JP6311952B1 - Interconnector, solid oxide fuel cell stack, and method for manufacturing solid oxide fuel cell stack - Google Patents

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Abstract

本明細書は、インターコネクタを開示する。本明細書に開示されるインターコネクタは、少なくとも、燃料極側に位置される第1の層と、空気極側に位置される第2の層と、を備え、第1の層は、還元性雰囲気において前記第2の層よりも高い電気伝導性とガス遮断性とを備え、第2の層は、酸化性雰囲気において前記第1の層よりも高い電気伝導性とガス遮断性とを備えている。The present specification discloses an interconnector. The interconnector disclosed in the present specification includes at least a first layer located on the fuel electrode side and a second layer located on the air electrode side, and the first layer is reducible. It has higher electrical conductivity and gas barrier properties than the second layer in the atmosphere, and the second layer has higher electrical conductivity and gas barrier properties than the first layer in the oxidizing atmosphere. Yes.

Description

本明細書は、インターコネクタ及びその利用に関する。  The present specification relates to an interconnector and use thereof.

固体酸化物形燃料電池(以下、単に、SOFCともいう。)に用いるスタック構造体として、燃料極層と、固体電解質層と、空気極層とを備えるセルの2以上がセパレータ層を介して積層されたスタック構造体が開示されている(特許文献1)。  As a stack structure used in a solid oxide fuel cell (hereinafter, also simply referred to as SOFC), two or more cells including a fuel electrode layer, a solid electrolyte layer, and an air electrode layer are stacked via a separator layer. A stacked structure is disclosed (Patent Document 1).

また、SOFCのセルを接続する相互接続部材(インターコネクタ)として、金属系の導電性材料を含む第1層とランタン等がドープされたストロンチウムチタネートを含む第2層とを備える2層構造の部材が開示されている(特許文献2)。さらに、還元膨張率が段階的に異なるように異なる組成のランタン等がドープされたストロンチウムチタニウムフェライト等であるペロブスカイト型酸化物が積層されたインターコネクタが開示されている(特許文献3)。  In addition, as an interconnection member (interconnector) for connecting SOFC cells, a member having a two-layer structure including a first layer containing a metallic conductive material and a second layer containing strontium titanate doped with lanthanum or the like Is disclosed (Patent Document 2). Furthermore, an interconnector is disclosed in which perovskite-type oxides such as strontium titanium ferrite doped with lanthanum or the like having different compositions so that the reduction expansion coefficients differ stepwise (Patent Document 3).

インターコネクタは、単セル間を物理的且つ電気的に接続すると同時に、酸化性のガス(典型的には空気)と還元性のガス(典型的には水素やメタン等の燃料ガス)とを分離するセパレータとしての役割も担っている。  The interconnector separates the oxidizing gas (typically air) from the reducing gas (typically a fuel gas such as hydrogen or methane) while physically and electrically connecting the single cells. It also serves as a separator.

国際公開第2009/119771International Publication No. 2009/119771 特表2010−515225号公報Special table 2010-515225 特開2010−212036号公報JP 2010-212036 A

セルとセルとの間に介在されるインターコネクタは、セルと一体焼結される場合がある。インターコネクタとセルとの一体焼結には、インターコネクタ層、燃料極層、空気極層及び固体電解質層の焼成縮率、収縮挙動を近似させる必要がある。特に、インターコネクタ層の材料は、燃料極層と空気極層との電気的接続のほか、還元性ガスと酸化性ガスとの分離のため、優れた導電性と両ガスに対する耐性や遮断性も求められる。また、複数のセルを一体焼結によりスタックした一体焼結型SOFCスタックにおいては、発電特性等の観点から、インターコネクタの性能は特に重要である。  The interconnector interposed between the cells may be integrally sintered with the cells. For integral sintering of the interconnector and the cell, it is necessary to approximate the firing shrinkage and shrinkage behavior of the interconnector layer, fuel electrode layer, air electrode layer, and solid electrolyte layer. In particular, the material of the interconnector layer is not only electrically connected between the fuel electrode layer and the air electrode layer, but also has excellent conductivity, resistance to both gases and barrier properties for separation of reducing gas and oxidizing gas. Desired. Further, in an integrally sintered SOFC stack in which a plurality of cells are stacked by integral sintering, the performance of the interconnector is particularly important from the viewpoint of power generation characteristics and the like.

従来、ランタン添加チタン酸ストロンチウム(LST)系のペロブスカイト型酸化物が、インターコネクタ材料として用いられている、この材料は、還元性雰囲気で高い導電性を示すが、酸化性雰囲気に曝されると導電性が低下する。すなわち、燃料極に対して好適であるが、空気極側においてはインターコネクタとしての性能が十分でない。  Conventionally, a lanthanum-doped strontium titanate (LST) perovskite oxide has been used as an interconnector material. This material exhibits high conductivity in a reducing atmosphere, but when exposed to an oxidizing atmosphere. The conductivity is reduced. That is, although it is suitable for the fuel electrode, the performance as an interconnector is not sufficient on the air electrode side.

本発明者らは、ランタンストロンチウムマンガネート(LSM)のような空気極材料でLST層の空気極側を保護することを試みたが、一体焼結型SOFCスタックに適用するには、線膨張係数が異なるため一体化が困難であった。  The present inventors tried to protect the air electrode side of the LST layer with an air electrode material such as lanthanum strontium manganate (LSM). It was difficult to integrate because of the difference.

さらに、本発明者らは、LSMに対して固体電解質に用いる希土類を固溶させたジルコニウム酸化物を混合することにより、線膨張係数を隣接する層に近似させることを試みたが、希土類固溶ジルコニウム酸化物によるイオン伝導性が予想を超えて一体焼結型SOFCスタックの発電性能を著しく低下させることがわかった。  Furthermore, the present inventors tried to approximate the linear expansion coefficient to an adjacent layer by mixing a zirconium oxide in which a rare earth used for a solid electrolyte was dissolved in LSM. It was found that the ionic conductivity due to zirconium oxide exceeded the expectation and significantly reduced the power generation performance of the integrally sintered SOFC stack.

本明細書は、導電性と、SOFCに適用される還元性ガスと酸化性ガスとに対する耐性と、をそれぞれ発揮し、さらにセルとの一体焼結に好適なインターコネクタ及び当該インターコネクタを利用したSOFCを提供する。  The present specification exhibits conductivity, resistance to reducing gas and oxidizing gas applied to SOFC, and further uses an interconnector suitable for integral sintering with a cell and the interconnector. Provide SOFC.

本発明者らは、インターコネクタの燃料極側と空気極側とは、電気伝導性と耐ガス性等に関しそれぞれ異なる特性が求められていることに着目した。そして、これらの異なる特性を充足する材料を、相互にかつ単セルとの焼結一体化することに着目した。本明細書によれば、これらの知見等に基づき以下の手段が提供される。  The present inventors have focused on the fact that the fuel electrode side and the air electrode side of the interconnector are required to have different characteristics with respect to electrical conductivity and gas resistance. Then, we focused on integrating the materials satisfying these different characteristics with each other and with a single cell. According to the present specification, the following means are provided based on these findings and the like.

(1)燃料極と、固体電解質と、空気極とを備える、固体酸化物形燃料電池に用いるインターコネクタであって、
少なくとも、燃料極側に位置される第1の層と、空気極側に位置される第2の層と、を備え、
前記第1の層は、還元性雰囲気において前記第2の層よりも高い電気伝導性とガス遮断性とを備え、
前記第2の層は、酸化性雰囲気において前記第1の層よりも高い電気伝導性とガス遮断性とを備える、インターコネクタ。
(2)前記第1の層は、希土類元素がドープされたペロブスカイト型酸化物を含有する、(1)に記載のインターコネクタ。
(3)前記第2の層は、導電性セラミックス材料と前記固体電解質に含まれる元素の酸化物材料とを含む、(1)又は(2)に記載のインターコネクタ。
(4)前記固体電解質に含まれる元素の酸化物材料のイオン伝導性は、前記固体電解質における酸化物イオン伝導性材料よりも低くなっている、(3)に記載のインターコネクタ。
(5)前記第1の層と前記第2の層とは、焼結により一体化されている、(1)〜(4)のいずれかに記載のインターコネクタ。
(6)燃料極、固体電解質及び空気極を備える単セルを複数備える固体酸化物形燃料電池スタックであって、
少なくとも2つの前記単セル間に、(1)〜(5)のいずれかに記載のインターコネクタを備える、スタック。
(7)少なくとも2つの前記単セルは、前記インターコネクタを介して焼結により一体化されている、(6)に記載のスタック。
(8)前記単セルの厚みは、150μm以上1000μm以下である、(6)又は(7)に記載のスタック。
(9)前記燃料極の厚みは、15μm以上500μm以下である、(6)〜(8)のいずれかに記載のスタック。
(10)燃料極、固体電解質及び空気極を備える単セルを複数備える固体酸化物形燃料電池スタックの製造方法であって、
少なくとも第1の単セルと第2の単セルとをインターコネクタを介して積層されたスタックを得るのにあたって、
前記第1の単セルの前記燃料極の材料を含む燃料極材料層と、前記インターコネクタの材料を含むインターコネクタ材料層と、前記第2の単セルの前記空気極の材料を含む空気極材料層と、を少なくとも含む前記スタックの前駆体を、焼成により一体化する工程、
を備え、
前記インターコネクタ材料層は、前記燃料極材料層側に位置される第1の材料層と、前記空気極材料層側に位置される第2の材料層と、備え、
前記第1の材料層は、還元性雰囲気において前記第2の材料層から得られる第2の層よりも高い電気伝導性とガス遮断性とを備えるように構成され、
前記第2の材料層は、酸化性雰囲気において前記第1の材料から得られる第1の層よりも高い電気伝導性とガス遮断性とを備えるように構成される、製造方法。
(1) An interconnector used for a solid oxide fuel cell, comprising a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode,
Comprising at least a first layer located on the fuel electrode side and a second layer located on the air electrode side;
The first layer has higher electrical conductivity and gas barrier properties than the second layer in a reducing atmosphere,
The second layer is an interconnector having higher electrical conductivity and gas barrier properties than the first layer in an oxidizing atmosphere.
(2) The interconnector according to (1), wherein the first layer includes a perovskite oxide doped with a rare earth element.
(3) The interconnector according to (1) or (2), wherein the second layer includes a conductive ceramic material and an oxide material of an element included in the solid electrolyte.
(4) The interconnector according to (3), wherein the ionic conductivity of the oxide material of the element contained in the solid electrolyte is lower than that of the oxide ion conductive material in the solid electrolyte.
(5) The interconnector according to any one of (1) to (4), wherein the first layer and the second layer are integrated by sintering.
(6) A solid oxide fuel cell stack including a plurality of single cells each including a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode,
A stack comprising the interconnector according to any one of (1) to (5) between at least two single cells.
(7) The stack according to (6), wherein at least two of the single cells are integrated by sintering through the interconnector.
(8) The stack according to (6) or (7), wherein the single cell has a thickness of 150 μm or more and 1000 μm or less.
(9) The stack according to any one of (6) to (8), wherein the fuel electrode has a thickness of 15 μm or more and 500 μm or less.
(10) A method for producing a solid oxide fuel cell stack including a plurality of unit cells each including a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode,
In obtaining a stack in which at least a first single cell and a second single cell are stacked via an interconnector,
A fuel electrode material layer including a material of the fuel electrode of the first single cell, an interconnector material layer including a material of the interconnector, and an air electrode material including a material of the air electrode of the second single cell. And integrating the precursor of the stack including at least a layer by firing,
With
The interconnector material layer includes a first material layer located on the fuel electrode material layer side, and a second material layer located on the air electrode material layer side,
The first material layer is configured to have higher electrical conductivity and gas barrier properties than a second layer obtained from the second material layer in a reducing atmosphere,
The manufacturing method, wherein the second material layer is configured to have higher electrical conductivity and gas barrier properties than the first layer obtained from the first material in an oxidizing atmosphere.

本インターコネクタを含むSOFCスタックの一部(単セルC)を例示する図である。It is a figure which illustrates a part (single cell C) of the SOFC stack including this interconnector. 本インターコネクタを含むSOFCスタックの一部(単セルC)を例示する図である。It is a figure which illustrates a part (single cell C) of the SOFC stack including this interconnector. 本インターコネクタの積層構造の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the laminated structure of this interconnector. 本インターコネクタの積層構造の他の一例を示す図である。It is a figure which shows another example of the laminated structure of this interconnector. 本インターコネクタの積層構造の他の一例を示す図である。It is a figure which shows another example of the laminated structure of this interconnector. SOFCスタックの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a SOFC stack. 実施例のSOFCスタックの製造工程で用いるグリーンシートの一部を示す図である。It is a figure which shows a part of green sheet used at the manufacturing process of the SOFC stack of an Example. 実施例のSOFCスタックの製造工程で用いるグリーンシートの他の一部を示す図である。It is a figure which shows another part of green sheet used at the manufacturing process of the SOFC stack of an Example. 実施例のSOFCスタックの製造工程で用いるグリーンシートの他の一部を示す図である。It is a figure which shows another part of green sheet used at the manufacturing process of the SOFC stack of an Example. 実施例のSOFCスタックの製造工程で用いるグリーンシートの他の一部を示す図である。It is a figure which shows another part of green sheet used at the manufacturing process of the SOFC stack of an Example. 実施例におけるSOFCスタックの製造工程の一部を示す図である。It is a figure which shows a part of manufacturing process of the SOFC stack in an Example. 実施例におけるSOFCスタックの製造工程の他の一部を示す図である。It is a figure which shows another part of manufacturing process of the SOFC stack in an Example. 実施例において得られるSOFCスタックを示す図である。It is a figure which shows the SOFC stack obtained in an Example.

本明細書は、SOFCに用いるインターコネクタ及び当該インターコネクタを用いたSOFC等に関する。本明細書に開示されるインターコネクタ(以下、単に、本インターコネクタともいう。)は、インターコネクタが隣接する燃料極と空気極とに対して、それぞれに適合する電気的特性及び異なる流通ガス耐性等を有する第1の層と第2の層とを備えるため、全体として優れた導電性と耐ガス性とを維持して接続能を発揮することができる。  The present specification relates to an interconnector used for SOFC, an SOFC using the interconnector, and the like. The interconnector disclosed in the present specification (hereinafter, also simply referred to as the present interconnector) has electrical characteristics and different flow gas resistances suitable for the fuel electrode and the air electrode adjacent to the interconnector. Since the first layer and the second layer having the above and the like are provided, the connection performance can be exhibited while maintaining excellent conductivity and gas resistance as a whole.

また、本インターコネクタによれば、燃料極に接する第1の層と空気極に接する第2の層とを備えるために、燃料極及び空気極との密着性等の制御も容易に行うことができ、積層型SOFCスタックの製造にあたって、単セル間を本インターコネクタの各材料層で一体焼結することにも好都合となっている。  Further, according to the present interconnector, since the first layer in contact with the fuel electrode and the second layer in contact with the air electrode are provided, it is possible to easily control the adhesion between the fuel electrode and the air electrode. In addition, in the production of the stacked SOFC stack, it is also convenient to integrally sinter the single cells with each material layer of the interconnector.

以下、本開示の代表的かつ非限定的な具体例について、適宜図面を参照して詳細に説明する。この詳細な説明は、本発明の好ましい例を実施するための詳細を当業者に示すことを単純に意図しており、本開示の範囲を限定することを意図したものではない。また、以下に開示される追加的な特徴ならびに開示は、さらに改善されたインターコネクタ及びその利用等を提供するために、他の特徴や開示とは別に、又は共に用いることができる。  Hereinafter, representative and non-limiting specific examples of the present disclosure will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. This detailed description is intended merely to provide those skilled in the art with details for practicing the preferred embodiments of the present invention and is not intended to limit the scope of the present disclosure. In addition, the additional features and disclosures disclosed below may be used separately from or in conjunction with other features and disclosures to provide further improved interconnectors and uses thereof.

また、以下の詳細な説明で開示される特徴や工程の組み合わせは、最も広い意味において本開示を実施する際に必須のものではなく、特に本開示の代表的な具体例を説明するためにのみ記載されるものである。さらに、上記及び下記の代表的な具体例の様々な特徴、ならびに、独立及び従属クレームに記載されるものの様々な特徴は、本開示の追加的かつ有用な実施形態を提供するにあたって、ここに記載される具体例のとおりに、あるいは列挙された順番のとおりに組合せなければならないものではない。  Further, the combinations of features and steps disclosed in the following detailed description are not essential in carrying out the present disclosure in the broadest sense, and are particularly only for explaining representative specific examples of the present disclosure. It is described. Moreover, various features of the representative embodiments described above and below, as well as those described in the independent and dependent claims, are described herein in providing additional and useful embodiments of the present disclosure. They do not have to be combined in the specific examples given or in the order listed.

本明細書及び/又はクレームに記載された全ての特徴は、実施例及び/又はクレームに記載された特徴の構成とは別に、出願当初の開示ならびにクレームされた特定事項に対する限定として、個別に、かつ互いに独立して開示されることを意図するものである。さらに、全ての数値範囲及びグループ又は集団に関する記載は、出願当初の開示ならびにクレームされた特定事項に対する限定として、それらの中間の構成を開示する意図を持ってなされている。  All features described in this specification and / or claims, apart from the configuration of the features described in the examples and / or claims, are individually disclosed as limitations on the original disclosure and claimed specific matters. And are intended to be disclosed independently of each other. Further, all numerical ranges and group or group descriptions are intended to disclose intermediate configurations thereof as a limitation to the original disclosure and claimed subject matter.

