recess 12 has a bottom wall made of the material of the support substrate 10 and side walls closed in the circumferential direction made of the material of the support substrate 10 (two side walls along the longitudinal direction and two side walls along the width direction). ) And a rectangular parallelepiped depression defined by Each recess 12 has a length (dimension in the x-axis direction) of 5 to 50 mm, a width (dimension in the y-axis direction) of 2 to 95 mm, and a depth (dimension in the z-axis direction) of 0.03 to 1. .5 mm.

支持基板10は、MgO(酸化マグネシウム)と、第1酸化物セラミックスと、を含んで構成される。なお、支持基板10が第1酸化物セラミックスを含んでいるのは、MgO単独の熱膨張係数(約14ppm/K)が、通常の電極材料の熱膨張係数(10〜13ppm/K)と比べて大きいことに起因して、支持基板10の等価熱膨張係数を通常の電極材料の熱膨張係数に近づけるため、である。従って、第1酸化物セラミックスとしては、熱膨張係数が通常の電極材料の熱膨張係数(10〜13ppm/K)と比べて小さいものが好適である。具体的には、「第1酸化物セラミックス」としては、Y(イットリア)、YSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)、CSZ(カルシア安定化ジルコニア)等が好適である。支持基板10は、「遷移金属酸化物又は遷移金属」を含んでいてもよい。「遷移金属酸化物又は遷移金属」としては、NiO(酸化ニッケル)又はNi(ニッケル)が好適である。遷移金属は、燃料ガスの改質反応を促す触媒(炭化水素系のガスの改質触媒)として機能し得る。 The support substrate 10 includes MgO (magnesium oxide) and a first oxide ceramic. The support substrate 10 contains the first oxide ceramic because the thermal expansion coefficient of MgO alone (about 14 ppm / K) is compared with the thermal expansion coefficient of normal electrode material (10-13 ppm / K). This is because the equivalent thermal expansion coefficient of the support substrate 10 is brought close to the thermal expansion coefficient of a normal electrode material due to the large size. Therefore, as the first oxide ceramic, those having a smaller thermal expansion coefficient than that of a normal electrode material (10 to 13 ppm / K) are preferable. Specifically, as the “first oxide ceramic”, Y 2 O 3 (yttria), YSZ (8YSZ) (yttria stabilized zirconia), CSZ (calcia stabilized zirconia) and the like are suitable. The support substrate 10 may contain “transition metal oxide or transition metal”. As the “transition metal oxide or transition metal”, NiO (nickel oxide) or Ni (nickel) is suitable. The transition metal can function as a catalyst for promoting a reforming reaction of the fuel gas (hydrocarbon-based gas reforming catalyst).

このように、支持基板10が「遷移金属酸化物又は遷移金属」を含むことによって、改質前の残存ガス成分を含んだガスが多孔質の支持基板10の内部の多数の気孔を介して燃料ガス流路11から燃料極に供給される過程において、上記触媒作用によって改質前の残存ガス成分の改質を促すことができる。加えて、支持基板10が絶縁性の酸化物セラミックスを含むことによって、支持基板10の絶縁性を確保することができる。この結果、隣り合う燃料極間における絶縁性が確保され得る。   As described above, since the support substrate 10 contains “transition metal oxide or transition metal”, the gas containing the residual gas component before the reforming is supplied to the fuel through the numerous pores inside the porous support substrate 10. In the process of being supplied from the gas flow path 11 to the fuel electrode, the catalytic action can promote the reforming of the residual gas component before the reforming. In addition, when the support substrate 10 contains insulating oxide ceramics, the insulation of the support substrate 10 can be ensured. As a result, insulation between adjacent fuel electrodes can be ensured.

支持基板10の厚さは、1〜5mmである。支持基板10の気孔率は25〜55%である。なお、気孔率の値は、後述する還元処理後の値である(他の気孔率の値についても同様)。なお、気孔率の測定は,樹脂埋めしたサンプル(還元処理後)の断面を研磨し、同断面についてのSEM(走査型電子顕微鏡)による画像(2次電子像)を解析することによって行われた。具体的には、「断面の総面積」に対する「断面上にて樹脂埋めされた領域に対応する部分の面積の総和」の割合が、その断面の「気孔率」であると定義された。SEMの加速電圧は5kV、SEMの倍率は5000倍、又は10000倍に設定された。気孔率の測定は、サンプルの任意の10箇所の断面について行われ、それらの平均値が気孔率の値として採用された。   The thickness of the support substrate 10 is 1 to 5 mm. The porosity of the support substrate 10 is 25 to 55%. In addition, the value of porosity is a value after the reduction process described later (the same applies to other porosity values). The porosity was measured by polishing the cross section of the resin-embedded sample (after the reduction treatment) and analyzing the image (secondary electron image) of the cross section by SEM (scanning electron microscope). . Specifically, the ratio of the “total area of portions corresponding to the resin-filled region on the cross section” to the “total area of the cross section” was defined as the “porosity” of the cross section. The acceleration voltage of SEM was set to 5 kV, and the magnification of SEM was set to 5000 times or 10,000 times. The measurement of the porosity was performed on arbitrary 10 cross-sections of the sample, and the average value thereof was adopted as the porosity value.

以下、この構造体の形状が上下対称となっていることを考慮し、説明の簡便化のため、支持基板10の上面側の構成についてのみ説明していく。支持基板10の下面側の構成についても同様である。   Hereinafter, only the configuration on the upper surface side of the support substrate 10 will be described in consideration of the fact that the shape of the structure is vertically symmetrical. The same applies to the configuration of the lower surface side of the support substrate 10.

図2及び図3に示すように、支持基板10の上面(上側の主面)に形成された各凹部12には、燃料極集電部21の全体が埋設(充填)されている。従って、各燃料極集電部21は直方体状を呈している。なお、後述するように、支持基板10と各燃料極集電部21との境界部分(即ち、各凹部12の底壁及び側壁に対応する部分)には、多孔質の焼成体である中間層15が介装されている。   As shown in FIGS. 2 and 3, the entire fuel electrode current collector 21 is embedded (filled) in each recess 12 formed in the upper surface (upper main surface) of the support substrate 10. Therefore, each fuel electrode current collector 21 has a rectangular parallelepiped shape. As will be described later, an intermediate layer, which is a porous fired body, is provided at the boundary between the support substrate 10 and each fuel electrode current collector 21 (that is, the portion corresponding to the bottom wall and side wall of each recess 12). 15 is interposed.

各燃料極集電部21の上面(外側面)には、凹部21aが形成されている。各凹部21aは、燃料極集電部21の材料からなる底壁と、全周に亘って燃料極集電部21の材料からなる周方向に閉じた側壁(長手方向に沿う2つの側壁と、幅方向に沿う2つの側壁)と、で画定された直方体状の窪みである。   A recess 21 a is formed on the upper surface (outer surface) of each fuel electrode current collector 21. Each recess 21a includes a bottom wall made of the material of the fuel electrode current collector 21 and a side wall (two side walls along the longitudinal direction) closed in the circumferential direction made of the material of the fuel electrode current collector 21 over the entire circumference. And two side walls along the width direction).

各凹部21aには、燃料極活性部22の全体が埋設(充填)されている。従って、各燃料極活性部22は直方体状を呈している。燃料極集電部21と燃料極活性部22とにより燃料極20が構成される。燃料極20(燃料極集電部21+燃料極活性部22)は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。各燃料極活性部22の4つの側面と底面とは、凹部21a内で燃料極集電部21と接触している。   The entire anode active portion 22 is embedded (filled) in each recess 21a. Accordingly, each fuel electrode active portion 22 has a rectangular parallelepiped shape. A fuel electrode 20 is configured by the fuel electrode current collector 21 and the fuel electrode active unit 22. The fuel electrode 20 (fuel electrode current collector 21 + fuel electrode active part 22) is a fired body made of a porous material having electron conductivity. The four side surfaces and the bottom surface of each anode active portion 22 are in contact with the anode current collecting portion 21 in the recess 21a.

各燃料極集電部21の上面(外側面)における凹部21aを除いた部分には、凹部21bが形成されている。各凹部21bは、燃料極集電部21の材料からなる底壁と、全周に亘って燃料極集電部21の材料からなる周方向に閉じた側壁(長手方向に沿う2つの側壁と、幅方向に沿う2つの側壁)と、で画定された直方体状の窪みである。   A recess 21b is formed in a portion of the upper surface (outer surface) of each fuel electrode current collector 21 excluding the recess 21a. Each recess 21b includes a bottom wall made of a material of the fuel electrode current collector 21 and a circumferentially closed side wall made of the material of the fuel electrode current collector 21 (two side walls along the longitudinal direction). And two side walls along the width direction).

各凹部21bには、インターコネクタ30が埋設(充填)されている。従って、各インターコネクタ30は直方体状を呈している。インターコネクタ30は、電子伝導性を有する緻密な材料からなる焼成体である。各インターコネクタ30の4つの側面と底面とは、凹部21b内で燃料極集電部21と接触している。   An interconnector 30 is embedded (filled) in each recess 21b. Accordingly, each interconnector 30 has a rectangular parallelepiped shape. The interconnector 30 is a fired body made of a dense material having electronic conductivity. The four side surfaces and the bottom surface of each interconnector 30 are in contact with the fuel electrode current collector 21 in the recess 21b.

