JP2019102377A - Joint material and assembly - Google Patents

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Abstract

To provide an assembly having a current collecting part, which is arranged so that the change in volume in oxidation and reduction can be suppressed.SOLUTION: An assembly comprising solid oxide fuel battery cells 10A, 10B, metal members 20, 20A, and current collecting parts 30 for connecting the solid oxide fuel battery cells 10A, 10B with the metal members 20, 20A is provided according to the present invention. The current collecting parts 30 each include: a primary material consisting of metal or its oxide; and a reduction expanding auxiliary material represented by the general formula, ABO(where x is 0 or 1; A includes at least one kind of lanthanoids; B includes at least one transition metal element when x is 1; and δ is a value determined so as to satisfy an electric charge neutral condition). When the total quantity of the metal of the primary material and the auxiliary material under a reduction atmosphere is 100 vol.%, the volume percentage of the metal of the primary material is 50 vol.% or more and 98 vol.% or less.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、接合材および接合体に関する。   The present invention relates to a bonding material and a bonded body.

固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)の単セルは、燃料極(アノード)と固体電解質層と空気極(カソード)とがこの順に積層された構造を有する。SOFCの運転時には、例えば600℃以上の高温下において、空気極側の固体電解質層の表面に酸素含有ガスが供給され、燃料極側の固体電解質層の表面に燃料ガスが供給され、発電が行われる。   A single cell of a solid oxide fuel cell (SOFC: Solid Oxide Fuel Cell) has a structure in which a fuel electrode (anode), a solid electrolyte layer, and an air electrode (cathode) are stacked in this order. At the time of SOFC operation, for example, at a high temperature of 600 ° C. or higher, the oxygen-containing gas is supplied to the surface of the solid electrolyte layer on the air electrode side, and the fuel gas is supplied to the surface of the solid electrolyte layer on the fuel electrode side. It will be.

SOFCの単セルは、出力密度や発電効率を向上する観点から、実用的には、複数個がインターコネクタを介して電気的に接続されたSOFCスタックとして使用される。SOFCの単セルとインターコネクタとは、集電部によって電気的に接続されている。この集電部は、従来、高温下での電子伝導性や耐久性に優れる材料、例えば、Ni、Ag等の金属材料で形成されていた(特許文献1〜3参照)。   From the viewpoint of improving the power density and the power generation efficiency, a single SOFC cell is practically used as a SOFC stack in which a plurality is electrically connected via an interconnector. The single cell of the SOFC and the interconnector are electrically connected by a current collector. The current collecting portion is conventionally formed of a material excellent in electron conductivity and durability under high temperature, for example, a metal material such as Ni, Ag, etc. (see Patent Documents 1 to 3).

特開2008−200724号公報JP, 2008-200724, A 特開2008−293984号公報JP, 2008-293984, A 特開2009−205821号公報JP, 2009-205821, A

しかし、燃料極側の集電部が上記のような金属材料で構成されている場合、SOFCが運転と停止とを繰り返すことで、当該集電部に剥離やクラック等の不具合を生じることがあった。すなわち、燃料側の集電部は、SOFCの停止時には、空気に曝されて酸化雰囲気にある。一方で、SOFCの運転時には、燃料ガス(例えば水素ガス)に曝されて還元雰囲気となる。この酸化雰囲気から還元雰囲気への変化によって、燃料側の集電部では、金属材料が還元されて酸化物の状態から金属の状態へと変化する。その結果、金属材料の体積が減少し、燃料極とインターコネクタとの接触面積が減少する。また、SOFCのシャットダウン時に空気が流入されると、燃料側の集電部は、酸化雰囲気に曝される。これにより、燃料側の集電部では、金属材料が酸化されて金属の状態から酸化物の状態へと戻る。その結果、金属材料の体積が膨張する。以上のような酸化還元の繰り返しによって燃料側の集電部に剥離やクラック等の不具合が生じ、SOFCスタックの耐久性や信頼性が低下することがあった。   However, in the case where the current collecting portion on the fuel electrode side is made of the above-described metal material, the SOFC repeatedly performs operation and stop, which may cause problems such as peeling and cracks in the current collecting portion. The That is, at the time of stopping the SOFC, the fuel side current collector is exposed to air and is in an oxidizing atmosphere. On the other hand, at the time of operation of SOFC, it is exposed to fuel gas (for example, hydrogen gas) and it becomes reductive atmosphere. Due to the change from the oxidizing atmosphere to the reducing atmosphere, the metal material is reduced in the current collecting portion on the fuel side to change from an oxide state to a metal state. As a result, the volume of the metal material is reduced, and the contact area between the fuel electrode and the interconnector is reduced. In addition, when air is introduced during shutdown of the SOFC, the fuel-side current collector is exposed to an oxidizing atmosphere. As a result, in the fuel-side current collector, the metal material is oxidized to return from the metal state to the oxide state. As a result, the volume of the metallic material expands. By repetition of the above-mentioned oxidation reduction, problems such as peeling and cracks occur in the current collecting portion on the fuel side, which may lower the durability and reliability of the SOFC stack.

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、酸化還元時の体積変化が抑えられた集電部を備える接合体、および上記集電部を形成することのできる接合材を提供することである。   This invention is made in view of this point, The objective is the joint material provided with the current collection part by which the volume change at the time of oxidation reduction was suppressed, and the jointing material which can form the above-mentioned current collection part. To provide.

本発明により、固体酸化物形燃料電池セルと、金属部材と、上記固体酸化物形燃料電池セルと上記金属部材とを接続する集電部と、を備える接合体が提供される。上記集電部は、金属またはその酸化物からなる主材と、一般式(1):AB3−δ(ここで、xは0または1であり、Aは少なくとも1種のランタノイド元素を含み、xが1のとき、Bは少なくとも1種の遷移金属元素を含み、δは、電荷の中性条件を満たすように定まる値である。);で表される還元膨張性の副材と、を含み、還元雰囲気下において、電子顕微鏡観察−エネルギー分散型X線分析法(SEM−EDX:Scanning Electron Microscope - Energy Dispersive X-ray Spectroscope)に基づいて算出される上記主材の上記金属と上記副材との合計を100体積%としたときに、上記主材の上記金属の体積割合が、50体積%以上98体積%以下である。 According to the present invention, there is provided a joined body including a solid oxide fuel cell, a metal member, and a current collector connecting the solid oxide fuel cell and the metal member. The collector portion is a main material composed of a metal or its oxide, and a compound represented by the general formula (1): AB x O 3-δ (where x is 0 or 1 and A is at least one lanthanoid element) And when x is 1, B contains at least one transition metal element, and δ is a value determined to satisfy the neutral condition of the charge. , And in a reducing atmosphere, the above-mentioned metal of the above-mentioned main material and the above-mentioned main material calculated based on electron microscopy-energy dispersive X-ray analysis (SEM-EDX: Scanning Electron Microscope-Energy Dispersive X-ray Spectroscope) The volume ratio of the metal of the main material is 50% by volume or more and 98% by volume or less, where the total amount with the auxiliary material is 100% by volume.

上記集電部は、主材としての金属またはその酸化物に加えて、還元膨張性の副材を共に含んでいる。これにより、従来の金属材料のみからなる集電部に比べて、酸化還元時の体積変化を抑えることができる。その結果、上記集電部では、SOFCが運転と停止とを繰り返しても剥離やクラック等の不具合を生じ難くなる。また、金属材料のみからなる集電部を備える態様に比べて、接合体の耐久性や信頼性を向上することができる。したがって、上記集電部を備えた接合体は、高い発電性能を安定的に発揮することができる。   The current collector includes a reducing / expansive secondary material in addition to the metal as a main material or the oxide thereof. Thereby, the volume change at the time of oxidation reduction can be suppressed compared with the current collection part which consists only of the conventional metal material. As a result, even if the SOFC repeats operation and stop in the current collection unit, problems such as peeling and cracking are less likely to occur. Moreover, compared with the aspect provided with the current collection part which consists only of a metal material, durability and reliability of a joined body can be improved. Therefore, the joined body provided with the above-mentioned current collection part can exhibit high power generation performance stably.

なお、特許文献2,3には、ペロブスカイト型酸化物と金属酸化物とを含む導電性接合材、およびこれを備えた固体酸化物形燃料電池のスタックが開示されている。しかし、特許文献2,3に開示される接合材は、いずれもペロブスカイト型酸化物を主体とし、そこに僅かな金属酸化物を共存させた構成である。したがって、ここに開示される技術は、例えばペロブスカイト型酸化物と金属酸化物との共存比の点で、特許文献2,3とは明確に異なっている。   Patent documents 2 and 3 disclose a conductive bonding material containing a perovskite oxide and a metal oxide, and a stack of a solid oxide fuel cell provided with the same. However, each of the bonding materials disclosed in Patent Documents 2 and 3 is mainly composed of a perovskite-type oxide, in which a slight amount of metal oxide coexists. Therefore, the technology disclosed herein is distinct from Patent Documents 2 and 3 in terms of, for example, the coexistence ratio of the perovskite oxide and the metal oxide.

ここで開示される好適な一態様では、上記主材が、Fe,Ni,Cu,Ag,Ag−Pd合金およびそれらの酸化物のうちの少なくとも1つを含む。これらの材料は、コストと導電性とのバランスに優れる。したがって、比較的安価に、高温下での優れた導電性や耐久性を実現することができる。   In a preferred embodiment disclosed herein, the main material includes at least one of Fe, Ni, Cu, Ag, Ag—Pd alloy and their oxides. These materials are excellent in the balance between cost and conductivity. Therefore, excellent conductivity and durability under high temperature can be realized relatively inexpensively.

ここで開示される好適な一態様では、上記副材が、次の(A),(B):(A)上記一般式(1)のxが0であり、かつ、Aが少なくともCeを含む、セリウム含有酸化物;(B)上記一般式(1)のxが1である、ペロブスカイト型酸化物;のうちの少なくとも1つを含む。これらの材料は、高温下での導電性や耐久性に優れる。したがって、ここに開示される技術の効果をより良く発揮することができる。   In a preferred embodiment disclosed herein, the auxiliary material includes the following (A), (B): (A) in the general formula (1), x is 0, and A contains at least Ce. A cerium-containing oxide; (B) a perovskite-type oxide in which x in the general formula (1) is 1; These materials are excellent in conductivity and durability under high temperature. Therefore, the effects of the technology disclosed herein can be exhibited better.

ここで開示される好適な一態様では、上記集電部は、還元雰囲気下において、電子顕微鏡観察−エネルギー分散型X線分析法に基づいて算出される上記主材の上記金属と上記副材との合計を100体積%としたときに、上記主材の上記金属の体積割合が、80体積%以上95体積%以下である。これにより、ここに開示される技術の効果をより高いレベルで発揮することができる。   In a preferable aspect disclosed herein, the current collection unit includes the metal and the auxiliary material of the main material calculated based on electron microscopy-energy dispersive X-ray analysis in a reducing atmosphere. The volume ratio of the metal of the main material is 80% by volume or more and 95% by volume or less, with the total of 100% by volume. Thereby, the effects of the technology disclosed herein can be exhibited at a higher level.

ここで開示される好適な一態様では、上記固体酸化物形燃料電池セルは、燃料極と固体電解質と空気極とを有し、少なくとも上記燃料極と上記金属部材との間に上記集電部が配置されている。上記集電部は、酸化還元時の体積変化が抑えられていることから、SOFCの運転と停止とに伴って酸化雰囲気と還元雰囲気とに繰り返し曝される燃料極の側で好適に用いることができる。   In a preferred embodiment disclosed herein, the solid oxide fuel cell includes a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode, and the current collecting portion between at least the fuel electrode and the metal member. Is arranged. Since the above-mentioned current collection part is suppressed in volume change at the time of oxidation reduction, it should be suitably used on the side of the fuel electrode which is repeatedly exposed to the oxidizing atmosphere and the reducing atmosphere along with the operation and stop of the SOFC. it can.