なお、本明細書において、還元性雰囲気は、1種又は2種以上の還元性のガスを含む組成のガスをいう。還元性雰囲気としては、また、還元性ガスにより特徴付けられるガスであり、還元性ガスを主成分として含むことが好ましい。また、還元性雰囲気は、実質的に1種又は2種以上の還元性ガスからなるか、還元性ガス以外に不活性ガスを含む組成のガスであることが好ましい。還元性ガスとしては、水素、一酸化炭素、硫化水素等が挙げられる。なお、還元性ガスとしては、還元性ガスでないガス(例えば、メタンなどの炭化水素ガスと水蒸気)をセル内で改質して還元性のガスを含むようになったガスを含む。  In the present specification, the reducing atmosphere refers to a gas having a composition including one or more reducing gases. The reducing atmosphere is also a gas characterized by a reducing gas, and preferably contains a reducing gas as a main component. Moreover, it is preferable that a reducing atmosphere substantially consists of 1 type, or 2 or more types of reducing gas, or is a gas of the composition containing inert gas other than reducing gas. Examples of the reducing gas include hydrogen, carbon monoxide, and hydrogen sulfide. The reducing gas includes a gas that includes a reducing gas by reforming a gas that is not a reducing gas (for example, a hydrocarbon gas such as methane and water vapor) in a cell.

本明細書において、酸化性雰囲気とは、1種又は2種以上の酸化性のガスを含む組成のガスをいう。酸化性雰囲気としては、また、酸化性ガスにより特徴付けられるガスであり、酸化性ガスを主成分として含むことが好ましい。また、酸化性雰囲気は、実質的に1種又は2種以上の酸化性ガスからなるか、酸化性ガス以外には不活性ガスを含む組成のガスであることが好ましい。酸化性ガスとしては、酸素、オゾン、亜酸化窒素、一酸化窒素、二酸化窒素等が挙げられる。  In this specification, an oxidizing atmosphere refers to a gas having a composition containing one or more oxidizing gases. The oxidizing atmosphere is a gas characterized by an oxidizing gas, and preferably contains an oxidizing gas as a main component. Moreover, it is preferable that the oxidizing atmosphere is substantially composed of one or more oxidizing gases, or is a gas having a composition containing an inert gas other than the oxidizing gas. Examples of the oxidizing gas include oxygen, ozone, nitrous oxide, nitric oxide, and nitrogen dioxide.

(インターコネクタ)
本インターコネクタは、燃料極と、固体電解質と、空気極とを備える、SOFCに用いるインターコネクタである。以下、適宜、図1等の図面を参照しながら、本インターコネクタについて説明し、その後、本インターコネクタが適用されるSOFCについて説明する。なお、図1及び2では、還元性ガス流路22と酸化性ガス流路24とを明示的に示すため、これらが平行するように記載している。
(Interconnector)
This interconnector is an interconnector used for SOFC, which includes a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode. Hereinafter, the interconnector will be described with reference to the drawings such as FIG. 1 as appropriate, and then the SOFC to which the interconnector is applied will be described. In FIGS. 1 and 2, the reducing gas channel 22 and the oxidizing gas channel 24 are explicitly shown so as to be parallel to each other.

(第1の層)
本インターコネクタ10は、少なくとも、第1の層12を備えている。第1の層12は、インターコネクタ10において燃料極2側に位置されている。第1の層12は、インターコネクタ10において、燃料極2側又は燃料極2側となることが予定される側(以下、単に、燃料極側という。)にあればよく、インターコネクタ10において最も燃料極2側に位置されることを限定するものではない。また、直接的又は間接的に燃料極2に接合していればよい。
(First layer)
The interconnector 10 includes at least a first layer 12. The first layer 12 is located on the fuel electrode 2 side in the interconnector 10. The first layer 12 may be on the side of the interconnector 10 that is scheduled to be the fuel electrode 2 side or the fuel electrode 2 side (hereinafter simply referred to as the fuel electrode side). It is not limited to be positioned on the fuel electrode 2 side. Moreover, what is necessary is just to join to the fuel electrode 2 directly or indirectly.

第1の層12は、還元性雰囲気において高い電気伝導性と還元性ガス遮断性を備えることが好ましい。より具体的には、第1の層12は、還元性雰囲気において、後述する第2の層よりも高い電気伝導性とガス遮断性とを備えることができる。かかる第1の層を備えることで、燃料極2と高い導電性で接続できるとともに、水素などの還元性ガスを確実に遮断することができる。一方、第1の層12は、酸素などの酸化性雰囲気において電気伝導性が低いか又は実質的に電気伝導性を有していなくてもよく、また、酸化性雰囲気に対する耐性を有しておらず、結果として酸化性雰囲気におけるガス遮断性が低いか又は実質的にそれを有していなくてもよい。本インターコネクタにおける第1の層12は、後述する第2の層14で空気極4との一体焼結性、空気極4との電気的接続性、酸化性ガスに対する耐性を発揮させればよいため、従来公知のインターコネクタの材料を容易に適用することができる。  The first layer 12 preferably has high electrical conductivity and reducing gas barrier properties in a reducing atmosphere. More specifically, the first layer 12 can have higher electrical conductivity and gas barrier properties than the second layer described later in a reducing atmosphere. By providing such a first layer, the fuel electrode 2 can be connected with high conductivity, and reducing gas such as hydrogen can be reliably shut off. On the other hand, the first layer 12 may have low electrical conductivity or substantially no electrical conductivity in an oxidizing atmosphere such as oxygen, and may not have resistance to the oxidizing atmosphere. As a result, the gas barrier property in the oxidizing atmosphere may be low or substantially absent. The first layer 12 in this interconnector may exhibit the integral sinterability with the air electrode 4, the electrical connectivity with the air electrode 4, and the resistance to oxidizing gas in the second layer 14 described later. Therefore, a conventionally known interconnector material can be easily applied.

第1の層12は、SOFCに用いられる従来公知のセラミックス系インターコネクタ材料として用いられる導電性セラミックス材料を適宜選択して用いることができる。導電性セラミックス材料としては、各種公知のABO3のペロブスカイト型酸化物が挙げられる。例えば、かかる酸化物は、希土類元素がドープされたペロブスカイト型酸化物であり、(Lna1 b)M23と(ただし、a+b=1などペロブスカイト構造に整合する数値である。)して表される。Lnは希土類元素であり、原子番号57〜71までの元素が挙げられる。希土類元素としては、例えば、ランタン(La)、セリウム(Ce)、プラセオジム(Pr)、ネオジム(Nd)、サマリウム(Sm)等の比較的イオン半径の大きな元素を用いることができ、Laを好ましく用いることができる。M1は、アルカリ土類金属を示し、例えば、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)が挙げられ、1種又は2種以上を用いることができる。M2は、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)等の遷移元素から選択される1種又は2種以上である。が挙げられる。好ましくは、Ti、Cr、Mn、Fe及びCoから選択される1種又は2種以上である。For the first layer 12, a conductive ceramic material used as a conventionally known ceramic interconnector material used for SOFC can be appropriately selected and used. Examples of the conductive ceramic material include various known ABO 3 perovskite oxides. For example, such an oxide is a perovskite oxide doped with a rare earth element, and is (Ln a M 1 b ) M 2 O 3 (however, a numerical value matching the perovskite structure such as a + b = 1). It is expressed as Ln is a rare earth element, and examples thereof include elements having atomic numbers of 57 to 71. As the rare earth element, for example, an element having a relatively large ionic radius such as lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), samarium (Sm) can be used, and La is preferably used. be able to. M 1 represents an alkaline earth metal, and examples thereof include calcium (Ca), strontium (Sr), and barium (Ba), and one or more of them can be used. M 2 is one or two selected from transition elements such as titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), etc. More than a seed. Is mentioned. Preferably, it is 1 type, or 2 or more types selected from Ti, Cr, Mn, Fe, and Co.

こうした導電性セラミックス材料としては、例えば、AサイトにLaとSr若しくはCaとが共存するLaCoO3系酸化物、LaMnO3系酸化物、La(CoFe)O3系酸化物、LaCrO3系酸化物、LaTiO3系酸化合物等が挙げられる。各種酸化物のBサイトには、Co、Mn、Tiとともに、別の元素として、Cr、Fe、Mgなどが存在していてもよい。より具体的には、(LaSr)MnO3、(LaSr)CoO3、(LaSr)(CoFe)O3、(LaSr)TiO3、LaCrMgO3等が挙げられる。Examples of such conductive ceramic materials include LaCoO 3 oxides, LaMnO 3 oxides, La (CoFe) O 3 oxides, LaCrO 3 oxides in which La and Sr or Ca coexist at the A site, Examples include LaTiO 3 acid compounds. In addition to Co, Mn, and Ti, other elements such as Cr, Fe, and Mg may exist at the B sites of various oxides. More specifically, (LaSr) MnO 3 , (LaSr) CoO 3 , (LaSr) (CoFe) O 3 , (LaSr) TiO 3, LaCrMgO 3 and the like can be mentioned.

第1の層12は、導電性セラミックス材料を、1種又は2種以上含むことができる。第1の層12は、かかるセラミックス材料をインターコネクタとしての特性を発揮可能に一部に含むほか、実質的に当該材料から構成されるものであってもよいし、当該材料のみからなるものであってもよい。好ましくは、第1の層12は、金属又は金属合金などの金属製導電性材料を含まない。なお、本明細書において、「実質的にある材料から構成される」とは、用いる材料がインターコネクタに付与する特性に大きな影響を与える可能性のある他の材料を含んでいないことを意味している。  The first layer 12 can contain one or more conductive ceramic materials. The first layer 12 includes such a ceramic material in part so that it can exhibit the characteristics as an interconnector, and may be substantially composed of the material, or only composed of the material. There may be. Preferably, the first layer 12 does not include a metal conductive material such as a metal or metal alloy. In the present specification, “substantially composed of a certain material” means that the material to be used does not include other materials that may greatly affect the characteristics imparted to the interconnector. ing.

第1の層12に用いる材料は、例えば、本インターコネクタが適用されるSOFCの燃料極2の材料、空気極4の材料、作動温度、スタック30の焼結温度等を考慮して、適宜選択される。第1の層は、還元性雰囲気で高い導電性を示すLaTiO3系酸化物、なかでも、La0.3Sr0.7TiO3などの(LaSr)TiO3系酸化物を用いることが好ましい。The material used for the first layer 12 is appropriately selected in consideration of the material of the fuel electrode 2 of the SOFC to which the present interconnector is applied, the material of the air electrode 4, the operating temperature, the sintering temperature of the stack 30, and the like. Is done. For the first layer, it is preferable to use a LaTiO 3 -based oxide exhibiting high conductivity in a reducing atmosphere, in particular, a (LaSr) TiO 3 -based oxide such as La 0.3 Sr 0.7 TiO 3 .

第1の層12は2以上の異なる組成の第1の層を積層して構成されてもよい。2以上の第1の層12は、同系のセラミックス材料を含んでいてもよいし、異なる系のセラミックス材料を含んでいてもよい。また、連続的又は断続的な傾斜組成を有していてもよい。  The first layer 12 may be configured by stacking two or more first layers having different compositions. The two or more first layers 12 may contain a similar ceramic material, or may contain different ceramic materials. Moreover, you may have a continuous or intermittent gradient composition.

第1の層12は、一般的にインターコネクタが備える緻密性を備えている。例えば、第1の層12は、相対密度(アルキメデス法による)は、93%以上であることが好ましく、より好ましくは95%以上であることが好ましい。また、第1の層12の厚みは、特に限定するものではないが、例えば、スタック全体の大きさや導電性を考慮すると、1μm以上50μm以下とすることができる。また、好ましくは1μm以上30μm以下とすることもできる。さらに、1μm以上20μm以下とすることもできる。  The first layer 12 generally has the denseness that an interconnector has. For example, the relative density (according to Archimedes method) of the first layer 12 is preferably 93% or more, and more preferably 95% or more. Further, the thickness of the first layer 12 is not particularly limited, but can be set to 1 μm or more and 50 μm or less in consideration of the size and conductivity of the entire stack, for example. Moreover, Preferably it is also 1 micrometer or more and 30 micrometers or less. Furthermore, it can also be 1 μm or more and 20 μm or less.

(第2の層)
本インターコネクタ10は、少なくとも、第2の層14を備えている。第2の層14は、本インターコネクタ10において空気極4側に位置されている。第2の層14は、本インターコネクタにおいて、空気極4側又は空気極4側となることが予定される側(以下、単に、空気極側という。)にあればよく、本インターコネクタ10において最も空気極4側に位置されることを限定するものではない。また、直接的又は間接的に空気極4に接合していればよい。
(Second layer)
The interconnector 10 includes at least a second layer 14. The second layer 14 is located on the air electrode 4 side in the interconnector 10. The second layer 14 may be on the air electrode 4 side or the air electrode 4 side (hereinafter simply referred to as the air electrode side) in the present interconnector. It is not limited to be positioned closest to the air electrode 4 side. Moreover, what is necessary is just to join to the air electrode 4 directly or indirectly.

第2の層14は、酸化性雰囲気において、第1の層12よりも高い電気伝導性とガス遮断性とを備えることができる。かかる第2の層14を備えることで、空気極4と高い導電性で接続できるとともに、空気などの酸化性ガスを確実に遮断することができる。一方、第2の層14は、水素ガスなどを含む還元性雰囲気において電気伝導性が低いか又は実質的に有していなくてもよく、また、還元性雰囲気に対する耐性を有しておらず、還元性雰囲気におけるガス遮断性が低いか又は実質的に有していなくてもよい。  The second layer 14 can have higher electrical conductivity and gas barrier properties than the first layer 12 in an oxidizing atmosphere. By providing the second layer 14, the air electrode 4 can be connected with high conductivity, and an oxidizing gas such as air can be reliably blocked. On the other hand, the second layer 14 may have low or substantially no electrical conductivity in a reducing atmosphere containing hydrogen gas or the like, and does not have resistance to the reducing atmosphere. The gas barrier property in a reducing atmosphere may be low or substantially absent.

第2の層14は、導電性セラミックス材料と固体電解質に含まれる元素の酸化物材料とを含むことが好ましい。第2の層14は、導電性セラミックス材料を用いることで酸化性雰囲気で高い導電性と耐性と空気極4に対する一体性を発揮し、固体電解質に含まれる酸化物材料を含むことにより、固体電解質6との熱膨張係数を適合させることができる。こうした構成によれば、空気極4との一体性、熱膨張係数の適合性及び酸化性ガスに対する耐性及び遮断性を確保することができる。  The second layer 14 preferably includes a conductive ceramic material and an oxide material of an element contained in the solid electrolyte. The second layer 14 exhibits high conductivity and resistance in an oxidizing atmosphere by using a conductive ceramic material, and integrity with respect to the air electrode 4, and includes an oxide material included in the solid electrolyte. The coefficient of thermal expansion of 6 can be adapted. According to such a configuration, it is possible to ensure the integrity with the air electrode 4, the compatibility of the thermal expansion coefficient, the resistance against the oxidizing gas, and the blocking property.

第2の層14は、導電性セラミックス材料と固体電解質に含まれる元素の酸化物材料とを含むことができる。第2の層14は、これらのセラミックス材料をインターコネクタとしての特性を発揮可能に一部に含むほか、実質的に当該材料から構成されるものであってもよいし、当該材料のみからなるものであってもよい。好ましくは、第2の層14は、金属又は金属合金などの金属製導電性材料を含まない。  The second layer 14 can include a conductive ceramic material and an oxide material of an element included in the solid electrolyte. The second layer 14 includes these ceramic materials in part so that the characteristics as an interconnector can be exhibited, and may be substantially composed of the material, or only composed of the material. It may be. Preferably, the second layer 14 does not include a metal conductive material such as a metal or metal alloy.

第2の層14に用いる導電性セラミックス材料としては、SOFCの空気極材料として用いられている公知の空気極材料から適宜選択して用いることができる。例えば、La又はLa及びSrを含有するABO3型のペロブスカイト型酸化物が挙げられる。かかるペロブスカイト型酸化物としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物、例えば、AサイトにLa又はLaとSr若しくはCaとが共存するLaCoO3系酸化物、LaMnO3系酸化物、LaFeO3系酸化物等が挙げられる。また、AサイトにLa又はLaとSr若しくはCaとが共存するLaTiO3系酸化物等が挙げられる。なお、各種酸化物のBサイトには、Co、Mn、Tiとともに、別の元素として、Cr、Fe、Mgなどが存在していてもよい。より具体的には、(LaSr)MnO3、(LaCa)MnO3、LaCoO3、(LaSr)CoO3、(LaSr)(CoFe)O3、(LaSr)(TiFe)O3等が挙げられる。なお、第2の層14において用いる空気極材料は、本インターコネクタが介在される単セルにおける空気極4の材料と同一又は共通であってもよいが、異なっていてもよい。The conductive ceramic material used for the second layer 14 can be appropriately selected from known air electrode materials used as SOFC air electrode materials. For example, an ABO 3 type perovskite oxide containing La or La and Sr can be mentioned. Examples of such perovskite oxides include transition metal perovskite oxides such as LaCoO 3 oxides, LaMnO 3 oxides, LaFeO 3 oxides in which La or La and Sr or Ca coexist at the A site. Can be mentioned. Further, LaTiO 3 based oxide or the like to coexist with La or La and Sr or Ca in the A site and the like. In addition, Co, Mn, and Ti may contain Cr, Fe, Mg, and the like as other elements at the B sites of various oxides. More specifically, (LaSr) MnO 3 , (LaCa) MnO 3 , LaCoO 3 , (LaSr) CoO 3 , (LaSr) (CoFe) O 3 , (LaSr) (TiFe) O 3 and the like can be mentioned. The air electrode material used in the second layer 14 may be the same as or common to the material of the air electrode 4 in the single cell in which the interconnector is interposed, but may be different.

