JP5202746B1 - Solid oxide fuel cell - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料側電極に設けられた緻密な導電性セラミックからなるインターコネクタの表面にN型半導体膜が設けられたSOFCであって、「インターコネクタとN型半導体膜との界面」の接合強度を大きくできるSOFC用燃料側電極を提供する。
【解決手段】SOFCの燃料側電極には、ランタンクロマイト(LC)からなるインターコネクタ140が設けられ、インターコネクタの表面にはN型半導体膜150が形成される。「インターコネクタとN型半導体膜とを含む断面における両者の界面に対応する線(境界線)の長さ」に対する「境界線上において両者が接触している複数の部分の長さの合計」の割合(接合率)が18〜65%であると、接合強度が大きくなる。更に、前記「複数の部分」の長さの平均(接合幅)が0.6〜4.8μmであると、接合強度が特に大きくなる。
【選択図】図2
An SOFC in which an N-type semiconductor film is provided on the surface of an interconnector made of a dense conductive ceramic provided on a fuel-side electrode, and having a bonding strength of an “interface between the interconnector and the N-type semiconductor film” A fuel-side electrode for SOFC that can increase the size of the fuel cell is provided.
An SOFC fuel-side electrode is provided with an interconnector 140 made of lanthanum chromite (LC), and an N-type semiconductor film 150 is formed on the surface of the interconnector. Ratio of “total length of a plurality of portions in contact with each other on the boundary line” to “the length of the line (boundary line) corresponding to the interface between the two in the cross section including the interconnector and the N-type semiconductor film” When the (bonding rate) is 18 to 65%, the bonding strength increases. Furthermore, when the average (joining width) of the lengths of the “plurality portions” is 0.6 to 4.8 μm, the joining strength is particularly increased.
[Selection] Figure 2

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池に関する。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell.

固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:SOFC)(の発電部)は、燃料側電極に、固体電解質からなる電解質膜、空気側電極を順に積層することで形成される。このSOFC(の発電部)に対して、燃料側電極に燃料ガス(水素ガス等)を供給するとともに空気側電極に酸素を含むガス(空気等)を供給することにより、電解質膜の両面の酸素ポテンシャル差に基づいて燃料側電極と空気側電極との間に電位差が発生する。   A solid oxide fuel cell (SOFC) (a power generation unit thereof) is formed by sequentially laminating an electrolyte membrane made of a solid electrolyte and an air side electrode on a fuel side electrode. By supplying fuel gas (hydrogen gas etc.) to the fuel side electrode and supplying oxygen-containing gas (air etc.) to the air side electrode to this SOFC (power generation part), oxygen on both sides of the electrolyte membrane A potential difference is generated between the fuel side electrode and the air side electrode based on the potential difference.

SOFCでは、通常、燃料側電極と空気側電極の何れか一方又は両方のそれぞれにインターコネクタ(集電用の導電性接続部材)が電気的に接続されるように設けられる。この(これらの)インターコネクタを介して前記電位差に基づく電力が外部に取り出される。   In the SOFC, an interconnector (a conductive connection member for current collection) is usually provided so as to be electrically connected to either one or both of the fuel side electrode and the air side electrode. Electric power based on the potential difference is taken out through the (these) interconnectors.

このようにインターコネクタが設けられたSOFCに関し、特許文献1では、燃料側電極に緻密な導電性セラミックからなるインターコネクタが設けられ、このインターコネクタの表面にP型半導体膜が設けられたSOFCが記載されている。このように緻密な導電性セラミックからなるインターコネクタの表面にP型半導体を設けると、理由は明確ではないが電流を効率良く流すことができる(即ち、導電性が向上する)、と記載されている。   With respect to the SOFC provided with the interconnector as described above, in Patent Document 1, an SOFC in which an interconnector made of a dense conductive ceramic is provided on the fuel-side electrode and a P-type semiconductor film is provided on the surface of the interconnector is disclosed. Have been described. It is described that when a P-type semiconductor is provided on the surface of an interconnector made of a dense conductive ceramic in this way, the reason is not clear, but the current can flow efficiently (that is, the conductivity is improved). Yes.

特許第4146738号明細書Japanese Patent No. 4146638

一般に、緻密な導電性セラミックからなるインターコネクタの表面にP型半導体膜のような導電性セラミックス膜が設けられる場合、先ず、緻密な導電性セラミックからなるインターコネクタが焼成により形成される。その後、その緻密なインターコネクタの表面に導電性セラミックス膜の前駆体であるグリーン成形体(膜)が形成される。そして、このグリーン成形体が焼成されることにより、緻密なインターコネクタの表面に導電性セラミックス膜が形成される。   Generally, when a conductive ceramic film such as a P-type semiconductor film is provided on the surface of an interconnector made of dense conductive ceramic, first, the interconnector made of dense conductive ceramic is formed by firing. Thereafter, a green molded body (film) which is a precursor of the conductive ceramic film is formed on the surface of the dense interconnector. The green molded body is fired to form a conductive ceramic film on the surface of the dense interconnector.

このように、緻密なインターコネクタが形成された後においてその表面に導電性セラミックス膜が焼成により形成される場合、導電性セラミックス膜は多孔質となる。これは、緻密層(導電性セラミックス膜の焼成時には収縮しない)の上に形成された導電性セラミックス膜の前駆体であるグリーン成形体の体積が所謂焼成収縮により減少する際にグリーン成形体の内部に多数の気孔が形成されることに基づく(詳細は後述)、と考えられる。即ち、この場合、インターコネクタと導電性セラミックス膜との界面は、緻密層と多孔質層との境界となる。   As described above, when the conductive ceramic film is formed on the surface after the dense interconnector is formed, the conductive ceramic film becomes porous. This is because when the volume of the green molded body, which is a precursor of the conductive ceramic film formed on the dense layer (which does not shrink when the conductive ceramic film is fired), decreases due to so-called firing shrinkage, This is considered to be based on the formation of a large number of pores (details will be described later). That is, in this case, the interface between the interconnector and the conductive ceramic film is the boundary between the dense layer and the porous layer.

本発明者は、このように、緻密層と多孔質層との境界となる「インターコネクタと導電性セラミックス膜との界面」において、特に、「緻密なインターコネクタと多孔質のN型半導体膜との界面」に着目した。そして、本発明者は、この界面の接合状態(接触状態)に関し、接合強度が大きくなる条件を見出した。   In this way, the present inventor, in particular, in the “interface between the interconnector and the conductive ceramic film” that becomes the boundary between the dense layer and the porous layer, in particular, “the dense interconnector and the porous N-type semiconductor film Focused on the “interface”. And this inventor discovered the conditions which joining strength becomes large regarding the joining state (contact state) of this interface.

即ち、本発明は、燃料側電極に設けられた緻密な導電性セラミックからなるインターコネクタの表面に多孔質のN型半導体膜が設けられたSOFCであって、「インターコネクタとN型半導体膜との界面」の接合状態に関し、接合強度が大きいものを提供することを目的とする。   That is, the present invention is an SOFC in which a porous N-type semiconductor film is provided on the surface of an interconnector made of a dense conductive ceramic provided on a fuel side electrode. An object of the present invention is to provide a bonding state having a high bonding strength with respect to the bonding state of the interface.

本発明に係るSOFCは、燃料ガスと接触して前記燃料ガスを反応させる燃料側電極と、前記燃料側電極に設けられた固体電解質からなる電解質膜と、前記酸素を含むガスを反応させる空気側電極であって前記電解質膜を前記燃料側電極と空気側電極とで挟むように前記電解質膜に設けられた空気側電極と、からなる固体酸化物形燃料電池の発電部と、前記燃料側電極に電気的に接続されるように設けられた緻密な導電性セラミックからなるインターコネクタと、前記インターコネクタの表面に形成された多孔質のN型半導体膜と、を備える。   The SOFC according to the present invention includes a fuel side electrode that reacts with the fuel gas in contact with the fuel gas, an electrolyte membrane made of a solid electrolyte provided on the fuel side electrode, and an air side that reacts with the oxygen-containing gas. A power generation part of a solid oxide fuel cell comprising: an electrode, an air side electrode provided on the electrolyte membrane so as to sandwich the electrolyte membrane between the fuel side electrode and the air side electrode; and the fuel side electrode And an interconnector made of a dense conductive ceramic provided so as to be electrically connected to the substrate, and a porous N-type semiconductor film formed on the surface of the interconnector.

