JP2020537302A - 固体酸化物燃料電池用連結材、その製造方法および固体酸化物燃料電池 - Google Patents

Abstract

本明細書は、固体酸化物燃料電池用連結材とその製造方法および固体酸化物燃料電池に関する。

Description

本出願は、２０１７年１０月２０日付で韓国特許庁に提出された特許出願第１０−２０１７−０１３６４７９号の出願日の利益を主張し、その内容のすべては本明細書に組み込まれる。

本発明は、固体酸化物燃料電池用連結材、その製造方法および固体酸化物燃料電池用連結材を含む固体酸化物燃料電池に関する。

最近、石油や石炭のような既存のエネルギー資源の枯渇が予測されるにつれ、これらを代替できるエネルギーに対する関心が高まっている。このような代替エネルギーの一つとして、燃料電池は高効率であり、ＮＯ_ｘおよびＳＯ_ｘなどの公害物質を排出せず、使用される燃料が豊富であるなどの利点によって特に注目されている。

燃料電池は、燃料と酸化剤の化学反応エネルギーを電気エネルギーに変換させる発電システムであって、燃料としては水素とメタノール、ブタンなどのような炭化水素が、酸化剤としては酸素が代表的に使用される。

燃料電池には、高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、アルカリ型燃料電池（ＡＦＣ）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）などがある。

図１１および図１２は、固体酸化物型燃料電池の構造および電気発生原理を概略的に示すもので、固体酸化物型燃料電池は、電解質（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ）と、該電解質の両面に形成される燃料極（Ａｎｏｄｅ）および空気極（Ｃａｔｈｏｄｅ）とから構成される。固体酸化物型燃料電池の電気発生原理を示す図１２を参照すれば、空気極で空気が電気化学的に還元されながら酸素イオンが生成され、生成された酸素イオンは電解質を通して燃料極に伝達される。燃料極では水素、メタノール、ブタンなどのような燃料が注入され、燃料が酸素イオンと結合して電気化学的に酸化されながら電子を出して水を生成する。このような反応によって外部回路に電子の移動が発生する。

連結材は、単位セルを電気的に連結すると同時に、燃料と空気とを分離させる役割を果たす固体酸化物燃料電池（ｓｏｌｉｄ ｏｘｉｄｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ：ＳＯＦＣ）の核心部品である。

最近提示された金属としては、Ｆｅ−ｂａｓｅｄ合金系のＣｒ（１６〜２２％）を含む合金鋼（例：ドイツのＴｈｙｓｓｅｎＫｒｕｐｐ（社）のＣｒｏｆｅｒ２２ＡＰＵ、日本のＨｉｔａｃｈ Ｍｅｔａｌｓ（社）のＺＭＧ２３２など）があり、他の金属より加工性に優れ、電極材料と類似の熱膨張係数を有するなどの利点があって、これを適用するための多くの研究が進められている。しかし、Ｆｅ−Ｃｒ系金属を連結材として用いる場合、高温の酸化雰囲気で金属からＣｒＯ_２（ＯＨ）のような揮発性クロムが発生して各セルの電解質および正極の触媒活性を低下させる問題と、金属表面に生成された非導電性酸化物の影響で高い接触抵抗を発生させる問題点がある。したがって、高耐食性および高導電表面特性を有する金属連結材の素材を確保することが重要な技術的事項である。これを改善するための方法として、分離板で要求する機能に合わせて新たな合金素材を開発したり、表面に導電性の金属や非金属コーティングなどで表面処理をする方策がある。

最近、既存の常用金属の表面に保護被膜をコーティングすることが試みられており、電気メッキ法、スパッタリング蒸着法、プラズマ溶射コーティング法など、様々なコーティング法を試みているが、高価なコーティング費用とコーティング条件の選定に困難があり、これに対する改善が必要である。

本明細書の一実施態様は、セラミック保護膜を含む固体酸化物燃料電池用連結材を提供する。

本明細書の他の実施態様は、固体酸化物燃料電池用連結材の製造方法を提供する。

本明細書のさらに他の実施態様は、前記固体酸化物燃料電池用連結材を含む固体酸化物燃料電池を提供する。

本明細書の一実施態様は、導電性基板と、
前記導電性基板の一面または両面に備えられたセラミック保護膜とを含み、
前記セラミック保護膜は、下記化学式１で表されたスピネル構造の酸化物を含むものである固体酸化物燃料電池用連結材を提供する。
［化学式１］
Ｍｎ_{１．５−０．５（ｘ１＋ｘ２）}Ｃｏ_{１．５−０．５（ｘ１＋ｘ２）}Ｃｕ_ｘ１Ｙ_ｘ２Ｏ_４
前記化学式１において、
前記ｘ１およびｘ２それぞれは、ＣｕおよびＹのモル比を示し、０＜ｘ１≦０．９、０＜ｘ２≦０．５の範囲を満足する。

本明細書の他の実施態様は、導電性基板の一面または両面に、前記化学式１で表されたスピネル構造を有する化合物を含むセラミック保護膜を形成するステップを含む固体酸化物燃料電池用連結材の製造方法を提供する。

本明細書のさらに他の実施態様は、２以上の単位セルと、前記２以上の単位セルの間に備えられた固体酸化物燃料電池用連結材を含む連結材層とを含み、前記単位セルは、燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極との間に備えられた電解質とを含み、前記連結材層は、前記単位セルの空気極または燃料極と接するものである固体酸化物燃料電池を提供する。

本明細書の一実施態様に係る固体酸化物燃料電池用連結材は、セラミック保護膜と金属導電性基板との間にクロム気体の蒸発による酸化層形成を効果的に抑制することができ、これにより、連結材の電気的特性が低下せず、導電性基板との熱的特性が類似の効果を有する。

本明細書の一実施態様に係る固体酸化物燃料電池用連結材は、金属導電性基板の表面の酸化膜成長と金属の揮発を抑制することができる効果を有する。

本明細書の一実施態様に係る固体酸化物燃料電池用連結材の製造方法は、セラミック保護膜と金属導電性基板の亀裂および剥離現象を最小化することができ、コーティング層と導電性基板との接合面積を増加させることができる。

本明細書の一実施態様に係る固体酸化物燃料電池は、長時間駆動時にも電気的特性が低下しない効果を有する。

本明細書の一実施態様に係る固体酸化物燃料電池用連結材を示す断面図である。 製造例１による組成１のＸＲＤ測定結果である。 実施例１による固体酸化物燃料電池用連結材上に形成されたセラミック保護膜の表面のＳＥＭ写真である。 実施例１による固体酸化物燃料電池用連結材の断面図である。 実験例１による結果を示すものである。 実験例１による結果を示すものである。 実験例２による結果を示すものである。 実験例３による結果を示すものである。 実験例３による結果を示すものである。 実験例４による結果を示すものである。 本明細書の一実施態様に係る固体酸化物燃料電池の作動原理の一例を示すものである。 本明細書の一実施態様に係る燃料電池の構造を示す。

以下、本明細書についてより詳細に説明する。

本明細書において、「または」とは、別の定義がない限り、挙げられたものを選択的にまたはすべて含む場合、すなわち、「および／または」の意味を表す。

本明細書において、「層」とは、当該層が存在する面積を７０％以上覆っているものを意味する。好ましくは７５％以上、より好ましくは８０％以上覆っているものを意味する。

本明細書において、ある層の「厚さ」とは、当該層の下面から上面までの最短距離を意味する。

本明細書において、「接するもの」の意味は、いずれか１つの構成が他の構成と物理的に接触しているものを意味し、前記いずれか１つの構成の全体面積に前記他の構成が接触して結合しているものを意味するのではなく、大部分は接触して結合しており、部分的に離隔しているとしても離隔した部分も対応する面に対面しているものを意味する。

