JP4912576B2 - Fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、固体電解質燃料電池セルに関するものである。 The present invention relates to a solid electrolyte fuel cell.

次世代エネルギーとして、近年、燃料電池セルスタックを収納容器内に収容した燃料電池が種々提案されている。例えば、図4は、従来の固体電解質燃料電池のセルスタックを示すもので、このセルスタックは、複数の燃料電池セル1(1a、1b)を整列集合させ、一方の燃料電池セル1aと他方の燃料電池セル1bとの間に金属フェルトからなる集電部材5を介在させ、一方の燃料電池セル1aの燃料極7と他方の燃料電池セル1bの酸素極11とを電気的に接続して構成されていた。即ち、この燃料電池セル1(1a、1b)は、円筒状の金属からなる燃料極7の外周面に、固体電解質9、導電性セラミックスからなる酸素極11を順次設けて構成されており、固体電解質9、酸素極11から露出した燃料極7には、酸素極11に接続しないようにインターコネクタ12が設けられ、燃料極7と電気的に接続している。 As a next-generation energy, in recent years, a fuel cell containing the fuel cell cell Luz tack storage container have been proposed. For example, Figure 4 shows a cell stack of a conventional solid electrolyte fuel cell, the cell stack, a plurality of fuel cells 1 (1a, 1b) is a well-order, one of the fuel cell 1a and the other A current collecting member 5 made of metal felt is interposed between the fuel cell 1b and the fuel electrode 7 of one fuel cell 1a and the oxygen electrode 11 of the other fuel cell 1b are electrically connected. Was composed. That is, the fuel cell 1 (1a, 1b) is configured by sequentially providing a solid electrolyte 9 and an oxygen electrode 11 made of conductive ceramics on the outer peripheral surface of a fuel electrode 7 made of a cylindrical metal. An interconnector 12 is provided on the fuel electrode 7 exposed from the electrolyte 9 and the oxygen electrode 11 so as not to be connected to the oxygen electrode 11, and is electrically connected to the fuel electrode 7.

上記の燃料電池セル1(1a、1b)におけるインターコネクタ12は、燃料極7の内部を流れる燃料ガスと、酸素極11の外側を流れる酸素含有ガスとを確実に遮断するため緻密で、燃料ガス及び酸素含有ガスで変質しにくい導電性セラミックスで形成されている。また、一方の燃料電池セル1aと他方の燃料電池セル1bとの電気的接続は、一方の燃料電池セル1aの燃料極7を、該燃料極7に設けられたインターコネクタ12、集電部材5を介して、他方の燃料電池セル1bの酸素極11に接続することにより行われていた。   The interconnector 12 in the fuel cell 1 (1a, 1b) is dense and fuel gas for reliably blocking the fuel gas flowing inside the fuel electrode 7 and the oxygen-containing gas flowing outside the oxygen electrode 11. In addition, it is made of a conductive ceramic that is not easily altered by an oxygen-containing gas. The electrical connection between one fuel cell 1a and the other fuel cell 1b is made by connecting the fuel electrode 7 of one fuel cell 1a to the interconnector 12 and the current collecting member 5 provided on the fuel electrode 7. It was performed by connecting to the oxygen electrode 11 of the other fuel battery cell 1b via.

燃料電池は、上記セルスタックを収納容器内に収容して構成され、燃料極7内部に燃料(水素)を流し、酸素極11に空気(酸素)を流して1000℃程度で発電される。   The fuel cell is configured by housing the cell stack in a storage container, and generates power at about 1000 ° C. by flowing fuel (hydrogen) through the fuel electrode 7 and flowing air (oxygen) through the oxygen electrode 11.

このような燃料電池を構成する燃料電池セルでは、一般に、燃料極7が、Niと、Yを含有する安定化ジルコニア(YSZ)とからなり、固体電解質9が安定化ジルコニア(YSZ)からなり、酸素極11がLaMnO系ペロブスカイト酸化物から構成されている。 In a fuel cell constituting such a fuel cell, the fuel electrode 7 is generally composed of Ni and stabilized zirconia (YSZ) containing Y 2 O 3 , and the solid electrolyte 9 is stabilized zirconia (YSZ). The oxygen electrode 11 is composed of a LaMnO 3 perovskite oxide.

ところで、近年になって、安定化ジルコニアよりも高い酸素イオン伝導性が得られる物質として、下記式:
(La1−xSr)(Ga1−yMg)O
で表されるランタンガリウムペロブスカイト型酸化物(以下LSGM又はランタンガレートと略す)が注目されており、多くの研究が行われている。
By the way, as a substance that can obtain higher oxygen ion conductivity than stabilized zirconia in recent years, the following formula:
(La 1-x Sr x) (Ga 1-y Mg y) O 3
The lanthanum gallium perovskite oxide (hereinafter abbreviated as LSGM or lanthanum gallate) represented by the formula has attracted attention, and many studies have been conducted.

上記のLSGM焼結体は、600〜800℃という低温でも酸素イオン伝導性の低下が少ない物質で、LaやGaの一部が、それより低原子価のSrやMg等に、置換固溶により置き代わったものであり、これにより、焼結体の酸素イオン伝導性が大きくなるという性質を有する。この材料は、現在では最も優れた酸化物イオン伝導体と考えられている。   The above-mentioned LSGM sintered body is a substance with little decrease in oxygen ion conductivity even at a low temperature of 600 to 800 ° C., and a part of La and Ga is substituted with a lower valence Sr or Mg due to substitution solid solution. It has been replaced, and this has the property that the oxygen ion conductivity of the sintered body is increased. This material is now considered the best oxide ion conductor.

しかしながら、上記のようなLSGMにより固体電解質層を形成した燃料電池セルでは、低温作動であるものの、酸素極層と固体電解質層との接触抵抗が高くなり、初期における燃料電池セルの性能低下を引き起こすという問題があった。   However, in the fuel cell in which the solid electrolyte layer is formed by LSGM as described above, although it operates at a low temperature, the contact resistance between the oxygen electrode layer and the solid electrolyte layer is increased, and the performance of the fuel cell in the initial stage is deteriorated. There was a problem.

上記のような問題を解決する方法として、酸素極層と固体電解質層との界面に、ペロブスカイト型酸化物からなる中間層を形成させた構造が提案されている(特許文献1、2参照)。
特開2000−188117号公報 特開2002−52722号公報
As a method for solving the above problems, a structure in which an intermediate layer made of a perovskite oxide is formed at the interface between the oxygen electrode layer and the solid electrolyte layer has been proposed (see Patent Documents 1 and 2).
JP 2000-188117 A JP 2002-52722 A

しかしながら、上記のような中間層を設けた燃料電池セルでは、固体電解質層のイオン伝導度が低下し、燃料電池セルの性能低下を引き起こすという問題があった。即ち、本発明者等の研究によると、このような燃料電池セルでは、酸素極層と中間層と固体電解質層とが全て同じペロブスカイト型結晶構造を有しているため、層間での元素の拡散が円滑に進行してしまい、各層間の組成が連続的に変化する濃度勾配が生成し、密着強度が向上する一方で、長時間に亘って発電を行うと、元素の拡散に起因して固体電解質層のイオン伝導度が低下してしまい、この結果として、燃料電池セルの性能低下を生じてしまうことが判った。   However, in the fuel cell provided with the intermediate layer as described above, there is a problem that the ionic conductivity of the solid electrolyte layer is lowered and the performance of the fuel cell is lowered. That is, according to the study by the present inventors, in such a fuel cell, since the oxygen electrode layer, the intermediate layer, and the solid electrolyte layer all have the same perovskite crystal structure, the diffusion of elements between the layers Smoothly progresses, and a concentration gradient in which the composition between the layers changes continuously is generated, and the adhesion strength is improved. On the other hand, if power generation is performed over a long period of time, a solid is generated due to element diffusion. It has been found that the ionic conductivity of the electrolyte layer is lowered, and as a result, the performance of the fuel cell is lowered.

従って、本発明の目的は、固体電解質層と酸素極層との接触抵抗を高めることなく、両層の密着強度が高められ、初期において高い発電性能を得ることができるとともに、長期に亘って高い発電性能を維持できる固体電解質燃料電池セルを提供するにある。 Accordingly, the object of the present invention is to increase the adhesion strength between the two layers without increasing the contact resistance between the solid electrolyte layer and the oxygen electrode layer, to obtain high power generation performance in the initial stage, and to be high over a long period of time. to provide a solid oxide fuel cell power generation performance can be maintained.

本発明者は、上記課題について鋭意検討した結果、固体電解質層と酸素極層との間にイオン伝導性を有する材料で構成された非ペロブスカイト系の複合酸化物により形成された中間層を設け、且つ酸素極層を、ペロブスカイト型酸化物からなる第1の層と、前記中間層形成材料と上記ペロブスカイト型酸化物とからなる第2の層との2層構造とすることにより、初期において高い発電性能を得ることができるとともに、長期に亘って高い発電性能を維持できることを見出し、本発明に至った。   As a result of earnestly examining the above problems, the present inventor provided an intermediate layer formed of a non-perovskite complex oxide made of a material having ion conductivity between the solid electrolyte layer and the oxygen electrode layer, In addition, since the oxygen electrode layer has a two-layer structure including a first layer made of a perovskite oxide and a second layer made of the intermediate layer forming material and the perovskite oxide, high power generation is achieved in the initial stage. It has been found that performance can be obtained and high power generation performance can be maintained over a long period of time.

即ち、本願発明によれば、酸素極層と燃料極層との間にペロブスカイト型固体電解質層が配置されている燃料電池セルにおいて、
前記固体電解質層と前記酸素極層との間に、CeOとLn(Lnは希土類元素)からなる複合酸化物で構成された中間層が形成されており、
前記酸素極層が、第1の酸素極層と第2の酸素極層との2層構造を有し、前記第1の酸素極層は、前記中間層上に設けられた前記第2の酸素極層上に位置し、且つペロブスカイト型酸化物から形成され、前記中間層上に設けられた前記第2の酸素極層は、前記中間層を構成する複合酸化物と前記ペロブスカイト型酸化物とから形成されているとともに前記第2の酸素極層の気孔率Bと前記第1の酸素極層の気孔率Aとの気孔率比B/Aが、0.5より低いことを特徴とする燃料電池セルが提供される
That is, according to the present invention, in the fuel cell in which the perovskite solid electrolyte layer is disposed between the oxygen electrode layer and the fuel electrode layer,
Between the solid electrolyte layer and the oxygen electrode layer, an intermediate layer composed of a complex oxide composed of CeO 2 and Ln 2 O 3 (Ln is a rare earth element) is formed,
The oxygen electrode layer has a two-layer structure of a first oxygen electrode layer and a second oxygen electrode layer, and the first oxygen electrode layer comprises the second oxygen provided on the intermediate layer. The second oxygen electrode layer located on the polar layer and formed from a perovskite oxide and provided on the intermediate layer is composed of a composite oxide constituting the intermediate layer and the perovskite oxide. A fuel cell, characterized in that a porosity ratio B / A between the porosity B of the second oxygen electrode layer and the porosity A of the first oxygen electrode layer is lower than 0.5. A cell is provided .

