JP6524756B2 - Solid oxide fuel cell stack - Google Patents

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Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池セルスタックに関する。具体的には、導電性およびガスシール性に優れたインターコネクタを有してなる固体酸化物形燃料電池セルスタックに関する。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell stack. Specifically, the present invention relates to a solid oxide fuel cell stack having an interconnector with excellent conductivity and gas sealability.

燃料電池は、熱エネルギーや運動エネルギーの過程を経由する熱機関と異なり、天然ガスや水素などの燃料を、固体電解質を介して空気中の酸素と反応させ、燃料の持っている化学エネルギーから連続的に直接電気エネルギーを得るエネルギー変換器である。その中で、固体酸化物形燃料電池は、固体電解質として固体酸化物(セラミック)を用い、燃料極を負極、空気極を正極とした電池として作動する燃料電池である。また、固体酸化物形燃料電池は高いエネルギー変換効率が得られるという利点を有するものとして知られている。   Fuel cells, unlike heat engines that go through thermal energy and kinetic energy processes, react fuels such as natural gas and hydrogen with oxygen in the air through a solid electrolyte and continue from the chemical energy possessed by the fuel Energy converter that directly obtains electrical energy. Among them, the solid oxide fuel cell is a fuel cell operating as a cell using a solid oxide (ceramic) as a solid electrolyte, a fuel electrode as a negative electrode, and an air electrode as a positive electrode. Solid oxide fuel cells are also known to have the advantage of high energy conversion efficiency.

固体酸化物形燃料電池は、単電池あたりの出力が小さいため、複数の単電池を直列に接続することによって出力を高めて発電を行っている。隣接する単電池を電気的に接続する部材はインターコネクタと呼ばれている。その材料として、セラミックを用いたインターコネクタ(以下、セラミックインターコネクタとも言う)が知られている。セラミックインターコネクタの特性として、ガスを透過させないガスシール性、導電性、酸化物イオン絶縁性、および固体電解質との密着性が求められている。   Since the output per unit cell is small, the solid oxide fuel cell generates power by increasing the output by connecting a plurality of unit cells in series. A member that electrically connects adjacent single cells is called an interconnector. An interconnector using ceramic (hereinafter also referred to as a ceramic interconnector) is known as its material. As properties of ceramic interconnectors, gas sealability that does not allow gas to permeate, conductivity, oxide ion insulation, and adhesion with a solid electrolyte are required.

一般に、セラミックインターコネクタは厚みが薄くないと(例えば、おおよそ100μm以下)十分な導電性が得られない。しかしながら、十分な導電性を得るためにセラミックインターコネクタの厚みを薄くし、このような厚みの薄いセラミックインターコネクタを多孔質な電極(燃料極や空気極)の表面に形成しようとすると、多孔質な電極にセラミックインターコネクタが取り込まれてしまうおそれがある。これにより、セラミックインターコネクタを形成できないおそれや、形成できたとしても薄いためガスシール性が十分に得られないおそれがある。   Generally, ceramic interconnectors can not achieve sufficient conductivity unless they have a small thickness (for example, about 100 μm or less). However, if the thickness of the ceramic interconnector is reduced in order to obtain sufficient conductivity, and such a thin ceramic interconnector is to be formed on the surface of the porous electrode (fuel electrode or air electrode), There is a possibility that the ceramic interconnector may be taken into the electrode. As a result, there is a fear that the ceramic interconnector can not be formed, or even if it can be formed, there is a possibility that a sufficient gas sealability can not be obtained since the ceramic interconnector can be formed thin.

セラミックインターコネクタのガスシール性が低いと、燃料ガスがセラミックインターコネクタの燃料極側から空気極側に漏れてしまい、空気と混ざってしまうため好ましくない。セラミックインターコネクタのガスシール性を高めるためには、セラミックインターコネクタの緻密性を高める必要があり、セラミックインターコネクタを緻密に焼結することが求められる。また、セラミックインターコネクタの導電性が低いと、セラミックインターコネクタの抵抗が大きくなり、燃料電池の出力が低下してしまう。さらに、セラミックインターコネクタの酸化物イオン絶縁性が低いと、セラミックインターコネクタの空気極側から燃料極側に酸化物イオンがリークしてしまい、燃料電池の効率が低下してしまう。加えて、固体電解質とセラミックインターコネクタとの密着性が低いと、固体電解質とセラミックインターコネクタとの間にクラック等の隙間が生じてしまい、この隙間から燃料ガスが漏れてしまう。   If the gas sealability of the ceramic interconnector is low, the fuel gas leaks from the fuel electrode side of the ceramic interconnector to the air electrode side, and this is undesirable because it mixes with air. In order to improve the gas sealability of the ceramic interconnector, it is necessary to increase the compactness of the ceramic interconnector, and compact sintering of the ceramic interconnector is required. In addition, when the conductivity of the ceramic interconnector is low, the resistance of the ceramic interconnector is increased, and the output of the fuel cell is reduced. Furthermore, if the oxide ion insulation of the ceramic interconnector is low, oxide ions will leak from the air electrode side of the ceramic interconnector to the fuel electrode side, and the efficiency of the fuel cell will be reduced. In addition, when the adhesion between the solid electrolyte and the ceramic interconnector is low, a gap such as a crack is generated between the solid electrolyte and the ceramic interconnector, and the fuel gas leaks from the gap.

セラミックインターコネクタの材料として、ランタンクロマイト(LaCrO)系インターコネクタが広く用いられている。このLaCrO系インターコネクタは、一般に導電性は高いが、焼結が困難であることが知られている。また、クロム(Cr)を含むため、いわゆるCr被毒が発生するおそれがある。 As a material of a ceramic interconnector, a lanthanum chromite (LaCrO 3 ) based interconnector is widely used. Although this LaCrO 3 -based interconnector is generally highly conductive, it is known that sintering is difficult. In addition, since chromium (Cr) is contained, so-called Cr poisoning may occur.

また、セラミックインターコネクタの材料として、SrLaTiO3−δで表されるSLT系インターコネクタが広く用いられている。このSLT系インターコネクタは、LaCrO系インターコネクタに比べ、導電性が低いが、焼結性が良好であることが知られている。SLT系インターコネクタは、例えば、絶縁体であるSrTiOの結晶格子中のSrサイトをランタン(La)で置換し、SrLaTiO3−δ(SLT)とすることで、SrLaTiO3−δ(SLT)の結晶格子中のTiサイトのTi4+を一部Ti3+に変化させることによって導電性を発現させている。なお、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である。 In addition, as a material of the ceramic interconnector, an SLT-based interconnector represented by SrLaTiO 3-δ is widely used. The SLT system interconnector, compared with LaCrO 3 system interconnector, although low conductivity, sinterability is known to be good. In the SLT-based interconnector, for example, SrLaTiO 3-δ (SLT) is obtained by substituting Sr sites in the crystal lattice of SrTiO 3 which is an insulator with lanthanum (La) to form SrLaTiO 3-δ (SLT). The conductivity is expressed by partially changing Ti 4+ of the Ti site in the crystal lattice to Ti 3+ . Note that δ is a value determined to satisfy the charge neutral condition.

特開2008-270203号公報(特許文献1)は、気密性を良好に保ちながら、導電性の向上及び固体電解質との密着性の向上を同時に実現するSLT系インターコネクタの提供を目的としている。この目的を実現するために、このセラミックインターコネクタを、燃料極側に形成される気密性重視部分と、空気極側に形成され、気密性重視部分よりも導電率が高い導電性重視部分との2層構造とすることが記載されている。また、この文献の図2によれば、隣接する一方の発電素子の燃料極および他方の発電素子の空気極が接するセラミックインターコネクタの下に一部潜り込むように一方の発電素子の固体電解質が形成された態様が記載されている。   JP 2008-270203 A (Patent Document 1) aims to provide an SLT-based interconnector which simultaneously realizes the improvement of the conductivity and the improvement of the adhesion with the solid electrolyte while maintaining the airtightness well. In order to realize this object, the ceramic interconnector is composed of an airtightness-oriented portion formed on the fuel electrode side and a conductivity-oriented portion formed on the air electrode side and higher in conductivity than the airtightness-oriented portion. It is described to be a two-layer structure. Further, according to FIG. 2 of this document, the solid electrolyte of one power generation element is formed so that the fuel electrode of one power generation element and the air electrode of the other power generation element adjacent to each other are in contact under the ceramic interconnector. The described embodiments are described.

また、特許第5244264号公報(特許文献2)には、クロマイト系インターコネクタと導電性支持部材(燃料極)との積層体の電気抵抗率を下げることを目的として、クロマイト系インターコネクタおよび導電性支持部材各々に含まれる鉄量をコントロールすることが記載されている。これにより、両者間の抵抗が低減され、接続性が良好になり、共焼結時の緻密化が相乗的に促進されるとある。また、この文献の図2によれば、燃料極と接して配置されたクロマイト系インターコネクタの上に一部被さるように固体電解質が形成された態様が記載されている。   Moreover, in the patent 5244264 (patent document 2), in order to lower the electrical resistivity of the laminated body of a chromite-based interconnector and a conductive support member (fuel electrode), a chromite-based interconnector and a conductive property are used. It is described to control the amount of iron contained in each of the support members. As a result, the resistance between the two is reduced, the connectivity is improved, and densification during co-sintering is synergistically promoted. Also, according to FIG. 2 of this document, an embodiment is described in which the solid electrolyte is formed so as to partially cover the chromite-based interconnector disposed in contact with the fuel electrode.

しかしながら、上記いずれの文献も、インターコネクタと固体電解質とを接触させることによりインターコネクタのガスシール性を向上させることについては考慮されていない。よって、上記いずれの文献も、優れた導電性およびガスシール性を有するセラミックインターコネクタを有してなる固体酸化物形燃料電池セルスタックの製造を実現するには至っていない。   However, none of the above documents takes into consideration the improvement of the gas sealability of the interconnector by bringing the interconnector and the solid electrolyte into contact with each other. Therefore, none of the above documents can realize the manufacture of a solid oxide fuel cell stack having a ceramic interconnector having excellent conductivity and gas sealability.

特開2010−212036号公報Unexamined-Japanese-Patent No. 2010-212036 特許第5244264号公報Patent No. 5244264 gazette

本発明者らは、今般、インターコネクタと固体電解質とを接合させることによりインターコネクタのガスシール性を向上できるとの知見を得た。本発明は斯かる知見に基づくものである。   The present inventors have now found that the gas sealability of the interconnector can be improved by joining the interconnector and the solid electrolyte. The present invention is based on such findings.

従って、本発明は、優れた導電性およびガスシール性を有するセラミックインターコネクタを有してなる固体酸化物形燃料電池セルスタックの提供をその目的としている。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell stack comprising a ceramic interconnector having excellent conductivity and gas sealability.