燃料極20(燃料極集電部21及び燃料極活性部22)の上面(外側面)と、インターコネクタ30の上面(外側面)と、支持基板10の主面とにより、1つの平面(凹部12が形成されていない場合の支持基板10の主面と同じ平面)が構成されている。即ち、燃料極20の上面とインターコネクタ30の上面と支持基板10の主面との間で、段差が形成されていない。   The upper surface (outer surface) of the fuel electrode 20 (the fuel electrode current collector 21 and the fuel electrode active unit 22), the upper surface (outer surface) of the interconnector 30, and the main surface of the support substrate 10 form one plane (recessed portion). The same plane as the main surface of the support substrate 10 when 12 is not formed) is formed. That is, no step is formed between the upper surface of the fuel electrode 20, the upper surface of the interconnector 30, and the main surface of the support substrate 10.

燃料極集電部21は、NiO(酸化ニッケル)と、第2酸化物セラミックスと、を含んで構成される。なお、燃料極集電部21が第2酸化物セラミックスを含んでいるのは、NiO単独の熱膨張係数(約14ppm/K)が、通常の電極材料の熱膨張係数(10〜13ppm/K)と比べて大きいことに起因して、燃料極集電部21の等価熱膨張係数を通常の電極材料の熱膨張係数に近づけるため、である。従って、第2酸化物セラミックスとしては、熱膨張係数が通常の電極材料の熱膨張係数(10〜13ppm/K)と比べて小さいものが好適である。具体的には、「第2酸化物セラミックス」としては、Y(イットリア)、YSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)、CSZ(カルシア安定化ジルコニア)等が好適である。燃料極集電部21の厚さ(即ち、凹部12の深さ)は、50〜500μmである。燃料極集電部21の気孔率は25〜55%である。 The fuel electrode current collector 21 includes NiO (nickel oxide) and a second oxide ceramic. The anode current collector 21 contains the second oxide ceramic because the thermal expansion coefficient of NiO alone (about 14 ppm / K) is the thermal expansion coefficient of normal electrode materials (10-13 ppm / K). This is because the equivalent thermal expansion coefficient of the fuel electrode current collector 21 is brought close to the thermal expansion coefficient of a normal electrode material due to the fact that it is larger than the above. Therefore, as the second oxide ceramic, those having a smaller thermal expansion coefficient than that of a normal electrode material (10 to 13 ppm / K) are preferable. Specifically, as the “second oxide ceramic”, Y 2 O 3 (yttria), YSZ (8YSZ) (yttria stabilized zirconia), CSZ (calcia stabilized zirconia) and the like are suitable. The thickness of the fuel electrode current collector 21 (that is, the depth of the recess 12) is 50 to 500 μm. The porosity of the fuel electrode current collector 21 is 25 to 55%.

燃料極活性部22は、電子伝導性を有する物質と、酸素イオン伝導性を有する物質と、を含んで構成される。「電子伝導性を有する物質」としては、NiO(酸化ニッケル)が好適である。「酸素イオン伝導性を有する物質」としては、YSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)、GDC(ガドリニウムドープセリア)等が好適である。燃料極活性部22の厚さは、5〜30μmである。燃料極活性部22の気孔率は25〜55%である。   The anode active part 22 includes a substance having electron conductivity and a substance having oxygen ion conductivity. As the “substance having electron conductivity”, NiO (nickel oxide) is suitable. As the “substance having oxygen ion conductivity”, YSZ (8YSZ) (yttria stabilized zirconia), GDC (gadolinium doped ceria) and the like are suitable. The thickness of the fuel electrode active part 22 is 5 to 30 μm. The porosity of the anode active portion 22 is 25 to 55%.

なお、燃料極集電部21内、並びに、燃料極活性部22内のNiOは、後述する還元処理によってNiに変化して、電子伝導性を獲得する。燃料極活性部22における「気孔部分を除いた全体積に対する酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合」は、燃料極集電部21における「気孔部分を除いた全体積に対する酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合」よりも大きい。   Note that NiO in the fuel electrode current collector 21 and in the fuel electrode active part 22 is changed to Ni by a reduction process, which will be described later, to acquire electron conductivity. The “volume ratio of the substance having oxygen ion conductivity with respect to the entire volume excluding the pore portion” in the anode active portion 22 is “having oxygen ion conductivity with respect to the entire volume excluding the pore portion” in the anode current collecting portion 21. It is larger than the “volume ratio of the substance”.

インターコネクタ30は、例えば、LaCrO(ランタンクロマイト)から構成され得る。或いは、(Sr,La)TiO(ストロンチウムチタネート)から構成されてもよい。インターコネクタ30の厚さは、10〜100μmである。 The interconnector 30 can be composed of, for example, LaCrO 3 (lanthanum chromite). Alternatively, it may be composed of (Sr, La) TiO 3 (strontium titanate). The thickness of the interconnector 30 is 10 to 100 μm.

燃料極20及びインターコネクタ30がそれぞれの凹部12に埋設された状態の支持基板10における長手方向に延びる外周面において複数のインターコネクタ30が形成されたそれぞれの部分の長手方向中央部を除いた全面は、固体電解質膜40により覆われている。固体電解質膜40は、イオン伝導性を有する緻密な材料からなる焼成体である。固体電解質膜40は、例えば、YSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)から構成され得る。或いは、LSGM(ランタンガレート)から構成されてもよい。固体電解質膜40の厚さは、3〜50μmである。   The entire surface excluding the central portion in the longitudinal direction of each portion where the plurality of interconnectors 30 are formed on the outer peripheral surface extending in the longitudinal direction of the support substrate 10 in a state where the fuel electrode 20 and the interconnector 30 are embedded in the respective recesses 12. Is covered with a solid electrolyte membrane 40. The solid electrolyte membrane 40 is a fired body made of a dense material having ion conductivity. The solid electrolyte membrane 40 can be made of, for example, YSZ (8YSZ) (yttria stabilized zirconia). Or you may comprise from LSGM (lantern gallate). The thickness of the solid electrolyte membrane 40 is 3 to 50 μm.

即ち、燃料極20がそれぞれの凹部12に埋設された状態の支持基板10における長手方向に延びる外周面の全面は、インターコネクタ30と固体電解質膜40とからなる緻密層により覆われている。この緻密層は、緻密層の内側の空間を流れる燃料ガスと緻密層の外側の空間を流れる空気との混合を防止するガスシール機能を発揮する。なお、本願において「緻密」とは、「ガスが通過しない程度に高密度であること」を指し、具体的には、「気孔率が10%以下であること」を指す。   That is, the entire outer peripheral surface extending in the longitudinal direction of the support substrate 10 in a state where the fuel electrode 20 is embedded in each recess 12 is covered with a dense layer composed of the interconnector 30 and the solid electrolyte membrane 40. This dense layer exhibits a gas sealing function that prevents mixing of the fuel gas flowing in the space inside the dense layer and the air flowing in the space outside the dense layer. In the present application, “dense” means “high density so that gas does not pass”, and specifically means “porosity is 10% or less”.

なお、図2に示すように、本例では、固体電解質膜40が、燃料極20の上面、インターコネクタ30の上面における長手方向の両側端部、及び支持基板10の主面を覆っている。ここで、上述したように、燃料極20の上面とインターコネクタ30の上面と支持基板10の主面との間で段差が形成されていない。従って、固体電解質膜40が平坦化されている。この結果、固体電解質膜40に段差が形成される場合に比して、応力集中に起因する固体電解質膜40でのクラックの発生が抑制され得、固体電解質膜40が有するガスシール機能の低下が抑制され得る。   As shown in FIG. 2, in this example, the solid electrolyte membrane 40 covers the upper surface of the fuel electrode 20, both end portions in the longitudinal direction on the upper surface of the interconnector 30, and the main surface of the support substrate 10. Here, as described above, no step is formed between the upper surface of the fuel electrode 20, the upper surface of the interconnector 30, and the main surface of the support substrate 10. Therefore, the solid electrolyte membrane 40 is flattened. As a result, compared with the case where a step is formed in the solid electrolyte membrane 40, the generation of cracks in the solid electrolyte membrane 40 due to stress concentration can be suppressed, and the gas sealing function of the solid electrolyte membrane 40 is reduced. Can be suppressed.

固体電解質膜40における各燃料極活性部22と接している箇所の上面には、反応防止膜50を介して空気極60が形成されている。反応防止膜50は、緻密な材料からなる焼成体であり、空気極60は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。反応防止膜50及び空気極60を上方からみた形状は、燃料極活性部22と略同一の長方形である。   An air electrode 60 is formed on the upper surface of a portion in contact with each fuel electrode active part 22 in the solid electrolyte membrane 40 via a reaction preventing film 50. The reaction preventing film 50 is a fired body made of a dense material, and the air electrode 60 is a fired body made of a porous material having electron conductivity. The shape of the reaction preventing film 50 and the air electrode 60 viewed from above is substantially the same rectangle as the fuel electrode active part 22.