ここで開示される好適な一態様では、上記集電部は、熱機械分析装置を用いて、酸化雰囲気中において25℃から700℃までの温度範囲で測定された熱膨張率Eair(%)から還元雰囲気中において上記温度範囲で測定された熱膨張率Ered(%)を差し引くことで求められる酸化還元時の体積変化率が、−0.01%以上+0.18%以下である。これにより、主材の還元収縮性をより良く抑制することができ、さらに高いレベルでここに開示される技術の効果を発揮することができる。 In a preferred embodiment disclosed herein, the current collection unit has a thermal expansion coefficient E air (%) measured in a temperature range of 25 ° C. to 700 ° C. in an oxidizing atmosphere using a thermomechanical analyzer. The volume change rate at the time of oxidation reduction calculated by subtracting the thermal expansion coefficient E red (%) measured in the above temperature range in a reducing atmosphere is −0.01% or more and 0.18% or less. As a result, the reduction shrinkage of the main material can be better suppressed, and the effects of the technology disclosed herein can be exhibited at a higher level.

また、本発明の他の側面として、上記接合体の製造において、上記集電部の形成に用いられる接合材が開示される。取扱性等の観点から、上記接合材は、溶媒を含み、ペースト状に調製されているとよい。   Moreover, the jointing material used for formation of the said current collection part in manufacture of the said joined body as another aspect of this invention is disclosed. From the viewpoint of handleability and the like, the bonding material preferably contains a solvent and is prepared in the form of a paste.

一実施形態に係るSOFCスタックを模式的に示す斜視図である。1 is a perspective view schematically showing an SOFC stack according to an embodiment. 比較例1のTMA測定チャートである。7 is a TMA measurement chart of Comparative Example 1; 比較例4のTMA測定チャートである。7 is a TMA measurement chart of Comparative Example 4;

以下、適宜図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄(例えば、本発明を特徴付けないSOFCの単セルの構成や、SOFCの製造プロセス等)は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。また、以下の図面において、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明し、重複する説明は省略または簡略化することがある。また、各図における寸法関係(長さ、幅、厚み等)は必ずしも実際の寸法関係を反映するものではない。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings as appropriate. The matters other than the matters specifically mentioned in the specification and necessary for the implementation of the present invention (for example, the configuration of a single cell of SOFC which does not characterize the present invention, the manufacturing process of SOFC, etc.) This can be understood as a design matter of a person skilled in the art based on prior art in the field. The present invention can be implemented based on the contents disclosed in the present specification and common technical knowledge in the field. Moreover, in the following drawings, the same code | symbol is attached | subjected and demonstrated to the member and site | part which show the same effect | action, and the overlapping description may be abbreviate | omitted or simplified. In addition, dimensional relationships (length, width, thickness, etc.) in the drawings do not necessarily reflect actual dimensional relationships.

なお、本明細書において「熱膨張係数」とは、熱機械分析装置(Thermomechanical Analysis:TMA)を用いて、室温(25℃)から700℃までの温度範囲で測定された平均線膨張係数αをいう。単位は、K−1である。特に断りのない限り、熱膨張係数の測定雰囲気は、酸化雰囲気(典型的には大気中、例えば酸素分圧が約0.2atmの雰囲気)である。 In the present specification, the “thermal expansion coefficient” means an average linear expansion coefficient α measured in a temperature range from room temperature (25 ° C.) to 700 ° C. using a thermomechanical analysis device (TMA). Say. The unit is K −1 . Unless otherwise noted, the measurement atmosphere of the thermal expansion coefficient is an oxidizing atmosphere (typically in the atmosphere, for example, an atmosphere having an oxygen partial pressure of about 0.2 atm).

平均線膨張係数αは、室温での長さがLの試験片の温度をTからT(T<T)まで変化させることによって試験片の長さがLからLまで変化したときに、室温での長さLに対する長さの変化量ΔL=(L−L)の比、すなわちΔL/Lを「熱膨張ε」とし、かかる熱膨張εを、温度差ΔT=(T−T)で除すことにより求められる。言い換えれば、平均線膨張係数αは、下記(式I)で算出することができる。
α=(L−L)/{L×(T−T)} ・・・(式I)
平均線膨張係数αの測定は、例えば、JIS Z 2285:2003「金属材料の線膨張係数の測定方法」やJIS R 1618:2002「ファインセラミックスの熱機械分析による熱膨張の測定方法」に準じて実施することができる。
The α average coefficient of linear expansion, from L 1 is the length of the specimen by varying the temperature T 1 of the test piece length L 0 at room temperature until T 2 (T 1 <T 2 ) to L 2 When changing, the ratio of the amount of change in length ΔL = (L 2 −L 1 ) to the length L 0 at room temperature, ie, ΔL / L 0 is taken as “thermal expansion ε”, and this thermal expansion ε is It is obtained by dividing by the difference ΔT = (T 2 −T 1 ). In other words, the average linear expansion coefficient α can be calculated by the following (formula I).
α = (L 2 −L 1 ) / {L 0 × (T 2 −T 1 )}... (formula I)
The measurement of the average linear expansion coefficient α is, for example, according to JIS Z 2285: 2003 “Method of measuring linear expansion coefficient of metal material” or JIS R 1618: 2002 “Method of measuring thermal expansion by thermal mechanical analysis of fine ceramics”. It can be implemented.

また、本明細書において「還元膨張量」とは、還元雰囲気中(典型的には100%水素ガス中)において室温(25℃)から700℃までの温度範囲で測定された熱膨張率Ered(%)から、酸化雰囲気中において上記温度範囲で測定された熱膨張率Eair(%)を差し引いた値(Ered−Eair)をいう。そして、本明細書では、この値が0%を超えること、言い換えれば、Ered>Eairであることを「還元膨張性を有する」という。なお、熱膨張率Eは、上記熱膨張εに100を掛けてパーセントに換算した値である。 Further, in the present specification, the “reduction expansion amount” means the thermal expansion coefficient E red measured in a temperature range from room temperature (25 ° C.) to 700 ° C. in a reducing atmosphere (typically in 100% hydrogen gas). A value (E red -E air ) obtained by subtracting the thermal expansion coefficient E air (%) measured in the above temperature range in an oxidizing atmosphere from (%). And, in the present specification, that this value exceeds 0%, in other words, that E red > E air is referred to as “having reduction expansivity”. The thermal expansion coefficient E is a value obtained by multiplying the above-mentioned thermal expansion ε by 100 and converting it into a percentage.

また、以下の説明において、集電部を形成するための接合材における配合比(仕込み比)を表す際には、主に「質量%」の単位を使用し、集電部(接合層)の状態における存在比を表す際には、主に「体積%」の単位を使用することとする。また、本明細書において「A〜B(ただし、A,Bが任意の値)」とは、特に断らない限りA以上B以下を意味するものとする。   Moreover, in the following description, when expressing the compounding ratio (feed ratio) in the bonding material for forming the current collector, the unit of “mass%” is mainly used, and the unit of the current collector (junction layer) is used. In expressing the abundance ratio in the state, the unit of "volume%" is mainly used. Further, in the present specification, "A to B (where A and B are arbitrary values)" mean A to B, respectively, unless otherwise specified.

<SOFCスタック(接合体)>
まず、固体酸化物形燃料電池(SOFC)について説明する。
図1は、一実施形態に係るSOFCスタック1を模式的に示す斜視図である。SOFCスタック1は、平板型である。SOFCスタック1は、複数のSOFCの単セル10A,10Bと、複数の金属製の金属インターコネクタ20,20Aと、第1集電部30および第2集電部40と、を備えている。SOFCスタック1は、SOFCの単セル10A,10Bが、金属インターコネクタ20,20Aを介して、所定の積層方向に積み重ねられたスタック構造を有する。第1集電部30および第2集電部40は、それぞれ、SOFCの単セル10A,10Bと金属インターコネクタ20,20Aとの間に介在され、SOFCの単セル10A,10Bと金属インターコネクタ20,20Aとを接合している。SOFCスタック1は、接合体の一例である。SOFCスタック1は、従来公知の方法に準じて製造することができる。
<SOFC stack (junction)>
First, a solid oxide fuel cell (SOFC) will be described.
FIG. 1 is a perspective view schematically showing an SOFC stack 1 according to an embodiment. The SOFC stack 1 is flat. The SOFC stack 1 includes a plurality of SOFC single cells 10A and 10B, a plurality of metal interconnectors 20 and 20A made of metal, and a first current collector 30 and a second current collector 40. The SOFC stack 1 has a stack structure in which single cells 10A and 10B of SOFCs are stacked in a predetermined stacking direction via metal interconnectors 20 and 20A. The first current collection unit 30 and the second current collection unit 40 are respectively interposed between the SOFC single cells 10A and 10B and the metal interconnectors 20 and 20A, and the SOFC single cells 10A and 10B and the metal interconnector 20 , 20A are joined. The SOFC stack 1 is an example of a junction. The SOFC stack 1 can be manufactured according to a conventionally known method.

単セル10A,10Bの構成は従来と同様でよく、特に限定されない。この実施形態では、単セル10A,10Bが、それぞれ、第1燃料極12と、第2燃料極14と、固体電解質層16と、空気極18と、を備えている。   The configuration of the single cells 10A and 10B may be the same as in the prior art, and is not particularly limited. In this embodiment, the unit cells 10A and 10B each include a first fuel electrode 12, a second fuel electrode 14, a solid electrolyte layer 16, and an air electrode 18.

第1燃料極12は、第2燃料極14と固体電解質層16と空気極18とに比べて厚めに形成されている。第1燃料極12は、支持基板としての機能を有する。第1燃料極12は、所謂、燃料極支持体である。第1燃料極12は、導電性材料を含んでいる。導電性材料は、例えば、ニッケル(Ni)成分を含むニッケル系の金属材料(例えばニッケル)である。導電性材料は、例えば、ニッケル系の金属材料と、安定化剤で安定化されたジルコニアとのサーメットであってもよい。その場合、金属材料と安定化ジルコニアとの比率は特に限定されないが、質量比で、概ね90:10〜40:60、例えば80:20〜45:55であるとよい。   The first fuel electrode 12 is formed thicker than the second fuel electrode 14, the solid electrolyte layer 16 and the air electrode 18. The first fuel electrode 12 has a function as a support substrate. The first fuel electrode 12 is a so-called fuel electrode support. The first fuel electrode 12 contains a conductive material. The conductive material is, for example, a nickel-based metal material (eg, nickel) containing a nickel (Ni) component. The conductive material may be, for example, a cermet of a nickel-based metal material and zirconia stabilized with a stabilizer. In that case, the ratio of the metal material to the stabilized zirconia is not particularly limited, but it is preferable that the weight ratio is approximately 90:10 to 40:60, for example, 80:20 to 45:55.

導電性材料の性状は特に限定されないが、典型的には粉末状である。導電性材料の平均粒径(レーザー回折・光散乱法で測定した体積基準の粒度分布において、微粒子側から累積50%に相当する粒子径。以下同じ。)は、概ね0.01〜5μm、例えば0.1〜2μmである。導電性材料が金属材料と安定化ジルコニアとのサーメットである場合、第1燃料極12の均質性や耐久性を高める観点からは、両者の平均粒径が概ね同等(例えば±0.5μm以内)であるとよい。   The properties of the conductive material are not particularly limited, but are typically in the form of powder. The average particle diameter of the conductive material (the particle diameter corresponding to 50% cumulative from the particle side in the volume-based particle size distribution measured by laser diffraction / light scattering method; the same applies hereinafter) is about 0.01 to 5 μm, for example 0.1 to 2 μm. When the conductive material is a cermet of a metal material and stabilized zirconia, from the viewpoint of enhancing the homogeneity and durability of the first fuel electrode 12, the average particle sizes of both are almost equal (for example, within ± 0.5 μm) It is good.

第1燃料極12の平均厚み(積層方向の長さ)は特に限定されないが、概ね0.3〜2mm、例えば0.5〜1mmである。第1燃料極12は、多孔質体である。第1燃料極12の気孔率(水銀圧入法で求められる空隙体積を見かけの体積で除して100を掛けることにより算出される値。以下同じ。)は特に限定されないが、概ね20〜50体積%、例えば30〜40体積%である。第1燃料極12の熱膨張係数は特に限定されないが、例えば、11×10−6〜14×10−6/Kである。 The average thickness (length in the stacking direction) of the first fuel electrode 12 is not particularly limited, but is approximately 0.3 to 2 mm, for example, 0.5 to 1 mm. The first fuel electrode 12 is a porous body. The porosity of the first fuel electrode 12 (value calculated by dividing the void volume determined by mercury intrusion method by the apparent volume and multiplying by 100. The same applies hereinafter) is not particularly limited, but approximately 20 to 50 volumes. %, For example 30 to 40% by volume. The thermal expansion coefficient of the first fuel electrode 12 is not particularly limited, and is, for example, 11 × 10 −6 to 14 × 10 −6 / K.