そして、本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックは、
支持体と、
当該支持体の表面に、燃料極、固体電解質および空気極が少なくとも順次積層されてなる複数の発電素子と、
前記複数の発電素子のうちの隣接する一方の発電素子の空気極と、他方の発電素子の燃料極とを電気的に接続するインターコネクタと
を少なくとも有し、前記複数の発電素子が直列に接続されてなる固体酸化物形燃料電池セルスタックであって、
一方の発電素子の空気極の下に設けられた前記インターコネクタの下に、当該インターコネクタと接合するように一方の発電素子の固体電解質を設け、かつ、他方の発電素子の燃料極の上に設けられた前記インターコネクタの上に、当該インターコネクタと接合するように他方の発電素子の固体電解質を設けてなることを特徴とするものである。
And, the solid oxide fuel cell stack according to the present invention is
A support,
A plurality of power generation elements in which a fuel electrode, a solid electrolyte and an air electrode are at least sequentially stacked on the surface of the support;
At least an interconnector that electrically connects the air electrode of one of the plurality of power generation elements adjacent to the other power generation element and the fuel electrode of the other power generation element, and the plurality of power generation elements are connected in series A solid oxide fuel cell stack formed by
Under the interconnector provided under the air electrode of one power generating element, the solid electrolyte of one power generating element is provided to be joined to the interconnector, and on the fuel electrode of the other power generating element A solid electrolyte of the other power generation element is provided on the provided interconnector so as to be joined to the interconnector.

本発明による横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックの正面図である。FIG. 1 is a front view of a horizontal stripe solid oxide fuel cell stack according to the present invention. 本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックを構成する発電素子近傍の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the electric power generation element vicinity which comprises the solid oxide fuel cell stack by this invention. 本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックを構成する隣接する2つの発電素子を含む好ましい態様を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows the preferable aspect containing two adjacent electric power generation elements which comprise the solid oxide fuel cell stack by this invention. 本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックを構成する隣接する2つの発電素子を含む別の好ましい態様を示す断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows another preferable aspect including two adjacent electric power generation elements which comprise the solid oxide fuel cell stack by this invention. 本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックの製造方法において、燃料極側のインターコネクタを、固体電解質との接合距離をLとして形成する工程を示す。The manufacturing method of the solid oxide fuel cell stack by this invention WHEREIN: The process of forming the interconnector by the side of a fuel electrode as L in a junction distance with a solid electrolyte is shown. 本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックの製造方法において、空気極側のインターコネクタを、固体電解質との接合距離をL’として形成する工程を示す。The manufacturing method of the solid oxide fuel cell stack by this invention WHEREIN: The process of forming the interconnector by the side of an air electrode as L 'with a junction distance with a solid electrolyte is shown. 比較例で作製した固体酸化物形燃料電池セルスタックの断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the solid oxide fuel cell stack produced by the comparative example.

定義
本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックとは、インターコネクタおよび固体電解質の構造が後記する要件を満たすものであること以外は、燃料極、前記固体電解質および空気極が少なくとも順次積層されてなる複数の発電素子と、これらのうちの隣接する一方の発電素子の空気極と他方の発電素子の燃料極とを電気的に接続する前記インターコネクタとを少なくとも有してなる、当業界において通常固体酸化物形燃料電池セルスタックと分類または理解されるものと同一のものを意味する。また、本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックは、その形状も限定されず、例えば円筒状、内部にガス流路を複数形成した中空板状などであってもよい。
Definition The solid oxide fuel cell stack according to the present invention means that at least the fuel electrode, the solid electrolyte, and the air electrode are sequentially stacked, except that the structure of the interconnector and the solid electrolyte satisfy the requirements described later. In the industry, which comprises at least a plurality of power generation elements, and the interconnector electrically connecting the air electrode of one of the adjacent power generation elements and the fuel electrode of the other power generation element. It means the same one as classified or understood as a solid oxide fuel cell stack. In addition, the shape of the solid oxide fuel cell stack according to the present invention is not limited either, and may be, for example, a cylindrical shape, or a hollow plate having a plurality of gas flow paths formed therein.

本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックは、いわゆる横縞型固体酸化物形燃料電池を意味する。本発明において、横縞型固体酸化物形燃料電池とは、1つの支持体の表面に複数の発電素子が形成されている固体酸化物形燃料電池を意味する。   The solid oxide fuel cell stack according to the invention means a so-called horizontal stripe solid oxide fuel cell. In the present invention, the horizontal stripe type solid oxide fuel cell means a solid oxide fuel cell in which a plurality of power generation elements are formed on the surface of one support.

本発明において、固体酸化物形燃料電池セルスタックとは、発電素子が複数集合したものを意味する。   In the present invention, the solid oxide fuel cell stack means a group of a plurality of power generation elements.

本発明の固体酸化物形燃料電池セルスタックを用いた固体酸化物形燃料電池システムは、特定のものに限定されず、その製造方法やこれを構成する他の材料等はいずれも公知のものを使用することができる。   The solid oxide fuel cell system using the solid oxide fuel cell stack according to the present invention is not limited to a specific one, and its manufacturing method and other materials constituting the same are all known. It can be used.

発電素子
本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックは複数の発電素子を有し、この発電素子が直列に接続されてなるものである。発電素子は、燃料極、固体電解質、および空気極が順次積層された積層体である。
Power Generation Element The solid oxide fuel cell stack according to the present invention has a plurality of power generation elements, and the power generation elements are connected in series. The power generation element is a laminate in which a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are sequentially stacked.

支持体
本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックは支持体を有する。支持体の表面に複数の発電素子が直列に形成される。本発明では、このような支持体として、多孔質であり、ガス透過性を有し、発電素子を支持するための機械的強度を有し、そして電気絶縁性を有するものであれば、特に限定されず用いることができる。支持体の材料としては、MgO、カルシア安定化ジルコニア(CSZ)、フォルステライトからなる群から選ばれる一種以上を用いることができる。支持体の好ましい厚さは0.5〜2mmである。
Support The solid oxide fuel cell stack according to the present invention has a support. A plurality of power generation elements are formed in series on the surface of the support. In the present invention, such a support is particularly limited as long as it is porous, gas permeable, has mechanical strength for supporting the power generation element, and has electrical insulation. It can be used without As a material of the support, one or more selected from the group consisting of MgO, calcia stabilized zirconia (CSZ), and forsterite can be used. The preferred thickness of the support is 0.5 to 2 mm.

内側電極および外側電極
本発明において、燃料極は内側電極であってもよく、外側電極であってもよい。つまり、発電素子は内側電極としての燃料極、固体電解質、および外側電極としての空気極が少なくとも積層された積層体であってもよい。あるいは、発電素子は内側電極としての空気極、固体電解質、および外側電極としての燃料極が少なくとも積層された積層体であってもよい。
Inner Electrode and Outer Electrode In the present invention, the fuel electrode may be an inner electrode or an outer electrode. That is, the power generation element may be a laminate in which at least a fuel electrode as an inner electrode, a solid electrolyte, and an air electrode as an outer electrode are laminated. Alternatively, the power generation element may be a laminate in which at least an air electrode as an inner electrode, a solid electrolyte, and a fuel electrode as an outer electrode are stacked.

本発明の好ましい態様によれば、内側電極は燃料極である。その理由は次の通りである。すなわち、支持体ならびに集電層はガス透過性が良好な多孔質構造を採用する。支持体は発電素子の構造を保持する必要がある。そのため、支持体は導電性だけが要求される集電層より厚くなる。つまり、支持体は集電層よりガスの透過性は悪くなる傾向がある。また、酸素ガスと水素ガスの拡散速度を比較すると、一般に水素ガスの方が酸素ガスより数倍速い。これらのことから、内側電極が空気極である場合は、支持体を水素に比べて透過し難い酸素が透過することとなるので、内側電極が燃料極である場合と比較すると、ガス拡散過電圧が大きくなる。その結果、発電性能が低下する傾向にある。従って、内側電極が燃料極である場合の方が発電性能に優れる。なお、内側電極が燃料極である場合、外側電極は空気極となる。   According to a preferred embodiment of the invention, the inner electrode is a fuel electrode. The reason is as follows. That is, the support and the current collecting layer adopt a porous structure with good gas permeability. The support needs to maintain the structure of the power generating element. As a result, the support is thicker than the current collecting layer, which only requires conductivity. That is, the support tends to have a lower gas permeability than the current collecting layer. Also, comparing the diffusion rates of oxygen gas and hydrogen gas, hydrogen gas is generally several times faster than oxygen gas. From these facts, when the inner electrode is an air electrode, oxygen which is less likely to permeate through the support passes through the support, and therefore, the gas diffusion overvoltage is higher than when the inner electrode is a fuel electrode. growing. As a result, power generation performance tends to decrease. Therefore, the power generation performance is better when the inner electrode is a fuel electrode. When the inner electrode is a fuel electrode, the outer electrode is an air electrode.

燃料極
本発明において、燃料極は、燃料ガスを透過させるための多孔性、水素を吸着させる触媒活性(電極活性)、導電性、および酸化物イオン伝導性を有する。燃料極の多孔性は支持体のそれより小さくてもよい。
Fuel Electrode In the present invention, the fuel electrode has porosity for passing fuel gas, catalytic activity (electrode activity) for adsorbing hydrogen, conductivity, and oxide ion conductivity. The porosity of the anode may be less than that of the support.

このような燃料極を構成する材料として、例えばNiO/ジルコニウム含有酸化物、NiO/セリウム含有酸化物などが挙げられ、少なくともこれらのいずれかを含んでなる。ここで、NiO/ジルコニウム含有酸化物とは、NiOとジルコニウム含有酸化物とが、所定の比率で均一に混合されたものを意味する。また、NiO/セリウム含有酸化物とは、NiOとセリウム含有酸化物とが、所定の比率で均一に混合されたものを意味する。NiO/ジルコニウム含有酸化物のジルコニウム含有酸化物としては、例えばCaO、Y、Scのうちの1種以上をドープしたジルコニウム含有酸化物などが挙げられる。NiO/セリウム含有酸化物のセリウム含有酸化物としては、一般式Ce1−yLn(但し、LnはLa、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Sc、およびYから選択されるいずれか1種以上の組み合わせであり、0.05≦y≦0.50)などが挙げられる。なお、NiOは燃料雰囲気下で還元されてNiとなるため、前記酸化物はそれぞれNi/ジルコニウム含有酸化物又はNi/セリウム含有酸化物となる。 As a material which comprises such a fuel electrode, a NiO / zirconium containing oxide, a NiO / cerium containing oxide etc. are mentioned, for example, It contains at least any one of these. Here, the NiO / zirconium-containing oxide means one in which NiO and a zirconium-containing oxide are uniformly mixed at a predetermined ratio. Further, the NiO / cerium-containing oxide means one in which NiO and a cerium-containing oxide are uniformly mixed at a predetermined ratio. Examples of the zirconium-containing oxide of the NiO / zirconium-containing oxide include, for example, zirconium-containing oxides doped with one or more of CaO, Y 2 O 3 , and Sc 2 O 3 . As a cerium-containing oxide of NiO / cerium-containing oxide, a general formula Ce 1-y Ln y O 2 (where Ln is La, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm) , Yb, Lu, Sc, and Y, and any one or more combinations selected from the group consisting of 0.05 ≦ y ≦ 0.50) and the like. In addition, since NiO is reduced in a fuel atmosphere to become Ni, the oxides become Ni / zirconium-containing oxides or Ni / cerium-containing oxides, respectively.