本発明の燃料電池セルでは、固体電解質層と酸素極層との間に、CeOとLn(Lnは希土類元素)からなるCe−希土類元素系複合酸化物により形成された中間層を設けると同時に、酸素極層を2層構造とし、前記中間層に隣接する第2の酸素極層を、Ce−希土類元素系複合酸化物と第1の酸素極層形成材料であるペロブスカイト型酸化物とにより形成するとともに前記第2の酸素極層の気孔率Bと前記第1の酸素極層の気孔率Aとの気孔率比B/Aを、0.5より低くすることにより、固体電解質層と酸素極層との密着性を高め、両層の接触抵抗を低減させることができ、製造時等におけるこれらの層の剥離を防止し、製造歩留まりを高めることができる。しかも、このような層構造によれば、酸素極層、中間層、固体電解質層において、各層の結晶構造が異なるため、元素拡散が起こりにくく、その結果として、長時間に亘って発電を行った場合の固体電解質層のイオン伝導性の劣化を防止することができ、燃料電池セルの性能低下を有効に回避することができる。 In the fuel battery cell of the present invention, an intermediate layer formed of a Ce-rare earth complex oxide composed of CeO 2 and Ln 2 O 3 (Ln is a rare earth element) is provided between the solid electrolyte layer and the oxygen electrode layer. At the same time, the oxygen electrode layer has a two-layer structure, and the second oxygen electrode layer adjacent to the intermediate layer is a perovskite oxide that is a Ce-rare earth element-based composite oxide and a first oxygen electrode layer forming material. And the ratio B / A between the porosity B of the second oxygen electrode layer and the porosity A of the first oxygen electrode layer is lower than 0.5, so that the solid electrolyte layer It is possible to enhance the adhesion between the oxygen electrode layer and the oxygen electrode layer, to reduce the contact resistance between the two layers, to prevent peeling of these layers during production, and to increase the production yield. Moreover, according to such a layer structure, the oxygen electrode layer, the intermediate layer, and the solid electrolyte layer have different crystal structures, so that element diffusion is unlikely to occur, and as a result, power generation was performed for a long time. In this case, deterioration of the ionic conductivity of the solid electrolyte layer can be prevented, and a decrease in the performance of the fuel cell can be effectively avoided.

本発明においては、前記中間層を構成する複合酸化物(Ce−希土類元素系複合酸化物)は、下記式:
(CeO1−x(LnO1.5
式中、Lnは、La、Sm、Yの少なくとも1種であり、
xは、0.1≦x≦0.3を満足する数である、
で表される組成を有していることが好ましい。かかる組成のCe−希土類元素系複合酸化物を使用することにより、中間層の熱膨張係数を、他のセル構成層である固体電解質層や酸素極層或いは燃料極層等との熱膨張係数に近似させることができ、熱膨張差によるクラックの発生や層剥離を有効に防止することができる。また、このようなCe−希土類元素系複合酸化物は、固体電解質と機能し、イオン導電性と電子伝導性とを有する混合導電体であるため、燃料電池セルの発電性能に悪影響を与えることはない。
In the present invention, the composite oxide (Ce-rare earth element composite oxide) constituting the intermediate layer has the following formula:
(CeO 2 ) 1-x (LnO 1.5 ) x
In the formula, Ln is at least one of La, Sm, and Y,
x is a number satisfying 0.1 ≦ x ≦ 0.3,
It is preferable to have the composition represented by these. By using the Ce-rare earth complex oxide having such a composition, the thermal expansion coefficient of the intermediate layer is changed to the thermal expansion coefficient of the solid electrolyte layer, the oxygen electrode layer, the fuel electrode layer, etc. which are other cell constituent layers. It can be approximated, and the occurrence of cracks and delamination due to the difference in thermal expansion can be effectively prevented. In addition, since such Ce-rare earth element-based composite oxide functions as a solid electrolyte and is a mixed conductor having ionic conductivity and electronic conductivity, it does not adversely affect the power generation performance of the fuel cell. Absent.

また、上記中間層の厚みが2乃至10μmであることが好ましい。中間層の厚みを必要以上に厚くすると、中間層自身が抵抗成分となってしまい、酸素極層と固体電解質層との界面の接触抵抗が若干高くなってしまう。従って、燃料電池セルの発電性能を十分に発揮させるためには、中間層の厚みを上記範囲内とすることが好適となる。 The intermediate layer preferably has a thickness of 2 to 10 μm . If the thickness of the intermediate layer is increased more than necessary, the intermediate layer itself becomes a resistance component, and the contact resistance at the interface between the oxygen electrode layer and the solid electrolyte layer is slightly increased. Therefore, in order to fully exhibit the power generation performance of the fuel cell, it is preferable that the thickness of the intermediate layer is within the above range.

さらに、前記固体電解質層がランタンガレート系ペロブスカイト型酸化物から形成されていることが好ましい。既に述べたように、かかるペロブスカイト型酸化物は、現在では最も優れた酸化物イオン伝導体であり、このような酸化物によって固体電解質層を形成することにより、例えば500〜700℃の低温で燃料電池セルを作動させ、高出力を得ることができる。   Furthermore, the solid electrolyte layer is preferably formed of a lanthanum gallate perovskite oxide. As already described, such a perovskite oxide is currently the most excellent oxide ion conductor, and by forming a solid electrolyte layer with such an oxide, fuel can be produced at a low temperature of, for example, 500 to 700 ° C. A battery cell can be operated and high output can be obtained.

また、本発明においては、前記燃料極層が導電性支持基板上に設けられており、前記燃料極層上に、前記固体電解質層、前記中間層及び前記酸素極層が設けられていることが、強度特性を確保する上で好適である。特に、上記のランタンガレート系ペロブスカイト型酸化物により形成された固体電解質層は低強度であるが、導電性支持基板を用い、この上にセル構成層を形成することにより、強度低下を有効に回避することができる。 In the present invention, the provided fuel electrode layer is provided on the conductive support substrate, the fuel electrode layer, the solid electrolyte layer, wherein that the intermediate layer and the oxygen electrode layer is provided It is suitable for securing strength characteristics. In particular, the solid electrolyte layer formed of the above lanthanum gallate-based perovskite oxide has low strength, but by using a conductive support substrate and forming a cell constituent layer thereon, strength reduction is effectively avoided. can do.

さらには、上述した2層構造の酸素極層においては、前記第2の酸素極層の気孔率Bと前記第1の酸素極層の気孔率Aとの気孔率比B/A、0.5よりも低くし、その上さらに、前記第2の酸素極層の厚みCが前記第1の酸素極層の厚みDよりも薄く、且つ前記第1の酸素極層の厚みD35〜85μmとすることが、発電のために使用される空気等の酸素含有ガスを電気化学的反応場に効率よく供給し、セル抵抗を増大させず、しかも中間層と酸素極層との接合強度を高め、長期間にわたって高い発電性能を確保することができる。 Furthermore, in the oxygen electrode layer having the two-layer structure described above, the porosity ratio B / A between the porosity B of the second oxygen electrode layer and the porosity A of the first oxygen electrode layer is set to 0. Further , the thickness C of the second oxygen electrode layer is smaller than the thickness D of the first oxygen electrode layer, and the thickness D of the first oxygen electrode layer is 35 to 85 μm. To efficiently supply oxygen-containing gas such as air used for power generation to the electrochemical reaction field, without increasing the cell resistance and increasing the bonding strength between the intermediate layer and the oxygen electrode layer. High power generation performance can be ensured over a long period of time.

以下、添付図面に示す具体例に基づいて、本発明を説明する。
図1は、本発明の燃料電池セルの代表的な構造を示す図であり、図1中(a)は、横断面図であり、(b)は部分斜視図である。
図2は、本発明の燃料電池セルの他の例の構造を示す図であり、図2中(a)は、横断面図であり、(b)は部分斜視図である。
図3は、本発明の燃料電池セルにおける発電部分の層構造を示す概略横断面図である。
Hereinafter, the present invention will be described based on specific examples shown in the accompanying drawings.
1A and 1B are diagrams showing a typical structure of a fuel battery cell according to the present invention. FIG. 1A is a cross-sectional view, and FIG. 1B is a partial perspective view.
2A and 2B are diagrams showing the structure of another example of the fuel battery cell of the present invention. FIG. 2A is a cross-sectional view, and FIG. 2B is a partial perspective view.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the layer structure of the power generation portion in the fuel battery cell of the present invention.

本発明の燃料電池セル(以下、“セル”と略す場合がある)の代表的な構造を示す図1において、全体として30で示す燃料電池セルは、中空平板型で棒板形状であり、断面が扁平状で、全体的に見て楕円柱状の導電性支持基板31を備えている。支持基板31の内部には、適当な間隔で複数の燃料ガス通路31aが長さ方向に貫通して形成されており、燃料電池セル30は、この支持基板31上に各種のセル構成部材が設けられた構造を有している。 In FIG. 1 showing a typical structure of a fuel battery cell of the present invention (hereinafter sometimes abbreviated as “cell”) , the fuel battery cell indicated by 30 as a whole is a hollow flat plate and has a rod plate shape and a cross section. Is provided with a conductive support substrate 31 which is flat and has an elliptical columnar shape as a whole. Inside the support substrate 31, a plurality of fuel gas passages 31 a are formed penetrating in the length direction at appropriate intervals. The fuel cell 30 is provided with various cell constituent members on the support substrate 31. Has the structure.

図1の例において、支持基板31は、平坦部と平坦部の両端の弧状部とからなっている。平坦部の両面は互いにほぼ平行に形成されており、平坦部の一方の面と両側の弧状部を覆うように燃料極層32が設けられており、さらに、この燃料極層32を覆うように、緻密質な固体電解質層33が積層されており、この固体電解質層33の上には、燃料極層32と対面するように、平坦部の一方の表面に、中間層34を介して酸素極35が積層されている。また、燃料極層32及び固体電解質層33が積層されていない平坦部の他方の表面には、インターコネクタ37が形成されている。図1から明らかな通り、燃料極層32及び固体電解質層33は、インターコネクタ37の両サイドにまで延びており、支持基板31の表面が外部に露出しないように構成されている。   In the example of FIG. 1, the support substrate 31 includes a flat portion and arc-shaped portions at both ends of the flat portion. Both surfaces of the flat portion are formed substantially parallel to each other, and the fuel electrode layer 32 is provided so as to cover one surface of the flat portion and the arc-shaped portions on both sides, and further, this fuel electrode layer 32 is covered. A dense solid electrolyte layer 33 is laminated, and an oxygen electrode is disposed on one surface of the flat portion on the solid electrolyte layer 33 so as to face the fuel electrode layer 32 via an intermediate layer 34. 35 are laminated. An interconnector 37 is formed on the other surface of the flat portion where the fuel electrode layer 32 and the solid electrolyte layer 33 are not stacked. As is clear from FIG. 1, the fuel electrode layer 32 and the solid electrolyte layer 33 extend to both sides of the interconnector 37 and are configured so that the surface of the support substrate 31 is not exposed to the outside.