ここにおいて、前記インターコネクタの材質として、化学式La1−xCr1−y−z(ただし、A:Ca,Sr,Baから選択される少なくとも1種類の元素、B:Co,Ni,Mg,Alから選択される少なくとも1種類の元素、xの範囲:0.05〜0.2、yの範囲:0.02〜0.22、zの範囲:0〜0.05)で表わされるランタンクロマイト(LC)が好適である。これは、燃料側電極のインターコネクタ(端子電極)の一端(内側)が還元雰囲気に曝され且つ他端(外側)が酸化雰囲気に曝されることに基づく。酸化・還元の両雰囲気で安定な導電性セラミックスとしては、現状では、LCが優れている。 Here, as a material of the interconnector, the chemical formula La 1-x A x Cr 1 -y-z B y O 3 ( provided that, A: Ca, Sr, at least one element selected from Ba, B: Co , Ni, Mg, Al, at least one element selected, x range: 0.05 to 0.2, y range: 0.02 to 0.22, z range: 0 to 0.05) Lanthanum chromite (LC) represented by This is based on the fact that one end (inner side) of the interconnector (terminal electrode) of the fuel side electrode is exposed to a reducing atmosphere and the other end (outer side) is exposed to an oxidizing atmosphere. At present, LC is excellent as a conductive ceramic that is stable in both oxidizing and reducing atmospheres.

なお、前記インターコネクタの材質として、化学式(A1−x,B1−z(Ti1−y,D)O(ただし、A:アルカリ土類元素から選択される少なくとも1種類の元素、B:Sc,Y,及びランタノイド元素から選択される少なくとも1種類の元素、D:第4周期、第5周期、第6周期の遷移金属、及びAl,Si,Zn,Ga,Ge,Sn,Sb,Pb,Biから選択される少なくとも1種類の元素、xの範囲:0〜0.5、yの範囲:0〜0.5、zの範囲:−0.05〜0.05)で表わされるチタン酸化物も好適である。チタン酸化物としては、例えば、AとしてストロンチウムSrが使用された「ストロンチウムチタネートSrTiO」が採用され得る。SrTiOも酸化・還元の両雰囲気で安定である。 Incidentally, as the material of the interconnector, the formula (A 1-x, B x ) 1-z (Ti 1-y, D y) O 3 ( provided that, A: at least one selected from alkaline earth element Element, B: at least one element selected from Sc, Y, and lanthanoid elements, D: transition metal of the fourth period, fifth period, and sixth period, and Al, Si, Zn, Ga, Ge, Sn , Sb, Pb, Bi, x range: 0 to 0.5, y range: 0 to 0.5, z range: -0.05 to 0.05) The titanium oxide represented is also suitable. As the titanium oxide, for example, “strontium titanate SrTiO 3 ” in which strontium Sr is used as A may be employed. SrTiO 3 is also stable in both oxidizing and reducing atmospheres.

前記N型半導体膜の材質としては、ランタンニッケルフェライトコバルタイトLa(Ni,Fe,Cu)Oが好適である。 As a material of the N-type semiconductor film, lanthanum nickel ferrite cobaltite La (Ni, Fe, Cu) O 3 is suitable.

本発明に係るSOFCの特徴は、「前記インターコネクタと前記N型半導体膜とを含む断面における前記インターコネクタと前記N型半導体膜との界面に対応する線である境界線の長さ」に対する、「前記境界線上において前記インターコネクタと前記N型半導体膜とが接触している複数の部分の長さの合計」の割合である「接合率」が18〜65%であることにある。   The feature of the SOFC according to the present invention is that “the length of a boundary line corresponding to an interface between the interconnector and the N-type semiconductor film in a cross section including the interconnector and the N-type semiconductor film” The “joining rate”, which is a ratio of “the total length of a plurality of portions where the interconnector and the N-type semiconductor film are in contact with each other on the boundary line”, is 18 to 65%.

加えて、本発明に係るSOFCの特徴は、前記境界線上において前記インターコネクタと前記N型半導体膜とが接触している前記複数の部分の長さの平均である「接合幅」が0.6〜4.8μmであることにある。   In addition, a feature of the SOFC according to the present invention is that the “junction width” that is an average of the lengths of the plurality of portions where the interconnector and the N-type semiconductor film are in contact with each other on the boundary line is 0.6. ˜4.8 μm.

後述するように、本発明者は、「接合率」が18〜65%である場合、「接合率」が18〜65%でない場合と比べて、「インターコネクタとN型半導体膜との界面」において、接合強度が大きくなることを見出した。加えて、後述するように、本発明者は、「接合幅」が0.6〜4.8μmである場合において接合強度が特に大きくなることも見出した。   As will be described later, the present inventor found that when the “joining rate” is 18 to 65%, compared to the case where the “joining rate” is not 18 to 65%, “the interface between the interconnector and the N-type semiconductor film”. And found that the bonding strength is increased. In addition, as will be described later, the present inventors have also found that the bonding strength is particularly increased when the “bonding width” is 0.6 to 4.8 μm.

本発明の実施形態に係るSOFCの構成を示した模式図である。It is the schematic diagram which showed the structure of SOFC which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係るインターコネクタとN型半導体膜とを含む断面を電子顕微鏡で1000倍に拡大して得られた図であり、「接合率」及び「接合幅」を説明するための図である。It is the figure obtained by enlarging the cross section containing the interconnector and N type semiconductor film which concerns on embodiment of this invention by 1000 time with an electron microscope, and is a figure for demonstrating "joining rate" and "joining width" It is.

(構成)
図1は、本発明の実施形態に係るSOFC(のセル)100の構成を示す。SOFC100は、燃料側電極110と、燃料側電極110の上面に積層された電解質膜120と、電解質膜120の上面に積層された空気側電極130を備える。これらの3層からなる積層体は、SOFC100の発電部を構成している。なお、燃料側電極110の内部に燃料ガスを流す流路が設けられていても良い。
(Constitution)
FIG. 1 shows the configuration of a SOFC (cell) 100 according to an embodiment of the present invention. The SOFC 100 includes a fuel side electrode 110, an electrolyte membrane 120 stacked on the upper surface of the fuel side electrode 110, and an air side electrode 130 stacked on the upper surface of the electrolyte membrane 120. A laminate composed of these three layers constitutes a power generation unit of the SOFC 100. Note that a flow path for flowing fuel gas may be provided inside the fuel-side electrode 110.

また、SOFC100では、燃料側電極100の下面にインターコネクタ140が電気的に接続されるように設けられている(接合されている)。インターコネクタ140の下面にはN型半導体からなる導電膜(N型半導体膜)150が形成されている。   In the SOFC 100, the interconnector 140 is provided (bonded) to the lower surface of the fuel-side electrode 100 so as to be electrically connected. A conductive film (N-type semiconductor film) 150 made of an N-type semiconductor is formed on the lower surface of the interconnector 140.

SOFC100を上方からみた形状は、例えば、1辺が1〜30cmの正方形、長辺が5〜30cmで短辺が3〜15cmの長方形、又は直径が1〜30cmの円形である。SOFC100全体の厚さは、0.1〜3mmである。なお、インターコネクタ140は、燃料側電極110の下面の全面に設けられていてもよいし、一部のみに設けられていてもよい。また、N型半導体膜150は、インターコネクタ140の下面の全面に設けられていてもよいし、一部のみに設けられていてもよい。また、空気側電極130の上面にインターコネクタが設けられていてもよい。   The shape of the SOFC 100 viewed from above is, for example, a square having a side of 1 to 30 cm, a long side of 5 to 30 cm and a short side of 3 to 15 cm, or a diameter of 1 to 30 cm. The total thickness of the SOFC 100 is 0.1 to 3 mm. The interconnector 140 may be provided on the entire lower surface of the fuel side electrode 110 or may be provided on only a part thereof. Further, the N-type semiconductor film 150 may be provided on the entire lower surface of the interconnector 140 or may be provided only on a part thereof. In addition, an interconnector may be provided on the upper surface of the air-side electrode 130.