反応防止膜50は、例えば、GDC=(Ce,Gd)O(ガドリニウムドープセリア)から構成され得る。反応防止膜50の厚さは、3〜50μmである。空気極60は、例えば、LSCF=(La,Sr)(Co,Fe)O(ランタンストロンチウムコバルトフェライト)から構成され得る。或いは、LSF=(La,Sr)FeO(ランタンストロンチウムフェライト)、LNF=La(Ni,Fe)O(ランタンニッケルフェライト)、LSC=(La,Sr)CoO(ランタンストロンチウムコバルタイト)等から構成されてもよい。また、空気極60は、LSCFからなる第1層(内側層)とLSCからなる第2層(外側層)との2層によって構成されてもよい。空気極60の厚さは、10〜100μmである。 The reaction preventing film 50 can be made of, for example, GDC = (Ce, Gd) O 2 (gadolinium-doped ceria). The thickness of the reaction preventing film 50 is 3 to 50 μm. The air electrode 60 can be made of, for example, LSCF = (La, Sr) (Co, Fe) O 3 (lanthanum strontium cobalt ferrite). Alternatively, from LSF = (La, Sr) FeO 3 (lanthanum strontium ferrite), LNF = La (Ni, Fe) O 3 (lanthanum nickel ferrite), LSC = (La, Sr) CoO 3 (lanthanum strontium cobaltite), etc. It may be configured. Further, the air electrode 60 may be configured by two layers of a first layer (inner layer) made of LSCF and a second layer (outer layer) made of LSC. The thickness of the air electrode 60 is 10 to 100 μm.

なお、反応防止膜50が介装されるのは、SOFC作製時又は作動中のSOFC内において固体電解質膜40内のYSZと空気極60内のSrとが反応して固体電解質膜40と空気極60との境界部分に電気抵抗が大きい反応層が形成される現象の発生を抑制するためである。   The reaction preventing film 50 is interposed because the YSZ in the solid electrolyte film 40 and the Sr in the air electrode 60 react with each other in the SOFC during the production or operation of the SOFC, and the solid electrolyte film 40 and the air electrode. This is in order to suppress the occurrence of a phenomenon in which a reaction layer having a large electric resistance is formed at the boundary portion with 60.

ここで、燃料極20と、固体電解質膜40と、反応防止膜50と、空気極60とが積層されてなる積層体が、「発電素子部A」に対応する(図2を参照)。即ち、支持基板10の上面には、複数(本例では、4つ)の発電素子部Aが、長手方向において所定の間隔をおいて配置されている。   Here, the laminated body formed by laminating the fuel electrode 20, the solid electrolyte membrane 40, the reaction preventing membrane 50, and the air electrode 60 corresponds to the “power generation element portion A” (see FIG. 2). In other words, a plurality (four in this example) of power generating element portions A are arranged on the upper surface of the support substrate 10 at a predetermined interval in the longitudinal direction.

各組の隣り合う発電素子部A,Aについて、一方の(図2では、左側の)発電素子部Aの空気極60と、他方の(図2では、右側の)発電素子部Aのインターコネクタ30とを跨ぐように、空気極60、固体電解質膜40、及び、インターコネクタ30の上面に、空気極集電膜70が形成されている。空気極集電膜70は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。空気極集電膜70を上方からみた形状は、長方形である。   For each pair of adjacent power generation element portions A and A, the air electrode 60 of one power generation element portion A (on the left side in FIG. 2) and the interconnector of the other power generation element portion A (on the right side in FIG. 2). The air electrode current collecting film 70 is formed on the upper surfaces of the air electrode 60, the solid electrolyte film 40, and the interconnector 30. The air electrode current collector film 70 is a fired body made of a porous material having electron conductivity. The shape of the air electrode current collector film 70 as viewed from above is a rectangle.

空気極集電膜70は、例えば、LSCF=(La,Sr)(Co,Fe)O(ランタンストロンチウムコバルトフェライト)から構成され得る。或いは、LSC=(La,Sr)CoO(ランタンストロンチウムコバルタイト)から構成されてもよい。或いは、Ag(銀)、Ag−Pd(銀パラジウム合金)から構成されてもよい。空気極集電膜70の厚さは、50〜500μmである。 The air electrode current collector film 70 can be made of, for example, LSCF = (La, Sr) (Co, Fe) O 3 (lanthanum strontium cobalt ferrite). Alternatively, LSC = (La, Sr) CoO 3 (lanthanum strontium cobaltite) may be used. Or you may comprise from Ag (silver) and Ag-Pd (silver palladium alloy). The thickness of the air electrode current collector film 70 is 50 to 500 μm.

このように各空気極集電膜70が形成されることにより、各組の隣り合う発電素子部A,Aについて、一方の(図2では、左側の)発電素子部Aの空気極60と、他方の(図2では、右側の)発電素子部Aの燃料極20(特に、燃料極集電部21)とが、電子伝導性を有する「空気極集電膜70及びインターコネクタ30」を介して電気的に接続される。この結果、支持基板10の上面に配置されている複数(本例では、4つ)の発電素子部Aが電気的に直列に接続される。ここで、電子伝導性を有する「空気極集電膜70及びインターコネクタ30」が、「電気的接続部」に対応する。   By forming each air electrode current collecting film 70 in this way, for each pair of adjacent power generation element portions A and A, the air electrode 60 of one power generation element portion A (on the left side in FIG. 2), The other fuel electrode 20 (particularly, the fuel electrode current collector 21) of the power generating element part A (on the right side in FIG. 2) passes through the “air electrode current collector film 70 and interconnector 30” having electronic conductivity. Are electrically connected. As a result, a plurality (four in this example) of power generation element portions A arranged on the upper surface of the support substrate 10 are electrically connected in series. Here, the “air electrode current collector film 70 and the interconnector 30” having electronic conductivity correspond to “electrical connection portions”.

なお、インターコネクタ30は、前記「電気的接続部」における「緻密な材料で構成された第1部分」に対応し、気孔率は10%以下である。空気極集電膜70は、前記「電気的接続部」における「多孔質の材料で構成された第2部分」に対応し、気孔率は20〜60%である。   The interconnector 30 corresponds to the “first portion made of a dense material” in the “electrical connection portion” and has a porosity of 10% or less. The air electrode current collecting film 70 corresponds to the “second portion made of a porous material” in the “electrical connection portion”, and has a porosity of 20 to 60%.

以上、説明した「横縞型」のSOFCに対して、図4に示すように、支持基板10の燃料ガス流路11内に改質後の燃料ガス(水素ガス等)を流すとともに、支持基板10の上下面(特に、各空気極集電膜70)を「酸素を含むガス」(空気等)に曝す(或いは、支持基板10の上下面に沿って酸素を含むガスを流す)ことにより、固体電解質膜40の両側面間に生じる酸素分圧差によって起電力が発生する。更に、この構造体を外部の負荷に接続すると、下記(1)、(2)式に示す化学反応が起こり、電流が流れる(発電状態)。
(1/2)・O+2e→O2− (於:空気極60) …(1)
+O2−→HO+2e (於:燃料極20) …(2)
As described above, the reformed fuel gas (hydrogen gas or the like) flows through the fuel gas flow path 11 of the support substrate 10 as shown in FIG. By exposing the upper and lower surfaces (in particular, each air electrode current collecting film 70) to “gas containing oxygen” (air or the like) (or flowing a gas containing oxygen along the upper and lower surfaces of the support substrate 10), a solid is obtained. An electromotive force is generated by an oxygen partial pressure difference generated between both side surfaces of the electrolyte membrane 40. Furthermore, when this structure is connected to an external load, chemical reactions shown in the following formulas (1) and (2) occur, and current flows (power generation state).
(1/2) · O 2 + 2e → O 2− (where: air electrode 60) (1)
H 2 + O 2− → H 2 O + 2e (in the fuel electrode 20) (2)

発電状態においては、図5に示すように、各組の隣り合う発電素子部A,Aについて、電流が、矢印で示すように流れる。この結果、図4に示すように、このSOFC全体から(具体的には、図4において最も手前側の発電素子部Aのインターコネクタ30と最も奥側の発電素子部Aの空気極60とを介して)電力が取り出される。   In the power generation state, as shown in FIG. 5, a current flows as indicated by an arrow in each pair of adjacent power generation element portions A and A. As a result, as shown in FIG. 4, from this entire SOFC (specifically, the interconnector 30 of the power generating element part A on the frontmost side in FIG. 4 and the air electrode 60 of the power generating element part A on the innermost side in FIG. Power).

(製造方法)
次に、図1に示した「横縞型」のSOFCの製造方法の一例について図6〜図15を参照しながら簡単に説明する。図6〜図15において、各部材の符号の末尾の「g」は、その部材が「焼成前」であることを表す。
(Production method)
Next, an example of a method for manufacturing the “horizontal stripe type” SOFC shown in FIG. 1 will be briefly described with reference to FIGS. 6 to 15, “g” at the end of the reference numeral of each member indicates that the member is “before firing”.