第2燃料極14は、第1燃料極12と固体電解質層16との間に介在している。第2燃料極14は、第1燃料極12よりも高い触媒活性を有する。第2燃料極14は、所謂、燃料極活性層である。第2燃料極14の構成材料は、第1燃料極12と同じであってもよく、一部または全部が異なっていてもよい。第2燃料極14は、第1燃料極12との一体性を高める観点から、第1燃料極12と同じニッケル系の金属材料(例えばニッケル)を含むとよい。第2燃料極14は、固体電解質層16との熱膨張の調和を高める観点から、酸化物イオン伝導体、例えば安定化ジルコニアを含むとよい。第2燃料極14の平均厚みは特に限定されないが、典型的には第1燃料極12よりも小さく、概ね100μm以下、例えば20〜50μmである。第2燃料極14は、多孔質体である。第2燃料極14の気孔率は特に限定されないが、典型的には第1燃料極12よりも小さく、概ね5〜30体積%、例えば10〜20体積%である。   The second fuel electrode 14 is interposed between the first fuel electrode 12 and the solid electrolyte layer 16. The second fuel electrode 14 has higher catalytic activity than the first fuel electrode 12. The second fuel electrode 14 is a so-called fuel electrode active layer. The constituent material of the second fuel electrode 14 may be the same as that of the first fuel electrode 12, or may be partially or entirely different. The second fuel electrode 14 may include the same nickel-based metal material (eg, nickel) as the first fuel electrode 12 from the viewpoint of enhancing the integrity with the first fuel electrode 12. The second fuel electrode 14 may include an oxide ion conductor, for example, stabilized zirconia, from the viewpoint of enhancing the coordination of the thermal expansion with the solid electrolyte layer 16. The average thickness of the second fuel electrode 14 is not particularly limited, but is typically smaller than that of the first fuel electrode 12 and is about 100 μm or less, for example, 20 to 50 μm. The second fuel electrode 14 is a porous body. The porosity of the second fuel electrode 14 is not particularly limited, but is typically smaller than that of the first fuel electrode 12 and is generally 5 to 30% by volume, for example 10 to 20% by volume.

固体電解質層16は、第2燃料極14と空気極18との間に介在している。固体電解質層16は、第1燃料極12および第2燃料極14の側のガスと、空気極18の側のガスとを分離する機能を有する。固体電解質層16は、酸素イオン伝導性を有する。固体電解質層16は、酸化物イオン伝導体である。固体電解質層16は、例えば、イットリア等の安定化剤で安定化されたジルコニア、例えばYSZ(Yttria stabilized zirconia)や、ガドリニア等のドープ剤がドープされたセリア、例えばGDC(Gadolinia doped ceria)である。固体電解質層16の平均厚みは特に限定されないが、概ね1〜20μm、例えば3〜10μmである。安定化剤やドープ剤の含有割合は特に限定されないが、酸化物イオン伝導体全体を100mol%としたときに、凡そ5〜10mol%であることが好ましい。固体電解質層16は、ガスのリークを防止する観点から、緻密に形成されている。固体電解質層16の気孔率は特に限定されないが、概ね0.2〜5体積%、例えば0.5〜3体積%である。   The solid electrolyte layer 16 is interposed between the second fuel electrode 14 and the air electrode 18. The solid electrolyte layer 16 has a function of separating the gas on the side of the first fuel electrode 12 and the second fuel electrode 14 and the gas on the side of the air electrode 18. The solid electrolyte layer 16 has oxygen ion conductivity. The solid electrolyte layer 16 is an oxide ion conductor. The solid electrolyte layer 16 is, for example, zirconia stabilized with a stabilizer such as yttria, such as YSZ (Yttria stabilized zirconia) or ceria doped with a dopant such as gadolinia, such as GDC (Gadolinia doped ceria) . The average thickness of the solid electrolyte layer 16 is not particularly limited, but is approximately 1 to 20 μm, for example, 3 to 10 μm. The content ratio of the stabilizer and the doping agent is not particularly limited, but preferably about 5 to 10 mol% when the entire oxide ion conductor is 100 mol%. The solid electrolyte layer 16 is densely formed from the viewpoint of preventing gas leak. The porosity of the solid electrolyte layer 16 is not particularly limited, but is approximately 0.2 to 5% by volume, for example, 0.5 to 3% by volume.

空気極18は、例えば、ランタンコバルトネート(LaCoO)系、ランタンマンガネート(LaMnO)系、ランタンフェライト(LaFeO)系等のペロブスカイト型酸化物である。空気極18は、多孔質体である。空気極18の気孔率は特に限定されないが、概ね5〜50体積%、例えば10〜30体積%である。 The air electrode 18 is, for example, a perovskite oxide such as a lanthanum cobaltate (LaCoO 3 ) system, a lanthanum manganate (LaMnO 3 ) system, a lanthanum ferrite (LaFeO 3 ) system, or the like. The air electrode 18 is a porous body. The porosity of the air electrode 18 is not particularly limited, but is generally 5 to 50% by volume, for example 10 to 30% by volume.

なお、この実施形態では、単セル10A,10Bがそれぞれ4層構造であるが、これには限定されない。単セル10A,10Bでは、例えば、第1燃料極12と第2燃料極14とが気孔率の一定な1つの層で構成されていてもよい。また、単セル10A,10Bは、上記以外の層をさらに有していてもよい。例えば、固体電解質層16と空気極18との間に両者の界面を安定化させるための層、例えば、安定化剤で安定化されたジルコニアおよび/またはドープ剤がドープされたセリアを含む反応抑止層を備えていてもよい。   In addition, in this embodiment, although single cell 10A, 10B is 4 layer structure, respectively, it is not limited to this. In the unit cells 10A and 10B, for example, the first fuel electrode 12 and the second fuel electrode 14 may be configured by one layer having a constant porosity. Moreover, single cell 10A, 10B may further have a layer other than the above. For example, a layer for stabilizing the interface between the solid electrolyte layer 16 and the air electrode 18, for example, a reaction inhibitor containing zirconia stabilized with a stabilizer and / or ceria doped with a dopant A layer may be provided.

また、単セル10A,10Bは、第1燃料極12を備えた、所謂、燃料極支持型(ASC:Anode-Supported Cell)のセルである。ただし、単セル10A,10Bは、例えば、固体電解質層16を厚くした、所謂、電解質支持型(ESC:Electrolyte-Supported Cell)のセルであってもよく、空気極18を厚くした、所謂、空気極支持型(CSC:Cathode-Supported Cell)のセルであってもよい。また、第1燃料極12または第2燃料極14の固体電解質層16から離れる側の面に多孔質な金属シートを備えたメタルサポートセル(MSC:Metal-Supported Cell)であってもよい。   The single cells 10A and 10B are so-called anode-supported cells (ASC) cells provided with the first anode 12. However, the single cells 10A and 10B may be, for example, so-called electrolyte supported cell (ESC) cells in which the solid electrolyte layer 16 is thickened, and the air electrode 18 is thickened in the so-called air It may be a polar-supported (CSC: Cathode-Supported Cell) cell. In addition, a metal support cell (MSC: Metal-Supported Cell) may be provided with a porous metal sheet on the side of the first fuel electrode 12 or the second fuel electrode 14 away from the solid electrolyte layer 16.

金属インターコネクタ20,20Aは、複数の単セル10A,10Bを相互に電気的に接続するためのものである。図1の中央に位置する金属インターコネクタ20Aは、2つの単セル10A,10Bの間に介在して、単セル10A,10Bを直列に接続している。ただし、金属インターコネクタ20,20Aは、単セル10A,10Bを並列に接続するように配置してもよい。金属インターコネクタ20,20Aは、例えば、ニッケル、ステンレス鋼、オーステナイト系合金、フェライト系合金等で構成されている。金属インターコネクタ20,20Aは、金属部材の一例である。金属インターコネクタ20,20Aの熱膨張係数は特に限定されないが、典型的には10×10−6〜15×10−6/K、例えば10×10−6〜12×10−6/Kである。 The metal interconnectors 20 and 20A are for electrically connecting the plurality of single cells 10A and 10B to each other. The metal interconnector 20A located at the center of FIG. 1 intervenes between the two single cells 10A and 10B to connect the single cells 10A and 10B in series. However, the metal interconnectors 20 and 20A may be arranged to connect the single cells 10A and 10B in parallel. The metal interconnectors 20 and 20A are made of, for example, nickel, stainless steel, an austenitic alloy, a ferritic alloy or the like. Metal interconnectors 20 and 20A are examples of metal members. The thermal expansion coefficient of the metal interconnects 20 and 20A is not particularly limited, but typically 10 × 10 −6 to 15 × 10 −6 / K, for example 10 × 10 −6 to 12 × 10 −6 / K .

金属インターコネクタ20,20Aの空気極18と対向する側のセル対向面21には、複数の溝部が形成され、酸素含有ガス流路22が設けられている。酸素含有ガス流路22は、図示しない第1のガス管に接続され、酸素含有ガス(例えば水素ガス)の供給源と連通されている。また、金属インターコネクタ20,20Aの第1燃料極12と対向する側のセル対向面25には、複数の溝部が形成され、燃料ガス流路26が設けられている。燃料ガス流路26は、図示しない第2のガス管に接続され、燃料ガス(例えば空気)の供給源と連通されている。   A plurality of grooves are formed in the cell facing surface 21 on the side facing the air electrode 18 of the metal interconnectors 20 and 20A, and an oxygen-containing gas flow path 22 is provided. The oxygen-containing gas passage 22 is connected to a first gas pipe (not shown) and is in communication with a supply source of an oxygen-containing gas (for example, hydrogen gas). A plurality of grooves are formed in the cell facing surface 25 on the side facing the first fuel electrode 12 of the metal interconnects 20 and 20A, and a fuel gas flow path 26 is provided. The fuel gas flow path 26 is connected to a second gas pipe (not shown) and is in communication with a supply source of fuel gas (for example, air).

第1集電部30および第2集電部40は、金属インターコネクタ20,20Aと単セル10A,10Bとを物理的および電気的に接続する機能を有している。第1集電部30および第2集電部40には、接合強度が高いこと、高温下での導電性に優れること、高温下で化学的に安定であること、温度変化に伴う体積変化が小さいこと等が求められる。第1集電部30および第2集電部40は、集電抵抗を低減する観点から、緻密に形成されている。第1集電部30は、金属インターコネクタ20,20Aのセル対向面25と、単セル10A,10Bの第1燃料極12と、を接続している。第2集電部40は、金属インターコネクタ20,20Aのセル対向面21と、単セル10A,10Bの空気極18と、を接続している。   The first current collecting unit 30 and the second current collecting unit 40 have a function of physically and electrically connecting the metal interconnectors 20, 20A and the single cells 10A, 10B. The first current collection unit 30 and the second current collection unit 40 have high bonding strength, excellent conductivity at high temperatures, are chemically stable at high temperatures, and have volume changes associated with temperature changes. Small things are required. The first current collecting unit 30 and the second current collecting unit 40 are densely formed from the viewpoint of reducing the current collection resistance. The first current collection unit 30 connects the cell facing surface 25 of the metal interconnects 20 and 20A and the first fuel electrode 12 of the single cells 10A and 10B. The 2nd current collection part 40 has connected the cell opposing surface 21 of metal interconnector 20, 20A, and the air electrode 18 of single cell 10A, 10B.

なお、この実施形態では、第1集電部30および第2集電部40が、それぞれ、金属インターコネクタ20,20Aのセル対向面21,25を覆うように形成されている。ただし、第1集電部30および第2集電部40は、金属インターコネクタ20,20Aと単セル10A,10Bとが接触する少なくとも一部に形成されていればよく、必ずしもセル対向面21,25の全面を覆っていなくてもよい。   In this embodiment, the first current collection unit 30 and the second current collection unit 40 are formed so as to cover the cell facing surfaces 21 and 25 of the metal interconnectors 20 and 20A, respectively. However, the first current collection unit 30 and the second current collection unit 40 may be formed on at least a part where the metal interconnectors 20 and 20A and the single cells 10A and 10B are in contact with each other. It is not necessary to cover the entire surface of 25.

