JP5137416B2 - Current collecting material for fuel electrode, solid oxide fuel cell unit cell and solid oxide fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、燃料極用集電材料、固体酸化物形燃料電池単セルおよび固体酸化物形燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a current collecting material for a fuel electrode, a solid oxide fuel cell single cell, and a solid oxide fuel cell.

固体酸化物形燃料電池(以下、「SOFC」という。)は、電解質として酸素イオン導電性を示す固体電解質を用いた燃料電池である。SOFCの基本的な要素は、燃料極、固体電解質、空気極であり、これら3つの要素を順に積層して接合したものが単セルと称されている。   A solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as “SOFC”) is a fuel cell using a solid electrolyte exhibiting oxygen ion conductivity as an electrolyte. The basic elements of the SOFC are a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode, and a structure in which these three elements are sequentially stacked and joined is called a single cell.

一般に、燃料電池では、単セルを複数用いて集合体とし、この集合体を発電装置として用いる。SOFCでは、通常、平板状または管状の単セルを電気的に直列および並列に接続することによって発電装置とすることが多い。   In general, in a fuel cell, a plurality of single cells are used as an aggregate, and this aggregate is used as a power generator. In the SOFC, a flat or tubular unit cell is usually electrically connected in series and in parallel to form a power generator.

ここで、複数の平板状の単セルを直列接続する場合、燃料ガスと酸化剤ガスとは、交互に、燃料ガス/酸化剤ガス/燃料ガスのように接して流れる。そのため、複数の平板状の単セルを積み重ねる場合には、各単セルの間に、両ガスを分離するためのセパレータを挟み、単セルとセパレータとの組み合わせが繰り返し単位とされる。   Here, when a plurality of flat single cells are connected in series, the fuel gas and the oxidant gas alternately flow in contact like fuel gas / oxidant gas / fuel gas. Therefore, when stacking a plurality of flat single cells, a separator for separating both gases is sandwiched between each single cell, and the combination of the single cell and the separator is a repeating unit.

上記セパレータは、燃料ガスと酸化剤ガスとを分離する役割以外にも、各単セル間を電気的に接続する役割も有している。このセパレータを挟んで一方の面の燃料極に燃料ガスを、他方の面の空気極に酸化剤ガスを流すため、一般に、セパレータには、各ガスを還流させるガス流路がそれぞれ形成されている。   In addition to the role of separating the fuel gas and the oxidant gas, the separator also has a role of electrically connecting the single cells. In order to flow the fuel gas to the fuel electrode on one side and the oxidant gas to the air electrode on the other side across the separator, the separator is generally formed with a gas flow path for refluxing each gas. .

この種の平板型のSOFCでは、単セルの電気抵抗のほかに、単セルとセパレータとの間の接触抵抗が加わる。   In this type of flat type SOFC, in addition to the electric resistance of a single cell, a contact resistance between the single cell and the separator is added.

特に、後者の接触抵抗は、無視できない大きさであり、電池設計上重要である。というのも、例え単セル本来の発電性能が優れていても、単セルとセパレータとの接触抵抗が大きいと、集電効率が低下し、SOFC全体としての発電性能が損なわれてしまうからである。   In particular, the latter contact resistance is not negligible and is important for battery design. This is because even if the original power generation performance of the single cell is excellent, if the contact resistance between the single cell and the separator is large, the current collection efficiency is lowered and the power generation performance of the SOFC as a whole is impaired. .

そのため、従来より、セパレータを用いて単セルを積層する際に、単セルとセパレータとの間の接触抵抗を低減させる試みがなされている。   Therefore, conventionally, when stacking single cells using separators, attempts have been made to reduce the contact resistance between the single cells and the separator.

例えば、従来、単セルの燃料極とセパレータとの間に、集電層としてニッケル層を介在させることが知られている。   For example, it is conventionally known that a nickel layer is interposed as a current collecting layer between a fuel electrode of a single cell and a separator.

また、例えば、特許文献1には、固体電解質側の電極第一層と、セパレータ側の集電層とからなる2層構造の燃料極を用い、集電層中のニッケル粒子の大きさを、電極第一層中のニッケル粒子の大きさよりも小さくすることによって、単セルの燃料極とセパレータとの接触抵抗を低減し、集電性を高める技術が開示されている。   Further, for example, Patent Document 1 uses a two-layered fuel electrode composed of a first electrode on the solid electrolyte side and a current collecting layer on the separator side, and the size of nickel particles in the current collecting layer is as follows: A technique is disclosed in which the contact resistance between the fuel electrode of a single cell and the separator is reduced and the current collecting property is increased by making the size smaller than the size of nickel particles in the first electrode layer.

特開平10−21930号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-21930

しかしながら、単セルの燃料極とセパレータとの間に、集電層としてニッケル層を介在させたSOFCは、起動・停止を行うと、単セルが割れやすいといった問題があった。   However, an SOFC in which a nickel layer is interposed as a current collecting layer between the fuel electrode of a single cell and a separator has a problem that the single cell is easily broken when started and stopped.

これは、発電時の高温(例えば、800℃程度)に曝されると、単セルとセパレータとがニッケル層によって固着してしまい、この状態で発電を停止し、冷却すると、熱膨張率の異なる単セルとセパレータとが物理的に固着した状態で収縮するため、両者の熱膨張差に起因する応力によって割れてしまうためであると考えられる。   This is because when exposed to a high temperature during power generation (for example, about 800 ° C.), the single cell and the separator are fixed by the nickel layer, and when the power generation is stopped and cooled in this state, the coefficient of thermal expansion differs. It is considered that this is because the single cell and the separator contract in a state where they are physically fixed, and therefore, the single cell and the separator are cracked by the stress due to the difference in thermal expansion between them.

また、特に、フェライト系ステンレス鋼などの金属を主に用いた金属セパレータを使用した場合に、上記単セルの割れが発生しやすかった。   In particular, when a metal separator mainly using a metal such as ferritic stainless steel is used, the single cell is easily cracked.

これは、セパレータ材料であるステンレス鋼中に、発電時の高温によって集電層中のニッケルが拡散し、強固に固着されてしまうため、上記現象が生じやすくなるものと考えられる。   This is thought to be because the nickel in the current collecting layer diffuses and is firmly fixed in the stainless steel as a separator material due to the high temperature during power generation.

一方、特許文献1の技術による燃料極は、集電層と電極第一層とが共に焼結された硬い構造体である。そのため、この燃料極と、同じく硬い構造体であるセパレータとを積層しても、両者の間に隙間が生じ、接触抵抗を十分に低減させることは難しいと考えられる。   On the other hand, the fuel electrode according to the technique of Patent Document 1 is a hard structure in which the current collecting layer and the electrode first layer are both sintered. Therefore, even if this fuel electrode and a separator, which is also a hard structure, are laminated, a gap is generated between them, and it is considered difficult to sufficiently reduce the contact resistance.

本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、本発明が解決しようとする課題は、発電性能を大きく損なうことなく、単セルの割れを抑制可能な燃料極用集電材料を提供することにある。また、これを用いた固体酸化物形燃料電池単セル、固体酸化物形燃料電池を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above problems, and a problem to be solved by the present invention is to provide a current collecting material for a fuel electrode capable of suppressing cracking of a single cell without greatly impairing power generation performance. It is in. It is another object of the present invention to provide a solid oxide fuel cell unit cell and a solid oxide fuel cell using the same.