本明細書において、「含む」は、他の構成をさらに包含できることを意味する。

本明細書において、「ペースト」は、同じ組成を含む組成物を意味することができる。

固体酸化物燃料電池用連結材
本明細書の一実施態様は、導電性基板と、前記導電性基板の一面または両面に備えられたセラミック保護膜とを含み、前記セラミック保護膜は、下記化学式１で表されたスピネル構造を有する化合物を含むものである固体酸化物燃料電池用連結材を提供する。
［化学式１］
Ｍｎ_{１．５−０．５（ｘ１＋ｘ２）}Ｃｏ_{１．５−０．５（ｘ１＋ｘ２）}Ｃｕ_ｘ１Ｙ_ｘ２Ｏ_４
前記化学式１において、
前記ｘ１およびｘ２それぞれは、ＣｕおよびＹのモル比を示し、０＜ｘ１≦０．９、０＜ｘ２≦０．５の範囲を満足する。

本明細書の一実施態様において、前記セラミック保護膜は、前記化学式１で表されたスピネル構造を有する化合物のほか、他の化合物をさらに含んでもよい。

前記固体酸化物燃料電池用連結材は、固体酸化物燃料電池の単位セルを物理的に分離しながら電気的に連結し、各単位セルに供給される燃料と空気の通路の役割を果たす構成である。前記固体酸化物燃料電池用連結材は、燃料電池の機能によって、「セパレータ（ｓｅｐａｒａｔｏｒ）」と名付けられる。

しかし、前記導電性基板は、一般的に金属素材を用いるが、セラミック素材に比べて金属素材の酸化による燃料電池スタックの性能劣化の問題が発生しうる。具体的には、固体酸化物燃料電池が作動する約８００℃の温度で酸化雰囲気、すなわち空気または水蒸気に長時間露出する場合、金属表面に電気抵抗の高い絶縁性酸化膜が成長し、スタックの電気的抵抗が増加して性能が低下する問題があった。

また、導電性基板として鉄−クロム（Ｆｅ−Ｃｒ）合金のような材料は、高温で酸素と接触する場合、揮発性の高いクロム酸化物（ＣｒＯ_ｘ）が形成され、金属から揮発されたクロム原子（Ｃｒ）が電極表面に蒸着されて、電極の反応点数を減少させ、電極の性能を低下させる問題があった。

そこで、本発明者らは、前記化学式１で表されたスピネル構造を有する化合物を含むセラミック保護膜を導電性基板の一面または両面に導入して、緻密な構造のセラミック保護膜を構成して、金属上にガスが透過するのを防止することで、上述した問題点を解決しようとした。

特に、マンガン（Ｍｎ）およびコバルト（Ｃｏ）のモル比が前記化学式１の範囲を満足し、銅（Ｃｕ）およびイットリア（Ｙ）のモル比が前記化学式１のｘ１およびｘ２の範囲をそれぞれ満足する時、連結材の他の構成との熱的相溶性に優れ、面抵抗特性が低い効果を有する。

例えば、銅含有量が多すぎると、熱膨張係数が過度に変化し、局所的に銅（Ｃｕ）が過濃縮された二次相が形成されて電気伝導性が低下することがある。

しかし、銅含有量が一定範囲水準に調節されれば、銅の低い融点によって焼結度が増加し、粒子間の距離が近くなって、結果的に電気伝導性が増加する効果がある。

本明細書の一実施態様において、前記化学式１で表されたスピネル構造を有する化合物の６５０℃における電気伝導度は、４０Ｓ／ｃｍ以上、好ましくは５０Ｓ／ｃｍ以上、さらに好ましくは７０Ｓ／ｃｍ以上であってもよい。

セラミック保護膜
本明細書の一実施態様において、前記セラミック保護膜は、前記化学式１で表されたスピネル構造を有する化合物を含む。

本明細書において、前記「セラミック保護膜」は、固体酸化物燃料電池のインターコネクタとして用いられる導電性基板の一面または両面に備えられる構成である。本明細書のセラミック保護膜は、導電性基板を効果的に保護すると同時に、電気伝導度特性に優れるという利点がある。図１は、導電性基板１の一面にセラミック保護膜２が形成された固体酸化物燃料電池用連結材を示す。

本明細書の一実施態様において、前記セラミック保護膜は、前記導電性基板の一面または両面に備えられ、好ましくは、導電性基板が電極と接する面の他面に備えられる。

本明細書の一実施態様に係る固体酸化物燃料電池用連結材は、前記セラミック保護膜を含むことにより、高温で高い電気伝導性を有するので、固体酸化物燃料電池の効率が増大するという利点がある。具体的には、従来のセラミック素材は、電気伝導度が低い問題点があったが、前記化学式１のスピネル構造を有する化合物を含むことにより、優れた電気伝導度を有することができる。

また、固体酸化物燃料電池の連結材の熱膨張係数（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ：ＣＴＥ）を他の電池部品の熱膨張係数と類似に調節し、特に、前記固体酸化物燃料電池の連結材に含まれる導電性基板とセラミック保護膜の熱膨張係数（ＣＴＥ）を類似にすることで、熱応力を最小化することができる。すなわち、本明細書のセラミック保護膜の熱膨張係数（ＣＴＥ）を導電性基板の熱膨張係数と類似に調節することが可能である。

本明細書の一実施態様に係る固体酸化物燃料電池は、前記化学式１で表されるスピネル構造を有する化合物を含むセラミック保護膜を含む。スピネル構造は、キュービック（ｃｕｂｉｃ）またはテトラゴナル（ｔｅｔｒａｇｏｎａｌ）構造を有するが、他の金属のドーピングによる結晶構造の変化が発生しても、酸素放出が抑制される特性がある。これによって、酸素イオンの拡散が抑制されて酸素イオン伝導度が低いという利点がある。酸素イオン伝導度が低いので、クロム酸化層のような絶縁層が形成されるのを防止することができる。

従来のセラミック素材に含まれるペロブスカイト（ｐｅｒｏｖｓｋｉｔｅ）構造の化学式はＡＢＯ_３に代表されるが、陽イオンとしてサイズの大きい方がＡ、小さい方がＢで表される。前記元素Ａと酸素Ｏは面心立方構造をなし、Ｂはその中の８面体サイト（ｏｃｔａｈｅｄｒａｌ ｓｉｔｅ）を占める。前記ＡＢＯ_３のＡまたはＢ位置に他の元素がドーピングされると、既存の酸素のサイトが空いたり新しい酸素が入ってくる。すなわち、ペロブスカイト構造は、電子またはイオンの移動による電気伝導度が高いので、酸素イオンの拡散速度が非常に大きい問題点があり、本発明では、スピネル構造を有する化合物を含むセラミック保護膜を導入することで、上述した問題点を解決した。

前記化学式１で表されるスピネル構造を有する化合物では、銅（Ｃｕ）とイットリア（Ｙ）がスピネル組成の結晶粒界に分離されていて、結晶粒界を通した酸素の移動を効果的に抑制することができる。

前記セラミック保護膜は、前記化学式１で表されるスピネル構造を有する化合物を含むことにより、保護膜の構造が非常に緻密で、金属上にガスが透過することを効果的に抑制して、絶縁酸化膜の成長を効果的に抑制することができる。