第1集電部30には、上記した要求性状に加えて、酸化還元時の体積変化が小さく、酸化還元サイクルに対する耐性(レドックス耐性)に優れていることが求められる。ここに開示される第1集電部30は、主材と副材とを含んでいる。第1集電部30は、主材と副材とで構成されていてもよく、主材と副材とに加えて、第3の成分を含んでもよい。第3の成分としては、第1集電部30の周辺部材に含まれる元素、例えば、アルミニウム(Al)、ケイ素(Si)、クロム(Cr)等が挙げられる。第1集電部30の全質量(100%)に占める主材と副材との合計は、概ね20質量%以上、典型的には50質量%以上、好ましくは70質量%以上であるとよい。   In addition to the above-described required properties, the first current collection unit 30 is required to have a small volume change during oxidation / reduction and be excellent in resistance to oxidation / reduction cycles (redox resistance). The first current collection unit 30 disclosed herein includes a main material and an auxiliary material. The first current collection unit 30 may be configured of a main component and an auxiliary component, and may include a third component in addition to the main component and the auxiliary component. As a 3rd component, the element contained in the peripheral member of the 1st current collection part 30, for example, aluminum (Al), silicon (Si), chromium (Cr), etc. are mentioned. The total of the main and auxiliary members in the total mass (100%) of the first current collector 30 may be approximately 20% by mass or more, typically 50% by mass or more, and preferably 70% by mass or more. .

主材は、SOFCスタック1の運転と停止に伴って、レドックス反応を生じる。主材は、例えば600℃以上の高温下において、還元収縮性である。すなわち、主材は、高温下において第1集電部30の周辺が酸化雰囲気から還元雰囲気へと変わる際、体積が減少する性質を有する。言い換えれば、主材は、上記した還元雰囲気中の熱膨張率Ered(%)と酸化雰囲気中の熱膨張率Eair(%)とが、Eair−Ered>0、すなわち、Eair>Eredの関係にある材料である。ここに開示される技術の効果は、主材の上記Eairと上記Eredとの差が大きい場合、例えば、Eair−Ered≧0.1%、更には、Eair−Ered≧0.2%である場合により良く発揮される。 The main material causes a redox reaction as the SOFC stack 1 starts and stops. The main material is, for example, reductively shrinkable at a high temperature of 600 ° C. or higher. That is, the main material has a property that the volume decreases when the periphery of the first current collector 30 changes from the oxidizing atmosphere to the reducing atmosphere at high temperature. In other words, the main material has the coefficient of thermal expansion E red (%) in the reducing atmosphere and the coefficient of thermal expansion E air (%) in the oxidizing atmosphere as follows: E air -E red > 0, that is, E air > It is a material in the relation of E red . The effect of the technology disclosed herein is that, when the difference between the E air of the main material and the E red is large, for example, E air -E red 0.1% 0.1%, further, E air -E red 00. .2% is better exhibited.

主材は、金属または金属酸化物である。主材の金属の種類は特に限定されないが、一般に、元素周期表における原子番号の小さい金属ほど、および/または、標準電極電位(V vs. SHE)の負の値が大きい金属ほど、酸化され易い傾向がある。酸化され易い金属の一例として、元素周期表の第3周期および第4周期に属する金属が挙げられる。また、他の一例として、例えば、丸善出版株式会社の化学便覧(第五版)に記載される標準電極電位の負の値が大きい方から順に、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、マンガン(Mn)、亜鉛(Zn)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、銅(Cu)等の金属は、室温下においては酸化され難いものの、例えば300℃以上の温度環境下では速やかに酸化される。このような金属種の1種または2種以上を主材として用いる場合、ここに開示される技術の効果がより良く発揮される。なかでも、導電性を向上する観点からは、鉄族(Fe,Co,Ni)およびCuが好ましく、コストと導電性とのバランスからは、Fe,Ni,Cuがより好適である。特には、第1燃料極12との一体性や熱膨張の調和を高める観点から、主材は、第1燃料極12と同じ金属種(例えばニッケル)、および/または、金属インターコネクタ20,20Aと同じ金属種を含むとよい。   The main material is metal or metal oxide. The type of metal of the main material is not particularly limited, but in general, the smaller the atomic number in the periodic table of the element and / or the larger the negative value of the standard electrode potential (V vs. SHE), the easier it is to be oxidized Tend. As an example of a metal which is easily oxidized, metals belonging to the third and fourth periods of the periodic table of the elements can be mentioned. In addition, as another example, for example, magnesium (Mg), aluminum (Al), titanium (in order of decreasing negative value of standard electrode potential described in Chemical Handbook (5th edition) of Maruzen Publishing Co., Ltd.) Metals such as Ti), manganese (Mn), zinc (Zn), chromium (Cr), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), tin (Sn), lead (Pb), copper (Cu) Although it is difficult to oxidize at room temperature, it is rapidly oxidized, for example, in a temperature environment of 300 ° C. or higher. When one or more of such metal species is used as a main material, the effects of the technology disclosed herein are better exhibited. Among them, iron groups (Fe, Co, Ni) and Cu are preferable from the viewpoint of improving the conductivity, and Fe, Ni, and Cu are more preferable from the balance between cost and conductivity. In particular, from the viewpoint of enhancing the consistency with the first fuel electrode 12 and the thermal expansion, the main material is the same metal type (eg, nickel) as the first fuel electrode 12 and / or the metal interconnectors 20 and 20A It should contain the same metal species as

また、導電性を向上する観点からは、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)等の貴金属の単体およびこれらの合金、例えばAg−Pd合金、Pt−Pd合金が好ましい。なかでも、コストと導電性とのバランスからは、Ag,Ag−Pd合金がより好適である。   Further, from the viewpoint of improving the conductivity, simple substances of noble metals such as platinum (Pt), palladium (Pd), silver (Ag) and alloys thereof, such as Ag-Pd alloy and Pt-Pd alloy, are preferable. Among them, Ag and Ag-Pd alloys are more preferable in terms of balance between cost and conductivity.

主材の金属の性状は特に限定されないが、典型的には粉末状である。主材の平均粒径は、概ね0.01〜5μm、例えば0.1〜2μmである。第1燃料極12との接合性や一体性を高める観点からは、第1集電部30の主材の平均粒径が、第1燃料極12の導電性材料の平均粒径と概ね同等(例えば±0.5μm)であるとよい。   The nature of the metal of the main material is not particularly limited, but is typically in the form of powder. The average particle size of the main material is approximately 0.01 to 5 μm, for example, 0.1 to 2 μm. The average particle size of the main material of the first current collector 30 is substantially equal to the average particle size of the conductive material of the first fuel electrode 12 from the viewpoint of enhancing the bondability and integrity with the first fuel electrode 12 ( For example, ± 0.5 μm).

副材は、SOFCスタック1の運転と停止に伴って、レドックス反応を生じる。副材は、例えば600℃以上の高温下において、還元膨張性である。すなわち、副材は、高温下において、第1集電部30の周辺が酸化雰囲気から還元雰囲気へと変わる際、主材とは逆に、体積が増加する性質を有する。言い換えれば、上記した還元雰囲気中の熱膨張率Ered(%)と酸化雰囲気中の熱膨張率Eair(%)とが、Ered−Eair>0、すなわち、Ered>Eairの関係にある。ここに開示される技術の効果をより良く発揮する観点からは、副材の上記Eredと上記Eairとが、Ered−Eair≧0.2%であることが好ましく、Ered−Eair≧0.4%であることがより好ましく、例えばEred−Eair≧0.42%であるとよい。また、特に限定されるものではないが、Ered−Eair≦1.5%、例えば、Ered−Eair≦1.0%であると、酸化還元時の体積変化を微調整し易くなるため好ましい。 The secondary material causes a redox reaction as the SOFC stack 1 starts and stops. The secondary material is reductively expandable at a high temperature of, for example, 600 ° C. or more. That is, the auxiliary material has the property of increasing in volume, contrary to the main material, when the periphery of the first current collector 30 changes from the oxidizing atmosphere to the reducing atmosphere at high temperatures. In other words, the above-described thermal expansion coefficient E red (%) in the reducing atmosphere and the thermal expansion coefficient E air (%) in the oxidizing atmosphere have a relationship of E red -E air > 0, that is, E red > E air It is in. From the viewpoint of better exhibiting the effects of the technology disclosed herein, it is preferable that the above-mentioned E red and the above E air of the auxiliary materials satisfy E red −E air 0.20.2%, and E red −E It is more preferable that air 0.4 0.4%, for example, E red- E air 0.4 0.42%. In addition, although not particularly limited, it becomes easy to finely adjust the volume change at the time of redox when E red -E air ≦ 1.5%, for example, E red −E air ≦ 1.0%. Because it is preferable.

副材は、次の一般式(1):
AB3−δ ・・・(1);
で表される1種または2種以上の化合物である。この化合物は、高温下で高い導電性を発揮し得る。一般式(1)において、xは、0または1である。δは、電荷の中性条件を満たすように定まる値、典型的には−1.2≦δ≦1.2、例えば−1≦δ≦1である。Aサイトは、ランタノイド元素(Ln)の1種または2種以上、例えば、ランタン(La)、セリウム(Ce)、サマリウム(Sm)、ネオジウム(Nd)、ガドリニウム(Gd)等を含んでいる。Aサイトは、Ln以外の元素をさらに1種または2種以上含んでもよい。Aサイトに含まれ得る元素の一例として、1価のアルカリ金属元素や2価のアルカリ土類金属元素(Ae)、例えば、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)等が挙げられる。
The secondary material has the following general formula (1):
AB x O 3-δ (1);
It is 1 type, or 2 or more types of compounds represented by these. This compound can exhibit high conductivity at high temperatures. In the general formula (1), x is 0 or 1. δ is a value determined to satisfy the neutral condition of charge, typically −1.2 ≦ δ ≦ 1.2, for example, −1 ≦ δ ≦ 1. The A site contains one or more of lanthanoid elements (Ln), such as lanthanum (La), cerium (Ce), samarium (Sm), neodymium (Nd), gadolinium (Gd) and the like. The A site may further contain one or more elements other than Ln. As an example of an element that can be included in the A site, a monovalent alkali metal element or a divalent alkaline earth metal element (Ae), for example, magnesium (Mg), calcium (Ca), strontium (Sr), barium (Ba) Etc.).

上記一般式(1)において、xが1のとき、Bサイトは、遷移金属元素の1種または2種以上、例えば、チタン(Ti)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)等を含んでいる。Bサイトは、遷移金属元素以外の元素をさらに1種または2種以上含んでもよい。Bサイトに含まれ得る元素の一例として、3価以上の金属元素であって、典型金属や希土類に分類される金属元素が挙げられる。   In the general formula (1), when x is 1, B site is one or two or more of transition metal elements, for example, titanium (Ti), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe) Cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu) and the like. The B site may further contain one or more elements other than transition metal elements. As an example of the element which may be contained in B site, it is a metal element more than trivalent, and is a metal element classified as a typical metal or a rare earth.

好適な一態様では、上記一般式(1)のxが0であり、かつ、Aサイトに少なくともCeを含んでいる。すなわち、副材は、次の一般式(2):
(A Ce1−y)O3−δ ・・・(2);
で表されるセリウム含有酸化物を含んでいる。
上記一般式(2)のyは、0≦y<1を満たす実数である。yは、好ましくは0.01≦y≦0.2であり、例えば0.05≦y≦0.1である。0<yのとき、Aは、上記一般式(1)のAサイトに含まれ得る元素として例示したなかで、Ce以外の元素の1種または2種以上である。なかでも、Lnの1種または2種以上、例えば、Sm,Nd,Gd等を含むことが好ましい。なお、δは、上記一般式(1)と同様である。
In a preferred embodiment, x in the general formula (1) is 0 and at least Ce is contained at the A site. That is, the secondary material has the following general formula (2):
(A I y Ce 1-y ) O 3-δ (2);
Containing a cerium-containing oxide represented by
Y in the above general formula (2) is a real number satisfying 0 ≦ y <1. y is preferably 0.01 ≦ y ≦ 0.2, for example, 0.05 ≦ y ≦ 0.1. When 0 <y, A I is among exemplified as an element that can be included in the A site in the general formula (1) is one or more elements other than Ce. Among them, it is preferable to include one or two or more kinds of Ln, for example, Sm, Nd, Gd and the like. Here, δ is the same as in the above general formula (1).

