JP5449120B2 - Method for forming seal component and method for manufacturing solid oxide fuel cell module - Google Patents

Method for forming seal component and method for manufacturing solid oxide fuel cell module Download PDF

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Description

本発明は、円筒横縞型固体電解質型燃料電池または円筒横縞型高温水蒸気電解セルに適用されるシール構成部材を形成する方法及び固体電解質型燃料電池モジュールの製造方法に関する。   The present invention relates to a method for forming a sealing component applied to a cylindrical horizontal stripe type solid electrolyte fuel cell or a cylindrical horizontal stripe type high temperature steam electrolysis cell, and a method for manufacturing a solid oxide fuel cell module.

固体電解質型燃料電池(SOFC)は、燃料極に燃料ガスを、空気極に酸素を含む流体(空気)を供給することで発電がなされる電池である。   A solid oxide fuel cell (SOFC) is a battery that generates power by supplying a fuel gas to a fuel electrode and a fluid (air) containing oxygen to an air electrode.

図1に、円筒横縞型SOFCのセルチューブの概略図を例示する。円筒横縞型SOFCのセルチューブは、多孔質の基体管を有し、該基体管の外周面上に、燃料極、固体電解質及び空気極が順に積層された単電池膜を備える。単電池膜は、基体管の長手方向に沿って複数形成され、隣接する単電池膜同士は、インターコネクタを介して電気的に接続されている。   FIG. 1 illustrates a schematic diagram of a cylindrical horizontal striped SOFC cell tube. A cylindrical horizontal stripe SOFC cell tube has a porous base tube, and includes a unit cell membrane in which a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are sequentially laminated on the outer peripheral surface of the base tube. A plurality of unit cell membranes are formed along the longitudinal direction of the base tube, and adjacent unit cell membranes are electrically connected to each other via an interconnector.

図2に、セルチューブ端部の概略図を示す。基体管長手方向の一方の端部の外周面上には、連結された単電池膜の最終端部に接続されるようリード膜が成膜されている。このリード膜の他端には集電部材が設けられており、単電池膜で発電された電力が集電されるようになっている。リード膜の上面にはリード膜を電子及び酸素ガスから保護するための気密膜が成膜されている。   In FIG. 2, the schematic of a cell tube edge part is shown. A lead film is formed on the outer peripheral surface of one end in the longitudinal direction of the base tube so as to be connected to the final end of the connected unit cell film. A current collecting member is provided at the other end of the lead film so that the electric power generated by the unit cell film is collected. An airtight film for protecting the lead film from electrons and oxygen gas is formed on the upper surface of the lead film.

上記のような構成を備えた円筒横縞型SOFCでは、基体管の内部に燃料ガス、基体管の外側に配置された空気極に空気を供給して発電させる。図1において、セルチューブは管板に貫通された状態で保持され、燃料ガス及び空気を供給する空間は互いに隔離されている。管板とセルチューブとの間、及びセルチューブの一端部には、供給した燃料ガスと空気とが混合しないようシール部材を配置させている。   In the cylindrical horizontal stripe type SOFC having the above-described configuration, power is generated by supplying fuel gas inside the base tube and air to an air electrode arranged outside the base tube. In FIG. 1, the cell tube is held in a state of being penetrated by the tube plate, and spaces for supplying fuel gas and air are isolated from each other. Seal members are arranged between the tube plate and the cell tube and at one end of the cell tube so that the supplied fuel gas and air are not mixed.

シール部材は、通常、無機系の接着剤を介してセルチューブ上の気密膜と接着させる。しかしながら、気密膜とシール部材とを直接無機系接着剤で接着させた場合、接着強度が低いため、セルチューブの自重を支えきれなくなる場合がある。また、昇降温時の熱応力等によって発生する力でセルチューブのシール性が低下してしまうこともある。   The seal member is usually bonded to the airtight film on the cell tube via an inorganic adhesive. However, when the hermetic membrane and the sealing member are directly bonded with an inorganic adhesive, the self-weight of the cell tube may not be supported because the adhesive strength is low. Moreover, the sealing performance of the cell tube may be reduced by a force generated by thermal stress or the like at the time of raising or lowering the temperature.

上記問題を解決するため、特許文献1では、Alからなる気密膜の表面に接着性向上膜を設け、該接着性向上膜の表面に無機系接着剤を塗布してシール部材を密着させた燃料電池用セルチューブのシール構造が開示されている。 In order to solve the above problem, in Patent Document 1, an adhesion improving film is provided on the surface of an airtight film made of Al 2 O 3, and an inorganic adhesive is applied to the surface of the adhesion improving film so that the sealing member is closely attached. A sealed structure of a fuel cell cell tube is disclosed.

接着性向上膜の材質は、予め粉体合成されたカルシウムチタネート(CaTiO)、CSZ(カルシア安定化ジルコニア)、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、あるいはこれらの混合物とされる。上記混合物は、スラリー化されて気密膜上に塗布された後、焼結される。 The material of the adhesion improvement film is calcium titanate (CaTiO 3 ), CSZ (calcia stabilized zirconia), YSZ (yttria stabilized zirconia), or a mixture thereof, which has been synthesized in advance. The mixture is slurried and applied onto an airtight membrane and then sintered.

特開2009−181854号公報(段落[0030]及び[0031])JP 2009-181854 (paragraphs [0030] and [0031])

接着性向上膜は、空気極焼結時、燃料極及び固体電解質の共焼結時、または空気極と燃料極及び固体電解質との共焼結時のいずれかのタイミングで、同時に焼結法により成形される。特に、接着性向上膜は、空気極焼結時に同時に焼結されることが多い。   The adhesion-improving film is formed by the sintering method at the same time when sintering the air electrode, when co-sintering the fuel electrode and the solid electrolyte, or when co-sintering the air electrode, the fuel electrode and the solid electrolyte. Molded. In particular, the adhesion improving film is often sintered simultaneously with the air electrode sintering.

従来、空気極を焼結させる際の焼結温度は1300℃とされてきたが、近年、耐久性向上の観点から、空気極の焼結温度の低温化が検討されており、空気極を1100℃程度の温度で焼結することが主流となりつつある。   Conventionally, the sintering temperature at the time of sintering the air electrode has been 1300 ° C. However, in recent years, from the viewpoint of improving the durability, lowering the sintering temperature of the air electrode has been studied. Sintering at a temperature of about ℃ is becoming mainstream.

しかしながら、焼結温度を低温化した条件、すなわち1100℃程度の温度で空気極及び接着性向上膜を同時に焼結させた場合、接着性向上膜の焼結性が低下して、気密膜との接着性を十分に得られなくなる。   However, when the air electrode and the adhesion improving film are sintered at the same time under the condition where the sintering temperature is lowered, that is, at a temperature of about 1100 ° C., the sinterability of the adhesion improving film decreases, Adhesiveness cannot be obtained sufficiently.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、焼結温度を低温化して空気極と同時に焼結させた場合であっても、所望の密着性を示す接着性向上膜を形成することができるシール構成部材を形成する方法、及び、そのようなシール構成部材を備えた固体電解質型燃料電池モジュールの製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and even when the sintering temperature is lowered and the air electrode is sintered at the same time, an adhesive improvement film showing desired adhesion is obtained. It is an object of the present invention to provide a method for forming a seal component that can be formed and a method for manufacturing a solid oxide fuel cell module including such a seal component.

上記課題を解決するために、本発明は、多孔質材料からなる基体管と、該基体管の外周面上に燃料極と固体電解質と空気極とが順に積層されてなる複数の単電池膜と、前記複数の単電池膜の最端部に電気的に接続された導電性のリード膜と、該リード膜の表面に形成された気密性の高い気密膜と、を備えたセルチューブの前記気密膜上に設けられるシール構成部材の形成方法であって、所定の焼結温度よりも低い温度で加熱されることにより分解されて二酸化炭素を放出するアルカリ土類金属炭酸塩を含む化合物の粉体と、チタニアの粉体と、を所定の割合で混合して未合成の混合粉体を調製し、該混合粉体をスラリー化させて前記気密膜上に塗布した後、前記所定の焼結温度で熱処理することによって一般式ATiO (Aは、アルカリ土類金属の陽イオン)で表されるペロブスカイト型酸化物及びチタニアからなるシール構成部材を形成する方法を提供する。 In order to solve the above problems, the present invention provides a base tube made of a porous material, and a plurality of unit cell membranes in which a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are sequentially laminated on the outer peripheral surface of the base tube. The cell tube comprising: a conductive lead film electrically connected to an outermost end of the plurality of unit cell films; and a highly airtight film formed on a surface of the lead film. A method for forming a sealing component provided on a membrane, which is a powder of a compound containing an alkaline earth metal carbonate that decomposes and releases carbon dioxide when heated at a temperature lower than a predetermined sintering temperature. And titania powder are mixed at a predetermined ratio to prepare an unsynthetic mixed powder, the mixed powder is slurried and applied onto the airtight film, and then the predetermined sintering temperature formula ATiO 3 by heat treatment in (A is an alkali A method of forming a seal component containing the perovskite type oxide, and titania represented by cation) of metalloid.