燃料側電極110(アノード電極)は、酸化ニッケルNiO及び/又はニッケルNiとイットリア安定化ジルコニアYSZとから構成される多孔質の薄板状の焼成体である。燃料側電極110の厚さは0.1〜3mmである。SOFC100の各構成部材の厚さのうち燃料側電極110の厚さが最も大きく、燃料側電極110は、SOFC100の支持体(支持基板、最も剛性が高い部材)として機能している。   The fuel side electrode 110 (anode electrode) is a porous thin plate-like fired body composed of nickel oxide NiO and / or nickel Ni and yttria stabilized zirconia YSZ. The thickness of the fuel side electrode 110 is 0.1 to 3 mm. The fuel-side electrode 110 has the largest thickness among the constituent members of the SOFC 100, and the fuel-side electrode 110 functions as a support body (support substrate, member having the highest rigidity) of the SOFC 100.

なお、燃料側電極110(アノード電極)は、酸化ニッケルNiO及び/又はニッケルNiとイットリアYとから構成されていてもよい。また、燃料側電極110は、燃料極集電層(インターコネクタ側)と燃料極活性層(電解質膜側)との2層によって構成されていてもよい。この場合、燃料極活性部は、例えば、酸化ニッケルNiOとイットリア安定化ジルコニアYSZ(8YSZ)とから構成され得る。或いは、酸化ニッケルNiOとガドリニウムドープセリアGDCとから構成されてもよい。燃料極集電部は、例えば、酸化ニッケルNiOとイットリア安定化ジルコニアYSZ(8YSZ)とから構成され得る。或いは、酸化ニッケルNiOとイットリアYとから構成されてもよいし、酸化ニッケルNiOとカルシア安定化ジルコニアCSZとから構成されてもよい。燃料極活性部の厚さは、5〜30μmであり、燃料極集電部の厚さは、50〜500μmである。 The fuel side electrode 110 (anode electrode) may be composed of nickel oxide NiO and / or nickel Ni and yttria Y 2 O 3 . The fuel side electrode 110 may be composed of two layers, a fuel electrode current collecting layer (interconnector side) and a fuel electrode active layer (electrolyte membrane side). In this case, the anode active portion can be composed of, for example, nickel oxide NiO and yttria stabilized zirconia YSZ (8YSZ). Alternatively, it may be composed of nickel oxide NiO and gadolinium-doped ceria GDC. The fuel electrode current collector may be composed of, for example, nickel oxide NiO and yttria stabilized zirconia YSZ (8YSZ). Alternatively, it may be composed of nickel oxide NiO and yttria Y 2 O 3 , or may be composed of nickel oxide NiO and calcia stabilized zirconia CSZ. The thickness of the anode active portion is 5 to 30 μm, and the thickness of the anode current collecting portion is 50 to 500 μm.

このように、燃料極集電部は、電子伝導性を有する物質を含んで構成される。燃料極活性部は、電子伝導性を有する物質と酸素イオン伝導性を有する物質とを含んで構成される。燃料極活性部における「気孔部分を除いた全体積に対する酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合」は、燃料極集電部における「気孔部分を除いた全体積に対する酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合」よりも大きい。   As described above, the fuel electrode current collector includes a substance having electronic conductivity. The fuel electrode active part includes a substance having electron conductivity and a substance having oxygen ion conductivity. “Volume ratio of the substance having oxygen ion conductivity with respect to the total volume excluding the pore part” in the anode active part is “the volume ratio of the substance having oxygen ion conductivity with respect to the whole volume excluding the pore part” It is larger than the “volume ratio”.

電解質膜120は、YSZから構成される緻密な薄板状の焼成体である。電解質膜120の厚さは3〜30μmである。   The electrolyte membrane 120 is a dense thin plate-like fired body made of YSZ. The thickness of the electrolyte membrane 120 is 3 to 30 μm.

空気側電極130(カソード電極)は、ランタンストロンチウムコバルトフェライトLSCF(La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8)からなる多孔質の薄板状の焼成体である。空気側電極130の厚さは5〜50μmである。空気側電極130は、LSCFからなる第1層(電解質膜側)とランタンストロンチウムマンガナイトLSM(La0.8Sr0.2MnO)又はランタンストロンチウムコバルタイトLSC(La0.8Sr0.2CoO)からなる第2層(第1層の上面に積層された層)との2層によって構成されてもよい。 The air-side electrode 130 (cathode electrode) is a porous thin plate-like fired body made of lanthanum strontium cobalt ferrite LSCF (La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 ). The thickness of the air side electrode 130 is 5-50 micrometers. The air-side electrode 130 includes a first layer (electrolyte membrane side) made of LSCF and lanthanum strontium manganite LSM (La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 ) or lanthanum strontium cobaltite LSC (La 0.8 Sr 0.2 It may be configured by two layers including a second layer (a layer stacked on the upper surface of the first layer) made of CoO 3 .

なお、SOFC作製時又は作動中のSOFC100内において電解質膜120内のYSZと空気側電極130内のストロンチウムとが反応して電解質膜120と空気側電極130との間の電気抵抗が増大する現象の発生を抑制するために、電解質膜120と空気側電極130との間に反応防止層が介装されてもよい。反応防止層は、セリアからなる緻密な薄板状の焼成体であることが好ましい。セリアとしては、具体的には、GDC(ガドリニウムドープセリア)、SDC(サマリウムドープセリア)等が挙げられる。   It should be noted that the phenomenon in which the electrical resistance between the electrolyte membrane 120 and the air-side electrode 130 is increased due to the reaction between YSZ in the electrolyte membrane 120 and strontium in the air-side electrode 130 in the SOFC 100 during production or operation of the SOFC. In order to suppress the generation, a reaction preventing layer may be interposed between the electrolyte membrane 120 and the air side electrode 130. The reaction preventing layer is preferably a dense thin plate-like fired body made of ceria. Specific examples of ceria include GDC (gadolinium doped ceria) and SDC (samarium doped ceria).

インターコネクタ140は、導電性セラミックからなる緻密な薄板状の導電性接続部材である。インターコネクタ140の厚さは1〜100μmである。インターコネクタ140の気孔率は、5%以下である。導電性セラミックとしては、例えば、化学式が下記(1)式で表されるランタンクロマイト(LC)が採用される。下記(1)式において、Aは、Ca,Sr,Baから選択される少なくとも1種類の元素である。Bは、Co,Ni,Mg,Alから選択される少なくとも1種類の元素である。xの範囲は、0.05〜0.2であり、yの範囲は、0.02〜0.22であり、zの範囲は、0〜0.05である。δは0を含む微小値である。   The interconnector 140 is a dense thin plate-like conductive connecting member made of a conductive ceramic. The thickness of the interconnector 140 is 1 to 100 μm. The porosity of the interconnector 140 is 5% or less. As the conductive ceramic, for example, lanthanum chromite (LC) whose chemical formula is represented by the following formula (1) is employed. In the following formula (1), A is at least one element selected from Ca, Sr, and Ba. B is at least one element selected from Co, Ni, Mg, and Al. The range of x is 0.05 to 0.2, the range of y is 0.02 to 0.22, and the range of z is 0 to 0.05. δ is a minute value including zero.

La1−xCr1−y−z3−δ …(1) La 1-x A x Cr 1-yz B y O 3-δ (1)

N型半導体膜150は、N型半導体からなる多孔質の薄板状の導電膜である。N型半導体膜150の厚さは1〜100μmである。N型半導体膜の気孔率は、20〜50%である。N型半導体としては、例えば、ランタンニッケルフェライトコバルタイトLa(Ni,Fe,Cu)O等が採用される。なお、N型半導体膜150の内部にてN型半導体の材料が50体積%以上含まれる限りにおいて、N型半導体膜150の内部に、焼結性改善のための絶縁性材料(例えば、ガラス)や導電性改善のための貴金属材料(例えば、白金)等が添加されていてもよい。 The N-type semiconductor film 150 is a porous thin plate-like conductive film made of an N-type semiconductor. The thickness of the N-type semiconductor film 150 is 1 to 100 μm. The porosity of the N-type semiconductor film is 20 to 50%. As the N-type semiconductor, for example, lanthanum nickel ferrite cobaltite La (Ni, Fe, Cu) O 3 or the like is employed. As long as the N-type semiconductor material is contained in an amount of 50% by volume or more in the N-type semiconductor film 150, an insulating material (for example, glass) for improving the sinterability is contained in the N-type semiconductor film 150. Or a noble metal material (for example, platinum) for improving conductivity may be added.