本発明において、燃料極は単層であっても、又は複層であっても良い。内側電極が複層の燃料極である場合の例としては、支持体側にNi/YSZ(イットリア安定化ジルコニア)を用い、固体電解質側にNi/GDC(Gd−CeO)(すなわち、燃料極触媒層)を用いる。燃料極の好ましい厚さは10〜200μmである。燃料極触媒層の好ましい厚さは0〜30μmである。 In the present invention, the fuel electrode may be a single layer or multiple layers. As an example where the inner electrode is a multi-layered fuel electrode, Ni / YSZ (yttria stabilized zirconia) is used on the support side, and Ni / GDC (Gd 2 O 3 -CeO 2 ) (ie, on the solid electrolyte side). The anode catalyst layer is used. The preferred thickness of the fuel electrode is 10 to 200 μm. The preferred thickness of the anode catalyst layer is 0 to 30 μm.

空気極
本発明において、空気極は、酸素を透過させるための多孔性、酸素を吸着させる又はイオン化する触媒活性(電極活性)、導電性、および酸化物イオン伝導性を有する。空気極の多孔性、導電性はそれぞれ集電層のそれより小さくてもよい。
Air electrode In the present invention, the air electrode has porosity for transmitting oxygen, catalytic activity (electrode activity) for adsorbing or ionizing oxygen, conductivity, and oxide ion conductivity. The porosity and conductivity of the cathode may be smaller than that of the current collecting layer.

このような空気極を構成する材料として、例えばLa1−xSrCoO(但し、x=0.1〜0.3)及びLaCo1−xNi(但し、x=0.1〜0.6)などのランタンコバルト系酸化物、LaSrFeO系とLaSrCoO系の固溶体であるランタンフェライト系酸化物(La1−mSrCo1−nFe(但し、0.05<m<0.50、0<n<1))などが挙げられる。空気極は、単層であっても、又は複層であっても良い。外側電極が複層の空気極である場合の例としては、固体電解質側にLa0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8(すなわち、空気極触媒層)を用い、最表層にLa0.6Sr0.4Co0.8Fe0.2(すなわち、空気極)を用いることができる。空気極の好ましい厚さは0.2〜30μmである。 As a material constituting such a cathode, for example, La 1-x Sr x CoO 3 ( where, x = 0.1 to 0.3) and LaCo 1-x Ni x O 3 ( where, x = 0.1 Lanthanum cobalt oxide such as フ ェ ラ イ ト 0.6), and lanthanum ferrite oxide (La 1−m Sr m Co 1−n Fe n O 3 (where 0.05), which is a solid solution of LaSrFeO 3 system and LaSrCoO 3 system. <M <0.50, 0 <n <1)) and the like can be mentioned. The cathode may be a single layer or multiple layers. As an example of the case where the outer electrode is a multilayer air electrode, La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 (ie, an air electrode catalyst layer) is used on the solid electrolyte side. La 0.6 Sr 0.4 Co 0.8 Fe 0.2 O 3 (that is, an air electrode) can be used for the surface layer. The preferred thickness of the air electrode is 0.2 to 30 μm.

固体電解質
本発明において、固体電解質は、酸化物イオン伝導性、ガスシール性、および電気絶縁性を有する。このような固体電解質を構成する材料として、ランタンガレート系酸化物、固溶種としてY、Ca、およびScから選択される1種以上を固溶した安定化ジルコニアなどが挙げられる。本発明において好適な固体電解質は、Sr及びMgがドープされたランタンガレート系酸化物であり、より好適には一般式La1−aSrGa1−b−cMgCo3−δ(但し、0.05≦a≦0.3、0<b<0.3、0≦c≦0.15、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である)で表されるランタンガレート系酸化物(LSGM)である。LSGMはLaGaO3をベースにLaサイトをSrで置換することで酸化物イオン伝導性を発現する。固体電解質は、単層であってもよく、又は複層であってもよい。固体電解質が複層である場合、例えば、燃料極とLSGMからなる固体電解質の間に、反応抑制層を設けることができる。反応抑制層の具体例としては、Laを固溶させたセリア(Ce1−xLa(但し、0.3<x<0.5))が挙げられる。好適には、Ce0.6La0.4である。固体電解質の好ましい厚さは5〜60μmである。また、反応抑制層の好ましい厚さは0〜20μmである。
Solid Electrolyte In the present invention, the solid electrolyte has oxide ion conductivity, gas sealability, and electrical insulation. As a material constituting such a solid electrolyte, a lanthanum gallate-based oxide, a stabilized zirconia in which one or more selected from Y, Ca, and Sc as a solid solution species are dissolved is mentioned. Suitable solid electrolyte in the present invention is a lanthanum gallate-based oxide Sr and Mg-doped, the general formula La is more preferably 1-a Sr a Ga 1- b-c Mg b Co c O 3-δ (Where, 0.05 ≦ a ≦ 0.3, 0 <b <0.3, 0 ≦ c ≦ 0.15, δ is a value determined to satisfy the charge neutral condition) It is a system oxide (LSGM). LSGM expresses oxide ion conductivity by replacing La site with Sr based on LaGaO 3 . The solid electrolyte may be a single layer or multiple layers. When the solid electrolyte is a multilayer, for example, a reaction suppression layer can be provided between the fuel electrode and the solid electrolyte made of LSGM. Specific examples of the reaction inhibiting layer, ceria is solid-solved La (Ce 1-x La x O 2 ( where, 0.3 <x <0.5)) and the like. Preferably, it is Ce 0.6 La 0.4 O 2 . The preferred thickness of the solid electrolyte is 5 to 60 μm. Moreover, the preferable thickness of a reaction suppression layer is 0-20 micrometers.

集電層
本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックは、外側電極とインターコネクタとを電気的に接続する集電層を有してなる。この集電層は、ガス(酸素)透過性、および空気極より発生した電子をスムーズに流通するための導電性を有する。本発明において、外側電極が空気極である場合、集電層はAgやPtなどの貴金属を含有する導電性ペーストや、La0.6Sr0.4Co0.8Fe0.23−δなどの導電性酸化物を含有するペーストを焼き付けることにより形成できる。また、外側電極が燃料極である場合、集電層は還元されて導電性が得られる、NiOもしくはNiなどの金属酸化物、または金属を含有するペーストを焼き付けることにより形成できる。また、集電層は、ガス透過性を得るために多孔質またはメッシュなどの構造であることが好ましい。集電層の好ましい厚さは10〜200μmである。
Current Collection Layer The solid oxide fuel cell stack according to the present invention comprises a current collection layer electrically connecting the outer electrode and the interconnector. The current collection layer has gas (oxygen) permeability and conductivity for smoothly circulating electrons generated from the air electrode. In the present invention, when the outer electrode is an air electrode, the current collection layer is formed of a conductive paste containing noble metal such as Ag or Pt, La 0.6 Sr 0.4 Co 0.8 Fe 0.2 O 3- It can be formed by baking a paste containing a conductive oxide such as δ . In addition, when the outer electrode is a fuel electrode, the current collection layer can be formed by baking a paste containing a metal oxide such as NiO or Ni or a metal which can be reduced to obtain conductivity. In addition, the current collection layer is preferably a porous or mesh structure or the like in order to obtain gas permeability. The preferred thickness of the current collecting layer is 10 to 200 μm.

インターコネクタ
(組成)
本発明において、インターコネクタはセラミックからなる。つまり、本発明においてインターコネクタはセラミックインターコネクタを意味する。セラミック材料としては、一般式SrLaTiO3−δ(ただし、xおよびyは、0.8≦x+y≦1.0、および0.01<y≦0.1を満たす正の実数である。)で表されるペロブスカイト型酸化物からなるものであることが好ましい。ここで、「からなる」とは、インターコネクタの主成分が前記一般式SrLaTiO3−δで表されるペロブスカイト型酸化物であることを意味する。すなわち、インターコネクタがその他の成分、例えば後述する拡散元素を含むものである態様を除外するものではない。換言すると、インターコネクタは前記一般式SrLaTiO3−δで表されるペロブスカイト型酸化物を主成分として含んでなるものであることが好ましい。主成分とは、インターコネクタにおいて、前記一般式SrLaTiO3−δで表されるペロブスカイト型酸化物が80mol%以上含まれていることを意味する。好ましくは90mol%以上、さらに好ましくは95mol%以上含まれている。さらにより好ましくは、インターコネクタは前記ペロブスカイト型酸化物のみからなる。インターコネクタの主成分がこのような組成比を有する酸化物であることにより、十分な緻密性と導電性を両立することができる。インターコネクタはSrTiOをベースにLaを置換することで導電性が発現される。本発明のより好ましい態様によれば、SrとLaの組成比は、0.8≦x+y≦0.9、0.01<y≦0.1の関係を満たすものである。これにより、緻密性をさらに高めることができる。また、TiをNbで置換してもよい。これにより、導電性をさらに高めることができる。このような酸化物の好ましい具体例として、SrLaTi1−zNb3−δ(0.8≦x+y≦1.0、0.01<y≦0.1、0.05≦z≦0.2)が挙げられる。
Interconnector (composition)
In the present invention, the interconnector is made of ceramic. That is, in the present invention, the interconnector means a ceramic interconnector. The ceramic material, the general formula Sr x La y TiO 3-δ ( here, x and y is a positive real number satisfying 0.8 ≦ x + y ≦ 1.0, and 0.01 <y ≦ 0.1 It is preferable that it consists of a perovskite type oxide represented by.). Here, "consisting of" is meant to be a perovskite oxide main component of the interconnector is represented by the general formula Sr x La y TiO 3-δ . That is, the embodiment does not exclude an embodiment in which the interconnector includes other components, for example, a diffusion element described later. In other words, it is preferred interconnector are those which comprise a perovskite oxide represented by the general formula Sr x La y TiO 3-δ as a main component. The main component in the interconnector, perovskite oxide represented by the general formula Sr x La y TiO 3-δ means that it contains more than 80 mol%. Preferably 90 mol% or more, more preferably 95 mol% or more is contained. Still more preferably, the interconnector consists only of the perovskite oxide. When the main component of the interconnector is an oxide having such a composition ratio, it is possible to simultaneously achieve sufficient compactness and conductivity. The interconnector is made conductive by replacing La with SrTiO 3 as a base. According to a more preferable aspect of the present invention, the composition ratio of Sr and La satisfies the relationship of 0.8 ≦ x + y ≦ 0.9 and 0.01 <y ≦ 0.1. This can further enhance the compactness. Alternatively, Ti may be replaced by Nb. Thereby, the conductivity can be further enhanced. Preferred examples of such oxides, Sr x La y Ti 1- z Nb z O 3-δ (0.8 ≦ x + y ≦ 1.0,0.01 <y ≦ 0.1,0.05 ≦ z ≦ 0.2).