加熱により二酸化炭素を放出した直後の化合物の分解生成物は、とても反応性が高い状態となる。そのため、アルカリ土類金属炭酸塩の粉末とチタニアの粉末とを未合成の状態で混合して所定の焼結温度で熱処理することで、分解生成物とチタニアとの合成反応を促進させることができる。分解生成物とチタニアとが合成されると一般式ATiOで表されるペロブスカイト型酸化物が生成される。また、混合粉体を所定の焼結温度で熱処理すると、上記合成反応とともに、構成粒子(チタニア及び合成されたペロブスカイト型酸化物)同士が焼結して膜状のシール構成部材が形成される。上記発明によれば、形成されたシール構成部材は、焼結による収縮がほとんど起こらない。また、上記発明によれば、分解生成物とチタニアとが合成される際に十分に拡散が進むため、構成粒子間の密着性が強固となり、健全な膜質のシール構成部材を形成することができる。 The decomposition product of the compound immediately after releasing carbon dioxide by heating becomes very reactive. Therefore, the synthesis reaction between the decomposition product and titania can be promoted by mixing the alkaline earth metal carbonate powder and the titania powder in an unsynthesized state and heat-treating them at a predetermined sintering temperature. . When the decomposition product and titania are synthesized, a perovskite oxide represented by the general formula ATiO 3 is generated. Further, when the mixed powder is heat-treated at a predetermined sintering temperature, the constituent particles (titania and synthesized perovskite oxide) are sintered together with the above synthesis reaction to form a film-like seal constituent member. According to the above invention, the formed sealing component hardly undergoes shrinkage due to sintering. Further, according to the above invention, since the diffusion proceeds sufficiently when the decomposition product and titania are synthesized, the adhesion between the constituent particles is strengthened, and a sealing member having a sound film quality can be formed. .

上記発明の一態様において、前記固体電解質が主としてYSZを含み、前記化合物を炭酸カルシウムとし、前記炭酸カルシウムの粉体及び前記チタニアの粉体の混合モル比が、チタニア10モルに対して炭酸カルシウムが3モル以上8モル以下となるよう混合粉体を調製しても良い。 In one embodiment of the invention, the solid electrolyte mainly contains YSZ, the compound is calcium carbonate, and the mixing molar ratio of the calcium carbonate powder and the titania powder is 10 mol of titania. You may prepare mixed powder so that it may become 3 mol or more and 8 mol or less.

炭酸カルシウムは潮解性を示さないため、気密膜上に塗布する際の取り扱いが容易である。また、炭酸カルシウムは加熱することで二酸化炭素を放出しやすい特性を有するため、チタニアとの合成反応を進めやすい。炭酸カルシウムの分解開始温度は約600℃である。上記発明の一態様によれば、チタニアを、炭酸カルシウムに対して過剰量添加する。これによって、1100℃程度の低温で熱処理した場合であっても、未反応の炭酸カルシウムを残留させずに、チタン酸カルシウムを合成しつつ、構成粒子(チタニア及びチタン酸カルシウム)を焼結させることができる。   Since calcium carbonate does not show deliquescence, it is easy to handle when applied onto an airtight membrane. In addition, since calcium carbonate has a characteristic of easily releasing carbon dioxide when heated, the synthesis reaction with titania is easy to proceed. The decomposition start temperature of calcium carbonate is about 600 ° C. According to one aspect of the invention, an excess amount of titania is added to calcium carbonate. Thus, even when heat treatment is performed at a low temperature of about 1100 ° C., the constituent particles (titania and calcium titanate) are sintered while synthesizing calcium titanate without leaving unreacted calcium carbonate remaining. Can do.

上記発明の一態様によれば、炭酸カルシウムの粉体及びチタニアの粉体を上記混合モル比で混合することで、混合粉体の線膨張係数をYSZの線膨張係数に近い値とすることができる。このような材料でシール構成部材を形成することで、固体電解質型燃料電池の部材として適したものとなる。   According to one aspect of the invention, by mixing the calcium carbonate powder and the titania powder at the mixing molar ratio, the linear expansion coefficient of the mixed powder can be close to the linear expansion coefficient of YSZ. it can. By forming the seal constituent member with such a material, it becomes suitable as a member of a solid oxide fuel cell.

上記発明の一態様において、前記固体電解質が主としてYSZを含み、前記化合物を炭酸ストロンチウムとし、前記炭酸ストロンチウムの粉体及び前記チタニアの粉体の混合モル比が、チタニア10モルに対して炭酸ストロンチウムが4モル以上8モル以下となるよう混合して混合粉体を調製しても良い。 In one embodiment of the present invention, the solid electrolyte mainly contains YSZ, the compound is strontium carbonate, and the mixing molar ratio of the strontium carbonate powder and the titania powder is strontium carbonate with respect to 10 mol of titania. You may prepare mixed powder by mixing so that it may become 4 mol or more and 8 mol or less.

炭酸ストロンチウムは潮解性を示さないため、気密膜上に塗布する際の取り扱いが容易である。炭酸ストロンチウムは、加熱することで二酸化炭素を放出する特性を有するため、チタニアとの合成反応を進めやすい。炭酸ストロンチウムの分解開始温度は約900℃である。上記発明の一態様によれば、チタニアを、炭酸ストロンチウムに対して過剰量添加する。これによって、1100℃程度の低温で熱処理した場合であっても、未反応の炭酸ストロンチウムを残留させずに、チタン酸ストロンチウムを合成しつつ、構成粒子(チタニア及びチタン酸ストロンチウム)同士を焼結させることができる。   Since strontium carbonate does not show deliquescence, it is easy to handle when applied on an airtight membrane. Since strontium carbonate has the property of releasing carbon dioxide when heated, it is easy to proceed with the synthesis reaction with titania. The decomposition start temperature of strontium carbonate is about 900 ° C. According to one aspect of the invention, an excess amount of titania is added to strontium carbonate. As a result, even when heat treatment is performed at a low temperature of about 1100 ° C., the constituent particles (titania and strontium titanate) are sintered together while synthesizing strontium titanate without leaving unreacted strontium carbonate. be able to.

上記発明の一態様によれば、炭酸ストロンチウムの粉体及びチタニアの粉体を上記混合モル比で混合することで、混合粉体の線膨張係数をYSZの線膨張係数に近い値とすることができる。このような材料でシール構成部材を形成することで、固体電解質型燃料電池の部材として適したものとなる。   According to one aspect of the invention, by mixing the strontium carbonate powder and the titania powder at the mixing molar ratio, the linear expansion coefficient of the mixed powder may be close to the linear expansion coefficient of YSZ. it can. By forming the seal constituent member with such a material, it becomes suitable as a member of a solid oxide fuel cell.