また、前記セラミック保護膜は、電気的特性が非常に優れるという利点がある。具体的には、前記セラミック保護膜は、高温で長時間駆動時にも面特性抵抗が大きく上昇せず、電気伝導度が優れたものに維持されるという利点がある。

本明細書の一実施態様に係る固体酸化物燃料電池は、前記化学式１で表されるスピネル構造を有する化合物を含むセラミック保護膜を含む。

本明細書の一実施態様において、前記化学式１で表されるスピネル構造を有する化合物は、マンガン（Ｍｎ）、コバルト（Ｃｏ）、および酸素（Ｏ）からなるスピネル構造に、銅（Ｃｕ）およびイットリア（Ｙ）がドーピングされた形態を有する。

前記銅（Ｃｕ）は、約１，０００℃の低い融点を有する元素であって、これらが添加された場合、焼結助剤（ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ａｉｄ）として作用して、焼結密度を高める役割を果たして、セラミック保護膜の電気伝導度を向上させることができる。

前記イットリア（Ｙ）は、スピネル構造の結晶粒界に分離されて、結晶粒界を通した酸素の移動を抑制する役割を果たす。これにより、保護膜の表面に絶縁膜が形成されることを抑制して、保護膜の電気的抵抗が上昇することを抑制し、セラミック保護膜の高い電気伝導度を維持することができる。

前記スピネルの格子式はＡＢ_２Ｏ_４で、陽イオンＡ、Ｂと酸素イオンとによって最密充填された面心立方構造である。スピネルは、格子内の陽イオンＡとＢの種類と組成によってそれぞれ異なる特性を示すことができる。特に、マンガン（Ｍｎ）、コバルト（Ｃｏ）を主要成分として含有するスピネル構造に、銅（Ｃｕ）およびイットリア（Ｙ）をドーピングさせる場合、前記ドーピングされた銅およびイットリアによってスピネル構造の結晶度が高く維持され、高温で長時間固体酸化物燃料電池を駆動しても、構造内の酸素イオンが離脱することを効果的に抑制することができる。これにより、導電性基板で発生したクロムなどの金属気体が酸素イオンによって酸化されることを抑制することができ、クロム酸化物層のような絶縁層が生成されることを抑制することができるという利点がある。

本明細書の一実施態様において、前記ｘ１およびｘ２それぞれは、ＣｕおよびＹのモル比を示し、０＜ｘ１≦０．９、０＜ｘ２≦０．５の範囲を満足する。また、好ましくは、０＜ｘ１≦０．７および０＜ｘ２≦０．４の数値範囲、０．１≦ｘ１≦０．５および０＜ｘ２≦０．３の数値範囲、０．２≦ｘ１≦０．４および０＜ｘ２≦０．２の数値範囲、または０．２≦ｘ１≦０．３および０＜ｘ２≦０．２の数値範囲を満足することができる。前記数値範囲を満足する場合、固体酸化物燃料電池の他の構成と熱膨張係数が類似し、熱膨張挙動で有利であり、長時間駆動時にも抵抗値が低く維持される。

また、前記数値範囲を満足する場合、上述したスピネル構造に含まれる銅（Ｃｕ）による保護膜の焼結密度を高める効果と、イットリア（Ｙ）による電気伝導度の上昇効果を同時に有することができる。

前記銅の含有量（ｘ１）が前記数値範囲より少ない場合、保護膜の焼結密度が低いので、空隙が発生して電気伝導度の上昇効果がわずかでありうる。

前記イットリアの含有量（ｘ２）が前記数値範囲より少ない場合、イットリア（Ｙ）がスピネル構造の結晶粒界に分離される程度がわずかで、酸素が移動することを効果的に抑制することができないが、この時、保護膜の表面に絶縁膜が形成されて、固体酸化物燃料電池用連結材の電気伝導度が低くなりうる。

本明細書の一実施態様において、前記ｘ１およびｘ２それぞれは、０＜ｘ１≦０．５およびｘ２＝０．１、０．１≦ｘ１≦０．５およびｘ２＝０．１、０．２≦ｘ１≦０．４およびｘ２＝０．１、０．２≦ｘ１≦０．３およびｘ２＝０．１の数値範囲を満足することができる。

本明細書の一実施態様において、前記セラミック保護膜の９７３Ｋにおける熱膨張係数は、１０．０×１０^−６Ｋ^−１〜１３．０×１０^−６Ｋ^−１、好ましくは１０．５×１０^−６Ｋ^−１〜１２．５×１０^−６Ｋ^−１であり、さらに好ましくは１１．０×１０^−６Ｋ^−１〜１２．０×１０^−６Ｋ^−１である。前記範囲を満足する場合、高温環境下でもセラミック保護膜自体の膨張または収縮による連結材の変形を効果的に抑制することができる。

前記セラミック保護膜の熱膨張係数は、本発明の属する技術分野で一般的に使用される方法で測定され、例えば、セラミック保護膜を形成するための組成物を３ｍｍ（Ｗ）×３ｍｍ（Ｄ）×１５ｍｍ（Ｌ）のｄｉｍｅｎｓｉｏｎを有する焼結体ｂａｒに成形した後、膨張計（Ｄｉｌａｔｏｍｅｔｅｒ、ＬＩＮＳＥＩＳ社のＬ７５ ｍｏｄｅｌ）を用いて、５℃／ｍｉｎ〜１０℃／ｍｉｎの昇温速度で１，３００℃までの熱膨張変化を測定した。

本明細書の一実施態様において、前記化学式１で表されるスピネル構造を有する化合物は、Ｍｎ_１．３５Ｃｏ_１．３５Ｃｕ_０．２Ｙ_０．１Ｏ_４、Ｍｎ_１．３０Ｃｏ_１．３０Ｃｕ_０．３Ｙ_０．１Ｏ_４、Ｍｎ_１．２０Ｃｏ_１．２０Ｃｕ_０．５Ｙ_０．１Ｏ_４、またはＭｎ_１．４０Ｃｏ_１．４０Ｃｕ_０．１Ｙ_０．１Ｏ_４であってもよい。

本明細書の一実施態様において、前記セラミック保護膜の９７３Ｋにおける熱膨張係数および前記導電性基板の９７３Ｋにおける熱膨張係数の関係が、下記関係式１および関係式２を満足するものであってもよく、関係式１−２および関係式２、関係式１−３および関係式２、関係式１−４および関係式２、または関係式１−５および関係式２を満足することができる。
［関係式１］
０≦ＤＣ≦６％
［関係式１−２］
０≦ＤＣ≦５．５％
［関係式１−３］
０≦ＤＣ≦５％
［関係式１−４］
０≦ＤＣ≦１％
［関係式１−５］
０≦ＤＣ≦０．９％
（前記ＤＣは、下記関係式２を満足する）
［関係式２］
ＤＣ＝［（導電性基板の９７３Ｋにおける熱膨張係数−セラミック保護膜の９７３Ｋにおける熱膨張係数）／（セラミック保護膜の９７３Ｋにおける熱膨張係数）］＊１００（％）の絶対値