先ず、図6に示す形状を有する支持基板の成形体10gが作製される。この支持基板の成形体10gは、例えば、支持基板10の材料(例えば、MgOとY)の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、押し出し成形、切削等の手法を利用して作製され得る。以下、図6に示す7−7線に対応する部分断面を表す図7〜図15を参照しながら説明を続ける。 First, a support substrate molded body 10g having the shape shown in FIG. 6 is produced. For example, this support substrate molded body 10g uses a slurry obtained by adding a binder or the like to the powder of the material of the support substrate 10 (for example, MgO and Y 2 O 3 ). It can be made using. Hereinafter, the description will be continued with reference to FIGS. 7 to 15 showing partial cross sections corresponding to the line 7-7 shown in FIG.

図7に示すように、支持基板の成形体10gが作製されると、次に、図8に示すように、支持基板の成形体10gの上下面に形成された各凹部12の底面及び側面に、中間層の成形膜15gがそれぞれ形成される。この中間層の成形膜15gの形成については後述する。   As shown in FIG. 7, when the support substrate molded body 10g is manufactured, next, as shown in FIG. 8, the bottom and side surfaces of the recesses 12 formed on the upper and lower surfaces of the support substrate molded body 10g are formed. Then, an intermediate layer forming film 15g is formed. The formation of the intermediate layer forming film 15g will be described later.

次に、図9に示すように、支持基板の成形体10gの上下面に形成された「中間層の成形膜15gが形成された各凹部12」に、燃料極集電部の成形体21gがそれぞれ埋設・形成される。次いで、図10に示すように、各燃料極集電部の成形体21gの外側面に形成された各凹部に、燃料極活性部の成形体22gがそれぞれ埋設・形成される。各燃料極集電部の成形体21g、及び各燃料極活性部22gは、例えば、燃料極20の材料(例えば、NiとY)の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して埋設・形成される。 Next, as shown in FIG. 9, the molded body 21g of the fuel electrode current collector is formed in the “recesses 12 formed with the molded film 15g of the intermediate layer” formed on the upper and lower surfaces of the molded body 10g of the support substrate. Each is buried and formed. Next, as shown in FIG. 10, a molded body 22g of the fuel electrode active portion is embedded and formed in each recess formed in the outer surface of the molded body 21g of each fuel electrode current collector. The molded body 21g of each fuel electrode current collector and each fuel electrode active part 22g are, for example, a slurry obtained by adding a binder or the like to the powder of the material of the fuel electrode 20 (for example, Ni and Y 2 O 3 ). It is embedded and formed using a printing method or the like.

続いて、図11に示すように、各燃料極集電部の成形体21gの外側面における「燃料極活性部の成形体22gが埋設された部分を除いた部分」に形成された各凹部に、インターコネクタの成形体30gがそれぞれ埋設・形成される。各インターコネクタの成形体30gは、例えば、インターコネクタ30の材料(例えば、LaCrO)の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して埋設・形成される。 Subsequently, as shown in FIG. 11, in each concave portion formed in “the portion excluding the portion where the molded body 22 g of the fuel electrode active portion is embedded” on the outer surface of the molded body 21 g of each fuel electrode current collector. The interconnector molded bodies 30g are respectively embedded and formed. The molded body 30g of each interconnector is embedded and formed by using a slurry obtained by adding a binder or the like to the material of the interconnector 30 (for example, LaCrO 3 ), using a printing method or the like. .

次に、図12に示すように、複数の燃料極の成形体(21g+22g)及び複数のインターコネクタの成形体30gがそれぞれ埋設・形成された状態の支持基板の成形体10gにおける長手方向に延びる外周面において複数のインターコネクタの成形体30gが形成されたそれぞれの部分の長手方向中央部を除いた全面に、固体電解質膜の成形膜40gが形成される。固体電解質膜の成形膜40gは、例えば、固体電解質膜40の材料(例えば、YSZ)の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法、ディッピング法等を利用して形成される。   Next, as shown in FIG. 12, the outer periphery extending in the longitudinal direction of the molded body 10g of the support substrate in a state in which the molded body (21g + 22g) of the plurality of fuel electrodes and the molded body 30g of the plurality of interconnectors are respectively embedded and formed. A solid electrolyte membrane molded film 40g is formed on the entire surface excluding the central portion in the longitudinal direction of each portion where the plurality of interconnector molded bodies 30g are formed. The molded membrane 40g of the solid electrolyte membrane is formed using, for example, a printing method, a dipping method, etc., using a slurry obtained by adding a binder or the like to the powder of the material of the solid electrolyte membrane 40 (for example, YSZ). The

次に、図13に示すように、固体電解質膜の成形体40gにおける各燃料極の成形体22gと接している箇所の外側面に、反応防止膜の成形膜50gが形成される。各反応防止膜の成形膜50gは、例えば、反応防止膜50の材料(例えば、GDC)の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して形成される。   Next, as shown in FIG. 13, a reaction preventing film forming film 50 g is formed on the outer surface of the solid electrolyte film forming body 40 g in contact with the fuel electrode forming body 22 g. The molded film 50g of each reaction preventing film is formed using a slurry obtained by adding a binder or the like to the powder of the material (for example, GDC) of the reaction preventing film 50, using a printing method or the like.

そして、このように種々の成形膜が形成された状態の支持基板の成形体10gが、空気中にて1500℃で3時間焼成される。これにより、図1に示したSOFCにおいて空気極60及び空気極集電膜70が形成されていない状態の構造体が得られる。   Then, 10 g of the support substrate molded body in which various molded films are thus formed is fired in air at 1500 ° C. for 3 hours. As a result, a structure in which the air electrode 60 and the air electrode current collector film 70 are not formed in the SOFC shown in FIG. 1 is obtained.

次に、図14に示すように、各反応防止膜50の外側面に、空気極の成形膜60gが形成される。各空気極の成形膜60gは、例えば、空気極60の材料(例えば、LSCF)の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して形成される。   Next, as shown in FIG. 14, an air electrode forming film 60 g is formed on the outer surface of each reaction preventing film 50. The molded film 60g of each air electrode is formed using a slurry obtained by adding a binder or the like to the powder of the material of the air electrode 60 (for example, LSCF), using a printing method or the like.

次に、図15に示すように、各組の隣り合う発電素子部について、一方の発電素子部の空気極の成形膜60gと、他方の発電素子部のインターコネクタ30とを跨ぐように、空気極の成形膜60g、固体電解質膜40、及び、インターコネクタ30の外側面に、空気極集電膜の成形膜70gが形成される。各空気極集電膜の成形膜70gは、例えば、空気極集電膜70の材料(例えば、LSCF)の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して形成される。   Next, as shown in FIG. 15, for each pair of adjacent power generation element portions, air is formed so as to straddle the air electrode molding film 60 g of one power generation element portion and the interconnector 30 of the other power generation element portion. On the outer surface of the electrode forming film 60 g, the solid electrolyte film 40, and the interconnector 30, the air electrode current collecting film forming film 70 g is formed. The forming film 70g of each air electrode current collector film is obtained by using a slurry obtained by adding a binder or the like to the powder of the material of the air electrode current collector film 70 (for example, LSCF), using a printing method or the like. It is formed.

そして、このように成形膜60g、70gが形成された状態の支持基板10が、空気中にて1050℃で3時間焼成される。これにより、図1に示したSOFCが得られる。なお、この時点では、酸素含有雰囲気での焼成により、燃料極20(集電部21+活性部22)中のNi成分が、NiOとなっている。従って、燃料極20(集電部21+活性部22)の電子伝導性を獲得するため、その後、支持基板10側から還元性の燃料ガスが流され、NiOが800〜1000℃で1〜10時間に亘って還元処理される。なお、この還元処理は発電時に行われてもよい。以上、図1に示したSOFCの製造方法の一例について説明した。   Then, the support substrate 10 in which the molded films 60g and 70g are thus formed is baked in air at 1050 ° C. for 3 hours. Thereby, the SOFC shown in FIG. 1 is obtained. At this point, the Ni component in the fuel electrode 20 (current collector 21 + active portion 22) is NiO due to firing in an oxygen-containing atmosphere. Therefore, in order to acquire the electron conductivity of the fuel electrode 20 (current collector 21 + active part 22), a reducing fuel gas is then flowed from the support substrate 10 side, and NiO is heated at 800 to 1000 ° C. for 1 to 10 hours. The reduction treatment is performed over a period of time. This reduction process may be performed during power generation. In the above, an example of the manufacturing method of SOFC shown in FIG. 1 was demonstrated.