また、本発明は、多孔質材料からなる基体管と、該基体管の外周面上に燃料極と固体電解質と空気極とが順に積層されてなる複数の単電池膜と、前記複数の単電池膜の最端部に電気的に接続された導電性のリード膜と、該リード膜の表面に形成された気密性の高い気密膜と、を備えたセルチューブを有する固体電解質型燃料電池モジュールであって、前記セルチューブの前記気密膜上に、所定の焼結温度よりも低い温度で加熱されることにより分解されて二酸化炭素を放出するアルカリ土類金属炭酸塩を含む化合物の粉体と、チタニアの粉体と、を所定の割合で混合して未合成の混合粉体を調製し、該混合粉体をスラリー化させて前記気密膜上に塗布した後、前記所定の焼結温度で熱処理することによって一般式ATiO (Aは、アルカリ土類金属の陽イオン)で表されるペロブスカイト型酸化物及びチタニアからなるシール構成部材を形成する固体電解質型燃料電池モジュールの製造方法を提供する。 The present invention also provides a base tube made of a porous material, a plurality of unit cell membranes in which a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are sequentially laminated on the outer peripheral surface of the base tube, and the plurality of unit cells. A solid oxide fuel cell module having a cell tube comprising a conductive lead film electrically connected to the outermost end of the film and a highly airtight film formed on the surface of the lead film. A powder of a compound containing an alkaline earth metal carbonate that is decomposed by being heated at a temperature lower than a predetermined sintering temperature to release carbon dioxide on the hermetic film of the cell tube; A titania powder is mixed at a predetermined ratio to prepare an unsynthetic mixed powder, the mixed powder is slurried and applied onto the hermetic film, and then heat-treated at the predetermined sintering temperature. formula ATiO 3 (A by the alk To provide a method of manufacturing a solid oxide fuel cell modules forming a seal component containing the perovskite type oxide, and titania represented by cation) of earth metals.

加熱により二酸化炭素を放出した直後の化合物の分解生成物は、とても反応性が高い状態となる。そのため、このような化合物の粉末とチタニアの粉末とを未合成の状態で混合して所定の焼結温度で熱処理することで、分解生成物とチタニアとの合成反応を促進させることができる。分解生成物とチタニアとが合成されると一般式ATiOで表されるペロブスカイト型酸化物が生成される。また、混合粉体を所定の焼結温度で熱処理すると、上記合成反応とともに、構成粒子(チタニア及び合成されたペロブスカイト型酸化物)同士が焼結して膜状のシール構成部材が形成される。上記発明によれば、形成されたシール構成部材は、焼結による収縮がほとんど起こらない。また、上記発明によれば、分解生成物とチタニアとが合成される際に十分に拡散が進むため、構成粒子間の密着性が強固となり、健全な膜質のシール構成部材を形成することができる。また、上記発明によれば、セルチューブのシール性を高めることができるため、燃料ガスのリーク率を大幅に低減させた固体電解質燃料電池モジュールを製造することができる。 The decomposition product of the compound immediately after releasing carbon dioxide by heating becomes very reactive. Therefore, the synthetic reaction between the decomposition product and titania can be promoted by mixing such compound powder and titania powder in an unsynthesized state and heat-treating them at a predetermined sintering temperature. When the decomposition product and titania are synthesized, a perovskite oxide represented by the general formula ATiO 3 is generated. Further, when the mixed powder is heat-treated at a predetermined sintering temperature, the constituent particles (titania and synthesized perovskite oxide) are sintered together with the above synthesis reaction to form a film-like seal constituent member. According to the above invention, the formed sealing component hardly undergoes shrinkage due to sintering. Further, according to the above invention, since the diffusion proceeds sufficiently when the decomposition product and titania are synthesized, the adhesion between the constituent particles is strengthened, and a sealing member having a sound film quality can be formed. . Moreover, according to the said invention, since the sealing performance of a cell tube can be improved, the solid electrolyte fuel cell module which reduced the leak rate of fuel gas significantly can be manufactured.

上記発明の一態様において、前記固体電解質が主としてYSZを含み、前記化合物を炭酸カルシウムとし、前記炭酸カルシウムの粉体及び前記チタニアの粉体の混合モル比が、チタニア10モルに対して炭酸カルシウムが3モル以上8モル以下となるよう混合粉体を調製しても良い。 In one embodiment of the invention, the solid electrolyte mainly contains YSZ, the compound is calcium carbonate, and the mixing molar ratio of the calcium carbonate powder and the titania powder is 10 mol of titania. You may prepare mixed powder so that it may become 3 mol or more and 8 mol or less.

上記発明の一態様において、前記固体電解質が主としてYSZを含み、前記化合物を炭酸ストロンチウムとし、前記炭酸ストロンチウムの粉体及び前記チタニアの粉体の混合モル比が、チタニア10モルに対して炭酸ストロンチウムが4モル以上8モル以下となるよう混合して混合粉体を調製しても良い。 In one embodiment of the present invention, the solid electrolyte mainly contains YSZ, the compound is strontium carbonate, and the mixing molar ratio of the strontium carbonate powder and the titania powder is strontium carbonate with respect to 10 mol of titania. You may prepare mixed powder by mixing so that it may become 4 mol or more and 8 mol or less.

本発明によれば、所定の化合物とチタニアを混合させた混合粉体を未合成の状態で気密膜上に塗布し、所定の焼結温度で熱処理することで、焼結による収縮がほとんどなく、且つ、構成粒子間の密着性が強固で健全な膜質の接着性向上膜(シール構成部材)を形成することができる。所定の化合物を炭酸カルシウムまたは炭酸ストロンチウムとすることで、所定の焼結温度が1100℃程度であった場合でも、剥離し難い接着性向上膜を形成することができる。   According to the present invention, a powder mixture in which a predetermined compound and titania are mixed is applied onto an airtight film in an unsynthesized state, and heat treatment is performed at a predetermined sintering temperature, so that there is almost no shrinkage due to sintering, In addition, it is possible to form an adhesive improvement film (seal constituent member) having a firm and healthy film quality and having good adhesion between constituent particles. By using calcium carbonate or strontium carbonate as the predetermined compound, even when the predetermined sintering temperature is about 1100 ° C., it is possible to form an adhesion improving film that is difficult to peel off.

また、本発明によれば、燃料リークが低減された信頼性の高い固体電解質型燃料電池モジュールを製造することができる。   In addition, according to the present invention, a highly reliable solid oxide fuel cell module with reduced fuel leakage can be manufactured.

第1実施形態に係る製造方法で製造した固体電解質燃料電池モジュールの概略構造を説明する図である。It is a figure explaining the schematic structure of the solid electrolyte fuel cell module manufactured with the manufacturing method concerning a 1st embodiment. 第1実施形態における円筒横縞型SOFCのセルチューブの概略図である。It is the schematic of the cell tube of the cylindrical horizontal stripe type | mold SOFC in 1st Embodiment. 第1実施形態におけるセルチューブの下端部分の概略図である。It is the schematic of the lower end part of the cell tube in 1st Embodiment. 第1実施形態におけるシール部分の膜構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the film | membrane structure of the seal part in 1st Embodiment. 焼結体の粉末X線回折結果を示す図である。It is a figure which shows the powder X-ray-diffraction result of a sintered compact. スクラッチ試験の結果を示す写真である。It is a photograph which shows the result of a scratch test.

以下に、本発明に係るシール構成部材を形成する方法、及び、固体電解質型燃料電池モジュールの製造方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。   Hereinafter, an embodiment of a method for forming a sealing component according to the present invention and a method for producing a solid oxide fuel cell module will be described with reference to the drawings.

〔第1実施形態〕
図1に、本実施形態に係る製造方法で製造した固体電解質燃料電池モジュール1の概略構造を示す。
固体電解質燃料電池モジュール1は、天板2、上部管板3、下部管板4、及び複数のセルチューブ5から構成されている。固体電解質燃料電池モジュール1は、断熱材で包囲されている。
[First Embodiment]
FIG. 1 shows a schematic structure of a solid electrolyte fuel cell module 1 manufactured by the manufacturing method according to the present embodiment.
The solid electrolyte fuel cell module 1 includes a top plate 2, an upper tube plate 3, a lower tube plate 4, and a plurality of cell tubes 5. The solid electrolyte fuel cell module 1 is surrounded by a heat insulating material.

固体電解質燃料電池モジュール(モジュール本体)1内に、天板2、上部管板3及び下部管板4が配設されている。下部管板4の下方には、電池室6が形成されている。天板2と上部管板3との間には、燃料供給室7が形成されている。上部管板3と下部管板4との間には、燃料排出室8が形成されている。   A top plate 2, an upper tube plate 3, and a lower tube plate 4 are disposed in a solid electrolyte fuel cell module (module body) 1. A battery chamber 6 is formed below the lower tube sheet 4. A fuel supply chamber 7 is formed between the top plate 2 and the upper tube plate 3. A fuel discharge chamber 8 is formed between the upper tube plate 3 and the lower tube plate 4.

