JP6712119B2 - 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、良好なガスシール性および固体電解質との密着性を有し、とりわけ導電性および酸化物イオン絶縁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 having good gas sealing properties and adhesion to a solid electrolyte, and particularly excellent in conductivity and oxide ion insulation.

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。 Unlike a heat engine that uses the process of thermal energy or kinetic energy, a fuel cell causes a fuel such as natural gas or hydrogen to react with oxygen in the air through a solid electrolyte, and continuously reacts with the chemical energy of the fuel. Is an energy converter that directly obtains electrical energy. Among them, the solid oxide fuel cell is a fuel cell that operates using a solid oxide (ceramic) as a solid electrolyte and using a fuel electrode as a negative electrode and an air electrode as a positive electrode. Further, the solid oxide fuel cell is known to have an advantage that high energy conversion efficiency can be obtained.

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 solid oxide fuel cell has a small output per unit cell, a plurality of unit cells are connected in series to increase the output to generate electricity. A member that electrically connects adjacent unit cells is called an interconnector. An interconnector using ceramics (hereinafter also referred to as a ceramic interconnector) is known as a material thereof. As a characteristic of the ceramic interconnector, 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, a ceramic interconnector cannot have sufficient conductivity unless it has 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 it is attempted to form such a thin ceramic interconnector on the surface of the porous electrode (fuel electrode or air electrode), it becomes porous. There is a risk that the ceramic interconnector will be taken into the wrong electrode. As a result, the ceramic interconnector may not be formed, or even if it is formed, the gas may not be sufficiently sealed because it is 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。 When 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 is mixed with air, which is not preferable. In order to improve the gas sealability of the ceramic interconnector, it is necessary to increase the denseness of the ceramic interconnector, and it is necessary to sinter the ceramic interconnector densely. In addition, when the conductivity of the ceramic interconnector is low, the resistance of the ceramic interconnector increases, and the output of the fuel cell decreases. Further, when the oxide ion insulation of the ceramic interconnector is low, oxide ions leak from the air electrode side of the ceramic interconnector to the fuel electrode side, and the efficiency of the fuel cell decreases. In addition, if the adhesion between the solid electrolyte and the ceramic interconnector is low, a gap such as a crack is created between the solid electrolyte and the ceramic interconnector, and the fuel gas leaks from this 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。 A lanthanum chromite (LaCrO 3 ) based interconnector is widely used as a material for the ceramic interconnector. This LaCrO 3 -based interconnector is generally known to have high conductivity but is difficult to sinter. Further, since it contains chromium (Cr), 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。 Further, as a material for the ceramic interconnector, an SLT-based interconnector represented by SrLaTiO 3 −δ is widely used. It is known that this SLT-based interconnector has lower conductivity but better sinterability than the LaCrO 3 -based interconnector. The SLT-based interconnector, for example, replaces the Sr site in the crystal lattice of SrTiO 3 that is an insulator with lanthanum (La) to obtain SrLaTiO 3 −δ (SLT), thereby forming SrLaTiO 3 −δ (SLT). The conductivity is expressed by changing part of Ti 4+ of the Ti site in the crystal lattice to Ti 3+ . Note that δ is a value that is determined so as to satisfy the charge neutral condition.

特開2013-030270号公報(特許文献1)には、チタン酸ストロンチウムを含むインターコネクタを、NiOなどの遷移金属酸化物を含む基材と一体焼成した場合、基材に含まれる遷移金属成分が拡散することで、電荷補償によって導電キャリアが減少し、インターコネクタの導電性が低下してしまうことが報告されている。 JP-A-2013-030270 (Patent Document 1) discloses that when an interconnector containing strontium titanate is integrally fired with a base material containing a transition metal oxide such as NiO, the transition metal component contained in the base material is It has been reported that the diffusion causes a decrease in conductive carriers due to charge compensation, resulting in a decrease in conductivity of the interconnector.