本発明において、インターコネクタは、例えば焼成時に他の部材、すなわち燃料極、空気極および固体電解質等からインターコネクタに拡散される元素を不可避成分として含んでいても良い。このような元素としては、Ni、Y、Gd、Ce、Zr、La、Sr、Ga、Mg、Co、Feなどが挙げられる。拡散する元素の量は、各部材の構成材料、結晶構造、焼成温度、焼成の態様(例えば、逐次焼成や共焼成)などに応じて変化する。   In the present invention, the interconnector may contain, as an unavoidable component, an element diffused to the interconnector from other members, ie, the fuel electrode, the air electrode, the solid electrolyte, etc., for example, at the time of firing. Such elements include Ni, Y, Gd, Ce, Zr, La, Sr, Ga, Mg, Co, Fe and the like. The amount of the element to be diffused changes in accordance with the constituent material of each member, the crystal structure, the firing temperature, the mode of firing (for example, sequential firing or co-firing), and the like.

(厚み)
本発明において、インターコネクタの厚みは、5μm以上50μm以下であることが好ましい。
(Thickness)
In the present invention, the thickness of the interconnector is preferably 5 μm or more and 50 μm or less.

(導電率)
本発明において、インターコネクタの導電率は、700℃大気雰囲気下において0.01S/cm以上であることが好ましく、0.02S/cm以上であることがさらに好ましい。また、導電率は高ければ高いほど良いため上限は無いが、好ましくは0.16S/cm以下である。これによりインターコネクタの導電性を向上させ、固体酸化物形燃料電池スタックの発電出力を向上させることが可能となる。
(conductivity)
In the present invention, the conductivity of the interconnector is preferably 0.01 S / cm or more, more preferably 0.02 S / cm or more, in an air atmosphere at 700 ° C. Also, the higher the conductivity, the better, and there is no upper limit, but it is preferably 0.16 S / cm or less. As a result, the conductivity of the interconnector can be improved, and the power generation output of the solid oxide fuel cell stack can be improved.

導電率は以下の方法により測定することができる。すなわち、導電率を測定するための試験片を、インターコネクタの原料粉末を900kgf/cmの荷重にて一軸プレスして、1300℃で2時間、大気雰囲気下で焼成することにより作製する。この試験片の導電率をJIS R 1650−2の規定に基づき、直流4端子法によって、大気雰囲気下700℃で測定する。 The conductivity can be measured by the following method. That is, a test piece for measuring the conductivity is produced by uniaxially pressing the raw material powder of the interconnector at a load of 900 kgf / cm 2 and firing at 1300 ° C. for 2 hours in the air. The electrical conductivity of the test piece is measured at 700 ° C. in the atmosphere according to the direct current four-terminal method based on the specification of JIS R 1650-2.

(気孔率)
本発明において、インターコネクタの気孔率は、1%以下であることが好ましく、さらに好ましくは0.1%以下である。また、0%以上であることが好ましい。これによりインターコネクタのガスシール性を確保し、固体酸化物形燃料電池セルスタックの発電効率を向上することが可能となる。気孔率の測定は、以下の方法を用いて行うことができる。
(Porosity)
In the present invention, the porosity of the interconnector is preferably 1% or less, more preferably 0.1% or less. Moreover, it is preferable that it is 0% or more. As a result, the gas sealability of the interconnector can be secured, and the power generation efficiency of the solid oxide fuel cell stack can be improved. The porosity can be measured using the following method.

<SEM画像から得る方法>
作製した固体酸化物形燃料電池セルスタックからインターコネクタを含むように切り出し、このインターコネクタを走査型電子顕微鏡(例えば日立製作所製S−4100)により、加速電圧15kV、2次電子画像、倍率100〜10000倍で観察し、SEM画像を得る。このSEM画像を画像処理ソフト(例えばWinroofver6.5.1、MITANI CORPORATION社製)によって評価する。これにより、横軸が輝度、縦軸が出現頻度であるヒストグラムを得る。このヒストグラムにおいて、輝度の最小値と最大値の平均値より輝度が低い領域を低輝度領域、平均値より輝度が高い領域を高輝度領域とする。この低輝度領域を気孔と判定し、気孔以外の高輝度領域をインターコネクタと判定することで2値化処理する。その後、下記式から気孔率を得ることができる。
気孔率(%)=低輝度領域の積分値÷全体の出現頻度の積分値×100
<Method to obtain from SEM image>
The fabricated solid oxide fuel cell stack is cut out so as to include an interconnector, and this interconnector is accelerated by a scanning electron microscope (for example, S-4100 manufactured by Hitachi, Ltd.) at an acceleration voltage of 15 kV and a secondary electron image at a magnification of 100 to It observes by 10000 times and obtains a SEM image. This SEM image is evaluated by image processing software (for example, Winroofver 6.5.1, manufactured by MITANI CORPORATION). As a result, a histogram is obtained in which the horizontal axis is luminance and the vertical axis is appearance frequency. In this histogram, a region where the luminance is lower than the average value of the minimum value and the maximum value of luminance is a low luminance region, and a region where the luminance is higher than the average value is a high luminance region. The low luminance region is determined to be pores, and the high luminance region other than the pores is determined to be an interconnector to perform binarization processing. Thereafter, the porosity can be obtained from the following equation.
Porosity (%) = Integral value of low luminance region ÷ Integral value of appearance frequency of whole × 100

本発明において、インターコネクタが上記方法によって得られる所望の気孔率を有するものであることを確認するために、以下の方法により求められる気孔率を一つの指標とすることができる。   In the present invention, in order to confirm that the interconnector has the desired porosity obtained by the above method, the porosity obtained by the following method can be used as one index.

<アルキメデス法にて測定して得る方法>
インターコネクタの原料粉末を900kgf/cmの荷重にて一軸プレスし、1300℃で2時間、大気雰囲気下で焼成することにより試験片を得る。この試験片をJIS R 1634の規定に基づき、アルキメデス法により測定し、気孔率を得る。
<Method obtained by measurement by Archimedes method>
A raw material powder of an interconnector is uniaxially pressed at a load of 900 kgf / cm 2 , and fired at 1300 ° C. for 2 hours in an air atmosphere to obtain a test piece. This test piece is measured by the Archimedes method based on the definition of JIS R 1634 to obtain the porosity.

本発明において、固体電解質およびインターコネクタの双方がストロンチウムを含むのが好ましい。本発明において、インターコネクタに含まれるストロンチウム量の方が固体電解質に含まれるストロンチウム量よりも多いことがさらに好ましい。すなわち、固体電解質に含まれるストロンチウム量はインターコネクタに含まれるストロンチウム量よりも少ないことがさらに好ましい。   In the present invention, it is preferred that both the solid electrolyte and the interconnector contain strontium. In the present invention, it is more preferable that the amount of strontium contained in the interconnector is larger than the amount of strontium contained in the solid electrolyte. That is, the amount of strontium contained in the solid electrolyte is more preferably smaller than the amount of strontium contained in the interconnector.

インターコネクタは、酸素を除いた元素換算で、組成中にストロンチウムを30mol%以上50mol%以下含むことが好ましい。すなわち、SrLaTiO3−δ(ただし、xおよびyは、0.8≦x+y≦1.0、および0.01<y≦0.1を満たす正の実数である。)において、さらに0.3≦x/(x+y+1)≦0.5を満たすことが好ましい。固体電解質は、酸素を除いた元素換算で、組成中にストロンチウムを15mol%以下含むことが好ましく、2.5mol%以上15mol%以下含むことがより好ましい。すなわち、固体電解質は、一般式La1−aSrGa1−b−cMgCo3−δ(但し、0.05≦a≦0.3、0<b<0.3、0≦c≦0.15、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である)で表されるランタンガレート系酸化物(LSGM)を含んでなることが好ましい。 The interconnector preferably contains 30 mol% or more and 50 mol% or less of strontium in the composition in terms of elements excluding oxygen. That, Sr x La y TiO 3- δ ( here, x and y, 0.8 ≦ x + y ≦ 1.0 , and a positive real number satisfying 0.01 <y ≦ 0.1.) In further It is preferable to satisfy 0.3 ≦ x / (x + y + 1) ≦ 0.5. The solid electrolyte preferably contains strontium in an amount of 15 mol% or less, more preferably 2.5 mol% or more and 15 mol% or less, in terms of element excluding oxygen. That is, the solid electrolyte is represented by the general formula La 1-a Sr a Ga 1 -b-c Mg b Co c O 3-δ ( where, 0.05 ≦ a ≦ 0.3,0 <b <0.3,0 It is preferable to include a lanthanum gallate oxide (LSGM) represented by ≦ c ≦ 0.15, where δ is a value determined so as to satisfy the charge neutral condition.

固体酸化物形燃料電池セルスタックの構造
図1は、本発明の一つの態様として、横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックを示す正面図である。横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック210は、支持体201に13個の発電素子10が直列に接続されている。
Structure of Solid Oxide Fuel Cell Stack FIG. 1 is a front view showing a horizontal stripe type solid oxide fuel cell stack according to one embodiment of the present invention. In the horizontally striped solid oxide fuel cell stack 210, thirteen power generation elements 10 are connected in series to a support 201.

図2は、本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタック210の一つの態様を示す模式図であり、固体酸化物形燃料電池セルスタックにおいて発電素子10近傍を示す。図2では、内側電極を燃料極としたタイプについて示す。固体酸化物形燃料電池セルスタック210は、支持体201と、(第一/第二)燃料極202(すなわち、燃料極層202aと燃料極触媒層202b)と、(第一/第二)固体電解質203(すなわち、反応抑制層203aと固体電解質層203b)と、空気極204と、集電層205と、インターコネクタ206とから構成されている。ここで、(第一/第二)とは、単層又は二層であって、二層の場合は第一層と第二層とを有することを意味する。   FIG. 2 is a schematic view showing one embodiment of the solid oxide fuel cell stack 210 according to the present invention, showing the vicinity of the power generating element 10 in the solid oxide fuel cell stack. FIG. 2 shows a type in which the inner electrode is a fuel electrode. The solid oxide fuel cell stack 210 includes a support 201, (first / second) fuel electrode 202 (i.e., fuel electrode layer 202a and fuel electrode catalyst layer 202b), and (first / second) solid The electrolyte 203 (that is, the reaction suppression layer 203 a and the solid electrolyte layer 203 b), the air electrode 204, the current collecting layer 205, and the interconnector 206 are included. Here, (first / second) means a single layer or two layers, and in the case of two layers, it has a first layer and a second layer.