天板2及びモジュール本体1には、燃料供給室7とモジュール本体1の外部とを連通する外側管9が貫通して連結されている。外側管9の内側には、燃料排出室8とモジュール本体1の外部とを連通するように上部管板3を貫通する内側管10が配設されている。   An outer tube 9 that connects the fuel supply chamber 7 and the outside of the module body 1 passes through and is connected to the top plate 2 and the module body 1. Inside the outer tube 9, an inner tube 10 that penetrates the upper tube plate 3 is disposed so as to communicate the fuel discharge chamber 8 and the outside of the module body 1.

下部管板4には、複数のセルチューブ5が、上端を燃料排出室8に位置させると共に、下方寄りをモジュール本体1の電池室6内に位置させるようにして貫通支持されている。
セルチューブ5の内側には、セルチューブ5の内部下方側と燃料供給室7とを連通させるように上部管板3を貫通する燃料供給管11が配設されている。
A plurality of cell tubes 5 are supported through the lower tube plate 4 such that the upper ends thereof are positioned in the fuel discharge chamber 8 and the lower portions thereof are positioned in the battery chamber 6 of the module body 1.
Inside the cell tube 5, a fuel supply pipe 11 penetrating the upper tube plate 3 is disposed so as to communicate the inside lower side of the cell tube 5 with the fuel supply chamber 7.

燃料供給管11の内側には、上端を燃料供給室7に位置させると共に、下端をセルチューブ5の下端近傍に位置させた集電棒12が配設されている。集電棒12の下端は、単電池膜と電気的に接続すると共に、セルチューブ5の下端を閉塞する集電部材13に連結されている。集電棒12の上端は、ニッケル製の集電部材13および導電棒14を介してモジュール本体1の外部へ電気的に接続されている。   Inside the fuel supply pipe 11, a current collecting rod 12 having an upper end positioned in the fuel supply chamber 7 and a lower end positioned in the vicinity of the lower end of the cell tube 5 is disposed. The lower end of the current collecting rod 12 is connected to the current collecting member 13 that is electrically connected to the unit cell membrane and closes the lower end of the cell tube 5. The upper end of the current collecting rod 12 is electrically connected to the outside of the module body 1 via a nickel current collecting member 13 and a conductive rod 14.

セルチューブ5の上端には、単電池膜と電気的に接続する集電コネクタ15が取り付けられている。集電コネクタ15は、他のセルチューブ5と集電コネクタ15を介して直列的に電気接続されている。   A current collecting connector 15 that is electrically connected to the cell membrane is attached to the upper end of the cell tube 5. The current collecting connector 15 is electrically connected in series with another cell tube 5 via the current collecting connector 15.

モジュール本体1の電池室6の下部には、多孔質のセラミック製の仕切板16が設けられている。仕切板16の下方には、仕切板16を介して電池室6と連通する空気予熱室17が設けられている。空気予熱室17には、モジュール本体1の外部と連通する空気供給管18が接続されている。
モジュール本体1の電池室6の内部には、空気排出管19の一端側が配置されている。空気排出管19は、他端側がモジュール本体1の外側に位置し、中程部分が空気予熱室17の内部を通過するように配設されて、熱交換されている。
A porous ceramic partition plate 16 is provided below the battery chamber 6 of the module body 1. An air preheating chamber 17 that communicates with the battery chamber 6 through the partition plate 16 is provided below the partition plate 16. An air supply pipe 18 that communicates with the outside of the module body 1 is connected to the air preheating chamber 17.
One end side of an air discharge pipe 19 is disposed inside the battery chamber 6 of the module body 1. The other end side of the air discharge pipe 19 is located outside the module main body 1, and the middle part is disposed so as to pass through the inside of the air preheating chamber 17 to exchange heat.

図2に、円筒横縞型SOFCのセルチューブ5の概略図を例示する。
セルチューブ5の外周面上には、長手方向に沿って複数の単電池膜20が形成されている。セルチューブ5を吊るす側部分、及びセルチューブ5の下端部分には、シール部分が設けられている。
セルチューブ5の単電池膜20が設けられた部分の外周面は、酸素を含む気体雰囲気となっている。本実施形態において酸素を含む気体とは、空気を意味する。固体電解質型燃料電池モジュール1を稼働する際には、セルチューブ5の内周側に燃料ガス(水素)が供給される。
FIG. 2 illustrates a schematic diagram of a cylindrical horizontal striped SOFC cell tube 5.
On the outer peripheral surface of the cell tube 5, a plurality of single cell membranes 20 are formed along the longitudinal direction. A seal portion is provided at a side portion where the cell tube 5 is suspended and a lower end portion of the cell tube 5.
The outer peripheral surface of the portion of the cell tube 5 where the single cell membrane 20 is provided is a gas atmosphere containing oxygen. In this embodiment, the gas containing oxygen means air. When the solid oxide fuel cell module 1 is operated, fuel gas (hydrogen) is supplied to the inner peripheral side of the cell tube 5.

図3に、セルチューブ5の下端部分の概略図を例示する。
セルチューブ5は、多孔質材料からなる基体管21上に、複数の単電池膜20が形成された構成とされる。単電池膜20は、基体管21側から順に燃料極22、固体電解質23、空気極24が積層された構成とされる。隣接する単電池膜同士は、インターコネクタ25で電気的に直列に連結されている。連結された単電池膜20の最終端部の空気極24には、インターコネクタ25を介してリード膜26が接続されている。リード膜26の上面、言い換えるとリード膜26の基体管側とは逆の面上には、リード膜26を保護するための気密性の高い気密膜27が設けられている。
In FIG. 3, the schematic of the lower end part of the cell tube 5 is illustrated.
The cell tube 5 has a configuration in which a plurality of unit cell membranes 20 are formed on a base tube 21 made of a porous material. The unit cell membrane 20 has a structure in which a fuel electrode 22, a solid electrolyte 23, and an air electrode 24 are laminated in order from the base tube 21 side. Adjacent cell membranes are electrically connected in series by an interconnector 25. A lead film 26 is connected to the air electrode 24 at the final end of the connected unit cell film 20 via an interconnector 25. A highly airtight film 27 for protecting the lead film 26 is provided on the upper surface of the lead film 26, in other words, on the surface opposite to the base tube side of the lead film 26.

気密膜27の上には、シール部分が設けられている。図4に、シール部分の膜構成を示す。シール部分は、気密膜27上に形成されたシール構成部材としての接着性向上膜28と、該接着性向上膜28に無機系接着剤29を介して接着されたキャップ状のシール部材30と、で構成されている。
なお、セルチューブ5を吊るす側部分も同様の構成のシール部分を有している。
On the airtight film 27, a seal portion is provided. FIG. 4 shows the film configuration of the seal portion. The seal portion includes an adhesive improvement film 28 as a sealing component formed on the airtight film 27, a cap-shaped seal member 30 bonded to the adhesive improvement film 28 via an inorganic adhesive 29, It consists of
In addition, the side part which suspends the cell tube 5 also has the seal part of the same structure.

本実施形態において、基体管21は多孔質材料からなり、カルシア安定化ジルコニア(CSZ)などとされる。
燃料極22は、ニッケル(Ni)とジルコニア系電解質材料との複合材で構成され、例えば、Ni/イットリア安定化ジルコニア(YSZ)が用いられる。
In the present embodiment, the base tube 21 is made of a porous material, such as calcia stabilized zirconia (CSZ).
The fuel electrode 22 is composed of a composite material of nickel (Ni) and a zirconia-based electrolyte material. For example, Ni / yttria stabilized zirconia (YSZ) is used.

固体電解質23は、電子絶縁性であり、ガスを通さない気密性と高温での高いイオン透過性とを有することが求められる。そのため、固体電解質23には、主としてYSZが用いられる。   The solid electrolyte 23 is electronically insulating and is required to have gas tightness that does not allow gas to pass and high ion permeability at high temperatures. Therefore, YSZ is mainly used for the solid electrolyte 23.

空気極24は、ランタンストロンチウム系の材料で形成され、空気から酸素イオンを生成するものである。
インターコネクタ25は、チタン酸ストロンチウム系などのM1−xTiO(Mはアルカリ土類金属元素、Lはランタノイド元素)で表される導電性ペロブスカイト型酸化物から構成され、燃料ガスと空気とが混合しないように緻密な膜となっている。
The air electrode 24 is made of a lanthanum strontium-based material and generates oxygen ions from the air.
The interconnector 25 is composed of a conductive perovskite oxide represented by M 1-x L x TiO 3 (M is an alkaline earth metal element, L is a lanthanoid element) such as strontium titanate, and the like. It is a dense film so that it does not mix with air.