固体電解質に含まれる元素の酸化物材料としては、特に限定するものではなく、公知の材料を適宜選択して用いることができる。例えば、Y、Sc、Yb等の希土類元素で少なくとも部分的に安定化されたZrO2(ジルコニア)、Gd、Smなどの希土類元素がドープされたCeO2(セリア)、SrやMgなどのアルカリ土類金属で、La及びGaの一部を置換したLaGaO3(ランタンガレート)等が挙げられる。The oxide material of the element contained in the solid electrolyte is not particularly limited, and a known material can be appropriately selected and used. For example, ZrO 2 (zirconia) stabilized at least partially with rare earth elements such as Y, Sc, Yb, CeO 2 (ceria) doped with rare earth elements such as Gd, Sm, alkaline earth such as Sr and Mg Examples thereof include LaGaO 3 (lanthanum gallate) in which a part of La and Ga is substituted with a similar metal.

第2の層14に用いる固体電解質に含まれる元素の酸化物材料のイオン伝導性は、固体電解質に用いる酸素イオン伝導性材料に比較して低減されていることが好ましい。インターコネクタにおいてイオン伝導性により、インターコネクタの性能を制限するのを抑制される場合があるからである。酸素イオン伝導性のイオン伝導性を調節するには、酸素イオン伝導性材料における希土類元素の酸化物の添加量を抑制することが好ましい。例えば、本インターコネクタ10が適用される固体電解質に用いられる部分安定化酸化物における希土類元素の酸化物の添加率の20%以上60%以下程度とすることが好適である。固体電解質にジルコニアが用いられるとき、概して6モル%〜10モル%程度のイットリア等が添加される。例えば、第2の層14に用いる安定化材としての希土類元素の酸化物は、ジルコニア等の酸化物材料に対して、1.5モル%以上5モル%以下程度添加されていることが好ましい。より好ましくは2モル%以上4モル%以下程度である。  It is preferable that the ionic conductivity of the oxide material of the element contained in the solid electrolyte used for the second layer 14 is reduced as compared with the oxygen ion conductive material used for the solid electrolyte. This is because the ionic conductivity in the interconnector may prevent the performance of the interconnector from being limited. In order to adjust the ion conductivity of the oxygen ion conductive material, it is preferable to suppress the amount of rare earth oxide added to the oxygen ion conductive material. For example, it is preferable that the addition rate of the rare earth element oxide in the partially stabilized oxide used in the solid electrolyte to which the present interconnector 10 is applied is about 20% to 60%. When zirconia is used for the solid electrolyte, about 6 to 10 mol% of yttria or the like is generally added. For example, the rare earth element oxide as the stabilizing material used for the second layer 14 is preferably added in an amount of about 1.5 mol% to 5 mol% with respect to an oxide material such as zirconia. More preferably, it is about 2 mol% or more and 4 mol% or less.

導電性セラミックス材料及び固体電解質に含まれる元素の酸化物材料は、それぞれ、例えば、本インターコネクタ10が適用されるSOFCの燃料極2の材料、空気極4の材料、作動温度、スタックの焼結温度等を考慮して、適宜選択される。導電性セラミックス材料と空気極材料との配合比率は特に限定するものではないが、例えば、導電性セラミックス材料と固体電解質に含まれる元素の酸化物材料とを、質量比で、30:70〜70:30などとすることができ、40:60〜60:40とすることもできる。  The oxide material of the element contained in the conductive ceramic material and the solid electrolyte is, for example, the material of the fuel electrode 2 of the SOFC to which the present interconnector 10 is applied, the material of the air electrode 4, the operating temperature, and the stack sintering. The temperature is appropriately selected in consideration of the temperature and the like. The blending ratio of the conductive ceramic material and the air electrode material is not particularly limited. For example, the conductive ceramic material and the oxide material of the element contained in the solid electrolyte are 30:70 to 70 by mass ratio. : 30 or the like, or 40:60 to 60:40.

第2の層14は2以上の異なる組成の第2の層を積層して構成されてもよい。2以上の第2の層は、同系のセラミックス材料を含んでいてもよいし、異なる系のセラミックス材料を含んでいてもよい。また、連続的又は段階的な傾斜組成を有していてもよい。  The second layer 14 may be configured by stacking two or more second layers having different compositions. The two or more second layers may contain a similar ceramic material, or may contain different ceramic materials. Moreover, you may have a continuous or stepwise gradient composition.

本インターコネクタ10は、その第1の層12と第2の層14とが、互いに直接一体化されていてもよいし、これらの層の間に1又は2以上の他の第3の層が介在されていてもよい。第1の層12と第2の層14とは、好ましくは焼結により一体化されている。より好ましくは、特別な介在層を備えることなく、直接焼結により一体化されている。  In the present interconnector 10, the first layer 12 and the second layer 14 may be directly integrated with each other, and one or more other third layers are interposed between these layers. It may be interposed. The first layer 12 and the second layer 14 are preferably integrated by sintering. More preferably, they are integrated by direct sintering without a special intervening layer.

第2の層14は、一般的にインターコネクタが備える緻密性を備えている。例えば、第2の層14は、相対密度(アルキメデス法による)は、93%以上であることが好ましく、より好ましくは95%以上であることが好ましい。また、第2の層14の厚みは、特に限定するものではないが、例えば、スタック30全体の大きさや導電性を考慮すると、例えば、第2の層14として最も薄い部分において、1μm以上50μm以下とすることができる。また、好ましくは1μm以上30μm以下とすることもできる。さらに、1μm以上20μm以下とすることもできる。  The second layer 14 generally has the denseness that the interconnector has. For example, the relative density (according to Archimedes method) of the second layer 14 is preferably 93% or more, and more preferably 95% or more. The thickness of the second layer 14 is not particularly limited. For example, considering the overall size and conductivity of the stack 30, for example, the thinnest portion of the second layer 14 is 1 μm or more and 50 μm or less. It can be. Moreover, Preferably it is also 1 micrometer or more and 30 micrometers or less. Furthermore, it can also be 1 μm or more and 20 μm or less.

本インターコネクタ10における第1の層12及び第2の層14の積層形態は、特に限定するものではなく、本インターコネクタ10が適用されるSOFCにおける単セル構造等によって適宜決定される。本インターコネクタの各種形態については、後段にて詳述する。  The lamination form of the first layer 12 and the second layer 14 in the interconnector 10 is not particularly limited, and is appropriately determined depending on the single cell structure in the SOFC to which the interconnector 10 is applied. Various forms of this interconnector will be described in detail later.

本インターコネクタ10は、後述するように、SOFCスタック30の製造工程において単セルと単セルとの間に介在させて単セルの積層体を製造するのと同時に製造されることが好ましい。例えば、第1の層12の材料層と第2の層14の材料層を適切に含む未焼結積層体を、本インターコネクタ前駆体として準備し、SOFCスタック30の製造工程に供してもよい。また、例えば、第1の層12の材料層と第2の層14の材料層を必要な順序で積層するようにして、SOFCスタック30の製造工程に供してもよい。SOFC及びその製造方法については後段で詳述する。  As will be described later, the interconnector 10 is preferably manufactured at the same time as a single cell stack is manufactured by interposing between the single cells in the manufacturing process of the SOFC stack 30. For example, a green laminate appropriately including the material layer of the first layer 12 and the material layer of the second layer 14 may be prepared as the interconnector precursor and used for the manufacturing process of the SOFC stack 30. . In addition, for example, the material layer of the first layer 12 and the material layer of the second layer 14 may be laminated in a necessary order and used for the manufacturing process of the SOFC stack 30. The SOFC and its manufacturing method will be described in detail later.

本インターコネクタ10全体の形態は、特に限定するものではないが、適用されるSOFCスタック30に応じた形態を採ることができる。例えば、平板型SOFCに適用される場合には、平板状体等となる。また、本インターコネクタ10の全体の厚みを特に限定するものではないが、例えば、もっとも薄い部分において1μm以上μm100μm以下とすることができる。好ましくは、2μm以上60μm以下とすることができ、より好ましくは2μm以上40μm以下である。  The form of the present interconnector 10 as a whole is not particularly limited, but can adopt a form according to the SOFC stack 30 to be applied. For example, when applied to a flat plate type SOFC, a flat plate or the like is obtained. Moreover, although the thickness of the whole interconnector 10 is not particularly limited, for example, it can be 1 μm or more and 100 μm or less in the thinnest part. Preferably, it can be 2 μm or more and 60 μm or less, and more preferably 2 μm or more and 40 μm or less.

本インターコネクタの第1の層12及び第2の層14のそれぞれの熱膨張係数(20℃〜1000℃)は、8×10-6-1以上〜12×10-6-1以下であることが好ましい。この範囲であると、空気極層あるいは燃料極層とのはく離を抑えることができるからである。スタック構造体の残留応力を考慮すると、より好ましくは、9.5×10-6-1以上11.5×10-6-1以下である。The thermal expansion coefficient (20 ° C. to 1000 ° C.) of each of the first layer 12 and the second layer 14 of the interconnector is 8 × 10 −6 K −1 or more and 12 × 10 −6 K −1 or less. Preferably there is. This is because peeling within the air electrode layer or the fuel electrode layer can be suppressed within this range. Considering the residual stress of the stack structure, it is more preferably 9.5 × 10 −6 K −1 or more and 11.5 × 10 −6 K −1 or less.

以上説明した本インターコネクタ10は、接続すべき一方の単セルの燃料極2と他方の単セルの空気極4とに対してそれぞれ適したインターコネクタ特性、すなわち、導電性とガス耐性及び遮断性、を有しているため、全体として薄層でかつ十分なインターコネクタ特性を備えたものとすることができる。また、一体焼結型の金属材料非含有(換言すると全セラミックス製)SOFCスタック30の製造にあたり、燃料極に応じたセラミックス系の第1の層12の材料層と空気極に応じたセラミックス系の第2の層14の材料層の各材料層をそれぞれ適用することで、第1の層12及び第2の層14がそれぞれ燃料極2及び空気極4に一体焼結されるとともに、第1の層12及び第2の層14も相互に一体焼結される。このため、優れた導電性とガス遮断性とを確実に実現することができるとともに、スタック30の積層工程を簡易かつ効率化できるとともに、スタック20の一体焼結性を向上させることができる。  The interconnector 10 described above has interconnect characteristics suitable for the fuel electrode 2 of one single cell to be connected and the air electrode 4 of the other single cell, that is, conductivity, gas resistance, and shut-off property. Therefore, it is possible to provide a thin layer as a whole and sufficient interconnector characteristics. Further, in the manufacture of the integrally sintered metal material-free (in other words, all ceramics) SOFC stack 30, the ceramic material layer corresponding to the fuel electrode and the ceramic material material corresponding to the air electrode are used. By applying each material layer of the material layer of the second layer 14, the first layer 12 and the second layer 14 are integrally sintered to the fuel electrode 2 and the air electrode 4, respectively. Layer 12 and second layer 14 are also integrally sintered together. Therefore, excellent conductivity and gas barrier properties can be reliably realized, the stacking process of the stack 30 can be simplified and made efficient, and the integral sinterability of the stack 20 can be improved.

(固体酸化物形燃料電池(SOFC)スタック)
本明細書に開示されるSOFCスタックは、少なくとも2つの単セル間に、本インターコネクタを備えることができる。こうしたSOFCスタックによれば、これら単セル間を高い電気伝導性とガス遮断性で接続及び分離され、また、セルに対して一体焼結される場合には、高い一体性により、電気伝導性及びガス遮断性も向上されるほか、SOFCスタックの製造工程も簡略化される。以下、図1、2等を参照しながら、SOFC単セルを本インターコネクタで積層したSOFCスタックについて説明する。
(Solid oxide fuel cell (SOFC) stack)
The SOFC stack disclosed herein can include this interconnector between at least two single cells. According to such an SOFC stack, these single cells are connected and separated with high electrical conductivity and gas barrier properties, and when integrally sintered to the cells, the electrical conductivity and In addition to improved gas barrier properties, the SOFC stack manufacturing process is simplified. Hereinafter, an SOFC stack in which SOFC single cells are stacked with this interconnector will be described with reference to FIGS.

(単セル)
SOFCにおけるセル(発電要素)Cは、燃料極2、固体電解質6及び空気極4を含んでいる。より具体的には、燃料極2及び空気極4が固体電解質6を介して積層された構造を有している。
(Single cell)
A cell (power generation element) C in the SOFC includes a fuel electrode 2, a solid electrolyte 6, and an air electrode 4. More specifically, it has a structure in which the fuel electrode 2 and the air electrode 4 are laminated via a solid electrolyte 6.

(燃料極)
燃料極2は、特に限定することなく、SOFCの燃料極に適用される導電性セラミックス材料の1種又は2種以上からなる多孔質体とすることができる。例えば、燃料極材料としては、希土類元素が固溶したジルコニア又はセリアと、Ni/NiOと、を含むことができる。希土類元素としては、例えば、イットリウム(Y)、スカンジウム(Sc)、サマリウム(Sm)、ガドリニウム(Gd)等を用いることができる。具体的には、イットリア部分安定化又は安定化ジルコニア(YSZ)、スカンジア部分安定化又は安定化ジルコニア(ScSZ)、ガドリニア固溶セリア(GDC)とNi/NiOとを含むNiサーメットが挙げられる。
(Fuel electrode)
The fuel electrode 2 is not particularly limited, and can be a porous body made of one or more conductive ceramic materials applied to the SOFC fuel electrode. For example, the fuel electrode material can include zirconia or ceria in which a rare earth element is dissolved, and Ni / NiO. As the rare earth element, for example, yttrium (Y), scandium (Sc), samarium (Sm), gadolinium (Gd), or the like can be used. Specific examples include Ni cermet containing yttria partially stabilized or stabilized zirconia (YSZ), scandia partially stabilized or stabilized zirconia (ScSZ), gadolinia solid solution ceria (GDC) and Ni / NiO.

燃料極2は多孔質であり、その気孔率は、適宜設定されるが、好ましくは、15%以上であることが好ましく、より好ましくは20%以上40%以下程度である。なお、本明細書において、気孔率は、機械的に切断研磨して作成した複数の断面を、走査型電子線顕微鏡で撮影した断面画像の気孔部と緻密部の面積比から測定することができる。例えば、5つの切断面のそれぞれについて当該層を含む500μm×500μmの視野で当該層の気孔部と緻密部を画像処理によって二値化して面積比を求めて、全ての切断面の平均をとることで気孔率を求めることができる。  The fuel electrode 2 is porous, and its porosity is appropriately set, but is preferably 15% or more, more preferably about 20% or more and 40% or less. In the present specification, the porosity can be measured from the area ratio of the pore portion and the dense portion of a cross-sectional image obtained by scanning a plurality of cross-sections created by mechanical cutting and polishing with a scanning electron beam microscope. . For example, for each of the five cut surfaces, the pores and dense portions of the layer are binarized by image processing in a field of view of 500 μm × 500 μm including the layer, and the area ratio is obtained, and the average of all cut surfaces is taken. Can determine the porosity.

燃料極2における気孔形状は不定形状、繊維状、球状など任意の形状をとることができる。球状の場合は平均気孔径は、1μm以上10μm以下であることが好ましい。より好ましくは2μm以上5μm以下である。なお、本明細書において、平均気孔径は、機械的に切断研磨して作成した複数の断面を、走査型電子線顕微鏡で撮影した断面画像の気孔部を複数の球状の気孔が接続したと仮定した場合の平均径から測定することができる。例えば、5つの切断面のそれぞれについて当該層を含む500μm×500μmの視野で当該層の気孔部と緻密部を画像処理によって二値化し、視野に含まれる全ての気孔部に対して円近似した場合の直径を求めて、全ての切断面の平均をとることで平均気孔径を求めることができる。  The pore shape in the fuel electrode 2 can be any shape such as an indefinite shape, a fiber shape, or a spherical shape. In the case of a spherical shape, the average pore diameter is preferably 1 μm or more and 10 μm or less. More preferably, it is 2 μm or more and 5 μm or less. In the present specification, the average pore diameter is assumed to be obtained by connecting a plurality of spherical pores to a pore portion of a cross-sectional image photographed by a scanning electron microscope with a plurality of cross sections created by mechanical cutting and polishing. It can be measured from the average diameter. For example, for each of the five cut surfaces, the pores and dense portions of the layer are binarized by image processing in a 500 μm × 500 μm visual field including the layer, and circular approximation is performed for all pores included in the visual field The average pore diameter can be obtained by obtaining the diameter of the cut and taking the average of all the cut surfaces.

(燃料極バッファ層)
燃料極2は、略単一の気孔率及び/又は平均気孔径を備えていてもよいが、これらに関して異なる分布を有していてもよい。例えば、図2に示すように、燃料極2において固体電解質6から遠位あるいはインターコネクタ10の第1の層12に近位な部分においては、その気孔率及び/又は平均気孔径を固体電解質6に近位又はインターコネクタ10の第1の層12に遠位な部分に比べて小さくした燃料極バッファ層2aを備えることができる。こうすることで、燃料極2とインターコネクタ(第1の層)10との密着性を高めることができ、一体性を向上させ剥離を抑制できる。一方、燃料極2内にガス流路22を設けて、燃料極2自体にガス流路22に倣った凸状部26を備えさせる場合には、燃料極バッファ層2aはこうした凸状部26によく追従して、薄い層であっても、ガス流路(SOFCの製造工程においては、ガス流路形成用の消失部材)22を燃料極2内に確実に内在させることができる。これにより、ガス流路22の天面を直接インターコネクタ10の第1の層12に接することを回避して、燃料極2の導電経路の抵抗を下げることができる。
(Fuel electrode buffer layer)
The anode 2 may have a substantially single porosity and / or average pore diameter, but may have a different distribution with respect to these. For example, as shown in FIG. 2, in the portion of the fuel electrode 2 that is distal from the solid electrolyte 6 or proximal to the first layer 12 of the interconnector 10, the porosity and / or the average pore diameter is set as the solid electrolyte 6. The anode buffer layer 2a can be provided smaller than the portion proximal to the first layer 12 of the interconnector 10 or distal to the distal portion thereof. By doing so, the adhesion between the fuel electrode 2 and the interconnector (first layer) 10 can be enhanced, and the integrity can be improved and peeling can be suppressed. On the other hand, when the gas flow path 22 is provided in the fuel electrode 2 and the fuel electrode 2 itself is provided with the convex portion 26 that follows the gas flow path 22, the fuel electrode buffer layer 2a is formed on the convex portion 26. The gas flow path (disappearing member for forming the gas flow path in the SOFC manufacturing process) 22 can be surely included in the fuel electrode 2 even if it is a thin layer by following well. Thereby, it is possible to avoid the direct contact of the top surface of the gas flow path 22 with the first layer 12 of the interconnector 10, and to reduce the resistance of the conductive path of the fuel electrode 2.