上記課題を解決するため、本発明に係る燃料極用集電材料は、固体酸化物形燃料電池の燃料極とセパレータとの間に介在され、ニッケル粉末、ニッケル合金粉末、および、酸化ニッケル粉末から選択される1種または2種以上よりなるニッケル系粉末と、電池発電時の温度で前記セパレータと固着しない材料の粉末とを含み、前記ニッケル系粉末と前記材料粉末との体積比(前記ニッケル系粉末の体積/前記材料粉末の体積)が87/13〜99/1の範囲にあり、前記材料粉末と前記ニッケル系粉末の粒径比(前記材料粉末の粒径/前記ニッケル系粉末の粒径)が、6/1〜2/1の範囲にあることを要旨とする。 In order to solve the above problems, a current collecting material for a fuel electrode according to the present invention is interposed between a fuel electrode of a solid oxide fuel cell and a separator, and comprises a nickel powder, a nickel alloy powder, and a nickel oxide powder. one or the two or more than consisting of nickel-based powders are selected, and a powder of a material that does not stick to the separator at a temperature during cell power generation, the said nickel powder volume ratio of the material powder (the nickel the volume of the volume / the material powder of the powder) is in the range of 87 / 13-99 / 1, the material powder and the particle size ratio (particle size of the particle diameter / the nickel powder of the material powder of the nickel powder ) Is in the range of 6/1 to 2/1.

また、上記材料粉末は、酸化物粉末であると良い。   The material powder is preferably an oxide powder.

また、上記材料粉末は、安定化ジルコニア粉末、セリア系固溶体粉末、アルミナ粉末、および、ランタンガレート系複合酸化物粉末から選択される1種または2種以上であると良い。   The material powder may be one or more selected from stabilized zirconia powder, ceria solid solution powder, alumina powder, and lanthanum gallate composite oxide powder.

また、上記燃料極用集電材料は、さらに、バインダーを含んでいると良い。   The fuel electrode current collecting material preferably further contains a binder.

本発明に係る固体酸化物形燃料電池単セルは、酸素イオン導電性を示す固体電解質の一方面に燃料極が積層されるとともに、他方面に空気極が積層され、上記燃料極の表面に、上記燃料極用集電材料が未焼成の状態で成膜されていることを要旨とする。   In the solid oxide fuel cell unit cell according to the present invention, a fuel electrode is laminated on one surface of a solid electrolyte exhibiting oxygen ion conductivity, and an air electrode is laminated on the other surface, and on the surface of the fuel electrode, The gist is that the fuel electrode current collecting material is formed in an unfired state.

本発明に係る固体酸化物形燃料電池は、上記単セルがセパレータを介して多数段積層されていることを要旨とする。   The gist of the solid oxide fuel cell according to the present invention is that the single cells are stacked in multiple stages via separators.

この際、上記セパレータは、金属セパレータであると良い。   At this time, the separator is preferably a metal separator.

本発明に係る燃料極用集電材料は、上記ニッケル系粉末と、電池発電時の温度でセパレータと固着しない材料の粉末とを含み、上記ニッケル系粉末と上記材料粉末との体積比が特定の範囲内とされている。 The current collector material for a fuel electrode according to the present invention includes the nickel-based powder and a powder of a material that does not adhere to the separator at a temperature during battery power generation, and the volume ratio between the nickel-based powder and the material powder is specific. It is within the range.

そのため、これを、単セルの燃料極とセパレータとの間の集電材料に用いることで、単セルの割れを抑制することができる。   Therefore, the crack of a single cell can be suppressed by using this for the current collection material between the fuel electrode and separator of a single cell.

これは、集電材料中に、ニッケル系粉末以外に、電池発電時の温度でセパレータと固着しない材料の粉末を混合することにより、電池の起動・停止時に、ニッケルと当該材料との界面に微細なクラックが入るなどして、固着による応力を緩和させることができるためであると考えられる。   This is because, in the current collecting material, in addition to the nickel-based powder, powder of a material that does not adhere to the separator at the temperature during battery power generation is mixed, so that the interface between nickel and the material is fine at the time of battery start / stop. This is considered to be because the stress caused by the sticking can be relieved, for example, by cracking.

また、上記材料粉末として、例えば、絶縁性の材料を選択した場合であっても、上記ニッケル系粉末と上記材料粉末との体積比が特定の範囲内とされているので、集電性を低下させ難い。そのため、発電性能を大きく損なうこともない。 Further, even when an insulating material is selected as the material powder, for example, the volume ratio between the nickel-based powder and the material powder is within a specific range, so that the current collecting property is reduced. It is difficult to let it. Therefore, the power generation performance is not greatly impaired.

また、上記集電材料を、単セルの燃料極表面に未焼成の状態で成膜し、そのままセパレータと積層して用いた場合には、未焼成で柔らかい状態にある集電材料が潰れることによって燃料極とセパレータとの間に生じる隙間を埋めやすくなる。そのため、上記集電材料によれば、接触抵抗を低減させすくなるなどの利点がある。   In addition, when the current collecting material is formed in an unfired state on the surface of the fuel electrode of a single cell and used as it is laminated with a separator, the current collecting material in the unfired and soft state is crushed. It becomes easy to fill a gap generated between the fuel electrode and the separator. Therefore, according to the said current collection material, there exists an advantage that it becomes easy to reduce contact resistance.

ここで、上記材料粉末の粒径が、上記ニッケル系粉末の粒径よりも大きい場合には、上記単セルの割れを抑制しやすくなる。これは、上記固着による応力緩和が一層生じやすくなるためであると考えられる。   Here, when the particle size of the material powder is larger than the particle size of the nickel-based powder, it becomes easy to suppress cracking of the single cell. This is considered to be because the stress relaxation due to the fixing is more likely to occur.

また、上記材料粉末が酸化物粉末である場合には、電池発電時の温度でセパレータと固着しない材料を選択する自由度が高くなるなどの利点がある。   Moreover, when the said material powder is an oxide powder, there exists an advantage that the freedom degree which selects the material which does not adhere to a separator at the temperature at the time of battery power generation becomes high.

また、上記集電材料がさらにバインダーを含んでいる場合には、流動性または可塑性が向上する。そのため、燃料極とセパレータとの間に生じる隙間を一層埋めやすくなり、接触抵抗を一層低減させやすくなるなどの利点がある。また、単セル表面に付着させた後、脱落などが生じ難くなるなどの利点もある。   Moreover, when the said current collection material contains the binder further, fluidity | liquidity or plasticity improves. Therefore, there is an advantage that it becomes easier to fill a gap generated between the fuel electrode and the separator and the contact resistance can be further reduced. In addition, there is an advantage that, after being attached to the surface of the single cell, it is difficult to drop off.

本発明に係る固体酸化物形燃料電池単セルは、その燃料極の表面に、上記集電材料が未焼成の状態で成膜されている。そのため、これをセパレータを介して多数段積層すれば、未焼成で柔らかい状態にある集電材料が潰れることによって燃料極とセパレータとの間に生じる隙間を埋めやすくなる。そのため、接触抵抗を低減させやすくなる。   In the solid oxide fuel cell single cell according to the present invention, the current collecting material is formed in an unfired state on the surface of the fuel electrode. Therefore, if this is laminated | stacked in many steps through a separator, it will become easy to fill the gap which arises between a fuel electrode and a separator by collapsing the current collection material which is unfired and is in a soft state. Therefore, it becomes easy to reduce contact resistance.

本発明に係る固体酸化物形燃料電池は、上記単セルがセパレータを介して多数段積層されている。そのため、電池の起動・停止による温度サイクルをかけた場合でも、単セルの割れを抑制することができ、安定して発電することができる。したがって、高い信頼性を有する。   In the solid oxide fuel cell according to the present invention, the single cell is stacked in multiple stages via separators. Therefore, even when a temperature cycle by starting and stopping the battery is applied, cracking of the single cell can be suppressed and stable power generation can be performed. Therefore, it has high reliability.

以下、本実施形態に係る燃料極用集電材料(以下、「本集電材料」ということがある。)、固体酸化物形燃料電池単セル(以下、「本SOFC単セル」ということがある。)、および、固体酸化物形燃料電池(以下、「本SOFC」ということがある。)について詳細に説明する。   Hereinafter, the fuel electrode current collector material (hereinafter sometimes referred to as “the current collector material”), a solid oxide fuel cell single cell (hereinafter referred to as “the present SOFC single cell”) according to the present embodiment. )) And a solid oxide fuel cell (hereinafter sometimes referred to as “the present SOFC”) will be described in detail.