(中間層の介在)
上記実施形態では、図16に示すように、支持基板10と各燃料極20(集電部21)との境界部分(即ち、各凹部12の底壁及び側壁に対応する部分)に、中間層15が介在している。この中間層15は、支持基板10と各燃料極集電部21との境界部分の全域(即ち、各凹部12の底壁及び側壁に対応する部分の全域)に亘って設けられていても、前記境界部分の一部のみに設けられていてもよい。中間層15の厚さ(図16のT、後述する図18のT(=Ta+Tb)を参照)は、3〜100μmである。支持基板10と中間層15との境界の定義、並びに、中間層15と燃料極集電部21との境界の定義(従って、中間層15の厚さの定義)については後述する。
(Intermediate layer)
In the above embodiment, as shown in FIG. 16, an intermediate layer is formed on the boundary portion between the support substrate 10 and each fuel electrode 20 (current collector 21) (that is, the portion corresponding to the bottom wall and the side wall of each recess 12). 15 is interposed. Even if the intermediate layer 15 is provided over the entire boundary portion between the support substrate 10 and each fuel electrode current collector 21 (that is, the entire region corresponding to the bottom wall and the side wall of each recess 12), It may be provided only in a part of the boundary portion. The thickness of the intermediate layer 15 (see T in FIG. 16 and T (= Ta + Tb) in FIG. 18 described later) is 3 to 100 μm. The definition of the boundary between the support substrate 10 and the intermediate layer 15 and the definition of the boundary between the intermediate layer 15 and the anode current collector 21 (therefore, the definition of the thickness of the intermediate layer 15) will be described later.

図17に示すように、この中間層15は、上記還元処理後において、「MgOを含む粒子」(第1粒子。典型的には、固溶体(Mg,Ni)Oの粒子)と、「第1酸化物セラミックスを含む粒子及び第2酸化物セラミックスを含む粒子」(第2粒子。典型的には、Y粒子)と、「Niを含む金属微粒子」(第3粒子。典型的には、Ni粒子)と、を含む。この中間層15内では、第1粒子の表面に第3粒子が固着している。そして、隣接する第1粒子同士、及び、隣接する第1粒子及び第2粒子が、第3粒子を介して結合されている。なお、この第3粒子(固着したNi粒子)の存在によって、燃料ガスの「メタン(CH)→水素(H)の改質反応」が促進され得る。中間層15の気孔率は、支持基板10の気孔率、及び燃料極集電部21の気孔率より小さい。中間層15の気孔率の適正範囲については後述する。 As shown in FIG. 17, after the reduction treatment, the intermediate layer 15 includes “MgO-containing particles” (first particles. Typically, solid solution (Mg, Ni) O particles) and “first particles”. Particles containing oxide ceramics and particles containing second oxide ceramics "(second particles, typically Y 2 O 3 particles) and" metal fine particles containing Ni "(third particles, typically Ni particles). In the intermediate layer 15, the third particles are fixed to the surface of the first particles. And adjacent 1st particle | grains and the adjacent 1st particle | grain and 2nd particle | grain are couple | bonded through 3rd particle | grains. The presence of the third particles (fixed Ni particles) can promote the fuel gas “reforming reaction of methane (CH 4 ) → hydrogen (H 2 )”. The porosity of the intermediate layer 15 is smaller than the porosity of the support substrate 10 and the porosity of the fuel electrode current collector 21. The appropriate range of the porosity of the intermediate layer 15 will be described later.

換言すれば、この中間層15は、MgOとNiOとの固溶体である(Mg,Ni)Oと、「第1酸化物セラミックス」と、「第2酸化物セラミックス」と、Niと、を含む。加えて、中間層15における(中間層15の厚さ方向において)燃料極集電部21に近い部分(近い側)では、中間層15における(中間層15の厚さ方向において)支持基板10に近い部分(近い側)と比べて、「Niの含有モル比率」及び「第2酸化物セラミックスの含有モル比率」が相対的に大きく、且つ、「Mgの含有モル比率」及び「第1酸化物セラミックスの含有モル比率」が相対的に小さい。   In other words, the intermediate layer 15 includes (Mg, Ni) O, which is a solid solution of MgO and NiO, “first oxide ceramics”, “second oxide ceramics”, and Ni. In addition, in the intermediate layer 15 (in the thickness direction of the intermediate layer 15), the portion close to the anode current collector 21 (on the near side), the support layer 10 in the intermediate layer 15 (in the thickness direction of the intermediate layer 15). Compared with the close part (near side), “Ni molar ratio” and “second oxide ceramics molar ratio” are relatively large, and “Mg molar ratio” and “first oxide”. The “ceramic content molar ratio” is relatively small.

この中間層15は、以下のように形成される。先ず、中間層15の原料粉末としてのMgO粉末とNiO粉末がモル比で1:1になるように秤量された。次いで、これらの混合物が大気雰囲気1400℃で5時間焼成された。これにより、MgOとNiOの固溶体((Mg,Ni)O)が作製された。この固溶体は、還元雰囲気において非常に還元され難い性質を有する。なお、完全に固溶が完了していることは、粉末X線回折等によって確認された。この固溶体がポットミルで粉砕され、D50=0.52μmの粉末が得られた。得られた粉末に溶剤、バインダーを添加してスラリーが作製された。このスラリーがスプレーコート法によって、上述した支持基板の成形体10g(図6を参照)の各凹部にそれぞれ塗布されて、中間層の成形膜15gが形成された(図8を参照)。その後、上述のように、中間層の成形膜15gが、支持基板の成形体10g、及び燃料極集電層の成形体21gと、共焼成される(図13→図14を参照)。この共焼成の際、支持基板10内の「MgO、及び、第1酸化物セラミックス」、並びに、燃料極集電部21内の「NiO、及び、第2酸化物セラミックス」が、中間層15内に拡散により進入してくる。この結果、「中間層15における燃料極集電部21に近い側」では、「中間層15における支持基板10に近い側」と比べて、「Niの含有モル比率」及び「第2酸化物セラミックスの含有モル比率」が相対的に大きく、且つ、「Mgの含有モル比率」及び「第1酸化物セラミックスの含有モル比率」が相対的に小さくなる。なお、拡散によって中間層15の内部に侵入してきたNiOとMgOとが反応して固溶体((Mg,Ni)O)が新たに形成され得る。その後、上述した還元処理等の実行により、固溶体(Mg,Ni)Oの還元が進行すると、図17に示すように、(Mg,Ni)Oの粒子の表面に、Niの微粒子が析出してくる。このNi微粒子の析出に伴い、隣接する(Mg,Ni)O粒子同士、及び、隣接する(Mg,Ni)O粒子及びY粒子が、Niの微粒子を介して固着・結合される。この結果、図17に示す構造を有する中間層15が得られる。 The intermediate layer 15 is formed as follows. First, the MgO powder and NiO powder as the raw material powder of the intermediate layer 15 were weighed so as to have a molar ratio of 1: 1. Subsequently, these mixtures were fired at 1400 ° C. in an air atmosphere for 5 hours. Thereby, the solid solution ((Mg, Ni) O) of MgO and NiO was produced. This solid solution has the property that it is very difficult to reduce in a reducing atmosphere. In addition, complete solid solution was confirmed by powder X-ray diffraction or the like. This solid solution was pulverized by a pot mill to obtain a powder having D50 = 0.52 μm. A slurry was prepared by adding a solvent and a binder to the obtained powder. This slurry was applied to each concave portion of the above-mentioned support substrate molded body 10g (see FIG. 6) by a spray coating method to form an intermediate layer molded film 15g (see FIG. 8). Thereafter, as described above, the intermediate layer molded film 15g is co-fired with the support substrate molded body 10g and the fuel electrode current collecting layer molded body 21g (see FIGS. 13 to 14). During the co-firing, “MgO and first oxide ceramics” in the support substrate 10 and “NiO and second oxide ceramics” in the fuel electrode current collector 21 are in the intermediate layer 15. It enters by diffusion. As a result, the “side of the intermediate layer 15 close to the fuel electrode current collector 21” and the “side of the intermediate layer 15 close to the support substrate 10” and “the molar ratio of Ni” and “second oxide ceramics” The “content molar ratio of” is relatively large, and the “content molar ratio of Mg” and “content molar ratio of the first oxide ceramics” are relatively small. Note that NiO and MgO that have entered the intermediate layer 15 by diffusion react with each other to form a new solid solution ((Mg, Ni) O). Thereafter, when the reduction of the solid solution (Mg, Ni) O proceeds by the above-described reduction treatment or the like, as shown in FIG. 17, Ni fine particles are deposited on the surface of the (Mg, Ni) O particles. come. Accompanying the precipitation of the Ni fine particles, the adjacent (Mg, Ni) O particles, and the adjacent (Mg, Ni) O particles and Y 2 O 3 particles are fixed and bonded through the Ni fine particles. As a result, the intermediate layer 15 having the structure shown in FIG. 17 is obtained.