このSOFC100に対して、燃料側電極110に燃料ガス(水素ガス等)を供給するとともに空気側電極130に酸素を含むガス(空気等)を供給することにより、下記(2)、(3)式に示す化学反応が発生する。これにより、燃料側電極110と空気側電極130との間に電位差が発生する。この電位差は、電解質膜120の両面の酸素ポテンシャル差に基づく。
(1/2)・O+2e→O2− (於:空気側電極130) …(2)
+O2−→HO+2e (於:燃料側電極110) …(3)
By supplying a fuel gas (hydrogen gas or the like) to the fuel side electrode 110 and a gas containing oxygen (air or the like) to the air side electrode 130 to the SOFC 100, the following equations (2) and (3) The chemical reaction shown in FIG. As a result, a potential difference is generated between the fuel side electrode 110 and the air side electrode 130. This potential difference is based on the oxygen potential difference between the two surfaces of the electrolyte membrane 120.
(1/2) · O 2 + 2e → O 2− (where: air side electrode 130) (2)
H 2 + O 2− → H 2 O + 2e (where: fuel side electrode 110) (3)

この電位差に起因して、SOFC100において、電流は、N型半導体膜150→インターコネクタ(LC)140→燃料側電極110→電解質膜120→空気側電極130の方向に流れる(電子は、空気側電極130→電解質膜120→燃料側電極110→インターコネクタ(LC)140→N型半導体膜150の方向に流れる)。そして、インターコネクタ(LC)140(及び、空気側電極130に設けられた図示しないインターコネクタ)を介して、前記電位差に基づく電力がSOFC100の外部に取り出される。   Due to this potential difference, in SOFC 100, current flows in the direction of N-type semiconductor film 150 → interconnector (LC) 140 → fuel side electrode 110 → electrolyte film 120 → air side electrode 130 (electrons are air side electrode). 130 → electrolyte film 120 → fuel side electrode 110 → interconnector (LC) 140 → flows in the direction of the N-type semiconductor film 150). Then, electric power based on the potential difference is taken out of the SOFC 100 via the interconnector (LC) 140 (and an interconnector (not shown) provided on the air-side electrode 130).

なお、本例では、膜の気孔率は、以下のように測定された。先ず、膜の気孔内に樹脂が進入するようにその膜に対して所謂「樹脂埋め」処理がなされた。その「樹脂埋め」処理された膜の表面に対して機械研磨がなされた。機械研磨された表面の微構造を走査型電子顕微鏡を用いて観察して得られた画像に対して画像処理を行うことによって、気孔の部分(樹脂が進入している部分)と気孔でない部分(樹脂が進入していない部分)の面積がそれぞれ算出された。その比率が膜の気孔率とされた。   In this example, the porosity of the membrane was measured as follows. First, a so-called “resin filling” process was performed on the membrane so that the resin entered the pores of the membrane. The surface of the “resin-filled” film was mechanically polished. By performing image processing on the image obtained by observing the microstructure of the mechanically polished surface with a scanning electron microscope, the pore portion (the portion where the resin enters) and the non-pore portion ( The area of the portion where the resin did not enter was calculated. That ratio was taken as the porosity of the membrane.

(製造方法)
次に、図1に示したSOFC100の製造方法の一例について説明する。
(Production method)
Next, an example of a method for manufacturing the SOFC 100 shown in FIG. 1 will be described.

先ず、燃料側電極110の前駆体(焼成前)が以下のように形成された。即ち、NiO粉末とYSZ粉末とが混合され、この混合物にバインダーとしてポリビニルアルコール(PVA)が添加されてスラリーが作製された。このスラリーがスプレードライヤーで乾燥・造粒され、燃料側電極用の粉末が得られた。この粉末が金型プレス成形法により成形されて、燃料側電極110の前駆体が形成された。   First, the precursor (before firing) of the fuel side electrode 110 was formed as follows. That is, NiO powder and YSZ powder were mixed, and polyvinyl alcohol (PVA) was added as a binder to this mixture to prepare a slurry. This slurry was dried and granulated with a spray dryer to obtain a powder for the fuel side electrode. This powder was molded by a die press molding method to form a precursor of the fuel side electrode 110.

次に、電解質膜120の前駆体(焼成前)が、以下のように燃料側電極110の前駆体の上面に形成された。即ち、YSZ粉末に水とバインダーが加えられ、この混合物がボールミルで24時間混合されてスラリーが作製された。このスラリーが、燃料側電極110の前駆体の上面に塗布・乾燥されて、電解質膜120の前駆体(膜)が形成された。なお、燃料側電極110の前駆体の上面に電解質膜120の前駆体(膜)を形成するに際し、テープ積層法、印刷法等が用いられてもよい。   Next, the precursor of the electrolyte membrane 120 (before firing) was formed on the upper surface of the precursor of the fuel side electrode 110 as follows. That is, water and a binder were added to the YSZ powder, and this mixture was mixed with a ball mill for 24 hours to prepare a slurry. This slurry was applied to the upper surface of the precursor of the fuel side electrode 110 and dried to form a precursor (film) of the electrolyte membrane 120. Note that when the precursor (film) of the electrolyte membrane 120 is formed on the upper surface of the precursor of the fuel-side electrode 110, a tape lamination method, a printing method, or the like may be used.

次いで、インターコネクタ140の前駆体(焼成前)が、ランタンクロマイト粉末を用いて、印刷法、テープ積層法、スラリーディップ法、プラズマ溶射法、或いはエアロゾルデポジション法等を利用して、燃料側電極110の前駆体の下面に形成された。   Next, a precursor of the interconnector 140 (before firing) is obtained by using a lanthanum chromite powder and using a printing method, a tape lamination method, a slurry dipping method, a plasma spraying method, an aerosol deposition method, or the like, 110 was formed on the lower surface of the precursor.

以上より、燃料側電極110の前駆体、電解質膜120の前駆体、及びインターコネクタ140の前駆体の3層からなる積層体(焼成前)が形成された。この積層体(焼成前)が、1300〜1600℃で2時間共焼結されて、多孔質の燃料側電極110、緻密な電解質膜120、及び緻密なインターコネクタ140の3層からなる積層体(焼成後)が得られた。   From the above, a laminated body (before firing) composed of three layers of the fuel-side electrode 110 precursor, the electrolyte membrane 120 precursor, and the interconnector 140 precursor was formed. This laminate (before firing) is co-sintered at 1300 to 1600 ° C. for 2 hours to form a laminate comprising three layers of a porous fuel-side electrode 110, a dense electrolyte membrane 120, and a dense interconnector 140 ( After firing) was obtained.

次に、空気側電極130が、以下のように前記積層体の電解質膜120の上面に形成された。即ち、LSCF粉末に水とバインダーが加えられ、この混合物がボールミルで24時間混合されてスラリーが作製された。このスラリーが、電解質膜120の上面に塗布・乾燥され、電気炉(酸素含有雰囲気中)で空気中にて1000℃で1時間焼成されて、電解質膜120の上面に多孔質の空気側電極130が形成された。   Next, the air side electrode 130 was formed on the upper surface of the electrolyte membrane 120 of the laminate as follows. That is, water and a binder were added to the LSCF powder, and this mixture was mixed with a ball mill for 24 hours to prepare a slurry. This slurry is applied and dried on the upper surface of the electrolyte membrane 120 and baked in air at 1000 ° C. for 1 hour in an electric furnace (in an oxygen-containing atmosphere), so that the porous air-side electrode 130 is formed on the upper surface of the electrolyte membrane 120. Formed.

