JP3863207B2 - Lanthanum chromite ceramics, separator containing the same, and solid oxide fuel cell using the separator - Google Patents

Lanthanum chromite ceramics, separator containing the same, and solid oxide fuel cell using the separator Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、新規なランタンクロマイト系セラミックス、このセラミックスを含有する平板型固体電解質燃料電池セパレータ及びこのセパレータを用いた平板型固体電解質燃料電池に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
ランタンクロマイト(LaCrO3)は高温において導電性をもち、かつ耐酸化性、耐還元性に優れるために、高温導電性材料として有望視されている酸化物系セラミックスである。
【0003】
このランタンクロマイトにカルシウム、ストロンチウム、マグネシウムなどのアルカリ土類金属を微量不純物として添加することにより、導電性を向上させることができる。ランタンクロマイトはペロブスカイト型構造[ABO3(式中Aはランタン、Bはクロム、Oは酸素を表わす)]を有し、これに添加されたカルシウム、ストロンチウムはランタンクロマイト格子中のランタン位置に、またマグネシウムはクロム位置に置換固溶している。
【0004】
上記、微量元素添加ランタンクロマイトは導電性に関しては十分な性能を有することができるが、常圧大気中で、緻密な焼結体が得にくく、平板型固体電解質燃料電池にセパレータとして用いた場合燃料ガスと空気を完全に分離することができず、不満足なものであった。
【0005】
このように添加型ランタンクロマイトで緻密な焼結体が容易には得られないのは、構造元素のイオンの拡散が極めて遅く原料粉末結晶の界面が移動しにくく焼結過程で緻密化しにくいためであり、また焼結温度において酸化クロムの蒸気圧が高く、緻密化過程で空孔が消滅しにくく焼結体中に残留するためである。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明者らは、先に緻密な焼結体を大気中で容易に得るとともに、導電性も従来より向上させるために、一般式
La1-xxCr1-yCoy3
(式中、Mはマグネシウムを除くアルカリ土類金属であり、0<x≦0.5、0<y≦0.5)
で表わされ、かつペロブスカイト型構造を持つことを特徴とする新規なランタンクロマイト系複合酸化物と、これを用いた高温導電性材料及び固体電解質型燃料電池セパレータを提案した(特開平3−65517号)。
【0007】
しかしながら、このランタンクロマイト系複合酸化物は、置換元素が多い場合には還元雰囲気の低酸素分圧下で結晶の格子定数が増加するために体積が変化し、それによって、焼結体には内部応力が生じ、焼結体内部に微小なクラックが生じたり、焼結体の割れが発生したりして強度が低下する場合がある。
【0008】
また、両側雰囲気が酸化雰囲気及び還元雰囲気とそれぞれ異なる平板型固体電解質燃料電池セパレータとして使用した場合、強度が低下して割れたり、また還元側表面付近の体積が増加する結果、還元側が伸びるためにセパレータの反りが生じ、電極とセパレータの接触不良、電解質の割れの誘発、封止性の低下を招来するなどの問題がある。
【0009】
さらに、セパレータとして使用する場合、導電率、焼結性の点では十分な性能を有しているが、平板型固体電解質燃料電池の構成材料である電解質との熱膨張係数の整合性が必ずしも十分ではなく、例えば、平板型構造で、20cm角以上の大面積で電池を構成した場合、その昇降温時に電解質との熱膨張係数の差により電解質への引張または圧縮応力が発生し、電解質が破壊されて十分な封止性能が得られにくい。
【0010】
また、結晶格子中のランタン格子位置をCa置換した場合は、Ca添加量が過剰になると還元側に高抵抗のCaとCrの複合酸化物が形成されたり、Caがカソード電極中に拡散したりするなどの問題がある。つまり、安定な焼結体を得るにはCa置換ランタンクロマイトの場合には、組成の微妙な調整が必要になる。さらに、Ca置換ランタンクロマイトは室温下で斜方晶の結晶構造を持ち、その熱膨張係数の温度依存は300〜500℃で相変態に伴う熱膨張係数の変化がみられ、その温度付近で電解質との熱膨張係数差が発生して昇降温過程で電解質に余分な応力を発生させる要因になる。
【0011】
本発明の目的は、このような事情の下、大気中で容易に緻密性よく得られるとともに、緻密で良好な導電性を有し、熱膨張係数の温度依存性が低く、寸法変化率が小さく、寸法安定性に優れた特定のランタンクロマイト系セラミックス、このセラミックスを含有する、封止性や電極との接触性が向上し、電解質との熱膨張係数の整合性が良好で、低酸素分圧の還元雰囲気下での寸法変化が少なく、しかも耐酸化性、耐還元性に優れた平板型固体電解質燃料電池セパレータ及びこのセパレータを用いた平板型固体電解質燃料電池を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記したように先にランタンクロマイトを緻密化しかつ導電率を向上させるためにランタンの一部をアルカリ土類金属で置換するとともに、Crの一部をCoなどで置換したものを提案したが、その後、このものは固体電解質である安定化ジルコニアとの熱膨張係数差が大きいために実用化においてジルコニアを損傷する場合があること、また還元時の寸法変化が大きく、平板型固体電解質燃料電池セパレータとして用いた場合に、反りが発生して破壊する場合もあること、そして、これらの欠点はAサイト及びBサイトの置換量、置換元素類の組み合わせが適切でなかったためであり、それらの置換量や置換元素類の組み合わせを限定することにより、電解質との熱膨張係数差が小さく、その温度依存性についても室温から1000℃まで急激な変化はなく、空気雰囲気下と還元雰囲気下での各セラミックスの寸法変化比ひいては体積変化比が小さく、寸法安定性に優れ、しかも緻密性や導電性を高く維持できること、さらに再現性よく固体電解質燃料電池を構成できることを見出し、これらの知見に基づいて本発明をなすに至った。
【0013】
すなわち、本発明は、
(1) 一般式
(La1-xSrxa(Cr1-pCopb3
(式中0.02≦x≦0.15、0.01≦p≦0.03、0.95≦a/b≦1.05である)
で表わされ、室温において六方晶であり、空気中での焼成で得られた目的セラミックスに対する該セラミックスの1000℃酸素分圧5×10-16気圧の還元雰囲気中での20時間熱処理物の、室温における寸法変化率が0.1%以下であり、相対密度が90%以上であり、導電率が1000℃空気中で10Ω-1cm-1以上、1000℃酸素分圧1×10-15気圧の還元雰囲気中で1Ω-1cm-1以上であり、50℃から1000℃までの熱膨張係数が9.8×10-6-1ないし10.7×10-6-1の範囲であり、かつ室温におけるJIS R1601に準拠する4点曲げ強度が98MPa(10kgf/mm 2 以上であることを特徴とするランタンクロマイト系セラミックス、
(2) 前記(1)項記載のランタンクロマイト系セラミックスを含有する平板型固体電解質燃料電池セパレータ、
(3) 前記(2)項記載の平板型固体電解質燃料電池用セパレータを用いた固体電解質型燃料電池
を提供するものである。
【0014】
【発明の実施の形態】
好ましい態様としては、
(4)組成を示す一般式中のCoの置換量を示す添字pが次式:
0.015≦p≦0.25
を満たす範囲にある前記(1)項記載のランタンクロマイト系セラミックス
(5)組成を示す一般式中のSrの置換量を示す添字xが次式:
0.08≦x≦0.15
を満たす範囲にある前記(1)項記載のランタンクロマイト系セラミックス
が挙げられる。
【0015】
発明において、「空気中での焼成で得られた目的セラミックスに対する該セラミックスの1000℃酸素分圧5×10-16気圧の還元雰囲気中での20時間熱処理物の、室温における寸法変化率」とは、前者の目的セラミックスの室温下のものの寸法に対する、後者の熱処理物の室温下のものの寸法の変化量の百分比を意味し、かつこの寸法とはX線回折法により測定した格子定数より求めた単位格子の体積の立方根を意味する。
【0016】
本発明のランタンクロマイト系セラミックスは、上記一般式で表わされるペロブスカイト型構造(ABO3)を有し、AサイトにLa、BサイトにCrが配置したランタンクロマイトの基本構造において、Laの一部がSrで置換され、かつさらにCrの一部がCoに置換された、主にペロブスカイト型構造を有することが必要である。
【0017】