図3は、本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックを構成する隣接する2つの発電素子を含む好ましい態様を示す断面模式図である。図3では、支持体301と、この支持体301の表面に、燃料極302、固体電解質304および空気極305が順次積層されてなる2つの発電素子と、これら隣接する2つの発電素子のうちの一方の発電素子の空気極305と、他方の発電素子の燃料極302とを電気的に接続するインターコネクタ303とを少なくとも有し、隣接する2つの発電素子が直列に接続されてなる固体酸化物形燃料電池セルスタックを示す。   FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a preferred embodiment including two adjacent power generation elements constituting the solid oxide fuel cell stack according to the present invention. In FIG. 3, a support 301, two power generation elements in which a fuel electrode 302, a solid electrolyte 304 and an air electrode 305 are sequentially laminated on the surface of the support 301, and two power generation elements adjacent to each other Solid oxide comprising at least an air electrode 305 of one power generation element and an interconnector 303 electrically connecting a fuel electrode 302 of the other power generation element, and two adjacent power generation elements are connected in series Type fuel cell stack.

一方の発電素子の空気極305の下に設けられたインターコネクタ303の下に、このインターコネクタ303と接合して一方の発電素子の固体電解質304が設けられている。さらに、他方の発電素子の燃料極302の上に設けられたインターコネクタ303の上に、このインターコネクタ303と接合して他方の発電素子の固体電解質304が設けられている。図3を一方の発電素子の空気極305側から見ると、インターコネクタ303の下に緻密な固体電解質304が形成されている。他方の発電素子の燃料極302側から見ると、インターコネクタ303の上に緻密な固体電解質304が形成されている。したがって、インターコネクタ303のガスシール性が良好に確保される。   Under the interconnector 303 provided under the air electrode 305 of one power generation element, a solid electrolyte 304 of one power generation element is provided in contact with the interconnector 303. Furthermore, on the interconnector 303 provided on the fuel electrode 302 of the other power generation element, the solid electrolyte 304 of the other power generation element is provided in contact with the interconnector 303. As seen from FIG. 3 from the air electrode 305 side of one of the power generation elements, a dense solid electrolyte 304 is formed under the interconnector 303. As viewed from the fuel electrode 302 side of the other power generation element, a dense solid electrolyte 304 is formed on the interconnector 303. Therefore, the gas sealability of the interconnector 303 can be favorably maintained.

図4は、本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックを構成する隣接する2つの発電素子を含む別の好ましい態様を示す断面模式図である。図4では、一方の発電素子の空気極305の下かつインターコネクタ303の下に設けられた一方の発電素子の固体電解質304の下に、この一方の発電素子の固体電解質304と接合してインターコネクタ303がさらに設けられている。さらに、他方の発電素子の燃料極302の上かつインターコネクタ303の上に設けられた他方の発電素子の固体電解質304の上に、この他方の発電素子の固体電解質304と接合してインターコネクタ303がさらに設けられている。図4を一方の発電素子の空気極305側から見ると、インターコネクタ303の間に緻密な固体電解質304が形成されている。また他方の発電素子の燃料極302側から見ると、インターコネクタ303の間に緻密な固体電解質304が形成されている。したがって、インターコネクタ303のガスシール性が良好に確保される。図4では、インターコネクタ303と固体電解質304との接合距離が図3のそれに比べてさらに長くなっているため、さらに良好なガスシール性が得られる。   FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing another preferred embodiment including two adjacent power generation elements constituting the solid oxide fuel cell stack according to the present invention. In FIG. 4, under the solid electrolyte 304 of one power generation element provided under the air pole 305 of one power generation element and under the interconnector 303, the solid electrolyte 304 of the one power generation element is joined to A connector 303 is further provided. Furthermore, on the solid electrolyte 304 of the other power generation element provided on the fuel electrode 302 of the other power generation element and on the interconnector 303, it is joined with the solid electrolyte 304 of the other power generation element to connect the interconnector 303. Are further provided. When FIG. 4 is viewed from the air electrode 305 side of one of the power generation elements, a dense solid electrolyte 304 is formed between the interconnectors 303. Further, when viewed from the fuel electrode 302 side of the other power generation element, a dense solid electrolyte 304 is formed between the interconnectors 303. Therefore, the gas sealability of the interconnector 303 can be favorably maintained. In FIG. 4, since the bonding distance between the interconnector 303 and the solid electrolyte 304 is longer than that in FIG. 3, a better gas sealability can be obtained.

本発明において、一方の発電素子の固体電解質304および他方の発電素子の固体電解質304各々とインターコネクタ303との接合距離は長い程良く、接合距離は固体電解質304の厚みの2倍以上であることが好ましい。これにより、固体電解質304とインターコネクタ303との間の密着性、およびインターコネクタ303のガスシール性を得ることができる。ここで、固体電解質とインターコネクタとの接合距離とは、固体電解質304とインターコネクタ303とが接合している部分の長さを意味する。すなわち、隣接する一方の発電素子の固体電解質304とインターコネクタ303とが接合している部分の長さと、隣接する他方の発電素子の固体電解質304とインターコネクタ303とが接合している部分の長さとを足し合わせたものである。接合とは、隙間がなく接触し、密着していることを意味する。接合距離と厚みは、以下の方法で求めることができる。まず、作製した固体酸化物形燃料電池セルスタックを隣接する一方の発電素子と他方の発電素子とが含まれるように切断する。そして、この切断面を走査型電子顕微鏡(SEM)で1〜100倍の任意の倍率にて3回観察し、得られた接合距離の最大値と最小値を足して2で割ることで求めることができる。厚みも同様の方法で求めることができる。   In the present invention, the longer the bonding distance between the solid electrolyte 304 of one power generating element and the solid electrolyte 304 of the other power generating element and the interconnector 303, the better. The bonding distance is at least twice the thickness of the solid electrolyte 304. Is preferred. Thereby, the adhesion between the solid electrolyte 304 and the interconnector 303 and the gas sealability of the interconnector 303 can be obtained. Here, the bonding distance between the solid electrolyte and the interconnector means the length of the portion where the solid electrolyte 304 and the interconnector 303 are bonded. That is, the length of the portion where solid electrolyte 304 and interconnector 303 of one adjacent power generation element are joined, and the length of the portion where solid electrolyte 304 and interconnector 303 of the other adjacent power generation element are joined Satoshi is added. Bonding means that there is no gap, and they are in contact and in close contact. The bonding distance and thickness can be determined by the following method. First, the manufactured solid oxide fuel cell stack is cut so as to include one adjacent power generation element and the other power generation element. Then, this cut surface is observed three times with a scanning electron microscope (SEM) at an arbitrary magnification of 1 to 100 times, and the maximum value and the minimum value of the obtained bonding distance are added and divided by 2 to obtain Can. The thickness can also be determined in the same manner.

本発明の好ましい態様によれば、固体酸化物形燃料電池セルスタックは、一方の発電素子の固体電解質304および他方の発電素子の固体電解質304各々とインターコネクタ303とが双方ストロンチウムを含み、各固体電解質304に含まれるストロンチウムの量よりも当該インターコネクタ303に含まれるストロンチウムの量の方が多い。固体電解質304およびインターコネクタ303双方がストロンチウムを含むことにより、焼成時にストロンチウムの拡散が起こり、緻密性および密着性が高くなる。具体的には、固体電解質304と、これよりSrを多く含み、固体電解質304との反応性が高いSrLaTiO3−δ(ただし、xおよびyは、0.8≦x+y≦1.0、および0.01<y≦0.1を満たす正の実数である。)からなるインターコネクタ303が接合することにより、焼成時に両者が反応して、固体電解質304とインターコネクタ303との間の密着性を向上することができる。好ましくは、固体電解質304はSrがドープしたランタンガレート系酸化物である。その結果、固体電解質304とインターコネクタ303との間のガスシール性を向上することができる。 According to a preferred embodiment of the present invention, in the solid oxide fuel cell stack, each of the solid electrolyte 304 of one power generation element and the solid electrolyte 304 of the other power generation element and the interconnector 303 both contain strontium, and each solid The amount of strontium contained in the interconnector 303 is larger than the amount of strontium contained in the electrolyte 304. When both the solid electrolyte 304 and the interconnector 303 contain strontium, diffusion of strontium occurs at the time of firing, and the compactness and adhesion become high. Specifically, Sr x La y TiO 3 -δ containing solid electrolyte 304 and more Sr than that, and having high reactivity with solid electrolyte 304 (where x and y satisfy 0.8 ≦ x + y ≦ 1. 0) and the positive inter-connector 303 satisfying 0.01 <y ≦ 0.1 is joined, so that both react at the time of firing, and between the solid electrolyte 304 and the interconnector 303. Adhesion can be improved. Preferably, solid electrolyte 304 is a lanthanum gallate oxide doped with Sr. As a result, the gas sealability between the solid electrolyte 304 and the interconnector 303 can be improved.

固体酸化物形燃料電池セルスタックの製造方法
本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックの製造方法は、特定のものに限定されるものではない。本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックは、例えば、以下のようにして製造される。なお、以下の説明においては、内側電極が燃料極であり、外側電極が空気極である場合を例として説明する。
Method of Manufacturing Solid Oxide Fuel Cell Stack The method of manufacturing a solid oxide fuel cell stack according to the present invention is not limited to a specific one. The solid oxide fuel cell stack according to the present invention is manufactured, for example, as follows. In the following description, the case where the inner electrode is a fuel electrode and the outer electrode is an air electrode will be described as an example.

支持体は例えば以下のように作製することができる。先ず、原料粉体に、溶媒(水、アルコールなど)を添加して坏土を作製する。このとき、任意成分として、分散剤、バインダー、消泡剤もしくは造孔剤またはこれらの組合せ等を添加してもよい。坏土の成形には、シート成形法、プレス成形法、押出成形法などが用いられるが、内部にガス流路が形成される支持体を成形する場合は、押出成形法を用いるのが好ましい。複層の支持体を成形する場合は、複層を一体的に押出成形する多層押出成形の他、上層をコーティングや印刷により成形する方法を用いることもできる。コーティング方法の具体例としては、原料スラリーをコーティングするスラリーコート法、テープキャスティング法、ドクターブレード法、転写法などが挙げられる。印刷方法の具体例としては、スクリーン印刷法やインクジェット印刷方法などが挙げられる。次いで、作製した坏土を成形し、乾燥して支持体前駆体を得る。この支持体前駆体は、好ましくは、次いで仮焼(800℃以上1100℃未満)して多孔質な支持体の仮焼体を得て、その後支持体の仮焼体を、単独で焼成して支持体を得てもよく、又は、少なくとも燃料極等と共に焼成して支持体を得てもよい。焼成温度は、1100℃以上1400℃未満が好ましい。   The support can be produced, for example, as follows. First, a solvent (water, alcohol, etc.) is added to the raw material powder to make a clay. At this time, as an optional component, a dispersant, a binder, an antifoamer or a pore forming agent, or a combination thereof may be added. A sheet forming method, a press forming method, an extrusion forming method or the like is used for forming the clay, but in the case of forming a support having a gas flow path formed therein, the extrusion forming method is preferably used. In the case of forming a multilayer support, a method of forming the upper layer by coating or printing can also be used in addition to multilayer extrusion in which the multilayer is integrally extruded. Specific examples of the coating method include a slurry coating method of coating a raw material slurry, a tape casting method, a doctor blade method, a transfer method and the like. Examples of the printing method include a screen printing method and an inkjet printing method. Then, the prepared clay is shaped and dried to obtain a support precursor. This support precursor is then preferably calcined (800 ° C. or more and less than 1100 ° C.) to obtain a calcined body of the porous support, and then the calcined body of the support is calcined alone. The support may be obtained, or may be fired at least with the fuel electrode or the like to obtain the support. The firing temperature is preferably 1100 ° C. or more and less than 1400 ° C.