次に、N型半導体膜150が、以下のようにインターコネクタ140の下面に形成された。即ち、La(Ni,Fe,Cu)O粉末に水とバインダーが加えられ、この混合物がボールミルで24時間混合されてスラリーが作製された。そのスラリーを利用して、インターコネクタ140の下面にスプレー法等によって膜が形成された。この膜を1000〜1400℃で2時間焼成することにより、インターコネクタ140の下面に多孔質のN型半導体膜150が形成された。 Next, an N-type semiconductor film 150 was formed on the lower surface of the interconnector 140 as follows. That is, water and a binder were added to La (Ni, Fe, Cu) O 3 powder, and this mixture was mixed with a ball mill for 24 hours to prepare a slurry. Using the slurry, a film was formed on the lower surface of the interconnector 140 by a spray method or the like. By baking this film at 1000 to 1400 ° C. for 2 hours, a porous N-type semiconductor film 150 was formed on the lower surface of the interconnector 140.

N型半導体膜の形成方法としては、印刷法、テープ積層法、スラリーディップ法も適用可能である。なお、N型半導体膜の焼成が空気側電極の焼成と同じ温度で実行される場合、N型半導体膜と空気側電極とが同時に焼成されてもよい。また、N型半導体膜の焼成が空気側電極の焼成より高い温度で実行される場合、N型半導体膜の焼成は、空気側電極の焼成の前に実行されてもよいし、インターコネクタの焼成と同時に実行されてもよい。   As a method for forming the N-type semiconductor film, a printing method, a tape laminating method, and a slurry dip method are also applicable. Note that when the firing of the N-type semiconductor film is performed at the same temperature as the firing of the air-side electrode, the N-type semiconductor film and the air-side electrode may be fired simultaneously. Further, when the firing of the N-type semiconductor film is performed at a higher temperature than the firing of the air-side electrode, the firing of the N-type semiconductor film may be performed before the firing of the air-side electrode, or the firing of the interconnector It may be executed at the same time.

なお、このように、緻密な導電性セラミックからなるインターコネクタが形成(完成)された後に、その表面にN型半導体膜が焼成により形成される場合、N型半導体膜は多孔質となる。これは、以下の理由に基づくと考えられる。即ち、N型半導体膜の前駆体である前記スラリー(グリーン成形体)の焼成の際、グリーン成形体(焼成前)が所謂焼成収縮により収縮しようとする一方で、既に焼成済みの緻密層(インターコネクタ)は収縮しない。即ち、グリーン成形体全体の体積が減少しようとする一方で、グリーン成形体における緻密層との界面近傍の部分では、所謂アンカー効果により、平面方向(界面に沿う方向)における寸法の減少が妨げられる。この結果、グリーン成形体の内部に多数の気孔が形成される。即ち、焼成体であるN型半導体膜は多孔質となる。以上、インターコネクタ140とN型半導体膜150との界面は、緻密層と多孔質層との境界となる。   In addition, when an N-type semiconductor film is formed on the surface after the interconnector made of a dense conductive ceramic is formed (completed) in this way, the N-type semiconductor film becomes porous. This is considered based on the following reasons. That is, when the slurry (green molded body), which is a precursor of the N-type semiconductor film, is fired, the green molded body (before firing) tends to shrink by so-called firing shrinkage, while the already fired dense layer (interlayer) Connector) does not shrink. That is, while the volume of the entire green molded body tends to be reduced, the so-called anchor effect prevents the reduction of the dimension in the plane direction (direction along the interface) in the portion near the interface with the dense layer in the green molded body. . As a result, a large number of pores are formed inside the green molded body. That is, the N-type semiconductor film that is a fired body is porous. As described above, the interface between the interconnector 140 and the N-type semiconductor film 150 is a boundary between the dense layer and the porous layer.

以上により、SOFC100を構成する部材の積層が完了する。ここで、燃料側電極110は導電性を有する必要がある。従って、焼成後の燃料側電極110(焼成体)に対して、800℃の高温下にて還元ガスを供給する熱処理(還元処理)が行われる。この還元処理により、NiOがNiへと還元されて、燃料側電極110は導電性を獲得する。以上、図1に示したSOFC100の製造方法の一例について説明した。   Thus, the lamination of the members constituting the SOFC 100 is completed. Here, the fuel side electrode 110 needs to have conductivity. Therefore, heat treatment (reduction treatment) for supplying a reducing gas at a high temperature of 800 ° C. is performed on the fired fuel-side electrode 110 (fired body). By this reduction treatment, NiO is reduced to Ni, and the fuel side electrode 110 acquires electrical conductivity. In the above, an example of the manufacturing method of SOFC100 shown in FIG. 1 was demonstrated.

以下、材料がP型半導体であるかN型半導体であるかの判別手法について付言する。この判別は、ゼーベック係数に基づいてなされ得る。一般に、ゼーベック係数が正であるものがP型半導体であり、負であるものがN型半導体であると判定され得る。   Hereinafter, a method for determining whether a material is a P-type semiconductor or an N-type semiconductor will be additionally described. This determination can be made based on the Seebeck coefficient. In general, it can be determined that the one with a positive Seebeck coefficient is a P-type semiconductor and the one with a negative Seebeck coefficient is an N-type semiconductor.

具体的には、例えば、以下のように判定がなされる。先ず、材料の粉末を一軸プレスを用いて成形し、その成形体を1400℃×2時間で焼成し、焼結体を得る。得られた焼結体から、φ3.0mm、L=10mmの試験片を作製し、ULVAC理工のZME−3シリーズの評価装置を用いてゼーベック係数の測定を行う。この測定は、例えば、不活性ガスの雰囲気下、750℃で行われる。この測定の結果、ゼーベック係数が正となったものがP型半導体、負となったものがN型半導体と判定され得る。上述のN型半導体膜150ではゼーベック係数が負となる。   Specifically, for example, the determination is made as follows. First, the material powder is molded using a uniaxial press, and the molded body is fired at 1400 ° C. for 2 hours to obtain a sintered body. A test piece of φ3.0 mm and L = 10 mm is prepared from the obtained sintered body, and the Seebeck coefficient is measured using a ZVAC-3 series evaluation device manufactured by ULVAC Riko. This measurement is performed at, for example, 750 ° C. in an inert gas atmosphere. As a result of this measurement, it can be determined that a Seebeck coefficient becomes positive as a P-type semiconductor, and a negative Seebeck coefficient as an N-type semiconductor. In the above-described N-type semiconductor film 150, the Seebeck coefficient is negative.

(インターコネクタとN型半導体膜との界面)
以下、インターコネクタ140とN型半導体膜150との界面、即ち、緻密層と多孔質層との境界に着目する。図2は、本発明の実施形態に係るインターコネクタ140とN型半導体膜150とを含む断面(積層方向(膜の厚さ方向)に沿う断面、各要素(各膜)の平面方向に垂直の断面)を電子顕微鏡で1000倍に拡大して観察した様子を示す。
(Interface between interconnector and N-type semiconductor film)
Hereinafter, attention is focused on the interface between the interconnector 140 and the N-type semiconductor film 150, that is, the boundary between the dense layer and the porous layer. FIG. 2 is a cross-section including a cross-connector 140 and an N-type semiconductor film 150 according to an embodiment of the present invention (a cross-section along the stacking direction (film thickness direction), and perpendicular to the planar direction of each element (each film). The cross section) is observed with an electron microscope magnified 1000 times.