本明細書の一実施態様において、前記セラミック保護膜の熱膨張係数および前記導電性基板の熱膨張係数の関係式は、６５０℃で測定された値であってもよい。

前記関係式を満足する場合、セラミック保護膜の熱膨張係数と導電性基板の熱膨張係数とが互いに類似し、セラミック保護膜と導電性基板との熱的相溶性が良くて、高温で長時間駆動する場合にも固体酸化物燃料電池の性能が低下することを抑制することができるという利点がある。従来は、セラミック保護膜と導電性基板との熱膨張係数が互いに異なっていて、固体酸化物燃料電池を高温で長時間駆動する場合、互いに接しているセラミック保護膜と導電性基板の収縮または膨張の程度が大きく隔たるようになる。これによって、両構造の界面で亀裂が生じる問題があった。

しかし、本発明に係る固体酸化物燃料電池用連結材によれば、前記セラミック保護膜と導電性基板との熱膨張係数を類似に維持して、長時間高温で駆動時にも両構造の界面で亀裂が生じることを効果的に抑制することができる。

本明細書の一実施態様において、前記セラミック保護膜の厚さが１０μｍ〜３０μｍ、好ましくは１５μｍ〜２５μｍである。前記数値範囲を満足する場合、セラミック保護膜で酸素イオンが移動することを効果的に抑制して、導電性基板とセラミック保護膜との間にクロム酸化物層が形成されるのを防止することができ、電気伝導度を高く維持することができるという利点がある。

導電性基板
本明細書の一実施態様に係る固体酸化物燃料電池は、導電性基板を含む。前記導電性基板は、電気伝導度に優れた基板を意味するものであって、電気伝導度については後述する。

本明細書の一実施態様において、前記導電性基板は、低いイオン伝導度を有しかつ高い電子伝導度を有するものであれば制限はない。一般的に、ＬａＣｒＯ_３などのようなセラミック基板または金属基板があり、好ましい例には、金属基板がある。

本明細書の一実施態様において、前記導電性基板は、フェライト系ステンレス鋼（Ｆｅｒｒｉｔｉｃ Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ：ＦＳＳ）基板であってもよい。導電性基板として前記フェライト系ステンレス鋼板を用いる場合、熱伝導度に優れてスタック温度分布が均一になり、平板型スタックで熱応力を低下させることができ、機械的強度に優れ、電気伝導度に優れるという利点がある。

本明細書の一実施態様において、前記導電性基板の厚さは、１ｍｍ以上５ｍｍ以下、好ましくは１．５ｍｍ以上４．５ｍｍ以下、さらに好ましくは２ｍｍ以上４ｍｍ以下である。前記数値範囲を満足する場合、電気伝導性が高く、機械的強度に優れるという利点がある。

前記フェライト系ステンレス鋼は、ステンレス４３４（ＳＴＳ４３４）、ステンレス４４４（ＳＴＳ４４４）、ステンレス４３０（ＳＴＳ４３０）、ステンレス４０９（ＳＴＳ４０９）、ステンレス４１０Ｌ（ＳＴＳ４１０Ｌ）、ステンレス４４１（ＳＴＳ４４１）、ＺＭＧ２３２（Ｈｉｔａｃｈｉ Ｍｅｔａｌ社製造）、およびＣｒｏｆｅｒ２２（ＴｈｙｓｓｅｎＫｒｕｐｐ社製造）を含む群より選択される１種であってもよい。

本明細書の一実施態様において、前記導電性基板の熱膨張係数は、８７３Ｋ〜１０７３Ｋの温度区間、好ましくは９７３Ｋの温度において１０．５×１０^−６Ｋ^−１〜１２．５×１０^−６Ｋ^−１、好ましくは１１．０×１０^−６Ｋ^−１〜１２．０×１０^−６Ｋ^−１である。前記数値範囲を満足する場合、温度変化による導電性基板のサイズ変化を抑制することができる。

本明細書の一実施態様において、前記セラミック保護膜は、前記導電性基板の一面または両面に備えられ、好ましくは、導電性基板が電極と接する面の他面に備えられる。

固体酸化物燃料電池用連結材の製造方法
本明細書の一実施態様は、導電性基板の一面または両面に、下記化学式１で表されたスピネル構造を有する化合物を含むセラミック保護膜を形成するステップを含む、上述した固体酸化物燃料電池用連結材の製造方法を提供する。
［化学式１］
Ｍｎ_{１．５−０．５（ｘ１＋ｘ２）}Ｃｏ_{１．５−０．５（ｘ１＋ｘ２）}Ｃｕ_ｘ１Ｙ_ｘ２Ｏ_４
前記化学式１において、
前記ｘ１およびｘ２それぞれは、ＣｕおよびＹのモル比を示し、０＜ｘ１≦０．９、０＜ｘ２≦０．５の範囲を満足する。

本明細書の一実施態様に係る固体酸化物燃料電池用連結材の製造方法において、前記導電性基板の一面または両面にセラミック保護膜を形成するステップは、原料粉末を混合、ミリング、乾燥およびか焼して導電性酸化物粉末を製造するステップと、前記導電性酸化物粉末を含むペーストを製造するステップと、前記導電性基板の一面または両面に前記導電性酸化物粉末を含むペーストを蒸着するステップと、熱処理するステップとを含むことができる。

本明細書の一実施態様において、前記導電性酸化物粉末を製造するステップは、原料粉末を混合するステップと、混合された原料粉末をミリングするステップと、乾燥するステップと、か焼するステップとを含む。

本明細書の一実施態様において、前記原料粉末は、Ｙ_２Ｏ_３およびＹ（ＮＯ_３）_３からなる群より選択された１以上；およびＣｕＯおよびＣｕ（ＮＯ_３）_２からなる群より選択された１以上を含む。前記Ｙ_２Ｏ_３およびＹ（ＮＯ_３）_３は、イットリア（Ｙ）の原料粉末であり、ＣｕＯおよびＣｕ（ＮＯ_３）_２は、銅（Ｃｕ）の原料粉末である。

本明細書の一実施態様において、前記原料粉末は、ＭｎＣＯ_３、Ｍｎ（ＮＯ_３）_２、Ｃｏ_２Ｏ_３、Ｃｏ_３Ｏ_４、およびＣｏ（ＮＯ_３）_２からなる群より選択される１または２以上をさらに含んでもよい。前記ＭｎＣＯ_３、Ｍｎ（ＮＯ_３）_２は、Ｍｎの原料粉末であり、Ｃｏ_２Ｏ_３、Ｃｏ_３Ｏ_４、およびＣｏ（ＮＯ_３）_２は、Ｃｏの原料粉末である。

本明細書の一実施態様において、前記原料粉末を混合するステップでは、計算されたモル（ｍｏｌｅ）の比率に合わせてそれぞれの粉末を正確に混合するが、ＡＢ_２Ｏ_３スピネル（ｓｐｉｎｅｌ）構造を形成できるように設計された組成を用いて、モル比を適用してそれぞれの原料粉末の純度まで考慮して計算する。原料粉末および溶媒をボールミル（ｂａｌｌ ｍｉｌｌ）容器に投入する。前記ボールミル容器の材料や種類は大きく制限されず、例えば、ポリエチレン（ＰＥ：ｐｏｌｙ ｅｔｈｙｌｅｎｅ）材質の容器であってもよい。

本明細書の一実施態様において、前記原料粉末を混合するステップは、前記原料粉末を溶媒で混合するものであってもよい。

本明細書の一実施態様において、前記溶媒は、原料粉末を分散させ、乾燥させて除去しやすい物質であれば大きく制限されず、当該技術分野で知られている通常の材料を使用することができる。例えば、前記溶媒は、水、イソプロパノール（ｉｓｏ ｐｒｏｐａｎｏｌ）、トルエン、エタノール、ｎ−プロパノール、ｎ−ブチルアセテート、エチレングリコール、ブチルカルビトール、およびブチルカルビトールアセテートからなる群より選択される１または２以上を使用することができ、好ましくは、水またはエタノールを使用することができる。