1.本集電材料
本集電材料は、ニッケル系粉末と、特定の材料粉末とを少なくとも含んでいる。
1. The current collection material The current collection material contains at least a nickel-based powder and a specific material powder.

上記ニッケル系粉末としては、具体的には、例えば、ニッケル(Ni)粉末、ニッケル合金粉末、酸化ニッケル(NiO)粉末などが挙げられる。これらは1種または2種以上含まれていても良い。   Specific examples of the nickel-based powder include nickel (Ni) powder, nickel alloy powder, and nickel oxide (NiO) powder. These may be contained alone or in combination of two or more.

好ましくは、昇温時に酸化されることによる体積変化を抑制するなどの観点から、酸化ニッケル(NiO)粉末を好適に用いることができる。なお、酸化ニッケルは、発電時の高温還元雰囲気に曝されることにより、金属ニッケルになり、良好な電子導電性を示す。   Preferably, nickel oxide (NiO) powder can be suitably used from the viewpoint of suppressing volume change due to oxidation during temperature rise. Nickel oxide becomes metallic nickel when exposed to a high-temperature reducing atmosphere during power generation, and exhibits good electronic conductivity.

一方、上記特定の材料粉末は、電池発電時の温度でセパレータと固着しない材料の粉末のことである。   On the other hand, the specific material powder is a powder of a material that does not adhere to the separator at the temperature during battery power generation.

通常、SOFCでは、電池発電時の温度は700℃〜1000℃程度である。したがって、上記特定の材料粉末は、このような温度に曝された場合であっても、セパレータに固着しなければ良い。   Usually, in SOFC, the temperature during battery power generation is about 700 ° C to 1000 ° C. Therefore, even if it is a case where the said specific material powder is exposed to such temperature, it is good if it does not adhere to a separator.

また、セパレータとしては、具体的には、例えば、フェライト系などのステンレス鋼よりなる金属セパレータ、フェライト系などのステンレス鋼の表面に金などがめっき、クラッド化されている金属セパレータ、ランタン−クロム系酸化物よりなるセパレータなどを例示することができる。   As the separator, specifically, for example, a metal separator made of stainless steel such as ferrite, a metal separator in which gold is plated and clad on the surface of stainless steel such as ferrite, lanthanum-chromium A separator made of an oxide can be exemplified.

好ましくは、比較的低コストでの製造が可能であること、ガス流路の設計自由度が高いなどの利点を有するなどの観点から、金属セパレータを好適に用いることができる。   Preferably, a metal separator can be suitably used from the viewpoints of being able to be manufactured at a relatively low cost and having advantages such as a high degree of freedom in designing the gas flow path.

上記特定の材料粉末としては、電池発電時の温度でセパレータと固着しないものを選択する自由度が高いなどの観点から、酸化物粉末を好ましく用いることができる。   As the specific material powder, an oxide powder can be preferably used from the viewpoint of a high degree of freedom in selecting a powder that does not adhere to the separator at the temperature during battery power generation.

上記特定の材料粉末は、絶縁性、導電性(電子導電性)の何れを示すものであっても良い。なお、本集電材料は、後述するように、ニッケル系粉末と特定の材料粉末との体積比が特定の範囲内とされおり、全体として集電性が考慮されている。そのため、特定の材料粉末として、絶縁性を示すものであっても用いることができる。 The specific material powder may be either insulating or conductive (electronic conductive). In the current collecting material, as will be described later, the volume ratio of the nickel-based powder and the specific material powder is within a specific range, and the current collecting property is considered as a whole. Therefore, even if it shows insulation as a specific material powder, it can be used.

上記特定の材料粉末としては、具体的には、例えば、安定化ジルコニア(部分安定化も含む)粉末、セリア系固溶体粉末、アルミナ粉末、ランタンガレート系複合酸化物粉末などを例示することができる。これらは1種または2種以上併用しても良い。   Specific examples of the specific material powder include, for example, stabilized zirconia (including partially stabilized) powder, ceria-based solid solution powder, alumina powder, lanthanum gallate-based composite oxide powder, and the like. These may be used alone or in combination of two or more.

好ましくは、燃料極中の安定ジルコニアとの相互拡散防止などの観点から、安定化ジルコニア粉末を好適に用いることができる。   Preferably, stabilized zirconia powder can be suitably used from the viewpoint of preventing mutual diffusion with stable zirconia in the fuel electrode.

上記安定化ジルコニアとしては、具体的には、例えば、スカンジア(Sc)、イットリア(Y)、セリア(CeO)、カルシア(CaO)、マグネシア(MgO)などの酸化物を少なくとも1種以上含む安定化ジルコニアなどを例示することができる。これらは1種または2種以上組み合わせて用いても良い。 Specific examples of the stabilized zirconia include oxides such as scandia (Sc 2 O 3 ), yttria (Y 2 O 3 ), ceria (CeO 2 ), calcia (CaO), and magnesia (MgO). Examples include stabilized zirconia containing at least one or more. These may be used alone or in combination of two or more.

好ましくは、燃料極中の安定化ジルコニアに用いられる安定化材として多用されているなどの観点から、スカンジア、イットリアおよびセリアから選択される少なくとも1種の酸化物を含む安定化ジルコニアなどである。   Preferably, stabilized zirconia containing at least one oxide selected from scandia, yttria and ceria is preferable from the viewpoint of being frequently used as a stabilizing material used for stabilized zirconia in the fuel electrode.

ここで、本集電材料では、ニッケル系粉末と特定の材料粉末との体積比(ニッケル系粉末の体積/特定の材料粉末の体積)が、85/15以上とされている。 Here, in this current collecting material, the volume ratio of the particular material powder and nickel powder (volume / volume specific material powder of nickel powder) are 85/15 or more.

上記体積比が85/15未満になると、セパレータとの固着が生じ難くなるが、安定化ジルコニアなど、電子導電性が無視できるほど小さい粉末を用いた場合に、その割合が過剰となって集電性が低下する傾向が見られる。 When the volume ratio is less than 85/15, it is difficult to adhere to the separator. However, when a powder such as stabilized zirconia that is so small as to have negligible electronic conductivity is used, the ratio becomes excessive and current collection is performed. There is a tendency for sex to decline.

上記体積比の下限は、十分な集電性を確保し、発電性能を低下させ難くするなどの観点から、好ましくは、86/14以上、より好ましくは、87/13以上、さらにより好ましくは、88/12以上、最も好ましくは、89/11以上であると良い。 The lower limit of the volume ratio is preferably 86/14 or more, more preferably 87/13 or more, and still more preferably, from the viewpoint of ensuring sufficient current collection and making it difficult to reduce power generation performance. 88/12 or more, most preferably 89/11 or more.

なお、上記体積比の好ましい上限としては、セパレータとの固着を十分に抑制し、単セルの割れを回避することにより、安定して発電させるなどの観点から、99/1以下、98/2以下、97/3以下、96/4以下、95/5以下などを挙げることができる。 The preferable upper limit of the volume ratio is 99/1 or less, 98/2 or less from the viewpoint of sufficiently suppressing the fixation with the separator and avoiding the cracking of the single cell to stably generate power. 97/3 or less, 96/4 or less, 95/5 or less, and the like.

また、上記材料粉末の粒径は、単セルの割れを抑制しやすくなるなどの観点から、上記ニッケル系粉末の粒径よりも大きくすると良い。単セルの割れを抑制しやすくなるのは、電池の起動・停止時に、ニッケルと当該材料との界面に微細なクラックが入りやすくなるなどして、固着による応力緩和が一層生じやすくなるためであると考えられる。   In addition, the particle size of the material powder is preferably larger than the particle size of the nickel-based powder from the viewpoint of easily suppressing single cell cracking. The reason why it is easy to suppress the cracking of the single cell is that when the battery is started and stopped, it becomes easier to cause stress relaxation due to sticking, such as a fine crack is likely to enter the interface between nickel and the material. it is conceivable that.