本発明のランタンクロマイト系セラミックスにおいては、Laの一部をSrで置換することにより導電率が向上する。Srの置換量はAサイトの全量に対してモル比で0.02以上0.2以下、好ましくは0.04〜0.2、より好ましくは0.08〜0.15の範囲で選ばれる。Srの置換量が多いほど1000℃における導電率は高くなるが、0.2を超えると還元時の寸法変化率が大きくなり、安定化ジルコニアを電解質とした平板型固体電解質燃料電池のセパレータに使用すると反りが発生し、それにより電解質であるジルコニアの破壊、セパレータ自身の割れによるガスリークも発生するし、また熱膨張係数も増加するため、電解質である安定化ジルコニアとの熱膨張係数の差が大きくなり昇降温の熱サイクルをかけた場合安定化ジルコニアの破壊を引き起こす。
【0018】
一方、Srの置換量が0.02未満では熱膨張係数と温度との関係の直線性が悪くなり、300℃以下の領域で熱膨張係数が急に変化する。また、焼結体中にLaが過剰に存在した場合や、A/Bが1.05より増加した場合などに、Laが結晶粒界に偏析して水蒸気を吸収し焼結体が崩壊するおそれがある。逆にA/Bが0.95より小さくなると第二成分の析出する場合がある。
【0019】
ランタンクロマイト格子のBサイトのCrの一部の置換元素であるCoは、焼結温度を低下させたり、焼結体の導電率を向上させたりする効果があり、この置換元素を有しないランタンクロマイトは、常圧大気中では1700℃で焼成しても95%以上の相対密度は得られないが、この元素をBサイトに置換固溶させることにより、同等の焼成温度においても相対密度95%以上の緻密な焼結体を得ることができる。これは、原料粉末である希土類クロマイト結晶粒子が焼結過程での物質移動速度を向上させ、また融点が低下することにより焼結温度も下がるなどの理由によると考えられる。
【0020】
ランタンクロマイトのBサイトのCo置換量はBサイト全量に対してモル比で次の範囲で選ばれる。0.01≦p≦0.03、好ましくは0.015≦p≦0.025である。置換量が多すぎると焼結性と導電率は向上するが、空気雰囲気下及び還元雰囲気下での各寸法間の変化比が大きくなりすぎて、平板型固体電解質燃料電池のセパレータとして使用した場合に反りが発生する。反りの発生により電解質の破壊、セパレータ自身の割れによって封止性が低下し電池性能まで低下に至ることもある。また、置換量が多すぎると、熱膨張係数の増大により電解質であるジルコニアとの熱膨張差が大きくなりすぎて、昇降温の熱サイクルをかけた場合にジルコニアの破壊を引き起こす。一方、置換量が少なすぎると焼結性が低下し、高い緻密度を得にくくなる。
【0021】
このように置換元素及び組成を特定した効果は、以下の従来公知のランタンクロマイト系セラミックスの物性の検討からも明らかである。
例えば、Meadow crafeらはCERAMIC BULLETIN 1979 Vol.58, No.6 p610−615において、BサイトのAl置換によってランタンクロマイトのCrの蒸発量が抑制されることを報告しているが、La0.8Ca0.2Al0.25Ar0.753の組成では、100℃から1000℃までの熱膨張係数が9.6×10-6[1/K]と、ジルコニアの熱膨張係数10.4×10-6[1/K]と比較して小さく、その熱膨張係数差は0.5×10-6[1/K]を越える。しかも、400℃付近に熱膨張係数が急激に変化する温度が存在する。また、常圧1600℃での焼成密度は85%焼結性の向上効果も上記のCo、Ni、Zn、Fe又はMn等の置換元素と比べて少ない。従ってこの組成では平板型固体電解質燃料電池セパレータとしては適さない。
【0022】
また、Niels Christiansenらが、PROCEEDING OF THE THIRD INTERNATIONAL SYMPOSIUMON SOLID STATE FUEL CELLS(p401)において、Co置換量によって還元時の寸法変化量が変化することや、La0.7Ca0.3Cr0.975Co0.0253を報告しているが、この組成では電解質との熱膨張係数差が大きく平板型固体電解質燃料電池セパレータとしては適さない。
【0023】
一方、特開昭51−150692号公報に開示された、(La1-xx)(Cr1-yNiy)O3-v[式中0<x、y<1]で表わされる複合酸化物の場合、x=0.2、y=0.9のものについては、平板型固体電解質燃料電池が稼働時に通常さらされる1000℃の還元雰囲気下では、分解が起こるし、また電解質との熱膨張係数差も大きいため、平板型固体電解質燃料電池セパレータとしては使用できない。
【0024】
また、B.Bovenらは、Zeitschrift fur Naturforschung,第27巻,第2号,第363〜365ページ(1972年)において、La0.8Sr0.2Cr0.8Ni0.23を報告しているが、この組成では還元前後での寸法変化が大きく平板型固体電解質燃料電池としての使用には適さない。
【0025】
本発明のランタンクロマイト系セラミックスにおいて、緻密性及び導電率を高めるにはBサイト置換量が大きい、例えばBサイト置換元素がCoの場合pが0.05に近い方が好ましいが、ジルコニアなどとの熱膨張係数差を小さくするにはBサイト置換量が小さい、例えばBサイト置換元素がCoの場合pが0.03以下のものが好ましい場合もある。
ランタンクロマイトのAサイトとBサイトの比a/bは、必ずしも1でなくても焼結体が得られるが、次式:0.95≦a/b≦1.05を満たすように選ばれる。a/b>1.05やa/b<0.95である場合には、焼結性に影響したり、ランタンクロマイト単一相が得られなくなることがある。特に、a/b≫1.05である場合、粒界に偏析するLa23のために、緻密に焼成された焼結体でも、経時的に脆くなる。
【0026】
本発明のランタンクロマイト系セラミックスにおいては、さらに、室温において結晶構造が六方晶であり、空気中での焼成で得られた目的セラミックスに対する該セラミックスの1000℃酸素分圧5×10-16気圧の還元雰囲気中での20時間熱処理物の、室温における寸法変化率が0.1%以下であり、かつ相対密度が90%以上であることが重要である。中でも、ペロブスカイト型構造を有するものが好ましい。
結晶構造の分析法としては、粉末X線回折法などが挙げられる。寸法の変化は、体積の変化と相関し、固体電解質燃料電池は高温還元雰囲気にもさらされるため、寸法変化率は熱膨張係数と同様に重要である。寸法変化率と熱膨張係数の両者が適正化されて初めて固体電解質型燃料電池のセパレータとして有用となる。
【0027】
結晶粒径は強度に影響し、結晶粒が大きくなると結晶粒界の欠陥サイズが大きくなり、強度が低下する。結晶粒径は好ましくは20μm以下、特に10μm以下の範囲で選ばれる。
【0028】
本発明のランタンクロマイト系セラミックスは、さらに次のような物性を有することが重要である。
1)1000℃空気中での導電率及び1000℃酸素分圧1×10-15気圧の還元雰囲気下での導電率をΩ-1cm-1単位でそれぞれσ1000,air及びσ1000,redで示すと、次式
10≦σ1000,air、好ましくは15≦σ1000,air、及び1≦σ1000,red、好ましくは10≦σ1000,red
を満たす。
2)50℃から1000℃までの熱膨張係数を、絶対温度の逆数すなわち1/KすなわちK-1単位でαで示すと、
9.8×10-6≦α≦10.7×10-6、好ましくは、10.0×10-6≦α≦10.5×10-6
を満たす。
3)室温におけるJIS R1601に準拠する4点曲げ強度が、98MPa(10kgf/mm 2 以上、好ましくは137MPa(14kgf/mm 2 以上である。
【0029】
一般に燃料電池において還元雰囲気とは、通常燃料極側の酸素分圧が1×10-15気圧以下の雰囲気であることを意味する。さらに、電池の出力、効率といった電池性能を高くするには、酸素分圧が5×10-16気圧以下で運転する場合もある。例えば、LPGを燃料として水蒸気改質を水蒸気/カーボン比を3という条件で運転する場合、運転温度1000℃でそのガス組成は約水素49%、水蒸気32%、一酸化炭素13%、二酸化炭素5%となり、この時の酸素分圧は1×10-15気圧になる。また、水蒸気/カーボン比を2とした場合の上記運転条件でのガス組成は約水素58%、水蒸気19%、一酸化炭素19%、二酸化炭素4%となり、この時の酸素分圧は3×10-16気圧になる。
【0030】
ランタンクロマイトでは、このような高温還元雰囲気下では、ペロブスカイト型構造の結晶を構成している酸素の一部が離脱する。結晶中の酸素は、負の2価のイオンとして存在しており、結晶格子中から酸素が抜けた場合、近傍の正イオンの間で斥力が働いたり、あるいはBサイトの正のイオンであるCrイオンの価数が3価から4価に変化したりするなど、結晶格子中の正、負の電荷の移動が起こり、酸素が抜けるまで保たれていた正負イオンの引力、斥力の均衡が崩れて原子間の距離が伸びるため、単位格子の長さが増加し、その結果焼結体の体積が増加する。
【0031】
本発明のランタンクロマイト系セラミックスは、この還元雰囲気中での安定性が優れている。その結果、酸素分圧5×10-16気圧の還元雰囲気下で1000℃程度の高温熱処理を行っても寸法変化が少なく、この還元熱処理前後の寸法変化率は0.1%以下であり、4点曲げ強度の低下もない。また、耐酸化性にも優れ、密度は理論密度の90%以上、さらには95%以上であり、1000℃空気中の導電率は10Ω-1cm-1以上、好ましくは15Ω-1cm-1以上であり、酸素分圧1×10-15気圧の還元雰囲気中の導電率は1Ω-1cm-1以上、好ましくは10Ω-1cm-1以上である。