なお、燃料極2がガス流路22に倣った凸状部26を有する形態を備えるようにすることで、燃料極2自体の厚みを薄くでき、SOFCスタック30の起動及び停止時に生じる、燃料極2に含まれるNiの酸化還元に伴う燃料極2の堆積変動を抑制でき、SOFCスタック30における剥離、変形及び破壊を抑制できる。  In addition, by providing the fuel electrode 2 with the form having the convex portion 26 that follows the gas flow path 22, the thickness of the fuel electrode 2 itself can be reduced, and the fuel electrode that is generated when the SOFC stack 30 is started and stopped. 2 can suppress fluctuations in the deposition of the fuel electrode 2 due to oxidation / reduction of Ni contained in 2, and can suppress separation, deformation and destruction in the SOFC stack 30.

(燃料極バッファ層の平均気孔径)
燃料極バッファ層2aは、また、例えば、燃料極2の固体電解質6側(燃料極2の固体電解質6側に接する層、以下、燃料極主層2bともいう。)の平均気孔径の40%以上90%以下であることが好ましい。この程度平均気孔径が小さいことで、燃料極バッファ層2aの凸状部26などの曲面・変形面に対する追従性が向上する。より好ましくは50%以上80%以下程度である。また、例えば、燃料極バッファ層2aの気孔が燃料極主層2bとともに球状の場合には平均気孔径は、燃料極主層2bのそれよりも小さく、かつ、1μm以上5μm以下程度とすることができる。
(Average pore size of fuel electrode buffer layer)
The fuel electrode buffer layer 2a is also, for example, 40% of the average pore diameter of the solid electrolyte 6 side of the fuel electrode 2 (a layer in contact with the solid electrolyte 6 side of the fuel electrode 2, hereinafter also referred to as the fuel electrode main layer 2b). It is preferably 90% or less. By such a small average pore diameter, the followability to the curved surface / deformed surface such as the convex portion 26 of the fuel electrode buffer layer 2a is improved. More preferably, it is about 50% or more and 80% or less. Further, for example, when the pores of the fuel electrode buffer layer 2a are spherical together with the fuel electrode main layer 2b, the average pore diameter is smaller than that of the fuel electrode main layer 2b and should be about 1 μm or more and 5 μm or less. it can.

(燃料極バッファ層の気孔径分布)
また、燃料極バッファ層2aの気孔が球状の場合の気孔径分布(細孔径分布)は、燃料極主層2bと比べて多分散であることが好ましい。多分散性であることにより、多様な曲面・変形面に対する追従性を付与することができる。例えば、燃料極バッファ層2aの気孔径分布は、平均値±0.2σに50%以下の気孔が存在する分布であることが好ましい。なお、本明細書において、気孔径分布は、機械的に切断研磨して作成した複数の断面を、走査型電子線顕微鏡で撮影した断面画像の気孔部を複数の球状の気孔が接続したと仮定した場合の平均径から測定することができる。
(Porosity distribution of fuel electrode buffer layer)
In addition, the pore size distribution (pore size distribution) when the pores of the fuel electrode buffer layer 2a are spherical is preferably more polydisperse than the fuel electrode main layer 2b. By being polydisperse, followability to various curved surfaces and deformed surfaces can be imparted. For example, the pore size distribution of the fuel electrode buffer layer 2a is preferably a distribution in which 50% or less of the pores exist in the average value ± 0.2σ. In this specification, the pore size distribution is based on the assumption that a plurality of spherical pores are connected to the pores of a cross-sectional image taken with a scanning electron microscope for a plurality of cross sections created by mechanical cutting and polishing. It can be measured from the average diameter.

(燃料極バッファ層の気孔率)
燃料極バッファ層2aの気孔率を、燃料極主層2bの気孔率よりも小さくすることができる。湾曲するなど変形する表面に対する追従性を高めるとともに、インターコネクタ10の第1の層12との密着性を高めることができる。燃料極バッファ層2aの気孔率は、燃料極主層2bの気孔率の40%以上80%以下とすることが好ましく、より好ましくは60%以上80%以下である。
(Porosity of fuel electrode buffer layer)
The porosity of the fuel electrode buffer layer 2a can be made smaller than the porosity of the fuel electrode main layer 2b. In addition to improving the followability to a deformed surface such as a curve, it is possible to improve the adhesion of the interconnector 10 to the first layer 12. The porosity of the fuel electrode buffer layer 2a is preferably 40% or more and 80% or less, more preferably 60% or more and 80% or less of the porosity of the fuel electrode main layer 2b.

燃料極バッファ層2aは、気孔に関する上記の3つの特性、平均気孔径、気孔径分布及び気孔率のうち1又は2以上を備えることができる。好ましくは、3つ備えることができる。  The fuel electrode buffer layer 2a can have one or more of the above three characteristics regarding pores, average pore diameter, pore diameter distribution, and porosity. Preferably, three can be provided.

また、燃料極2が、燃料極主層2bと燃料極バッファ層2aとを備える場合、こうした気孔に関する傾斜組成は、連続的であってもよく、段階的であってもよい。気孔は、カーボン、またはでんぷん、アクリル等の高分子材料で焼失後にその形状を反映した気孔を形成する造孔剤を用いて形成することができる。例えば、燃料極2において、球状の気孔の平均気孔径及び/又は気孔径分布を調節するには、異なる粒径及び/又は粒径分布を持つ球状の造孔剤を用いることができる。また、気孔率を調節するには、任意の造孔剤の使用量を変更することができる。例えば、燃料極主層2bを、平均粒径のより大きな及び/又は粒径分布がより小さい球状造孔剤を含む燃料極材料から形成し、燃料極バッファ層2aを、平均粒径がより小さい及び/又は粒径分布が大きい球状造孔剤を含む燃料極材料から形成することができる。なお、セラミックスにおける気孔の制御方法は当業者において周知の手法である。  Further, when the fuel electrode 2 includes the fuel electrode main layer 2b and the fuel electrode buffer layer 2a, the gradient composition related to such pores may be continuous or stepwise. The pores can be formed by using a pore-forming agent that forms pores reflecting the shape of carbon or a high-molecular material such as starch or acrylic after being burned down. For example, in the fuel electrode 2, in order to adjust the average pore size and / or pore size distribution of spherical pores, spherical pore formers having different particle sizes and / or particle size distributions can be used. Moreover, in order to adjust a porosity, the usage-amount of arbitrary pore forming agents can be changed. For example, the fuel electrode main layer 2b is formed from a fuel electrode material containing a spherical pore former having a larger average particle size and / or a smaller particle size distribution, and the fuel electrode buffer layer 2a has a smaller average particle size. And / or a fuel electrode material containing a spherical pore former having a large particle size distribution. A method for controlling pores in ceramics is a method well known to those skilled in the art.

燃料極2の厚みは、特に限定するものではなく、ガス流路22の有無や流路形態によっても異なるが、例えば、15μm以上500μm以下とすることができる。より好ましくは20μm以上500μm以下とすることができる。さらに好ましくは、50μm以上400μm以下とすることができ、なお、好ましくは50μm以上300μm以下とすることができる。なお、後述するように、燃料極2及び空気極4の厚みは、1つの層において必ずしも一定ではない。したがって、燃料極2及び空気極4の厚みに関する記載は、特に言及されない限り、1つの層がこうした厚みの範囲にあることを意味している。  The thickness of the fuel electrode 2 is not particularly limited, and may be, for example, 15 μm or more and 500 μm or less, although it varies depending on the presence or absence of the gas channel 22 and the channel configuration. More preferably, it can be 20 μm or more and 500 μm or less. More preferably, it can be 50 μm or more and 400 μm or less, and preferably 50 μm or more and 300 μm or less. As will be described later, the thicknesses of the fuel electrode 2 and the air electrode 4 are not necessarily constant in one layer. Therefore, the description regarding the thickness of the fuel electrode 2 and the air electrode 4 means that one layer exists in the range of such thickness unless it mentions especially.

また、燃料極バッファ層2aの厚みも、特に限定するものではないが、例えば、5μm以上50μm以下とすることができ、さらに例えば、5μm以上20μm以下とすることもできる。  Further, the thickness of the fuel electrode buffer layer 2a is not particularly limited, but may be, for example, 5 μm or more and 50 μm or less, and may be, for example, 5 μm or more and 20 μm or less.

(空気極)
空気極4は、特に限定することなく、SOFCの空気極4に適用される導電性セラミックス材料の1種又は2種以上からなる多孔質体とすることができる。例えば、空気極材料としては、既に、インターコネクタ10の第2の層14の材料として例示した導電性セラミックス材料が挙げられる。
(Air electrode)
The air electrode 4 is not particularly limited, and may be a porous body made of one or more conductive ceramic materials applied to the SOFC air electrode 4. For example, examples of the air electrode material include the conductive ceramic materials already exemplified as the material of the second layer 14 of the interconnector 10.

空気極4は多孔質であり、その気孔率は、適宜設定されるが、好ましくは、15%以上であることが好ましく、より好ましくは20%以上40%以下程度である。空気極4における気孔が球状である場合の平均気孔径は、1μm以上10μm以下であることが好ましい。より好ましくは2μm以上5μm以下である。  The air electrode 4 is porous, and the porosity thereof is appropriately set, but is preferably 15% or more, more preferably about 20% or more and 40% or less. When the pores in the air electrode 4 are spherical, the average pore diameter is preferably 1 μm or more and 10 μm or less. More preferably, it is 2 μm or more and 5 μm or less.

空気極4の厚みは、特に限定するものではなく、酸化性のガス流路24の有無や流路形態によっても異なるが、例えば、15μm以上500μm以下とすることができ、また例えば、20μm以上500μm以下とすることができる。より好ましくは、50μm以上400μm以下とすることができる。  The thickness of the air electrode 4 is not particularly limited, and varies depending on the presence or absence of the oxidizing gas flow path 24 and the flow path form. For example, the thickness can be 15 μm or more and 500 μm or less, and for example, 20 μm or more and 500 μm. It can be as follows. More preferably, it can be 50 μm or more and 400 μm or less.

(固体電解質)
固体電解質6は、特に限定することなく、SOFCの固体電解質に適用される酸素イオン伝導性材料の1種又は2種以上からなる緻密質体とすることができる。例えば、固体電解質材料としては、既に、例示した酸素イオン伝導性材料が挙げられる。
(Solid electrolyte)
The solid electrolyte 6 is not particularly limited, and can be a dense body made of one or more oxygen ion conductive materials applied to the SOFC solid electrolyte. For example, as the solid electrolyte material, already exemplified oxygen ion conductive materials can be mentioned.

固体電解質6は緻密質であり、ガス透過性を遮断する観点から、インターコネクタ10と同様の相対密度を有していることが好ましい。また、固体電解質6の厚みは、特に限定するものではないが、例えば、1μm以上100μm以下とすることができる。より好ましくは、3μm以上40μm以下とすることができ、さらに好ましくは5μm以上30μm以下とすることができる。  The solid electrolyte 6 is dense and preferably has the same relative density as the interconnector 10 from the viewpoint of blocking gas permeability. Further, the thickness of the solid electrolyte 6 is not particularly limited, but can be set to, for example, 1 μm or more and 100 μm or less. More preferably, it can be 3 μm or more and 40 μm or less, and further preferably 5 μm or more and 30 μm or less.

(ガス流路)
SOFCの単セルCは、燃料極2に供給される水素を含有する還元性ガス及び空気極4に供給される酸素を含有する酸化性ガスのためのガス流路22、24をそれぞれ備えている。ガス流路22、24は、単セルを構成する1又は2つの層に亘って形成することができる。すなわち、ガス流路22、24は、それぞれ燃料極2、空気極4内に備えられていてもよいし、インターコネクタ10内に備えられていてもよいし、燃料極2とインターコネクタ10にわたって備えられていてもよいし、空気極4とインターコネクタ10にわたって備えられていてもよい。
(Gas flow path)
The single cell C of the SOFC includes gas flow paths 22 and 24 for a reducing gas containing hydrogen supplied to the fuel electrode 2 and an oxidizing gas containing oxygen supplied to the air electrode 4, respectively. . The gas flow paths 22 and 24 can be formed over one or two layers constituting a single cell. That is, the gas flow paths 22 and 24 may be provided in the fuel electrode 2 and the air electrode 4, respectively, or may be provided in the interconnector 10, and may be provided across the fuel electrode 2 and the interconnector 10. It may be provided over the air electrode 4 and the interconnector 10.

例えば、図1に示すように、これらのガス流路22、24は、燃料極2及び空気極4の厚み範囲に完全に埋設されたように内在させることもできる。こうすることで、抵抗の高いインターコネクタの体積の増大を抑制して発電性能の低下を抑制できる。あるいは、図示はしないが、燃料極2及び空気極4に接するインターコネクタ10において燃料極2側及び空気極4側に開口するように設けることもできる。こうすることで、燃料極2の体積を抑制して、Niの酸化還元に伴う体積変動を抑制することができる。  For example, as shown in FIG. 1, these gas flow paths 22, 24 may be included so as to be completely embedded in the thickness range of the fuel electrode 2 and the air electrode 4. By carrying out like this, the increase in the volume of an interconnector with high resistance can be controlled, and the fall of power generation performance can be controlled. Or although not shown in figure, in the interconnector 10 which contact | connects the fuel electrode 2 and the air electrode 4, it can also provide so that it may open to the fuel electrode 2 side and the air electrode 4 side. By carrying out like this, the volume of the fuel electrode 2 can be suppressed and the volume fluctuation accompanying the oxidation reduction of Ni can be suppressed.

また、例えば、図2に示すような形態で、少なくとも、燃料極2内にガス流路22を備える形態とすることができる。すなわち、燃料極2でガス流路22を被覆するように内包するが、ガス流路22の厚みのうちの一部分の厚みしか備えない形態である。  Further, for example, in a form as shown in FIG. 2, at least the gas flow path 22 can be provided in the fuel electrode 2. That is, the fuel electrode 2 is included so as to cover the gas flow path 22, but only a part of the thickness of the gas flow path 22 is provided.

例えば、図2に示すように、燃料極2を、ガス流路22の外形形態、配置パターン等に基づいて、単セルCの外方に向かって凸となる1又は2以上の凸状部26を備えるようにすることができる。こうすることで、燃料極2の層厚を薄くすることができ、燃料極2の体積増大によるNiの酸化還元(SOFCの起動及び停止に伴う)による燃料極2の体積変動を抑制することができる。  For example, as shown in FIG. 2, the fuel electrode 2 has one or more convex portions 26 that protrude outward from the single cell C based on the outer shape, arrangement pattern, and the like of the gas flow path 22. Can be provided. By doing so, the layer thickness of the fuel electrode 2 can be reduced, and the volume fluctuation of the fuel electrode 2 due to the oxidation / reduction of Ni (according to the start and stop of SOFC) due to the increase in the volume of the fuel electrode 2 can be suppressed. it can.

こうした内在させるガス流路22に基づく凸状部26を有する燃料極2は、ガス流路22が形成されない領域において、ガス流路22の厚み(積層方向における厚み又は高さ)を充足しない厚みで燃料極2を備えるようにすることで形成される。すなわち、ガス流路22の厚みの100%未満の厚みで燃料極2を備えるようにする。こうすることで、燃料極2の厚みを有効に低減して酸化還元耐性を向上させることができる。また、本インターコネクタ10の第1の層12の厚みを適度に薄膜化することができ、電気抵抗を低下させることができる。例えば、当該領域において燃料極2はガス流路22の厚みの90%以下、また例えば、80%以下、さらに例えば、70%以下、さらにまた例えば、60%以下等とすることができる。また、当該領域において、燃料極2は、ガス流路22の厚みの1%以上であり、例えば、同10%以上であり、また例えば、20%以上であり、さらに例えば、30%以上である。典型的には、燃料極2の厚みは、ガス流路非形成領域において、ガス流路22の厚みの30%以上70%以下等とすることができる。  The fuel electrode 2 having the convex portion 26 based on the gas flow path 22 to be present has a thickness that does not satisfy the thickness (thickness or height in the stacking direction) of the gas flow path 22 in a region where the gas flow path 22 is not formed. It is formed by providing the fuel electrode 2. That is, the fuel electrode 2 is provided with a thickness of less than 100% of the thickness of the gas flow path 22. By carrying out like this, the thickness of the fuel electrode 2 can be reduced effectively and oxidation-reduction tolerance can be improved. In addition, the thickness of the first layer 12 of the interconnector 10 can be appropriately reduced, and the electrical resistance can be reduced. For example, in this region, the fuel electrode 2 can be 90% or less, for example, 80% or less, further, for example, 70% or less, further, for example, 60% or less, etc. In the region, the fuel electrode 2 is 1% or more of the thickness of the gas flow path 22, for example, 10% or more, for example, 20% or more, and further, for example, 30% or more. . Typically, the thickness of the fuel electrode 2 can be not less than 30% and not more than 70% of the thickness of the gas channel 22 in the gas channel non-formation region.