また、特開2010-212036号公報(特許文献2)には、電池性能を低下させる元素を含まず、低い還元膨張性と高い導電率とを両立できるインターコネクタの形成を目的として、還元膨張率が段階的に上昇又は低下するように、還元膨張率が異なる部分をLa1−xSrTi1−yFe3−δで表わされるペロブスカイト型酸化物(LSTF酸化物)を用いて組成の異なる2層構造とすることが記載されている。また、この文献によれば、組成の異なる2種のLSTF酸化物を加圧焼成により拡散接合させて2層構造の組成傾斜型インターコネクタを作製したことが記載されている。 Further, Japanese Patent Laid-Open No. 2010-212036 (Patent Document 2) does not contain an element that deteriorates battery performance, and has a reduced expansion coefficient for the purpose of forming an interconnector capable of achieving both low expansion coefficient and high conductivity. So as to increase or decrease in a stepwise manner, a portion having a different reduction expansion coefficient is composed by using a perovskite type oxide (LSTF oxide) represented by La 1-x Sr x Ti 1-y Fe y O 3-δ. It is described that a two-layer structure different from each other is used. Further, according to this document, it is described that two kinds of LSTF oxides having different compositions are diffusion-bonded by pressure firing to manufacture a composition-graded interconnector having a two-layer structure.

しかしながら、本発明者らが知得したところによれば、特許文献2に記載のインターコネクタは鉄の組成比が高いため、酸化物イオン伝導性を発現し、インターコネクタとしての使用は困難である。よって、上記いずれの文献も、とりわけ導電性および酸化物イオン絶縁性が良好な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, according to the knowledge of the present inventors, the interconnector described in Patent Document 2 has a high iron composition ratio, so that it exhibits oxide ion conductivity and is difficult to use as an interconnector. .. Therefore, none of the above documents has realized the manufacture of a solid oxide fuel cell stack having a ceramic interconnector having particularly excellent conductivity and oxide ion insulation.

特開2013-030270号公報JP 2013-030270 JP 特開2010-212036号公報JP 2010-212036 JP

本発明者らの行った実験によれば、SLTのチタン(Ti)サイトを導電キャリアとしての鉄(Fe)で置換することによりニッケル(Ni)がSLTに固溶しても導電性が低下しにくいことが見出された。その一方で、TiサイトをFeで置換することにより酸素欠損が生じ、酸化物イオン伝導性が発現してしまう。その結果、酸化物イオンのリークによって燃料が消費され、発電効率が下がることが見出された。 According to the experiments conducted by the present inventors, the substitution of the titanium (Ti) site of the SLT with iron (Fe) as a conductive carrier reduces the conductivity even when nickel (Ni) is solid-solved in the SLT. It was found to be difficult. On the other hand, by replacing the Ti site with Fe, oxygen deficiency occurs and the oxide ion conductivity is developed. As a result, it was found that the leakage of oxide ions consumes the fuel and lowers the power generation efficiency.

本発明者らは、今般、Feを置換したSLTのTiサイトをニオブ(Nb)でさらに置換することにより、酸素欠損による酸化物イオン伝導性の発現を抑制できるとの知見を得た。また、SLTに置換するFeおよびNbを特定の組成比とすることにより、Niの固溶によるインターコネクタの導電性の低下を抑制しつつ、Feの置換による酸化物イオン伝導性の発現をも抑制できる(すなわち、酸化物イオン絶縁性を得る)との知見を得た。本発明はこれらの知見に基づくものである。 The present inventors have now found that the expression of oxide ion conductivity due to oxygen deficiency can be suppressed by further substituting the Ti site of Fe-substituted SLT with niobium (Nb). Further, by making Fe and Nb substituting for SLT have a specific composition ratio, it is possible to suppress the decrease in the conductivity of the interconnector due to the solid solution of Ni and also suppress the development of the oxide ion conductivity due to the substitution of Fe. It was found that it was possible (that is, the oxide ion insulating property was obtained). The present invention is based on these findings.

従って、本発明は、とりわけ導電性および酸化物イオン絶縁性が良好な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の提供をその目的としている。 Therefore, it is an object of the present invention to provide a solid oxide fuel cell having a ceramic interconnector which is particularly excellent in conductivity and oxide ion insulation.

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、
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、
前記インターコネクタが、下記式(1):
SrLaTi1−c−dNbFe3−δ 式(1)
(式中、a、b、cおよびdは、0.1≦a≦0.8、0.1≦b≦0.8、0.05≦c≦0.2、および0.2≦d≦0.5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を特徴とするものである。
And, the solid oxide fuel cell stack according to the present invention,
A plurality of power generation elements in which a fuel electrode, a solid electrolyte and an air electrode are laminated at least sequentially,
At least an interconnector electrically connecting the air electrode of one adjacent power generating element of the plurality of power generating elements and the fuel electrode of the other power generating element, and the plurality of power generating elements are connected in series. A solid oxide fuel cell stack comprising:
The interconnector has the following formula (1):
Sr a La b Ti 1-c -d Nb c Fe d O 3-δ (1)
(Where a, b, c and d are 0.1≦a≦0.8, 0.1≦b≦0.8, 0.05≦c≦0.2, and 0.2≦d≦ It is a positive real number that satisfies 0.5.)
It is characterized by comprising a perovskite type oxide represented by.