本明細書の一実施態様において、前記混合された原料粉末をミリングするステップは、溶媒と共に混合した原料粉末を物理的に混ぜるための工程で、１００ｒｐｍ〜２，０００ｒｐｍの分あたりの回転数の条件で５時間〜３０時間混合するものであってもよい。この時、５ｍｍ、１０ｍｍ、または１５ｍｍの直径を有するジルコニアボールを使用する。

本明細書の一実施態様において、前記乾燥ステップは、溶媒と共に液体状態になった原料粉末を乾燥させて固体状態にするための工程で、循環乾燥機で９０℃〜２００℃の温度で５時間〜２４時間行われる。

本明細書の一実施態様において、前記か焼するステップは、混合された粉末をＡＢ_２Ｏ_４スピネル構造に形成させ、有機物質を燃焼させ、固相反応を起こすための熱処理工程である。昇温速度を３℃／ｍｉｎ〜５℃／ｍｉｎとして１，０００℃〜１，２００℃の温度条件で１時間〜２０時間または３時間以上１０時間維持してか焼するものであってもよい。

本明細書の一実施態様において、前記導電性酸化物粉末は、銅（Ｃｕ）およびイットリア（Ｙ）がドーピングされたスピネル構造である（ＭｎＣｏＣｕＹ）_３Ｏ_４粉末であってもよい。

本明細書の一実施態様において、前記固体酸化物燃料電池の製造方法は、前記導電性酸化物を再ミリングするステップをさらに含んでもよい。前記導電性酸化物を再ミリングするステップは、導電性酸化物粉末の粒子サイズをより微細に調節するための工程である。その方法としては、ジェットミル（Ｊｅｔ ｍｉｌｌ）、ビーズミル（Ｂｅａｄ ｍｉｌｌ）、またはアトリションミル（ａｔｔｒｉｔｉｏｎ ｍｉｌｌ）工程がある。

本明細書の一実施態様において、前記再ミリングするステップを経た後の導電性酸化物粉末の粒子サイズは、０．１μｍ〜５μｍであってもよいし、工程の種類によって得られる粉末の粒子サイズは異なっていてもよい。

本明細書の一実施態様において、前記ジェットミルは、圧縮空気の圧力でディスクを回転させて粉末を粉砕する方法である。

本明細書の一実施態様において、前記ビーズミルは、チャンバ内にビーズ（ｂｅａｄ）を入れて回転力および遠心力によって粉砕する方法で、ジェットミルに比べてより小さい粒子を得ることができる。この時、ビーズミルチャンバの速度やポンプ注入速度を調節すると、より小さいサイズの粒子を得ることができる。

本明細書の一実施態様において、前記再ミリングするステップは、導電性酸化物を水に分散させた後にミリングするものであってもよい。

本明細書の一実施態様において、前記導電性酸化物粉末を含むペーストを製造するステップは、分散剤が添加された分散溶媒に導電性酸化物粉末を分散させて混合させた後、添加剤をさらに添加して混合して製造されるものであってもよい。前記ペーストを製造するステップは、前記導電性酸化物粉末をコーティングする前の前処理で、各種添加剤を混ぜるための工程である。

本明細書の一実施態様において、前記添加剤は、バインダー、可塑剤、および分散剤のうちの少なくとも１つをさらに含んでもよい。前記バインダー、可塑剤、および分散剤は特に限定されず、当該技術分野でよく知られている通常の材料を使用することができる。

本明細書の一実施態様において、前記バインダーは、Ｐｏｌｙ（ｂｕｔｙｌ ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）−ｐｏｌｙ（２−ｅｔｈｙｌｈｅｘｙｌ ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）（ＰＢＭＡ−ＰＥＨＭＡ）の共重合体、エチルセルロース（Ｅｔｈｙｌ ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ：ＥＣ）、ＰＶｉＢ（Ｐｏｌｙ ｖｉｎｙｌｉｓｏｂｕｔｙｒａｌ）、およびＰＥＨＡ（Ｐｏｌｙ２−ｅｔｈｙｌｈｅｘｙｌａｃｒｙｌａｔｅ）のうちの少なくとも１つであってもよい。

本明細書の一実施態様において、前記バインダーの含有量は、前記ペーストの総重量を基準として２０重量％以上３０重量％以下である。

本明細書の一実施態様において、前記可塑剤は、ＤＢＰ（Ｄｉ−ｂｕｔｙｌ−ｐｈｔｈａｌａｔｅ）、ＤＯＰ（Ｄｉ−２−ｅｔｈｙｌｈｅｘｙｌ ｐｈｔｈａｌａｔｅ）、ＤＩＮＰ（Ｄｉ−ｉｓｏｎｏｎｙｌ ｐｈｔｈａｌａｔｅ）、ＤＩＤＰ（Ｄｉ−ｉｓｏｄｅｃｙｌ ｐｈｔｈａｌａｔｅ）、およびＢＢＰ（Ｂｕｔｙｌ ｂｅｎｚｙｌ ｐｈｔｈａｌａｔｅ）のうちの少なくとも１つであってもよい。

本明細書の一実施態様において、前記可塑剤の含有量は、前記ペーストの総重量を基準として３重量％以上７重量％以下であってもよい。

本明細書の一実施態様において、前記分散剤は、当技術分野で知られたものであれば特に限定されず、例えば、ＢＹＫ−１１０、ＢＹＫ−１１１、およびＢＹＫ−１１２のうちの少なくとも１つであってもよい。

本明細書の一実施態様において、前記分散剤の含有量は、前記ペーストの総重量を基準として０．５重量％以上２重量％以下であってもよい。

本明細書の一実施態様において、前記分散溶媒は、原料粉末を分散させ、ペーストを製造した後に除去しやすい物質であれば大きく制限されず、当該技術分野で知られている通常の材料を使用することができる。例えば、前記分散溶媒は、水、イソプロパノール（ｉｓｏ ｐｒｏｐａｎｏｌ）、トルエン、エタノール、ｎ−プロパノール、ｎ−ブチルアセテート、エチレングリコール、ブチルカルビトール、およびブチルカルビトールアセテートからなる群より選択される１または２以上を使用することができ、好ましくは、水またはエタノールを使用することができる。

本明細書の一実施態様において、前記分散溶媒の含有量は、前記ペーストの総重量を基準として５重量％以上１０重量％以下であってもよい。前記範囲を満足する場合、原料粉末がよく分散することができ、溶媒を乾燥させる工程で溶媒の乾燥が円滑に行われる。

本明細書の一実施態様において、前記導電性基板の一面または両面に前記導電性酸化物粉末を含むペーストを蒸着するステップの前に、金属粒子を用いて前記導電性基板をサンドブラスティング処理（ｓａｎｄ ｂｌａｓｔｉｎｇ）するステップをさらに含んでもよい。

前記サンドブラスティング（ｓａｎｄ ｂｌａｓｔｉｎｇ）は、金属粒子または金属酸化物粒子のような研磨剤を、圧縮された空気を用いて導電性基板の表面を研磨する方法である。