上記のような構造の燃料電池セルでは、燃料極層32の酸素極層35と対面している部分が燃料極として作動して発電する。即ち、酸素極層35の外側に空気等の酸素含有ガスを流し、且つ支持基板31内のガス通路31aに燃料ガス(水素)を流し、所定の作動温度まで加熱することにより、酸素極層35で下記式(1)の電極反応を生じ、また燃料極層32の燃料極となる部分では例えば下記式(2)の電極反応を生じることによって発電し、かかる発電によって生成した電流は、インターコネクタ37を介して集電される。
酸素極層: 1/2O+2e → O2−(固体電解質) (1)
燃料極層: O2−(固体電解質)+ H → HO+2e・・・ (2)
In the fuel cell having the above structure, the portion of the fuel electrode layer 32 facing the oxygen electrode layer 35 operates as a fuel electrode to generate electric power. That is, an oxygen-containing gas such as air is allowed to flow outside the oxygen electrode layer 35, and a fuel gas (hydrogen) is supplied to the gas passage 31 a in the support substrate 31, and the oxygen electrode layer 35 is heated to a predetermined operating temperature. Then, an electrode reaction of the following formula (1) is generated, and in the portion that becomes the fuel electrode of the fuel electrode layer 32, for example, an electrode reaction of the following formula (2) is generated. Current is collected via 37.
Oxygen electrode layer: 1 / 2O 2 + 2e → O 2− (solid electrolyte) (1)
Fuel electrode layer: O 2− (solid electrolyte) + H 2 → H 2 O + 2e (2)

即ち、上記のような構造の燃料電池セル30の複数を、集電部材40により互いに直列に接続することによりセルスタックを形成し、このセルスタックを所定の収容容器に収容して、燃料ガス(水素)及び酸素含有ガスを所定の部位に流すことにより、燃料電池として機能させることができる。   That is, a plurality of fuel cells 30 having the above-described structure are connected in series by a current collecting member 40 to form a cell stack, and the cell stack is accommodated in a predetermined container, and a fuel gas ( Hydrogen) and oxygen-containing gas can be allowed to function as a fuel cell by flowing them through a predetermined portion.

(支持基板31)
支持基板31は、燃料ガスを燃料極まで透過させるためにガス透過性であること、及びインターコネクタ37を介しての集電を行うために導電性であることが要求される。このことから、支持基板31は、例えば鉄属等の金属成分と特定の希土類酸化物とから支持基板31を構成することが望ましい。
(Support substrate 31)
The support substrate 31 is required to be gas permeable in order to allow fuel gas to permeate to the fuel electrode, and to be conductive in order to collect current via the interconnector 37. For this reason, it is desirable that the support substrate 31 is composed of a metal component such as an iron group and a specific rare earth oxide.

鉄族金属には、鉄、ニッケル及びコバルトがあり、本発明では、何れをも使用することができるが、安価であること及び燃料ガス中で安定であることからNi及び/またはNiOを鉄族成分として用いることが好ましい。   The iron group metals include iron, nickel, and cobalt. In the present invention, any of them can be used, but Ni and / or NiO is changed to iron group because it is inexpensive and stable in fuel gas. It is preferable to use it as a component.

また希土類酸化物成分は、支持基板31の熱膨張係数を、固体電解質層33と近似させるために使用されるものであり、高い導電率を維持し且つ固体電解質層33等への拡散を防止するために、Y,Lu,Yb,Tm,Er,Ho,Dy,Gd,Sm,Prからなる群より選ばれた少なくとも1種の希土類元素を含む酸化物が、上記鉄族成分と組合せで使用される。このような希土類酸化物の具体例としては、Y、Lu、Yb、Tm、Er、Ho、Dy、Gd、Sm、Prを例示することができ、特に安価であるという点で、Y、Ybが好適である。 The rare earth oxide component is used to approximate the thermal expansion coefficient of the support substrate 31 to that of the solid electrolyte layer 33, and maintains high conductivity and prevents diffusion into the solid electrolyte layer 33 and the like. Therefore, an oxide containing at least one rare earth element selected from the group consisting of Y, Lu, Yb, Tm, Er, Ho, Dy, Gd, Sm, and Pr is used in combination with the iron group component. The Specific examples of such rare earth oxides include Y 2 O 3 , Lu 2 O 3 , Yb 2 O 3 , Tm 2 O 3 , Er 2 O 3 , Ho 2 O 3 , Dy 2 O 3 , Gd 2 O. 3 , Sm 2 O 3 and Pr 2 O 3 can be exemplified, and Y 2 O 3 and Yb 2 O 3 are preferable in that they are particularly inexpensive.

尚、支持基板31を構成する鉄族金属成分と希土類酸化物成分とは、良好な導電率を維持し且つ適度な熱膨張係数を有するために、一般に、鉄族金属成分:希土類酸化物成分=35:65乃至65:35の体積比で存在することが好適である。   Note that the iron group metal component and the rare earth oxide component constituting the support substrate 31 generally maintain an excellent electrical conductivity and have an appropriate thermal expansion coefficient. It is preferably present in a volume ratio of 35:65 to 65:35.

また、支持基板31の平坦部の長さは、通常、15〜35mm、支持基板31の厚みは2.5〜5mm程度であることが望ましい。これにより、セル構成成分の実抵抗値を低くできるからである。   The length of the flat portion of the support substrate 31 is usually 15 to 35 mm, and the thickness of the support substrate 31 is preferably about 2.5 to 5 mm. This is because the actual resistance value of the cell component can be lowered.

本発明において、上記のような支持基板31を用い、この支持基板31に各種のセル構成部材を設けることにより、セルの機械的強度を高めることができる。   In the present invention, the mechanical strength of the cell can be increased by using the support substrate 31 as described above and providing the support substrate 31 with various cell constituent members.

(燃料極層32)
燃料極層32は、前述した式(2)の電極反応を生じせしめるものであり、それ自体公知の多孔質の導電性セラミックスから形成される。例えば、希土類元素が固溶しているセリア(CeO)と、Ni及び/またはNiOとから形成される。
(Fuel electrode layer 32)
The fuel electrode layer 32 causes the electrode reaction of the above-described formula (2), and is formed of a known porous conductive ceramic. For example, it is formed from ceria (CeO 2 ) in which a rare earth element is dissolved, and Ni and / or NiO.

燃料極層32中の希土類元素が固溶しているセリア含量は、35乃至65体積%の範囲にあるのが好ましく、またNi或いはNiO含量は、65乃至35体積%であるのがよい。さらに、この燃料極層32の開気孔率は、15%以上、特に20乃至40%の範囲にあるのがよく、その厚みは、5〜30μmであることが望ましい。例えば、燃料極32の厚みがあまり薄いと、性能が低下するおそれがあり、またあまり厚いと、固体電解質層33と燃料極層32との間で熱膨張差による剥離等を生じるおそれがある。   The ceria content of the rare earth element in the fuel electrode layer 32 in a solid solution is preferably in the range of 35 to 65% by volume, and the Ni or NiO content is preferably 65 to 35% by volume. Further, the open porosity of the fuel electrode layer 32 is preferably 15% or more, particularly in the range of 20 to 40%, and the thickness is preferably 5 to 30 μm. For example, if the thickness of the fuel electrode 32 is too thin, the performance may be deteriorated, and if it is too thick, there is a possibility that separation due to a difference in thermal expansion occurs between the solid electrolyte layer 33 and the fuel electrode layer 32.

(固体電解質層33)
支持基板31上に設けられている固体電解質層33は、それ自体公知であり、例えば各種のペロブスカイト型酸化物から形成されるが、特にランタンガレート系酸化物が好適に使用される。このランタンガレート系酸化物は、ABO型のペロブスカイト型酸化物であり、AサイトにLaを有し、BサイトにGaを有している。特に、下記式:
(La,Sr)(Ga,Mg)O
で表されるように、Laの一部(特に10〜20原子%)がSrで置換され、さらにGaの一部(特に10〜20原子%)がMgで置換されたランタンガレートは、優れた酸化物イオン伝導体であり、このような酸化物によって固体電解質層33を形成することにより、例えば500〜700℃の低温で燃料電池セルを作動させ、高出力を得ることができる。また、上記のランタンガレートは、Ga位置にさらにCo、Fe、Ni、Cu等を1〜20原子%置換することにより、さらにイオン伝導度を高めることができる。
(Solid electrolyte layer 33)
The solid electrolyte layer 33 provided on the support substrate 31 is known per se, and is formed of, for example, various perovskite oxides. In particular, a lanthanum gallate oxide is preferably used. This lanthanum gallate oxide is an ABO 3 type perovskite oxide, which has La at the A site and Ga at the B site. In particular, the following formula:
(La, Sr) (Ga, Mg) O 3
The lanthanum gallate in which a part of La (particularly 10 to 20 atomic%) is substituted with Sr and a part of Ga (particularly 10 to 20 atomic%) is further substituted with Mg as shown in FIG. By forming the solid electrolyte layer 33 using such an oxide ion conductor, the fuel cell can be operated at a low temperature of, for example, 500 to 700 ° C., and high output can be obtained. Moreover, said lanthanum gallate can further raise ionic conductivity by substituting 1-20 atomic% of Co, Fe, Ni, Cu etc. in Ga position.

さらに、上記の固体電解質層33には、上記のペロブスカイト型酸化物以外に、Al、MgO、Si、SiC等の微粉末フィラーが、例えば2質量%以下の量で含有されていてもよく、このような微粉末フィラーにより、固体電解質層33の強度を高めることもできる。 Further, the solid electrolyte layer 33 contains, in addition to the perovskite oxide, fine powder fillers such as Al 2 O 3 , MgO, Si 3 N 4 , and SiC in an amount of 2% by mass or less, for example. The strength of the solid electrolyte layer 33 can be increased by such a fine powder filler.

また、この固体電解質層33は、ガス透過を防止するという点から、相対密度(アルキメデス法による)が93%以上、特に95%以上の緻密質であることが望ましく、且つその厚みが10〜50μmであることが望ましい。   The solid electrolyte layer 33 is desirably dense with a relative density (according to Archimedes method) of 93% or more, particularly 95% or more in terms of preventing gas permeation, and a thickness of 10 to 50 μm. It is desirable that

(中間層34)
本発明において、固体電解質層33と酸素極層35との間に設けられる中間層34は、CeOとLn(Lnは希土類元素)からなるCe−希土類元素系複合酸化物により形成される。即ち、このCe−希土類元素系複合酸化物は、固体電解質として機能し、イオン導電性と電子伝導性とを有する混合導電体であるため、燃料電池セル30の発電性能に悪影響を与えることがないばかりか、固体電解質層33や後述する酸素極層35のようにペロブスカイト型酸化物を含有せず、各層の結晶構造が異なるため、元素拡散が起こりにくく、その結果として、長時間に亘って発電を行った場合の固体電解質層のイオン伝導性の劣化を防止することができ、燃料電池セルの性能低下を有効に回避することができる。
(Intermediate layer 34)
In the present invention, the intermediate layer 34 provided between the solid electrolyte layer 33 and the oxygen electrode layer 35 is formed of a Ce-rare earth complex oxide composed of CeO 2 and Ln 2 O 3 (Ln is a rare earth element). The That is, the Ce- rare earth element-based composite oxide, as a solid electrolyte to function, because it is mixed conductor having an ion conductivity and electron conductivity, can adversely affect the power generation performance of the fuel cell 30 In addition, there is no perovskite oxide as in the case of the solid electrolyte layer 33 and the oxygen electrode layer 35 to be described later, and the crystal structure of each layer is different, so that element diffusion hardly occurs, and as a result, over a long period of time. Therefore, it is possible to prevent deterioration of the ionic conductivity of the solid electrolyte layer when power generation is performed, and to effectively avoid a decrease in performance of the fuel cell.