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。1 is a front view of a horizontal stripe type solid oxide fuel cell stack according to the present invention. 本発明による縦縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックを構成する縦縞型固体酸化物形燃料電池セルユニットの部分断面図である。FIG. 3 is a partial cross-sectional view of a vertical stripe type solid oxide fuel cell unit forming a vertical stripe solid oxide fuel cell stack according to the present invention. 本発明による縦縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックを示す斜視図である。1 is a perspective view showing a vertical stripe type 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FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the vicinity of a power generation element that constitutes a 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の一つの態様である。1 is one embodiment of a 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を接続するインターコネクタのSEM写真である。3 is an SEM photograph of an interconnector for connecting power generating elements that form a 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の製造工程を示すフローチャート図である。It is a flowchart figure which shows the manufacturing process of 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各製造工程において形成される、隣接する2つの発電素子を含む領域部分の断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of a region portion including two adjacent power generation elements formed in each manufacturing process of the 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の各製造工程において形成される、隣接する2つの発電素子を含む領域部分の断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of a region portion including two adjacent power generation elements formed in each manufacturing process of the solid oxide fuel cell stack according to the present invention.

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、インターコネクタの組成が後記する要件を満たすものであること以外は、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、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 is a plurality of power generations in which a fuel electrode, a solid electrolyte and an air electrode are at least sequentially laminated, except that the composition of the interconnector satisfies the requirements described below. In the art, it is usually a solid oxide form comprising at least an element and the interconnector for electrically connecting the air electrode of one of these adjacent power generating elements and the fuel electrode of the other power generating element. Meaning the same as what is classified or understood as a fuel cell stack. The shape of the solid oxide fuel cell stack according to the present invention is not limited, and may be, for example, a cylindrical shape or a hollow plate shape having a plurality of gas passages 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、いわゆる縦縞型固体酸化物形燃料電池および横縞型固体酸化物形燃料電池の双方を包含する。本発明において、縦縞型固体酸化物形燃料電池とは、1つの支持体の表面に1つ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。なお、支持体は、燃料極又は空気極を兼ねていても良い。例えば、支持体として機能する燃料極の表面に固体電解質、および空気極が順次積層された固体酸化物形燃料電池が挙げられる。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 present invention includes both so-called vertical stripe solid oxide fuel cells and horizontal stripe solid oxide fuel cells. In the present invention, the vertical stripe type solid oxide fuel cell means a solid oxide fuel cell in which one power generating element is formed on the surface of one support. The support may also serve as the fuel electrode or the air electrode. For example, a solid oxide fuel cell in which a solid electrolyte and an air electrode are sequentially laminated on the surface of a fuel electrode which functions as a support is mentioned. 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 generating 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 of the present invention is not limited to a particular one, and the manufacturing method thereof and other materials constituting the solid oxide fuel cell system are all known ones. 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 laminated body in which a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are sequentially laminated.

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していてもよい。縦縞型固体酸化物形燃料電池である場合は、支持体を有していてもよく、有していなくてもよい。横縞型固体酸化物形燃料電池である場合は、支持体を有する。支持体を有する場合、支持体の表面に燃料極、固体電解質、および空気極が順次積層された発電素子が形成される。横縞型固体酸化物形燃料電池である場合、支持体の表面に複数の発電素子が直列に形成される。
Support The solid oxide fuel cell stack according to the present invention may have a support. In the case of a vertical stripe type solid oxide fuel cell, it may or may not have a support. In the case of a horizontal stripe type solid oxide fuel cell, it has a support. In the case of having a support, a power generation element in which a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are sequentially laminated on the surface of the support is formed. In the case of the horizontal stripe type solid oxide fuel cell, a plurality of power generating elements are formed in series on the surface of the support.

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。 In the present invention, such a support is particularly limited as long as it is porous, has gas permeability, has mechanical strength for supporting the power generation element, and has electrical insulation properties. It can be used without being used. As the 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 0.5-2 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 laminated body 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 laminated body in which at least an air electrode as an inner electrode, a solid electrolyte, and a fuel electrode as an outer electrode are laminated.