リード膜26は、Ni/YSZ等のNiとジルコニア系電解質材料との複合材、またはNi/Alなどで構成されている。リード膜26は、連結された単電池膜で発電された電力を集電する役割をする膜である。
気密膜27には、アルミナ(Al)、またはYSZなどを用いることができる。
The lead film 26 is made of a composite material of Ni such as Ni / YSZ and a zirconia-based electrolyte material, or Ni / Al. The lead film 26 is a film that plays a role of collecting power generated by the connected unit cell films.
For the airtight film 27, alumina (Al 2 O 3 ), YSZ, or the like can be used.

シール構成部材(接着性向上膜)28は、一般式ATiOで表されるペロブスカイト型酸化物及びチタニア(TiO)からなる。シール構成部材の材料としては、所定の焼結温度よりも低い温度で加熱されることにより分解されて二酸化炭素を放出するアルカリ土類金属炭酸塩を含む化合物の粉体と、チタニアの粉体と、を所定の割合で混合した混合粉体を用いることができる。
一般式ATiOの「A」は、アルカリ土類金属などの陽イオンとされ、毒性を示さないものが好ましい。所定の焼結温度よりも低い温度で加熱されることにより分解されて二酸化炭素を放出するアルカリ土類金属炭酸塩を含む化合物は、潮解性を示さないことが好ましく、具体的には、炭酸カルシウム(CaCO)、炭酸ストロンチウム(SrCO)などが好ましい。
The seal component (adhesion improving film) 28 is made of a perovskite oxide represented by the general formula ATiO 3 and titania (TiO 2 ). As a material of the seal component, a powder of a compound containing an alkaline earth metal carbonate that is decomposed by being heated at a temperature lower than a predetermined sintering temperature to release carbon dioxide, a titania powder, , Can be used at a predetermined ratio.
“A” in the general formula ATiO 3 is preferably a cation such as an alkaline earth metal and does not exhibit toxicity. A compound containing an alkaline earth metal carbonate that is decomposed by being heated at a temperature lower than a predetermined sintering temperature to release carbon dioxide preferably does not exhibit deliquescence. Specifically, calcium carbonate (CaCO 3 ), strontium carbonate (SrCO 3 ) and the like are preferable.

混合粉体中のチタニア量(mol)は、上記化合物の量(mol)に対して過剰となるように配合する。「過剰となる」とは、少なくとも理論上すべての上記化合物をチタニアと反応させることのできる量を超える量を意味する。   It mix | blends so that the titania amount (mol) in mixed powder may become excess with respect to the amount (mol) of the said compound. By "excess" is meant an amount that exceeds at least the amount that would theoretically allow all of the above compounds to react with titania.

所定の割合は、混合粉体の線膨張係数が、固体電解質(本実施形態ではYSZ)の線膨張係数と近しくなるように適宜設定されると良い。
例えば、上記化合物として炭酸カルシウムを用いる場合、チタニア10molに対して炭酸カルシウムが3mol以上8mol以下となるような割合で混合させると良い。
例えば、上記化合物として炭酸ストロンチウムを用いる場合、チタニア10molに対して炭酸ストロンチウムが4mol以上8mol以下となるような割合で混合させると良い。
The predetermined ratio may be appropriately set so that the linear expansion coefficient of the mixed powder is close to the linear expansion coefficient of the solid electrolyte (YSZ in the present embodiment).
For example, when calcium carbonate is used as the compound, the calcium carbonate may be mixed at a ratio of 3 mol or more and 8 mol or less with respect to 10 mol of titania.
For example, when strontium carbonate is used as the compound, it is preferable that strontium carbonate be mixed at a ratio of 4 mol to 8 mol with respect to 10 mol of titania.

無機系接着剤29としては、東亞合成株式会社から入手可能なアロンセラミックなどの一液加熱硬化型の耐熱性無機接着剤などが用いられる。
シール部材30は、ハステロイX、SUS310などの金属製とされる。
As the inorganic adhesive 29, a one-component heat-curable inorganic adhesive such as Aron Ceramic available from Toagosei Co., Ltd. is used.
The seal member 30 is made of a metal such as Hastelloy X or SUS310.

以下、固体電解質型燃料電池モジュールの製造方法について説明する。
まず、カルシア安定化ジルコニア(CSZ)などを主とする多孔質材料を、押出成形法により管状に成形し、乾燥させたものを基体管21とする。
Hereinafter, a method for producing a solid oxide fuel cell module will be described.
First, a porous material mainly made of calcia-stabilized zirconia (CSZ) or the like is formed into a tubular shape by an extrusion molding method, and dried to obtain a base tube 21.

次いで、燃料極22の材質として、例えば、NiO及びYSZを所定の混合比で混合させた混合粉末に、溶媒を添加して、3本ローラを用いて混合しスラリー化する。また、固体電解質23、インターコネクタ25、リード膜26、及び気密膜27の材質として、各材料を同様にスラリー化する。
スクリーンプリント法により各スラリーを基体管21上に順次成膜した後に、電気炉などを用いて所定の焼結条件で熱処理する。
Next, as a material of the fuel electrode 22, for example, a solvent is added to a mixed powder obtained by mixing NiO and YSZ at a predetermined mixing ratio, and the mixture is made into a slurry by using three rollers. Further, as the materials of the solid electrolyte 23, the interconnector 25, the lead film 26, and the airtight film 27, each material is similarly slurried.
After each slurry is sequentially formed on the base tube 21 by the screen printing method, heat treatment is performed under predetermined sintering conditions using an electric furnace or the like.

次いで、空気極24の材料を燃料極22のなどの材質と同様にスラリー化する。また、接着性向上膜28の材料、例えば、炭酸カルシウムの粉体とチタニアの粉体とを所定の割合で混合し、ボールミルを用いて混合粉体とする。得られた混合粉体に溶媒を適量添加し、スラリー化させる。このとき、接着性向上膜28の材質は、2種類の粉体が未合成の状態で混合されていることを特徴とする。   Next, the material of the air electrode 24 is slurried in the same manner as the material of the fuel electrode 22 and the like. Further, the material of the adhesion improving film 28, for example, calcium carbonate powder and titania powder are mixed at a predetermined ratio, and mixed powder is obtained using a ball mill. An appropriate amount of a solvent is added to the obtained mixed powder to make a slurry. At this time, the material of the adhesion improving film 28 is characterized in that two kinds of powders are mixed in an unsynthesized state.

空気極24用のスラリーを、固体電解質23及びインターコネクタ25を覆うように塗布する。塗布は、スクーン印刷法によって行われる。
また、接着性向上膜28用のスラリーを、気密膜27上に塗布する。塗布は、スクーン印刷法によって行われ、所望の膜厚に応じて数回実施しても良い。
The slurry for the air electrode 24 is applied so as to cover the solid electrolyte 23 and the interconnector 25. The application is performed by a scoon printing method.
Further, a slurry for the adhesion improving film 28 is applied on the airtight film 27. The application is performed by a scoon printing method, and may be performed several times according to a desired film thickness.

上記で塗布した空気極24及び接着性向上膜28用の各スラリーを乾燥させた後、電気炉によって所定の焼結温度で基体管21を熱処理する。「所定の焼結温度」は、空気極24の材質などに応じて適宜設定される。   After drying each slurry for the air electrode 24 and the adhesion improving film 28 applied as described above, the base tube 21 is heat-treated at a predetermined sintering temperature by an electric furnace. The “predetermined sintering temperature” is appropriately set according to the material of the air electrode 24 and the like.