また、このようなCe−希土類元素系複合酸化物としては、下記式(3):
(CeO1−x(LnO1.5 (3)
式中、Lnは、La、Sm、Yの少なくとも1種であり、
xは、0.1≦x≦0.3を満足する数である、
で表される組成を有していることが好ましい。即ち、希土類元素LnがLa、Sm或いはYであり、且つ上記組成を有するものにより中間層34を形成した場合には、中間層34の熱膨脹係数を他のセル構成部材熱膨張係数に近づけることができため、熱膨張差に起因するクラックの発生や剥離を抑制することができる。
Further, as such a Ce-rare earth element-based composite oxide, the following formula (3):
(CeO 2 ) 1-x (LnO 1.5 ) x (3)
In the formula, Ln is at least one of La, Sm, and Y,
x is a number satisfying 0.1 ≦ x ≦ 0.3,
It is preferable to have the composition represented by these. That is, the rare earth element Ln is La, a Sm or Y, when forming the intermediate layer 34 by and those having the above composition, bringing the thermal expansion coefficient of the intermediate layer 34 in the thermal expansion coefficient of the other cell components Therefore, generation of cracks and peeling due to a difference in thermal expansion can be suppressed.

本発明においては、中間層34の厚みが2乃至10μm、特に2乃至7μmの範囲にあることが好ましい。中間層34の厚みを必要以上に厚くすると、中間層34自身が抵抗成分となってしまい、酸素極層35と固体電解質層34との界面の接触抵抗が若干高くなるおそれがあり、また、あまり薄いと、中間層34の元素拡散防止機能が十分に発現せず、長時間に亘って発電を行った場合の固体電解質層33のイオン伝導性が劣化するおそれがあるからである。 In the present invention, the thickness of the intermediate layer 34 is preferably in the range of 2 to 10 μm , particularly 2 to 7 μm. If the thickness of the intermediate layer 34 is increased more than necessary, the intermediate layer 34 itself becomes a resistance component, and the contact resistance at the interface between the oxygen electrode layer 35 and the solid electrolyte layer 34 may be slightly increased. If it is thin, the element diffusion preventing function of the intermediate layer 34 is not sufficiently exhibited, and the ionic conductivity of the solid electrolyte layer 33 may be deteriorated when power is generated for a long time.

(酸素極層35)
酸素極層35は、通常、ABO型のペロブスカイト型酸化物から形成されるが、特に本発明においては、この酸素極層35を第1の酸素極層35aと第2の酸素極層35bとの2層構造とすることが重要である。即ち、この第1の酸素極層35aは、中間層34上に設けられている第2の酸素極層35b上に形成され、この第1の酸素極層35aを、ABO型のペロブスカイト型酸化物から形成し、中間層34に設けられている第2の酸素極層35bを、上記のペロブスカイト型酸化物と中間層34を形成しているCe−希土類元素系複合酸化物とから形成することが重要である。即ち、このような2層構造とすることにより、第2の酸素極層35bが第1の酸素極層35aと中間層34との接着剤層的な役割を果たし、両層の密着強度を高め、これら層の剥離を有効に防止することができ、長期にわたって安定した発電性能を確保することができる。しかも、第2の酸素極層35b中のCe−希土類元素系複合酸化物は、イオン導電性と電子伝導性を有する混合導電体であるため、ペロブスカイト型酸化物と混合されることで所謂3相界面を形成し、酸素極層35中に電子の反応場である3層界面が増加することとなり、燃料電池セル10の出力を高めることができる。従って、第2の酸素極層35b中のCe−希土類元素系複合酸化物としては、中間層34と同様、前記式(3)で表される組成を有するものが好適である。
(Oxygen electrode layer 35)
The oxygen electrode layer 35 is usually formed of an ABO 3 type perovskite oxide. In particular, in the present invention, the oxygen electrode layer 35 is divided into the first oxygen electrode layer 35a and the second oxygen electrode layer 35b. It is important to have a two-layer structure. That is, the first oxygen electrode layer 35 a is formed on the second oxygen electrode layer 35 b provided on the intermediate layer 34, and the first oxygen electrode layer 35 a is converted into an ABO 3 type perovskite oxide. The second oxygen electrode layer 35b provided in the intermediate layer 34 is formed from the perovskite oxide and the Ce-rare earth element composite oxide forming the intermediate layer 34. is important. That is, by adopting such a two-layer structure, the second oxygen electrode layer 35b serves as an adhesive layer between the first oxygen electrode layer 35a and the intermediate layer 34, and the adhesion strength between both layers is increased. Further, peeling of these layers can be effectively prevented, and stable power generation performance can be ensured over a long period of time. Moreover, since the Ce-rare earth element-based composite oxide in the second oxygen electrode layer 35b is a mixed conductor having ionic conductivity and electron conductivity, it is mixed with a perovskite oxide so-called three-phase. An interface is formed, and the three-layer interface, which is an electron reaction field, is increased in the oxygen electrode layer 35, so that the output of the fuel cell 10 can be increased. Therefore, as the Ce-rare earth element-based composite oxide in the second oxygen electrode layer 35b, the one having the composition represented by the above formula (3) is preferable as in the intermediate layer 34.

また、第1の酸素極層35a或いは第2の酸素極層35bにおけるペロブスカイト型酸化物としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物、特にAサイトにLaを有するLa系ペロブスカイト型酸化物(例えばLaMnO系酸化物、LaFeO系酸化物、LaCoO系酸化物)が好適であり、600〜1000℃程度の作動温度での電気伝導性が高いという点から、LaFeO系酸化物が特に好適である。尚、上記ペロブスカイト型酸化物においては、AサイトにLaと共にSrなどが存在していてもよいし、さらにBサイトには、FeとともにCoやMnが存在していてもよい。さらに、第2の酸素極層35bにおけるCe−希土類元素系複合酸化物と上記ペロブスカイト型酸化物との量比は、重量基準で、Ce−希土類元素系複合酸化物:ペロブスカイト型酸化物=1:9乃至3:7の範囲であることが好ましい。 The perovskite oxide in the first oxygen electrode layer 35a or the second oxygen electrode layer 35b is a transition metal perovskite oxide, particularly a La-based perovskite oxide having La at the A site (for example, LaMnO 3 system). Oxides, LaFeO 3 -based oxides, LaCoO 3 -based oxides) are preferable, and LaFeO 3 -based oxides are particularly preferable because of their high electrical conductivity at an operating temperature of about 600 to 1000 ° C. In the perovskite oxide, Sr and the like may exist together with La at the A site, and Co and Mn may exist together with Fe at the B site. Further, the quantity ratio of the Ce-rare earth element-based composite oxide to the perovskite oxide in the second oxygen electrode layer 35b is Ce-rare earth element-based oxide: perovskite oxide = 1 on a weight basis. A range of 9 to 3: 7 is preferred.

また、このような2層構造の酸素極層35は、ガス透過性を有していなければならず、従って、その開気孔率が20%以上、特に30乃至50%の範囲にあることが望ましい。   Further, the oxygen electrode layer 35 having such a two-layer structure must have gas permeability, and therefore, its open porosity is desirably 20% or more, particularly 30 to 50%. .

さらに、本発明においては、第2の酸素極層35bの気孔率Bと第1の酸素極層35aの気孔率Aとの比B/Aが、0.5よりも小さいことが好ましく、特には、0.01<B/A<0.3の範囲にあることが好適である。即ち、第2の酸素極層35bを第1の酸素極層35aに比して緻密に形成することにより、酸素極層35の外側に供給される酸素を電気化学的反応場に供給しやすくなり、セルの抵抗成分を低下させることができる。   Furthermore, in the present invention, the ratio B / A between the porosity B of the second oxygen electrode layer 35b and the porosity A of the first oxygen electrode layer 35a is preferably smaller than 0.5, in particular , 0.01 <B / A <0.3. That is, by forming the second oxygen electrode layer 35b denser than the first oxygen electrode layer 35a, oxygen supplied to the outside of the oxygen electrode layer 35 can be easily supplied to the electrochemical reaction field. The resistance component of the cell can be reduced.

また、第2の酸素極層35bの厚みCが第1の酸素極層35aの厚みDよりも薄いことが好ましく、特に第2の酸素極層35bの厚みCが、3〜30μmであることが最も好適である。第2の酸素極層35bの厚みCが第1の酸素極層35aの厚みDよりも厚いと、機械的接合強度が弱くなり、中間層34と酸素極層35との間で剥離が生じ易くなり、しかもセルの抵抗が高くなって、発電特性が低下するおそれがある。さらに、十分な発電機能を確保し、長期にわたって高い発電性能を維持するためには、特に第1の酸素極層の厚みDが35〜85μm、特に40〜60μmの範囲にあることが好ましい。   The thickness C of the second oxygen electrode layer 35b is preferably thinner than the thickness D of the first oxygen electrode layer 35a, and in particular, the thickness C of the second oxygen electrode layer 35b is 3 to 30 μm. Most preferred. If the thickness C of the second oxygen electrode layer 35b is thicker than the thickness D of the first oxygen electrode layer 35a, the mechanical bonding strength becomes weak, and peeling between the intermediate layer 34 and the oxygen electrode layer 35 is likely to occur. In addition, the resistance of the cell is increased, and the power generation characteristics may be deteriorated. Furthermore, in order to ensure a sufficient power generation function and maintain high power generation performance over a long period of time, the thickness D of the first oxygen electrode layer is particularly preferably in the range of 35 to 85 μm, particularly 40 to 60 μm.

(接合層36)
本発明においては、インターコネクタ37を支持基板31に接合するために、接合層36を設けることができる。かかる接合層36は、Ni金属及び/又はNi金属の酸化物と希土類で安定化したジルコニアからなり、接合層36中の安定化ジルコニア含量は、35乃至45体積%の範囲にあるのが好ましく、またNi或いはNiO含量は、65乃至55体積%であるのがよい。即ち、燃料極層32のNi含有量より接合層36中のNi含有量の方を大きくすることで、接合層36による電位降下を小さくすることができるため、発電性能の低下を回避することができる。
(Junction layer 36)
In the present invention, a bonding layer 36 can be provided to bond the interconnector 37 to the support substrate 31. The bonding layer 36 is made of Ni metal and / or an oxide of Ni metal and zirconia stabilized with rare earth, and the stabilized zirconia content in the bonding layer 36 is preferably in the range of 35 to 45% by volume, The Ni or NiO content is preferably 65 to 55% by volume. That is, by making the Ni content in the bonding layer 36 larger than the Ni content in the fuel electrode layer 32, the potential drop due to the bonding layer 36 can be reduced, so that a decrease in power generation performance can be avoided. it can.

このような接合層36の厚みは、インターコネクタ37でのクラック発生、或いはインターコネクタ37の支持基板31からの剥離を抑えるために、10μm以下であることが望ましく、特に7μm以下であることが好適である。   The thickness of the bonding layer 36 is preferably 10 μm or less, particularly preferably 7 μm or less, in order to suppress the occurrence of cracks in the interconnector 37 or the peeling of the interconnector 37 from the support substrate 31. It is.