インターコネクタは例えば以下のように作製することができる。まず、原料粉末を作製する。原料粉末の作製は、例えば固相法により行うことができる。すなわち、原料となる金属酸化物の粉末を所望の組成比となるように秤量し、溶液中で混合した後に溶媒を除去して得られた粉末を、例えば1150℃で焼成、そして粉砕して原料粉末を作製する。この原料粉末に、溶媒(水、アルコールなど)、必要に応じて分散剤、バインダー等の成形助剤を添加して、スラリー又はペーストを作製する。このスラリー又はペーストをコーティングし、乾燥(80℃以上1100℃以下、好ましくは300℃以上1100℃以下)することで得られる乾燥被膜を形成した後、焼成(1100℃以上1400℃未満、好ましくは1250℃以上1400℃未満)することによってインターコネクタを得ることができる。コーティングは、既に説明したのと同様の方法を用いることができる。あるいは、各乾燥被膜は、予め転写シートとして形成し、転写フィルムを被積層体に貼り付けることにより設けても良い。   The interconnector can be produced, for example, as follows. First, a raw material powder is produced. The raw material powder can be produced, for example, by a solid phase method. That is, the powder of the metal oxide as the raw material is weighed to obtain a desired composition ratio, mixed in the solution and then the solvent is removed, and the powder obtained is calcined, for example, at 1150 ° C., and pulverized to obtain the raw material. Make a powder. A solvent (water, alcohol, etc.) and, if necessary, a forming aid such as a dispersing agent or a binder are added to the raw material powder to prepare a slurry or paste. The slurry or paste is coated and dried to form a dried film obtained by drying (80 ° C. to 1100 ° C., preferably 300 ° C. to 1100 ° C.), and then firing (1100 ° C. to less than 1400 ° C., preferably 1250) The interconnector can be obtained by setting the temperature in the range of from 0.degree. The coating can be performed by the same method as described above. Alternatively, each dry film may be formed in advance as a transfer sheet, and may be provided by sticking a transfer film to a laminate.

燃料極、固体電解質および空気極は例えば以下のように作製することができる。各原料粉末に、溶媒(水、アルコールなど)、必要に応じて分散剤、バインダー等の成形助剤を添加して、スラリー又はペーストを作製する。このスラリー又はペーストをコーティングし、乾燥(80℃以上1100℃以下、好ましくは300℃以上1100℃以下)することで得られる乾燥被膜を形成した後、焼成(1100℃以上1400℃未満、好ましくは1250℃以上1400℃未満)することによって燃料極、固体電解質および空気極を得ることができる。コーティングは、既に説明したのと同様の方法を用いることができる。あるいは、各乾燥被膜は、予め転写シートとして形成し、転写フィルムを被積層体に貼り付けることにより設けても良い。   The fuel electrode, the solid electrolyte and the air electrode can be produced, for example, as follows. A solvent (water, alcohol, etc.) and, if necessary, a forming aid such as a dispersing agent or a binder are added to each raw material powder to prepare a slurry or paste. The slurry or paste is coated and dried to form a dried film obtained by drying (80 ° C. to 1100 ° C., preferably 300 ° C. to 1100 ° C.), and then firing (1100 ° C. to less than 1400 ° C., preferably 1250) The fuel electrode, the solid electrolyte, and the air electrode can be obtained by setting the temperature to °° C or more and less than 1400 ° C. The coating can be performed by the same method as described above. Alternatively, each dry film may be formed in advance as a transfer sheet, and may be provided by sticking a transfer film to a laminate.

本発明の製造方法の好ましい態様によれば、焼成は、各層を形成する都度行うことが好ましい。つまり、本態様によれば、支持体又はその仮焼体の表面に、燃料極の乾燥被膜を形成後、焼成して燃料極を形成する工程と、固体電解質の乾燥被膜を形成後、焼成して固体電解質を形成する工程と、インターコネクタの乾燥被膜を形成後、焼成してインターコネクタを形成する工程と、空気極の乾燥被膜を形成後、焼成して空気極を形成する工程とを少なくとも含んでなる。また、集電層の形成は、空気極の形成後に行う。   According to a preferred embodiment of the production method of the present invention, the firing is preferably performed each time each layer is formed. That is, according to this aspect, after forming a dry film of the fuel electrode on the surface of the support or the calcined body thereof, baking is performed to form the fuel electrode, and a dry film of the solid electrolyte is formed and then baked. Of forming a solid electrolyte, forming a dry film of the interconnector, baking it to form the interconnector, and forming a dry film of the air electrode and baking it to form the air electrode It contains. Also, the formation of the current collection layer is performed after the formation of the air electrode.

本発明の製造方法の別の好ましい態様によれば、支持体又はその仮焼体を作製し、支持体又はその仮焼体の表面に燃料極の乾燥被膜を形成し、インターコネクタの乾燥被膜を形成し、固体電解質の乾燥被膜を形成し、次いで支持体、燃料極、インターコネクタおよび固体電解質の乾燥被膜からなる積層成形体を共焼成(1250℃以上1400℃未満)し、その後空気極の乾燥被膜を形成し、そしてこれら全体を焼成することを含んでなる。   According to another preferred embodiment of the production method of the present invention, a support or a calcined body thereof is produced, a dried film of a fuel electrode is formed on the surface of the support or the calcined body, and a dried film of an interconnector Forming a dry film of the solid electrolyte, then co-firing (at least 1250 ° C. and less than 1400 ° C.) the laminated molded product comprising the support, the fuel electrode, the interconnector and the dry film of the solid electrolyte, and then drying the air electrode Forming a coating and baking the whole.

本発明による製造方法の上記態様にあっては、支持体又はその仮焼体に燃料極、インターコネクタおよび固体電解質の各乾燥被膜を形成後、これらからなる積層成形体を一度に焼成する共焼成を行っている。この態様にあっては、固体電解質やインターコネクタがドーパントの拡散等により変性しないように、焼成は酸化雰囲気下で行なうことが好ましい。より好適には、空気と酸素の混合ガスを用い、酸素濃度は20質量%以上30質量%以下の雰囲気で焼成を行う。   In the above embodiment of the manufacturing method according to the present invention, co-firing is performed in which the laminated molded body made of these is formed at one time after forming dry films of the fuel electrode, the interconnector and the solid electrolyte on the support or the calcined body thereof. It is carried out. In this embodiment, the firing is preferably performed in an oxidizing atmosphere so that the solid electrolyte or the interconnector is not modified by the diffusion of the dopant. More preferably, firing is performed using a mixed gas of air and oxygen in an atmosphere having an oxygen concentration of 20% by mass to 30% by mass.

本発明による製造方法の上記態様にあっては、少なくともインターコネクタおよび固体電解質が共焼成(1250℃以上1400℃未満)により得られることが好ましい。焼成時において、インターコネクタに含まれている元素と固体電解質に含まれている元素が相互に拡散し合う。すなわち、インターコネクタに含まれている元素と固体電解質に含まれている元素が同じ場合、相互に拡散し合う。このような元素としては、ストロンチウムやランタンが挙げられる。これにより、インターコネクタと固体電解質との密着性を向上することができる。   In the above aspect of the production method according to the present invention, it is preferable that at least the interconnector and the solid electrolyte be obtained by co-firing (1250 ° C. or more and less than 1400 ° C.). At the time of firing, the element contained in the interconnector and the element contained in the solid electrolyte mutually diffuse. That is, when the element contained in the interconnector and the element contained in the solid electrolyte are the same, they mutually diffuse. Such elements include strontium and lanthanum. Thereby, the adhesiveness of an interconnector and a solid electrolyte can be improved.

本発明による製造方法にあっては、インターコネクタの構造に応じて適宜インターコネクタを複数回に分けて形成することができる。この場合、各インターコネクタの乾燥被膜を得る度に焼成してインターコネクタを得てもよく、各乾燥被膜を一体に共焼成してインターコネクタを得てもよい。例えば、図5および6に示すように、インターコネクタを、燃料極側のインターコネクタと空気極側に分けて形成する場合は、以下の方法を用いることができる。なお、燃料極側のインターコネクタとは、隣接する他方の発電素子の燃料極の上に形成され、隣接する他方の発電素子の固体電解質と接合するように設けられるインターコネクタを指す。また、空気極側のインターコネクタとは、隣接する一方の発電素子の空気極の下に設けられ、隣接する一方の発電素子の固体電解質と接合するように設けられるインターコネクタを指す。具体的な方法としては、燃料極の表面に燃料極側のインターコネクタの乾燥被膜を形成する工程と、固体電解質の乾燥被膜を形成する工程と、空気極側のインターコネクタの乾燥被膜を形成する工程と、燃料極側および空気極側双方のインターコネクタの乾燥被膜および固体電解質の乾燥被膜を一体に共焼成してインターコネクタおよび固体電解質を形成する。   In the manufacturing method according to the present invention, the interconnector can be appropriately formed in plural times according to the structure of the interconnector. In this case, the dry film of each interconnector may be fired to obtain the interconnector, or the dry film may be co-fired integrally to obtain the interconnector. For example, as shown in FIGS. 5 and 6, when the interconnector is formed separately on the interconnector on the fuel electrode side and on the air electrode side, the following method can be used. The fuel electrode side interconnector refers to an interconnect formed on the fuel electrode of the other adjacent power generation element and provided to be joined to the solid electrolyte of the other adjacent power generation element. Further, the interconnector on the air electrode side refers to an interconnector provided below the air electrode of one of the adjacent power generation elements so as to be joined to the solid electrolyte of the adjacent one power generation element. Specifically, a step of forming a dry film of the interconnector on the fuel electrode side on the surface of the fuel electrode, a step of forming a dry film of the solid electrolyte, and a dry film of the interconnector on the air electrode side The process and the dry film of the interconnector on both the fuel electrode side and the air electrode side and the dry film of the solid electrolyte are co-fired together to form an interconnector and a solid electrolyte.

本発明を以下の実施例および比較例に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。   The present invention will be specifically described based on the following examples and comparative examples, but the present invention is not limited to these specific examples.