したがって、本発明のランタンクロマイト系セラミックスは、高温下で耐食性と導電性の両方が要求される高温導電性材料として有用である。
【0032】
一般に、平板型固体電解質燃料電池セパレータにおいては、上記のような耐還元性を始めとする高温導電性材料特性に加え、封止性、電極との接触抵抗の低減の観点から、反りが小さく、運転時の反りが好ましくは20cm角板で200μm以下であることや、熱膨張係数が電解質である安定化ジルコニアと近いなどの特性が要求される。
【0033】
本発明のランタンクロマイト系セラミックスは、このような要求特性を十分具備する。すなわち、本発明のランタンクロマイト系セラミックスを、5cm角、20cm角板に成形し、1000℃において片面を空気に、他方の面を酸素分圧5×10-16気圧の還元雰囲気にさらして荷重なしでその反り量を測定したところ、5cm角の場合は、1μm以下であり、20cm角板の場合では同様の測定で反り量は300μm以下であった。反り量が大きくなると電池間の接触が悪くなり、電池の抵抗が大きくなり、セル性能を低下させるので、反り量はできるだけ小さい方が好ましいが、反り量300μmの20cm角板でも、これに50kg以上の荷重をかけると平坦化でき、割れも見られなかった。したがって、300μm以下、より好ましくは200μm以下の反り量であれば、1000℃の運転温度下の固体電解質燃料電池における積層化、荷重付加により、割れを発生させることなく、十分平坦化が可能である。
【0034】
また、本発明のランタンクロマイト系セラミックスの熱膨張係数は、安定化ジルコニアのそれに近いので、平板型固体電解質燃料電池を20cm角程度の大型に積層させて1000℃までの昇温、降温を行っても安定化ジルコニアが割れることはなく、封止部分の破壊もない。
【0035】
本発明は、また、このようなランタンクロマイト系セラミックスを含有する固体電解質型燃料電池セパレータを提供するものである。例えば、このセラミックスをそのまま、あるいは他の適当な材料と組み合わせ、所要の成形加工を施すことによって所望のセパレータとすることができる。
【0036】
本発明は、また、このようなセパレータを用いた平板型固体電解質燃料電池を提供するものである。
この燃料電池の1例の概略図を図1に示す。図中、1は固体電解質板であって、上面にカソード2、下面にアノード3が形成されている。4は本発明のランタンクロマイト系セラミックスからなるセパレータ、5は本発明のランタンクロマイト系セラミックスからなる外部出力端子であって、それには空気流路6、燃料流路7を構成する溝が形成されている。セパレータは空気と燃料を分離するとともに、隣接する単位セルのカソード2とアノード3とを電気的に接続する役割をも担うものである。外部出力端子は集積された単位セルの両端部において空気流路又は燃料流路を形成するとともに、アノード又はカソードとの電気的接続を行う部材である。図1は2個の単位セルを集積した燃料電池であるが、3個以上の単位セルをセパレータを介して集積することもできる。
【0037】
本発明のランタンクロマイト系セラミックスは、慣用のセラミックス製造法により製造することができる。
例えば、先ず、ランタン源、ストロンチウム源、クロム源、前記B群の置換金属源を所定比に混合した粉末混合物を所定の温度、一般的には1000〜1600℃、好ましくは1000〜1200℃で仮焼して仮焼粉末を得る。仮焼時間は通常1〜数十時間、好ましくは1〜10時間である。仮焼は酸素含有雰囲気、通常空気中で行われる。仮焼時の圧力は大気圧でよい。
【0038】
次いで、仮焼粉末を加圧成形などにより成形し、焼成することにより所望のセラミックスを得ることができる。焼成温度は通常1300℃以上で、好ましくは1500〜1700℃であり、焼成時間は、成形体の形状などによるが、通常1〜10時間、好ましくは1〜5時間であり、焼成は酸素含有雰囲気、通常空気中で行われる。焼成時の圧力は、常圧で緻密な焼結体が得られるが、加圧下であってもよい。
【0039】
【発明の効果】
本発明のランタンクロマイト系セラミックスは、緻密で良好な導電性を有し、熱膨張係数の温度依存性が低く、寸法変化率が小さく、寸法安定性に優れるなどの特有の効果を奏するので、高温導電性材料として有用であり、また大気中で容易に緻密性よく調製することができる。
また、本発明の平板型固体電解質燃料電池セパレータは、このセラミックスを含有し、その特性を有するとともに、封止性や電極との接触性が向上し、電解質との熱膨張係数の整合性が良好で、低酸素分圧の還元雰囲気下での寸法変化が少なく、しかも耐酸化性、耐還元性に優れているので、該セパレータを用いた平板型固体電解質燃料電池を提供しうる。
【0040】
【実施例】
次に実施例によって本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの例によって何ら限定されるものではない。
各種セラミックス試料の特性、試料の電解質への影響特性は下記のとおり評価した。
(1)還元前後の寸法変化率
約4×3×40mm寸法の試料をアルミナ製容器に入れ、窒素ガスを200ml/分流通させて1000℃まで5℃/分で昇温し、1000℃到達後1時間保持したのち、水蒸気/水素を酸素分圧5×10-16気圧の還元雰囲気となるように流通させて20時間保持し、次いで室温まで20℃/分以上の降温速度で急冷して還元後の試料を調製し、これのこのような処理前の試料に対する寸法の変化度を以下の2つの方法で求めた。
(i)還元処理前後の各試料についてX線回折法により格子定数を求める。セパレータとして用いる場合の焼結体は多結晶体であるため、結晶軸は配向せず、セパレータの寸法変化は各結晶軸の変化が平均化されたものとして観測される。従って、測定した格子定数の変化を平均化するために、前記各試料の測定した格子定数から単位格子の体積に換算し、還元処理前の該体積に対する還元処理後の該体積変化量を求め、この変化量の立方根の、還元前の該体積の立方根に対する百分比で示した。
(ii)還元処理前後の各試料の寸法を1μ精度で測定し、処理前の試料の寸法に対する処理後の試料の寸法の変化量を百分比で示した。なお、この寸法は試料の最長辺についてのものである。
【0041】
(2)還元前後の4点曲げ強度
前記(1)に記載した還元処理の前後の試料についてJIS−R−1601に準拠して測定した。
【0042】
(3)熱膨張係数(α)
石英製縦型押棒式熱膨張測定装置を用い、温度上昇に伴う試料の長さの変化を下記のようにして求め、次式により算出した。
α=(Lx−L0)/[L0×(Tx−T0)]
[式中のLxは温度Tx(℃)における試料の長さ、L0は温度T0(℃)における試料の長さを示す]
寸法5×5×10mmの試料を電気炉内の石英製試料室に設置し、上方から石英製変位計測ロッドで挟み、該ロッドの接触が保たれるように10gの荷重をかけて1000℃まで昇温速度10℃/分で昇温し、1000℃で2時間保持し、降温速度10℃/分で室温まで降温し、昇降温を2回繰り返し、2回目の1000℃と50℃における数値を用いた。
【0043】
(4)熱サイクル後の電解質の割れ確率
図2に示すように任意の大きさの試料と8モル%Y23ドープZrO2電解質(8YSZ)を、試料11/ガラス12/8YSZ13/試料14/重り15の順番で重ねた。ガラスは端から10mmの幅で4辺に取り付けた。重りは0.5g/cm2となるように面積に応じて変化させた。このように配設したものを昇温速度1℃/分で1000℃まで昇温し、1000℃で2時間保持したのち、降温速度1℃/分で室温まで降温し、電解質のひび割れを観察した。昇降温でひび割れしないものは、そのままで、電解質がひび割れした場合は、ひび割れのない新しい電解質に交換して、このような昇降温及びひび割れの観察を2回繰り返した。こうして全3回行った観察の結果を、ひび割れ回数をn回としてn/3の確率で示した。
【0044】
(5)導電率
空気雰囲気下の導電率を導電率(AIR)(Ω-1cm-1)で、また還元雰囲気下の導電率を導電率(RED)(Ω-1cm-1)でそれぞれ示した。
【0045】
(6)相対密度
寸法と質量から算出した測定密度を理論密度で割って求めた。なお、理論密度は、ストロンチウム系ランタンクロマイトセラミックスでは6.5(g/cm3)とし、カルシウム系ランタンクロマイトセラミックスでは6.2(g/cm3)とした。
【0046】
(7)反り量
図3に示す反り量測定装置が用いられ、この装置においては、試料21のサイズに応じたアルミナ製容器22が上下に取り付けられ、容器22はガス導入口を兼ねるアルミナ管23と接続され、下方より水素/水蒸気比により任意の酸素分圧に調整された燃料ガス24、上方より空気25が送られる構造とされ、アルミナ管/アルミナ製容器/試料の封止にはガラスが用いられている。
アルミナ製容器中の試料を1000℃まで5℃/分で昇温させ、1000℃で燃料ガス側の酸素分圧を変化させ、試料のランタンクロマイト系セラミックス板の中央に接しているアルミナロッド26を介して装置上部のダイヤルゲージ27により反り量を測定した。