例えば、当該領域において燃料極2は燃料極2内におけるガス流路22の最大高さの90%以下、また例えば、80%以下、さらに例えば、70%以下、さらにまた例えば、60%以下、さらに例えば、50%以下、さらにまた例えば、40%、さらに例えば30%、また例えば、20%以下等とすることができる。また、当該領域において、燃料極2は、ガス流路22の厚みの1%以上であり、例えば、同5%以上であり、また例えば、10%以上等とすることができる。典型手気には、燃料極2の厚みは、ガス流路非形成領域において、ガス流路22の最大高さの5%以上50%以下等とすることができる。  For example, in the region, the fuel electrode 2 is 90% or less of the maximum height of the gas flow path 22 in the fuel electrode 2, for example, 80% or less, further, for example, 70% or less, and further, for example, 60% or less, For example, it can be 50% or less, moreover, for example, 40%, further, for example, 30%, for example, 20% or less. Further, in this region, the fuel electrode 2 is 1% or more of the thickness of the gas flow path 22, for example, 5% or more, for example, 10% or more. As a typical rule, the thickness of the fuel electrode 2 can be 5% or more and 50% or less of the maximum height of the gas passage 22 in the gas passage non-formation region.

さらに、こうした燃料極2を形成するには、既述のように燃料極2を、燃料極主層2bと燃料極バッファ層2aとで形成することで、ガス流路22に基づく凸状部26に密着し、ガス流路22を内包又は被覆する燃料極2を容易に形成することができる。特に限定するものではないが、ガス流路22の上部には、燃料極バッファ層2aを主として備えることが好ましい。  Furthermore, in order to form such a fuel electrode 2, as described above, the fuel electrode 2 is formed of the fuel electrode main layer 2 b and the fuel electrode buffer layer 2 a, so that the convex portion 26 based on the gas flow path 22 is formed. It is possible to easily form the fuel electrode 2 that is in close contact with and encloses or covers the gas flow path 22. Although not particularly limited, it is preferable to mainly include the fuel electrode buffer layer 2 a in the upper part of the gas flow path 22.

さらに、1又は2以上のガス流路22に応じた凸状部26を備える表面形態を有する燃料極2に対して好適な特性を備える本インターコネクタ10の第1の層12を備えることで、還元性雰囲気での電気伝導性、ガス遮断性を確保し、さらに第2の層14を備えることで、隣接する単セルCの空気極4に由来する酸化性雰囲気での電気伝導性及びガス遮断性を確保できる。このように、本インターコネクタ10のセラミックス2層含有構造によれば、隣接する電極の特性のみならず変化を有する表面形態に応じて、優れた追従性及び密着性を発揮して、こうして変化した表面形態を緩衝して良好な一体性、成型性、形状のSOFCスタック30を構築することができる。また、本インターコネクタ10のセラミックス2層含有構造によれば、こうした変化を有する電極表面に応じて2層の存在形態、すなわち、各層の厚みや配置パターンも変化させて、インターコネクタ10及びスタック30としての性能を最適化することができる。  Furthermore, by including the first layer 12 of the present interconnector 10 having suitable characteristics for the fuel electrode 2 having a surface configuration including a convex portion 26 corresponding to one or more gas flow paths 22, By ensuring the electrical conductivity and gas barrier property in a reducing atmosphere and further comprising the second layer 14, the electrical conductivity and gas barrier in the oxidizing atmosphere derived from the air electrode 4 of the adjacent single cell C Can be secured. As described above, according to the ceramic two-layer containing structure of the interconnector 10, the following characteristics and the adhesiveness are exhibited in accordance with the surface form having changes as well as the characteristics of the adjacent electrodes, and thus changed. The surface morphology can be buffered to build a SOFC stack 30 with good integrity, moldability, and shape. Further, according to the ceramic two-layer containing structure of the present interconnector 10, the presence pattern of the two layers, that is, the thickness and arrangement pattern of each layer are changed according to the electrode surface having such a change, so that the interconnector 10 and the stack 30 are changed. Performance can be optimized.

なお、燃料極2内にガス流路22を内在させる形態について種々説明したが、上記内在形態は空気極4におけるガス流路24についても適用することができる。  Various forms of the gas flow path 22 in the fuel electrode 2 have been described. However, the above-described internal form can also be applied to the gas flow path 24 in the air electrode 4.

ガス流路22、24の厚み(すなわち、セルCにおける要素の積層方向に沿う厚み又は流路高さ)は、ガス流路22、24が備えられる部位(インターコネクタか電極内か)やガス流路パターン等によっても異なり、特に限定するものではないが、例えば、50μm以上400μm以下とすることができる。また、例えば、燃料極2内におけるガス流路22の厚みは、100μm以上200μm以下であることが好ましく、空気極4におけるガス流路24の厚みは、150μm以上300μm以下であることが好ましい。  The thickness of the gas flow paths 22 and 24 (that is, the thickness or flow path height along the stacking direction of the elements in the cell C) is determined depending on the portion where the gas flow paths 22 and 24 are provided (in the interconnector or the electrode) or the gas flow Although it varies depending on the road pattern and the like and is not particularly limited, for example, it can be 50 μm or more and 400 μm or less. For example, the thickness of the gas flow path 22 in the fuel electrode 2 is preferably 100 μm or more and 200 μm or less, and the thickness of the gas flow path 24 in the air electrode 4 is preferably 150 μm or more and 300 μm or less.

還元性ガス及び酸化性ガスの各ガス流路22、24のパターンは特に限定するものでなく、種々のパターンを採ることができる。SOFCの形態にもよるが、例えば、平板型SOFCの場合には、平面視で、複数の直線状の流路が一定間隔で整列するパターン、複数のサイズの異なるコの字状の流路がよりサイズが小さくなる順に内側に配置されるパターン、渦巻き状の一続きの1又は2以上の流路が配置されるパターン等が挙げられる。  The pattern of each gas flow path 22 and 24 of reducing gas and oxidizing gas is not particularly limited, and various patterns can be adopted. Although it depends on the form of the SOFC, for example, in the case of a flat plate type SOFC, in a plan view, a pattern in which a plurality of linear flow paths are arranged at regular intervals, and a plurality of U-shaped flow paths having different sizes are provided. Examples include a pattern arranged on the inner side in order of decreasing size, a pattern in which one or more continuous flow paths are arranged.

このようにして構成される単セル(燃料極、空気極、固体電解質)Cの厚みは、特に限定するものではないが、例えば、100μm以上1000μm以下とすることができる。また、好ましくは150μm以上1000μm以下とすることができる。さらに、好ましくは200μm以上1000μm以下とすることができる。また、好ましくは300μm以上600μm以下とすることができる。  The thickness of the single cell (fuel electrode, air electrode, solid electrolyte) C configured in this way is not particularly limited, and can be, for example, 100 μm or more and 1000 μm or less. Moreover, it is preferably 150 μm or more and 1000 μm or less. Furthermore, it can be preferably 200 μm or more and 1000 μm or less. Further, it can be preferably 300 μm or more and 600 μm or less.

また、単セルCの燃料極2及び/又は空気極4の表面は、内在させたガス流路22、24の外形形態及び配置パターンに基づく凸状部26等を備えることもできる。  Moreover, the surface of the fuel electrode 2 and / or the air electrode 4 of the single cell C can also be provided with a convex portion 26 or the like based on the external form and arrangement pattern of the gas flow paths 22 and 24 contained therein.

SOFCの単セルC及びSOFCスタック30は、燃料極2及び空気極4に供給される各ガスを封止するためのシール部20を適宜備えることができる。シール部20の形態は特に限定するものではないが、例えば、国際公開第WO2009/119771号に開示されるシール部のほか、適宜公知のシール構造を採用することができる。  The single cell C and the SOFC stack 30 of the SOFC can be appropriately provided with a seal portion 20 for sealing each gas supplied to the fuel electrode 2 and the air electrode 4. Although the form of the seal part 20 is not specifically limited, For example, a well-known seal structure can be suitably employ | adopted besides the seal part disclosed by international publication WO2009 / 119971.

(SOFC及びSOFCスタックに対する本インターコネクタの構造)
本明細書に開示されるSOFCは、単セルCに対して本インターコネクタ10又はその一部を備えることができ、また、SOFCスタック30は、少なくとも2つの単セルCが本インターコネクタ10を介して接続された構造を有している。図1、2に示すように、燃料極2、空気極4及び固体電解質6が積層された単セルCは、他の単セルCと本インターコネクタ10を介して接続されてSOFCスタック30を構成している。本インターコネクタ10の第1の層12及び第2の層14は、SOFCにおける各発電要素の態様に応じて様々な積層形態を採ることができる。
(Structure of this interconnector for SOFC and SOFC stack)
The SOFC disclosed in this specification can include the interconnector 10 or a part thereof with respect to the single cell C, and the SOFC stack 30 includes at least two single cells C via the interconnector 10. And have a connected structure. As shown in FIGS. 1 and 2, the unit cell C in which the fuel electrode 2, the air electrode 4, and the solid electrolyte 6 are stacked is connected to another unit cell C via the interconnector 10 to form a SOFC stack 30. doing. The first layer 12 and the second layer 14 of the interconnector 10 can take various laminated forms according to the mode of each power generating element in the SOFC.

例えば、平板型SOFCの場合には、図3に示すような形態が挙げられる。なお、図3に示す形態では、適宜ガス流路を省略している。図3Aは、第1の層12及び第2の層14が、それぞれ平坦な層である形態を示す。この形態においては、各ガス流路22,24は、インターコネクタにあっても電極内にあってもよいが、電極内にある場合においては、ガス流路は、電極の層厚に内包されており、電極表面にガス流路に起因する凸状部が現れていない状態となっている。  For example, in the case of a flat plate SOFC, a form as shown in FIG. In the form shown in FIG. 3, the gas flow path is omitted as appropriate. FIG. 3A shows a form in which the first layer 12 and the second layer 14 are flat layers. In this embodiment, each gas flow path 22, 24 may be in the interconnector or in the electrode. However, in the case of being in the electrode, the gas flow path is included in the layer thickness of the electrode. Thus, the convex portion due to the gas flow path does not appear on the electrode surface.

また、図3Bは、第1の層12が燃料極2に内在するガス流路22に基づく1又は2以上の凸状部26に対応する1又は2以上の湾曲部12aを有する層であり、第2の層14が、第1の層12の湾曲部12aでない部分、すなわち、底部12bを充填してインターコネクタ10全体として略均一な厚みの層となるような充填部14bを有する層である形態を示す。ここで、第1の層12は、おおよそ均一な厚みの波状又はコルゲート状の層である。また、第2の層14は、還元性ガス流路22上又はその周囲に対応する湾曲部12aにおいては、相対的に層厚の薄い被覆部14aを備え、還元性ガス流路22間に相当する底部12bにおいては、相対的に層厚の厚い充填部14bを備えている。このインターコネクタ形態によれば、全体として均一な厚みを確保するとともに、燃料極2に対して必要十分な形態で第1の層12を適用できる。また、第2の層14で、インターコネクタ10を全体として略平坦で均一な厚みにすることができる。  3B is a layer having one or more curved portions 12a corresponding to one or more convex portions 26 based on the gas flow path 22 in which the first layer 12 is inherent in the fuel electrode 2. The second layer 14 is a layer having a filling portion 14b that fills the portion of the first layer 12 that is not the curved portion 12a, that is, the bottom portion 12b and has a substantially uniform thickness as the entire interconnector 10. The form is shown. Here, the first layer 12 is a wavy or corrugated layer having a substantially uniform thickness. Further, the second layer 14 includes a covering portion 14a having a relatively thin layer thickness in the curved portion 12a corresponding to or around the reducing gas flow path 22, and corresponds to the space between the reducing gas flow paths 22. The bottom portion 12b is provided with a relatively thick filling portion 14b. According to this interconnector form, the first layer 12 can be applied to the fuel electrode 2 in a necessary and sufficient form while ensuring a uniform thickness as a whole. Further, the second layer 14 allows the interconnector 10 to have a substantially flat and uniform thickness as a whole.

さらに、図3Cは、図3Bとは異なり、空気極4に対する第2の層14が空気極4のガス流路24に基づく凸状部28を有する表面形態に倣った湾曲部14cと底部14dを有して波状又はコルゲート状で略均一な厚みの層であり、第1の層12が、第2の層14の底部14dを充填する充填部12dを有し、湾曲部14cを薄く被覆する被覆部12cを備える形態を示す。すなわち、酸化性ガス流路24上又はその周囲に対応する湾曲部14cにおいては、第1の層12は相対的に薄く、酸化性ガス流路24間である底部14dにおいては、第1の層12は相対的に厚くなっている。この形態においても、空気極4に対して必要十分な形態で第2の層を適用できる。また、第2の層12で、インターコネクタ10を全体として略平坦で均一な厚みにすることができる。  Furthermore, FIG. 3C differs from FIG. 3B in that the second layer 14 for the air electrode 4 has a curved portion 14c and a bottom portion 14d following a surface form having a convex portion 28 based on the gas flow path 24 of the air electrode 4. The first layer 12 has a filling portion 12d that fills the bottom portion 14d of the second layer 14 and has a covering portion that thinly covers the curved portion 14c. The form provided with the part 12c is shown. In other words, the first layer 12 is relatively thin in the curved portion 14 c corresponding to or around the oxidizing gas flow channel 24, and the first layer is formed in the bottom portion 14 d between the oxidizing gas flow channels 24. 12 is relatively thick. Also in this form, the second layer can be applied to the air electrode 4 in a necessary and sufficient form. In addition, the second layer 12 allows the interconnector 10 to have a substantially flat and uniform thickness as a whole.

(拘束層)
図4に示すように、SOFCの単セルC又はSOFCスタック30は、その積層体において少なくとも1つの拘束層40を備えることができる。拘束層40は、少なくとも、導電性セラミックス材料と固体電解質に含まれる元素の酸化物材料を含む非多孔質層42を含むことができる。かかる拘束層40を備えることで、積層体の平面(x−y平面)内における収縮率偏差を抑制するとともに、積層方向(z方向)における反りや曲げを抑制するように焼成挙動を調整することができる。これにより、ガス流路22、24の変形や歪み、燃料極2、空気極4及び固体電解質6等におけるクラックや剥がれ、セル等の割れを抑制して、発電特性及び一体性に優れるSOFC単セルC及びSOFCスタック30を得ることができる。
(Restricted layer)
As shown in FIG. 4, the SOFC single cell C or SOFC stack 30 may comprise at least one constraining layer 40 in the stack. The constraining layer 40 can include at least a non-porous layer 42 including a conductive ceramic material and an oxide material of an element included in the solid electrolyte. By providing the constraining layer 40, the shrinkage rate deviation in the plane (xy plane) of the laminate is suppressed, and the firing behavior is adjusted so as to suppress warping and bending in the stacking direction (z direction). Can do. As a result, deformation and distortion of the gas flow paths 22 and 24, cracks and peeling in the fuel electrode 2, the air electrode 4 and the solid electrolyte 6, etc., and cracks in the cell, etc. are suppressed, and the SOFC single cell excellent in power generation characteristics and integrity C and SOFC stack 30 can be obtained.

拘束層40に使用する導電性セラミックス材料は、既述した空気極4に好適である導電性セラミックス材料を用いることができる。また、固体電解質に含まれる元素の酸化物材料としては、既述した固体電解質6に好適な酸素イオン伝導性材料から用いることができる。かかる組成とすることで、拘束層40の熱膨張係数を容易に調整して、拘束層40による焼成挙動の調整を可能とすることができる。拘束層40の熱膨張係数(20℃〜1000℃)は、10×10-6-1以上15×10-6-1以下であることが好ましい。この範囲であると、インターコネクタ10あるいは空気極4との界面ではく離が起きにくいからである。SOFCスタック30の残留応力を考慮すると、より好ましくは、10×10-6-1以上12×10-6-1以下である。As the conductive ceramic material used for the constraining layer 40, the conductive ceramic material suitable for the air electrode 4 described above can be used. Moreover, as an oxide material of the element contained in the solid electrolyte, an oxygen ion conductive material suitable for the solid electrolyte 6 described above can be used. By setting it as this composition, the thermal expansion coefficient of the constraining layer 40 can be adjusted easily, and the firing behavior by the constraining layer 40 can be adjusted. The thermal expansion coefficient (20 ° C. to 1000 ° C.) of the constraining layer 40 is preferably 10 × 10 −6 K −1 or more and 15 × 10 −6 K −1 or less. This is because if it is within this range, peeling does not easily occur at the interface with the interconnector 10 or the air electrode 4. Considering the residual stress of the SOFC stack 30, it is more preferably 10 × 10 −6 K −1 or more and 12 × 10 −6 K −1 or less.

拘束層40は、少なくとも非多孔質層42を備えている。非多孔質層42は、固体電解質6やインターコネクタ10と同様の緻密性を備えることができる。また、気孔率としては、10%以下であることが好ましく、より好ましくは5%以下である。非多孔質層42の厚みは特に限定するものではないが、例えば10μm以上200μm以下、好ましくは50μm以上100μm以下とすることができる。  The constraining layer 40 includes at least a non-porous layer 42. The non-porous layer 42 can have the same denseness as the solid electrolyte 6 and the interconnector 10. Moreover, as a porosity, it is preferable that it is 10% or less, More preferably, it is 5% or less. The thickness of the non-porous layer 42 is not particularly limited, but may be, for example, 10 μm to 200 μm, preferably 50 μm to 100 μm.