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 aspect of the present invention, the inner electrode is a fuel electrode. The reason is as follows. That is, the support and the current collecting layer have a porous structure with good gas permeability. The support needs to hold the structure of the power generating element. Therefore, the support is thicker than the current collecting layer which is required only to have conductivity. That is, the support tends to have a lower gas permeability than the current collecting layer. Further, 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 more difficult to permeate the support than hydrogen, permeates, so that the gas diffusion overvoltage is lower than that when the inner electrode is the fuel electrode. growing. As a result, the power generation performance tends to decrease. Therefore, the power generation performance is better when the inner electrode is the fuel electrode. When the inner electrode is the fuel electrode, the outer electrode is the 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。また、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 permeating fuel gas, catalytic activity (electrode activity) for adsorbing hydrogen, conductivity, and oxide ion conductivity. The porosity of the fuel electrode may be smaller 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。 Examples of the material forming such a fuel electrode include NiO/zirconium-containing oxides and NiO/cerium-containing oxides, and at least one of them is contained. Here, the NiO/zirconium-containing oxide means a mixture of NiO and zirconium-containing oxide uniformly in a predetermined ratio. Further, the NiO/cerium-containing oxide means a mixture of NiO and cerium-containing oxide uniformly at a predetermined ratio. Examples of the zirconium-containing oxide of the NiO/zirconium-containing oxide include zirconium-containing oxide doped with one or more of CaO, Y 2 O 3 , and Sc 2 O 3 . The cerium-containing oxide of NiO / cerium-containing oxide represented by the 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 a combination of at least one of them, such as 0.05≦y≦0.50). Since NiO is reduced to Ni in a fuel atmosphere, the oxides become Ni/zirconium-containing oxide or Ni/cerium-containing oxide, 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。また、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 have a single layer or multiple layers. As an example of the case where the inner electrode is a multi-layer fuel electrode, Ni/YSZ (yttria-stabilized zirconia) is used on the support side and Ni/GDC(Gd 2 O 3 -CeO 2 ) (that is, A fuel electrode catalyst layer) is used. The preferable thickness of the fuel electrode is 10 to 200 μm. The preferable thickness of the fuel electrode 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。また、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 allowing oxygen to permeate, catalytic activity (electrode activity) for adsorbing or ionizing oxygen, electrical conductivity, and oxide ion conductivity. Further, the porosity and conductivity of the air electrode may be smaller than those 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 forming such an air electrode, 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) are used. 0.6) lanthanum cobalt oxides such as, LaSrFeO 3 system and the LaSrCoO 3 based solid solution in which lanthanum ferrite oxide (La 1-m Sr m Co 1-n Fe n O 3 ( where 0.05 <m<0.50, 0<n<1)) and the like. The air electrode may have a single layer or multiple layers. As an example of the case where the outer electrode is a multi-layered air electrode, La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 (that is, the air electrode catalyst layer) is used on the solid electrolyte side, and La 0.6 Sr 0.4 Co 0.8 Fe 0.2 O 3 (that is, the air electrode) can be used for the surface layer. The preferable 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. Examples of the material that constitutes such a solid electrolyte include lanthanum gallate-based oxides and stabilized zirconia in which one or more kinds selected from Y, Ca, and Sc as solid solution species are solid-dissolved. 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 (However, 0.05≦a≦0.3, 0<b<0.3, 0≦c≦0.15, δ is a value determined so as to satisfy the charge neutral condition) It is a system oxide (LSGM). LSGM expresses oxide ion conductivity by substituting Sr for the La site based on LaGaO 3 . The solid electrolyte may be a single layer or multiple layers. When the solid electrolyte is a multi-layer, for example, a reaction suppressing layer can be provided between the fuel electrode and the solid electrolyte composed of LSGM. Specific examples of the reaction suppressing layer include ceria (Ce 1-x La x O 2 (provided that 0.3<x<0.5)) in which La is solid-dissolved. It is preferably Ce 0.6 La 0.4 O 2 . The preferred thickness of the solid electrolyte is 5 to 60 μm. The preferable thickness of the reaction suppressing layer is 0 to 20 μm.