【0047】
酸化ランタン(La23)4383g、炭酸ストロンチウム(SrCO3)442.8g、三酸化二クロム(Cr23)2324.4g及び四酸化三コバルト(Co34)48.15gをボールミルを用いて24時間湿式混合した。この混合粉末を乾燥後、昇温速度20℃/分で昇温し、1200℃で2時間仮焼した。こうして得られた仮焼物を再び粉砕し、196MPa(2000kgf/cm 2 で冷間等方加圧成形(CIP)し、昇温速度1℃/分で1700℃まで昇温し、この温度で4時間焼成することによって所望のランタンクロマイト系セラミックスを得た。このものを粉砕して調製された粉末をX線回折法により分析した結果、第二相の存在は確認できず、ストロンチウム及びコバルトはペロブスカイト型構造をもったランタンクロマイト格子中に固溶していることが分った。
【0048】
実施例2〜、比較例1〜13
所定の原料を所定割合で用い、実施例1と同様にしてペロブスカイト型構造のランタンクロマイト系セラミックスを得た。ただし、カルシウム系のものは焼成温度を1500℃とした。
【0049】
このようにして得られたセラミックスの組成と各種特性を表1に示す。
【0050】
【表1】

Figure 0003863207
【0051】
表1中、×印は還元雰囲気中で分解すること、または、ひび割れすることを示し、また、寸法変化率欄において、*印を付したものは前記(i)の方法で、また*印のない無印のものは前記(ii)の方法で求めたことを示す。
【0052】
実施例1〜3、比較例6及び比較例9で得た各セラミックスから成る200mm×200mm×5mmのサイズの成形体に所定原料ガス流路を設けて各セパレータを形成した。また、セパレータと同じ方形で厚さ0.2mmの、イットリアを8モル%添加したジルコニア(以下8YSZという)から成る固体電解質板を用意し、その片面にLa0.8Sr0.2MnO3を0.1mm厚にスラリー塗布法で被着してカソードとし、他方の面にNi−8YSZ(重量比7:3)サーメットを0.1mm厚にスラリー塗布法で被着してアノードとした。
【0053】
この各電極を設けた固体電解質板と各セパレータを積層して各種3段スタックセルを作製した。各種セルを次の条件で運転した。
燃料ガス:H2=3.40リットル/hrとH2O=1.13リットル/hrとの混合ガス
酸化剤ガス:空気=12.80リットル/hr
セル温度:1000℃
荷重:100kg
各種セルの性能を所定電流密度下での電圧で示した。その結果を表2に示す。
【0054】
【表2】
Figure 0003863207
【0055】
これより、各比較例のセルは性能不良であり、OCVも低く、降温後にセパレータの割れが認められるため、電流密度を0.3A/cm2まで使用することはできないのに対し、各実施例のセルは性能良好であり、OCVも理論値とほぼ一致し大きなリークはなく、降温後にもセパレータの割れは認められなかった。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明のセラミックスをセパレータに用いた平板型固体電解質燃料電池の1例の概略図。
【図2】 電解質の熱サイクル後の割れを観察するための装置の1例の概略図。
【図3】 各セラミックスの反り量を測定するための装置の1例の概略図。
【符号の説明】
1 固体電解質板
2 カソード
3 アノード
4 セパレータ
5 外部出力端子
6 空気流路
7 燃料流路
11 試料
12 ガラス
13 8YSZ
14 試料
15 重り
21 試料
22 アルミナ製容器
23 アルミナ管
24 燃料ガス
25 空気
26 アルミナロッド
27 ダイヤルゲージ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a novel lanthanum chromite ceramic, a flat plate solid electrolyte fuel cell separator containing the ceramic, and a flat plate solid electrolyte fuel cell using the separator.
[0002]
[Prior art]
Lanthanum chromite (LaCrOThree) Is an oxide-based ceramic that is considered promising as a high-temperature conductive material because it has conductivity at high temperatures and is excellent in oxidation resistance and reduction resistance.
[0003]
The conductivity can be improved by adding alkaline earth metals such as calcium, strontium, and magnesium as trace impurities to the lanthanum chromite. Lanthanum chromite has a perovskite structure [ABOThree(Wherein A represents lanthanum, B represents chromium, and O represents oxygen)], calcium and strontium added thereto are substituted and dissolved in the lanthanum chromite lattice and magnesium is substituted in the chromium position. ing.
[0004]
The above-mentioned trace element-added lanthanum chromite can have sufficient performance in terms of conductivity, but it is difficult to obtain a dense sintered body in atmospheric pressure, and it is a fuel when used as a separator in a flat plate type solid electrolyte fuel cell. The gas and air could not be completely separated, which was unsatisfactory.
[0005]
The reason why a dense sintered body with additive lanthanum chromite cannot be easily obtained in this way is that the diffusion of ions of structural elements is extremely slow and the interface of the raw material powder crystals is difficult to move, making it difficult to densify during the sintering process. In addition, the vapor pressure of chromium oxide is high at the sintering temperature, and vacancies hardly disappear during the densification process and remain in the sintered body.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, the present inventors have previously obtained a general formula in order to easily obtain a dense sintered body in the atmosphere and to improve the conductivity as compared with the prior art.
La1-xMxCr1-yCoyOThree
(Wherein, M is an alkaline earth metal excluding magnesium, 0 <x ≦ 0.5, 0 <y ≦ 0.5)
And a novel lanthanum chromite-based composite oxide characterized by having a perovskite structure, a high-temperature conductive material using the same, and a solid oxide fuel cell separator (Japanese Patent Laid-Open No. 3-65517). issue).