実施例1
(支持体用坏土Aの作製)
高純度フォルステライト(0.05質量%のCaOを含むMgSiO)原料粉末を平均粒子径が0.7μmとなるよう調節した。この粉末100重量部と、溶媒(水)20重量部、バインダー(メチルセルロース)8重量部、潤滑剤0.5重量部、及び造孔剤(平均粒子径5μmのアクリル系樹脂粒子)15重量部とを高速ミキサーで混合後、混練機(ニーダー)で混練し、真空土練装置で脱気し、押し出し成形用の坏土を調製した。ここで、平均粒子径はJIS R1629の規定に基づき測定し、50%径にて示した値である(以下同様)。
Example 1
(Preparation of clay A for support)
The high purity forsterite (Mg 2 SiO 4 containing 0.05% by mass of CaO) raw material powder was adjusted to have an average particle size of 0.7 μm. 100 parts by weight of this powder, 20 parts by weight of solvent (water), 8 parts by weight of binder (methyl cellulose), 0.5 parts by weight of lubricant, and 15 parts by weight of pore forming agent (acrylic resin particles having an average particle diameter of 5 μm) The mixture was mixed by a high speed mixer, and was kneaded by a kneader (kneader), and deaerated by a vacuum soil kneading apparatus to prepare a clay for extrusion molding. Here, the average particle diameter is a value measured in accordance with JIS R 1629 and indicated by 50% diameter (the same applies hereinafter).

(燃料極層用スラリーの作製)
NiO粉末と10YSZ(10mol%Y−90mol%ZrO)粉末とを重量比65:35で湿式混合し、乾燥粉末を得た。得られた乾燥粉末の平均粒子径は0.7μmとなるよう調節した。この粉末150重量部と、溶媒(カルビトール)100重量部、バインダー(可溶性高分子)6重量部、分散剤(ノニオン性界面活性剤)2重量部、及び消泡剤(有機高分子系)2重量部とを混合した後、十分攪拌してスラリーを調製した。
(Preparation of slurry for fuel electrode layer)
NiO powder and 10YSZ (10mol% Y 2 O 3 -90mol% ZrO 2) were wet-mixed with powder at a ratio of 65:35 to obtain a dry powder. The average particle size of the obtained dry powder was adjusted to be 0.7 μm. 150 parts by weight of this powder, 100 parts by weight of solvent (carbitol), 6 parts by weight of binder (soluble polymer), 2 parts by weight of dispersant (nonionic surfactant), and antifoam (organic polymer system) 2 After mixing with parts by weight, the slurry was prepared by sufficiently stirring.

(燃料極触媒層用スラリーの作製)
NiO粉末とGDC10(10mol%GdO1.5−90mol%CeO)粉末との混合物を共沈法で作製後、熱処理を行い、燃料極触媒層用粉末を得た。NiO粉末とGDC10粉末の混合比は重量比で50/50とした。得られた燃料極触媒層用粉末の平均粒子径は0.5μmとなるよう調節した。この粉末100重量部と、溶媒(カルビトール)100重量部、バインダー(可溶性高分子)5重量部、分散剤(ノニオン性界面活性剤)2重量部、及び消泡剤(有機高分子系)2重量部とを混合した後、十分攪拌してスラリーを調製した。
(Preparation of slurry for anode catalyst layer)
After producing a mixture of NiO powder and GDC10 (10mol% GdO 1.5 -90mol% CeO 2) powder in coprecipitation, followed by heat treatment to obtain a powder for the fuel electrode catalyst layer. The mixing ratio of the NiO powder to the GDC10 powder was 50/50 by weight. The average particle diameter of the obtained powder for an anode catalyst layer was adjusted to be 0.5 μm. 100 parts by weight of this powder, 100 parts by weight of solvent (carbitol), 5 parts by weight of binder (soluble polymer), 2 parts by weight of dispersant (nonionic surfactant), and antifoam (organic polymer system) 2 After mixing with parts by weight, the slurry was prepared by sufficiently stirring.

(反応抑制層用スラリーの作製)
反応抑制層の材料として、セリウム系複合酸化物LDC40(40mol%LaO1.5−60mol%CeO)の粉末50重量部を用いた。この材料粉末に、焼結助剤としてGa粉末0.04重量部を混合し、さらに溶媒(カルビトール)100重量部、バインダー(可溶性高分子)4重量部、分散剤(ノニオン性界面活性剤)1重量部、及び消泡剤(有機高分子系)1重量部を混合した後、十分攪拌してスラリーを調製した。
(Preparation of slurry for reaction suppression layer)
As the material of the reaction inhibition layer was used powder 50 parts by weight of the cerium complex oxide LDC40 (40mol% LaO 1.5 -60mol% CeO 2). This material powder is mixed with 0.04 parts by weight of Ga 2 O 3 powder as a sintering aid, 100 parts by weight of a solvent (carbitol), 4 parts by weight of a binder (soluble polymer), and a dispersant (nonionic interface) After mixing 1 part by weight of the activator) and 1 part by weight of the antifoaming agent (organic polymer), the slurry was sufficiently stirred.

(固体電解質用スラリーの作製)
固体電解質の材料として、La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2の組成のLSGM粉末を用いた。このLSGM粉末50重量部を、溶媒(カルビトール)100重量部、バインダー(可溶性高分子)4重量部、分散剤(ノニオン性界面活性剤)1重量部、及び消泡剤(有機高分子系)1重量部と混合した後、十分攪拌してスラリーを調製した。
(Preparation of slurry for solid electrolyte)
An LSGM powder having a composition of La 0.9 Sr 0.1 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 was used as a solid electrolyte material. 50 parts by weight of this LSGM powder, 100 parts by weight of a solvent (carbitol), 4 parts by weight of a binder (soluble polymer), 1 part by weight of a dispersant (nonionic surfactant), and an antifoamer (organic polymer system) After mixing with 1 part by weight, the slurry was prepared by sufficiently stirring.

(空気極用スラリーの作製)
空気極の材料として、La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8の組成の粉末を用いた。この粉末40重量部を、溶媒(カルビトール)100重量部、バインダー(可溶性高分子)2重量部、分散剤(ノニオン性界面活性剤)1重量部、及び消泡剤(有機高分子系)1重量部と混合した後、十分攪拌してスラリーを調製した。
(Preparation of slurry for air electrode)
As the material of the air electrode was used a powder having the composition of La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3. 40 parts by weight of this powder, 100 parts by weight of a solvent (carbitol), 2 parts by weight of a binder (soluble polymer), 1 part by weight of a dispersant (nonionic surfactant), and an antifoamer (organic polymer system) 1 After mixing with parts by weight, the slurry was prepared by sufficiently stirring.

(インターコネクタ用原料粉末の作製)
インターコネクタ用原料粉末の作製は、固相法により行った。ストロンチウムとランタンとチタンとが、Sr0.90La0.04TiO3−δに示されるペロブスカイト型酸化物の組成比となるように、原料となる金属酸化物の粉末を秤量し、溶液中で混合した。その後、溶媒を除去して得られた粉末を、1150℃で焼成、そして粉砕してインターコネクタ原料粉末を作製した。
(Preparation of raw material powder for interconnector)
Preparation of the raw material powder for interconnectors was performed by the solid phase method. The powder of the metal oxide as the raw material is weighed so that the composition ratio of the perovskite oxide represented by Sr 0.90 La 0.04 TiO 3-δ is obtained by mixing strontium, lanthanum and titanium with each other in the solution. Mixed. Thereafter, the powder obtained by removing the solvent was calcined at 1150 ° C. and pulverized to prepare an interconnector material powder.

(インターコネクタ用スラリーの作製)
インターコネクタの材料として、Sr0.90La0.04TiO3−δの組成の粉末を用いた。この粉末40重量部を、溶媒(カルビトール)100重量部、バインダー(可溶性高分子)4重量部、分散剤(ノニオン性界面活性剤)1重量部、及び消泡剤(有機高分子系)1重量部と混合した後、十分攪拌してスラリーを調製した。
(Preparation of slurry for interconnector)
A powder of a composition of Sr 0.90 La 0.04 TiO 3-δ was used as a material of the interconnector. 40 parts by weight of this powder, 100 parts by weight of a solvent (carbitol), 4 parts by weight of a binder (soluble polymer), 1 part by weight of a dispersing agent (nonionic surfactant), and an antifoamer (organic polymer system) 1 After mixing with parts by weight, the slurry was prepared by sufficiently stirring.

(固体酸化物形燃料電池セルスタックの作製)
上記のようにして得られた坏土および各スラリーを用いて、以下の方法で固体酸化物形燃料電池セルスタックを作製した。また、インターコネクタは、隣接する他方の発電素子の燃料極の上に形成され、隣接する他方の発電素子の固体電解質と接合するように設けられる燃料極側のインターコネクタと、隣接する一方の発電素子の空気極の下に設けられ、隣接する一方の発電素子の固体電解質と接合するように設けられる空気極側のインターコネクタとの2回に分けて形成した。
(Fabrication of solid oxide fuel cell stack)
A solid oxide fuel cell stack was produced by the following method using the clay obtained as described above and each slurry. Further, the interconnector is formed on the fuel electrode of the other adjacent power generation element, and the interconnect on the fuel electrode side provided to be joined to the solid electrolyte of the other adjacent power generation element, and the adjacent power generation The element was formed under the air electrode of the element in two steps with the air electrode side interconnector provided to be in contact with the solid electrolyte of one of the adjacent power generation elements.

多孔質である支持体用坏土Aから押出し成形法によって円筒状成形体を作製した。室温で乾燥した後、1100℃で2時間熱処理して支持体の仮焼体を作製した。この支持体表面に、スラリーコート法により燃料極、燃料極触媒層、燃料極側のインターコネクタ、反応抑制層、固体電解質の順番で成膜し、乾燥させて乾燥被膜が積層された積層成形体を得た。この積層成形体を1300℃で2時間共焼成した。なお、図5に示すように、燃料極側のインターコネクタと固体電解質との接合距離(L)は200μm〜220μmになるよう形成した。   A cylindrical molded body was produced from the porous support clay A by extrusion. After drying at room temperature, the support was heat-treated at 1100 ° C. for 2 hours to prepare a calcined support. A laminated molded body in which a fuel electrode, a fuel electrode catalyst layer, an interconnector on the fuel electrode side, a reaction suppression layer, and a solid electrolyte are formed in this order on the surface of a support by a slurry coating method, dried and then dried. I got The laminate was co-fired at 1300 ° C. for 2 hours. As shown in FIG. 5, the bonding distance (L) between the fuel electrode side interconnector and the solid electrolyte was formed to be 200 μm to 220 μm.

次に、空気極側のインターコネクタをスラリーコート法により成膜し、1250℃で2時間焼成した。なお、図6に示すように、空気極側のインターコネクタと固体電解質との接合距離(L’)は200μm〜220μmとなるよう形成した。   Next, the interconnector on the air electrode side was formed into a film by a slurry coating method, and fired at 1250 ° C. for 2 hours. As shown in FIG. 6, the bonding distance (L ′) between the air electrode side interconnector and the solid electrolyte was formed to be 200 μm to 220 μm.