前記導電性基板をサンドブラスティング処理して研磨する場合、導電性基板の表面に均一な粗さが付与され、表面に微細屈曲が形成され得て、導電性基板上にセラミック保護膜を形成する時、セラミック保護膜の導電性基板に対する付着力（ａｄｈｅｓｉｏｎ）が増大できるという利点がある。これにより、セラミック保護膜が容易に剥離されるのを防止することができる。

本明細書の一実施態様において、前記金属粒子は、ＳｉＣ、Ｂ_４Ｃ、ＣｅＯ_２、ＳｉＯ_２、およびＡｌ_２Ｏ_３からなる群より選択される１つ以上であってもよく、好ましくは、Ａｌ_２Ｏ_３のような強度に優れた金属酸化物粒子であってもよい。例えば、＃８０ｍｅｓｈサイズのＡｌ_２Ｏ_３粒子であってもよい。

本明細書の一実施態様において、前記導電性基板の一面または両面に前記導電性酸化物粉末を含むペーストを蒸着するステップは、前記ペーストをスクリーンプリンティング法を利用して導電性基板の一面または両面にコーティングするものであってもよい。

本明細書の一実施態様において、前記熱処理するステップは、８００℃〜１，０００℃の実行温度で１時間〜１０時間行われるものであってもよい。前記範囲を満足する場合、コーティング層の緻密度に優れ、熱処理によるセラミック保護膜の焼結時、導電性基板が高温で劣化することを抑制することができる。

本明細書は、２以上の単位セルと、前記２以上の単位セルの間に備えられた、上述した固体酸化物燃料電池用連結材を含む連結材層とを含み、前記単位セルは、燃料極と、空気極と、前記燃料極と空気極との間に備えられた電解質とを含み、 前記連結材層は、前記単位セルの空気極または燃料極と接するものである固体酸化物燃料電池を提供する。

本明細書の一実施態様において、前記単位セルは、固体酸化物燃料電池の最も基本単位であって、燃料極と、空気極と、燃料極と空気極との間に備えられた電解質とを含む。

本明細書の一実施態様において、前記燃料極は、還元雰囲気で安定性が高く、高いイオン伝導度および高い電子伝導度を有する材料であれば、特に制限されない。例えば、酸化ニッケル（ＮｉＯ）およびイットリア安定化ジルコニア（Ｙｔｔｒｉａ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ、ＹＳＺ）が混合された物質からなってもよいし、これに限定されるものではない。

本明細書の一実施態様において、前記空気極は、酸化雰囲気で安定性が高く、高いイオン伝導度および高い電子伝導度を有する材料であれば、特に制限されない。

本明細書の一実施態様において、前記電解質は、酸化および還元雰囲気で安定性が高く、高いイオン伝導度および低い電子伝導度を有する材料であれば、特に制限されない。例えば、電解質は、炭化水素系高分子、フッ素系高分子、イットリア安定化ジルコニア、（Ｌａ、Ｓｒ）（Ｇａ、Ｍｇ）Ｏ_３、Ｂａ（Ｚｒ、Ｙ）Ｏ_３、ＧＤＣ（Ｇｄ ｄｏｐｅｄ ＣｅＯ_２）、ＹＤＣ（Ｙ_２Ｏ_３ ｄｏｐｅｄ ＣｅＯ_３）、ＹＳＺ（Ｙｔｔｒｉｕｍ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ ｚｉｒｃｏｎｉａ）、スカンジウム安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ（Ｓｃａｎｄｉｕｍ ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ ｚｉｒｃｏｎｉａ））などを使用し、これらに限定されるものではない。

本明細書の一実施態様において、前記単位セルは、密封材をさらに含んでもよい。前記密封材は、単位セルの燃料極、空気極、および連結材と熱膨張係数が類似し、各構成間の密封が可能なものであれば、特に制限されない。例えば、シリカ、アルカリ、またはアルカリ希土類酸化物などがある。

本明細書において、前記「接する」の意味は、直接接するものだけでなく、連結材層を介して間接的に接することも含む。

本明細書の一実施態様において、前記固体酸化物燃料電池用連結材は、前記複数の単位セルを直列連結する。

本明細書の一実施態様において、前記複数の単位セルのうちｍ番目の単位セルの連結材は、前記ｍ番目の空気極とｍ＋１番目の燃料極とを直列連結する。前記ｍは、１以上の整数である。

以下、実施例を通じて本発明をより詳細に説明する。これらの実施例は本発明をより具体的に説明するためのもので、本発明の範囲がこれらの実施例によって制限されないことは、当業界における通常の知識を有する者にとって自明である。

＜実験例＞
＜製造例１＞−導電性酸化物粉末１の製造
出発原料粉末の組成を下記表１の組成１のように調節し、これらをポリエチレン（ＰＥ：ｐｏｌｙ ｅｔｈｙｌｅｎｅ）材質の容器に投入した後、ジルコニアボール（Ｚｒ ｂａｌｌ）と共に、溶媒としてＤＩ ｗａｔｅｒを用いて混合した。この後、１００℃の条件で乾燥させた後、１，０００〜１，１００℃の温度および昇温速度３〜５℃／ｍｉｎで３時間以上維持して混合された粉末をか焼させて、Ｍｎ_１．３５Ｃｏ_１．３５Ｃｕ_０．２Ｙ_０．１Ｏ_４の組成を有する導電性酸化物粉末１を製造した。

図２は、導電性酸化物粉末１のＸ−ｒａｙ回折分析（Ｘ−Ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ：ＸＲＤ）スペクトルを示すもので、合成完了した粉末がスピネル構造を有するか否かを確認するためにＸＲＤを測定して示すものである。測定結果、導電性酸化物粉末１は、スピネル構造を有することを確認することができた。

＜製造例２＞−導電性酸化物粉末２の製造
出発原料粉末の組成を下記表１の組成２のように調節した以外は、前記製造例１と同様の方法で導電性酸化物粉末２を製造した。

＜製造例３＞−導電性酸化物粉末３の製造
出発原料粉末の組成を下記表１の組成３のように調節した以外は、前記製造例１と同様の方法で導電性酸化物粉末３を製造した。

＜製造例４＞−導電性酸化物粉末４の製造
出発原料粉末の組成を下記表１の組成４のように調節した以外は、前記製造例１と同様の方法で導電性酸化物粉末４を製造した。

＜製造例５＞−導電性酸化物粉末５の製造
出発原料粉末の組成を下記表１の組成５のように調節した以外は、前記製造例１と同様の方法で導電性酸化物粉末５を製造した。

＜製造例６＞−導電性酸化物粉末６の製造
出発原料粉末の組成を下記表１の組成６のように調節した以外は、前記製造例１と同様の方法で導電性酸化物粉末６を製造した。

＜製造例７＞−導電性酸化物粉末７の製造
出発原料粉末の組成を下記表１の組成７のように調節した以外は、前記製造例１と同様の方法で導電性酸化物粉末７を製造した。

＜製造例８＞−導電性酸化物粉末８の製造
出発原料粉末の組成を下記表１の組成８のように調節した以外は、前記製造例１と同様の方法で導電性酸化物粉末８を製造した。

＜ペーストの製造＞
＜ペースト１の製造＞
製造例１で製造された導電性酸化物粉末１、バインダーとしてエチルセルロース（Ｅｔｈｙｌ ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ）、および分散溶媒としてブチルカルビトール（Ｂｕｔｙｌ ｃａｒｂｉｔｏｌ）が混合され、可塑剤ジブチルフタレート（Ｄｉ−ｂｕｔｙｌ−ｐｈｔｈａｌａｔｅ：ＤＢＰ）を添加した後、ペーストミキサを用いて２，０００ｒｐｍの速度で混合物を混ぜた後、１次的に形成されたペーストを、さらに３ｒｏｌｌ ｍｉｌｌｉｎｇ装備を用いて３回混合粉砕を実施して、導電性酸化物粉末１を含むペースト組成物１を最終製造した。前記ペースト組成物１の全体重量に対する、前記導電性酸化物粉末１、バインダー、分散溶媒、および可塑剤の重量％は、下記表２の通りである。