本実施形態に係る製造方法で製造した円筒型固体電解質燃料電池モジュールの作用について説明する。モジュール本体1の電池室6内を作動温度(約900〜1000℃)に加熱し、外側管9から水素などの燃料ガス31を供給すると共に、空気供給管18から酸化剤ガスである空気32を供給する。
外側管9を介して供給された燃料ガス31は、燃料供給室7から燃料供給管11を介してセルチューブ5の下端側まで流入する。
空気予熱室17を介して仕切16を通過した空気32は、電池室6内に流入する。
The operation of the cylindrical solid electrolyte fuel cell module manufactured by the manufacturing method according to the present embodiment will be described. The inside of the battery chamber 6 of the module main body 1 is heated to an operating temperature (about 900 to 1000 ° C.), a fuel gas 31 such as hydrogen is supplied from the outer tube 9, and air 32 as an oxidant gas is supplied from the air supply tube 18. Supply.
The fuel gas 31 supplied via the outer pipe 9 flows from the fuel supply chamber 7 to the lower end side of the cell tube 5 via the fuel supply pipe 11.
The air 32 that has passed through the partition 16 via the air preheating chamber 17 flows into the battery chamber 6.

燃料ガス31が多孔質性の基体管21を透過して単電池膜20の燃料極22に供給される。空気(酸素)32が空気極24に接触すると、該単電池膜20が水素と空気(酸素)とを電気化学的に反応させて電力を発生させ、当該電力が集電部材13、導電棒14を介して外部へ送り出されるようになっている。   The fuel gas 31 passes through the porous base tube 21 and is supplied to the fuel electrode 22 of the unit cell membrane 20. When the air (oxygen) 32 comes into contact with the air electrode 24, the unit cell membrane 20 electrochemically reacts hydrogen and air (oxygen) to generate electric power, and the electric power is generated by the current collecting member 13 and the conductive rod 14. It is sent out to the outside through.

なお、発電に供された後の残燃料ガス33は、セルチューブ5の上端から燃料排出室8に流入し、内側管10を介して外部へ排出され、再利用される。一方、発電に供された後の残空気34は、空気排出管19を介して外部へ排出される。   The remaining fuel gas 33 after being used for power generation flows into the fuel discharge chamber 8 from the upper end of the cell tube 5, is discharged to the outside through the inner pipe 10, and is reused. On the other hand, the remaining air 34 after being used for power generation is discharged to the outside through the air discharge pipe 19.

(ペレット試験)
CaCO粉体として、平均粒径3μmを使用した。
TiO粉体として、平均粒径2μmを使用した。
CaCO粉体及びTiO粉体を所定の割合(試験組成:CaCO/TiO=0/10〜9/10)で混合し、該混合した粉体をφ20mmの金型を用いた1軸プレス成形(プレス圧力:300kg/mm)によってペレットに成形して、1100℃で2時間焼結させた。次に、得られた焼結体の収縮率を算出した。収縮率は、焼結前後のペレットの大きさを比較して算出した。ペレットの大きさとしては、ペレットの直径を約60度毎に3箇所をノギスで計測し、平均値を算出した値を採用した。
(Pellet test)
An average particle size of 3 μm was used as the CaCO 3 powder.
An average particle diameter of 2 μm was used as the TiO 2 powder.
CaCO 3 powder and TiO 2 powder are mixed at a predetermined ratio (test composition: CaCO 3 / TiO 2 = 0/10 to 9/10), and the mixed powder is uniaxial using a φ20 mm mold. It was formed into pellets by press molding (press pressure: 300 kg / mm 2 ) and sintered at 1100 ° C. for 2 hours. Next, the shrinkage ratio of the obtained sintered body was calculated. The shrinkage rate was calculated by comparing the size of the pellets before and after sintering. As the size of the pellet, a value obtained by measuring the diameter of the pellet with calipers at three locations every about 60 degrees and calculating an average value was adopted.

計測された収縮率を表1に示す。

Figure 0005449120
Table 1 shows the measured shrinkage rate.
Figure 0005449120

表1によれば、CaCO無添加(0mol)の試料の収縮率は、13.3%であった。一方、TiOにCaCOを添加した試料の収縮率は、いずれも5%以下であった。また、収縮率はCaCOの添加量の増加にともなって小さくなり、そのうちほとんど収縮しなくなった。 According to Table 1, the shrinkage ratio of the sample without addition of CaCO 3 (0 mol) was 13.3%. On the other hand, the shrinkage rate of the sample in which CaCO 3 was added to TiO 2 was 5% or less. In addition, the shrinkage ratio decreased with an increase in the amount of CaCO 3 added, and almost no shrinkage occurred.

上記結果から、CaCO粉体及びTiO粉体を所定の割合で混合させた混合粉体を焼結した場合に、焼結後の収縮を抑制できることが確認された。これは、2種類の粉体を未合成の状態で気密膜上に塗布して、合成・焼結させたことで、予め合成した場合と比べて粒径の大きなペロブスカイト型酸化物が生成され、焼結が進みにくくなったために収縮率が低下したものと考えられる。
これによって、成膜後の乾燥時ならびに熱処理時に収縮割れが発生しにくくなるため、接着性向上膜の膜厚の制限が緩和される。
From the above results, it was confirmed that shrinkage after sintering can be suppressed when a mixed powder obtained by mixing CaCO 3 powder and TiO 2 powder in a predetermined ratio is sintered. This is because two kinds of powders are applied on an airtight film in an unsynthesized state, synthesized and sintered, so that a perovskite oxide having a larger particle size than that synthesized in advance is generated, It is thought that the shrinkage rate was lowered because sintering became difficult to proceed.
As a result, shrinkage cracks are less likely to occur during drying after film formation and during heat treatment, so that the limitation on the film thickness of the adhesion improving film is relaxed.

(X線回折)
上記ペレット試験で用いたCaCO粉体及びTiO粉体を、ボールミルにて混合した後、乾燥させ、混合粉体とした。CaCO粉体及びTiO粉体の混合量は、それぞれ0.5mol及び1molとした。混合粉体25gに対してスキージオイルを18gの割合で添加し、スラリー化した。調製したスラリーを基材上に塗布して乾燥後、1100℃で2時間焼結させた。焼結後の厚さは、約100μmとした。
(X-ray diffraction)
The CaCO 3 powder and TiO 2 powder used in the pellet test were mixed with a ball mill and then dried to obtain a mixed powder. The mixing amounts of the CaCO 3 powder and the TiO 2 powder were 0.5 mol and 1 mol, respectively. Squeegee oil was added at a ratio of 18 g to 25 g of the mixed powder to make a slurry. The prepared slurry was applied onto a substrate and dried, followed by sintering at 1100 ° C. for 2 hours. The thickness after sintering was about 100 μm.

CaCO粉体及びTiO粉体を混合させた状態で焼結させると、式(1)及び式(2)の反応が生じる。得られた焼結体の構成結晶相は、CaTiO及びTiOであると予測される。
CaCO → CaO +CO↑・・・(1)
CaO+TiO →CaTiO ・・・(2)
When sintering is performed in a state where CaCO 3 powder and TiO 2 powder are mixed, reactions of formulas (1) and (2) occur. The constituent crystal phases of the obtained sintered body are predicted to be CaTiO 3 and TiO 2 .
CaCO 3 → CaO + CO 2 ↑ (1)
CaO + TiO 2 → CaTiO 3 (2)

得られた焼結体を粉末X線回折装置によって分析した。分析結果を図5に示す。同図において、横軸が2θ[°]、縦軸が強度[cps]である。図5において、○がCaTiOに由来するピーク、△がTiOに由来するピークであり、得られた焼結体の構成結晶相が、CaTiO及びTiOであることが確認された。
焼結体に未反応のCaOが残存している場合、横軸43.7°の位置にCaOの最強線が出現する。図5によれば、上記で得られた焼結体中に、未反応のCaOの存在はみとめられなかった。
The obtained sintered body was analyzed by a powder X-ray diffractometer. The analysis results are shown in FIG. In the figure, the horizontal axis represents 2θ [°] and the vertical axis represents intensity [cps]. 5, peak ○ is derived from CaTiO 3, △ is a peak derived from TiO 2, construction crystal phase of the obtained sintered body, it was confirmed that the CaTiO 3 and TiO 2.
When unreacted CaO remains in the sintered body, the strongest line of CaO appears at a position of 43.7 ° on the horizontal axis. According to FIG. 5, the presence of unreacted CaO was not found in the sintered body obtained above.