(インターコネクタ37)
上記の酸素極層32に対面するように、支持基板31上に設けられているインターコネクタ37は、導電性セラミックスからなるが、燃料ガス(水素)及び酸素含有ガスと接触するため、耐還元性、耐酸化性を有していることが必要である。このため、かかる導電性セラミックスとしては、一般に、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物(LaCrO系酸化物)が使用される。また、支持基板31の内部を通る燃料ガス及び支持基板31の外部を通る酸素含有ガスのリークを防止するため、かかる導電性セラミックスは緻密質でなければならず、例えば93%以上、特に95%以上の相対密度を有していることが好適である。
(Interconnector 37)
The interconnector 37 provided on the support substrate 31 so as to face the oxygen electrode layer 32 is made of conductive ceramics, but is in contact with the fuel gas (hydrogen) and the oxygen-containing gas. It is necessary to have oxidation resistance. For this reason, lanthanum chromite perovskite oxides (LaCrO 3 oxides) are generally used as the conductive ceramics. Further, in order to prevent leakage of the fuel gas passing through the inside of the support substrate 31 and the oxygen-containing gas passing through the outside of the support substrate 31, such conductive ceramics must be dense, for example, 93% or more, particularly 95%. It is preferable to have the above relative density.

かかるインターコネクタ37は、ガスのリーク防止と電気抵抗という点から、100〜500μmの厚みを有していることが望ましい。即ち、この範囲よりも厚みが薄いと、ガスのリークを生じやすく、またこの範囲よりも厚みが大きいと、電気抵抗が大きく、電位降下により集電機能が低下してしまうおそれがあるからである。   The interconnector 37 preferably has a thickness of 100 to 500 μm from the viewpoint of preventing gas leakage and electrical resistance. That is, if the thickness is smaller than this range, gas leakage is likely to occur, and if the thickness is larger than this range, the electric resistance is large, and the current collecting function may be reduced due to a potential drop. .

(P型半導体層38)
また、図1に示されているように、インターコネクタ37の外面(上面)には、P型半導体層38を設けることが好ましい。即ち、この燃料電池セルから組み立てられるセルスタック(図示せず)では、インターコネクタ37には、導電性の集電部材が接続される。この集電部材を、P型半導体層38を介してインターコネクタ37に接続させることにより、接触抵抗による電位降下を少なくし、集電性能の低下を有効に回避することが可能となり、例えば、一方の燃料電池セル30の酸素極層35からの電流を、他方の燃料電池セル30の支持基板31に効率良く伝達できる。このようなP型半導体としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物を例示することができる。具体的には、インターコネクタ37を構成するLaCrO系酸化物よりも電子伝導性が大きいもの、例えば、BサイトにMn、Fe、Coなどが存在するLaMnO系酸化物、LaFeO系酸化物、LaCoO系酸化物などの少なくとも一種からなるP型半導体セラミックスを使用することができ、特に酸素極層35の形成に使用されている材料から形成することが望ましい。
(P-type semiconductor layer 38)
Further, as shown in FIG. 1, a P-type semiconductor layer 38 is preferably provided on the outer surface (upper surface) of the interconnector 37. That is, in a cell stack (not shown) assembled from the fuel cells, a conductive current collecting member is connected to the interconnector 37. By connecting this current collecting member to the interconnector 37 via the P-type semiconductor layer 38, it is possible to reduce a potential drop due to contact resistance and effectively avoid a decrease in current collecting performance. The current from the oxygen electrode layer 35 of the fuel cell 30 can be efficiently transmitted to the support substrate 31 of the other fuel cell 30. As such a P-type semiconductor, a transition metal perovskite oxide can be exemplified. Specifically, those having higher electron conductivity than LaCrO 3 oxides constituting the interconnector 37, for example, LaMnO 3 oxides and LaFeO 3 oxides in which Mn, Fe, Co, etc. are present at the B site P-type semiconductor ceramics made of at least one of LaCoO 3 -based oxides can be used, and it is particularly preferable that the P-type semiconductor ceramic be made of a material used for forming the oxygen electrode layer 35.

このようなP型半導体層38の厚みは、一般に、30乃至100μmの範囲にあることが好ましい。また、P型半導体層38は、開気孔率が20%以上、特に30〜50%の範囲にあることが望ましい。   In general, the thickness of the P-type semiconductor layer 38 is preferably in the range of 30 to 100 μm. The P-type semiconductor layer 38 preferably has an open porosity of 20% or more, particularly 30 to 50%.

(反応防止層39)
本発明においては、燃料極層32と固体電解質層33との相互元素拡散による界面抵抗層の形成を回避するために、燃料極層32上に反応防止層39を設けることが好ましい。この反応防止層39は、Laが固溶したCeO、又はCeが固溶したLa、あるいはそれらの混合体から形成される。このような複合酸化物は、一般に、下記式(4):
(CeO1−y(LaO1.5 (4)
式中、yは、0.3<y≦0.6を満足する数である、
であらわされる組成を有していることが、燃料極層32から固体電解質層33へのNiの拡散を遮断または抑制する効果を高くできるという点で好ましい。特に式(4)中のyの値が0.35≦y≦0.45の範囲にあるものは、反応防止層39の熱膨脹係数を他のセル構成部材の値に近づけることができ、熱膨張差に起因するクラックの発生や剥離を抑制することができるという点で最も好適である。
(Reaction prevention layer 39)
In the present invention, in order to avoid formation of an interface resistance layer due to mutual element diffusion between the fuel electrode layer 32 and the solid electrolyte layer 33, it is preferable to provide a reaction preventing layer 39 on the fuel electrode layer 32. The reaction preventing layer 39 is made of CeO 2 in which La is dissolved, La 2 O 3 in which Ce is dissolved, or a mixture thereof. Such a complex oxide is generally represented by the following formula (4):
(CeO 2 ) 1-y (LaO 1.5 ) y (4)
In the formula, y is a number satisfying 0.3 <y ≦ 0.6.
It is preferable that it has a composition represented by the following formula in that the effect of blocking or suppressing the diffusion of Ni from the fuel electrode layer 32 to the solid electrolyte layer 33 can be enhanced. In particular, when the value of y in the formula (4) is in the range of 0.35 ≦ y ≦ 0.45, the thermal expansion coefficient of the reaction preventing layer 39 can be brought close to the values of other cell constituent members, and the thermal expansion It is most preferable in that the generation of cracks and peeling due to the difference can be suppressed.

また、この反応防止層39中には、元素拡散を遮断または抑制する効果を高くするために、La以外の他の希土類元素、例えばSc,Y,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu等の酸化物を含有していてもよい。   In addition, in the reaction preventing layer 39, in order to increase the effect of blocking or suppressing element diffusion, other rare earth elements other than La, such as Sc, Y, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, It may contain oxides such as Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu.

また、反応防止層39を構成する上記の複合酸化物は、イオン導電性と電子伝導性を有する混合導電体であるが、固体電解質層33と比較して導電性は低い。しかし、反応防止層39の厚みを1〜20μm程度とすることにより、所望の元素拡散防止効果を維持しつつ、燃料電池セルの発電性能に殆ど影響を与えないようにすることができる。   In addition, the composite oxide constituting the reaction preventing layer 39 is a mixed conductor having ionic conductivity and electronic conductivity, but has a lower conductivity than the solid electrolyte layer 33. However, by setting the thickness of the reaction preventing layer 39 to about 1 to 20 μm, it is possible to maintain the desired element diffusion preventing effect and hardly affect the power generation performance of the fuel cell.

(集電補助層40)
また、本発明においては、P型半導体層38の上面及び酸素極層35の上面には、集電補助層40を設けることが好ましい。即ち、この燃料電池セル30から組み立てられるセルスタック(図示せず)では、インターコネクタ37には、導電性の集電部材が接続されるが、集電部材をP型半導体層38に接続すると、接触抵抗が大きいため、電位降下が大きくなってしまい、集電性能が低下してしまう。しかるに、集電部材を、集電補助層40及びP型半導体層38を介してインターコネクタ37に接続させることにより、接触抵抗が小さくなり、電位降下を少なくし、集電性能の低下を有効に回避することが可能となり、例えば、一方の燃料電池セル30の酸素極層35からの電流を、他方の燃料電池セル30の支持基板31に効率良く伝達できる。このような集電補助層40としては、貴金属を例示することができ、特に酸素含有ガス雰囲気下で酸化され難く、高融点であるPt、Ag、Pd等により集電補助層40を形成することが好適である。このような集電補助層40の厚みは、一般に、10〜80μmの範囲にあることが好ましい。
(Current collection auxiliary layer 40)
In the present invention, it is preferable to provide the current collection auxiliary layer 40 on the upper surface of the P-type semiconductor layer 38 and the upper surface of the oxygen electrode layer 35. That is, in a cell stack (not shown) assembled from the fuel battery cell 30 , a conductive current collecting member is connected to the interconnector 37, but when the current collecting member is connected to the P-type semiconductor layer 38, Since the contact resistance is large, the potential drop becomes large, and the current collecting performance is deteriorated. However, by connecting the current collecting member to the interconnector 37 via the current collecting auxiliary layer 40 and the P-type semiconductor layer 38, the contact resistance is reduced, the potential drop is reduced, and the current collecting performance is effectively reduced. For example, the current from the oxygen electrode layer 35 of one fuel battery cell 30 can be efficiently transmitted to the support substrate 31 of the other fuel battery cell 30. As such a current collection auxiliary layer 40, a noble metal can be exemplified, and in particular, the current collection auxiliary layer 40 is formed of Pt, Ag, Pd, etc., which are not easily oxidized in an oxygen-containing gas atmosphere and have a high melting point. Is preferred. In general, the thickness of the current collection auxiliary layer 40 is preferably in the range of 10 to 80 μm.

上述した図1に示す構造の本発明の燃料電池セル30は、所謂楕円形の断面を有する形状を有しているが、本発明は、このような形状に限定されず、例えば図2に示すような円筒型燃料電池セルに本発明を適用することもできる。 Fuel cell 30 of the present invention having the structure shown in FIG. 1 described above, but has a shape having a Tokoro I楕 circular cross-section, the present invention is not limited to such a shape, for example, in FIG. 2 The present invention can also be applied to a cylindrical fuel cell as shown.

この図2の円筒型燃料電池セルにおいては、実質上円筒形状の導電性支持体31の外面に、一部の空間を残して、燃料極層32、反応防止層39、固体電解質層33、中間層34及び酸素極層35(第1の酸素極層35a,第2の酸素極層35b)が、この順に積層された構造となっており、これらが積層されていない空間部分に、接合層36を介して、集電機能を有するインターコネクタ37が設けられた構造となっている。また、外面の中間層34及び酸素極層35は、電気的リークを防止するために、インターコネクタ37とは非接触に形成されている。   In the cylindrical fuel cell shown in FIG. 2, the fuel electrode layer 32, the reaction preventing layer 39, the solid electrolyte layer 33, the middle, leaving a part of the space on the outer surface of the substantially cylindrical conductive support 31. The layer 34 and the oxygen electrode layer 35 (the first oxygen electrode layer 35a and the second oxygen electrode layer 35b) are stacked in this order, and the bonding layer 36 is formed in the space where these layers are not stacked. In this way, an interconnector 37 having a current collecting function is provided. Further, the outer intermediate layer 34 and the oxygen electrode layer 35 are formed in a non-contact manner with the interconnector 37 in order to prevent electrical leakage.