拘束層40は、さらに、非多孔質層42と同様、導電性セラミックス材料と固体電解質に含まれる元素の酸化物を含んで多孔質である多孔質層44を備えることができる。非多孔質層42と多孔質層44とを備えることで、焼成挙動の調整がより容易になる。多孔質層44における気孔率は、非多孔質層42よりも大きければ特に限定するものではないが、例えば、10%以上50%以下とすることができる。この範囲であると、非多孔質層42との組合せによる焼成挙動の調整が容易であるからである。多孔質層44の厚みは、特に限定するものではないが、例えば、10μm以上200μm以下、好ましくは50μm以上100μm以下とすることができる。  Similarly to the non-porous layer 42, the constraining layer 40 can further include a porous layer 44 that is porous including an electroconductive ceramic material and an oxide of an element contained in the solid electrolyte. The provision of the non-porous layer 42 and the porous layer 44 makes it easier to adjust the firing behavior. The porosity of the porous layer 44 is not particularly limited as long as it is larger than that of the non-porous layer 42. For example, the porosity can be 10% or more and 50% or less. This is because within this range, it is easy to adjust the firing behavior by the combination with the non-porous layer 42. The thickness of the porous layer 44 is not particularly limited, but may be, for example, 10 μm or more and 200 μm or less, preferably 50 μm or more and 100 μm or less.

なお、非多孔質層42は、SOFC単セルC及びSOFCスタック30の空気極4側の終端部に配置されるとき、空気極4に対してインターコネクタ10としても機能することができる。したがって、例えば、その場合には、本インターコネクタ10の第2の層14を省略することができる。  Note that the non-porous layer 42 can also function as the interconnector 10 with respect to the air electrode 4 when disposed at the terminal end of the SOFC single cell C and the SOFC stack 30 on the air electrode 4 side. Therefore, for example, in this case, the second layer 14 of the interconnector 10 can be omitted.

拘束層40が非多孔質層42と多孔質層44とを備えるとき、これらの積層形態は特に限定するものではないが、非多孔質層42と多孔質層44とを交互に備えることができる。これらの層の双方を備えるとき、各層の積層数や厚みは異なっていても同一であってもよいが、焼成挙動の調節の観点からは、非多孔質層42と多孔質層44の積層数を同数とするか及び/又は各層の厚みの合計を同一とすることが好ましい。  When the constraining layer 40 includes the non-porous layer 42 and the porous layer 44, the stacked form is not particularly limited, but the non-porous layer 42 and the porous layer 44 can be alternately provided. . When both of these layers are provided, the number and thickness of each layer may be different or the same, but from the viewpoint of adjusting the firing behavior, the number of layers of the non-porous layer 42 and the porous layer 44 is the same. Are the same number and / or the total thickness of each layer is preferably the same.

拘束層40としての非多孔質層42及び多孔質層44は、それぞれ、導電性セラミックス材料と固体電解質に含まれる元素の酸化物材料とを含むことができる。これら2種類の層42,44において同一種類の導電性セラミックス材料及び固体電解質に含まれる元素の酸化物材料を用いてもよいし、少なくとも一方が異なっていてもよい。好ましくは、これら2種類の層42,44は、組成(配合)は異なっていてもよい同一であってもよいが、同一種類の材料を用いる。なお、複数の非多孔質層42を備えるとき、これらの非多孔質層42同士においても、導電性セラミックス材料と固体電解質に含まれる元素の酸化物材料に関し、上記と同様の態様が適用される。また、複数の多孔質層44を備えるとき、これらの多孔質層44同士においても、導電性セラミックス材料と固体電解質に含まれる元素の酸化物材料に関し、上記と同様の態様が適用される。  The non-porous layer 42 and the porous layer 44 as the constraining layer 40 can each include a conductive ceramic material and an oxide material of an element included in the solid electrolyte. In these two types of layers 42 and 44, the same type of conductive ceramic material and the oxide material of the element contained in the solid electrolyte may be used, or at least one of them may be different. Preferably, these two types of layers 42 and 44 may have the same composition (formulation) but may be the same, but use the same type of material. When a plurality of non-porous layers 42 are provided, the same aspect as described above is applied to the non-porous layers 42 with respect to the oxide material of the element contained in the conductive ceramic material and the solid electrolyte. . When a plurality of porous layers 44 are provided, the same aspects as described above are applied to the porous layers 44 with respect to the conductive ceramic material and the oxide material of the element contained in the solid electrolyte.

これら2種類の層42,44における、導電性セラミックス材料と固体電解質に含まれる元素の酸化物材料との配合比率は、特に限定するものではないが、例えば、導電性セラミックス材料:固体電解質に含まれる元素の酸化物材料とは、質量比で、30:70〜70:30などとすることができ、40:60〜60:40とすることもできる。  The mixing ratio of the conductive ceramic material and the oxide material of the element contained in the solid electrolyte in these two types of layers 42 and 44 is not particularly limited. For example, it is included in the conductive ceramic material: solid electrolyte. The oxide material of the element to be used can be 30:70 to 70:30 or the like, or 40:60 to 60:40, by mass ratio.

また、各層42,44は、それぞれ焼結性を高めたり、高温焼成時の耐熱性を向上させるために適宜添加剤を含むことができる。例えば、既述の各種添加剤のほか、耐熱性の観点からは、セリア等を添加することができる。セリア等の高温耐熱性添加剤は、特に限定するものではないが、多孔質層44に添加することが好ましい。これら添加剤の含有量は、特に限定するものではないが、例えば、各層42,44における全セラミックス材料(添加剤を含む)に対して0.5質量%以上10質量%以下とすることができ、好ましくは2質量%以上8質量%以下とすることができる。  Moreover, each layer 42 and 44 can contain an additive suitably, respectively, in order to improve sinterability or to improve the heat resistance at the time of high temperature baking. For example, in addition to the various additives described above, ceria and the like can be added from the viewpoint of heat resistance. A high-temperature heat-resistant additive such as ceria is not particularly limited, but is preferably added to the porous layer 44. The content of these additives is not particularly limited, and can be, for example, 0.5% by mass or more and 10% by mass or less based on the total ceramic materials (including additives) in each layer 42 and 44. Preferably, it can be 2 mass% or more and 8 mass% or less.

多孔質層44における気孔形状は特に限定するものではないが、球状気孔を形成することができる。球状の場合には平均気孔径は特に限定するものではないが、例えば、0.5μm以上5μm以下とすることができる。0.5μm未満及び5μm超では、いずれも十分な焼成挙動の調整が困難であるからである。  The shape of the pores in the porous layer 44 is not particularly limited, but spherical pores can be formed. In the case of a spherical shape, the average pore diameter is not particularly limited, but can be, for example, 0.5 μm or more and 5 μm or less. This is because if the thickness is less than 0.5 μm and more than 5 μm, it is difficult to sufficiently adjust the firing behavior.

セラミックス材料における気孔率及び平均気孔径の調節は、当業者において周知であり、当業者であれば、適宜意図した気孔率及び平均気孔径のセラミックス層を作製できる。  The adjustment of the porosity and the average pore diameter in the ceramic material is well known to those skilled in the art, and a person skilled in the art can appropriately produce a ceramic layer having the intended porosity and average pore diameter.

拘束層40は、SOFCにおいて、任意の部位に備えることができる。すなわち、拘束層は、単セルCにおける燃料極2側及び空気極4側のいずれか一方又は双方に備えることができるほか、スタック30に含まれる複数の単セルCの少なくとも一部に対して拘束層40を備えていてもよい。また、スタック30の最も外側の一方又は双方に備えることができる。  The constraining layer 40 can be provided at any site in the SOFC. That is, the constraining layer can be provided on one or both of the fuel electrode 2 side and the air electrode 4 side in the single cell C, and also constrains at least a part of the plurality of single cells C included in the stack 30. A layer 40 may be provided. It can also be provided on one or both of the outermost sides of the stack 30.

例えば、図4に示すように、SOFCの単セルCの燃料極2側においては、単セルCに対して付与されたインターコネクタ10の第1の層12に対して、すなわち、第1の層12よりもセルCの外側に位置するように拘束層40を備えることができる。また、空気極4側においては、空気極4が流路を内包する場合には、空気極4に対して、すなわち、空気極4よりもセルCの外側に位置するように拘束層40を備えることができる。  For example, as shown in FIG. 4, on the anode 2 side of the SOFC single cell C, the first layer 12 of the interconnector 10 applied to the single cell C, that is, the first layer The constraining layer 40 can be provided so as to be located outside the cell C rather than 12. On the air electrode 4 side, when the air electrode 4 contains a flow path, the air electrode 4 is provided with a constraining layer 40 so as to be located on the outside of the cell C with respect to the air electrode 4. be able to.

これらの場合において、拘束層40としての非多孔質層42及び多孔質層44の積層形態は特に限定しないが、例えば、非多孔質層42を第1の層12及び空気極4に対して備え、さらに、必要に応じて、より外側に多孔質層44を備えることができる。好ましくは、最外層に多孔質層44を備える。また、こうした積層形態は、焼成挙動の制御の観点からは、非多孔質層42及び多孔質層44は、固体電解質6を挟んで対称的に配置されていることが好ましい。  In these cases, the lamination form of the non-porous layer 42 and the porous layer 44 as the constraining layer 40 is not particularly limited. For example, the non-porous layer 42 is provided with respect to the first layer 12 and the air electrode 4. Furthermore, the porous layer 44 can be further provided on the outer side as required. Preferably, the outermost layer includes a porous layer 44. Further, in such a laminated form, it is preferable that the non-porous layer 42 and the porous layer 44 are arranged symmetrically with the solid electrolyte 6 in between from the viewpoint of controlling the firing behavior.

また、例えば、図4に示すように、SOFCスタック30において、燃料極2側の終端部(スタック30の積層方向に沿う一方の端部)及び/又は空気極4側の終端部(スタック30の積層方向に沿う他方の端部)に備えることができる。  Further, for example, as shown in FIG. 4, in the SOFC stack 30, the end portion on the fuel electrode 2 side (one end portion along the stacking direction of the stack 30) and / or the end portion on the air electrode 4 side (of the stack 30 The other end along the stacking direction) can be provided.

以上説明したように、本インターコネクタ10は、導電性と、SOFCに適用される還元性ガスと酸化性ガスとに対する耐性と、をそれぞれ発揮し、さらにセルCとの一体焼結に好適なものとなっている。この結果、本インターコネクタ10によれば、製造工程を複雑化することなく、発電特性及び一体性に優れたSOFC及びSOFCスタックを得ることができる。  As described above, this interconnector 10 exhibits conductivity and resistance to reducing gas and oxidizing gas applied to SOFC, and is suitable for integral sintering with the cell C. It has become. As a result, according to the present interconnector 10, it is possible to obtain a SOFC and SOFC stack excellent in power generation characteristics and integrity without complicating the manufacturing process.

(SOFCスタックの製造方法)
本明細書に開示されるSOFCスタックの製造方法は、少なくとも第1の単セルと第2の単セルとをインターコネクタを介して積層されたスタックを得るのにあたって、第1の単セルの燃料極の材料を含む燃料極材料層と、インターコネクタの材料を含むインターコネクタ材料層と、第2の単セルの空気極の材料を含む空気極材料層と、を少なくとも含むスタックの前駆体を、焼成により一体化する工程、を備えることができる。この製造方法において、インターコネクタ材料層は、燃料極材料層側に位置される第1の層と、空気極材料層側に位置される第2の層と、備えており、第1の層は、還元性雰囲気において第2の層よりも高い電気伝導性とガス遮断性とを備え、第2の層は、酸化性雰囲気において第1の層よりも高い電気伝導性とガス遮断性とを備えることができる。
(SOFC stack manufacturing method)
In the SOFC stack manufacturing method disclosed in the present specification, in order to obtain a stack in which at least a first single cell and a second single cell are stacked via an interconnector, the anode of the first single cell is used. A precursor of a stack including at least a fuel electrode material layer including the material of the above, an interconnector material layer including the material of the interconnector, and an air electrode material layer including the material of the air electrode of the second single cell. The process of integrating by can be provided. In this manufacturing method, the interconnector material layer includes a first layer located on the fuel electrode material layer side, and a second layer located on the air electrode material layer side. The second layer has higher electrical conductivity and gas barrier properties than the second layer in a reducing atmosphere, and the second layer has higher electrical conductivity and gas barrier properties than the first layer in an oxidizing atmosphere. be able to.

この製造方法によれば、燃料極及び空気極のそれぞれに対して好適なインターコネクタ特性(導電性及びガス遮断性)を有する層をそれぞれ適用でき、優れた導電性と一体性を発揮させることができる。しかも、第1の層と第2の層とは、セルの要素との一体焼結性に好適であるため、製造工程を複雑化することなく、スタックの一体焼結が可能である。さらに、第1の層及び第2の層は、それぞれ独立した特性を発揮できることから、燃料極や空気極の種々の態様に応じて厚みやパターンを適宜することができる。  According to this manufacturing method, a layer having suitable interconnector characteristics (conductivity and gas barrier properties) can be applied to each of the fuel electrode and the air electrode, and excellent conductivity and integrity can be exhibited. it can. In addition, since the first layer and the second layer are suitable for integral sintering with the cell elements, the stack can be integrally sintered without complicating the manufacturing process. Furthermore, since the first layer and the second layer can exhibit independent characteristics, the thickness and pattern can be appropriately set according to various aspects of the fuel electrode and the air electrode.

本明細書におけるSOFCスタックの製造方法は、概して公知の焼結一体型のSOFCスタックの製造方法に準じることができる。当業者であれば、例えば、国際公開WO2009/119771号公報に開示される方法を適宜参照して本製造方法を実施することができる。  The manufacturing method of the SOFC stack in this specification can generally conform to a manufacturing method of a known sintered integrated SOFC stack. A person skilled in the art can implement this production method by appropriately referring to, for example, the method disclosed in International Publication WO2009 / 119971.

SOFCスタックの製造方法は、特に限定するものではないが、概して、単セル及びスタックを構成する1又は2以上の要素の材料を含むグリーンシートを予め準備した上で積層したり、適宜、こうした材料層をスラリーとして直接積層したりしつつ、これらを必要な順序で積層し、一体焼成する。どのような要素を含むグリーンシートを準備するか、あるいはスラリーとして供給するか、さらには、積層順序等は、SOFCスタックを得られる範囲で当業者であれば適宜決定して実施することができる。  The manufacturing method of the SOFC stack is not particularly limited, but generally, a green sheet containing a material of a single cell and one or more elements constituting the stack is prepared in advance and laminated, or such a material is appropriately selected. While directly laminating the layers as a slurry, they are laminated in the required order and fired integrally. A person skilled in the art can appropriately determine and implement what kind of elements the green sheet is prepared or supplied as a slurry, and further the order of lamination and the like within a range where an SOFC stack can be obtained.

また、SOFCスタックの各要素の材料層の積層体(スタック前駆体)の焼成方法も、概して、公知の焼結一体型のSOFCスタックの製造方法に準じることができる。すなわち、スタック前駆体の焼成は、前駆体を構成するセラミックス材料が少なくとも一部が焼結されて緻密質又は多孔質の所望の焼成体を得られるように実施する。好ましくは、全ての要素を共焼結させる。例えば、1250℃以上1550℃以下の温度で加熱処理することができ、好ましくは1250℃以上1500℃以下である。より好ましくは1250℃以上1400℃以下である。なお、空気中で焼成することができる。上記焼成温度での焼成時間は、特に限定するものではないが、例えば、1〜数時間程度などとすることができる。  In addition, the method for firing the laminate (stack precursor) of the material layers of each element of the SOFC stack can generally conform to a known method for producing a sintered monolithic SOFC stack. That is, the stack precursor is fired so that a ceramic material constituting the precursor is at least partially sintered to obtain a dense or porous desired fired body. Preferably, all elements are co-sintered. For example, the heat treatment can be performed at a temperature of 1250 ° C. to 1550 ° C., and preferably 1250 ° C. to 1500 ° C. More preferably, it is 1250 degreeC or more and 1400 degrees C or less. It can be fired in air. The firing time at the firing temperature is not particularly limited, and can be, for example, about 1 to several hours.

焼成に先だって、スタック前駆体を、60℃〜120℃程度の温度で、必要に応じて冷間等方圧プレス(CIP)することにより圧着した。この圧着体を温度300℃〜500℃の範囲内で脱脂処理を施すことができる。  Prior to firing, the stack precursor was pressed by cold isostatic pressing (CIP) at a temperature of about 60 ° C. to 120 ° C. as necessary. This crimped body can be degreased at a temperature in the range of 300 ° C to 500 ° C.

なお、スラリーやグリーンシート自体の作製方法は、当業者に周知である。例えば、各層のためのスラリーは、各要素の材料を主成分等として、さらにバインダー樹脂、有機溶媒などが適量加えることで調製することができる。また、グリーンシートは、調製したスラリーを、ナイフコート、ドクターブレードなどの塗工装置を用いたテープキャスト法などのキャスティングによるシート成形法、あるいはスクリーン印刷法やスプレー法などを用いてグリーンシート前駆体を得ることができる。なお、得られたシート前駆体を、常法に従い、乾燥後、必要に応じて加熱処理することでグリーンシート(未焼成のセラミックスグリーンシート)を得ることができる。  In addition, the preparation method of a slurry and green sheet itself is well-known to those skilled in the art. For example, the slurry for each layer can be prepared by adding appropriate amounts of a binder resin, an organic solvent, etc., with the material of each element as the main component. In addition, the green sheet is a green sheet precursor obtained by casting the prepared slurry using a casting method such as a tape casting method using a coating apparatus such as a knife coater or a doctor blade, or using a screen printing method or a spray method. Can be obtained. In addition, a green sheet (unfired ceramic green sheet) can be obtained by heat-treating the obtained sheet precursor according to a conventional method after drying according to a conventional method.