好適な他の一態様では、上記一般式(1)のxが1である。すなわち、副材は、ABOで表されるペロブスカイト型酸化物を含んでいる。ペロブスカイト型酸化物の一例として、LaとTiとFeとを含むLTF酸化物、LaとSrとTiとFeとを含むLSTF酸化物、LaとCaとTiとFeとを含むLCTF酸化物、LaとSrとCoとを含むLSC酸化物、LaとSrとCoとFeとを含むLSCF酸化物、LaとSrとMnとを含むLSM酸化物、SmとSrとCoとを含むSSC酸化物等が挙げられる。 In another preferable aspect, x in the above general formula (1) is 1. That is, the secondary material contains a perovskite oxide represented by ABO 3 . As an example of the perovskite type oxide, LTF oxide containing La, Ti and Fe, LSTF oxide containing La, Sr, Ti and Fe, LCTF oxide containing La, Ca, Ti and Fe, La and Examples include LSC oxides containing Sr and Co, LSCF oxides containing La, Sr, Co and Fe, LSM oxides containing La, Sr and Mn, SSC oxides containing Sm, Sr and Co, etc. Be

上記一般式(1)のxが1であるとき、Aサイトは、Laを含むことが好ましい。Aサイトは、さらにCa,Sr等の2価のアルカリ土類金属を含むことが好ましい。また、Bサイトは、元素周期表の第4周期に属する金属、例えば、Ti,Fe,Co,Niのうちの少なくとも一つを含むことが好ましい。還元膨張性をより良く高める観点からは、BサイトにTiを含むことが好ましい。導電性を向上する観点からは、BサイトにFeを含むことが好ましい。   When x in the above general formula (1) is 1, it is preferable that the A site contains La. The A site preferably further contains a divalent alkaline earth metal such as Ca or Sr. The B site preferably contains at least one of metals belonging to the fourth period of the periodic table of the elements, for example, Ti, Fe, Co, and Ni. It is preferable to contain Ti in B site from a viewpoint of raising a reduction expansion property well. From the viewpoint of improving the conductivity, it is preferable to contain Fe at the B site.

ペロブスカイト型酸化物の一好適例としては、次の一般式(3):
(La1−αAeα)(B 1−βFeβ)O3−δ ・・・(3);
で表される複合酸化物が挙げられる。
上記一般式(3)のαは、0≦α<1を満たす実数である。αは、典型的には0.1≦α≦0.7であり、好ましくは0.2≦α≦0.6、例えば0.2≦α≦0.4である。0<αのとき、Aeは、例えば、Mg,Ca,Sr,Ba等である。
また、βは、0≦β<1を満たす実数である。βは、典型的には0.1<β≦0.99であり、好ましくは0.5≦β≦0.95、例えば0.6≦β≦0.9である。β<1のとき、Bは、上記一般式(1)のBサイトに含まれ得る元素として例示したなかで、Fe以外の元素の1種または2種以上である。なかでも、遷移金属元素の1種または2種以上、例えば、Ti,Coを含むことが好ましい。なお、δは、上記一般式(1)と同様である。
As a preferable example of the perovskite type oxide, the following general formula (3):
(La 1-α Ae α) (B I 1-β Fe β) O 3-δ ··· (3);
And the complex oxide represented by
In the above general formula (3), α is a real number satisfying 0 ≦ α <1. α is typically 0.1 ≦ α ≦ 0.7, preferably 0.2 ≦ α ≦ 0.6, for example 0.2 ≦ α ≦ 0.4. When 0 <α, Ae is, for example, Mg, Ca, Sr, Ba or the like.
Also, β is a real number satisfying 0 ≦ β <1. β is typically 0.1 <β ≦ 0.99, preferably 0.5 ≦ β ≦ 0.95, for example 0.6 ≦ β ≦ 0.9. In the case of β <1, B 1 is one or two or more of elements other than Fe among the elements which can be included in the B site of the general formula (1). Among them, it is preferable to contain one or more transition metal elements, for example, Ti and Co. Here, δ is the same as in the above general formula (1).

ここに開示される第1集電部30は、還元雰囲気下において、主材の金属の占有体積V1と副材の占有体積V2との合計を100体積%としたときに、V1の割合が、50〜98体積%である。言い換えれば、V1:V2=50:50〜98:2である。これにより、酸化還元時の体積膨張が抑えられている。第1集電部30と金属インターコネクタ20,20Aとの接合性を高めたり、接触抵抗を低減したりする観点からは、V1の割合が、80〜95体積%、言い換えれば、V1:V2=80:20〜95:5であることがより好ましい。なお、V1:V2の比は、第1集電部30のSEM−EDX画像に基づいて、画像解析で算出することができる。詳細な算出方法は、実施例の欄で説明する。また、V1:V2の比は、例えば、第1集電部30の形成に使用される接合材における主材と副材との配合比(仕込み比)によって調整することができる。   In the first current collection unit 30 disclosed herein, when the total of the occupied volume V1 of the main metal and the occupied volume V2 of the auxiliary material is 100% by volume in a reducing atmosphere, the ratio of V1 is 50 to 98% by volume. In other words, V1: V2 = 50: 50 to 98: 2. Thereby, the volume expansion at the time of oxidation reduction is suppressed. From the viewpoint of enhancing the bonding between the first current collector 30 and the metal interconnectors 20 and 20A or reducing the contact resistance, the ratio of V1 is 80 to 95% by volume, in other words, V1: V2 = More preferably, 80:20 to 95: 5. The ratio of V1: V2 can be calculated by image analysis based on the SEM-EDX image of the first current collector 30. The detailed calculation method will be described in the section of Examples. Further, the ratio of V1 to V2 can be adjusted, for example, by the mixing ratio (feed ratio) of the main material and the auxiliary material in the bonding material used to form the first current collector 30.

第1集電部30の熱膨張係数は、単セル10A,10Bの第1燃料極12および金属インターコネクタ20,20Aと同等(概ね±2×10−6/K、好ましくは±1×10−6/K)であるとよい。第1集電部30の熱膨張係数は、典型的には10×10−6〜20×10−6/K、例えば11×10−6〜16×10−6/Kであるとよい。 The thermal expansion coefficient of the first current collecting portion 30 is equivalent to that of the first fuel electrode 12 and the metal interconnectors 20 and 20A of the unit cells 10A and 10B (approximately ± 2 × 10 −6 / K, preferably ± 1 × 10 − 6 / K). The thermal expansion coefficient of the first current collection unit 30 is typically 10 × 10 −6 to 20 × 10 −6 / K, for example, 11 × 10 −6 to 16 × 10 −6 / K.

第1集電部30では、酸化還元時の体積変化率が小さく抑えられ、従来よりもレドックス耐性が向上している。第1集電部30は、上記した酸化雰囲気中の熱膨張率Eair(%)から還元雰囲気中の熱膨張率Ered(%)を差し引くことで求められる酸化還元時の体積変化率が、概ね−0.31〜+0.19%であるとよく、−0.01%〜+0.18%であることがより好ましい。なお、体積変化率の値は、ここでは還元収縮の場合にプラスの値、還元膨張の場合にマイナスの値で表されている。上記体積変化率の範囲は、例えば、接合材における主材と副材との配合比、主材の種類、副材の上記一般式(2)、(3)を調整することによって実現することができる。 In the first current collection unit 30, the volume change rate at the time of oxidation and reduction is suppressed to a low level, and the redox tolerance is improved as compared with the conventional case. In the first current collecting unit 30, the volume change rate at the time of oxidation / reduction determined by subtracting the thermal expansion coefficient E red (%) in the reducing atmosphere from the thermal expansion coefficient E air (%) in the above-mentioned oxidizing atmosphere is It should be approximately -0.31 to + 0.19%, and more preferably -0.01% to + 0.18%. Here, the value of the volume change rate is represented by a positive value in the case of reduction contraction, and a negative value in the case of reduction expansion. The range of the volume change rate can be realized, for example, by adjusting the mixing ratio of the main material and the auxiliary material in the bonding material, the type of the main material, and the general formulas (2) and (3) of the auxiliary material. it can.

以上のような構成の第1集電部30は、例えば従来の金属材料からなる集電部に比べて、酸化還元による体積膨張が抑えられたものである。そのため、第1集電部30は、SOFCスタック1の運転と停止とを繰り返した場合にも、緻密性が好適に維持され、集電抵抗の上昇が生じ難いものである。言い換えれば、酸化雰囲気と還元雰囲気とのサイクルに対する耐性(レドックス耐性)に優れたものである。また、第1集電部30は、典型的には、特許文献2,3に記載されるような導電性接合材に比べて、導電性に優れたものである。したがって、第1集電部30は、長期にわたって高い導電性を維持することができ、耐久性や信頼性に優れている。   The first current collecting unit 30 configured as described above is, for example, one in which volumetric expansion due to oxidation and reduction is suppressed as compared with a current collecting unit made of a conventional metal material. Therefore, even when the first current collection unit 30 repeats the operation and the stop of the SOFC stack 1, the compactness is suitably maintained, and the increase of the current collection resistance hardly occurs. In other words, it is excellent in resistance to the cycle of the oxidizing atmosphere and the reducing atmosphere (redox resistance). In addition, the first current collecting unit 30 is typically superior in conductivity to the conductive bonding material as described in Patent Documents 2 and 3. Therefore, the first current collection unit 30 can maintain high conductivity for a long time, and is excellent in durability and reliability.

第2集電部40は、典型的には空気極18と同じ材料、例えば、ランタンコバルトネート(LaCoO)系、ランタンマンガネート(LaMnO)系、ランタンフェライト(LaFeO)系等のペロブスカイト型酸化物で構成されている。ただし、第2集電部40は、第1集電部30と同様の材料で構成されていてもよい。 The second current collector 40 is typically made of the same material as that of the air electrode 18, for example, a perovskite type such as lanthanum cobaltate (LaCoO 3 ), lanthanum manganate (LaMnO 3 ), and lanthanum ferrite (LaFeO 3 ). It is composed of an oxide. However, the second current collector 40 may be made of the same material as the first current collector 30.

SOFCスタック1の運転時には、SOFCスタック1が概ね600℃以上、例えば600〜900℃程度の高温にまで昇温される。金属インターコネクタ20,20Aの酸素含有ガス流路22には酸素含有ガス、例えば空気(Air)が供給される。金属インターコネクタ20,20Aの燃料ガス流路26には燃料ガス、例えば水素ガス(H)が供給される。SOFCの単セル10A,10Bでは、空気極18において酸素が還元され、酸化物イオンとなる。当該酸化物イオンが、固体電解質層16を介して第1燃料極12および第2燃料極14に到達し、水素を酸化して電子を放出する。これにより電気エネルギーが発生する。すなわち、発電が行われる。 During operation of the SOFC stack 1, the temperature of the SOFC stack 1 is raised to a high temperature of approximately 600 ° C. or higher, for example, about 600 to 900 ° C. An oxygen-containing gas, such as air, is supplied to the oxygen-containing gas flow path 22 of the metal interconnects 20 and 20A. A fuel gas such as hydrogen gas (H 2 ) is supplied to the fuel gas flow path 26 of the metal interconnects 20 and 20A. In the single cells 10A and 10B of the SOFC, oxygen is reduced at the air electrode 18 to become oxide ions. The oxide ions reach the first fuel electrode 12 and the second fuel electrode 14 through the solid electrolyte layer 16 and oxidize hydrogen to emit electrons. This generates electrical energy. That is, power generation is performed.

<接合材>
次に、ここで開示される接合材について説明する。ここで開示される接合材は、上述したSOFCスタック1の第1集電部30を形成するために好適に用いることができる。接合材は、上述した2種類の材料、すなわち、主材と副材とを含んでいる。ここで開示される接合材は、主材と副材との合計を100質量%としたときに、典型的には、質量比が、主材:副材=99:1〜64:36であり、例えば、主材:副材=95:5〜88:12であることが好ましい。
<Bonding material>
Next, the bonding material disclosed herein will be described. The bonding material disclosed herein can be suitably used to form the first current collector 30 of the SOFC stack 1 described above. The bonding material includes the two types of materials described above, that is, the main material and the secondary material. The bonding material disclosed herein typically has a mass ratio of main material: secondary material = 99: 1 to 64:36, where the total of the main material and the auxiliary material is 100% by mass. For example, it is preferable that it is a main material: supplementary material = 95: 5-88:12.