なお、支持基板の成形体10gと燃料極集電部の成形体21gとの境界部分に上述した中間層の成形膜15gが介在しない状態で、支持基板の成形体10gと燃料極集電部の成形体21gとが共焼成された場合においても、支持基板10内のMgO、及び、燃料極集電部21内のNiOが中間層15内に拡散することに起因して、支持基板10と燃料極集電部21との境界部分に固溶体(Mg,Ni)Oが自然に生成され得る。このように自然に生成された固溶体(Mg,Ni)Oが、上述した還元処理等の実行により還元された場合においても、上述と同様、(Mg,Ni)Oの粒子の表面に、Niの微粒子が析出してくる。このNi微粒子の析出に伴い、隣接する(Mg,Ni)O粒子同士、及び、隣接する(Mg,Ni)O粒子及びY粒子が、Niの微粒子を介して固着・結合される。即ち、この場合も、図17に示す構造を有する中間層15が得られる。 In addition, in the state where the above-described intermediate layer molding film 15g is not present at the boundary portion between the support substrate molded body 10g and the fuel electrode current collector molded body 21g, Even when the molded body 21g is co-fired, MgO in the support substrate 10 and NiO in the fuel electrode current collector 21 diffuse into the intermediate layer 15, and thus the support substrate 10 and the fuel A solid solution (Mg, Ni) O can be naturally generated at the boundary with the pole current collector 21. Even in the case where the solid solution (Mg, Ni) O thus naturally generated is reduced by performing the above-described reduction treatment or the like, the surface of the (Mg, Ni) O particles is similar to the above. Fine particles are deposited. Accompanying the precipitation of the Ni fine particles, the adjacent (Mg, Ni) O particles, and the adjacent (Mg, Ni) O particles and Y 2 O 3 particles are fixed and bonded through the Ni fine particles. That is, also in this case, the intermediate layer 15 having the structure shown in FIG. 17 is obtained.

上述のように、支持基板10と燃料極集電部21との境界部分に図16に示す中間層15が介在することによって、以下の作用・効果が奏される。即ち、上記還元処理の際、燃料極20中にはNiOが多量に含まれていることに起因して、このNiOがNiに還元されることによって燃料極20が収縮する(還元収縮)。一方、還元される物質の含有量の少ない支持基板10の収縮量は小さい。従って、支持基板10と燃料極集電部21との境界部分に中間層15が介在しない場合、支持基板10と燃料極集電部21との境界部分に、両者の収縮量の差に起因する過大な歪(従って、熱応力)が生じ得る。この過大な熱応力によって、支持基板10と燃料極集電部21との境界部分にクラックが発生する場合があった。これに対し、上記実施形態に係るSOFCでは、支持基板10と燃料極集電部21との境界部分に、支持基板10及び燃料極集電部21と比べて気孔率が小さい中間層15が介在している。換言すれば、支持基板10及び燃料極集電部21の境界部分に、支持基板10及び燃料極集電部21と比べて強度が高い中間層15が介在している。この結果、上述したクラックが発生し難くなる、と考えられる。   As described above, when the intermediate layer 15 shown in FIG. 16 is interposed in the boundary portion between the support substrate 10 and the fuel electrode current collector 21, the following operations and effects are achieved. That is, during the reduction process, the fuel electrode 20 contains a large amount of NiO, and the NiO is reduced to Ni, so that the fuel electrode 20 contracts (reduction contraction). On the other hand, the shrinkage amount of the support substrate 10 with a small content of the substance to be reduced is small. Therefore, when the intermediate layer 15 is not interposed at the boundary portion between the support substrate 10 and the fuel electrode current collector 21, the boundary portion between the support substrate 10 and the fuel electrode current collector 21 is caused by the difference in contraction amount between the two. Excessive strain (and hence thermal stress) can occur. Due to this excessive thermal stress, a crack may occur at the boundary between the support substrate 10 and the fuel electrode current collector 21. On the other hand, in the SOFC according to the above embodiment, the intermediate layer 15 having a lower porosity than the support substrate 10 and the fuel electrode current collector 21 is interposed at the boundary portion between the support substrate 10 and the fuel electrode current collector 21. doing. In other words, the intermediate layer 15 having a higher strength than the support substrate 10 and the fuel electrode current collector 21 is interposed at the boundary between the support substrate 10 and the fuel electrode current collector 21. As a result, it is considered that the cracks described above are difficult to occur.

なお、図16に示す中間層15では、中間層15が1層で構成され、「中間層15における燃料極集電部21に近い側」と、「中間層15における支持基板10に近い側」との間では、明確な境界は存在しない。これに対し、図18に示すように、中間層15が2層(又は、3層以上)で構成され、「中間層15における支持基板10に近い側」の層15aと、「中間層15における燃料極集電部21に近い側」の層15bと、の間で明確な境界が存在していてもよい。層15aは、層15bと比べて、Mgの含有モル比率が相対的に大きく、且つ、Niの含有モル比率が相対的に小さい。図18に示す構成は、例えば、以下のように作成される。即ち、上述した支持基板の成形体10g(図6を参照)の各凹部に中間層の成形膜15gが形成される際、成形膜15gが、「支持基板10に近い側の膜」と、「燃料極集電部21に近い側の膜」、との2層で構成される。「支持基板10に近い側の膜」用のスラリー((Mg,Ni)Oを含む)では、「燃料極集電部21に近い側の膜」用のスラリー((Mg,Ni)Oを含む)と比べて、「Mgの含有モル比率」及び「第1酸化物セラミックスの含有モル比率」が相対的に大きく、且つ、「Niの含有モル比率」及び「第2酸化物セラミックスの含有モル比率」が相対的に小さい。この2層からなる「中間層の成形膜15g」が、支持基板の成形体10g、及び燃料極集電層の成形体21gと、共焼成される。その後、これらの焼成体が上述した還元処理に供される。この結果、図18に示した中間層15(=層15a+層15b)が得られる。層15a、及び層15b共に、図17に示す構造を有する。   In the intermediate layer 15 shown in FIG. 16, the intermediate layer 15 is composed of one layer, “a side near the fuel electrode current collector 21 in the intermediate layer 15” and “a side near the support substrate 10 in the intermediate layer 15”. There is no clear boundary between On the other hand, as shown in FIG. 18, the intermediate layer 15 is composed of two layers (or three or more layers). A clear boundary may exist between the layer 15b on the side close to the fuel electrode current collector 21. The layer 15a has a relatively high Mg content molar ratio and a relatively low Ni content molar ratio compared to the layer 15b. The configuration shown in FIG. 18 is created as follows, for example. That is, when the intermediate layer molding film 15g is formed in each concave portion of the above-described support substrate molding 10g (see FIG. 6), the molding film 15g becomes “a film closer to the support substrate 10” and “ It is composed of two layers, “a membrane close to the fuel electrode current collector 21”. The slurry (including (Mg, Ni) O) on the side closer to the support substrate 10 includes the slurry ((Mg, Ni) O on the side closer to the fuel electrode current collector 21). ”And“ Molar ratio of Mg ”and“ Molar ratio of the first oxide ceramics ”are relatively large, and“ Molar mole ratio of Ni ”and“ Molar ratio of the second oxide ceramics ” "Is relatively small. The two-layered “middle layer molded film 15g” is co-fired with the support substrate molded body 10g and the fuel electrode current collecting layer molded body 21g. Thereafter, these fired bodies are subjected to the reduction treatment described above. As a result, the intermediate layer 15 (= layer 15a + layer 15b) shown in FIG. 18 is obtained. Both the layer 15a and the layer 15b have the structure shown in FIG.

(中間層の気孔率の適正範囲)
上記実施形態に係るSOFCでは、通常の環境下で稼働される場合には、中間層15と支持基板10との界面、又は、中間層15と燃料極集電部21との界面(以下、単に「中間層15の界面」と呼ぶ)に剥離が発生しない。しかしながら、このSOFCが熱応力的に過酷な環境下で稼働されると、中間層15の界面に剥離が発生する場合があった。加えて、このように中間層15が介挿されると、SOFCの限界燃料利用率が極端に低下する場合があった。本発明者は、中間層15の界面の剥離の発生、及び、SOFCの限界燃料利用率の低下が、中間層15の気孔率と強い相関があることを見出した。以下、このことを確認した試験について説明する。
(Proper range of porosity of the intermediate layer)
In the SOFC according to the above-described embodiment, when operated in a normal environment, the interface between the intermediate layer 15 and the support substrate 10 or the interface between the intermediate layer 15 and the fuel electrode current collector 21 (hereinafter simply referred to as “intermediate layer 15”). No peeling occurs at the “interface of the intermediate layer 15”). However, when this SOFC is operated under a severe environment in terms of thermal stress, peeling may occur at the interface of the intermediate layer 15. In addition, when the intermediate layer 15 is inserted in this way, the SOFC limit fuel utilization rate may be extremely reduced. The inventor has found that the occurrence of delamination at the interface of the intermediate layer 15 and the decrease in the SOFC limit fuel utilization rate have a strong correlation with the porosity of the intermediate layer 15. Hereinafter, a test for confirming this will be described.