図2の燃料電池セルにおいて、セルの構成部分は、全て図1と同じ材料で形成されているが、円筒状の導電性支持基板31の内部空間が燃料ガスを流すガス流路となっており、酸素含有ガスはこのセルの外部(酸素極層35の外側)に流されるようになっている。セルスタックを形成する場合には、このセルを積み重ね、例えばインターコネクタ37上のP型半導体層38及び集電補助層40を介して、一のセルのインターコネクタ37が上方のセルの酸素極層35に接合された構造とすればよい。このような燃料電池セルにおいても、図1の燃料電池セル10と全く同様の効果を示す。   In the fuel cell shown in FIG. 2, all of the constituent parts of the cell are formed of the same material as in FIG. 1, but the internal space of the cylindrical conductive support substrate 31 is a gas flow path through which fuel gas flows. The oxygen-containing gas is allowed to flow outside the cell (outside the oxygen electrode layer 35). In the case of forming a cell stack, the cells are stacked. For example, the interconnector 37 of one cell is connected to the oxygen electrode layer of the upper cell via the P-type semiconductor layer 38 and the current collecting auxiliary layer 40 on the interconnector 37. What is necessary is just to make it the structure joined to 35. In such a fuel cell, the same effect as the fuel cell 10 of FIG. 1 is exhibited.

尚、図2の燃料電池セルにおいては、層構造を逆にすることもでき、例えば円筒状支持基板31の内側に、燃料極層32、固体電解質層33及び酸素極層35が形成された層構造とすることも可能である。この場合には、支持基板31の内部空間に酸素含有ガスが流され、外部に燃料ガスが流されることとなる。   In the fuel cell of FIG. 2, the layer structure can be reversed. For example, a layer in which the fuel electrode layer 32, the solid electrolyte layer 33, and the oxygen electrode layer 35 are formed inside the cylindrical support substrate 31. A structure is also possible. In this case, the oxygen-containing gas is caused to flow in the internal space of the support substrate 31 and the fuel gas is caused to flow outside.

即ち、本発明においては、図3の発電部の概略断面構造に示されているように、導電性支持基板31の一方の面に、燃料極層32及び固体電解質層33が形成され、さらに、その上に中間層33を介して2層の酸素極層35が形成されている限り、種々の構造を取ることができ、さらには、所定の強度が保持される限り、導電性支持基板31を設けず、例えば燃料極層32自体で、このような支持基板を形成することも可能である。   That is, in the present invention, as shown in the schematic cross-sectional structure of the power generation unit in FIG. 3, the fuel electrode layer 32 and the solid electrolyte layer 33 are formed on one surface of the conductive support substrate 31. As long as the two oxygen electrode layers 35 are formed thereon via the intermediate layer 33, various structures can be adopted. Furthermore, as long as a predetermined strength is maintained, the conductive support substrate 31 is formed. It is also possible to form such a support substrate with the fuel electrode layer 32 itself without providing it.

(燃料電池セルの製造)
以上のような構造を有する燃料電池セルは、以下のようにして製造される。
(Manufacture of fuel cells)
The fuel battery cell having the above structure is manufactured as follows.

先ず、所定の鉄族金属成分(例えばNiやNiO)の粉末と、希土類元素酸化物(例えばY)の粉末と、有機バインダーと、溶媒と、必要により市販の造孔剤とを混合して成形用スラリーを調製し、このスラリーを用いて、常法にしたがい、所定形状の支持基板用成形体を作製する。 First, a powder of a predetermined iron group metal component (for example, Ni or NiO), a powder of a rare earth element oxide (for example, Y 2 O 3 ), an organic binder, a solvent, and, if necessary, a commercially available pore former are mixed. Then, a molding slurry is prepared, and a support body molded body having a predetermined shape is produced using this slurry according to a conventional method.

また、所定の微細な粒径を有する希土類元素が固溶したCeO粉末と、Ni及び/又はNiO粉末とを所定量比で混合した混合粉末に、有機バインダーと、溶媒と、市販の分散剤とを加えてスラリーを調製し、このスラリーを用いて、スクリーン印刷等の方法で、上記の支持基板用成形体の所定位置に、塗布し、乾燥することにより、燃料極コーティング層を形成する。 Moreover, an organic binder, a solvent, and a commercially available dispersant are mixed into a mixed powder obtained by mixing CeO 2 powder in which a rare earth element having a predetermined fine particle size is dissolved and Ni and / or NiO powder in a predetermined amount ratio. And a slurry is prepared, and the slurry is applied to a predetermined position of the support substrate molded body by a method such as screen printing and dried to form a fuel electrode coating layer.

次に、Laが固溶したCeO粉末或いはCeが固溶したLa粉末などの複合酸化物粉末と、有機バインダー(アクリル樹脂)と、溶媒(トルエン)とを混合した反応防止層用ペーストを、スクリーン印刷等で、上記の燃料極コーティング層上に塗布し、乾燥させることにより、反応防止層用のコーティング層を形成することにより、支持基板用成形体の一方の面に、燃料極コーティング層及び反応防止層用コーティング層が積層された積層成形体を得る。 Next, for a reaction prevention layer in which a mixed oxide powder such as CeO 2 powder in which La is dissolved or La 2 O 3 powder in which Ce is dissolved, an organic binder (acrylic resin), and a solvent (toluene) are mixed. The paste is applied on the above fuel electrode coating layer by screen printing or the like, and dried to form a coating layer for the reaction preventing layer. A laminated molded body in which the coating layer and the coating layer for the reaction preventing layer are laminated is obtained.

さらに、ランタンガレート粉末等の固体電解質原料粉末に、トルエン等の溶媒、バインダー、市販の分散剤を加えて成形用スラリーを調製し、ドクターブレード等の方法により成形して、シート状の固体電解質成形体を作製する。この場合、固体電解質原料粉末は、ペチニ法等の液相法で作製されたものであることが、不純物量が少なく、合成率が非常に高いという点で好ましい。また、この固体電解質原料粉末の平均粒径は、0.5〜1.5μm、特に0.6〜1.2μmの範囲にあることが、より低温で焼結できるという点で好適である。即ち、このような微粒の原料粉末を用いて成形されたLSGM固体電解質成形体は、例えば、以下に述べる低温での焼成により、緻密な(例えば相対密度が98%以上)の固体電解質層33を形成することが可能となるため、焼成時における支持基板31や酸素極層35から固体電解質層33への元素の拡散を抑えるという点で極めて有利である。   Furthermore, a slurry for molding is prepared by adding a solvent such as toluene, a binder, and a commercially available dispersant to a solid electrolyte raw material powder such as lanthanum gallate powder, and molding is performed by a method such as a doctor blade to form a sheet-like solid electrolyte molding Create a body. In this case, it is preferable that the solid electrolyte raw material powder is produced by a liquid phase method such as a Petini method because the amount of impurities is small and the synthesis rate is very high. In addition, the average particle diameter of the solid electrolyte raw material powder is preferably in the range of 0.5 to 1.5 μm, particularly 0.6 to 1.2 μm, in that sintering can be performed at a lower temperature. That is, the LSGM solid electrolyte molded body formed using such a fine raw material powder has a dense (for example, a relative density of 98% or more) solid electrolyte layer 33 formed by firing at a low temperature described below, for example. Since it can be formed, it is extremely advantageous in that diffusion of elements from the support substrate 31 and the oxygen electrode layer 35 to the solid electrolyte layer 33 during firing is suppressed.

次いで、上記の固体電解質成形体を、先に得られた積層成形体の反応防止層用コーティング層上に積層し、乾燥させ、必要により600乃至1000℃程度の温度で仮焼する。   Next, the solid electrolyte molded body is laminated on the coating layer for the reaction prevention layer of the previously obtained laminated molded body, dried, and calcined at a temperature of about 600 to 1000 ° C. if necessary.

一方、前記式(3)で表される組成のCe−希土類元素系複合酸化物粉末などの中間層形成用原料粉末を、溶媒や、アクリルバインダーなどの有機バインダーと混合して中間層形成用スラリーを調製し、このスラリーをスクリーン印刷などにより、上記の積層成形体の固体電解質成形体上に塗布し、乾燥することにより、中間層用コーティング層を形成する。尚、上記の中間層形成用原料粉末は、必要により、解砕、仮焼及び再度の解砕などにより、粒子形状や粒度調整して使用することもできる。   On the other hand, the intermediate layer forming raw material powder such as Ce-rare earth element composite oxide powder having the composition represented by the formula (3) is mixed with a solvent or an organic binder such as an acrylic binder to form an intermediate layer forming slurry. The slurry is applied onto the solid electrolyte molded body of the above-mentioned laminated molded body by screen printing or the like and dried to form a coating layer for an intermediate layer. The intermediate layer forming raw material powder may be used after adjusting the particle shape and particle size by crushing, calcining, re-crushing, or the like, if necessary.

また、ランタンクロマイト酸化物などのインターコネクタ用原料粉末を、溶媒や有機バインダーと混合してスラリーを調製し、このスラリーを用いてドクターブレード法などによってシート状のインターコネクタ用成形体を作製する。このインターコネクタの一方の面には、Ni粉末や安定化ジルコニア粉末などを含む混合粉末を用いて調製されたスラリーを塗布し、接合層用コーティング層を形成しておく。また、インターコネクタの他面に、P型半導体層の原料粉末を含むスラリー乃至ペーストを塗布し乾燥してP型半導体層用コーティング層を形成しておく。   In addition, a raw material for an interconnector such as lanthanum chromite oxide is mixed with a solvent or an organic binder to prepare a slurry, and a sheet-like interconnector molded body is prepared by using the slurry by a doctor blade method or the like. On one surface of the interconnector, a slurry prepared using a mixed powder containing Ni powder, stabilized zirconia powder, and the like is applied to form a bonding layer coating layer. Also, a slurry or paste containing the raw material powder for the P-type semiconductor layer is applied to the other surface of the interconnector and dried to form a P-type semiconductor layer coating layer.

次いで、上記のインターコネクタ成形体を、上記の積層成形体の所定部位に、接合層用コーティング層が対面するようにして積層し、脱脂処理した後、酸素含有雰囲気中で、例えば1200乃至1450℃の温度で同時焼成を行い、P型半導体層/インターコネクタ/接合層/支持基板/燃料極層/反応防止層/固体電解質層/中間層からなる積層焼結体を作製する。(尚、P型半導体層は、この積層焼結体のインターコネクタ上にコーティング層を形成し、このコーティング層を、以下に述べる酸素極層と同時に焼付けることによって形成することもできる。   Next, the interconnector molded body is laminated on a predetermined portion of the laminated molded body so that the coating layer for the bonding layer faces and degreased, and then, for example, 1200 to 1450 ° C. in an oxygen-containing atmosphere. Are fired at the same temperature to produce a laminated sintered body comprising P-type semiconductor layer / interconnector / bonding layer / support substrate / fuel electrode layer / reaction prevention layer / solid electrolyte layer / intermediate layer. (The P-type semiconductor layer can also be formed by forming a coating layer on the interconnector of this laminated sintered body and baking this coating layer simultaneously with the oxygen electrode layer described below.