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 has a current collection layer that electrically connects the outer electrode and the interconnector. This current collecting 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 collecting layer is a conductive paste containing a noble metal such as Ag or Pt, or 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 . Further, when the outer electrode is a fuel electrode, the current collecting layer can be formed by baking a metal oxide such as NiO or Ni, or a paste containing a metal, which is reduced to obtain conductivity. Further, the current collecting layer preferably has a structure such as a porous structure or a mesh in order to obtain gas permeability. The preferable thickness of the current collecting layer is 10 to 200 μm.

インターコネクタ
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。本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックが有してなるインターコネクタは、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。このインターコネクタは、下記式(1):
SrLaTi1−c−dNbFe3−δ 式(1)
(式中、a、b、cおよびdは、0.1≦a≦0.8、0.1≦b≦0.8、0.05≦c≦0.2、および0.2≦d≦0.5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。ここで、「からなる」とは、インターコネクタの主成分が前記式(1)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式(1)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。主成分とは、インターコネクタにおいて、前記前記式(1)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式(1)で表されるペロブスカイト型酸化物のみからなる。
Interconnector In the present invention, the interconnector means a ceramic interconnector. An interconnector included in a solid oxide fuel cell stack according to the present invention electrically connects an air electrode of one adjacent power generating element among a plurality of power generating elements and a fuel electrode of the other power generating element. Connecting. This interconnector has the following formula (1):
Sr a La b Ti 1-c -d Nb c Fe d O 3-δ (1)
(Where a, b, c and d are 0.1≦a≦0.8, 0.1≦b≦0.8, 0.05≦c≦0.2, and 0.2≦d≦ It is a positive real number that satisfies 0.5.)
It is composed of a perovskite type oxide represented by. Here, “consisting of” means that the main component of the interconnector is a perovskite type oxide represented by the above formula (1). That is, it does not exclude a mode in which the interconnector contains other components, for example, a diffusion element described later. In other words, the interconnector contains the perovskite type oxide represented by the above formula (1) as a main component. The main component means that the interconnector contains 80 mol% or more of the perovskite type oxide represented by the above formula (1). The content is preferably 90 mol% or more, more preferably 95 mol% or more. Even more preferably, the interconnector is composed only of the perovskite type oxide represented by the above formula (1).

本発明において、前記式(1)で表されるペロブスカイト型酸化物は、SLTのTiサイトが導電キャリアとしてFeで置換されている。Feは燃料極に含まれるNiと反応しないため、Feで置換されたSLTにNiが固溶してもその導電性は低下しない。一方、Feで置換されたSLTは、TiサイトがFeで置換されることにより酸素欠損が生じ、酸化物イオン伝導性が発現してしまう傾向がある。しかし、本発明のインターコネクタに含まれる前記式(1)で表されるペロブスカイト型酸化物において、Feで置換されたSLTのTiサイトに4価のTiよりも原子価が高い5価のNbがさらに置換されているため、酸素欠損による酸化物イオン伝導性の発現を抑制することができる。つまり、SLTのTiサイトをFeで置換することで導電性を向上し、さらにFeで置換されたSLTのTiサイトをNbで置換することで酸化物イオン伝導性の発現を抑制することができる。これにより、導電性と酸化物イオン絶縁性とを両立できるインターコネクタを得ることができる。 In the present invention, in the perovskite type oxide represented by the above formula (1), the Ti site of SLT is substituted with Fe as a conductive carrier. Since Fe does not react with Ni contained in the fuel electrode, its conductivity does not decrease even if Ni is solid-dissolved in SLT substituted with Fe. On the other hand, in the SLT substituted with Fe, there is a tendency that oxygen deficiency occurs due to the substitution of the Ti site with Fe and the oxide ion conductivity is exhibited. However, in the perovskite type oxide represented by the above formula (1) contained in the interconnector of the present invention, pentavalent Nb having a higher valence than tetravalent Ti is contained in the Ti site of SLT substituted with Fe. Further, since it is substituted, the expression of oxide ion conductivity due to oxygen deficiency can be suppressed. That is, the conductivity can be improved by substituting the Ti site of SLT with Fe, and the expression of oxide ion conductivity can be suppressed by substituting the Ti site of SLT substituted with Fe with Nb. This makes it possible to obtain an interconnector having both conductivity and oxide ion insulation.