＜ペースト２の製造＞
導電性酸化物粉末１の代わりに導電性酸化物粉末２を用いたことを除けば、前記ペースト１の製造方法と同様の方法でペースト２を製造した。

＜ペースト３の製造＞
導電性酸化物粉末１の代わりに導電性酸化物粉末３を用いたことを除けば、前記ペースト１の製造方法と同様の方法でペースト３を製造した。

＜ペースト４の製造＞
導電性酸化物粉末１の代わりに導電性酸化物粉末４を用いたことを除けば、前記ペースト１の製造方法と同様の方法でペースト４を製造した。

＜ペースト５の製造＞
導電性酸化物粉末１の代わりに導電性酸化物粉末５を用いたことを除けば、前記ペースト１の製造方法と同様の方法でペースト５を製造した。

＜ペースト６の製造＞
導電性酸化物粉末１の代わりに導電性酸化物粉末６を用いたことを除けば、前記ペースト１の製造方法と同様の方法でペースト６を製造した。

＜ペースト７の製造＞
導電性酸化物粉末１の代わりに導電性酸化物粉末７を用いたことを除けば、前記ペースト１の製造方法と同様の方法でペースト７を製造した。

＜ペースト８の製造＞
導電性酸化物粉末１の代わりに導電性酸化物粉末８を用いたことを除けば、前記ペースト１の製造方法と同様の方法でペースト８を製造した。

＜固体酸化物燃料電池用連結材の製造＞
＜実施例１＞
前記ペースト１を導電性基板（ＳＴＳ４４１）にスクリーンプリンティングの方法を利用してコーティングした。この後、１００℃の温度の循環乾燥機で溶媒を除去した。この後、１，０００℃の温度で２時間熱処理して、１０μｍ〜１５μｍの厚さを有するセラミック保護膜を形成して、固体酸化物燃料電池用連結材１を製造した。

図３は、実施例１によるセラミック保護膜の表面の形状を示す走査電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＥＭ）写真で、緻密な構造のセラミック保護膜が形成されたことを確認することができた。

図４は、実施例１によるセラミック保護膜と導電性基板との間に、１４μｍの厚さを有する酸化防止層が形成されたことを示すＳＥＭ写真である。

＜実施例２＞
ペースト１の代わりにペースト２を用いた以外は、前記実施例１と同様の方法で固体酸化物燃料電池用連結材２を製造した。

＜実施例３＞
ペースト１の代わりにペースト３を用いた以外は、前記実施例１と同様の方法で固体酸化物燃料電池用連結材３を製造した。

＜実施例４＞
ペースト１の代わりにペースト４を用いた以外は、前記実施例１と同様の方法で固体酸化物燃料電池用連結材４を製造した。

＜比較例１＞
ペースト１の代わりにペースト５を用いた以外は、前記実施例１と同様の方法で固体酸化物燃料電池用連結材を製造した。

＜比較例２＞
ペースト１の代わりにペースト６を用いた以外は、前記実施例１と同様の方法で固体酸化物燃料電池用連結材を製造した。

＜比較例３＞
ペースト１の代わりにペースト７を用いた以外は、前記実施例１と同様の方法で固体酸化物燃料電池用連結材を製造した。

＜比較例４＞
ペースト１の代わりにペースト８を用いた以外は、前記実施例１と同様の方法で固体酸化物燃料電池用連結材を製造した。

＜実験例＞
１．実験例１：導電性酸化物粉末の電気伝導度実験
前記導電性酸化物粉末の電気伝導度測定のために、酸化雰囲気を６５０℃に維持させ、開始とともに酸化ガス（窒素８０％および酸素２０％）をファーネス（Ｐｏｔ ｔｙｐｅ ｆｕｒｎａｃｅ）に注入し、温度別に抵抗値を確認する。

電気伝導度測定のための試験片の作製は、合成された導電性酸化物粉末を３ｍｍ（Ｗ）×３ｍｍ（Ｄ）×１５ｍｍ（Ｌ）のｄｉｍｅｎｓｉｏｎを有するペレット（ｐｅｌｌｅｔ）に成形した後、５℃／ｍｉｎ〜１０℃／ｍｉｎの昇温速度で１，２００〜１，３００℃の温度範囲で焼結を進行させる。この後、電気伝導度の測定は、４−プローブ（ｐｒｏｂｅ）測定可能なデジタルマルチメータを用いて抵抗値を測定した後、焼結体ｂａｒと電極との間の距離を考慮して伝導度を計算する。

各粉末の測定された電気伝導度をまとめると、図５、図６および下記表３の通りである。

前記組成１〜３は、６５０℃における電気伝導度値が５０Ｓ／ｃｍ以上と高い値を示したのに対し、前記組成５〜組成８は、６５０℃における電気伝導度値が４０Ｓ／ｃｍ未満と低い値を示した。これは、各組成の材料である導電性酸化物粉末において、組成１〜組成３は、銅（Ｃｕ）およびイットリア（Ｙ）を一定比率で含み、イットリアおよび銅がスピネル構造の結晶粒界（ｇｒａｉｎ ｂｏｕｎｄａｒｙ）に分離（ｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎ）されていて、結晶粒界を通した酸素の移動を抑制し、これによって、大気中の酸素が直接的に接触するのを防止して表面の酸化膜成長を抑制したからである。また、添加されたＣｕの場合、低い融点を有する元素であって、これらが添加された場合、焼結助剤（ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ａｉｄ）として作用して、焼結密度を高める役割を果たして、高い電気伝導度を示した。

一方、組成５（Ｍｎ_１．２０Ｃｏ_１．２０Ｃｕ_０．１Ｙ_０．１Ｏ_４）は、銅およびイットリアを含んでいるが、マンガンおよびコバルトの比率が低すぎて、相対的に低い焼結密度を有し、気孔が相対的に多くて電気伝導度が低くなるため、前記組成１〜３に比べて相対的に低い電気伝導度を示した。

組成６〜８は、銅またはイットリアを一部含んでいるが、銅とイットリアをすべて含むものではないため、酸素の移動抑制効果が大きくなかったからである。

前記のような結果から、導電性酸化物粉末のスピネル構造が銅およびイットリアをすべて含み、マンガン、コバルト、銅、およびイットリアの組成比が組成１〜３の通りである時、粉末の電気伝導度に優れていることを確認することができた。

２．実験例２：セラミック保護膜と導電性基板の熱的相溶性テスト
セラミック保護膜と導電性基板の熱的相溶性をテストした。具体的には、セラミック保護膜と導電性基板の熱膨張係数を比較した。

セラミック保護膜の熱膨張係数を測定するために、セラミック保護膜形成用ペーストに含まれる導電性酸化物粉末をペレット（ｐｅｌｌｅｔ）状にし、これらの熱膨張係数を測定して比較した。