この後、ペロブスカイト酸化物粉末とCe−希土類元素系複合酸化物粉末とを含む第2酸素極層用原料粉末を、トルエン等の溶媒、有機バインダー、市販の分散剤などと混合してスラリーを調製し、このスラリーを、スクリーン印刷等の方法で上記積層焼結体の中間層上に塗布し、乾燥することにより、第2酸素極層用コーティング層を形成する。   Thereafter, a raw material powder for the second oxygen electrode layer containing a perovskite oxide powder and a Ce-rare earth element-based composite oxide powder is mixed with a solvent such as toluene, an organic binder, a commercially available dispersant and the like to prepare a slurry. Then, the slurry is applied on the intermediate layer of the laminated sintered body by a method such as screen printing and dried to form a second oxygen electrode layer coating layer.

また、ペロブスカイト酸化物粉末などの第1酸素極層用原料粉末を、溶媒及び市販の分散剤等と混合してスラリーを調製し、このスラリーを、上記第2酸素極層用コーティング層上に塗布し、乾燥及び焼付けを行うことにより、第2酸素極層上に第1酸素極層が設けられた2層構造の酸素極層を形成することができる。この場合、第2酸素極層の気孔率Bと第1酸素極層の気孔率Aとの気孔率比B/Aを前述した範囲に調製するためには、第2酸素極層の形成に際してはスラリー塗布をスクリーン印刷法などの印刷法により行い、第1酸素極層の形成に際しては、スプレー噴霧により行うことが好ましい。即ち、スプレー噴霧によるコーティング層を焼き付けることにより形成される第1酸素極層は、印刷法による第2酸素極層に比して気孔率が高くなり、気孔率比B/Aを前述した所定の範囲に調整することができる。また、スプレー噴霧によりスラリーの塗布を行うために、かかるスラリー(第1酸素極形成用スラリー)は、バインダーを使用せずに調製されることが好ましく、さらに、該スラリー層の焼付けは、高温(例えば900乃至1200℃程度)で行うこともできる。   Also, a first oxygen electrode layer raw material powder such as perovskite oxide powder is mixed with a solvent and a commercially available dispersant to prepare a slurry, and this slurry is applied onto the second oxygen electrode layer coating layer. Then, by performing drying and baking, an oxygen electrode layer having a two-layer structure in which the first oxygen electrode layer is provided on the second oxygen electrode layer can be formed. In this case, in order to adjust the porosity ratio B / A between the porosity B of the second oxygen electrode layer and the porosity A of the first oxygen electrode layer to the above-described range, The slurry is applied by a printing method such as a screen printing method, and the first oxygen electrode layer is preferably formed by spraying. That is, the first oxygen electrode layer formed by baking the coating layer by spraying has a higher porosity than the second oxygen electrode layer by the printing method, and the porosity ratio B / A is the predetermined value described above. Can be adjusted to the range. In order to apply the slurry by spraying, it is preferable that the slurry (first oxygen electrode forming slurry) is prepared without using a binder, and the baking of the slurry layer is performed at a high temperature ( For example, it can be performed at about 900 to 1200 ° C.

上記のようにして第1及び第2の酸素極層を形成した後、第1酸素極層及びP型半導体層上に、集電補助層としてPtペースト等の貴金属ペーストを塗布し、130℃〜200℃程度で乾燥することで、図1或いは図2に示すような燃料電池セルを作製することができ、このような燃料電池セルの複数を直列に接続してセルスタックとし、これを所定の収容容器に配置し、所定の部位に燃料ガス及び酸素含有ガスを流し、所定の作動温度に加熱することにより、燃料電池として機能させることができる。   After forming the first and second oxygen electrode layers as described above, a noble metal paste such as Pt paste is applied as a current collecting auxiliary layer on the first oxygen electrode layer and the P-type semiconductor layer, By drying at about 200 ° C., a fuel battery cell as shown in FIG. 1 or FIG. 2 can be produced. A plurality of such fuel battery cells are connected in series to form a cell stack, It can be made to function as a fuel cell by disposing the fuel gas and the oxygen-containing gas through a predetermined portion and heating them to a predetermined operating temperature.

尚、燃料電池セル30は、酸素含有雰囲気での焼成により、燃料極層32中のNi成分が、NiOとなっているため、その後、ガス流路31aから還元性の燃料ガスを流し、NiOを800〜1000℃で還元処理する。また、この還元処理は発電時に行ってもよい。   In addition, since the Ni component in the fuel electrode layer 32 is NiO due to the firing in the oxygen-containing atmosphere, the fuel battery cell 30 then flows a reducing fuel gas from the gas flow path 31a to allow NiO to flow. Reduction treatment is performed at 800 to 1000 ° C. Further, this reduction process may be performed during power generation.

本発明を次の実験例で説明する。   The invention is illustrated by the following experimental example.

(実験例1)
先ず、平均粒径0.5μmのNiO粉末と平均粒径0.9μmのY粉末とを、焼成―還元後における体積比率をNiが48体積%、Yが52体積%となるように混合し、有機バインダーと溶媒にて作製したスラリーを押し出し成型法にて成形し、乾燥、脱脂して支持基板成形体を作製した。
(Experimental example 1)
First, a NiO powder having an average particle size of 0.5 μm and a Y 2 O 3 powder having an average particle size of 0.9 μm are baked and reduced, and the volume ratio of Ni is 48% by volume and Y 2 O 3 is 52% by volume. The slurry prepared with the organic binder and the solvent was molded by an extrusion molding method, dried and degreased to prepare a support substrate molded body.

次に平均粒径0.5μmのNi粉末と、Yを20モル%固溶したCeO(以下YDC20と略す)粉末又はSmを20モル%固溶したCeO(以下SDC20と略す)粉末とを、有機バインダー及び溶媒に混合してスラリーを調製し、前記支持基板成形体に、スクリーン印刷法にて塗布、乾燥して、燃料極層用のコーティング層を形成した。 Then a Ni powder having an average particle diameter of 0.5 [mu] m, the Y 2 O 3 (hereinafter abbreviated as YDC20) CeO 2 was dissolved 20 mol% CeO 2 (hereinafter the powder or Sm 2 O 3 were dissolved 20 mole% SDC20 The powder was mixed with an organic binder and a solvent to prepare a slurry, which was applied to the support substrate molded body by a screen printing method and dried to form a coating layer for the fuel electrode layer.

を40モル%固溶したCeO(以下YDC40と略す)粉末と、有機バインダーと溶媒とを混合してスラリーを調製し、支持基板成形体上の燃料極層用のコーティング層の上に、スクリーン印刷法にて塗布、乾燥して、反応防止層用のコーティング層を形成した。 A slurry is prepared by mixing CeO 2 (hereinafter abbreviated as YDC40) powder in which Y 2 O 3 is dissolved in 40 mol%, an organic binder and a solvent, and a coating layer for the fuel electrode layer on the support substrate molded body is prepared. The coating layer for the reaction preventing layer was formed thereon by applying and drying by screen printing.

次に、ペロブスカイト型の(La0.9Sr0.1)(Ga0.8Mg0.2)O粉末と有機バインダーと溶媒とを混合してスラリーを調製し、このスラリーを用いてドクターブレード法にて厚み30μmの固体電解質層用シートを作製し、上記の反応防止層用のコーティング層上に貼り付け、乾燥して積層成形体を作製した。 Next, a perovskite type (La 0.9 Sr 0.1 ) (Ga 0.8 Mg 0.2 ) O 3 powder, an organic binder, and a solvent are mixed to prepare a slurry. A sheet for a solid electrolyte layer having a thickness of 30 μm was prepared by a blade method, attached onto the coating layer for the reaction prevention layer, and dried to prepare a laminated molded body.

上記で作製された積層成形体を、600℃、4時間で脱脂処理し、次いで1000℃で1時間、仮焼処理した。   The laminated molded body produced above was degreased at 600 ° C. for 4 hours, and then calcined at 1000 ° C. for 1 hour.

次に、Laを20モル%固溶したCeO(以下LDC20と略す)粉末を、振動ミルにて24時間解砕した後、900℃で4時間仮焼処理を行い、再度ボールミルにて解砕処理を行い、粉体の凝集度(レーザー回折による粒径/比表面積から計算した疑似球形状粒径)を10〜20に調整した。この粉末に、アクリル系バインダーとトルエンとを添加混合して中間層用のスラリー調製し、このスラリーを、上記積層仮焼体の固体電解質成形体の表面に、スクリーン印刷法にて塗布し、乾燥した。 Next, CeO 2 (hereinafter abbreviated as LDC20) powder in which 20 mol% of La 2 O 3 is solid-dissolved is pulverized for 24 hours with a vibration mill, and then calcined at 900 ° C. for 4 hours. The powder was crushed to adjust the degree of powder aggregation (particle diameter by laser diffraction / pseudo-spherical particle diameter calculated from specific surface area) to 10-20. To this powder, an acrylic binder and toluene are added and mixed to prepare a slurry for the intermediate layer, and this slurry is applied to the surface of the solid electrolyte molded body of the above-mentioned laminated calcined body by a screen printing method and dried. did.

また、平均粒径が0.3μmのLaCrO粉末と、有機バインダーと溶媒を混合してスラリーを調製し、このスラリーをドクターブレード法にて成形し、シート状のインターコネクタ成形体を作製した。 A slurry was prepared by mixing LaCrO 3 powder having an average particle size of 0.3 μm, an organic binder and a solvent, and this slurry was molded by a doctor blade method to produce a sheet-like interconnector molded body.

さらに、YDC20粉末又はSDC20粉末とNiO粉末とを、45:55の体積比で混合し、有機バインダーと溶媒とを添加して接合層用スラリーを調製し、スクリーン印刷法にて、このスラリーをインターコネクタ成形体に塗布し、接合層用コーティング層を形成した。   Further, YDC20 powder or SDC20 powder and NiO powder are mixed at a volume ratio of 45:55, an organic binder and a solvent are added to prepare a slurry for a bonding layer, and this slurry is interleaved by screen printing. It apply | coated to the connector molded object and the coating layer for joining layers was formed.

次いで、このインターコネクタ成形体を、上記の仮焼体の支持基板成形体露出面に積層し、酸素含有雰囲気中で、1400℃で2時間、同時焼成を行い、積層焼結体を得た。   Next, the interconnector molded body was laminated on the exposed surface of the calcined support substrate molded body, and co-fired at 1400 ° C. for 2 hours in an oxygen-containing atmosphere to obtain a laminated sintered body.

また、酸素極層用ペロブスカイト酸化物粉末として、平均粒径が0.8μmの下記のLSCF粉末を用意した。
(La0.6Sr0.4)(Co0.6Fe0.4)O粉末:6464と略す。
(La0.6Sr0.4)(Co0.2Fe0.8)O粉末:6428と略す。
Further, as the perovskite oxide powder for the oxygen electrode layer, the following LSCF powder having an average particle diameter of 0.8 μm was prepared.
(La 0.6 Sr 0.4 ) (Co 0.6 Fe 0.4 ) O 3 powder: Abbreviated as 6464.
(La 0.6 Sr 0.4 ) (Co 0.2 Fe 0.8 ) O 3 powder: Abbreviated as 6428.