(試験)
この試験では、図1に示したSOFCについて、支持基板10の気孔率、燃料極集電部21の気孔率、及び、中間層15の気孔率の組み合わせが異なる複数のサンプルが作製された。具体的には、表1に示すように、8種類の水準(組み合わせ)が準備された。各水準に対して10個のサンプル(N=10)が作製された。各サンプルについて、中間層15の境界は、以下のように定義された。先ず、サンプルの断面におけるEDS(エネルギー分散型X線分析)を用いたNiとMgについての元素定量分析(ライン分析)を、支持基板側から燃料極集電部側に向けて積層方向に関して連続的に行う。前記断面について、モル比で「Ni/(Ni+Mg)」の値が0.30を超えた位置を「中間層と支持基板との界面」と定義し、モル比で「Ni/(Ni+Mg)」の値が0.90を超えた位置を「中間層と燃料極集電部との界面」と定義する。中間層15の厚さとしては、前記断面の任意の10箇所でそれぞれ測定された「両界面間の距離」の平均値を採用する。
(test)
In this test, a plurality of samples having different combinations of the porosity of the support substrate 10, the porosity of the fuel electrode current collector 21 and the porosity of the intermediate layer 15 were produced for the SOFC shown in FIG. Specifically, as shown in Table 1, eight levels (combinations) were prepared. Ten samples (N = 10) were made for each level. For each sample, the boundary of the intermediate layer 15 was defined as follows. First, elemental quantitative analysis (line analysis) of Ni and Mg using EDS (energy dispersive X-ray analysis) in the cross section of the sample is continuously performed in the stacking direction from the support substrate side to the fuel electrode current collector side. To do. With respect to the cross section, the position where the value of “Ni / (Ni + Mg)” exceeds 0.30 in terms of molar ratio is defined as “the interface between the intermediate layer and the support substrate”, and “Ni / (Ni + Mg)” in molar ratio. The position where the value exceeds 0.90 is defined as “the interface between the intermediate layer and the fuel electrode current collector”. As the thickness of the intermediate layer 15, an average value of “distance between both interfaces” measured at any 10 points in the cross section is adopted.

Figure 2015173091
Figure 2015173091

各サンプル(図1に示すSOFC)にて、中間層15は、支持基板10と燃料極集電部21との境界部分の全域(即ち、各凹部12の底壁及び側壁の全域)に亘って形成された。中間層15は、「中間層の成形膜15g」が支持基板の成形体10g及び燃料極集電層の成形体21gと共焼成され、その後、その焼成体に対して還元処理が施されることよって形成された。各サンプルについて、支持基板10の材料としてはMgO−Y、NiO/Ni-MgO−Y、MgO−MgAl、NiO/Ni-MgO−MgAl等が使用された。燃料極集電部21の材料としてはNiO/Ni-YSZ、NiO/Ni-CSZ、NiO/Ni-Y等が使用された。中間層15の材料としてはNiO/Ni-MgO−YSZ−Y、NiO/Ni-MgO−YSZ−MgAl、NiO/Ni-MgO−CSZ−MgAl等が使用された。中間層15の厚さは3〜100μmであった。支持基板10、燃料極集電部21、及び中間層15のそれぞれの気孔率の調整は、対応する成形体の作製に使用されるスラリー内に含まれる造孔材の量及び径を調整すること等によってなされた。表1に示すように、支持基板の気孔率は25〜55%であり、燃料極の気孔率は25〜55%であった。 In each sample (SOFC shown in FIG. 1), the intermediate layer 15 extends over the entire boundary portion between the support substrate 10 and the anode current collector 21 (that is, the entire bottom wall and side walls of each recess 12). Been formed. The intermediate layer 15 is obtained by co-firing the “middle layer molded film 15 g” with the support substrate molded body 10 g and the anode current collecting layer molded body 21 g, and then subjecting the fired body to a reduction treatment. Thus formed. For each sample, MgO—Y 2 O 3 , NiO / Ni—MgO—Y 2 O 3 , MgO—MgAl 2 O 4 , NiO / Ni—MgO—MgAl 2 O 4, etc. are used as the material of the support substrate 10. It was. NiO / Ni—YSZ, NiO / Ni—CSZ, NiO / Ni—Y 2 O 3 or the like was used as the material for the fuel electrode current collector 21. As the material of the intermediate layer 15, NiO / Ni—MgO—YSZ—Y 2 O 3 , NiO / Ni—MgO—YSZ—MgAl 2 O 4 , NiO / Ni—MgO—CSZ—MgAl 2 O 4 or the like was used. . The thickness of the intermediate layer 15 was 3 to 100 μm. The adjustment of the porosity of each of the support substrate 10, the fuel electrode current collector 21, and the intermediate layer 15 is to adjust the amount and diameter of the pore former contained in the slurry used for producing the corresponding molded body. Made by etc. As shown in Table 1, the porosity of the support substrate was 25 to 55%, and the porosity of the fuel electrode was 25 to 55%.

この試験では、先ず、上記還元処理後の各サンプル(図1に示すSOFC)について、SOFCの限界燃料利用率が計測された。この計測は、「温度が800℃、電流密度が0.2A/cm」という条件下にて行われた。この計測の結果は表1に示すとおりである。 In this test, first, the limit fuel utilization rate of SOFC was measured for each sample after the reduction treatment (SOFC shown in FIG. 1). This measurement was performed under the conditions of “temperature is 800 ° C. and current density is 0.2 A / cm 2 ”. The results of this measurement are as shown in Table 1.

その後、各サンプルについて、「燃料極20に還元性の燃料ガスを流通させながら、雰囲気温度を常温から750℃まで2時間で上げた後に750℃から常温まで4時間で下げるパターン」を10回繰り返す熱サイクル試験を行った。そして、各サンプルについて、中間層15の界面の剥離の発生の有無が確認された。この確認は、目視、並びに、顕微鏡を使用した観察によってなされた。この結果は表1に示すとおりである。   Thereafter, for each sample, “a pattern in which the ambient temperature is raised from room temperature to 750 ° C. in 2 hours and then reduced from 750 ° C. to room temperature in 4 hours while reducing fuel gas is circulated through the fuel electrode 20” is repeated 10 times. A thermal cycle test was conducted. And about each sample, the presence or absence of peeling of the interface of the intermediate | middle layer 15 was confirmed. This confirmation was made by visual observation as well as observation using a microscope. The results are as shown in Table 1.

表1から理解できるように、支持基板10の気孔率が25〜55%であり且つ燃料極集電部21の気孔率が25〜55%である場合において、中間層15の気孔率が10%未満であると、中間層15の気孔率が10%以上の場合と比べて、SOFCの限界燃料利用率特性が極端に低下する。これは以下の理由に基づく、と考えられる。即ち、支持基板10の燃料ガス流路11を流れる燃料ガスは、支持基板10の内部の気孔、中間層15の内部の気孔、及び、燃料極集電部21の内部の気孔を順に通過して、燃料極活性部22に到達する。この過程において、中間層15の気孔率が小さ過ぎると、燃料ガスが中間層15の内部の気孔を極端に通過し難くなり、燃料ガスが燃料極活性部22に極端に到達し難くなる。この結果、燃料極活性部22(より正確には、燃料極活性部22と固体電解質膜40との界面近傍)にて酸素と反応し得る燃料ガスの量が極端に減少し、SOFCの限界燃料利用率が極端に低下する。   As understood from Table 1, when the porosity of the support substrate 10 is 25 to 55% and the porosity of the fuel electrode current collector 21 is 25 to 55%, the porosity of the intermediate layer 15 is 10%. If it is less than that, the limit fuel utilization characteristic of the SOFC is extremely lowered as compared with the case where the porosity of the intermediate layer 15 is 10% or more. This is considered based on the following reasons. That is, the fuel gas flowing through the fuel gas flow path 11 of the support substrate 10 sequentially passes through the pores inside the support substrate 10, the pores inside the intermediate layer 15, and the pores inside the fuel electrode current collector 21. The fuel electrode active part 22 is reached. In this process, if the porosity of the intermediate layer 15 is too small, the fuel gas hardly passes through the pores in the intermediate layer 15 and the fuel gas hardly reaches the fuel electrode active portion 22. As a result, the amount of fuel gas that can react with oxygen at the anode active portion 22 (more precisely, near the interface between the anode active portion 22 and the solid electrolyte membrane 40) is extremely reduced, and the fuel limit of SOFC The utilization rate drops extremely.

また、表1から理解できるように、支持基板10の気孔率が25〜55%であり且つ燃料極集電部21の気孔率が25〜55%である場合において、熱応力的に過酷な上記熱サイクル試験を行った後では、中間層15の気孔率が43%より大きいと、中間層15の気孔率が43%以下の場合と比べて、中間層15の界面に剥離が発生し易い。これは以下の理由に基づく、と考えられる。即ち、通常の環境下でSOFCが稼働される場合には、「支持基板10及び燃料極集電部21と比べて中間層15の気孔率が小さい」という気孔率の相対的な大小関係が成立することによって、中間層15の界面の剥離が発生しない程度の十分な中間層15の強度が確保され得る。一方、熱応力的に過酷な上記熱サイクル試験を行った後では、上記の気孔率の相対的な大小関係が成立していても、中間層15の気孔率が大き過ぎると、中間層15の界面の剥離が発生しない程度の十分な中間層15の強度が確保され得ない。この結果、中間層15の界面に剥離が発生する。   Further, as can be understood from Table 1, when the porosity of the support substrate 10 is 25 to 55% and the porosity of the fuel electrode current collector 21 is 25 to 55%, the above-mentioned severe thermal stress After the thermal cycle test is performed, if the porosity of the intermediate layer 15 is greater than 43%, the interface of the intermediate layer 15 is more likely to be peeled than when the porosity of the intermediate layer 15 is 43% or less. This is considered based on the following reasons. That is, when the SOFC is operated in a normal environment, the relative magnitude relationship of the porosity is established that “the porosity of the intermediate layer 15 is smaller than that of the support substrate 10 and the fuel electrode current collector 21”. By doing so, it is possible to ensure sufficient strength of the intermediate layer 15 to such an extent that peeling of the interface of the intermediate layer 15 does not occur. On the other hand, after the thermal cycle test that is severe in terms of thermal stress, even if the relative magnitude relationship of the porosity is established, if the porosity of the intermediate layer 15 is too large, Sufficient strength of the intermediate layer 15 to such an extent that no peeling of the interface occurs can not be ensured. As a result, peeling occurs at the interface of the intermediate layer 15.