この際、上記粒径は、JIS R1629に準拠して測定される、体積基準の積算分率における50%径の値である。なお、上記JIS R1629は、ファインセラミックス原料のレーザ回折・散乱法による粒径分布測定方法についての規格である。具体的には、液相に分散させたファインセラミックス原料粒子にレーザ光を照射することによって検出される散乱強度分布を利用した粒径分布の測定方法などについて規定されている。   At this time, the particle diameter is a value of 50% diameter in a volume-based integrated fraction measured in accordance with JIS R1629. The above JIS R1629 is a standard for a particle size distribution measuring method by a laser diffraction / scattering method of a fine ceramic material. Specifically, a method for measuring a particle size distribution using a scattering intensity distribution detected by irradiating laser light to fine ceramic raw material particles dispersed in a liquid phase is defined.

上記レーザ回折・散乱法による粒径分布測定装置としては、例えば、(株)堀場製作所製「レーザ回折/散乱式粒度分布測定装置」などを用いることができるが、上記測定方法に準拠して測定されるのであれば、特に限定されるものではない。   As the particle size distribution measuring device by the laser diffraction / scattering method, for example, “Laser diffraction / scattering type particle size distribution measuring device” manufactured by Horiba, Ltd. can be used. If it is done, it will not specifically limit.

上記材料粉末の粒径は、クラックが入りやすい微構造を形成させるなどの観点から、好ましくは、6〜15μm、より好ましくは、7〜14μm、さらにより好ましくは、8〜12μmであると良い。   The particle diameter of the material powder is preferably 6 to 15 μm, more preferably 7 to 14 μm, and even more preferably 8 to 12 μm, from the viewpoint of forming a microstructure that easily cracks.

一方、上記ニッケル系粉末の粒径は、電気導電性を高めるなどの観点から、好ましくは、0.5〜5μm、より好ましくは、1〜5μm、さらにより好ましくは、2〜4μmであると良い。   On the other hand, the particle diameter of the nickel-based powder is preferably 0.5 to 5 μm, more preferably 1 to 5 μm, and even more preferably 2 to 4 μm, from the viewpoint of increasing electrical conductivity. .

また、上記材料粉末の粒径/上記ニッケル系粉末の粒径比は、クラックが入りやすい微構造を形成させるなどの観点から、好ましくは、6/1〜2/1、より好ましくは、5/1〜2.5/1、さらにより好ましくは、4/1〜3/1であると良い。   In addition, the particle diameter ratio of the material powder / the particle diameter ratio of the nickel-based powder is preferably 6/1 to 2/1, more preferably 5 /, from the viewpoint of forming a microstructure that is easily cracked. 1 to 2.5 / 1, and even more preferably 4/1 to 3/1.

本集電材料は、上記各粉末に加え、さらに、バインダーを含んでいても良い。バインダーを用いてスラリー状とすることで、集電材料の流動性または可塑性が向上する。そのため、燃料極とセパレータとの間に生じる隙間を一層埋めやすくなり、接触抵抗を一層低減させやすくなるからである。また、単セル表面に本集電材料を付着させた後、脱落などが生じ難くなるからである。なお、上記バインダーは、SOFCの初回昇温時などに消滅する。   The current collecting material may further contain a binder in addition to the above powders. By using a binder to form a slurry, the fluidity or plasticity of the current collecting material is improved. Therefore, it becomes easier to fill a gap generated between the fuel electrode and the separator, and the contact resistance can be further reduced. Further, it is difficult to drop off after the current collecting material is attached to the surface of the single cell. The binder disappears when the SOFC is heated for the first time.

上記バインダーとしては、具体的には、例えば、ポリエチレングリコール、ポリビニルブチラール、ポリエチレン、ポリメチルメタアクリレート、シンナー、ポリビニルアルコール、メチルセルロースなどを例示することができる。これらは1種または2種以上含まれていても良い。   Specific examples of the binder include polyethylene glycol, polyvinyl butyral, polyethylene, polymethyl methacrylate, thinner, polyvinyl alcohol, and methyl cellulose. These may be contained alone or in combination of two or more.

本集電材料は、例えば、上記体積比となるように秤量したニッケル系粉末と特定の材料粉末とを適当な混合方法により混合することにより得ることができる。上記混合方法は、特に限定されるものではなく、ボールミル、サンドミル、振動ミル、ビーズミルなどの各種の混合方法を例示することができる。また、混合は、乾式で行っても良いし、水やアルコールなど適当な溶媒を加えて湿式で行っても良い。 The current collecting material can be obtained, for example, by mixing a nickel-based powder weighed so as to have the above volume ratio and a specific material powder by an appropriate mixing method. The said mixing method is not specifically limited, Various mixing methods, such as a ball mill, a sand mill, a vibration mill, a bead mill, can be illustrated. Further, the mixing may be performed in a dry manner, or may be performed in a wet manner by adding an appropriate solvent such as water or alcohol.

バインダーを用いる場合には、予めニッケル系粉末と特定の材料粉末とを混合し、混合粉末を調製し、これをバインダー中に、超音波を付与するなどして分散させるなどすれば良い。他にも、ニッケル系粉末、特定の材料粉末およびバインダーを一緒に混練したり、ニッケル系粉末か特定の材料粉末の何れか一方の粉末とバインダーとを混練し、これに残った他方の粉末を添加し、さらに混練したりするなどしても良い。また、上記調製には、バインダー以外にも、有機溶剤、水などの各種溶媒や分散剤なども適宜併用することができる。   When using a binder, a nickel-based powder and a specific material powder are mixed in advance to prepare a mixed powder, which is dispersed in the binder by applying ultrasonic waves or the like. In addition, a nickel-based powder, a specific material powder and a binder are kneaded together, or either a nickel-based powder or a specific material powder and a binder are kneaded, and the remaining powder is mixed. It may be added and further kneaded. In addition to the binder, various solvents such as organic solvents and water, dispersants, and the like can be used in combination as appropriate in the above preparation.

2.SOFC単セル
本SOFC単セルは、酸素イオン導電性を示す固体電解質の一方面に燃料極が積層されるとともに、他方面に空気極が積層されている。
2. SOFC Single Cell In this SOFC single cell, a fuel electrode is stacked on one surface of a solid electrolyte exhibiting oxygen ion conductivity, and an air electrode is stacked on the other surface.

なお、電極(燃料極、空気極)は、固体電解質に直接接合されていても良いし、電極と固体電解質との間に、電解質材料と電極材料との間の反応を抑制したり、電極の触媒活性を増大させるなどの目的で、任意に中間層などが介在されていても良い。   The electrode (fuel electrode, air electrode) may be directly joined to the solid electrolyte, or the reaction between the electrolyte material and the electrode material may be suppressed between the electrode and the solid electrolyte. An intermediate layer or the like may optionally be interposed for the purpose of increasing the catalytic activity.

また、セル構造としては、平板型が好適である。この際、平板型としては、固体電解質が自立した自立膜式、燃料極または空気極に支持機能を兼ねさせた支持膜式の2つに大別されるが、本SOFC単セルは、何れの形式であっても良く、特に限定されるものではない。   Moreover, as a cell structure, a flat plate type is suitable. At this time, the flat plate type is roughly classified into two types, a self-supporting membrane type in which a solid electrolyte is self-supporting, and a supporting membrane type in which a fuel electrode or an air electrode also has a supporting function. It may be in a format and is not particularly limited.

ここで、本SOFC単セルは、その燃料極の外表面(固体電解質とは反対側の面)に、本集電材料が未焼成の状態で成膜されている。   Here, in the present SOFC single cell, the current collecting material is formed in an unfired state on the outer surface of the fuel electrode (the surface opposite to the solid electrolyte).