接合材は、主材と副材とで構成されていてもよく、主材と副材とに加えてその他の任意成分を含んでいてもよい。その他の任意成分としては、この種の用途で一般的に使用されている各種の添加成分を考慮することができる。添加成分の一例として、溶媒、バインダ、分散剤、増粘剤、可塑剤、焼結助剤、消泡剤、酸化防止剤、防腐剤、帯電防止剤、pH調整剤、着色剤(顔料、染料等)等が例示される。   The bonding material may be composed of a main material and a secondary material, and may contain other optional components in addition to the main material and the secondary material. As other optional components, various additive components generally used in this type of application can be considered. Examples of additive components include solvents, binders, dispersants, thickeners, plasticizers, sintering aids, antifoaming agents, antioxidants, preservatives, antistatic agents, pH adjusters, coloring agents (pigments, dyes Etc. is illustrated.

好適な一態様では、接合材が溶媒を含み、ペースト状(インク状、スラリー状を包含する。)に調製されている。なお、以下では、ペースト状の接合材を単に「ペースト」ということがある。溶媒としては、作業性や保存安定性等の観点から、沸点が概ね200℃以上、例えば200〜300℃の高沸点有機溶媒を主成分とするとよい。高沸点有機溶媒の具体例としては、ターピネオール、メンタノール、テキサノール、ジヒドロターピネオール、ベンジルアルコール等の、−OH基を有するアルコール系溶媒、2,2,4−トリメチル−1,3−ペンタンジオール−1−モノイソブチレート、酢酸イソボルニル等の、主鎖にエステル結合基(R−C(=O)−O−R’)を有するエステル系溶媒、エチルジグリコールアセテート、ブチルグリコールアセテート、ブチルジグリコールアセテート、ブチルセロソルブアセテート、ブチルカルビトールアセテート、ブチルカルビトール等の、主鎖にエーテル結合基(−C−O−C−)を有するエーテル系溶媒、トルエン、キシレン等の炭化水素系溶媒、ミネラルスピリット等が挙げられる。なかでも、アルコール系溶媒を好ましく用いることができる。   In a preferred embodiment, the bonding material contains a solvent and is prepared in the form of a paste (in the form of ink, including slurry). In the following, the paste-like bonding material may be simply referred to as "paste". As a solvent, a high boiling point organic solvent having a boiling point of about 200 ° C. or higher, for example 200 to 300 ° C., is preferably used as a main component from the viewpoint of workability and storage stability. Specific examples of the high boiling point organic solvent include alcohol solvents having -OH group such as terpineol, menthanol, texanol, dihydroterpineol, benzyl alcohol and the like, 2,2,4-trimethyl-1,3-pentanediol-1- Ester solvents such as monoisobutyrate, isobornyl acetate, etc. having an ester linking group (R-C (= O) -O-R ') in the main chain, ethyl diglycol acetate, butyl glycol acetate, butyl diglycol acetate, Ether solvents such as butyl cellosolve acetate, butyl carbitol acetate, butyl carbitol etc. having an ether bond group (-C-O-C-) in the main chain, hydrocarbon solvents such as toluene and xylene, mineral spirits etc. Be Among them, alcohol solvents can be preferably used.

バインダとしては、例えば500℃以上の加熱焼成で蒸発除去し得るものを好ましく用いることができる。バインダの具体例としては、メチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース等のセルロース系高分子(セルロース誘導体);メタクリル酸エステル等のエステル系ポリマー;ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、ポリメチルメタクリレート、ポリブチルメタクリレート等のアクリル系ポリマー;ポリエチレンオキサイド等のエチレン系ポリマー;ポリアクリロニトリル、ポリメタリロニトリル等のニトリル系ポリマー;ポリウレタン等のウレタン系ポリマー;ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリ塩化ビニリデンポリフッ化ビニル、酢酸ビニル等のビニル系重合体;スチレンブタジエンゴム等のゴム類;等が挙げられる。なかでも、焼成時の燃焼分解性に優れる点や環境配慮の点等から、エチルセルロース等のセルロース系高分子を好ましく用いることができる。   As the binder, for example, those which can be evaporated and removed by heating and firing at 500 ° C. or higher can be preferably used. Specific examples of the binder include cellulose-based polymers (cellulose derivatives) such as methyl cellulose, ethyl cellulose, hydroxymethyl cellulose, hydroxyethyl cellulose and carboxymethyl cellulose; ester-based polymers such as methacrylic acid esters; polyvinyl alcohol, polyvinyl butyral, polymethyl methacrylate, poly Acrylic polymers such as butyl methacrylate; ethylene polymers such as polyethylene oxide; nitrile polymers such as polyacrylonitrile and polymethacrylonitrile; urethane polymers such as polyurethane; polyethylene, polypropylene, polyvinylidene fluoride, polyvinylidene chloride polyvinylidene And vinyl polymers such as vinyl acetate; rubbers such as styrene butadiene rubber; and the like. Among them, a cellulose-based polymer such as ethyl cellulose can be preferably used from the viewpoint of being excellent in the combustion decomposability at the time of firing and the point of environmental consideration.

ペースト全体に占める主材および副材の割合は特に限定されないが、焼成後に高い緻密性を実現する観点からは、主材と副材との合計が、質量比で、概ね50質量%以上、典型的には60〜95質量%、例えば70〜90質量%であるとよい。ペースト全体に占める有機溶媒の割合は特に限定されないが、ペーストを付与する際の作業性の観点や、均質性の高い第1集電部30を実現する観点等からは、質量比で、概ね5〜20質量%、典型的には10〜15質量%であるとよい。また、ペーストにバインダを含む場合、ペースト全体に占めるバインダの割合は特に限定されないが、質量比で、概ね1〜10質量%、例えば2〜5質量%であるとよい。   The proportions of the main material and the auxiliary material in the entire paste are not particularly limited, but from the viewpoint of achieving high density after firing, the total of the main material and the auxiliary material is approximately 50 mass% or more in mass ratio Preferably, it is 60 to 95% by mass, for example 70 to 90% by mass. The ratio of the organic solvent to the whole paste is not particularly limited, but from the viewpoint of workability at the time of applying the paste, the viewpoint of realizing the first current collecting unit 30 with high homogeneity, etc. It is good that it is -20 mass%, typically 10-15 mass%. When the paste contains a binder, the proportion of the binder in the entire paste is not particularly limited, but the mass ratio is preferably about 1 to 10% by mass, for example, 2 to 5% by mass.

SOFCスタック1の第1集電部30は、例えば上記ペーストを用いて、以下のように形成することができる。すなわち、まず、金属インターコネクタ20,20Aのセル対向面25に上記ペーストを付与する。次に、上記付与したペーストの上に、単セル10A,10Bの第1燃料極12の側の面を重ね合わせて、複合体とする。この複合体を室温で乾燥させた後、例えば800〜900℃で焼成する。これにより、単セル10A,10Bの第1燃料極12と金属インターコネクタ20,20Aのセル対向面25との間に、両者を電気的・物理的に接続する第1集電部30を形成することができる。そして、単セル10A,10Bと、金属インターコネクタ20,20Aと、第1集電部30と、を備えたSOFCスタック1を得ることができる。ここで開示されるペーストを用いて形成された第1集電部30は、従来に比べてレドックス耐性に優れ、起動と停止とを繰り返した場合にも集電抵抗の増加が生じ難い。このため、SOFCスタック1は、長期にわたって高い発電性能を安定的に発揮することができる。   The first current collection unit 30 of the SOFC stack 1 can be formed as follows using, for example, the above-mentioned paste. That is, first, the paste is applied to the cell facing surface 25 of the metal interconnectors 20 and 20A. Next, the surfaces of the unit cells 10A and 10B on the side of the first fuel electrode 12 are superimposed on the applied paste to form a composite. The complex is dried at room temperature and then calcined at, for example, 800 to 900 ° C. Thus, a first current collecting portion 30 is formed between the first fuel electrode 12 of the unit cells 10A and 10B and the cell facing surface 25 of the metal interconnectors 20 and 20A to electrically and physically connect them. be able to. And SOFC stack 1 provided with single cell 10A, 10B, metal interconnector 20, 20A, and the 1st current collection part 30 can be obtained. The first current collecting unit 30 formed using the paste disclosed herein is excellent in redox resistance as compared with the conventional case, and an increase in current collection resistance hardly occurs even when starting and stopping are repeated. Thus, the SOFC stack 1 can stably exhibit high power generation performance over a long period of time.

以下、本発明に関するいくつかの実施例を説明するが、本発明をかかる具体例に示すものに限定することを意図したものではない。   The following examples illustrate some of the embodiments of the present invention, but are not intended to limit the present invention to those shown in the specific examples.

(試験例I)
〔接合材の用意〕
まず、主材としてのNiO粉末(平均粒径:0.5μm)と、副材としてのLSTF(La0.6Sr0.4Ti0.1Fe0.9)粉末(平均粒径:0.5μm)とを用意した。次に、表1に示す「仕込み比」で、NiO粉末とLSTF粉末とを混合して、あるいは単独で使用して、調製粉末を用意した。次に、この調製粉末と、有機溶媒(アルコール系)と、有機バインダ(エチルセルロース)とを、100:15:3の質量比となるように混合して、ペースト状の接合材(例1〜7、比較例1〜3)を用意した。
(Test Example I)
[Preparation of bonding material]
First, NiO powder (average particle diameter: 0.5 μm) as a main material and LSTF (La 0.6 Sr 0.4 Ti 0.1 Fe 0.9 O 3 ) powder (average particle diameter: as an auxiliary material): 0.5 μm) were prepared. Next, NiO powder and LSTF powder were mixed or used alone at a “feed ratio” shown in Table 1, to prepare a prepared powder. Next, this prepared powder, an organic solvent (alcohol type), and an organic binder (ethyl cellulose) are mixed in a mass ratio of 100: 15: 3 to form a paste-like bonding material (Examples 1 to 7). , Comparative examples 1 to 3).

〔酸化還元時の体積変化率の測定〕
まず、上記で調製した各接合材を、焼成後の寸法が4mm×5mm×20mmとなるように成形し、大気中において1100℃で焼成することによって、測定用の試験片をそれぞれ2本ずつ作製した。次に、株式会社リガク製の熱機械分析装置(型式:TMA8310)を用いて、示差膨張方式で熱膨張性を測定した。熱膨張性の測定は、酸化雰囲気(空気)または還元雰囲気(100%のH)で、それぞれ、室温(25℃)から700℃までの温度範囲にて測定した。なお、図2には、一例として、比較例1のTMA測定チャートを示す。
[Measurement of volume change rate during oxidation reduction]
First, each bonding material prepared above is shaped so that the size after firing is 4 mm × 5 mm × 20 mm, and fired at 1100 ° C. in the air to prepare two test pieces for measurement. did. Next, thermal expansion was measured by a differential expansion method using a thermal mechanical analyzer (type: TMA 8310) manufactured by Rigaku Corporation. The thermal expansion was measured in a temperature range from room temperature (25 ° C.) to 700 ° C. in an oxidizing atmosphere (air) or a reducing atmosphere (100% H 2 ), respectively. In addition, in FIG. 2, the TMA measurement chart of the comparative example 1 is shown as an example.