CaOは水和されやすいため、CaOが焼結体に残留すると接着性向上膜の損傷させる原因となる可能性がある。よって、CaOが焼結体に残留する場合は、X線回折でCaOの有無を検証する必要がある。上記結果によれば、焼結体に未反応のCaOが残留しないため、接着性向上膜を形成後にX線回折でCaOの有無を検証する工程を省略することができる。   Since CaO is easily hydrated, if CaO remains in the sintered body, it may cause damage to the adhesion improving film. Therefore, when CaO remains in the sintered body, it is necessary to verify the presence or absence of CaO by X-ray diffraction. According to the above result, since unreacted CaO does not remain in the sintered body, the step of verifying the presence or absence of CaO by X-ray diffraction after forming the adhesion improving film can be omitted.

(焼結体の線膨張係数)
焼結体の線膨張係数は、CaTiOとTiOの混合物のそれに等しい。CaTiOの線膨張係数は約12×10−6/Kであり、TiOの線膨張係数は約8×10−6/Kである(参照:素木洋一,焼結セラミック詳論4 ファインセラミックス 出版社 技報堂 551p,553p)。したがって、CaTiO及びTiOの存在比率とCaTiO及びTiOの各線膨張係数とから、混合物の線膨張係数を算出した。結果を表2に示す。

Figure 0005449120
(Linear expansion coefficient of sintered body)
The linear expansion coefficient of the sintered body is equal to that of the mixture of CaTiO 3 and TiO 2 . CaTiO 3 has a linear expansion coefficient of about 12 × 10 −6 / K, and TiO 2 has a linear expansion coefficient of about 8 × 10 −6 / K (see: Yoichi Motoki, Sintered Ceramics Details 4 Fine Ceramics Publication) (Gihodo 551p, 553p). Accordingly, from the existing ratio and CaTiO 3 and linear expansion coefficient of TiO 2 of CaTiO 3 and TiO 2, it was calculated linear expansion coefficient of the mixture. The results are shown in Table 2.
Figure 0005449120

表2によれば、焼結体の推定線膨張係数は、CaCOをTiOに添加することで上昇する。これは、CaCOの添加量に依存してCaTiOの生成量が変化するためである。すなわち、CaCOの添加量が少ないとCaTiOの生成量が少なく、線膨張係数は低くなる。逆に、CaCOの添加量が多いとCaTiOの生成量が多くなり、線膨張係数は高くなる。 According to Table 2, the estimated linear expansion coefficient of the sintered body is increased by adding CaCO 3 to TiO 2 . This is because the amount of CaTiO 3 produced varies depending on the amount of CaCO 3 added. That is, if the amount of CaCO 3 added is small, the amount of CaTiO 3 produced is small and the linear expansion coefficient is low. Conversely, when the amount of CaCO 3 added is large, the amount of CaTiO 3 produced increases and the linear expansion coefficient increases.

単電池膜に用いられる材料は、通常、昇降温時に剥離や割れを生じさせないよう、使用される固体電解質の線膨張係数に近い線膨張係数を有するものが選択される。固体電解質として主に用いられるYSZの線膨張係数は、9.7×10−6/Kである。よって、固体電解質としてYSZを用いた場合、線膨張係数が9.7×10−6/Kより低すぎても、高すぎても、剥離や割れの原因となる。以上より、CaCOとTiOとの混合割合は、TiO10molに対してCaCO3mol以上8mol以下とすることが好ましく、3mol以上6mol以下とすることがより好ましい。 As the material used for the cell membrane, a material having a linear expansion coefficient close to that of the solid electrolyte to be used is usually selected so as not to cause peeling or cracking at the time of temperature increase / decrease. The linear expansion coefficient of YSZ mainly used as a solid electrolyte is 9.7 × 10 −6 / K. Therefore, when YSZ is used as the solid electrolyte, even if the linear expansion coefficient is lower or higher than 9.7 × 10 −6 / K, it causes peeling and cracking. From the above, the mixing ratio of CaCO 3 and TiO 2 is preferably 3 mol or more and 8 mol or less, and more preferably 3 mol or more and 6 mol or less with respect to 10 mol of TiO 2 .

また、SrCOとTiOとを所定の割合で混合した場合の線膨張係数を算出した。SrTiOの線膨張係数は約11.3×10−6/Kである(参照:素木洋一,焼結セラミック詳論4 ファインセラミックス 出版社 技報堂 553p)。結果を表3に示す。

Figure 0005449120
Further, the linear expansion coefficient when SrCO 3 and TiO 2 were mixed at a predetermined ratio was calculated. The linear expansion coefficient of SrTiO 3 is about 11.3 × 10 −6 / K (see: Yoichi Motoki, Detailed explanation of sintered ceramics 4 Fine ceramics publisher, Gihodo 553p). The results are shown in Table 3.
Figure 0005449120

表3から、SrCOとTiOとの混合割合は、TiO10molに対してSrCO3mol以上8mol以下とすることが好ましく、4mol以上6mol以下とすることがより好ましい。 From Table 3, the mixing ratio of SrCO 3 and TiO 2 is preferably 3 mol or more and 8 mol or less, more preferably 4 mol or more and 6 mol or less with respect to 10 mol of TiO 2 .

(気密膜上への成膜試験)
上記ペレット試験で用いたCaCO粉体及びTiO粉体を、ボールミルで混合した後、乾燥させ、混合粉体とした。CaCO粉体及びTiO粉体の混合割合は、それぞれ0.5mol及び1molとした。混合粉体にスキージオイルを適量添加し、スラリー化した。調製したスラリーを気密膜(10mol%Y−ZrO、厚さ約100μm、成膜方法:ディピング成膜)上に塗布して乾燥後、1100℃で2時間焼結させて接着性向上膜(厚さ約50μm)を形成させ、試料とした。
(Deposition test on airtight film)
The CaCO 3 powder and TiO 2 powder used in the pellet test were mixed with a ball mill and then dried to obtain a mixed powder. The mixing ratio of CaCO 3 powder and TiO 2 powder was 0.5 mol and 1 mol, respectively. An appropriate amount of squeegee oil was added to the mixed powder to form a slurry. The prepared slurry was applied onto an airtight film (10 mol% Y 2 O 3 —ZrO 2 , thickness of about 100 μm, film formation method: dipping film formation), dried and then sintered at 1100 ° C. for 2 hours to improve adhesion. A film (thickness of about 50 μm) was formed and used as a sample.

焼結させた後の気密膜は、外観上の割れや剥離はなく、健全な状態であった。
上記試料について、グリッド試験を実施した。詳細には、気密膜上に塗布して焼結させた接着性向上膜を鋭利な刃物で素地に達するように一定の格子状(碁盤の目)に切断し、その接着性向上膜の表面に粘着テープをローラで強く押し付ける。その後、迅速にテープの端を垂直に引きはがし、接着性向上膜の密着性を外観目視によって評価した。
図6は、上記試料の表面を切り欠く前後の写真である。図6(a)が切り欠く前、図6(b)が切り欠いた後の接着性向上膜の表面である。図6によれば、切り欠いた後、膜が剥がれ落ちることは殆どなかった。
一方、予め粉体合成された混合物をスラリー化して気密膜上に塗布された後、1100℃で2時間焼結させて形成した接着性向上膜は、密着性が弱く、粉を固めただけのような状態であり、指で触るだけでも膜が壊れてしまうような状態であった。
The hermetic film after sintering was in a healthy state with no external cracking or peeling.
A grid test was performed on the sample. Specifically, the adhesion-improving film coated and sintered on the air-tight film is cut into a regular grid (grid pattern) so as to reach the substrate with a sharp blade, and is applied to the surface of the adhesion-improving film. Press the adhesive tape strongly with a roller. Thereafter, the end of the tape was quickly peeled off vertically, and the adhesion of the adhesion improving film was visually evaluated.
FIG. 6 is photographs before and after cutting the surface of the sample. FIG. 6A shows the surface of the adhesion improving film before notching and FIG. 6B after notching. According to FIG. 6, the film hardly peeled off after the notch.
On the other hand, an adhesive improvement film formed by slurrying a mixture of powder synthesized in advance and applying the mixture on an airtight film after sintering for 2 hours at 1100 ° C. is weak in adhesion and only hardens the powder. It was in such a state that the film was broken only by touching with a finger.

以上より、本発明に係るシール構成部材を形成する方法によれば、焼結収縮をほとんど起こさず、且つ、密着性の高いシール構成部材を形成することができる。   As described above, according to the method for forming a seal constituent member according to the present invention, it is possible to form a seal constituent member that hardly causes sintering shrinkage and that has high adhesion.