本集電材料は、燃料極の表面全体を被覆していても良いし、発電性能が低下しない範囲内であれば、燃料極の表面を部分的に被覆していても良い。好ましくは、集電性を向上させるなどの観点から、燃料極の表面全体を被覆していると良い。   The current collecting material may cover the entire surface of the fuel electrode, or may partially cover the surface of the fuel electrode as long as the power generation performance does not deteriorate. Preferably, the entire surface of the fuel electrode is covered from the viewpoint of improving the current collecting property.

また、上記本集電材料の膜厚の上限は、材料自体の抵抗による損失を低減するなどの観点から、好ましくは、30μm以下、より好ましくは、25μm以下、さらにより好ましくは、20μm以下であると良い。   Further, the upper limit of the film thickness of the current collecting material is preferably 30 μm or less, more preferably 25 μm or less, and even more preferably 20 μm or less, from the viewpoint of reducing loss due to resistance of the material itself. And good.

一方、上記本集電材料の膜厚の下限は、燃料極とセパレータ間の隙間を埋めるために必要な厚みを得るなどの観点から、好ましくは、5μm以上、より好ましくは、10μm以上、さらにより好ましくは、15μm以上であると良い。   On the other hand, the lower limit of the film thickness of the current collecting material is preferably 5 μm or more, more preferably 10 μm or more, and even more, from the viewpoint of obtaining a thickness necessary for filling the gap between the fuel electrode and the separator. Preferably, it is 15 μm or more.

上記本SOFC単セルを構成する固体電解質の材料、燃料極の材料、空気極の材料、中間層の材料は、特に限定されるものではなく、種々の材料を適用することができる。   The material of the solid electrolyte, the material of the fuel electrode, the material of the air electrode, and the material of the intermediate layer constituting the present SOFC single cell are not particularly limited, and various materials can be applied.

上記固体電解質材料としては、具体的には、例えば、スカンジア、イットリア、セリア、カルシア、マグネシアなどの酸化物を少なくとも1種以上含む安定化ジルコニアや、これら安定化ジルコニアとアルミナとの混合物などを好適な一例として例示することができる。   Specific examples of the solid electrolyte material include, for example, stabilized zirconia containing at least one oxide such as scandia, yttria, ceria, calcia, and magnesia, and a mixture of these stabilized zirconia and alumina. It can be illustrated as an example.

より具体的には、強度・靱性などの機械的特性と酸素イオン導電率とのバランスに優れるなどの観点から、好ましくは、3〜6モル%、より好ましくは、4〜6モル%のスカンジアを含むスカンジア安定化ジルコニアや、このスカンジア安定化ジルコニア中に、好ましくは、0.3〜5重量%、より好ましくは、0.5〜3重量%の範囲内でアルミナが添加されたものなどが好適である。   More specifically, from the viewpoint of excellent balance between mechanical properties such as strength and toughness and oxygen ion conductivity, preferably 3 to 6 mol%, more preferably 4 to 6 mol% of scandia is used. Scandia-stabilized zirconia to be contained, and this scandia-stabilized zirconia preferably having 0.3 to 5% by weight, more preferably 0.5 to 3% by weight of alumina, etc. are suitable. It is.

また、上記燃料極材料としては、触媒と固体電解質とのサーメットなどを好適な一例として例示することができる。   Moreover, as a fuel electrode material, a cermet of a catalyst and a solid electrolyte can be exemplified as a suitable example.

サーメットの一部を構成する触媒としては、具体的には、ニッケル、ニッケル合金、酸化ニッケル(NiO)、Co、Ruなどを好適な一例として例示することができる。これらは1種または2種以上混合されていても良い。   Specific examples of the catalyst constituting a part of the cermet include nickel, nickel alloy, nickel oxide (NiO), Co, and Ru. These may be used alone or in combination.

一方、サーメットの他の一部を構成する固体電解質としては、具他的には、スカンジア、イットリア、セリアなどの酸化物を少なくとも1種以上含む安定化ジルコニアなどを好適な一例として例示することができる。   On the other hand, as a solid electrolyte constituting another part of the cermet, specifically, stabilized zirconia containing at least one oxide such as scandia, yttria, ceria, etc. may be exemplified as a suitable example. it can.

より具体的には、酸素イオン導電性に優れるなどの観点から、好ましくは、9〜12モル%、より好ましくは、10〜11モル%のScを含むScSZ、このScSZにさらにY、CeOの何れか一方または双方を、好ましくは、2モル%以下、より好ましくは、0.5〜1モル%微量添加したものなどを好適な一例として例示することができる。 More specifically, from the viewpoint of excellent oxygen ion conductivity, preferably ScSZ containing 9 to 12 mol%, more preferably 10 to 11 mol% Sc 2 O 3 , Y 2 in addition to this ScSZ. As a suitable example, one or both of O 3 and CeO 2 is preferably added at 2 mol% or less, more preferably 0.5 to 1 mol% in a small amount.

なお、燃料極材料中の触媒と固体電解質との混合比率は、好ましくは、触媒:固体電解質=30:70重量%〜70:30重量%の範囲内、より好ましくは、触媒:第2固体電解質=40:60重量%〜60:40重量%の範囲内にあると良い。良好な電極活性が得られるとともに、熱膨張差によってセルに反りなどが生じ難いからである。   The mixing ratio of the catalyst and the solid electrolyte in the fuel electrode material is preferably in the range of catalyst: solid electrolyte = 30: 70 wt% to 70:30 wt%, more preferably catalyst: second solid electrolyte. It is good to exist in the range of = 40: 60 weight%-60:40 weight%. This is because good electrode activity can be obtained and the cell is unlikely to warp due to a difference in thermal expansion.

また、上記空気極材料としては、具体的には、例えば、LaSrMnO、LaCaMnO、LaSrCoO、LaSrCoFeO、PrSrMnOなどの遷移金属ペロブスカイト型酸化物;好ましくは、8〜10モル%、より好ましくは、8〜9モル%のイットリアを含むイットリア安定化ジルコニア、好ましくは、9〜12モル%、より好ましくは、10〜11モル%のスカンジアを含むスカンジア安定化ジルコニア、Gd、YおよびSmなどの酸化物を好ましくは、10〜35モル%、より好ましくは、15〜30モル%、さらにより好ましくは、20〜30モル%含むセリア系固溶体などの固体電解質と上記遷移金属ペロブスカイト型酸化物との複合物などを好適な一例として例示することができる。 Further, as the air electrode material, specifically, transition metal perovskite oxides such as LaSrMnO 3 , LaCaMnO 3 , LaSrCoO 3 , LaSrCoFeO 3 , PrSrMnO 3 ; preferably 8 to 10 mol%, more preferably the yttria-stabilized zirconia containing 8-9 mol% yttria, preferably 9-12 mol%, more preferably, scandia-stabilized zirconia containing 10-11 mol% of scandia, Gd 2 O 3, Y 2 Oxides such as O 3 and Sm 2 O 3 are preferably 10 to 35 mol%, more preferably 15 to 30 mol%, and even more preferably 20 to 30 mol% of a solid electrolyte such as a ceria-based solid solution; Illustrate a composite with the above transition metal perovskite oxide as a suitable example Can do.

また、上記中間層材料としては、具体的には、例えば、Gd、YおよびSmから選択される少なくとも1種の酸化物を、好ましくは、10〜35モル%、より好ましくは、15〜30モル%、さらにより好ましくは、20〜30モル%含むセリア系固溶体などを好適な一例として例示することができる。 Further, as the intermediate layer material, specifically, for example, at least one oxide selected from Gd 2 O 3 , Y 2 O 3 and Sm 2 O 3 is preferably used, preferably 10 to 35 mol%. More preferably, a ceria-based solid solution containing 15 to 30 mol%, more preferably 20 to 30 mol%, can be exemplified as a suitable example.