次に、下記の(式II):
熱膨張率E(%)={(L−L)/L}×100 ・・・(式II);
に、L=L=20(mm)、Lは700℃での試験片の長さを代入して、酸化雰囲気(空気)中における25℃から700℃までの熱膨張率Eair(%)と、還元雰囲気(H)中における25℃から700℃までの熱膨張率Ered(%)とを算出した。
そして、Eair(%)からEred(%)を差し引いて、すなわち、Eair(%)−Ered(%)により、酸化還元時の体積変化率(%)を算出した。
結果を、表1の「体積変化率」の欄に示す。なお、表1の値は、酸化雰囲気から還元雰囲気への変化で体積が減少(収縮)する場合にはプラスで示され、酸化雰囲気から還元雰囲気への変化で体積が増加(膨張)する場合にはマイナスで示されている。
Next, the following (formula II):
Thermal expansion coefficient E (%) = {(L 2 −L 1 ) / L 0 } × 100 (formula II);
Where L 0 = L 1 = 20 (mm), L 2 is the length of the test piece at 700 ° C., and the coefficient of thermal expansion E air (from 25 ° C. to 700 ° C.) in an oxidizing atmosphere (air) % And the thermal expansion coefficient E red (%) from 25 ° C. to 700 ° C. in a reducing atmosphere (H 2 ).
And E red (%) was deducted from E air (%), ie, the volume change rate (%) at the time of oxidation reduction was computed by E air (%)-E red (%).
The results are shown in the "volume change" column of Table 1. The values in Table 1 are shown as positive when the volume decreases (shrinks) due to a change from an oxidizing atmosphere to a reducing atmosphere, and when the volume increases (swells) due to a change from an oxidizing atmosphere to a reducing atmosphere. Is indicated by minus.

〔接合材層の組成の測定〕
まず、上記体積変化率の測定において還元雰囲気中で熱膨張性を測定した試験片を、熱機械分析装置の温度が室温まで下がってから取り出した。次に、この試験片をCP(Cross section polisher)加工して断面出しした後、SEMで観察して、SEM観察画像を得た。次に、得られたSEM観察画像について、EDXでNi(Ka線)とTi(Ka線)の元素マッピングを行った。そして、日本ローパー社製の画像処理ソフト(Image-Pro Plus)を利用して、SEM−EDX画像を解析し、各構成材料の占める面積を算出した。
[Measurement of composition of bonding material layer]
First, a test piece whose thermal expansion was measured in a reducing atmosphere in the measurement of the volume change rate was taken out after the temperature of the thermomechanical analyzer dropped to room temperature. Next, the test piece was subjected to CP (Cross section polisher) processing to obtain a cross section, and then observed with an SEM to obtain an SEM observation image. Next, with respect to the obtained SEM observation image, elemental mapping of Ni (Ka line) and Ti (Ka line) was performed by EDX. Then, SEM-EDX images were analyzed using image processing software (Image-Pro Plus) manufactured by Nippon Roper, and the area occupied by each constituent material was calculated.

具体的には、まず、Niの元素マッピングの結果を白黒画像に変換(2値化)した後、Ni粒子の輪郭をトレースすることで、主材(Ni粒子)の面積を算出した。同様に、Tiの元素マッピングの結果を白黒画像に変換(2値化)した後、Tiの輪郭をトレースすることで、副材(LSTF粒子)の面積を算出した。そして、Ni粒子の面積とLSTF粒子の面積との合計に占める各々の面積の割合を算出した。この断面出しとSEM−EDXマッピングと画像解析の処理とを複数視野(ここでは、各例につき3〜5視野)で行い、得られた面積比を算術平均して、Ni粒子とLSTF粒子との体積比を得た。なお、ここではLSTF粒子の面積算出に際してTiの元素マッピングを行ったが、例えばLaやSrでも可能である。
結果を、表1の「接合材層(還元雰囲気)」の欄に示す。
Specifically, first, the result of elemental mapping of Ni was converted (binarized) into a black and white image, and then the outline of Ni particles was traced to calculate the area of the main material (Ni particles). Similarly, after converting (binarizing) the result of elemental mapping of Ti into a black-and-white image, the contour of Ti was traced to calculate the area of the secondary material (LSTF particle). Then, the ratio of each area to the total of the area of Ni particles and the area of LSTF particles was calculated. The processing of this cross-sectioning, SEM-EDX mapping and image analysis is carried out in a plurality of fields of view (here, 3-5 fields of view in each case), and the area ratio obtained is arithmetically averaged to obtain Ni particles and LSTF particles. The volume ratio was obtained. In addition, although element mapping of Ti was performed in the case of area calculation of LSTF particle | grain here, La and Sr are also possible, for example.
The results are shown in the column "Bonding material layer (reducing atmosphere)" in Table 1.

〔接合強度の測定〕
まず、上記で調製した各接合材を金属板に塗布して、大気中において850℃で焼成した。金属板としては、インターコネクタの材料として使用されているフェライト系ステンレス鋼を用いた。これにより、金属板上に各接合材層を形成した。
次に、JIS K5400 8.5:1990「付着性−碁盤目試験」に準じて、碁盤目試験を実施した。具体的には、まず、上記形成した各接合材層に、1mmの間隔で11本の平行なカットを入れることで、10×10=100マスの格子パターンを形成した。次に、格子パターンを覆うように粘着テープを貼り付け、消しゴムでこすって接合材層に付着させた。次に、この粘着テープを接合材層とのなす角が90°となる方向に引き剥がした。そして、碁盤目の全マス(100マス)のなかで、剥離したマスの割合(剥離面積率:%)から接合強度を評価した。
結果を表1の「接合強度」の欄に示す。なお、表1では、上記JISの碁盤目試験の評価点数で、8点以上を「◎」、4〜6点を「〇」、2点を「△」、0点を「×」と示している。
[Measurement of bonding strength]
First, each bonding material prepared above was apply | coated to a metal plate, and it baked at 850 degreeC in air | atmosphere. As a metal plate, ferritic stainless steel used as a material of an interconnector was used. Thereby, each bonding material layer was formed on the metal plate.
Next, a cross cut test was conducted according to JIS K 5400 8.5: 1990 "Adhesiveness-Cross cut test". Specifically, first, 11 parallel cuts were made at intervals of 1 mm in each of the formed bonding material layers to form a grid pattern of 10 × 10 = 100 squares. Next, an adhesive tape was attached so as to cover the grid pattern, and was rubbed with an eraser to adhere to the bonding material layer. Next, the pressure-sensitive adhesive tape was peeled off in the direction in which the angle formed with the bonding material layer was 90 °. And bonding strength was evaluated from the ratio (peeling area ratio:%) of the mass which peeled among the total squares (100 squares) of a grid.
The results are shown in the "bond strength" column of Table 1. In Table 1, eight or more points are indicated by “◎”, 4 to 6 points by “〇”, two points by “Δ”, and 0 points by “x” in the evaluation score of the cross-cut test of the above-mentioned JIS. There is.

〔ハーフセルの作製〕
まず、NiO粉末(平均粒径:0.5μm)と、8YSZ粉末(平均粒径:0.5μm)とを、6:4の質量比で混合して、混合粉末を調製した。次に、この混合粉末と、有機溶媒(キシレン)と、有機バインダと、気孔形成材(カーボン)と、可塑剤とを、質量比で、53:24:8.5:10:4.5となるように混合して、燃料極支持体成形用ペーストとした。この燃料極支持体成形用ペーストを、ドクターブレード法によって厚み0.5〜1.0mmのシート状に成形し、燃料極支持体シートを得た。
次に、NiO粉末(平均粒径:0.5μm)と、8YSZ粉末(平均粒径:0.5μm)と、有機溶媒(ターピネオール)と、有機バインダ(エチルセルロース)とを、質量比で、48:32:18:2となるように混合して、燃料極層形成用ペーストとした。この燃料極層形成用ペーストを、スクリーン印刷法によって上記で作製した燃料極支持体シートの上に付与し、燃料極層を形成した。
[Preparation of half cell]
First, a mixed powder was prepared by mixing NiO powder (average particle diameter: 0.5 μm) and 8YSZ powder (average particle diameter: 0.5 μm) at a mass ratio of 6: 4. Next, this mixed powder, an organic solvent (xylene), an organic binder, a pore-forming material (carbon), and a plasticizer, in mass ratio, 53: 24: 8.5: 10: 4.5 The resulting mixture was mixed to form a fuel electrode support paste. This fuel electrode support forming paste was formed into a sheet having a thickness of 0.5 to 1.0 mm by a doctor blade method to obtain a fuel electrode support sheet.
Next, the mass ratio of NiO powder (average particle size: 0.5 μm), 8YSZ powder (average particle size: 0.5 μm), organic solvent (terpineol), and organic binder (ethyl cellulose) is 48: It mixed so that it might become 32: 18: 2, and was set as the paste for fuel electrode layer formation. This fuel electrode layer forming paste was applied onto the fuel electrode support sheet prepared above by screen printing to form a fuel electrode layer.

次に、8YSZ粉末(平均粒径:0.5μm)と、有機溶媒(ターピネオール)と、有機バインダ(エチルセルロース)とを、質量比で、65:31:4となるように混合して、電解質膜形成用ペーストとした。この電解質膜形成用ペーストを、スクリーン印刷によって上記で形成した燃料極層の上に付与し、厚み10μmの電解質膜を形成した。
次に、上記で積層成形した積層体(燃料極支持体シート/燃料極層/電解質膜)を、1350℃で共焼成し、ハーフセルを作製した。
Next, the 8YSZ powder (average particle diameter: 0.5 μm), an organic solvent (terpineol), and an organic binder (ethyl cellulose) are mixed so that the mass ratio is 65: 31: 4, and the electrolyte membrane is obtained. It was a paste for formation. The paste for forming an electrolyte membrane was applied on the fuel electrode layer formed above by screen printing to form an electrolyte membrane with a thickness of 10 μm.
Next, the laminated body (fuel electrode support sheet / fuel electrode layer / electrolyte film) laminated and formed above was co-fired at 1350 ° C. to prepare a half cell.

〔接触抵抗の測定〕
まず、上記で作製したハーフセルの燃料極側の表面に、□10mm×10mmの面積で、上記で調製した各接合材を塗布した。次に、塗布した接合材の上に、ステンレス鋼(SUS430)製の金属インターコネクタを配置して、850℃で焼成した。これにより、接合材層を介してSOFCセルとインターコネクタとが一体化されたテストピースを作製した。次に、上記テストピースの燃料極と金属インターコネクタとにそれぞれPt製の端子を取り付け、還元雰囲気(100%Hの雰囲気)において、温度700℃で、燃料極と金属インターコネクタとの間の接触抵抗を測定した。具体的には、DC±10mV、1mV/secで掃引し、その時の電圧値と電流値とのグラフの傾きから、接触抵抗を算出した。
[Measurement of contact resistance]
First, each bonding material prepared above was apply | coated to the surface of the fuel electrode side of the half cell produced above by the area of □ 10 mm x 10 mm. Next, a metal interconnect made of stainless steel (SUS430) was placed on the applied bonding material, and fired at 850 ° C. Thus, a test piece in which the SOFC cell and the interconnector were integrated through the bonding material layer was produced. Next, Pt terminals are respectively attached to the fuel electrode and the metal interconnector of the test piece, and in a reducing atmosphere (at 100% H 2 atmosphere), at a temperature of 700 ° C., between the fuel electrode and the metal interconnector The contact resistance was measured. Specifically, sweeping was performed at DC ± 10 mV and 1 mV / sec, and the contact resistance was calculated from the slope of the graph of the voltage value and the current value at that time.

結果を表1の「接触抵抗」の欄に示す。なお、表1では、体積抵抗率が0.02Ω・cm以下の場合を「◎」、体積抵抗率が0.02Ω・cmを超えて0.05Ω・cm以下の場合を「〇」、体積抵抗率が0.05Ω・cmを超えて0.1Ω・cm以下の場合を「△」、体積抵抗率が0.1Ω・cmを超える場合を「×」、と相対的に示している。 The results are shown in the "contact resistance" column of Table 1. In Table 1, the case where the volume resistivity of 0.02Ω · cm 2 or less "◎", a case where the volume resistivity of 0.05Ω · cm 2 or less beyond the 0.02Ω · cm 2 "〇" the case where the volume resistivity of 0.1 [Omega · cm 2 or less beyond 0.05? · cm 2 "△", a case where the volume resistivity is more than 0.1 [Omega · cm 2 "×", a relatively It shows.