また、燃料極、空気極、拘束層の多孔質層の作製方法も、当業者に周知である。例えば、当業者は、公知の方法に従って粒子状の消失材料をスラリーの配合に含めるか、あるいは造孔剤等を含めることで、所望の平均気孔径、気孔率、気孔径分布等や適度な多孔質性を焼成により発現できるグリーンシートを作製することができる。なお、消失材料自体も周知であるとともに、各種材料を商業的に入手可能である。  Also, methods for producing a fuel electrode, an air electrode, and a porous layer of a constraining layer are well known to those skilled in the art. For example, a person skilled in the art can include a desired average pore diameter, porosity, pore size distribution, etc. and appropriate porosity by including a particulate disappearance material in the formulation of the slurry according to a known method or by including a pore-forming agent. It is possible to produce a green sheet that can express the quality by firing. The disappearing material itself is well known, and various materials are commercially available.

燃料極、空気極及びインターコネクタにガス流路を形成する方法も、当業者に周知である。当業者であれば、公知の方法に従い、燃料極材料のグリーンシート等に所望のガス流路パターンを形成可能な消失材料を配置して、さらに燃料極材料のグリーンシート等を積層するなど適宜実施することができる。  Methods for forming gas flow paths in the fuel electrode, air electrode and interconnector are also well known to those skilled in the art. If it is a person skilled in the art, according to a known method, disposing a disappearing material capable of forming a desired gas flow path pattern on a green sheet of a fuel electrode material, and further laminating a green sheet of a fuel electrode material, etc. can do.

また、適宜、燃料極材料層や空気極材料層に隣接してシール部となるシール材料層を備える電極グリーンシートも製造できる。  In addition, an electrode green sheet including a sealing material layer serving as a seal portion adjacent to the fuel electrode material layer and the air electrode material layer can be manufactured as appropriate.

本製造方法において、本インターコネクタほか、燃料極バッファ層、拘束層を適宜採用することにより、それぞれの要素に応じた利点を製造方法においても発揮させることができ、発電特性、一体性等に優れるSOFCスタックを得ることができる。  In this manufacturing method, by appropriately adopting the fuel electrode buffer layer and the constraining layer in addition to the present interconnector, the advantages according to each element can be exhibited in the manufacturing method, and the power generation characteristics, integrity, etc. are excellent. A SOFC stack can be obtained.

以下に、本製造方法の概要の一例を説明する。固体電解質の材料を含むスラリーから固体電解質用グリーンシートを準備した。燃料極の材料と造孔剤とを含む燃料極用スラリーとシール材料を含むシール用スラリーから燃料極用グリーンシートを作製し、その上に、消失材料からなる流路形成材をスクリーン印刷等により付与し、さらに、燃料極用スラリーとシール用スラリーとを、例えば、流路形成材の高さの30%以上70%以下程度の範囲となるまで所定のパターンで付与する。さらに、インターコネクタの第1の層用スラリーを、燃料極材料層の凸部を含む表面形態に沿っておおよそ均一の厚みで付与する。さらに、その後、第1の層用スラリー表面に、燃料極材料層の凸部を覆って略平坦な層表面となるように、インターコネクタの第2の層用のスラリーを付与して燃料極材料層を含むグリーンシートを準備する。なお、別個の燃料極用スラリーとして、燃料極バッファ用材料を含む燃料極バッファ用スラリーをさらに付与することもできる。  Below, an example of the outline | summary of this manufacturing method is demonstrated. A solid electrolyte green sheet was prepared from a slurry containing a solid electrolyte material. A fuel electrode green sheet is prepared from a fuel electrode slurry containing a fuel electrode material and a pore former and a seal slurry containing a seal material, and a flow path forming material made of a lost material is formed thereon by screen printing or the like. Further, the fuel electrode slurry and the sealing slurry are applied in a predetermined pattern until, for example, the height is about 30% to 70% of the height of the flow path forming material. Furthermore, the slurry for the first layer of the interconnector is applied with a substantially uniform thickness along the surface form including the convex portion of the fuel electrode material layer. Further, after that, the slurry for the second layer of the interconnector is applied to the surface of the first layer slurry so as to cover the convex portion of the fuel electrode material layer and become a substantially flat layer surface. Prepare a green sheet containing layers. In addition, the fuel electrode buffer slurry containing the fuel electrode buffer material can be further added as a separate fuel electrode slurry.

また、空気極の材料と造孔剤とを含む空気極用スラリーとシール材料を含むシール用スラリーから空気極用グリーンシートを作製し、その上に、消失材料からなる流路形成材をスクリーン印刷等により付与し、さらに、空気極用スラリーとシール用スラリーとを所定のパターンで付与して、空気極材料層を含むグリーンシートを作製した。また、空気極材料層を含むグリーンシートに、非多孔質拘束層材料用スラリーとシール用スラリーとを付与して、空気極側終端用グリーンシートを準備する。  In addition, a green sheet for an air electrode is produced from an air electrode slurry containing an air electrode material and a pore former and a sealing slurry containing a seal material, and a flow path forming material made of a disappearing material is screen printed thereon. Further, the air electrode slurry and the sealing slurry were applied in a predetermined pattern to produce a green sheet including the air electrode material layer. Also, a non-porous constraining layer material slurry and a sealing slurry are applied to the green sheet including the air electrode material layer to prepare an air electrode side termination green sheet.

別途、非多孔質拘束層用スラリーとシール用スラリーとを用いて非多孔質拘束層用グリーンシートを燃料極側終端用グリーンシートを準備する。また、多孔質拘束層用スラリーとシール材料とを用いて、多孔質拘束層用グリーンシートを準備する。  Separately, a non-porous constraining layer green sheet and a fuel electrode side termination green sheet are prepared using the non-porous constraining layer slurry and the sealing slurry. Further, a porous constraining layer green sheet is prepared using the porous constraining layer slurry and the sealing material.

これらのグリーンシートを、適数個、例えば、2個以上30個以下、また例えば、5個以上20個以下程度含むように積層して、SOFCスタック前駆体を作製することができる。この前駆体を圧着、脱脂処理後に、所定の温度で焼成する。  An appropriate number of these green sheets, for example, 2 or more and 30 or less, and for example, 5 or more and 20 or less may be stacked to produce a SOFC stack precursor. This precursor is fired at a predetermined temperature after pressure bonding and degreasing treatment.

例えば、以上のような製造工程により、本インターコネクタを備えるSOFCスタックを得ることができる。また、特殊形態の燃料極に対応するインターコネクタ構造を備えるSOFCスタックを製造することもできる。さらに、燃料極バッファ層も備えるSOFCスタックを製造することができる。さらにまた、拘束層を備えるSOFCスタックを備えることもできる。  For example, an SOFC stack including the present interconnector can be obtained by the manufacturing process as described above. It is also possible to manufacture an SOFC stack having an interconnector structure corresponding to a specially shaped fuel electrode. Furthermore, an SOFC stack that also includes an anode buffer layer can be manufactured. Furthermore, an SOFC stack with a constraining layer can also be provided.

以上説明したSOFCスタックは、さらに、必要に応じて集電体等を接続し、還元性ガス及び酸化性ガスの供給源などを適宜接続し、さらに、加熱装置を備えるようにすることで、SOFCシステムを構築できる。  The SOFC stack described above is further connected to a current collector or the like as necessary, to which a reducing gas and an oxidizing gas supply source are appropriately connected, and further provided with a heating device, so that a SOFC is provided. You can build a system.

なお、以上説明したSOFCスタックの製造方法は、本明細書に開示されるSOFCスタックの製造方法の一例に過ぎない。したがって、従来公知のSOFCの製造方法に従い、SOFCの単セルやSOFCスタックを構成する層の少なくとも1層を含むグリーンシートの積層や構成層を直接スラリーを塗布等することによる積層を適宜組み合わせて、SOFC単セル及びSOFCスタックを製造することができる。  Note that the SOFC stack manufacturing method described above is merely an example of the SOFC stack manufacturing method disclosed in this specification. Therefore, according to a conventionally known SOFC manufacturing method, an appropriate combination of a stack of green sheets including at least one layer constituting a SOFC single cell or a SOFC stack, or a laminate by directly applying a slurry to a constituent layer, etc. SOFC single cells and SOFC stacks can be manufactured.

以下、本明細書の開示を具現化した実施例を説明するが、本明細書の開示は以下の実施例に限定されるものではない。  Hereinafter, examples in which the disclosure of the present specification is embodied will be described, but the disclosure of the present specification is not limited to the following examples.

本実施例では、SOFCスタックの製造例である。以下、SOFCスタックにおける各要素のセラミックス材料を示し、次いで、図5A〜図5Dに示すスタックの製造工程について説明する。  In this embodiment, the SOFC stack is manufactured. Hereinafter, the ceramic material of each element in the SOFC stack is shown, and then the manufacturing process of the stack shown in FIGS. 5A to 5D will be described.

(SOFCスタックの原料)
(1)固体電解質
添加量8モル%のイットリア(Y23)で安定化されたジルコニア(ZrO)(8モル%イットリア安定化ジルコニア:8YSZ)
(2)燃料極
酸化ニッケル(NiO)60質量%と8YSZ40質量%の混合物
(3)空気極
La0.8Sr0.2MnO350質量%と8YSZ45質量%とセリア(CeO2)5質量%との混合物
(4)燃料側インターコネクタ(本インターコネクタの第1の層)
La0.3Sr0.7TiO3
(5)空気側インターコネクタ(本インターコネクタの第2の層)
La0.8Sr0.2MnO350質量%と3YSZ45質量%とセリア5質量%との混合物(6)シール部
8YSZ
(7)拘束層
La0.8Sr0.2MnO350質量%と8YSZ45質量%とセリア(CeO2)5質量%の混合物
(Raw material of SOFC stack)
(1) Solid electrolyte Zirconia (ZrO) stabilized with 8 mol% of yttria (Y 2 O 3 ) added (8 mol% yttria stabilized zirconia: 8YSZ)
(2) Fuel electrode Mixture of nickel oxide (NiO) 60% by mass and 8YSZ 40% by mass (3) Air electrode La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 50% by mass, 8YSZ 45% by mass and ceria (CeO 2 ) 5% by mass (4) Fuel side interconnector (first layer of this interconnector)
La 0.3 Sr 0.7 TiO 3
(5) Air-side interconnector (second layer of this interconnector)
La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 50% by mass, 3YSZ 45% by mass and ceria 5% by mass (6) Seal part 8YSZ
(7) Constrained layer A mixture of La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 50 mass%, 8 YSZ 45 mass% and ceria (CeO 2 ) 5 mass%.

(2)製造工程
(2−1)グリーンシートの製造
(固体電解質用グリーンシート)
固体電解質原料と、ポリビニルブチラール系バインダーと、有機溶媒としてのエタノール(以下、単に溶媒という。)とを混合して固体電解質用スラリーとした。その後、図5Aに示すように、ドクターブレード法により、固体電解質用グリーンシート101を作成した。
(2) Production process (2-1) Production of green sheet (green sheet for solid electrolyte)
A solid electrolyte raw material, a polyvinyl butyral binder, and ethanol as an organic solvent (hereinafter simply referred to as a solvent) were mixed to obtain a solid electrolyte slurry. Then, as shown to FIG. 5A, the green sheet 101 for solid electrolytes was created by the doctor blade method.

(燃料極用グリーンシート)
燃料極原料100質量部に対しての平均粒子径10μm及び平均粒径の±0.1σに50%以上の粒子が分布するアクリル粒子を20質量部添加し、この混合粉末と、ポリビニルブチラール系バインダーと、溶媒とを混合して燃料極用スラリーとした。また、燃料極原料100質量部に対して、先のアクリル粒子よりも小径の平均粒子径5μm及び平均粒径の±0.1σに50%以下の粒子が分布するアクリル粒子を20質量部添加し、この混合粉末と、ポリビニルブチラール系バインダーと、混液とを混合して第1の燃料極バッファ用スラリーとした。また、燃料極用スラリーに用いたアクリル粒子を12質量部(燃料極用スラリーの60%相当)を用いる以外は同様にして第2の燃料極バッファ用スラリーとした。
(Green sheet for fuel electrode)
20 parts by mass of acrylic particles in which 50% or more of the particles are distributed in an average particle diameter of 10 μm and an average particle diameter of ± 0.1σ with respect to 100 parts by mass of the fuel electrode raw material, and this mixed powder and polyvinyl butyral binder And a solvent were mixed to obtain a slurry for a fuel electrode. Also, 20 parts by mass of acrylic particles having an average particle diameter of 5 μm smaller than the previous acrylic particles and 50% or less of particles distributed within ± 0.1σ of the average particle diameter are added to 100 parts by mass of the fuel electrode raw material. The mixed powder, polyvinyl butyral binder, and mixed liquid were mixed to obtain a first slurry for the fuel electrode buffer. A second fuel electrode buffer slurry was prepared in the same manner except that 12 parts by mass of acrylic particles used in the fuel electrode slurry (corresponding to 60% of the fuel electrode slurry) were used.

次いで、シール部原料と、ポリビニルブチラール系バインダーと、溶媒とを混合してシール部用スラリーとした。その後、図5B(a)に示すように、燃料極用スラリーとシール部用スラリーとを、複数の塗布口を有するドクターブレードを用いて、グリーンシートの中央に燃料極材料層102a、両端にシール部102bを備えるように燃料極用グリーンシート102を作製した。  Next, a seal part slurry, a polyvinyl butyral binder, and a solvent were mixed to obtain a seal part slurry. Thereafter, as shown in FIG. 5B (a), the fuel electrode slurry and the seal portion slurry are sealed at the center of the green sheet using a doctor blade having a plurality of coating ports, and sealed at both ends. The fuel electrode green sheet 102 was prepared so as to include the portion 102b.

次いで、図5B(b)に示すように、燃料極用グリーンシート102に、アクリル樹脂組成物を用いて、複数の直線状の流路形成材103が一定間隔を置いて整列したライン・アンド・スペース状の流路形成材103のパターンをスクリーン印刷法により作製した。その後、図5B(c)に示すように、かかるパターン印刷した燃料極グリーンシート102上に、ドクターブレード法で燃料極用スラリーを、流路形成材の高さの60%程度となるまで、流路形成材103間に直接積層して燃料極材料層104aを形成した。なお、燃料極材料層104aの両端には、シール部用スラリーを用いてシール部104bを同時に形成した。この燃料極材料層104aを含む層を燃料極材料層104ともいう。  Next, as shown in FIG. 5B (b), a line-and-line in which a plurality of linear flow path forming materials 103 are arranged at regular intervals using an acrylic resin composition on the fuel electrode green sheet 102. A pattern of the space-shaped flow path forming material 103 was produced by a screen printing method. Thereafter, as shown in FIG. 5B (c), on the pattern-printed fuel electrode green sheet 102, the slurry for the fuel electrode is flown by the doctor blade method until the height becomes about 60% of the height of the flow path forming material. The fuel electrode material layer 104a was formed by directly laminating between the path forming materials 103. In addition, the seal part 104b was simultaneously formed in the both ends of the fuel electrode material layer 104a using the slurry for seal parts. The layer including the fuel electrode material layer 104 a is also referred to as a fuel electrode material layer 104.

さらに、図5C(d)に示すように、ドクターブレード法で、第1の燃料極バッファ用スラリーを、流路形成材103を含む全体を覆うように一定の厚みで積層してコルゲート状の第1の燃料極バッファ材料層105aを形成した。このときも両端にシール部105bを同時に形成した。この第1の燃料極バッファ材料層105aを含むコルゲート状の層を第1の燃料極バッファ材料層105ともいう。  Further, as shown in FIG. 5C (d), the first fuel electrode buffer slurry is laminated with a constant thickness so as to cover the whole including the flow path forming material 103 by the doctor blade method. 1 fuel electrode buffer material layer 105a was formed. Also at this time, seal portions 105b were formed at both ends at the same time. The corrugated layer including the first fuel electrode buffer material layer 105 a is also referred to as a first fuel electrode buffer material layer 105.

次いで、図5C(e)に示すように、ドクターブレード法で燃料極側インターコネクタ用スラリーを第1の燃料極バッファ材料層105に倣うコルゲート状に付与して燃料極側インターコネクタ材料層106を形成した。  Next, as shown in FIG. 5C (e), the fuel electrode side interconnector material layer 106 is formed by applying a slurry for the fuel electrode side interconnector in a corrugated shape following the first fuel electrode buffer material layer 105 by the doctor blade method. Formed.

その後、図5C(f)に示すように、空気極側インターコネクタ用スラリーを、流路形成材103に起因する凸部間を充填し、燃料極側インターコネクタ材料層106を覆うように積層して、空気極側インターコネクタ材料層107を含むグリーンシート110を作製した。  After that, as shown in FIG. 5C (f), the air electrode side interconnector slurry is laminated so as to fill the space between the convex portions due to the flow path forming material 103 and cover the fuel electrode side interconnector material layer 106. Thus, a green sheet 110 including the air electrode side interconnector material layer 107 was produced.

(空気極用グリーンシート)
空気極原料100質量部に対して平均粒子径10μm及び平均粒径の±0.1σに50%以上の粒子が分布するアクリル粒子を20質量部添加し、この混合粉末と、ポリビニルブチラール系バインダーと、溶媒とを混合して空気極用スラリーとした。その後、図5D(a)に示すように、空気極用スラリーとシール部用スラリーとを、複数の塗布口を有するドクターブレードを用いて、グリーンシートの中央に空気極材料層112a、両端にシール部112bを備えるように空気極用グリーンシート112を作製した。
(Green sheet for air electrode)
20 parts by mass of acrylic particles in which 50% or more of the particles are distributed in an average particle diameter of 10 μm and an average particle diameter of ± 0.1σ with respect to 100 parts by mass of the air electrode raw material, and this mixed powder, polyvinyl butyral binder Then, a solvent was mixed to prepare an air electrode slurry. Thereafter, as shown in FIG. 5D (a), the air electrode slurry and the seal portion slurry are sealed at the center of the green sheet with the air electrode material layer 112a and at both ends, using a doctor blade having a plurality of coating ports. The air electrode green sheet 112 was prepared so as to include the portion 112b.