本SOFC単セルを得るには、例えば、以下のようにすれば良い。すなわち、例えば、先ず、上記固体電解質材料を、プレス成形法、テープ成形法などにより平板状に成形し、その組成に応じて最適な温度で焼結する。次いで、この固体電解質の一方の面に、上記燃料極材料を含むスラリーを、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、ハケ塗り法、スプレー法、ディッピング法などにより塗布し、その組成に応じて最適な温度で焼結し、燃料極とする。同様にして、固体電解質の他方の面に、上記空気極材料を含むスラリーを塗布して焼結し、空気極とする。   In order to obtain the present SOFC single cell, for example, the following may be performed. That is, for example, first, the solid electrolyte material is formed into a flat plate shape by a press forming method, a tape forming method, or the like, and sintered at an optimum temperature according to the composition. Next, the slurry containing the fuel electrode material is applied to one surface of the solid electrolyte by a screen printing method, a doctor blade method, a brush coating method, a spraying method, a dipping method, or the like, and an optimum temperature according to the composition. Sintered into a fuel electrode. Similarly, the slurry containing the air electrode material is applied to the other surface of the solid electrolyte and sintered to form an air electrode.

そして、燃料極の表面に、上記本集電材料を、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、ハケ塗り法、スプレー法、ディッピング法などにより塗布する。これにより、本SOFCを得ることができる。   Then, the current collecting material is applied to the surface of the fuel electrode by a screen printing method, a doctor blade method, a brush coating method, a spray method, a dipping method, or the like. Thereby, this SOFC can be obtained.

なお、上記本集電材料を塗布するにあたり、予め、燃料極の表面にバインダーなどを塗布しても良い。焼成体である燃料極の空孔にバインダーが含浸されることで、燃料極表面の平坦度が増し、本集電材料を比較的均一に層状に塗布しやすくなるからである。   In applying the current collecting material, a binder or the like may be applied to the surface of the fuel electrode in advance. This is because the pores of the fuel electrode, which is a fired body, are impregnated with the binder, thereby increasing the flatness of the surface of the fuel electrode and facilitating the application of the current collecting material in a relatively uniform manner.

3.本SOFC
本SOFCは、上記本SOFC単セルがセパレータを介して多数段積層されたものである。したがって、この電池中に含まれる上記本集電材料は、発電に使用される前の状態においては未焼成のままである。
3. This SOFC
The present SOFC is obtained by stacking a large number of the above-mentioned SOFC single cells through separators. Therefore, the current collecting material contained in the battery remains unfired in a state before being used for power generation .

なお、上記セパレータとしては、ともに、既に上述したものを用いることができる。   As the separator, those already described above can be used.

以下、実施例を用いて本発明に係る燃料極用集電材料、SOFC単セル、SOFCについてより具体的に説明する。   Hereinafter, the fuel electrode current collecting material, the SOFC single cell, and the SOFC according to the present invention will be described more specifically with reference to examples.

1.実施例および比較例に係る燃料極用集電材料の作製
(実施例1)
酸化ニッケル(NiO)粉末(50%径:3μm、(株)高純度化学研究所製)と、11mol%Sc−89mol%ZrOの組成を有する安定化ジルコニア(50%径:10μm、第一稀元素化学工業(株)製)(以下、「11ScSZ」という。)とを、それぞれ88vol%、12vol%となるように秤量した。
1. Production of current collecting material for fuel electrode according to Example and Comparative Example (Example 1)
Nickel oxide (NiO) powder (50% diameter: 3 μm, manufactured by Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd.) and stabilized zirconia having a composition of 11 mol% Sc 2 O 3 -89 mol% ZrO 2 (50% diameter: 10 μm, First Rare Element Chemical Industry Co., Ltd. (hereinafter referred to as “11ScSZ”) was weighed so as to be 88 vol% and 12 vol%, respectively.

次いで、酸化ニッケル粉末と11ScSZ粉末とを、ジルコニアボール、エタノールとともにポリエチレン製ポットに入れ、24時間混合した後、得られた泥しょうをポットから取り出し、乾燥させた。   Next, nickel oxide powder and 11ScSZ powder were placed in a polyethylene pot together with zirconia balls and ethanol, mixed for 24 hours, and then the obtained slurry was removed from the pot and dried.

次いで、得られた混合粉末にバインダー(ポリエチレングリコール)を加えてスラリー状に調製し、実施例1に係る燃料極用集電材料を得た。   Next, a binder (polyethylene glycol) was added to the obtained mixed powder to prepare a slurry, and a fuel electrode current collecting material according to Example 1 was obtained.

(比較例1)
酸化ニッケル(NiO)粉末(50%径:1μm、(株)高純度化学研究所製)にバインダー(ポリエチレングリコール)を加えてスラリー状に調製し、比較例1に係る燃料極用集電材料を得た。
(Comparative Example 1)
A binder (polyethylene glycol) is added to nickel oxide (NiO) powder (50% diameter: 1 μm, manufactured by Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd.) to prepare a slurry, and the current collecting material for a fuel electrode according to Comparative Example 1 is prepared. Obtained.

(比較例2)
酸化ニッケル(NiO)粉末(50%径:3μm、(株)高純度化学研究所製)と、11ScSZとを、それぞれ、80vol%、20vol%となるように秤量して混合した以外は、実施例1に係る燃料極用集電材料の作製と同様にして、比較例1に係る燃料極用集電材料を得た。
(Comparative Example 2)
Example except that nickel oxide (NiO) powder (50% diameter: 3 μm, manufactured by Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd.) and 11ScSZ were weighed and mixed to 80 vol% and 20 vol%, respectively. The fuel electrode current collector material according to Comparative Example 1 was obtained in the same manner as the production of the fuel electrode current collector material according to Example 1.

なお、上記50%径は、(株)堀場製作所製「レーザ回折/散乱式粒度分布測定装置」を用い、JIS R1629に準拠して測定した値である。   The 50% diameter is a value measured according to JIS R1629 using a “laser diffraction / scattering particle size distribution analyzer” manufactured by Horiba, Ltd.

2.実施例および比較例に係るSOFC単セルの作製
(実施例1C)
固体電解質材料として、4mol%Sc−96mol%ZrOの組成を有する安定化ジルコニア(第一稀元素化学工業(株)製、以下「4ScSZ」という。)を用い、これにバインダー(メチルセルロース)を加えてスラリーとし、ドクターブレード法を用いてグリーンシートを成形した。そして、このグリーンシートを、1350℃で2時間焼成し、厚さ約150μmの固体電解質板を作製した。
2. Production of SOFC single cells according to Examples and Comparative Examples (Example 1C)
As a solid electrolyte material, a stabilized zirconia having a composition of 4 mol% Sc 2 O 3 -96 mol% ZrO 2 (manufactured by Daiichi Elemental Chemical Co., Ltd., hereinafter referred to as “4ScSZ”) is used, and a binder (methylcellulose) is used. ) To form a slurry, and a green sheet was formed using a doctor blade method. And this green sheet was baked at 1350 degreeC for 2 hours, and the solid electrolyte board about 150 micrometers thick was produced.

次いで、酸化ニッケル(NiO)粉末(ナカライテスク製)と、10mol%Sc−1mol%CeO−89mol%ZrOの組成を有する安定化ジルコニア(第一稀元素化学工業(株)製、以下「10Sc1CeSZ」という。)粉末とを、NiとZrOに換算した重量比で4:6となるように秤量し、ボールミルで24時間混合した後、乾燥させ、燃料極材料とした。そして、この燃料極材料にバインダー(ポリエチレングリコール)を加えてスラリーとし、スクリーン印刷法を用いて固体電解質板の一方の面に塗布した。そして、これを1350℃にて2時間焼成し、厚さ約25μmの燃料極とした。 Next, nickel oxide (NiO) powder (manufactured by Nacalai Tesque) and stabilized zirconia having a composition of 10 mol% Sc 2 O 3 -1 mol% CeO 2 -89 mol% ZrO 2 (manufactured by Daiichi Rare Element Chemical Industries, Ltd.) (Hereinafter referred to as “10Sc1CeSZ”) The powder was weighed so that the weight ratio in terms of Ni and ZrO 2 was 4: 6, mixed in a ball mill for 24 hours, and then dried to obtain a fuel electrode material. Then, a binder (polyethylene glycol) was added to the fuel electrode material to form a slurry, which was applied to one surface of the solid electrolyte plate using a screen printing method. And this was baked at 1350 degreeC for 2 hours, and it was set as the fuel electrode about 25 micrometers thick.