先に用いたLDC20粉末と上記のLSCF粉末とを、表1に示す割合で混合し、有機バインダーと溶媒とを添加してスラリー調製し、このスラリーを、スクリーン印刷法にて積層焼結体に形成されている中間層上に種々の厚みで塗布し、130℃にて乾燥して、第2酸素極層を形成した。   The LDC20 powder used previously and the above LSCF powder are mixed in the proportions shown in Table 1, an organic binder and a solvent are added to prepare a slurry, and this slurry is formed into a laminated sintered body by a screen printing method. It apply | coated with various thickness on the formed intermediate | middle layer, and it dried at 130 degreeC, and formed the 2nd oxygen electrode layer.

また、表1に示すLSCF粉末とイソプロピルアルコールとを混合してスラリーを調製し、このスラリーを、第2酸素極層用コーティング層上に噴霧塗布し、第1酸素極層用コーティング層を形成し、表1で示した温度で焼き付け、2層構造の酸素極層を形成し、燃料電池セルを得た。   Also, a LSCF powder shown in Table 1 and isopropyl alcohol are mixed to prepare a slurry, and this slurry is sprayed onto the second oxygen electrode layer coating layer to form a first oxygen electrode layer coating layer. Baking was carried out at the temperatures shown in Table 1 to form a two-layered oxygen electrode layer to obtain a fuel cell.

得られた燃料電池セルを、走査型電子顕微鏡を用いて第1及び第2酸素極層の厚みを測定し表1に示した。また、第1及び第2酸素極層の気孔率も測定し、表1に示した。尚、気孔率は、作製された燃料電池セルを横断面方向に一部切り出し、樹脂に埋め込んだ後、観察面を研磨し、該研磨面を走査型電子顕微鏡(SEM)にて観察し、画像解析装置により算出した。   The obtained fuel cell was measured for the thicknesses of the first and second oxygen electrode layers using a scanning electron microscope and shown in Table 1. The porosity of the first and second oxygen electrode layers was also measured and shown in Table 1. The porosity is determined by partially cutting the produced fuel cell in the cross-sectional direction and embedding it in a resin, then polishing the observation surface and observing the polishing surface with a scanning electron microscope (SEM). It was calculated by an analyzer.

なお、作製した燃料電池セルの寸法は25mm×200mmで、支持基板の厚さは3mm、開気孔率35%、燃料極層の厚さは10μm、開気孔率24%、酸素極層のトータル厚みは50μm(開気孔率40%)、固体電解質層の厚さは25μm、相対密度は97%、反応防止層の厚みは10μm、中間層の厚みは5μmであった。   The size of the produced fuel cell is 25 mm × 200 mm, the thickness of the support substrate is 3 mm, the open porosity is 35%, the thickness of the fuel electrode layer is 10 μm, the open porosity is 24%, and the total thickness of the oxygen electrode layer. Was 50 μm (open porosity 40%), the thickness of the solid electrolyte layer was 25 μm, the relative density was 97%, the thickness of the reaction preventing layer was 10 μm, and the thickness of the intermediate layer was 5 μm.

次に、この燃料電池セルの内部に、水素ガスを流し、850℃で、支持基板及び燃料極層の還元処理を施した。この後、得られた燃料電池セルの燃料ガス流路に燃料ガスを流通させ、セルの外側に酸素含有ガスを流通させ、燃料電池セルを、電気炉を用いて850℃まで加熱し、発電試験を行った。このときの発電特性を確認し、表1に示した。   Next, hydrogen gas was allowed to flow inside the fuel cell, and the support substrate and the fuel electrode layer were subjected to reduction treatment at 850 ° C. Thereafter, the fuel gas is circulated through the fuel gas flow path of the obtained fuel cell, the oxygen-containing gas is circulated outside the cell, the fuel cell is heated to 850 ° C. using an electric furnace, and a power generation test is performed. Went. The power generation characteristics at this time were confirmed and shown in Table 1.

Figure 0004912576
Figure 0004912576

表1の結果から、第2酸素極層を持たない試料No.1は、表面拡散に対する反応場が少なく、第2酸素極層の体積拡散に頼っているため出力密度が低い。また、第2酸素極層にLDC20を含まない試料No2、4は、第2酸素極層での表面拡散が空気極内部での反応場の数が少なく、充分に生かし切れていない為に出力密度が低い。   From the results in Table 1, sample No. 2 having no second oxygen electrode layer was obtained. 1 has a low reaction density with respect to surface diffusion and a low power density because it relies on volume diffusion of the second oxygen electrode layer. Sample Nos. 2 and 4, which do not contain LDC20 in the second oxygen electrode layer, have a low output density because the surface diffusion in the second oxygen electrode layer has a small number of reaction fields inside the air electrode and is not fully utilized. Is low.

一方、第2酸素極層の厚みが25μmを越えると(試料No.3)、酸素ガスが第2酸素極層に到達しても厚みが厚く、電解質界面の反応場への移動が体積拡散のみとなり、発電特性が低い。   On the other hand, when the thickness of the second oxygen electrode layer exceeds 25 μm (sample No. 3), the thickness is thick even when oxygen gas reaches the second oxygen electrode layer, and the movement to the reaction field at the electrolyte interface is only volume diffusion. Therefore, power generation characteristics are low.

また、第1酸素極層にて体積拡散で供給される酸素イオンと第1酸素極層の空隙を通って第2酸素極層に供給された空気を表面拡散で反応場へ酸素を送る機構のバランスの取れた試料No.5〜18は高い出力特性を示していることから、第2酸素極層のLDC20とLSCFの重量比率は1:9〜3:7の間が良く、第2酸素極層の厚みは5μm〜20μmがよい。LSCFの組成は焼き付け時のCoの分解を考えた温度域で有れば特に影響しない。   In addition, oxygen ions supplied by volume diffusion in the first oxygen electrode layer and air supplied to the second oxygen electrode layer through the voids of the first oxygen electrode layer are sent to the reaction field by surface diffusion. Balanced sample no. Since 5 to 18 show high output characteristics, the weight ratio of LDC20 and LSCF of the second oxygen electrode layer is preferably between 1: 9 and 3: 7, and the thickness of the second oxygen electrode layer is 5 μm to 20 μm. Is good. The composition of the LSCF is not particularly affected as long as it is in a temperature range considering the decomposition of Co during baking.

本発明の燃料電池セルの代表的な構造を示す図であり、図1中(a)は、横断面図であり、(b)は部分斜視図である。It is a figure which shows the typical structure of the fuel cell of this invention, (a) is a cross-sectional view in FIG. 1, (b) is a fragmentary perspective view. 本発明の燃料電池セルの他の例の構造を示す図であり、図2中(a)は、横断面図であり、(b)は部分斜視図である。It is a figure which shows the structure of the other example of the fuel cell of this invention, (a) is a cross-sectional view in FIG. 2, (b) is a fragmentary perspective view. 本発明の燃料電池セルにおける発電部分の層構造を示す概略横断面図である。It is a schematic cross-sectional view showing the layer structure of the power generation part in the fuel battery cell of the present invention. 従来の燃料電池セルからなるセルスタックを示す横断面図である。It is a cross-sectional view which shows the cell stack which consists of the conventional fuel cell.

符号の説明Explanation of symbols

30・・・燃料電池セル
31・・・支持基板
31a・・・燃料ガス通路
32・・・燃料極層
33・・・固体電解質層
34・・・中間層
35a・・・第酸素極層
35b・・・第酸素極層
30 ... fuel cell 31 ... supporting substrate 31a ... fuel gas passages 32 fuel electrode layer 33 ... solid electrolyte layer 34 ... intermediate layer 35a ... first oxygen electrode layer 35b ... Second oxygen electrode layer

Claims (7)

酸素極層と燃料極層との間にペロブスカイト型固体電解質層が配置されている燃料電池セルにおいて、
前記固体電解質層と前記酸素極層との間に、CeOとLn(Lnは希土類元素)からなる複合酸化物で構成された中間層が形成されており、
前記酸素極層が、第1の酸素極層と第2の酸素極層との2層構造を有し、前記第1の酸素極層は、前記中間層上に設けられた前記第2の酸素極層上に位置し、且つペロブスカイト型酸化物から形成され、前記中間層上に設けられた前記第2の酸素極層は、前記中間層を構成する複合酸化物と前記ペロブスカイト型酸化物とから形成されているとともに前記第2の酸素極層の気孔率Bと前記第1の酸素極層の気孔率Aとの気孔率比B/Aが、0.5より低いことを特徴とする燃料電池セル。
In the fuel cell in which the perovskite solid electrolyte layer is disposed between the oxygen electrode layer and the fuel electrode layer,
Between the solid electrolyte layer and the oxygen electrode layer, an intermediate layer composed of a complex oxide composed of CeO 2 and Ln 2 O 3 (Ln is a rare earth element) is formed,
The oxygen electrode layer has a two-layer structure of a first oxygen electrode layer and a second oxygen electrode layer, and the first oxygen electrode layer comprises the second oxygen provided on the intermediate layer. The second oxygen electrode layer located on the polar layer and formed from a perovskite oxide and provided on the intermediate layer is composed of a composite oxide constituting the intermediate layer and the perovskite oxide. A fuel cell, characterized in that a porosity ratio B / A between the porosity B of the second oxygen electrode layer and the porosity A of the first oxygen electrode layer is lower than 0.5. cell.
前記中間層を構成する複合酸化物は、下記式:
(CeO1−x(LnO1.5
式中、Lnは、La、Sm、Yの少なくとも1種であり、
xは、0.1≦x≦0.3を満足する数である、
で表される組成を有している請求項1に記載の燃料電池セル。
The composite oxide constituting the intermediate layer has the following formula:
(CeO 2 ) 1-x (LnO 1.5 ) x
In the formula, Ln is at least one of La, Sm, and Y,
x is a number satisfying 0.1 ≦ x ≦ 0.3,
The fuel cell according to claim 1, which has a composition represented by:
前記中間層の厚みが2乃至10μmである請求項1または2に記載の燃料電池セル。   The fuel cell according to claim 1, wherein the intermediate layer has a thickness of 2 to 10 μm. 前記固体電解質層がランタンガレート系ペロブスカイト型酸化物から形成されている請
求項1乃至3のいずれかに記載の燃料電池セル。
The fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the solid electrolyte layer is formed of a lanthanum gallate perovskite oxide.
前記燃料極層が導電性支持基板上に設けられており、前記燃料極層上に、前記固体電解
質層、前記中間層及び前記酸素極層が設けられている請求項1乃至4のいずれかに記載の
燃料電池セル。
5. The fuel electrode layer according to claim 1, wherein the fuel electrode layer is provided on a conductive support substrate, and the solid electrolyte layer, the intermediate layer, and the oxygen electrode layer are provided on the fuel electrode layer. The fuel cell described.
記第2の酸素極層の厚みCが前記第1の酸素極層の厚みDよりも薄く、且つ前記第1の酸素極層の厚みDが35〜85μmである請求項1乃至5のいずれかに記載の燃料電池セル。 Before SL thinner than the thickness D of the thickness C of the second oxygen electrode layer is the first oxygen electrode layer, one and the thickness D of the first oxygen electrode layer of claim 1 to 5 is 35~85μm A fuel battery cell according to claim 1. 請求項1乃至6のいずれかに記載の燃料電池セルの複数を電気的に直列に接続してなる
少なくとも1個のセルスタックを収容容器に収容してなることを特徴とする燃料電池。
7. A fuel cell comprising at least one cell stack formed by electrically connecting a plurality of the fuel cells according to claim 1 in series in a container.
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