次に、固体電解質の表面に空気極を成形し、1100℃で2時間焼成し、固体酸化物形燃料電池セルスタックを作製した。なお、支持体は、共焼成後の寸法で、外径10mm、肉厚1mmとした。作製した固体酸化物形燃料電池セルスタックは、燃料極の厚さが100μmであり、燃料極触媒層の厚さが10μmであり、反応抑制層の厚みが10μmであり、固体電解質の厚みが30μmであり、インターコネクタの厚みが15μmであり、空気極の厚みが20μmであった。また、支持体の外径は成膜していない個所をマイクロメータで測定した。各部材の厚みは作製したセルスタックのセルを切断して、断面を走査型電子顕微鏡(SEM)で30〜2000倍の任意の倍率にて3回観察し、得られた厚みの最大値と最小値を足して2で割ったものである。切断箇所は空気極を成膜した部分の中央部とした。また、得られた固体酸化物形燃料電池セルスタックについて、以下の各評価を行った。結果を表1に示す。   Next, an air electrode was formed on the surface of the solid electrolyte and fired at 1100 ° C. for 2 hours to produce a solid oxide fuel cell stack. The support had an outer diameter of 10 mm and a thickness of 1 mm as measured after co-firing. The prepared solid oxide fuel cell stack had a fuel electrode thickness of 100 μm, an anode catalyst layer thickness of 10 μm, a reaction suppression layer thickness of 10 μm, and a solid electrolyte thickness of 30 μm. The thickness of the interconnector was 15 μm, and the thickness of the air electrode was 20 μm. Further, the outer diameter of the support was measured with a micrometer at a portion where no film was formed. The thickness of each member is obtained by cutting the prepared cell stack cell and observing the cross section three times with a scanning electron microscope (SEM) at an arbitrary magnification of 30 to 2000 times, and the maximum value and the minimum value of the obtained thickness Add the value and divide by two. The cut portion was at the center of the portion where the air electrode was formed. Moreover, each following evaluation was performed about the obtained solid oxide fuel cell stack. The results are shown in Table 1.

実施例2
実施例1に対して、燃料極側および空気極側のインターコネクタ双方を、固体電解質との接合距離が40μm〜60μmになるよう形成した以外は同様に行い、固体酸化物形燃料電池セルスタックを得た。得られた固体酸化物形燃料電池セルスタックについて、以下の各評価を行った。結果を表1に示す。
Example 2
The solid oxide fuel cell stack is prepared in the same manner as in Example 1 except that both the fuel electrode side and air electrode side interconnectors are formed so that the bonding distance with the solid electrolyte is 40 μm to 60 μm. Obtained. Each evaluation below was performed about the obtained solid oxide fuel cell stack. The results are shown in Table 1.

比較例1
例えば図7に示すように、実施例1に対して、燃料極側のインターコネクタを成膜せず、積層成形体を共焼成した後に、空気極側のインターコネクタを成膜、焼成した以外は同様に行い、固体酸化物形燃料電池セルスタックを得た。インターコネクタと固体電解質との接合距離は5〜10μmとなるように形成した。得られた固体酸化物形燃料電池セルスタックについて、以下の各評価を行った。結果を表1に示す。
Comparative Example 1
For example, as shown in FIG. 7, after forming the inter-connector on the fuel electrode side without forming the film on the fuel electrode side and co-firing the laminated molded body in Example 1, the inter-connector on the air electrode side is formed and formed. The same procedure was followed to obtain a solid oxide fuel cell stack. The bonding distance between the interconnector and the solid electrolyte was formed to be 5 to 10 μm. Each evaluation below was performed about the obtained solid oxide fuel cell stack. The results are shown in Table 1.

比較例2
例えば図7に示すように、実施例1に対して、燃料極側のインターコネクタを成膜せず、積層成形体を共焼成した後に、空気極側のインターコネクタを成膜、焼成した以外は同様に行い、固体酸化物形燃料電池セルスタックを得た。インターコネクタと固体電解質との接合距離は20〜30μmとなるように形成した。得られた固体酸化物形燃料電池セルスタックについて、以下の各評価を行った。結果を表1に示す。
Comparative example 2
For example, as shown in FIG. 7, after forming the inter-connector on the fuel electrode side without forming the film on the fuel electrode side and co-firing the laminated molded body in Example 1, the inter-connector on the air electrode side is formed and formed. The same procedure was followed to obtain a solid oxide fuel cell stack. The bonding distance between the interconnector and the solid electrolyte was formed to be 20 to 30 μm. Each evaluation below was performed about the obtained solid oxide fuel cell stack. The results are shown in Table 1.

評価
(OCVの測定)
得られた固体酸化物形燃料電池セルスタックを用いて、発電試験を行った。燃料極側の集電は、燃料極の露出部に集電金属を銀ペーストで張り合わせて焼き付けた。空気極側の集電は、隣接する燃料極の露出部に集電金属を銀ペーストで張り合わせて焼き付けた。
Evaluation (measurement of OCV)
A power generation test was performed using the obtained solid oxide fuel cell stack. The current collection on the fuel electrode side was performed by bonding a current collection metal to the exposed portion of the fuel electrode with silver paste and baking it. The current collection on the air electrode side was performed by bonding a current collection metal to the exposed part of the adjacent fuel electrode with silver paste and baking it.

以下の発電条件で発電試験を行い、運転0時間後の起電力;OCV(V)を測定した。結果を表1に示す。
燃料ガス:(H+3%HO)とNの混合ガス(混合比はH:N=7:4(vol:vol))
酸化ガス:空気
運転温度:700℃
A power generation test was conducted under the following power generation conditions, and an electromotive force at 0 hours after operation; OCV (V) was measured. The results are shown in Table 1.
Fuel gas: mixed gas of (H 2 + 3% H 2 O) and N 2 (mixing ratio is H 2 : N 2 = 7: 4 (vol: vol))
Oxidizing gas: air Operating temperature: 700 ° C

(限界燃料利用率の測定)
上述の発電試験の条件において、電流密度0.4A/cmにて通電し発電試験を行った。その後、燃料ガスの供給量を徐々に減らし、電位が急降下する直前の水素供給量を測定し、次式から限界燃料利用率を算出した。結果を表1に示す。
限界燃料利用率=(発電に使用される水素量)/(電位が急降下する直前の水素供給量)×100
なお、発電に使用される水素量は、電流量(C/s)×60(s)×22.4(L/mol)÷ファラデー定数(C/mol)×1/2(価数)×発電素子数で求められる。
(Measurement of marginal fuel utilization rate)
Under the conditions of the above-mentioned power generation test, the power generation test was conducted by passing a current density of 0.4 A / cm 2 . After that, the amount of fuel gas supplied was gradually reduced, the amount of hydrogen supplied immediately before the potential dropped sharply, and the limit fuel utilization rate was calculated from the following equation. The results are shown in Table 1.
Limit fuel utilization rate = (amount of hydrogen used for power generation) / (amount of hydrogen supply just before the potential drops sharply) x 100
The amount of hydrogen used for power generation is the amount of current (C / s) × 60 (s) × 22.4 (L / mol) / Faraday constant (C / mol) × 1/2 (valence) × power generation It can be determined by the number of elements.

Figure 0006524756
Figure 0006524756

10:発電素子、210:固体酸化物形燃料電池セルスタック、301:支持体、302:燃料極、303:インターコネクタ、304:固体電解質、305:空気極 10: power generation element, 210: solid oxide fuel cell stack, 301: support, 302: fuel electrode, 303: interconnector, 304: solid electrolyte, 305: air electrode

Claims (6)

支持体と、
当該支持体の表面に、燃料極、固体電解質および空気極が少なくとも順次積層されてなる複数の発電素子と、
前記複数の発電素子のうちの隣接する一方の発電素子の空気極と、他方の発電素子の燃料極とを電気的に接続するインターコネクタと
を少なくとも有し、前記複数の発電素子が直列に接続されてなる固体酸化物形燃料電池セルスタックであって、
前記一方の発電素子の空気極の下に設けられた前記インターコネクタの下に、当該インターコネクタと接合するように一方の発電素子の固体電解質を設け、かつ、前記他方の発電素子の燃料極の上に設けられた前記インターコネクタの上に、当該インターコネクタと接合するように他方の発電素子の固体電解質を設けてなる、固体酸化物形燃料電池セルスタック。
A support,
A plurality of power generation elements in which a fuel electrode, a solid electrolyte and an air electrode are at least sequentially stacked on the surface of the support;
At least an interconnector that electrically connects the air electrode of one of the plurality of power generation elements adjacent to the other power generation element and the fuel electrode of the other power generation element, and the plurality of power generation elements are connected in series A solid oxide fuel cell stack formed by
Under the interconnector provided under the air electrode of the one power generation element, the solid electrolyte of one power generation element is provided to be joined to the interconnector, and the fuel electrode of the other power generation element A solid oxide fuel cell stack, wherein a solid electrolyte of the other power generation element is provided on the interconnector provided thereon so as to be joined to the interconnector.
前記一方の発電素子の固体電解質および前記他方の発電素子の固体電解質各々と前記インターコネクタとの接合距離が、前記固体電解質の厚みの2倍以上である、請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池セルスタック。   The solid oxide type according to claim 1, wherein a bonding distance between each of the solid electrolyte of the one power generation element and the solid electrolyte of the other power generation element and the interconnector is twice or more the thickness of the solid electrolyte. Fuel cell stack. 前記一方の発電素子の空気極の下かつ前記インターコネクタの下に設けられた前記一方の発電素子の固体電解質の下に、当該一方の発電素子の固体電解質と接合するように前記インターコネクタをさらに設けてなる、請求項1または2に記載の固体酸化物形燃料電池セルスタック。   The interconnector is further coupled to the solid electrolyte of the one power generation element under the air electrode of the one power generation element and the solid electrolyte of the one power generation element provided under the interconnector. The solid oxide fuel cell stack according to claim 1 or 2, which is provided. 前記他方の発電素子の燃料極の上かつ前記インターコネクタの上に設けられた前記他方の発電素子の固体電解質の上に、当該他方の発電素子の固体電解質と接合するように前記インターコネクタをさらに設けてなる、請求項1〜3のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池セルスタック。   Further, on the solid electrolyte of the other power generation element provided on the fuel electrode of the other power generation element and on the interconnector, the interconnector is further joined to be bonded to the solid electrolyte of the other power generation element The solid oxide fuel cell stack according to any one of claims 1 to 3, which is provided. 前記一方の発電素子の固体電解質および前記他方の発電素子の固体電解質と前記インターコネクタとがストロンチウムを含み、当該各固体電解質に含まれるストロンチウムの量よりも当該インターコネクタに含まれるストロンチウムの量の方が多い、請求項1〜4のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池セルスタック。   The solid electrolyte of the one power generation element, the solid electrolyte of the other power generation element, and the interconnector contain strontium, and the amount of strontium contained in the interconnector is more than the amount of strontium contained in each solid electrolyte. The solid oxide fuel cell stack according to any one of claims 1 to 4, wherein 前記インターコネクタが、SrLaTiO3−δ(ただし、xおよびyは、0.8≦x+y≦1.0、および0.01<y≦0.1を満たす正の実数である。)で表されるペロブスカイト型酸化物からなるものである、請求項1〜5のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池セルスタック。 The interconnector, Sr x La y TiO 3- δ ( here, x and y are positive real number satisfying 0.8 ≦ x + y ≦ 1.0, and 0.01 <y ≦ 0.1.) The solid oxide fuel cell stack according to any one of claims 1 to 5, wherein the solid oxide fuel cell stack comprises a perovskite oxide represented by
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