次いで、空気極材料として、La0.6Sr0.2Co0.2Fe0.8を用い、(セイミケミカル(株)製)を用い、これにバインダー(ポリエチレングリコール)を加えてスラリーとし、スクリーン印刷法を用いて固体電解質板の他方の面に塗布した。そして、これを1150℃にて2時間焼成し、厚さ約25μmの空気極とした。 Next, La 0.6 Sr 0.2 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 is used as an air electrode material, (made by Seimi Chemical Co., Ltd.), and a binder (polyethylene glycol) is added to the slurry. And applied to the other surface of the solid electrolyte plate using a screen printing method. And this was baked at 1150 degreeC for 2 hours, and it was set as the air electrode of thickness about 25 micrometers.

次いで、上記燃料極の表面上に、スクリーン印刷法を用いて、実施例1に係る燃料極用集電材料を塗布することにより、厚さ約25μmの層状に成膜した。   Next, the current collecting material for a fuel electrode according to Example 1 was applied on the surface of the fuel electrode by screen printing to form a layer having a thickness of about 25 μm.

これにより、その燃料極の外表面に、実施例1に係る燃料極用集電材料が未焼成の状態で成膜されている、実施例1Cに係るSOFC単セルを得た。   Thus, an SOFC single cell according to Example 1C in which the fuel electrode current collecting material according to Example 1 was formed in an unfired state on the outer surface of the fuel electrode was obtained.

(比較例1C)
上記燃料極の表面上に、比較例1に係る燃料極用集電材料を塗布した以外は、実施例1Cに係るSOFC単セルの作製と同様にして、比較例1Cに係るSOFC単セルを得た。
(Comparative Example 1C)
A SOFC single cell according to Comparative Example 1C was obtained in the same manner as in the production of the SOFC single cell according to Example 1C, except that the fuel electrode current collecting material according to Comparative Example 1 was applied on the surface of the fuel electrode. It was.

(比較例2C)
上記燃料極の表面上に、比較例2に係る燃料極用集電材料を塗布した以外は、実施例1Cに係るSOFC単セルの作製と同様にして、比較例2Cに係るSOFC単セルを得た。
(Comparative Example 2C)
A SOFC single cell according to Comparative Example 2C was obtained in the same manner as in the production of the SOFC single cell according to Example 1C, except that the fuel electrode current collecting material according to Comparative Example 2 was applied on the surface of the fuel electrode. It was.

3.実施例および比較例に係るSOFCの作製 3. Production of SOFCs according to Examples and Comparative Examples

(実施例1S)
上記実施例1Cに係るSOFC単セルを、一対の金属セパレータ(日立金属(株)製、「ZMG232」)(材質:フェライト系ステンレス鋼)により挟持することにより、実施例1Sに係るSOFCを作製した。
(Example 1S)
The SOFC single cell according to Example 1C was sandwiched between a pair of metal separators (manufactured by Hitachi Metals, Ltd., “ZMG232”) (material: ferritic stainless steel) to produce an SOFC according to Example 1S. .

(比較例1S)
比較例1Cに係るSOFC単セルを用いた以外は、実施例1Sに係るSOFCの作製と同様にして、比較例1Sに係るSOFCを得た。
(Comparative Example 1S)
A SOFC according to Comparative Example 1S was obtained in the same manner as the SOFC according to Example 1S, except that the SOFC single cell according to Comparative Example 1C was used.

(比較例2S)
比較例2Cに係るSOFC単セルを用いた以外は、実施例1Sに係るSOFCの作製と同様にして、比較例2Sに係るSOFCを得た。
(Comparative Example 2S)
A SOFC according to Comparative Example 2S was obtained in the same manner as the SOFC according to Example 1S, except that the SOFC single cell according to Comparative Example 2C was used.

4.発電試験
4.1 発電試験<1>
実施例1S、比較例1Sおよび比較例2Sに係るSOFCを用いて、集電材料中における酸化ニッケルと安定化ジルコニアとの混合比による発電性能の違いを確認するための発電試験を行った。
4). Power generation test 4.1 Power generation test <1>
Using the SOFCs according to Example 1S, Comparative Example 1S, and Comparative Example 2S, a power generation test was performed to confirm the difference in power generation performance depending on the mixing ratio of nickel oxide and stabilized zirconia in the current collecting material.

この発電試験では、各SOFCに対して、燃料ガスとして水素(流量1L/min)、酸化剤ガスとして空気(流量2L/min)を供給した。なお、発電温度は800℃であり、燃料ガスは、オイルバスで加湿したバブラを通して3%の湿度に加湿したものを用いた。   In this power generation test, hydrogen (flow rate: 1 L / min) as fuel gas and air (flow rate: 2 L / min) as oxidant gas were supplied to each SOFC. The power generation temperature was 800 ° C., and the fuel gas used was humidified to 3% humidity through a bubbler humidified with an oil bath.

図1に、実施例1S、比較例1Sおよび比較例2Sに係るSOFCの電流と電圧との関係を示す。   FIG. 1 shows the relationship between the current and voltage of the SOFC according to Example 1S, Comparative Example 1S, and Comparative Example 2S.

図1によれば、次のことが分かる。すなわち、実施例1に係る燃料極用集電材料(酸化ニッケル/安定化ジルコニアの体積比=88/12)を用いた実施例1Sに係るSOFCは、比較例1に係る燃料極用集電材料(酸化ニッケル=100vol%)を用いた比較例1Sに係るSOFCとほぼ同等の発電性能が得られていることが分かる。 As can be seen from FIG. That is, the SOFC according to Example 1S using the fuel electrode current collector material (nickel oxide / stabilized zirconia volume ratio = 88/12) according to Example 1 is the fuel electrode current collector material according to Comparative Example 1. It can be seen that almost the same power generation performance as the SOFC according to Comparative Example 1S using (nickel oxide = 100 vol%) is obtained.

これに対し、比較例2に係る燃料極用集電材料(酸化ニッケル/安定化ジルコニアの体積比=80/20)を用いた比較例2Sに係るSOFCは、絶縁性である安定化ジルコニアの割合が過剰であるので、発電性能の低下が大きくなっている。この結果から、発電性能の低下を許容範囲内に押さえる観点から、集電材料中における酸化ニッケル/安定化ジルコニアの体積比は、少なくとも85/15以上は必要であると推測される。 On the other hand, the SOFC according to Comparative Example 2S using the current collecting material for fuel electrode according to Comparative Example 2 ( volume ratio of nickel oxide / stabilized zirconia = 80/20) is a ratio of stabilized zirconia that is insulating. Therefore, the power generation performance is greatly reduced. From this result, it is presumed that the volume ratio of nickel oxide / stabilized zirconia in the current collecting material is required to be at least 85/15 from the viewpoint of suppressing the decrease in power generation performance within an allowable range.

なお、酸化ニッケルは、発電時にニッケルに還元される。そのため、酸化ニッケルに代えてニッケルやニッケル合金を用いた場合でも、同様の結果が得られることは容易に類推可能である。   Note that nickel oxide is reduced to nickel during power generation. Therefore, even when nickel or a nickel alloy is used instead of nickel oxide, it can be easily analogized that similar results can be obtained.

4.2 発電試験<2>
実施例1S、比較例1Sに係るSOFCを用いて、起動・停止サイクルが、発電性能に及ぼす影響を確認するための発電試験を行った。なお、発電条件は、上記発電試験<1>と同じとした。
4.2 Power generation test <2>
Using the SOFC according to Example 1S and Comparative Example 1S, a power generation test for confirming the influence of the start / stop cycle on the power generation performance was performed. The power generation conditions were the same as in the above power generation test <1>.