[0007]
However, the lanthanum chromite complex oxide has a volume change due to an increase in the lattice constant of the crystal under a low oxygen partial pressure in a reducing atmosphere when there are a large number of substitutional elements. In some cases, microcracks are generated inside the sintered body or cracks in the sintered body occur, resulting in a decrease in strength.
[0008]
In addition, when used as a flat-type solid electrolyte fuel cell separator in which the atmosphere on both sides is different from the oxidizing atmosphere and the reducing atmosphere, the strength decreases and cracks occur. There is a problem that the warpage of the separator occurs, leading to poor contact between the electrode and the separator, induction of electrolyte cracking, and deterioration of sealing performance.
[0009]
Furthermore, when used as a separator, it has sufficient performance in terms of conductivity and sinterability, but the thermal expansion coefficient consistency with the electrolyte that is a constituent material of the flat plate type solid electrolyte fuel cell is not always sufficient. Rather, for example, when a battery is configured with a flat structure and a large area of 20 cm square or more, a tensile or compressive stress is generated on the electrolyte due to a difference in thermal expansion coefficient with the electrolyte when the temperature is raised or lowered, and the electrolyte is destroyed. It is difficult to obtain sufficient sealing performance.
[0010]
In addition, when the lanthanum lattice position in the crystal lattice is substituted with Ca, if the Ca addition amount is excessive, a high resistance composite oxide of Ca and Cr is formed on the reduction side, or Ca diffuses into the cathode electrode. There are problems such as. That is, in order to obtain a stable sintered body, in the case of Ca-substituted lanthanum chromite, fine adjustment of the composition is required. Furthermore, Ca-substituted lanthanum chromite has an orthorhombic crystal structure at room temperature, and the temperature dependence of the thermal expansion coefficient is 300 to 500 ° C., and the change of the thermal expansion coefficient associated with the phase transformation is observed. A difference in thermal expansion coefficient with the temperature rises and becomes a factor of generating extra stress in the electrolyte during the temperature raising and lowering process.
[0011]
The object of the present invention is easily obtained in the atmosphere with high density under such circumstances, and has high density and good conductivity, low temperature coefficient of thermal expansion coefficient, and small dimensional change rate. Specific lanthanum chromite ceramics with excellent dimensional stability, improved sealing properties and electrode contact properties, good thermal expansion coefficient consistency with electrolyte, low oxygen partial pressure Another object of the present invention is to provide a flat-type solid electrolyte fuel cell separator having a small dimensional change in a reducing atmosphere and having excellent oxidation resistance and reduction resistance, and a flat-type solid electrolyte fuel cell using this separator.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
As described above, the present inventors have previously replaced a part of lanthanum with an alkaline earth metal and a part of Cr with Co or the like in order to densify lanthanum chromite and improve conductivity. However, since this product has a large difference in thermal expansion coefficient from the stabilized zirconia that is a solid electrolyte, it may damage the zirconia in practical use, and the dimensional change during reduction is large. When used as a solid electrolyte fuel cell separator, warpage may occur and breakage, and these disadvantages are due to the inadequate amount of substitution at A site and B site and the combination of substitution elements. By limiting the amount of substitution and the combination of substitution elements, the difference in thermal expansion coefficient from the electrolyte is small, and the temperature dependence is also from room temperature. There is no drastic change up to 000 ° C, the dimensional change ratio of each ceramic in the air atmosphere and the reducing atmosphere, and hence the volume change ratio is small, excellent in dimensional stability, and high density and conductivity can be maintained, and further reproduced It has been found that a solid electrolyte fuel cell can be constructed with good performance, and the present invention has been made based on these findings.
[0013]
  That is, the present invention
  (1) General formula
  (La1-xSrx)a(Cr1-pCop)bOThree
  (Where 0.02 ≦ x ≦0.150.01 ≦ p ≦ 0.03, 0.95 ≦ a / b ≦ 1.05)
It is hexagonal at room temperature, and the ceramic has an oxygen partial pressure of 5 × 10 5 ° C. with respect to the target ceramic obtained by firing in air.-16The dimensional change rate at room temperature of a heat-treated product for 20 hours in a reducing atmosphere at atmospheric pressure is 0.1% or less, the relative density is 90% or more, and the conductivity is 10Ω in air at 1000 ° C.-1cm-1Above, 1000 ° C. oxygen partial pressure 1 × 10-151Ω in a reducing atmosphere at atmospheric pressure-1cm-1The thermal expansion coefficient from 50 ° C. to 1000 ° C. is 9.8 × 10.-6K-110.7 × 10-6K-14 point bending strength in accordance with JIS R1601 at room temperature98 MPa (10 kgf / mm 2 )Lanthanum chromite ceramics characterized by the above,
  (2)A flat plate solid electrolyte fuel cell separator containing the lanthanum chromite ceramic according to (1),
  (3)A solid oxide fuel cell using the separator for a flat plate solid electrolyte fuel cell according to (2) above
Is to provide.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  As a preferred embodiment,
  (4)The subscript p indicating the amount of substitution of Co in the general formula indicating the composition is represented by the following formula:
0.015 ≦ p ≦ 0.25
The lanthanum chromite ceramic according to the above item (1) in a range satisfying,
  (5)The subscript x indicating the substitution amount of Sr in the general formula indicating the composition is the following formula:
0.08 ≦ x ≦ 0.15
The lanthanum chromite ceramic according to the above item (1) in a range satisfying,
Is mentioned.
[0015]
BookIn the invention, “1000 ° C. oxygen partial pressure 5 × 10 5 of the ceramic for the target ceramic obtained by firing in air”-16"The rate of dimensional change at room temperature of a 20-hour heat-treated product in a reducing atmosphere at atmospheric pressure" is the percentage of the change in the size of the latter heat-treated product at room temperature relative to the size of the former target ceramic at room temperature. The dimension means the cubic root of the volume of the unit cell obtained from the lattice constant measured by the X-ray diffraction method.
[0016]
  The lanthanum chromite ceramic of the present invention has a perovskite structure (ABO) represented by the above general formula.ThreeIn the basic structure of lanthanum chromite in which La is arranged at the A site and Cr is arranged at the B site, a part of La is replaced by Sr, and a part of Cr is furtherCoIt is necessary to have a substituted, predominantly perovskite structure.
[0017]
In the lanthanum chromite ceramic of the present invention, the conductivity is improved by replacing part of La with Sr. The substitution amount of Sr is selected in the range of 0.02 to 0.2, preferably 0.04 to 0.2, and more preferably 0.08 to 0.15 in molar ratio with respect to the total amount of the A site. The greater the amount of substitution of Sr, the higher the conductivity at 1000 ° C., but if it exceeds 0.2, the rate of dimensional change during reduction increases, and it is used as a separator for flat-type solid electrolyte fuel cells using stabilized zirconia as the electrolyte. As a result, warpage occurs, which causes destruction of zirconia as an electrolyte, gas leakage due to cracking of the separator itself, and an increase in thermal expansion coefficient. Therefore, there is a large difference in thermal expansion coefficient from stabilized zirconia as an electrolyte. When the thermal cycle of increasing and decreasing temperature is applied, it causes destruction of stabilized zirconia.
[0018]
On the other hand, when the substitution amount of Sr is less than 0.02, the linearity of the relationship between the thermal expansion coefficient and the temperature deteriorates, and the thermal expansion coefficient changes abruptly in the region of 300 ° C. or lower. Further, when La is excessively present in the sintered body or when A / B is increased from 1.05, La may segregate at the crystal grain boundary to absorb water vapor and collapse the sintered body. There is. Conversely, if A / B is less than 0.95, the second component may be precipitated.
[0019]
  It is a partial substitution element of Cr at B site of lanthanum chromite latticeCoThe lanthanum chromite, which has the effect of lowering the sintering temperature or improving the conductivity of the sintered body, does not have this substitution element, is 95% or more even when fired at 1700 ° C. in the atmospheric pressure atmosphere. Although a relative density cannot be obtained, a dense sintered body having a relative density of 95% or more can be obtained even at an equivalent firing temperature by dissolving this element in the B site. This is presumably because the rare earth chromite crystal particles, which are raw material powders, improve the mass transfer rate during the sintering process, and also lower the sintering temperature due to the lowering of the melting point.