本明細書では、この断面においてインターコネクタ140(緻密層)とN型半導体膜150(多孔質層)との界面に対応する線(図2に示した例では、線分L)を「境界線」と呼ぶ。この境界線は、例えば、以下のように定義され得る。即ち、断面上において、多孔質層に含まれる多数の気孔のうちで緻密層に面して存在する複数の気孔が抽出される。抽出された複数の気孔のそれぞれについて、気孔内に対応する領域において最も緻密層側の点(図2に示した例では、気孔内に対応する領域において最も下側の点)がプロットされる(図2に示した例では、複数の黒いドットを参照)。プロットされた複数の点と周知の統計的手法の一つ(例えば、最小二乗法)とを用いて、プロットされた複数の点のそれぞれの近傍を通る線(直線、又は曲線)が決定される。この線(図2に示した例では、線分L)が「境界線」となる。なお、図2に示した例では、インターコネクタが平板状であるために「境界線」が直線になっているが、例えば、インターコネクタが反っていたり湾曲している場合には「境界線」は曲線となる。また、「境界線」が、直線と曲線との組み合わせで構成されていてもよい。   In this specification, a line corresponding to the interface between the interconnector 140 (dense layer) and the N-type semiconductor film 150 (porous layer) in this cross section (the line segment L in the example shown in FIG. 2) is referred to as “boundary line”. " This boundary line can be defined as follows, for example. That is, a plurality of pores that are present facing the dense layer among a large number of pores included in the porous layer on the cross section are extracted. For each of the plurality of extracted pores, the point on the dense layer side in the region corresponding to the inside of the pore (in the example shown in FIG. 2, the lowermost point in the region corresponding to the inside of the pore) is plotted ( (See the plurality of black dots in the example shown in FIG. 2). Using the plotted points and one of the well-known statistical techniques (eg, least squares method), a line (straight line or curve) passing through each of the plotted points is determined. . This line (in the example shown in FIG. 2, the line segment L) is a “boundary line”. In the example shown in FIG. 2, since the interconnector has a flat plate shape, the “boundary line” is a straight line. For example, when the interconnector is warped or curved, the “boundary line” Becomes a curve. Further, the “boundary line” may be composed of a combination of a straight line and a curved line.

このように定義された「境界線」に対して、「接合率」及び「接合幅」を以下のように定義する。「接合率」は、「境界線」の長さ(図2に示した例では、図中の線分Lの長さ)に対する、「境界線」上においてインターコネクタ140とN型半導体膜150とが接触している「複数の部分」(気孔に対応しない複数の部分)の長さの合計の割合、と定義される。「接合幅」は、上記「複数の部分」の長さの平均、と定義される。   With respect to the “boundary line” defined in this way, “joining rate” and “joining width” are defined as follows. “Joint rate” refers to the interconnector 140 and the N-type semiconductor film 150 on the “boundary line” with respect to the length of the “boundary line” (the length of the line segment L in the figure in the example shown in FIG. 2). Is defined as a ratio of the total length of “a plurality of portions” (a plurality of portions that do not correspond to pores) in contact with each other. “Junction width” is defined as the average length of the “plurality of portions”.

以下、「接合幅」について付言する。「接合幅」の算出に際しては、インレンズ二次電子検出器を用いたFE−SEM(Field Emission Scanning Electron Microscope:電界放射型走査型電子顕微鏡)によって倍率10000倍に拡大された、インターコネクタとN型半導体膜とを含む断面(膜の厚さ方向に沿う断面)のSEM画像が利用され得る。より具体的には、加速電圧:1kV、ワーキングディスタンス:2mmに設定されたZeiss社(ドイツ)製のFE−SEM(型式:ULTRA55)を使用して得られたSEM画像が利用され得る。なお、この断面には、精密機械による研磨が施された後に、株式会社日立ハイテクノロジーズのIM4000によってイオンミリング加工処理が施されている。そして、このSEM画像について、例えば、MVTec社(ドイツ)製の画像解析ソフトHALCONを用いて画像解析が行われる。   Hereinafter, “junction width” will be additionally described. In calculating the “junction width”, the interconnector and N which were magnified by a magnification of 10000 times by a field emission scanning electron microscope (FE-SEM) using an in-lens secondary electron detector were used. An SEM image of a cross section including a type semiconductor film (cross section along the thickness direction of the film) can be used. More specifically, an SEM image obtained using an FE-SEM (model: ULTRA55) manufactured by Zeiss (Germany) set at an acceleration voltage of 1 kV and a working distance of 2 mm can be used. This cross section is subjected to ion milling processing by IM4000 of Hitachi High-Technologies Corporation after being polished by a precision machine. The SEM image is subjected to image analysis using image analysis software HALCON manufactured by MVTec (Germany), for example.

「接合幅」の算出、即ち、「複数の部分」の長さの「平均」の算出に際し、「複数の部分」のうちで、上述の画像解析ソフトによって認識された「0.2μm以下の長さの部分」は使用されない。これは、さらに高倍率での観察結果によると、上述の画像解析ソフトで認識された「0.2μm以下の長さの部分」の存在自体が不確かであり、それらを「インターコネクタとN型半導体膜との界面の接合強度」を支配する因子として考慮に入れるのは相応しくないと考えられることに基づく。   When calculating the “joining width”, that is, calculating the “average” of the lengths of the “plurality of parts”, the length of “less than 0.2 μm” recognized by the above image analysis software among the “plurality of parts”. "Sano part" is not used. According to the observation result at a higher magnification, the existence itself of “a portion having a length of 0.2 μm or less” recognized by the above-described image analysis software is uncertain, and these are regarded as “interconnector and N-type semiconductor”. It is based on the fact that it is not appropriate to take it into account as a factor governing the “bond strength at the interface with the film”.

本発明者は、「接合率」が18〜65%である場合、「接合率」が18〜65%でない場合と比べて、「インターコネクタとN型半導体膜との界面」において、接合強度が大きくなることを見出した。以下、このことを確認した試験Aについて説明する。   The present inventor found that when the “joining rate” is 18 to 65%, the joining strength is higher at the “interface between the interconnector and the N-type semiconductor film” than when the “joining rate” is not 18 to 65%. I found it to be bigger. Hereinafter, test A in which this has been confirmed will be described.

(試験A)
試験Aでは、本実施形態に係るSOFCの一部である、インターコネクタとN型半導体膜との接合体(以下、「接合体」と呼ぶ。)について、インターコネクタの材質、N型半導体膜の材質、及び、「接合率」の組み合わせが異なる複数のサンプルが作製された。具体的には、表1に示すように、8種類の水準(組み合わせ)が準備された。各水準に対して20個のサンプル(N=20)が作製された。なお、表1の「N型半導体膜の材質」の欄において、「LNFC」は、La(Ni,Fe,Cu)Oを表す(後述する表2についても同様)。
(Test A)
In test A, the interconnector and N-type semiconductor film joined body (hereinafter referred to as “joined body”), which is a part of the SOFC according to the present embodiment, is made of the interconnector material and the N-type semiconductor film. A plurality of samples having different combinations of materials and “joining rates” were produced. Specifically, as shown in Table 1, eight levels (combinations) were prepared. Twenty samples (N = 20) were made for each level. In the column of “Material of N-type semiconductor film” in Table 1, “LNFC” represents La (Ni, Fe, Cu) O 3 (the same applies to Table 2 described later).

各サンプル(接合体)としては、上方からみた形状が円形(直径:約2cm)で厚さが約1mmのインターコネクタと、上方からみた形状が円形(直径:約1cm)で厚さが約100μmのN型半導体膜と、が積層された積層体が使用された。各サンプル(接合体)は、焼成により既に完成したインターコネクタの表面にN型半導体膜が焼成により形成されることで作製された。「接合率」の調整は、N型半導体膜の焼成に使用される粉末(La(Ni,Fe,Cu)O粉末等)の粒径及び比表面積、有機成分(バインダー、造孔材)の量、及び、N型半導体膜の焼成温度等を調整することにより達成された。 Each sample (joint) has an interconnector with a circular shape (diameter: about 2 cm) and a thickness of about 1 mm as viewed from above, and a circular shape (diameter: about 1 cm) and a thickness of about 100 μm as viewed from above. A stacked body in which the N-type semiconductor film was stacked was used. Each sample (joined body) was produced by forming an N-type semiconductor film on the surface of the interconnector that was already completed by firing. Adjustment of the “bonding rate” is performed by adjusting the particle size and specific surface area of powder (La (Ni, Fe, Cu) O 3 powder, etc.) used for firing the N-type semiconductor film, and the organic components (binder, pore former). This was achieved by adjusting the amount, the firing temperature of the N-type semiconductor film, and the like.

具体的には、粉末の平均粒径は、0.5〜5μmの範囲内で調整された。粉末の比表面積は、3〜30m/gの範囲内で調整された。有機成分の量(重量)は、粉体の全重量に対して10〜50%の範囲内で調整された。造孔材としては、セルロース、カーボン、PMMA等が使用された。焼成温度は、850〜1300℃の範囲内で調整された。焼成時間は、1〜20時間の範囲内で調整された。 Specifically, the average particle diameter of the powder was adjusted within a range of 0.5 to 5 μm. The specific surface area of the powder was adjusted within a range of 3 to 30 m 2 / g. The amount (weight) of the organic component was adjusted within a range of 10 to 50% with respect to the total weight of the powder. Cellulose, carbon, PMMA, etc. were used as the pore former. The firing temperature was adjusted within the range of 850 to 1300 ° C. The firing time was adjusted within a range of 1 to 20 hours.