図2に、比較例1Sに係るSOFCにおける、初期状態の電流と電圧との関係、再起動後の電流と電圧との関係を示す。図3に、実施例1Sに係るSOFCにおける、初期状態の電流と電圧との関係、再起動後の電流と電圧との関係を示す。   FIG. 2 shows the relationship between the current and voltage in the initial state and the relationship between the current and voltage after restart in the SOFC according to Comparative Example 1S. FIG. 3 shows the relationship between the current and voltage in the initial state and the relationship between the current and voltage after restart in the SOFC according to Example 1S.

図2および図3によれば、以下のことが分かる。すなわち、比較例1に係る燃料極用集電材料(酸化ニッケル=100vol%)を用いた比較例1Sに係るSOFCは、温度サイクル後に、発電性能が大きく劣化している。   2 and 3, the following can be understood. That is, the power generation performance of the SOFC according to Comparative Example 1S using the fuel electrode current collecting material (nickel oxide = 100 vol%) according to Comparative Example 1 is greatly deteriorated after the temperature cycle.

これは、単セルと金属セパレータとがニッケルによって固着してしまい、この状態で発電が停止され、冷却されたことにより、熱膨張率の異なる単セルと金属セパレータとが物理的に固着した状態で収縮し、両者の熱膨張差に起因する応力によって単セルが割れてしまったためであると推察される。   This is because the single cell and the metal separator are fixed by nickel, and in this state, the power generation is stopped and cooled, so that the single cell and the metal separator having different coefficients of thermal expansion are physically fixed. It is presumed that the single cell was cracked due to the shrinkage and the stress resulting from the difference in thermal expansion between the two.

これに対し、実施例1に係る燃料極用集電材料(酸化ニッケル/安定化ジルコニアの体積比=88/12)を用いた実施例1Sに係るSOFCは、温度サイクル前後でほとんど発電性能に変化がなく、安定して発電できていることが分かる。 On the other hand, the SOFC according to Example 1S using the fuel electrode current collecting material (Nickel oxide / stabilized zirconia volume ratio = 88/12) according to Example 1 almost changes in power generation performance before and after the temperature cycle. It can be seen that power generation is stable.

これは、集電材料中に、酸化ニッケル粉末以外に、電池発電時の温度でセパレータと固着しない安定化ジルコニア粉末を特定割合混合することにより、電池の起動・停止時に、ニッケルと当該材料との界面に微細なクラックが入るなどして、固着による応力を緩和させることができ、単セルの割れを回避できたためであると推察される。   This is because, in the current collecting material, in addition to nickel oxide powder, a specific proportion of stabilized zirconia powder that does not adhere to the separator at the temperature during battery power generation is mixed at a specific ratio, so that when the battery is started and stopped, the nickel and the material are mixed. This is presumably because the stress caused by the sticking could be relieved by the formation of fine cracks at the interface and the cracking of the single cells could be avoided.

また、再起動後の実施例1Sに係るSOFCは、発電時の昇温によって、燃料極用集電材料が焼結体になっている。この場合でも、初期状態と同様の発電性能が得られることから、燃料極用集電材料が焼結体になっても、単セルの割れや接触抵抗の増大を抑制することが可能であることが分かる。   Further, in the SOFC according to Example 1S after restart, the current collecting material for the fuel electrode is a sintered body due to the temperature rise during power generation. Even in this case, since the power generation performance similar to that in the initial state can be obtained, even if the current collecting material for the fuel electrode becomes a sintered body, it is possible to suppress the cracking of the single cell and the increase in the contact resistance. I understand.

本発明は上記実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。例えば、上記実施例では、集電材料中にバインダーを含む場合について例示したが、それ以外にも、本集電材料は、バインダーを用いず、乾燥した粉末状態のまま用いることも可能であり、特に限定されるものではない。   The present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, in the above embodiment, the case where a binder is included in the current collecting material is exemplified, but besides this, the current collecting material can be used in a dry powder state without using a binder, It is not particularly limited.

実施例1S、比較例1Sおよび比較例2Sに係るSOFCの電流と電圧との関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between the electric current and voltage of SOFC which concern on Example 1S, the comparative example 1S, and the comparative example 2S. 比較例1Sに係るSOFCにおける、初期状態の電流と電圧との関係、再起動後の電流と電圧との関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between the electric current and voltage of an initial state in the SOFC which concerns on the comparative example 1S, and the relationship between the electric current and voltage after a restart. 実施例1Sに係るSOFCにおける、初期状態の電流と電圧との関係、再起動後の電流と電圧との関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between the electric current and voltage of an initial state in the SOFC which concerns on Example 1S, and the relationship between the electric current and voltage after restart.

Claims (7)

固体酸化物形燃料電池の燃料極とセパレータとの間に介在され、
ニッケル粉末、ニッケル合金粉末、および、酸化ニッケル粉末から選択される1種または2種以上よりなるニッケル系粉末と、電池発電時の温度で前記セパレータと固着しない材料の粉末とを含み、
前記ニッケル系粉末と前記材料粉末との体積比(前記ニッケル系粉末の体積/前記材料粉末の体積)が87/13〜99/1の範囲にあり、
前記材料粉末と前記ニッケル系粉末の粒径比(前記材料粉末の粒径/前記ニッケル系粉末の粒径)が、6/1〜2/1の範囲にあることを特徴とする燃料極用集電材料。
Interposed between the anode and the separator of the solid oxide fuel cell,
Nickel powder, nickel alloy powder, and includes one or a more than consisting of nickel-based powder selected from nickel oxide powder, and a powder of a material that does not stick to the separator at a temperature during cell power generation,
In the range volume ratio (volume / volume the material powder of the nickel powder) is 87 / 13-99 / 1 and the material powder and the nickel powder,
A fuel electrode collection, wherein a particle diameter ratio of the material powder to the nickel-based powder (particle diameter of the material powder / particle diameter of the nickel-based powder) is in a range of 6/1 to 2/1. Electric material.
前記材料粉末は、酸化物粉末であることを特徴とする請求項1に記載の燃料極用集電材料。 The current collecting material for a fuel electrode according to claim 1, wherein the material powder is an oxide powder. 前記材料粉末は、安定化ジルコニア粉末、セリア系固溶体粉末、アルミナ粉末、および、ランタンガレート系複合酸化物粉末から選択される1種または2種以上であることを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料極用集電材料。 3. The material powder according to claim 1 or 2 , wherein the material powder is one or more selected from stabilized zirconia powder, ceria solid solution powder, alumina powder, and lanthanum gallate composite oxide powder. The collector material for fuel electrodes as described. さらに、バインダーを含むことを特徴とする請求項1からの何れかに記載の燃料極用集電材料。 The current collecting material for a fuel electrode according to any one of claims 1 to 3 , further comprising a binder. 酸素イオン導電性を示す固体電解質の一方面に燃料極が積層されるとともに、他方面に空気極が積層され、
前記燃料極の表面に、請求項1からの何れかに記載の燃料極用集電材料が未焼成の状態で成膜されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池単セル。
A fuel electrode is laminated on one side of the solid electrolyte exhibiting oxygen ion conductivity, and an air electrode is laminated on the other side,
A solid oxide fuel cell single cell, wherein the fuel electrode current collecting material according to any one of claims 1 to 4 is formed in an unfired state on the surface of the fuel electrode.
請求項に記載の固体酸化物形燃料電池単セルがセパレータを介して多数段積層されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。 A solid oxide fuel cell, wherein the solid oxide fuel cell single cell according to claim 5 is stacked in multiple stages via separators. 前記セパレータは、金属セパレータであることを特徴とする請求項に記載の固体酸化物形燃料電池。 The solid oxide fuel cell according to claim 6 , wherein the separator is a metal separator.
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