[0020]
  Lanthanum chromite B siteCo substitution amount ofIn molar ratio to the total amount of B siteNext rangeChosen by. 0. 01 ≦ p ≦ 0.03, preferably0.015 ≦ p ≦ 0.025Is. PlaceIf the exchange amount is too large, the sinterability and conductivity will be improved, but the change ratio between each dimension in the air atmosphere and reducing atmosphere will be too large, and it will be used as a separator for flat plate type solid electrolyte fuel cells. Warping occurs. Due to the occurrence of warping, the sealing performance may be reduced due to the destruction of the electrolyte and the cracking of the separator itself, leading to a reduction in battery performance. Moreover, when there is too much substitution amount, the thermal expansion difference with the zirconia which is electrolyte will become large by the increase in a thermal expansion coefficient, and when the thermal cycle of raising / lowering temperature is applied, destruction of a zirconia will be caused. On the other hand, if the substitution amount is too small, the sinterability is lowered and it becomes difficult to obtain a high density.
[0021]
The effect of specifying the substitution element and the composition in this way is apparent from the examination of the physical properties of the conventionally known lanthanum chromite ceramics.
For example, Meadow craft et al. CERAMIC BULLETIN 1979 Vol. 58, no. 6 p610-615 reports that the amount of Cr evaporation in lanthanum chromite is suppressed by Al substitution at the B site.0.8Ca0.2Al0.25Ar0.75OThreeThe thermal expansion coefficient from 100 ° C. to 1000 ° C. is 9.6 × 10-6[1 / K] and the thermal expansion coefficient of zirconia 10.4 × 10-6Compared to [1 / K], the difference in thermal expansion coefficient is 0.5 × 10-6Exceed [1 / K]. Moreover, there is a temperature at which the thermal expansion coefficient changes abruptly in the vicinity of 400 ° C. In addition, the firing density at normal pressure of 1600 ° C. has less effect of improving the sinterability by 85% compared with the above substitutional elements such as Co, Ni, Zn, Fe, or Mn. Therefore, this composition is not suitable as a flat plate type solid electrolyte fuel cell separator.
[0022]
In addition, in Niels Christiansen et al., In PROCEEDING OF THE THIRD INTERNATIONAL SYMPOSIUMON SOLID STATE FUEL CELLS (p401), the amount of dimensional change during reduction varies depending on the amount of Co substitution, and La0.7Ca0.3Cr0.975Co0.025OThreeHowever, this composition has a large difference in thermal expansion coefficient from the electrolyte, and is not suitable for a flat plate type solid electrolyte fuel cell separator.
[0023]
On the other hand, disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 51-150692, (La1-xMx) (Cr1-yNiy) O3-v[In the case of a composite oxide represented by 0 <x, y <1], the flat solid electrolyte fuel cell is usually exposed to 1000 ° C. when x = 0.2 and y = 0.9. In a reducing atmosphere, decomposition occurs and the difference in thermal expansion coefficient from the electrolyte is large, so that it cannot be used as a flat-type solid electrolyte fuel cell separator.
[0024]
B. Boven et al., In Zeitschiff for Naturforschung, Vol. 27, No. 2, pages 363-365 (1972), La0.8Sr0.2Cr0.8Ni0.2OThreeHowever, this composition has a large dimensional change before and after the reduction and is not suitable for use as a flat plate type solid electrolyte fuel cell.
[0025]
In the lanthanum chromite ceramic of the present invention, the B site substitution amount is large in order to increase the density and conductivity. For example, when the B site substitution element is Co, p is preferably close to 0.05. In order to reduce the difference in thermal expansion coefficient, the B site substitution amount is small. For example, when the B site substitution element is Co, p may be 0.03 or less.
The ratio a / b between the A site and B site of lanthanum chromite is not necessarily 1, but a sintered body can be obtained, but is selected so as to satisfy the following formula: 0.95 ≦ a / b ≦ 1.05. When a / b> 1.05 or a / b <0.95, the sinterability may be affected, or a lanthanum chromite single phase may not be obtained. In particular, when a / b >> 1.05, La segregates at the grain boundary.2OThreeTherefore, even a sintered body that is densely fired becomes brittle over time.
[0026]
In the lanthanum chromite ceramic of the present invention, the crystal structure is hexagonal at room temperature, and the 1000 ° C. oxygen partial pressure of the ceramic with respect to the target ceramic obtained by firing in air is 5 × 10.-16It is important that the rate of dimensional change at room temperature of a 20-hour heat-treated product in a reducing atmosphere at atmospheric pressure is 0.1% or less and the relative density is 90% or more. Among these, those having a perovskite structure are preferable.
Examples of the crystal structure analysis method include a powder X-ray diffraction method. Since the change in dimensions correlates with the change in volume, and the solid electrolyte fuel cell is also exposed to a high-temperature reducing atmosphere, the rate of change in dimensions is as important as the coefficient of thermal expansion. Only when both the rate of dimensional change and the coefficient of thermal expansion are optimized, it becomes useful as a separator for a solid oxide fuel cell.
[0027]
The crystal grain size affects the strength. When the crystal grain becomes larger, the defect size at the grain boundary becomes larger and the strength is lowered. The crystal grain size is preferably selected in the range of 20 μm or less, particularly 10 μm or less.
[0028]
  It is important that the lanthanum chromite ceramic of the present invention further has the following physical properties.
  1) Conductivity in air at 1000 ° C. and oxygen partial pressure of 1000 ° C. 1 × 10-15Conductivity in a reducing atmosphere at atmospheric pressure Ω-1cm-1Σ in units1000, airAnd σ1000, redIn the following formula
10 ≦ σ1000, air, Preferably 15 ≦ σ1000, airAnd 1 ≦ σ1000, red, Preferably 10 ≦ σ1000, red
Meet.
  2) The coefficient of thermal expansion from 50 ° C to 1000 ° C is the reciprocal of absolute temperature, ie 1 / K or K-1In units of α,
9.8 × 10-6≦ α ≦ 10.7 × 10-6, Preferably 10.0 × 10-6≦ α ≦ 10.5 × 10-6
Meet.
  3) 4-point bending strength in accordance with JIS R1601 at room temperature is98 MPa (10 kgf / mm 2 )Above, preferably137 MPa (14 kgf / mm 2 )That's it.
[0029]
In general, in a fuel cell, the reducing atmosphere is usually an oxygen partial pressure of 1 × 10 on the fuel electrode side.-15It means that the atmosphere is below atmospheric pressure. Furthermore, in order to increase battery performance such as battery output and efficiency, the oxygen partial pressure is 5 × 10 5.-16In some cases, the operation is performed under atmospheric pressure. For example, when steam reforming is performed using LPG as a fuel under the condition of a steam / carbon ratio of 3, the gas composition is about 49% hydrogen, 32% steam, 13% carbon monoxide, 5 carbon dioxide at an operating temperature of 1000 ° C. %, And the oxygen partial pressure at this time is 1 × 10-15Become atmospheric pressure. When the water vapor / carbon ratio is 2, the gas composition under the above operating conditions is about 58% hydrogen, 19% water vapor, 19% carbon monoxide, 4% carbon dioxide, and the oxygen partial pressure at this time is 3 ×. 10-16Become atmospheric pressure.
[0030]
In lanthanum chromite, a part of oxygen constituting the perovskite-type crystal is released under such a high-temperature reducing atmosphere. Oxygen in the crystal exists as negative divalent ions. When oxygen escapes from the crystal lattice, repulsive force acts between nearby positive ions, or Cr is a positive ion at the B site. For example, the valence of ions changes from trivalent to tetravalent, and positive and negative charges move in the crystal lattice, and the balance between the attractive and repulsive forces of the positive and negative ions that are maintained until oxygen is released is lost. Since the distance between the atoms increases, the length of the unit cell increases, and as a result, the volume of the sintered body increases.