1 固体電解質型燃料電池モジュール(モジュール本体)
2 天板
3 上部管板
4 下部管板
5 セルチューブ
6 電池室
7 燃料供給室
8 燃料排出室
9 外側管
10 内側管
11 燃料供給管
12 集電棒
13 集電部材
14 導電棒
15 集電コネクタ
16 仕切板
17 空気予熱室
18 空気供給管
19 空気排出管
20 単電池膜
21 基体管
22 燃料極
23 固体電解質
24 空気極
25 インターコネクタ
26 リード膜
27 気密膜
28 接着性向上膜(シール構成部材)
29 無機系接着剤
30 シール部材
31 燃料ガス
32 空気
33 残燃料ガス
34 残空気
1 Solid oxide fuel cell module (module body)
2 Top plate 3 Upper tube plate 4 Lower tube plate 5 Cell tube 6 Battery chamber 7 Fuel supply chamber 8 Fuel discharge chamber 9 Outer tube 10 Inner tube 11 Fuel supply tube 12 Current collecting rod 13 Current collecting member 14 Conductive rod 15 Current collecting connector 16 Partition plate 17 Air preheating chamber 18 Air supply pipe 19 Air discharge pipe 20 Single cell membrane 21 Base tube 22 Fuel electrode 23 Solid electrolyte 24 Air electrode 25 Interconnector 26 Lead film 27 Airtight film 28 Adhesion improvement film (seal component)
29 Inorganic adhesive 30 Seal member 31 Fuel gas 32 Air 33 Residual fuel gas 34 Residual air

Claims (6)

多孔質材料からなる基体管と、該基体管の外周面上に燃料極と固体電解質と空気極とが順に積層されてなる複数の単電池膜と、前記複数の単電池膜の最端部に電気的に接続された導電性のリード膜と、該リード膜の表面に形成された気密性の高い気密膜と、を備えたセルチューブの前記気密膜上に設けられるシール構成部材の形成方法であって、
所定の焼結温度よりも低い温度で加熱されることにより分解されて二酸化炭素を放出するアルカリ土類金属炭酸塩を含む化合物の粉体と、チタニアの粉体と、を所定の割合で混合して未合成の混合粉体を調製し、該混合粉体をスラリー化させて前記気密膜上に塗布した後、前記所定の焼結温度で熱処理することによって一般式ATiO (Aは、アルカリ土類金属の陽イオン)で表されるペロブスカイト型酸化物及びチタニアからなるシール構成部材を形成する方法。
A base tube made of a porous material, a plurality of unit cell membranes in which a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are sequentially laminated on the outer peripheral surface of the base unit tube; and at the end of the plurality of unit cell membranes A method of forming a sealing component member provided on the airtight film of a cell tube, comprising: an electrically connected conductive lead film; and a highly airtight film formed on the surface of the lead film. There,
A powder of a compound containing an alkaline earth metal carbonate that is decomposed by being heated at a temperature lower than a predetermined sintering temperature to release carbon dioxide and a titania powder are mixed at a predetermined ratio. An unsynthetic mixed powder is prepared, and the mixed powder is slurried and applied onto the airtight film, and then heat-treated at the predetermined sintering temperature to obtain a general formula ATiO 3 (A is alkaline earth). A method of forming a seal constituent member comprising a perovskite oxide represented by a cation of a metal) and titania.
前記固体電解質が主としてYSZを含み、
前記アルカリ土類金属炭酸塩を炭酸カルシウムとし、
前記炭酸カルシウムの粉体及び前記チタニアの粉体の混合モル比が、チタニア10モルに対して炭酸カルシウムが3モル以上8モル以下となるよう混合粉体を調製する請求項1に記載のシール構成部材を形成する方法。
The solid electrolyte mainly comprises YSZ;
The alkaline earth metal carbonate is calcium carbonate,
2. The seal configuration according to claim 1, wherein the mixed powder is prepared so that a mixing molar ratio of the calcium carbonate powder and the titania powder is 3 mol or more and 8 mol or less of calcium carbonate with respect to 10 mol of titania. A method of forming a member.
前記固体電解質が主としてYSZを含み、
前記アルカリ土類金属炭酸塩を炭酸ストロンチウムとし、
前記炭酸ストロンチウムの粉体及び前記チタニアの粉体の混合モル比が、チタニア10モルに対して炭酸ストロンチウムが4モル以上8モル以下となるよう混合粉体を調製する請求項1に記載のシール構成部材を形成する方法。
The solid electrolyte mainly comprises YSZ;
The alkaline earth metal carbonate is strontium carbonate,
2. The seal structure according to claim 1, wherein the mixed powder is prepared such that the mixing molar ratio of the strontium carbonate powder and the titania powder is 4 mol or more and 8 mol or less of strontium carbonate with respect to 10 mol of titania. A method of forming a member.
多孔質材料からなる基体管と、該基体管の外周面上に燃料極と固体電解質と空気極とが順に積層されてなる複数の単電池膜と、前記複数の単電池膜の最端部に電気的に接続された導電性のリード膜と、該リード膜の表面に形成された気密性の高い気密膜と、を備えたセルチューブを有する固体電解質型燃料電池モジュールであって、
前記セルチューブの前記気密膜上に、
所定の焼結温度よりも低い温度で加熱されることにより分解されて二酸化炭素を放出するアルカリ土類金属炭酸塩を含む化合物の粉体と、チタニアの粉体と、を所定の割合で混合して未合成の混合粉体を調製し、該混合粉体をスラリー化させて前記気密膜上に塗布した後、前記所定の焼結温度で熱処理することによって一般式ATiO (Aは、アルカリ土類金属の陽イオン)で表されるペロブスカイト型酸化物及びチタニアからなるシール構成部材を形成する固体電解質型燃料電池モジュールの製造方法。
A base tube made of a porous material, a plurality of unit cell membranes in which a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are sequentially laminated on the outer peripheral surface of the base unit tube; and at the end of the plurality of unit cell membranes A solid oxide fuel cell module having a cell tube comprising a conductive lead film electrically connected and a highly airtight film formed on the surface of the lead film,
On the airtight membrane of the cell tube,
A powder of a compound containing an alkaline earth metal carbonate that is decomposed by being heated at a temperature lower than a predetermined sintering temperature to release carbon dioxide and a titania powder are mixed at a predetermined ratio. An unsynthetic mixed powder is prepared, and the mixed powder is slurried and applied onto the airtight film, and then heat-treated at the predetermined sintering temperature to obtain a general formula ATiO 3 (A is alkaline earth). A manufacturing method of a solid oxide fuel cell module that forms a seal constituent member made of a perovskite oxide represented by a cation of a metal) and titania.
前記固体電解質が主としてYSZを含み、
前記アルカリ土類金属炭酸塩を炭酸カルシウムとし、
前記炭酸カルシウムの粉体及び前記チタニアの粉体の混合モル比が、チタニア10モルに対して炭酸カルシウムが3モル以上8モル以下となるよう混合粉体を調製する請求項4に記載の固体電解質型燃料電池モジュールの製造方法。
The solid electrolyte mainly comprises YSZ;
The alkaline earth metal carbonate is calcium carbonate,
5. The solid electrolyte according to claim 4, wherein the mixed powder is prepared such that the mixing molar ratio of the calcium carbonate powder and the titania powder is 3 mol or more and 8 mol or less of calcium carbonate with respect to 10 mol of titania. Type fuel cell module manufacturing method.
前記固体電解質が主としてYSZを含み、
前記アルカリ土類金属炭酸塩を炭酸ストロンチウムとし、
前記炭酸ストロンチウムの粉体及び前記チタニアの粉体の混合モル比が、チタニア10モルに対して炭酸ストロンチウムが4モル以上8モル以下となるよう混合して混合粉体を調製する請求項4に記載の固体電解質型燃料電池モジュールの製造方法。
The solid electrolyte mainly comprises YSZ;
The alkaline earth metal carbonate is strontium carbonate,
The mixed powder is prepared by mixing so that a mixing molar ratio of the strontium carbonate powder and the titania powder is 4 mol or more and 8 mol or less of strontium carbonate with respect to 10 mol of titania. Of manufacturing a solid oxide fuel cell module.
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