次いで、図5D(b)に示すように、空気極用グリーンシート112に、アクリル樹脂組成物を用いて、複数の直線状の流路形成材が一定間隔を置いて整列したライン・アンド・スペース状の流路形成材113のパターンをスクリーン印刷法により作成した。その後、図5D(c)に示すように、かかるパターン印刷した空気極グリーンシート112上に、ドクターブレード法で空気極用スラリーを、流路形成材113の高さの全体及び流路形材113の天面を覆うように、直接積層して空気極材料層114aを形成した。このときも両端にシール部114bを同時に形成して、空気極用グリーンシート115を作製した。  Next, as shown in FIG. 5D (b), a line and space in which a plurality of linear flow path forming materials are arranged at regular intervals using an acrylic resin composition on the air electrode green sheet 112. A pattern of the flow path forming material 113 was created by screen printing. Thereafter, as shown in FIG. 5D (c), on the air electrode green sheet 112 on which the pattern is printed, the slurry for the air electrode is formed by the doctor blade method, and the entire height of the flow path forming material 113 and the flow path shape material 113 are formed. The air electrode material layer 114a was formed by directly stacking so as to cover the top surface. Also at this time, the seal portion 114b was formed at both ends at the same time to produce the green sheet 115 for the air electrode.

(拘束層用グリーンシート)
図5A(b)に示すように、拘束層原料と、ポリビニルブチラール系バインダーと、溶媒と、を混合して非多孔質拘束層用スラリーとし、ドクターブレード法で非多孔質拘束層用グリーンシート120を作製した。
(Green sheet for constraining layer)
As shown in FIG. 5A (b), a constrained layer raw material, a polyvinyl butyral binder, and a solvent are mixed to obtain a slurry for a nonporous constrained layer, and a green sheet 120 for a nonporous constrained layer is obtained by a doctor blade method. Was made.

図5A(b)に示すように、拘束層の原料100質量部に対してアクリル粒子を10質量部添加した混合物と、ポリビニルブチラール系バインダーと、溶媒と、を混合して多孔質拘束層用スラリーとし、ドクターブレード法により、多孔質拘束層用グリーンシート121を作製した。  As shown in FIG. 5A (b), a slurry obtained by adding 10 parts by mass of acrylic particles to 100 parts by mass of the raw material of the constraining layer, a polyvinyl butyral binder, and a solvent are mixed to obtain a slurry for the porous constraining layer. Then, a green sheet 121 for a porous constrained layer was produced by a doctor blade method.

(2−2)グリーンシートの積層及びSOFCスタックの作製
ついで、作製した各種グリーンシートを、以下の順序で積層した。すなわち、図6A(a)〜(b)に示すように、多孔質拘束層用グリーンシート121を積層し、非多孔質拘束層用グリーンシート120を積層し、更に空気極用グリーンシート115を積層した。さらに固体電解質用グリーンシート101を積層し、ついで、図6A(c)に示すように、燃料極用グリーンシート110の燃料極層が接するように積層して、最下層のセル前駆体201を形成した。さらに、図6B(d)に示すように、燃料極用グリーンシート110の空気極側インターコネクタ材料層107に対して、空気極用グリーンシート115、固体電解質用グリーンシート101及び燃料極用グリーンシート110を積層して、第2のセル前駆体202を形成した。さらに、図6B(e)に示すように、同様に、グリーンシートを積層して第3のセル前駆体203を形成し、この空気極側インターコネクタ材料層107に対して、非多孔質拘束層用グリーンシート120を積層し、さらに、多孔質拘束層用グリーンシート121を積層して、本実施例のスタック前駆体130を得た。
(2-2) Lamination of Green Sheet and Production of SOFC Stack Next, the produced various green sheets were laminated in the following order. That is, as shown in FIGS. 6A (a) to 6 (b), a porous constraining layer green sheet 121 is laminated, a non-porous constraining layer green sheet 120 is laminated, and an air electrode green sheet 115 is further laminated. did. Further, the solid electrolyte green sheet 101 is laminated, and then, as shown in FIG. 6A (c), the fuel electrode green sheet 110 is laminated so that the fuel electrode layer is in contact with each other to form the lowermost cell precursor 201. did. Further, as shown in FIG. 6B (d), the air electrode green sheet 115, the solid electrolyte green sheet 101, and the fuel electrode green sheet with respect to the air electrode side interconnector material layer 107 of the fuel electrode green sheet 110. 110 was stacked to form a second cell precursor 202. Further, as shown in FIG. 6B (e), similarly, green sheets are laminated to form the third cell precursor 203, and the non-porous constraining layer is formed on the air electrode side interconnector material layer 107. A green sheet 120 for a stack was laminated, and a green sheet 121 for a porous constrained layer was further laminated to obtain a stack precursor 130 of this example.

(2−3)焼成
このスタック前駆体130を、100MPa、80℃の温度で2分間、冷間等方圧プレス(CIP)することにより圧着した。この圧着体を温度400℃で脱脂処理を施した後、温度1400℃で2時間保持することにより、焼成して実施例のスタックを得た。
(2-3) Firing The stack precursor 130 was subjected to pressure bonding by cold isostatic pressing (CIP) at 100 MPa and a temperature of 80 ° C. for 2 minutes. The pressure-bonded body was degreased at a temperature of 400 ° C., and then held at a temperature of 1400 ° C. for 2 hours to be fired to obtain a stack of examples.

なお、第1の燃料極バッファ層用スラリーに替えて第2の燃料極バッファ層用スラリーを用いる以外は、上記と同様にして別の実施例のスタックを得た。  A stack of another example was obtained in the same manner as described above except that the second slurry for the fuel electrode buffer layer was used instead of the first slurry for the fuel electrode buffer layer.

焼成によって得られた実施例のスタックの概要を図6Cに示す。図6Cに示すように、本実施例のスタック30は、固体電解質6の厚みが約20μmであり、還元性ガス流路22の間の燃料極2の厚みが約50μmであり、還元性ガス流路22の厚みが約100μmであり、酸化性ガス流路24の間の空気極4の厚みが約50μm、酸化性ガス流路24の厚みが約200μmであり、燃料極側インターコネクタ(第1の層)12の厚みが約10μmであり、空気極側インターコネクタ(第2の層)14の厚みが約10〜100μm(最少部分〜最大部分)であった。  An overview of the stack of the example obtained by firing is shown in FIG. 6C. As shown in FIG. 6C, in the stack 30 of this embodiment, the thickness of the solid electrolyte 6 is about 20 μm, the thickness of the fuel electrode 2 between the reducing gas flow paths 22 is about 50 μm, and the reducing gas flow The thickness of the passage 22 is about 100 μm, the thickness of the air electrode 4 between the oxidizing gas passages 24 is about 50 μm, the thickness of the oxidizing gas passage 24 is about 200 μm, and the fuel electrode side interconnector (first Layer) 12 was about 10 μm, and the air electrode side interconnector (second layer) 14 was about 10 to 100 μm (minimum portion to maximum portion).

なお、比較例として、以下の態様のSOFCスタックも同時に作製した。すなわち、インターコネクタの第2の層材料を、La0.8Sr0.2MnO350質量%と「3YSZ」45質量%とセリア5質量%との混合物に替えて、La0.8Sr0.2MnO350質量%と「8YSZ」45質量%とセリア5質量%との混合物を用いた以外は、上記したSOFCスタックと同一の製造工程で作製して比較例1のSOFCスタックを作製した。また、グリーンシート110において、第1の燃料極バッファ用スラリーを、流路形成材103の高さ全体を覆うような厚みで付与して燃料極材料層の表面を平坦にする以外は、上記したSOFCスタックと同一の製造工程で比較例2のSOFCスタックを作製した。さらに、第1の燃料極バッファ層を備えないようにする以外は、上記したSOFCスタックと同一の製造工程で比較例3のSOFCスタックを作製した。As a comparative example, an SOFC stack of the following mode was also produced at the same time. That is, the second layer material of the interconnector is changed to a mixture of La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 50% by mass, “3YSZ” 45% by mass and ceria 5% by mass, La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 50% by mass, A SOFC stack of Comparative Example 1 was produced by the same production process as the SOFC stack described above except that a mixture of 45% by mass of “8YSZ” and 5% by mass of ceria was used. Further, in the green sheet 110, the first fuel electrode buffer slurry is applied in such a thickness as to cover the entire height of the flow path forming member 103 to flatten the surface of the fuel electrode material layer as described above. A SOFC stack of Comparative Example 2 was produced in the same manufacturing process as the SOFC stack. Furthermore, a SOFC stack of Comparative Example 3 was manufactured by the same manufacturing process as the SOFC stack described above except that the first fuel electrode buffer layer was not provided.

本実施例のスタックは、インターコネクタとして第1の層及び第2の層を備えることにより、優れた一体性と電気伝導性を備えるスタックが得られたことを確認した。例えば、空気極側インターコネクタ(第2の層)において固体電解質に含まれる元素の酸化物材料として3YSZを用いたときの、空気極/空気極側インターコネクタ/燃料極側インターコネクタ/燃料極の電気抵抗値は0.13Ω・cm2であったのに対し、3YSZに替えて8YSZを用いた比較例1では、0.54Ω・cm2であった。It was confirmed that the stack of this example was provided with a stack having excellent integrity and electrical conductivity by including the first layer and the second layer as interconnectors. For example, when 3YSZ is used as the oxide material of the element contained in the solid electrolyte in the air electrode side interconnector (second layer), the air electrode / air electrode side interconnector / fuel electrode side interconnector / fuel electrode The electric resistance value was 0.13 Ω · cm 2 , whereas in Comparative Example 1 using 8YSZ instead of 3YSZ, it was 0.54 Ω · cm 2 .

また、本実施例のスタックは、ガス流路に基づく凸状部を備える電極(燃料極)に対して、燃料極側インターコネクタ(第1の層)を追従させてコルゲート状の燃料極側インターコネクタとするとともに、燃料極インターコネクタの凸部でない部分を充填するように空気極側インターコネクタ(第2の層)を備えるようにしたことで、燃料極の体積を抑制することができた。これにより、SOFCの起動及び停止に伴う酸化還元による燃料極ひいてはスタックの体積変動を抑制することができる。例えば、比較例2のスタックにおけるNiの全使用量を100とすると、本実施例のスタックのNi使用量は40%であった。  In addition, the stack of the present embodiment has a corrugated fuel electrode side interconnect by causing the fuel electrode side interconnector (first layer) to follow an electrode (fuel electrode) having a convex portion based on the gas flow path. The volume of the fuel electrode could be suppressed by providing the air electrode side interconnector (second layer) so as to fill the non-convex portion of the fuel electrode interconnector as a connector. As a result, it is possible to suppress the fuel electrode and hence the stack volume fluctuation due to the oxidation and reduction accompanying the start and stop of the SOFC. For example, assuming that the total amount of Ni used in the stack of Comparative Example 2 is 100, the amount of Ni used in the stack of this example was 40%.

また、本実施例のスタックは、燃料極バッファ層を備えることにより、燃料極と燃料極側インターコネクタ(第1の層)との密着性及び一体性が良好となり、また、燃料極の凸状部によく倣うことができ、還元性ガス流路の天面を良く覆うことができた。本実施例のスタックと比較例3(燃料極バッファ層なし)のスタックとの還元性ガス流路周辺の断面構造を顕微鏡観察により観察したところ、燃料極バッファ層により、燃料極側インターコネクタ(第1の層)によく密着していることがわかった。なお、燃料極よりも気孔率を低下させた第2の燃料極バッファ層を備える別の実施例のスタックも、燃料極と燃料極側インターコネクタ(第1の層)との密着性及び一体性が良好となり、燃料極の凸状部によく倣うことができ、還元性ガス流路の天面を良く覆うことができた。  In addition, the stack of this embodiment has a fuel electrode buffer layer, so that the adhesion and integrity between the fuel electrode and the fuel electrode side interconnector (first layer) are improved, and the fuel electrode has a convex shape. The top surface of the reducing gas channel was well covered. When the cross-sectional structure around the reducing gas flow path between the stack of this example and the stack of Comparative Example 3 (without the fuel electrode buffer layer) was observed with a microscope, the fuel electrode side interconnector (No. 1). It should be noted that the stack of another embodiment including the second fuel electrode buffer layer having a porosity lower than that of the fuel electrode is also the adhesion and integrity between the fuel electrode and the fuel electrode side interconnector (first layer). Thus, it was possible to closely follow the convex portion of the fuel electrode, and to cover the top surface of the reducing gas channel well.

また、拘束層を備えないセルは大きく変形した一方で、拘束層を備えたセルは平坦に焼結できた。  In addition, the cell without the constraining layer was greatly deformed, while the cell with the constraining layer could be sintered flat.

Claims (10)

燃料極と、固体電解質と、空気極とを備える、固体酸化物形燃料電池に用いるインターコネクタであって、
少なくとも、燃料極側に位置される第1の層と、空気極側に位置される第2の層と、を備え、
前記第1の層は、還元性雰囲気において前記第2の層よりも高い電気伝導性とガス遮断性とを備え、
前記第2の層は、酸化性雰囲気において前記第1の層よりも高い電気伝導性とガス遮断性とを備える、インターコネクタ。
An interconnector used for a solid oxide fuel cell, comprising a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode,
Comprising at least a first layer located on the fuel electrode side and a second layer located on the air electrode side;
The first layer has higher electrical conductivity and gas barrier properties than the second layer in a reducing atmosphere,
The second layer is an interconnector having higher electrical conductivity and gas barrier properties than the first layer in an oxidizing atmosphere.
前記第1の層は、希土類元素がドープされたペロブスカイト型酸化物を含有する、請求項1に記載のインターコネクタ。  The interconnector according to claim 1, wherein the first layer contains a perovskite oxide doped with a rare earth element. 前記第2の層は、導電性セラミックス材料と前記固体電解質に含まれる元素の酸化物材料とを含む、請求項1又は2に記載のインターコネクタ。  The interconnector according to claim 1, wherein the second layer includes a conductive ceramic material and an oxide material of an element contained in the solid electrolyte. 前記固体電解質に含まれる元素の酸化物材料のイオン伝導性は、前記固体電解質における酸化物イオン伝導性材料よりも低くなっている、請求項3に記載のインターコネクタ。  The interconnector according to claim 3, wherein the ion conductivity of the oxide material of the element contained in the solid electrolyte is lower than that of the oxide ion conductive material in the solid electrolyte. 前記第1の層と前記第2の層とは、焼結により一体化されている、請求項1〜4のいずれかに記載のインターコネクタ。  The interconnector according to claim 1, wherein the first layer and the second layer are integrated by sintering. 燃料極、固体電解質及び空気極を備える単セルを複数備える固体酸化物形燃料電池スタックであって、
少なくとも2つの前記単セル間に、請求項1〜5のいずれかに記載のインターコネクタを備える、スタック。
A solid oxide fuel cell stack including a plurality of single cells each including a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode,
A stack comprising the interconnector according to claim 1 between at least two single cells.
少なくとも2つの前記単セルは、前記インターコネクタを介して焼結により一体化されている、請求項6に記載のスタック。  The stack of claim 6, wherein at least two of the single cells are integrated by sintering through the interconnector. 前記単セルの厚みは、100μm以上1000μm以下である、請求項6又7に記載のスタック。  The stack according to claim 6 or 7, wherein the single cell has a thickness of 100 µm or more and 1000 µm or less. 前記燃料極の厚みは、15μm以上500μm以下である、請求項6〜8のいずれかに記載のスタック。  The stack according to claim 6, wherein the fuel electrode has a thickness of 15 μm or more and 500 μm or less. 燃料極、固体電解質及び空気極を備える単セルを複数備える固体酸化物形燃料電池スタックの製造方法であって、
少なくとも第1の単セルと第2の単セルとをインターコネクタを介して積層されたスタックを得るのにあたって、
前記第1の単セルの前記燃料極の材料を含む燃料極材料層と、前記インターコネクタの材料を含むインターコネクタ材料層と、前記第2の単セルの前記空気極の材料を含む空気極材料層と、を少なくとも含む前記スタックの前駆体を、焼成により一体化する工程、
を備え、
前記インターコネクタ材料層は、前記燃料極材料層側に位置される第1の材料層と、前記空気極材料層側に位置される第2の材料層と、備え、
前記第1の材料層は、還元性雰囲気において前記第2の材料層から得られる第2の層よりも高い電気伝導性とガス遮断性とを備えるように構成され、
前記第2の材料層は、酸化性雰囲気において前記第1の材料から得られる第1の層よりも高い電気伝導性とガス遮断性とを備えるように構成される、製造方法。
A method for producing a solid oxide fuel cell stack comprising a plurality of single cells comprising a fuel electrode, a solid electrolyte and an air electrode,
In obtaining a stack in which at least a first single cell and a second single cell are stacked via an interconnector,
A fuel electrode material layer including a material of the fuel electrode of the first single cell, an interconnector material layer including a material of the interconnector, and an air electrode material including a material of the air electrode of the second single cell. And integrating the precursor of the stack including at least a layer by firing,
With
The interconnector material layer includes a first material layer located on the fuel electrode material layer side, and a second material layer located on the air electrode material layer side,
The first material layer is configured to have higher electrical conductivity and gas barrier properties than a second layer obtained from the second material layer in a reducing atmosphere,
The manufacturing method, wherein the second material layer is configured to have higher electrical conductivity and gas barrier properties than the first layer obtained from the first material in an oxidizing atmosphere.
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