[0031]
The lanthanum chromite ceramic of the present invention is excellent in stability in this reducing atmosphere. As a result, oxygen partial pressure 5 × 10-16Even if a high temperature heat treatment at about 1000 ° C. is performed in a reducing atmosphere at atmospheric pressure, there is little dimensional change, the dimensional change rate before and after this reduction heat treatment is 0.1% or less, and there is no decrease in 4-point bending strength. In addition, it has excellent oxidation resistance, the density is 90% or more of the theoretical density, and further 95% or more, and the electrical conductivity in air at 1000 ° C. is 10Ω.-1cm-1Or more, preferably 15Ω-1cm-1Above, oxygen partial pressure 1 × 10-15Conductivity in a reducing atmosphere at atmospheric pressure is 1Ω-1cm-1Or more, preferably 10Ω-1cm-1That's it.
Therefore, the lanthanum chromite ceramic of the present invention is useful as a high-temperature conductive material that requires both corrosion resistance and conductivity at high temperatures.
[0032]
In general, in the flat plate type solid electrolyte fuel cell separator, in addition to the above high-temperature conductive material characteristics including reduction resistance, the warp is small from the viewpoint of sealing properties and reduction of contact resistance with the electrode, A warp during operation is preferably 200 μm or less with a 20 cm square plate, and characteristics such as a thermal expansion coefficient close to that of stabilized zirconia as an electrolyte are required.
[0033]
The lanthanum chromite ceramic of the present invention sufficiently has such required characteristics. That is, the lanthanum chromite ceramic of the present invention is formed into 5 cm square and 20 cm square plates, and at 1000 ° C., one surface is air and the other surface is oxygen partial pressure 5 × 10.-16When the amount of warpage was measured without load under exposure to a reducing atmosphere at atmospheric pressure, the amount of warpage was 1 μm or less in the case of a 5 cm square, and the amount of warpage was 300 μm or less in the same measurement in the case of a 20 cm square plate. If the amount of warpage increases, the contact between the batteries worsens, the resistance of the battery increases, and the cell performance decreases. Therefore, the amount of warpage is preferably as small as possible, but even a 20 cm square plate with a warpage amount of 300 μm is more than 50 kg. When the load was applied, it could be flattened and no cracks were seen. Therefore, if the warp amount is 300 μm or less, more preferably 200 μm or less, the flattening can be sufficiently achieved without causing cracks by stacking and applying a load in a solid electrolyte fuel cell at an operating temperature of 1000 ° C. .
[0034]
In addition, the thermal expansion coefficient of the lanthanum chromite ceramic of the present invention is close to that of stabilized zirconia, so a flat solid electrolyte fuel cell is stacked in a large size of about 20 cm square and heated up to 1000 ° C. and then cooled down. However, the stabilized zirconia is not cracked and the sealing portion is not broken.
[0035]
The present invention also provides a solid oxide fuel cell separator containing such lanthanum chromite ceramics. For example, this ceramic can be used as it is or in combination with other suitable materials to obtain a desired separator by performing a required forming process.
[0036]
The present invention also provides a flat-type solid electrolyte fuel cell using such a separator.
A schematic diagram of an example of this fuel cell is shown in FIG. In the figure, reference numeral 1 denotes a solid electrolyte plate having a cathode 2 on the upper surface and an anode 3 on the lower surface. 4 is a separator made of the lanthanum chromite ceramic of the present invention, and 5 is an external output terminal made of the lanthanum chromite ceramic of the present invention, which is formed with grooves constituting the air flow path 6 and the fuel flow path 7. Yes. The separator separates air and fuel, and also serves to electrically connect the cathode 2 and the anode 3 of the adjacent unit cells. The external output terminal is a member that forms an air flow path or a fuel flow path at both ends of the integrated unit cell and that is electrically connected to the anode or the cathode. Although FIG. 1 shows a fuel cell in which two unit cells are integrated, three or more unit cells can be integrated through a separator.
[0037]
The lanthanum chromite ceramic of the present invention can be produced by a conventional ceramic production method.
For example, first, a powder mixture in which a lanthanum source, a strontium source, a chromium source, and a substitution metal source of the group B are mixed at a predetermined ratio is temporarily set at a predetermined temperature, generally 1000 to 1600 ° C, preferably 1000 to 1200 ° C. Baking to obtain a calcined powder. The calcining time is usually 1 to several tens of hours, preferably 1 to 10 hours. Calcination is performed in an oxygen-containing atmosphere, usually air. The pressure during calcination may be atmospheric pressure.
[0038]
Next, the desired ceramics can be obtained by forming the calcined powder by pressure molding or the like and firing it. The firing temperature is usually 1300 ° C. or higher, preferably 1500 to 1700 ° C., and the firing time is usually 1 to 10 hours, preferably 1 to 5 hours, depending on the shape of the molded body, and firing is an oxygen-containing atmosphere. Usually done in air. As the pressure during firing, a dense sintered body can be obtained at normal pressure, but may be under pressure.
[0039]
【The invention's effect】
The lanthanum chromite ceramic of the present invention has a dense and good conductivity, low temperature dependence of thermal expansion coefficient, small dimensional change rate, excellent dimensional stability, etc. It is useful as a conductive material, and can be easily prepared with high density in the atmosphere.
In addition, the flat plate type solid electrolyte fuel cell separator of the present invention contains this ceramic and has the characteristics thereof, the sealing property and the contact property with the electrode are improved, and the consistency of the thermal expansion coefficient with the electrolyte is good. Thus, since the dimensional change in a reducing atmosphere with a low oxygen partial pressure is small, and the oxidation resistance and reduction resistance are excellent, a flat solid electrolyte fuel cell using the separator can be provided.
[0040]
【Example】
EXAMPLES Next, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited at all by these examples.
The characteristics of various ceramic samples and the influence characteristics of the samples on the electrolyte were evaluated as follows.
(1) Dimensional change rate before and after reduction
A sample having a size of about 4 × 3 × 40 mm is placed in an alumina container, nitrogen gas is circulated at 200 ml / min, the temperature is raised to 1000 ° C. at 5 ° C./min, and after reaching 1000 ° C. for 1 hour, steam / hydrogen Oxygen partial pressure 5 × 10-16A reducing atmosphere at atmospheric pressure was circulated and held for 20 hours, then rapidly cooled to room temperature at a rate of temperature decrease of 20 ° C./min or more to prepare a reduced sample, and its dimensions relative to the sample before such treatment The degree of change was determined by the following two methods.
(I) A lattice constant is obtained by X-ray diffraction for each sample before and after the reduction treatment. Since the sintered body used as a separator is a polycrystal, the crystal axes are not oriented, and the dimensional change of the separator is observed as an average of the changes of the crystal axes. Therefore, in order to average the change in the measured lattice constant, the measured lattice constant of each sample is converted to the volume of the unit cell, and the volume change amount after the reduction treatment with respect to the volume before the reduction treatment is obtained. This change amount was expressed as a percentage of the cube root of the volume before the reduction.
(Ii) The size of each sample before and after the reduction treatment was measured with 1 μ accuracy, and the amount of change in the size of the sample after the treatment relative to the size of the sample before the treatment was shown in percentage. This dimension is for the longest side of the sample.
[0041]
(2) 4-point bending strength before and after reduction
The samples before and after the reduction treatment described in (1) were measured according to JIS-R-1601.
[0042]
(3) Thermal expansion coefficient (α)
Using a quartz vertical push rod type thermal expansion measuring device, the change in the length of the sample accompanying the temperature rise was determined as follows, and calculated according to the following formula.
α = (Lx-L0) / [L0× (Tx-T0]]
[L in the formulaxIs the temperature TxSample length in (° C), L0Is the temperature T0Shows sample length at (° C)]
A sample of 5 × 5 × 10 mm in size is placed in a quartz sample chamber in an electric furnace, sandwiched by a quartz displacement measuring rod from above, and a load of 10 g is applied up to 1000 ° C. so that the contact of the rod is maintained. The temperature is raised at a rate of 10 ° C./min, held at 1000 ° C. for 2 hours, lowered to room temperature at a rate of temperature drop of 10 ° C./min, and the temperature rise and fall is repeated twice. Using.