これをまとめると、下記表４の通りであり、前記導電性酸化物粉末１〜３の熱膨張係数を測定して、図７に示した。

前記ペーストの熱膨張係数は、セラミック保護膜組成物を３ｍｍ（Ｗ）×３ｍｍ（Ｄ）×１５ｍｍ（Ｌ）のｄｉｍｅｎｓｉｏｎを有するペレット（ｐｅｌｌｅｔ）状に成形した後、膨張計（Ｄｉｌａｔｏｍｅｔｅｒ、ＬＩＮＳＥＩＳ社のＬ７５ ｍｏｄｅｌ使用）で５℃／ｍｉｎ〜１０℃／ｍｉｎの昇温速度で１，３００℃までの熱膨張変化を測定した。

前記ペーストの熱膨張係数値と導電性基板（ＳＴＳ４３０またはＳＴＳ４４１）の熱膨張係数値により、前記関係式２で表現されるＤＣ値を導出した。前記導電性基板の熱膨張係数値としては１１．４０×１０^−６Ｋ^−１を用いた。

この場合、セラミック保護膜と導電性基板の熱的特性が類似し、連結材の全体高温耐久性が向上する効果がある。

３．実験例３：面特性抵抗の測定
高温の酸化雰囲気で電気的特性を評価するために、ＤＣ４ ｐｒｏｂｅ法を利用して、ａｉｒ雰囲気で温度による面特性抵抗（ａｒｅａ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ：ＡＳＲ）を測定した。

実施例１〜４の連結材の面特性抵抗を測定して、図８および図９に示した。図８は、温度の変化による連結材の面特性抵抗値の測定結果であり、図９は、６５０℃における測定結果を示すものである。

実施例による連結材は、５００℃の低温はもちろん、８００℃の高温環境下でも低い抵抗値が維持されることを確認することができた。特に、実施例１および２の連結材は、５００℃〜８００℃の作動温度で実施例３および４の連結材に比べて面特性抵抗値が低いことを確認することができた。前記結果から、銅含有量を調節する時、連結材の面抵抗特性が低くなることを確認することができた。

４．実験例４：長期安定性の比較
長時間駆動時の電気的特性を評価するために、ＤＣ４ ｐｒｏｂｅ法を利用して、ａｉｒ雰囲気で時間による面特性抵抗（ａｒｅａ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ：ＡＳＲ）を測定した。駆動時間の変化に伴う連結材の面特性抵抗を測定して、図１０に示した。この時、温度は６５０℃であった。

実施例による連結材は、運転初期はもちろん、長時間駆動時にも低い抵抗値が維持されることを確認することができた。特に、実施例１および実施例２の連結材は、長時間駆動時にも面抵抗値が低く維持されることを確認することができた。

反面、比較例４による連結材は、２００時間以下の運転初期に面特性抵抗値が急激に増加することを確認することができた。これは、比較例による連結材を用いる場合、熱処理によるセラミックコーティング層の焼結時、導電性基板が高温で劣化したからである。具体的には、銅およびイットリアを含まない比較例４の連結材は、運転初期に面特性抵抗値が急激に増加する問題があった。

しかし、実施例による連結材を用いる場合、高温環境下で導電性基板が劣化することを効果的に抑制して、長時間駆動時にも面特性抵抗が低く維持されることができた。

１：導電性基板
２：セラミック保護膜

Claims (11)

1. 導電性基板と、
   前記導電性基板の一面または両面に備えられたセラミック保護膜とを含み、
   前記セラミック保護膜は、下記化学式１で表されたスピネル構造の酸化物を含むものである固体酸化物燃料電池用連結材：
   ［化学式１］
   Ｍｎ_{１．５−０．５（ｘ１＋ｘ２）}Ｃｏ_{１．５−０．５（ｘ１＋ｘ２）}Ｃｕ_ｘ１Ｙ_ｘ２Ｏ_４
   前記化学式１において、
   前記ｘ１およびｘ２それぞれは、ＣｕおよびＹのモル比を示し、０＜ｘ１≦０．９、０＜ｘ２≦０．５の範囲を満足する。
2. 前記セラミック保護膜の９７３Ｋにおける熱膨張係数が１０．０×１０^−６Ｋ^−１〜１３．０×１０^−６Ｋ^−１である、請求項１に記載の固体酸化物燃料電池用連結材。
3. 前記セラミック保護膜の９７３Ｋにおける熱膨張係数および前記導電性基板の９７３Ｋにおける熱膨張係数の関係が、下記関係式１および関係式２を満足するものである、請求項１または２に記載の固体酸化物燃料電池用連結材：
   ［関係式１］
   ０≦ＤＣ≦６％
   （前記ＤＣは、下記関係式２を満足する）
   ［関係式２］
   ＤＣ＝［（導電性基板の９７３Ｋにおける熱膨張係数−セラミック保護膜の９７３Ｋにおける熱膨張係数）／（セラミック保護膜の９７３Ｋにおける熱膨張係数）］＊１００（％）の絶対値。
4. 前記セラミック保護膜の厚さが１０μｍ〜３０μｍである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の固体酸化物燃料電池用連結材。
5. 前記導電性基板は、フェライト系ステンレス鋼（Ｆｅｒｒｉｔｉｃ Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ ｓｔｅｅｌ：ＦＳＳ）基板である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の固体酸化物燃料電池用連結材。
6. 導電性基板の一面または両面に、下記化学式１で表されたスピネル構造を有する化合物を含むセラミック保護膜を形成するステップを含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体酸化物燃料電池用連結材の製造方法：
   ［化学式１］
   Ｍｎ_{１．５−０．５（ｘ１＋ｘ２）}Ｃｏ_{１．５−０．５（ｘ１＋ｘ２）}Ｃｕ_ｘ１Ｙ_ｘ２Ｏ_４
   前記化学式１において、
   前記ｘ１およびｘ２それぞれは、ＣｕおよびＹのモル比を示し、０＜ｘ１≦０．９、０＜ｘ２≦０．５の範囲を満足する。
7. 前記導電性基板の一面または両面にセラミック保護膜を形成するステップは、原料粉末を混合、ミリング、乾燥およびか焼して導電性酸化物粉末を製造するステップと、
   前記導電性酸化物粉末を含むペーストを製造するステップと、
   前記導電性基板の一面または両面に前記導電性酸化物粉末を含むペーストを蒸着するステップと、
   熱処理するステップとを含むものである、請求項６に記載の固体酸化物燃料電池用連結材の製造方法。
8. 前記原料粉末は、Ｙ_２Ｏ_３およびＹ（ＮＯ_３）_３からなる群より選択された１以上；およびＣｕＯおよびＣｕ（ＮＯ_３）_２からなる群より選択された１以上を含むものである、請求項７に記載の固体酸化物燃料電池用連結材の製造方法。
9. 前記導電性基板の一面または両面に前記導電性酸化物粉末を含むペーストを蒸着するステップの前に、金属粒子を用いて前記導電性基板をサンドブラスティング処理（ｓａｎｄ ｂｌａｓｔｉｎｇ）するステップをさらに含むものである、請求項７または８に記載の固体酸化物燃料電池用連結材の製造方法。
10. 前記蒸着は、スクリーンプリンティング法で行われるものである、請求項７〜９のいずれか一項に記載の固体酸化物燃料電池用連結材の製造方法。
11. ２以上の単位セルと、
    前記２以上の単位セルの間に備えられた、請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体酸化物燃料電池用連結材を含む連結材層とを含み、
    前記単位セルは、燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極との間に備えられた電解質とを含み、
    前記連結材層は、前記単位セルの空気極または燃料極と接するものである固体酸化物燃料電池。