そして、各サンプル(接合体)について、引張強度が測定された。この測定は以下のようになされた。即ち、サンプル(接合体)の上下面(N型半導体膜の上面、及びインターコネクタの下面)にそれぞれ、引張試験用の治具が貼り付けられた。上下の治具に対して上下方向に引き離す力(引っ張り力)が加えられ、この引っ張り力が徐々に増大された。サンプル(接合体)の接合部位(インターコネクタとN型半導体膜との界面近傍の部位)が剥離する際の引っ張り力の大きさ(以下、「引張強度」と呼ぶ。)が測定された。引張強度の測定結果は表1に示すとおりである。測定結果としては、各水準についてN=20の平均値が採用された。   And tensile strength was measured about each sample (joined body). This measurement was made as follows. That is, jigs for tensile tests were attached to the upper and lower surfaces (the upper surface of the N-type semiconductor film and the lower surface of the interconnector), respectively. A force (tensile force) for pulling up and down was applied to the upper and lower jigs, and this tensile force was gradually increased. The magnitude of the tensile force (hereinafter referred to as “tensile strength”) at the time when the joining portion of the sample (joined body) (site near the interface between the interconnector and the N-type semiconductor film) peeled was measured. The measurement results of the tensile strength are as shown in Table 1. As a measurement result, an average value of N = 20 was adopted for each level.

表1から理解できるように、「接合率」が18%未満である場合、引張強度が小さい。   As can be understood from Table 1, when the “joining rate” is less than 18%, the tensile strength is small.

また、「接合率」が65%より大きい場合も引張強度が小さい。これは、理由は明確ではないが、以下のように考えられる。つまり、「接合率」が大きくなるということは、即ち、接合界面におけるインターコネクタとN型半導体膜との焼結が進行したことを意味する。焼結が進行すると、それぞれの元素は相互に拡散し、接合界面に異なる組成の相が生成される。係る異相が生成されると、それが接合界面の剥離の基点となり得る。   Further, when the “joining rate” is larger than 65%, the tensile strength is small. The reason for this is not clear, but is considered as follows. That is, an increase in the “joining rate” means that the sintering of the interconnector and the N-type semiconductor film at the joining interface has progressed. As the sintering proceeds, the respective elements diffuse to each other, and phases having different compositions are generated at the bonding interface. When such a heterogeneous phase is generated, it can be a starting point for debonding of the bonding interface.

以上のことから、「接合率」が大きいと、上述した「接合率」が小さい場合と同様、引張強度が小さくなる、と考えられる。なお、上記の接合界面の異相の生成については、例えば、J. Electrochem. Soc., Vol. 143, No.7, July 1996の2338頁等に詳細に記載されている。   From the above, it is considered that when the “joining rate” is large, the tensile strength becomes small as in the case where the “joining rate” is small. The generation of a heterogeneous phase at the above-described bonding interface is described in detail, for example, on page 2338 of J. Electrochem. Soc., Vol. 143, No. 7, July 1996.

一方、「接合率」が18〜65%である場合、「接合率」が18〜65%でない場合と比べて、引張強度が大きい。即ち、「接合率」が18〜65%である場合、「接合率」が18〜65%でない場合と比べて、「インターコネクタとN型半導体膜との界面」において、接合強度が大きい、ということができる。   On the other hand, when the “joining rate” is 18 to 65%, the tensile strength is larger than when the “joining rate” is not 18 to 65%. That is, when the “joining rate” is 18 to 65%, the joining strength is higher at the “interface between the interconnector and the N-type semiconductor film” than when the “joining rate” is not 18 to 65%. be able to.

また、本発明者は、「接合率」が18〜65%である場合において、「接合幅」が0.6〜4.8μmであると、「インターコネクタとN型半導体膜との界面」において、特に接合強度が大きくなることも見出した。以下、このことを確認した試験Bについて説明する。   In addition, when the “joining rate” is 18 to 65% and the “joining width” is 0.6 to 4.8 μm, the present inventor determines that “the interface between the interconnector and the N-type semiconductor film”. In particular, it has also been found that the bonding strength is increased. Hereinafter, test B in which this has been confirmed will be described.

(試験B)
試験Bでも、試験Aと同様、本実施形態に係るSOFCの一部である、インターコネクタとN型半導体膜との「接合体」について、インターコネクタの材質、N型半導体膜の材質、「接合率」、及び「接合幅」の組み合わせが異なる複数のサンプルが作製された。具体的には、表2に示すように、8種類の水準(組み合わせ)が準備された。各水準に対して20個のサンプル(N=20)が作製された。各サンプル(接合体)の形状は試験Aのものと同形とされた。各サンプル(接合体)の「接合率」は全て、18〜65%の範囲内となっている。「接合幅」の調整も、「接合率」の調整と同様、N型半導体膜の焼成に使用される粉末(La(Ni,Fe,Cu)O粉末等)の粒径及び比表面積、有機成分(バインダー、造孔材)の量、及び、N型半導体膜の焼成温度等を調整することにより達成された。粉末の平均粒径、粉末の比表面積、有機成分の量(重量)、焼成温度、並びに焼成時間のそれぞれの調整範囲は、上述した試験Aの場合と同じである。
(Test B)
In Test B as well as Test A, the “connector” of the interconnector and the N-type semiconductor film, which is a part of the SOFC according to this embodiment, is made of the interconnector material, the N-type semiconductor film material, A plurality of samples having different combinations of “rate” and “joining width” were produced. Specifically, as shown in Table 2, eight levels (combinations) were prepared. Twenty samples (N = 20) were made for each level. The shape of each sample (joint) was the same as that of Test A. The “joining rate” of each sample (joined body) is in the range of 18 to 65%. The adjustment of “bonding width” is the same as the adjustment of “bonding rate”, the particle size and specific surface area of powder (La (Ni, Fe, Cu) O 3 powder etc.) used for firing the N-type semiconductor film, organic This was achieved by adjusting the amount of components (binder, pore former), the firing temperature of the N-type semiconductor film, and the like. Each adjustment range of the average particle diameter of the powder, the specific surface area of the powder, the amount (weight) of the organic component, the firing temperature, and the firing time is the same as in the case of Test A described above.

そして、各サンプル(接合体)について、試験Aと同様の手法により、引張強度が測定された。この測定結果は、表2に示すとおりである。表2から理解できるように、「接合率」が18〜65%である場合、「接合幅」が0.6〜4.8μmであると、「接合幅」が0.6〜4.8μmでない場合に比して、引張強度が大きい。即ち、「接合率」が18〜65%である場合、「接合幅」が0.6〜4.8μmであると、「インターコネクタとN型半導体膜との界面」において、接合強度が特に大きい、ということができる。   And about each sample (joined body), the tensile strength was measured by the method similar to the test A. FIG. The measurement results are as shown in Table 2. As can be understood from Table 2, when the “joining rate” is 18 to 65%, when the “joining width” is 0.6 to 4.8 μm, the “joining width” is not 0.6 to 4.8 μm. Compared to the case, the tensile strength is large. That is, when the “joining rate” is 18 to 65%, when the “joining width” is 0.6 to 4.8 μm, the joining strength is particularly high at the “interface between the interconnector and the N-type semiconductor film”. It can be said.

なお、この試験A(表1)、及び、試験B(表2)では、インターコネクタの材質としてランタンクロマイトLCのみが採用されているが、「発明の概要」の欄で述べた「チタン酸化物」が採用された場合も、LCが採用された場合と同じ結果が得られることが確認されている。加えて、N型半導体膜の材質として、La(Ni,Fe,Cu)Oのみが採用されているが、その他の材質からなるN型半導体膜が採用された場合も同じ結果が得られることが確認されている。 In this test A (Table 1) and test B (Table 2), only lanthanum chromite LC is adopted as the material of the interconnector, but “titanium oxide” described in the “Summary of Invention” section. "Is adopted, it is confirmed that the same result as that obtained when LC is adopted is obtained. In addition, only La (Ni, Fe, Cu) O 3 is adopted as the material of the N-type semiconductor film, but the same result can be obtained when N-type semiconductor films made of other materials are adopted. Has been confirmed.