[0043]
(4) Probability of electrolyte cracking after thermal cycling
As shown in FIG. 2, a sample of an arbitrary size and 8 mol% Y2OThreeDope ZrO2The electrolyte (8YSZ) was stacked in the order of sample 11 / glass 12 / 8YSZ13 / sample 14 / weight 15. The glass was attached to four sides with a width of 10 mm from the end. Weight is 0.5g / cm2It was made to change according to the area. What was arranged in this way was heated up to 1000 ° C. at a heating rate of 1 ° C./min, held at 1000 ° C. for 2 hours, then cooled down to room temperature at a cooling rate of 1 ° C./min, and cracking of the electrolyte was observed. . Those that were not cracked by the temperature rise and fall were left as is, and when the electrolyte was cracked, it was replaced with a new electrolyte without cracking, and such temperature rise and fall and crack observation were repeated twice. The results of the observation performed three times in this way are shown with a probability of n / 3 where the number of cracks is n.
[0044]
(5) Conductivity
Conductivity in air atmosphere is measured by conductivity (AIR) (Ω-1cm-1), And the conductivity in a reducing atmosphere is defined as conductivity (RED) (Ω-1cm-1) Respectively.
[0045]
(6) Relative density
It was determined by dividing the measured density calculated from the dimensions and mass by the theoretical density. The theoretical density is 6.5 (g / cm) for strontium lanthanum chromite ceramics.Three) And 6.2 (g / cm) for calcium-based lanthanum chromite ceramicsThree).
[0046]
(7) Warpage amount
3 is used. In this apparatus, an alumina container 22 corresponding to the size of the sample 21 is attached up and down, and the container 22 is connected to an alumina tube 23 that also serves as a gas introduction port. The fuel gas 24 adjusted to an arbitrary oxygen partial pressure by the hydrogen / water vapor ratio and the air 25 are sent from above, and glass is used for sealing the alumina tube / alumina container / sample.
The sample in the alumina container was heated to 1000 ° C. at 5 ° C./min, the oxygen partial pressure on the fuel gas side was changed at 1000 ° C., and the alumina rod 26 in contact with the center of the sample lanthanum chromite ceramic plate was The amount of warpage was measured by a dial gauge 27 at the top of the apparatus.
[0047]
  Lanthanum oxide (La2OThree4383 g, Strontium carbonate (SrCO)Three442.8g, dichromium trioxide (Cr2OThree2324.4 g and tricobalt tetroxide (Co)ThreeOFour) 48.15 g was wet mixed using a ball mill for 24 hours. After drying this mixed powder, the temperature was raised at a rate of temperature rise of 20 ° C./min and calcined at 1200 ° C. for 2 hours. The calcined material thus obtained is ground again,196 MPa (2000 kgf / cm 2 )Was subjected to cold isostatic pressing (CIP), heated to 1700 ° C. at a heating rate of 1 ° C./min, and fired at this temperature for 4 hours to obtain a desired lanthanum chromite ceramic. As a result of analyzing the powder prepared by pulverizing this powder by X-ray diffraction, the presence of the second phase could not be confirmed, and strontium and cobalt were dissolved in the lanthanum chromite lattice having a perovskite structure. I found out.
[0048]
Example 24Comparative Examples 1-13
  A lanthanum chromite ceramic having a perovskite structure was obtained in the same manner as in Example 1, using a predetermined raw material at a predetermined ratio. However, the calcining temperature was set to 1500 ° C. for calcium-based materials.
[0049]
Table 1 shows the composition and various properties of the ceramic thus obtained.
[0050]
[Table 1]
Figure 0003863207
[0051]
In Table 1, x indicates that it decomposes or cracks in a reducing atmosphere, and in the dimensional change rate column, those marked with * are the methods of (i) above and marked with * No mark indicates that it was obtained by the method (ii).
[0052]
Each separator was formed by providing a predetermined raw material gas flow path in a compact of 200 mm × 200 mm × 5 mm made of each ceramic obtained in Examples 1 to 3, Comparative Example 6 and Comparative Example 9. In addition, a solid electrolyte plate made of zirconia (hereinafter referred to as 8YSZ) having the same square shape as the separator and having a thickness of 0.2 mm and containing 8 mol% of yttria (hereinafter referred to as 8YSZ) is prepared.0.8Sr0.2MnOThreeWas deposited to a thickness of 0.1 mm by a slurry coating method to form a cathode, and Ni-8YSZ (weight ratio 7: 3) cermet was deposited to the thickness of 0.1 mm by a slurry coating method to form an anode.
[0053]
The solid electrolyte plate provided with each electrode and each separator were laminated to prepare various three-stage stack cells. Various cells were operated under the following conditions.
Fuel gas: H2= 3.40 liters / hr and H2Mixed gas with O = 1.13 liter / hr
Oxidant gas: air = 12.80 liters / hr
Cell temperature: 1000 ° C
Load: 100kg
The performance of each cell is shown as a voltage under a predetermined current density. The results are shown in Table 2.
[0054]
[Table 2]
Figure 0003863207
[0055]
As a result, the cells of each comparative example have poor performance, the OCV is low, and cracks in the separator are observed after cooling down, so the current density is 0.3 A / cm.2However, the cell of each example had good performance, the OCV was almost the same as the theoretical value, there was no big leak, and no cracking of the separator was observed even after the temperature was lowered.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view of an example of a flat plate type solid electrolyte fuel cell using ceramics of the present invention as a separator.
FIG. 2 is a schematic diagram of an example of an apparatus for observing cracks after thermal cycling of an electrolyte.
FIG. 3 is a schematic view of an example of an apparatus for measuring the amount of warpage of each ceramic.
[Explanation of symbols]
1 Solid electrolyte plate
2 Cathode
3 Anode
4 Separator
5 External output terminal
6 Air flow path
7 Fuel flow path
11 samples
12 Glass
13 8YSZ
14 samples
15 weights
21 samples
22 Alumina container
23 Alumina tube
24 Fuel gas
25 Air
26 Alumina rod
27 Dial gauge

Claims (3)

一般式
(La1-xSrxa(Cr1-pCopb3
(式中0.02≦x≦0.15、0.01≦p≦0.03、0.95≦a/b≦1.05である)
で表わされ、室温において六方晶であり、空気中での焼成で得られた目的セラミックスに対する該セラミックスの1000℃酸素分圧5×10-16気圧の還元雰囲気中での20時間熱処理物の、室温における寸法変化率が0.1%以下であり、相対密度が90%以上であり、導電率が1000℃空気中で10Ω-1cm-1以上、1000℃酸素分圧1×10-15気圧の還元雰囲気中で1Ω-1cm-1以上であり、50℃から1000℃までの熱膨張係数が9.8×10-6-1ないし10.7×10-6-1の範囲であり、かつ室温におけるJIS R1601に準拠する4点曲げ強度が98MPa以上であることを特徴とするランタンクロマイト系セラミックス。
Formula (La 1-x Sr x) a (Cr 1-p Co p) b O 3
(Wherein 0.02 ≦ x ≦ 0.15 , 0.01 ≦ p ≦ 0.03, 0.95 ≦ a / b ≦ 1.05)
Of the heat-treated product for 20 hours in a reducing atmosphere of 1000 ° C. oxygen partial pressure of 5 × 10 −16 atmospheres of the ceramic with respect to the target ceramic obtained by firing in air. The rate of dimensional change at room temperature is 0.1% or less, the relative density is 90% or more, the conductivity is 10Ω -1 cm -1 or more in air at 1000 ° C, and the oxygen partial pressure is 1 × 10 -15 atm at 1000 ° C. 1Ω −1 cm −1 or more in a reducing atmosphere with a thermal expansion coefficient from 50 ° C. to 1000 ° C. in the range of 9.8 × 10 −6 K −1 to 10.7 × 10 −6 K −1 . A lanthanum chromite ceramic having a four-point bending strength of 98 MPa or more in accordance with JIS R1601 at room temperature.
請求項1記載のランタンクロマイト系セラミックスを含有する平板型固体電解質燃料電池セパレータ A flat plate type solid electrolyte fuel cell separator containing the lanthanum chromite ceramic according to claim 1 . 請求項2記載の平板型固体電解質燃料電池用セパレータを用いた固体電解質型燃料電池 A solid oxide fuel cell using the separator for a flat plate solid electrolyte fuel cell according to claim 2 .
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