Figure 2019102377
Figure 2019102377

表1に示すように、接合材におけるNiO粉末の仕込み比を高くするほど、還元雰囲気下において接合材層中のNiの割合が高くなり、かつ、酸化還元時の体積変化率がNiO単独の時(比較例3)の値に近づく傾向にあった。
また、表1に示す評価結果から、次の構成:
(1)NiO粉末とLSTF粉末とを、NiO:LSTF=64:36〜99:1の質量比(好ましくは、NiO:LSTF=88:12〜97:3の質量比)で配合した接合材を用いて接合材層を形成すること;
(2)還元雰囲気下においてNiとLSTFとが、体積比で、Ni:LSTF=50:50〜98:2(好ましくは、Ni:LSTF=80:20〜95:5)の接合材層を形成すること;
によって、接合材層の還元膨張性と還元収縮性とを相殺することができた。その結果、接合材層の体積変化率を、−0.31〜+0.19%(好ましくは、+0.004〜+0.17%)の範囲に抑えることができた。また、接合強度が高く、かつ、接触抵抗が低い接合材層が実現されていた。この理由としては、副材によって主材の還元収縮性がキャンセルされ、接合材層の体積変化率の絶対値が小さく抑えられたことで、レドックス耐性が向上したことが考えられる。
As shown in Table 1, the higher the preparation ratio of the NiO powder in the bonding material, the higher the proportion of Ni in the bonding material layer in a reducing atmosphere, and when the volume change rate during oxidation reduction is NiO alone It tended to approach the value of (Comparative Example 3).
Also, from the evaluation results shown in Table 1, the following configuration:
(1) A bonding material containing NiO powder and LSTF powder in a mass ratio of NiO: LSTF = 64: 36 to 99: 1 (preferably, a mass ratio of NiO: LSTF = 88: 12 to 97: 3) Using to form a bonding material layer;
(2) A bonding material layer of Ni: LSTF = 50: 50 to 98: 2 (preferably Ni: LSTF = 80: 20 to 95: 5) in volume ratio of Ni and LSTF in a reducing atmosphere is formed To do;
Thus, it was possible to offset the reduction expansion property and reduction contraction property of the bonding material layer. As a result, the volume change rate of the bonding material layer could be suppressed to the range of -0.31 to + 0.19% (preferably, +0.004 to + 0.17%). In addition, a bonding material layer having high bonding strength and low contact resistance has been realized. The reason for this is considered that the redox resistance is improved by the reduction shrinkage of the main material being canceled by the auxiliary material and the absolute value of the volume change rate of the bonding material layer being suppressed to a small value.

(試験例II)
副材としてLSTFにかえて10GDC(Gd0.1Ce0.9)を用いたことと、接合材における「仕込み比」を表2のように調整したこと以外は上記試験例Iと同様にして、例8〜11、比較例4,5の評価を行った。結果を表2に示す。なお、表2には、上記試験例Iにおける比較例3の結果をあわせて示している。また、図3には、一例として、比較例4のTMA測定チャートを示す。
(Test Example II)
The same as Test Example I above except that 10 GDC (Gd 0.1 Ce 0.9 O 2 ) was used instead of LSTF as an auxiliary material and that the “feed ratio” in the bonding material was adjusted as shown in Table 2. The evaluations of Examples 8 to 11 and Comparative Examples 4 and 5 were performed. The results are shown in Table 2. Table 2 also shows the results of Comparative Example 3 in Test Example I above. Further, FIG. 3 shows a TMA measurement chart of Comparative Example 4 as an example.

Figure 2019102377
Figure 2019102377

表2に示すように、副材としてLSTFにかえてGDCを用いた場合にも、上記試験例Iと同様の結果が得られた。すなわち、次の構成:
(1)NiO粉末とGDC粉末とを、NiO:GDC=61:39〜99:1の質量比で配合した接合材を用いて接合材層を形成すること;
(2)還元雰囲気下においてNiとGDCとが、体積比で、Ni:GDC=50:50〜98:2の接合材層を形成すること;
によって、接合材層の還元膨張性と還元収縮性とを相殺することができた。その結果、体積変化率を、−0.11%〜+0.19%の範囲に抑えることができた。
As shown in Table 2, when GDC was used in place of LSTF as the auxiliary material, the same result as in Test Example I was obtained. That is, the following configuration:
(1) forming a bonding material layer using a bonding material in which NiO powder and GDC powder are mixed at a mass ratio of NiO: GDC = 61: 39 to 99: 1;
(2) forming a bonding material layer of Ni: GDC = 50: 50 to 98: 2 by volume ratio of Ni and GDC in a reducing atmosphere;
Thus, it was possible to offset the reduction expansion property and reduction contraction property of the bonding material layer. As a result, the volume change rate could be suppressed to the range of -0.11% to + 0.19%.

(試験例III)
接合材に含ませる主材および副材の種類を表3のように変更したこと以外は上記試験例Iの例5と同様にして、例12〜14の評価を行った。なお、副材としてのLCTFとしては、La0.8Ca0.2Ti0.1Fe0.9を使用した。また、例14では、例5とは組成比の異なるLSTF(La0.6Sr0.4Ti0.3Fe0.7)を使用した。結果を表3に示す。なお、表3には、上記試験例Iにおける例5の結果をあわせて示している。
(Test Example III)
The evaluations of Examples 12 to 14 were performed in the same manner as Example 5 of the above-mentioned Test Example I except that the types of the main material and the auxiliary material included in the bonding material were changed as shown in Table 3. As the LCTF as Fukuzai, using La 0.8 Ca 0.2 Ti 0.1 Fe 0.9 O 3. Further, in Example 14, and Example 5 using different composition ratios LSTF (La 0.6 Sr 0.4 Ti 0.3 Fe 0.7 O 3). The results are shown in Table 3. Table 3 also shows the results of Example 5 in Test Example I above.

Figure 2019102377
Figure 2019102377

表3に示すように、主材の金属の種類、および/または、副材のペロブスカイト型酸化物の種類を変更した場合にも、ここに開示される技術の効果がもれなく発揮されていた。   As shown in Table 3, even when the type of metal of the main material and / or the type of perovskite oxide of the auxiliary material were changed, the effects of the technology disclosed herein were fully exhibited.

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。   Although the specific examples of the present invention have been described above in detail, these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The art set forth in the claims includes various variations and modifications of the specific examples illustrated above.

例えば、図1に示すSOFCの単セル10A,10Bは平型(Planar)であったが、これには限定されない。SOFCの単セルは、他にも種々の形状とすることができる。例えば、従来公知の多角形型、円筒型(Tubular)、あるいは円筒の周側面を垂直に押し潰した扁平円筒型(Flat Tubular)等とすることができる。また、金属インターコネクタ20,20Aの形状やサイズも、単セル10A,10Bの形状に応じて適宜に変更することができる。   For example, although single cells 10A and 10B of SOFC shown in FIG. 1 were planar (Planar), it is not limited to this. SOFC single cells can be of various other shapes as well. For example, it may be a polygon, a cylindrical (Tubular), or a flat cylindrical in which the circumferential side of a cylinder is vertically crushed. Further, the shape and size of the metal interconnectors 20 and 20A can be appropriately changed according to the shape of the single cells 10A and 10B.

また、図1に示すSOFCスタック1では、金属部材が金属インターコネクタ20,20Aであったが、これには限定されない。金属部材は、SOFCの単セル10A,10Bと電気的および/または物理的に接続される部材であればよい。金属部材は、例えば単セル10A,10Bの燃料極(第1燃料極12および第2燃料極14)に接続されるガス管等であってもよい。その場合、インターコネクタは、例えばカーボン製やセラミック製等の金属以外の材料で構成されていてもよい。   Further, in the SOFC stack 1 shown in FIG. 1, the metal members are the metal interconnectors 20 and 20A, but the present invention is not limited to this. The metal member may be a member electrically and / or physically connected to the single cells 10A and 10B of the SOFC. The metal member may be, for example, a gas pipe or the like connected to the fuel electrodes (the first fuel electrode 12 and the second fuel electrode 14) of the unit cells 10A and 10B. In that case, the interconnector may be made of, for example, a material other than metal such as carbon or ceramic.

1 SOFCスタック
10A,10B SOFCの単セル
12 第1燃料極
20,20A インターコネクタ(金属部材)
30、40 集電部
1 SOFC stack 10A, 10B SOFC single cell 12 1st fuel pole 20, 20A interconnector (metal member)
30, 40 Current collector

Claims (8)

固体酸化物形燃料電池セルと、
金属部材と、
前記固体酸化物形燃料電池セルと前記金属部材とを接続する集電部と、
を備え、
前記集電部は、
金属またはその酸化物からなる主材と、
一般式(1):AB3−δ(ここで、xは0または1であり、Aは少なくとも1種のランタノイド元素を含み、xが1のとき、Bは少なくとも1種の遷移金属元素を含み、δは、電荷の中性条件を満たすように定まる値である。);で表される還元膨張性の副材と、を含み、
還元雰囲気下において、電子顕微鏡観察−エネルギー分散型X線分析法に基づいて算出される前記主材の前記金属と前記副材との合計を100体積%としたときに、前記主材の前記金属の体積割合が、50体積%以上98体積%以下である、接合体。
A solid oxide fuel cell,
Metal members,
A current collector connecting the solid oxide fuel cell and the metal member;
Equipped with
The current collecting unit
Main material consisting of metal or its oxide,
General formula (1): AB x O 3-δ (where, x is 0 or 1, A contains at least one lanthanoid element, and when x is 1, B is at least one transition metal element And δ is a value determined to satisfy the neutral condition of the charge.);
The metal of the main material when the total of the metal of the main material and the auxiliary material calculated on the basis of electron microscopy-energy dispersive X-ray analysis is 100% by volume under a reducing atmosphere A bonded body, wherein the volume fraction of the is 50% by volume to 98% by volume.
前記主材が、Fe,Ni,Cu,Ag,Ag−Pd合金およびそれらの酸化物のうちの少なくとも1つを含む、
請求項1に記載の接合体。
The main material contains at least one of Fe, Ni, Cu, Ag, Ag-Pd alloy and their oxides,
The joined body according to claim 1.
前記副材が、次の(A),(B):
(A)前記一般式(1)のxが0であり、かつ、Aが少なくともCeを含む、セリウム含有酸化物;
(B)前記一般式(1)のxが1である、ペロブスカイト型酸化物;
のうちの少なくとも1つを含む、
請求項1または2に記載の接合体。
The said auxiliary material is the following (A), (B):
(A) A cerium-containing oxide in which x in the general formula (1) is 0 and A contains at least Ce;
(B) Perovskite-type oxides in which x in the general formula (1) is 1;
Containing at least one of
The joined body according to claim 1 or 2.
前記集電部は、還元雰囲気下において、電子顕微鏡観察−エネルギー分散型X線分析法に基づいて算出される前記主材の前記金属と前記副材との合計を100体積%としたときに、前記主材の前記金属の体積割合が、80体積%以上95体積%以下である、
請求項1から3のいずれか1項に記載の接合体。
In the reducing atmosphere, the current collecting unit has a total of 100% by volume of the metal of the main component and the subcomponent calculated on the basis of electron microscopy-energy dispersive X-ray analysis. The volume ratio of the metal of the main material is 80% by volume or more and 95% by volume or less.
The joined body according to any one of claims 1 to 3.
前記固体酸化物形燃料電池セルは、燃料極と固体電解質と空気極とを有し、
少なくとも前記燃料極と前記金属部材との間に前記集電部が配置されている、
請求項1から4のいずれか1項に記載の接合体。
The solid oxide fuel cell has a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode.
The current collector is disposed at least between the fuel electrode and the metal member,
The joined body according to any one of claims 1 to 4.
前記集電部は、熱機械分析装置を用いて、酸化雰囲気中において25℃から700℃までの温度範囲で測定された熱膨張率Eair(%)から還元雰囲気中において前記温度範囲で測定された熱膨張率Ered(%)を差し引くことで求められる酸化還元時の体積変化率が、−0.01%以上+0.18%以下である、
請求項1から5のいずれか1項に記載の接合体。
The current collecting portion is measured in a temperature range from a thermal expansion coefficient E air (%) measured in a temperature range of 25 ° C. to 700 ° C. in an oxidizing atmosphere using a thermomechanical analyzer. The volume change rate at the time of oxidation reduction determined by subtracting the thermal expansion coefficient E red (%) is −0.01% or more and 0.18% or less.
The joined body according to any one of claims 1 to 5.
請求項1から6のいずれか1項に記載の接合体の製造において、前記集電部の形成に用いられる、接合材。   The jointing material used for formation of the current collection part in manufacture of a joined object according to any one of claims 1 to 6. 前記接合材が溶媒を含み、ペースト状に調製されている、請求項7に記載の接合材。   The bonding material according to claim 7, wherein the bonding material contains a solvent and is prepared in a paste form.
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