以上より、中間層15の気孔率が10〜43%の範囲内であると、中間層15の界面の剥離の発生頻度が低減され、且つ、SOFCの限界燃料利用率が低下し難い、ということができる。   From the above, if the porosity of the intermediate layer 15 is in the range of 10 to 43%, the frequency of occurrence of delamination at the interface of the intermediate layer 15 is reduced, and the limit fuel utilization rate of the SOFC is difficult to decrease. Can do.

なお、本発明者は、通常の条件・環境下(例えば、常温から750℃まで4時間で上げた後に750℃から常温まで12時間で下げるパターン)にて上記実施形態が使用される場合、中間層15の気孔率が43%より大きくても、中間層15の界面の剥離が発生しないことを別途確認している。また、中間層15の気孔率は、中間層15の内部に亘って均一でなくてもよい。具体的には、「中間層15における燃料極集電部21に近い側」の気孔率が「中間層15における支持基板10に近い側」の気孔率より大きくてもよい。   In addition, when the above embodiment is used under normal conditions and environment (for example, a pattern in which the temperature is raised from room temperature to 750 ° C. in 4 hours and then lowered from 750 ° C. to room temperature in 12 hours), It has been separately confirmed that even if the porosity of the layer 15 is greater than 43%, no peeling of the interface of the intermediate layer 15 occurs. Further, the porosity of the intermediate layer 15 may not be uniform over the inside of the intermediate layer 15. Specifically, the porosity of the “side of the intermediate layer 15 close to the fuel electrode current collector 21” may be larger than the porosity of the “side of the intermediate layer 15 close to the support substrate 10”.

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、図6等に示すように、支持基板10に形成された凹部12の平面形状(支持基板10の主面に垂直の方向からみた場合の形状)が、長方形になっているが、例えば、正方形、円形、楕円形、長穴形状等であってもよい。また、支持基板10は平板状を呈しているが、円筒状であってもよい。   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, as shown in FIG. 6 and the like, the planar shape of the recess 12 formed in the support substrate 10 (the shape when viewed from the direction perpendicular to the main surface of the support substrate 10) is a rectangle. However, it may be, for example, a square, a circle, an ellipse, or a long hole shape. Further, the support substrate 10 has a flat plate shape, but may have a cylindrical shape.

また、上記実施形態においては、平板状の支持基板10の上下面のそれぞれに複数の凹部12が形成され且つ複数の発電素子部Aが設けられているが、支持基板10の片側面のみに複数の凹部12が形成され且つ複数の発電素子部Aが設けられていてもよい。また、上記実施形態においては、支持基板10の一つの主面上に、電気的に直列に接続された複数の発電素子部Aが配置された所謂「横縞型」と呼ばれる構成が採用されているが、支持基板10の一つの主面上に一つの発電素子部Aが配置される構成(所謂「縦縞型」)が採用されてもよい。   Further, in the above embodiment, a plurality of recesses 12 are formed on each of the upper and lower surfaces of the flat support substrate 10 and a plurality of power generation element portions A are provided, but a plurality of recesses 12 are provided only on one side of the support substrate 10. , And a plurality of power generating element portions A may be provided. Further, in the above-described embodiment, a so-called “horizontal stripe type” configuration in which a plurality of power generation element portions A electrically connected in series is disposed on one main surface of the support substrate 10 is employed. However, a configuration in which one power generation element portion A is disposed on one main surface of the support substrate 10 (so-called “vertical stripe type”) may be employed.

また、上記実施形態においては、燃料極20が燃料極集電部21と燃料極活性部22との2層で構成されているが、燃料極20が燃料極活性部22に相当する1層(Ni+酸化物セラミックス)で構成されてもよい。また、上記実施形態においては、支持基板10の主面に複数の凹部12が形成され、各凹部12に燃料極20がそれぞれ埋設されているが、図22に示すように、支持基板10の主面上に燃料極20がそれぞれ積層されていてもよい。この場合、図22に示すように、中間層15は、支持基板10の主面上における、支持基板10と燃料極20との境界部分に形成される。   Further, in the above-described embodiment, the fuel electrode 20 is composed of two layers of the fuel electrode current collector 21 and the fuel electrode active unit 22, but the fuel electrode 20 is one layer corresponding to the fuel electrode active unit 22 ( (Ni + oxide ceramics). Further, in the above embodiment, a plurality of recesses 12 are formed on the main surface of the support substrate 10 and the fuel electrode 20 is embedded in each recess 12, but as shown in FIG. The fuel electrode 20 may be laminated on the surface. In this case, as shown in FIG. 22, the intermediate layer 15 is formed on a boundary portion between the support substrate 10 and the fuel electrode 20 on the main surface of the support substrate 10.

加えて、上記実施形態においては、各燃料極20(集電部21及び活性部22)が支持基板の主面に形成された凹部12に埋設されているが、図19に示すように、支持基板の主面に凹部が形成されず、各燃料極20(集電部21及び活性部22)が支持基板の主面から突出するように形成されていてもよい。この場合、図19に示すように、中間層15に段差が形成されない。   In addition, in the above embodiment, each fuel electrode 20 (current collector 21 and active part 22) is embedded in the recess 12 formed in the main surface of the support substrate. However, as shown in FIG. The recesses may not be formed on the main surface of the substrate, and each fuel electrode 20 (current collector 21 and active portion 22) may be formed so as to protrude from the main surface of the support substrate. In this case, no step is formed in the intermediate layer 15 as shown in FIG.

10…支持基板、11…燃料ガス流路、12…凹部、15…中間層、20…燃料極、21…燃料極集電部、21a、21b…凹部、22…燃料極活性部、30…インターコネクタ、40…固体電解質膜、50…反応防止膜、60…空気極、70…空気極集電膜、A…発電素子部   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Support substrate, 11 ... Fuel gas flow path, 12 ... Recess, 15 ... Intermediate layer, 20 ... Fuel electrode, 21 ... Fuel electrode current collector, 21a, 21b ... Recess, 22 ... Fuel electrode active part, 30 ... Inter Connector: 40 ... Solid electrolyte membrane, 50 ... Reaction prevention membrane, 60 ... Air electrode, 70 ... Air electrode current collector membrane, A ... Power generation element part

Claims (2)

ガス流路が内部に形成されるとともに、酸化マグネシウム(MgO)と第1酸化物セラミックスとを含んで構成された支持基板と、
前記支持基板に設けられるとともに、ニッケル(Ni)と第2酸化物セラミックスとを含んで構成された燃料極と、固体電解質と、空気極とがこの順に積層されてなる発電素子部と、
を備えた燃料電池であって、
前記支持基板と前記燃料極との境界部分に中間層が介在し、
前記中間層は、
酸化マグネシウム(MgO)と酸化ニッケル(NiO)との固溶体である(Mg,Ni)Oと、前記第1酸化物セラミックスと、前記第2酸化物セラミックスと、を含み、
前記燃料電池が還元雰囲気で熱処理が施された還元体である状態において、
前記中間層の気孔率は前記支持基板の気孔率及び前記燃料極の気孔率より小さく、前記支持基板の気孔率は25〜55%であり、前記燃料極の気孔率は25〜55%であり、前記中間層の気孔率は10〜43%である、燃料電池。
A support substrate configured to include a magnesium oxide (MgO) and a first oxide ceramic while a gas flow path is formed therein;
A power generating element unit that is provided on the support substrate and in which a fuel electrode including nickel (Ni) and a second oxide ceramic, a solid electrolyte, and an air electrode are stacked in this order;
A fuel cell comprising:
An intermediate layer is interposed at a boundary portion between the support substrate and the fuel electrode,
The intermediate layer is
(Mg, Ni) O that is a solid solution of magnesium oxide (MgO) and nickel oxide (NiO), the first oxide ceramics, and the second oxide ceramics,
In a state where the fuel cell is a reductant that has been heat-treated in a reducing atmosphere,
The porosity of the intermediate layer is smaller than the porosity of the support substrate and the porosity of the fuel electrode, the porosity of the support substrate is 25 to 55%, and the porosity of the fuel electrode is 25 to 55%. The fuel cell has a porosity of 10 to 43%.
請求項1に記載の燃料電池において、
前記中間層の厚さは、3〜100μmである、燃料電池。
The fuel cell according to claim 1, wherein
The thickness of the said intermediate | middle layer is a fuel cell which is 3-100 micrometers.
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