以上の内容、並びに、表1、2の結果より、より具体的には、インターコネクタの材質としてLC又はチタン酸化物が採用され、且つ、N型半導体膜の材質としてLa(Ni,Fe,Cu)Oが採用された場合、「接合率」が18〜65%であると引張強度が大きく、「接合幅」が0.6〜4.8μmであると引張強度が特に大きい、ということができる。 From the above contents and the results shown in Tables 1 and 2, more specifically, LC or titanium oxide is adopted as the material of the interconnector, and La (Ni, Fe, Cu as the material of the N-type semiconductor film). ) When O 3 is employed, the tensile strength is large when the “joining ratio” is 18 to 65%, and the tensile strength is particularly large when the “joining width” is 0.6 to 4.8 μm. it can.

なお、本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記実施形態では、燃料側電極110内に燃料ガスの流路が形成されていないが、燃料側電極内に燃料ガスの流路が形成されていてもよい。加えて、SOFC100を構成する積層体は、単独で存在しているが(図1を参照)、この積層体が、或る装置全体の一部分として存在していてもよい。   In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various modification can be employ | adopted within the scope of the present invention. For example, in the above embodiment, the fuel gas flow path is not formed in the fuel side electrode 110, but the fuel gas flow path may be formed in the fuel side electrode. In addition, although the laminated body which comprises SOFC100 exists independently (refer FIG. 1), this laminated body may exist as a part of the whole certain apparatus.

また、「接合率が18〜65%」(及び接合幅が0.6〜4.8μm)は、インターコネクタ及びN型半導体膜を含む任意の1つの断面について成立していればよい。或いは、「接合率が18〜65%」(及び接合幅が0.6〜4.8μm)は、インターコネクタ及びN型半導体膜を含む任意の複数の断面(例えば、或る方向に平行な2つの断面と、その方向に直交する方向に平行な2つの断面)のそれぞれについて成立している必要がある。   Further, the “joining rate is 18 to 65%” (and the joining width is 0.6 to 4.8 μm) may be established for any one cross section including the interconnector and the N-type semiconductor film. Alternatively, the “junction rate is 18 to 65%” (and the junction width is 0.6 to 4.8 μm) is an arbitrary plurality of cross sections including the interconnector and the N-type semiconductor film (for example, 2 parallel to a certain direction). And two cross sections parallel to a direction orthogonal to the direction).

100…SOFC、110…燃料側電極、120…電解質膜、130…空気側電極、140…インターコネクタ、150…N型半導体膜   DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... SOFC, 110 ... Fuel side electrode, 120 ... Electrolyte membrane, 130 ... Air side electrode, 140 ... Interconnector, 150 ... N-type semiconductor membrane

Claims (4)

燃料ガスと接触して前記燃料ガスを反応させる燃料側電極と、前記燃料側電極に設けられた固体電解質からなる電解質膜と、前記酸素を含むガスを反応させる空気側電極であって前記電解質膜を前記燃料側電極と空気側電極とで挟むように前記電解質膜に設けられた空気側電極と、からなる固体酸化物形燃料電池の発電部と、
前記燃料側電極に電気的に接続されるように設けられた緻密な導電性セラミックからなるインターコネクタと、
前記インターコネクタの表面に形成された多孔質のN型半導体膜と、
を備えた固体酸化物形燃料電池において、
前記インターコネクタと前記N型半導体膜とを含む断面における前記インターコネクタと前記N型半導体膜との界面に対応する線である境界線の長さに対する、前記境界線上において前記インターコネクタと前記N型半導体膜とが接触している複数の部分の長さの合計の割合である接合率が18〜65%であり、且つ、前記境界線上において前記インターコネクタと前記N型半導体膜とが接触している前記複数の部分の長さの平均である接合幅が0.6〜4.8μmである、固体酸化物形燃料電池。
A fuel-side electrode that reacts with the fuel gas in contact with the fuel gas; an electrolyte membrane made of a solid electrolyte provided on the fuel-side electrode; and an air-side electrode that reacts with the gas containing oxygen, the electrolyte membrane An air-side electrode provided on the electrolyte membrane so as to sandwich the fuel-side electrode and the air-side electrode, and a power generation unit of a solid oxide fuel cell,
An interconnector made of a dense conductive ceramic provided to be electrically connected to the fuel side electrode;
A porous N-type semiconductor film formed on the surface of the interconnector;
In a solid oxide fuel cell comprising:
The interconnector and the N type on the boundary line with respect to the length of the boundary line corresponding to the interface between the interconnector and the N type semiconductor film in a cross section including the interconnector and the N type semiconductor film The joining ratio, which is the total ratio of the lengths of the plurality of portions in contact with the semiconductor film, is 18 to 65%, and the interconnector and the N-type semiconductor film are in contact with each other on the boundary line. A solid oxide fuel cell, wherein a junction width, which is an average length of the plurality of portions, is 0.6 to 4.8 μm.
請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池において、
前記インターコネクタは、
化学式La1−xCr1−y−z(ただし、A:Ca,Sr,Baから選択される少なくとも1種類の元素、B:Co,Ni,Mg,Alから選択される少なくとも1種類の元素、xの範囲:0.05〜0.2、yの範囲:0.02〜0.22、zの範囲:0〜0.05)で表わされるランタンクロマイトからなる、固体酸化物形燃料電池。
The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein
The interconnector is
Formula La 1-x A x Cr 1 -y-z B y O 3 ( provided that, A: Ca, at least one element Sr, is selected from Ba, B: is selected Co, Ni, Mg, from Al Solid oxidation comprising at least one element, lanthanum chromite represented by x range: 0.05 to 0.2, y range: 0.02 to 0.22, z range: 0 to 0.05) Physical fuel cell.
請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池において、
前記インターコネクタは、
化学式(A1−x,B1−z(Ti1−y,D)O(ただし、A:アルカリ土類元素から選択される少なくとも1種類の元素、B:Sc,Y,及びランタノイド元素から選択される少なくとも1種類の元素、D:第4周期、第5周期、第6周期の遷移金属、及びAl,Si,Zn,Ga,Ge,Sn,Sb,Pb,Biから選択される少なくとも1種類の元素、xの範囲:0〜0.5、yの範囲:0〜0.5、zの範囲:−0.05〜0.05)で表わされるチタン酸化物からなる、固体酸化物形燃料電池。
The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein
The interconnector is
Formula (A 1-x, B x ) 1-z (Ti 1-y, D y) O 3 ( provided that, A: at least one element selected from alkaline-earth element, B: Sc, Y, and At least one element selected from lanthanoid elements, D: selected from transition metals in the fourth, fifth, and sixth periods, and Al, Si, Zn, Ga, Ge, Sn, Sb, Pb, and Bi At least one element, x range: 0 to 0.5, y range: 0 to 0.5, z range: −0.05 to 0.05) Oxide fuel cell.
請求項1乃至請求項3の何れか一項に記載の固体酸化物形燃料電池において、
前記N型半導体膜は、
ランタンニッケルフェライトコバルタイトLa(Ni,Fe,Cu)Oからなる、固体酸化物形燃料電池。
The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 3,
The N-type semiconductor film is
A solid oxide fuel cell comprising lanthanum nickel ferrite cobaltite La (Ni, Fe, Cu) O 3 .
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4913257B1 (en) * 2010-10-08 2012-04-11 日本碍子株式会社 Solid oxide fuel cell
JP5062789B1 (en) * 2011-09-08 2012-10-31 日本碍子株式会社 Solid oxide fuel cell

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4913257B1 (en) * 2010-10-08 2012-04-11 日本碍子株式会社 Solid oxide fuel cell
JP5062789B1 (en) * 2011-09-08 2012-10-31 日本碍子株式会社 Solid oxide fuel cell

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015076339A (en) * 2013-10-11 2015-04-20 日本碍子株式会社 Fuel battery

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