SrおよびLaの組成比は、0.1≦a≦0.8、0.1≦b≦0.8の範囲で、酸素量(3−δ)が3.00以下となる組成で構成される。これにより、気孔率が低い、緻密な膜を得ることができる。また、安定なペロブスカイト構造を保つことができ、LaTiのような不純物相が生成されず、焼結阻害による緻密性不良を起こさない。本発明のインターコネクタは、より好ましくは、SrおよびLaの各組成が、酸素量が2.95以上3.00以下となる組成で構成される。酸素量が2.95以上であることにより、安定なペロブスカイト構造を保つことができ、TiOのような不純物相が生成されず、焼結阻害による緻密性不良を起こさない。 The composition ratio of Sr and La is within the range of 0.1≦a≦0.8 and 0.1≦b≦0.8, and the oxygen content (3-δ) is 3.00 or less. .. As a result, a dense film having a low porosity can be obtained. In addition, a stable perovskite structure can be maintained, an impurity phase such as La 2 Ti 2 O 7 is not generated, and compactness failure due to sintering inhibition does not occur. More preferably, the interconnector of the present invention is configured such that each composition of Sr and La has an oxygen content of 2.95 or more and 3.00 or less. When the amount of oxygen is 2.95 or more, a stable perovskite structure can be maintained, an impurity phase such as TiO 2 is not generated, and poor compactness due to sintering inhibition does not occur.

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。インターコネクタにおいて、前記式(1)で表されるペロブスカイト型酸化物は、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。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、上述したように固体電解質は、一般式La1−aSraGa1−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。 In the present invention, it is preferable 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. In the interconnector, the perovskite type oxide represented by the above formula (1) preferably contains 30 mol% or more and 50 mol% or less of strontium in the composition in terms of elements excluding oxygen. The solid electrolyte preferably contains 15 mol% or less of strontium in the composition, more preferably 2.5 mol% or more and 15 mol% or less, in terms of elements excluding oxygen. That is, as described above, the solid electrolyte has a general formula of La 1-a Sr a Ga 1-b-c Mg b Co c O 3-δ (where 0.05≦a≦0.3 and 0<b<0. 0.3, 0≦c≦0.15, δ is a value determined so as to satisfy the charge neutrality condition), and it is preferable to include a lanthanum gallate-based oxide (LSGM).

本発明において、前記式(1)で表されるペロブスカイト型酸化物のNbおよびFeの各組成比は、0.05≦c≦0.2、0.2≦d≦0.5であり、さらに好ましい範囲は、0.1≦c≦0.2、0.2≦d≦0.4である。Tiの組成比は1−c−dで求められる。 In the present invention, the composition ratios of Nb and Fe of the perovskite type oxide represented by the formula (1) are 0.05≦c≦0.2 and 0.2≦d≦0.5, and The preferred ranges are 0.1≦c≦0.2 and 0.2≦d≦0.4. The composition ratio of Ti is calculated by 1-cd.

本発明において、前記式(1)で表されるペロブスカイト型酸化物は、Feの組成比が特定の範囲に制御されている。これにより、焼成時における固体電解質への元素拡散を制御しつつ、固体電解質との良好な密着性と、良好な導電性とを両立している。さらに、FeとNbの組成比を特定の範囲とすることにより、より優れた固体電解質との密着性および導電性を実現している。 In the present invention, the composition ratio of Fe in the perovskite type oxide represented by the formula (1) is controlled within a specific range. This makes it possible to achieve both good adhesion to the solid electrolyte and good conductivity while controlling element diffusion into the solid electrolyte during firing. Further, by setting the composition ratio of Fe and Nb within a specific range, more excellent adhesion and conductivity with the solid electrolyte are realized.

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 include, as an unavoidable component, an element diffused from another member, that is, the fuel electrode, the air electrode and the solid electrolyte into the interconnector during firing. Examples of such elements include Ni, Y, Gd, Ce, Zr, La, Sr, Ga, Mg, Co and Fe. The amount of the diffused element varies depending on the constituent material of each member, the crystal structure, the firing temperature, the firing mode (eg, sequential firing or co-firing), and the like.

本発明の好ましい態様によれば、インターコネクタは、その厚さ方向に、前記式(1)に示される組成範囲内の組成勾配を有するものである。これにより、導電性および酸化物イオン絶縁性を両立することができる。 According to a preferred aspect of the present invention, the interconnector has a composition gradient in the composition range represented by the formula (1) in the thickness direction. This makes it possible to achieve both conductivity and oxide ion insulation.

インターコネクタにおいて、ペロブスカイト型酸化物が含まれているか否かは、X線回折装置(XRD)を用いてインターコネクタを分析することにより、判断することができる。 Whether or not the perovskite oxide is contained in the interconnector can be determined by analyzing the interconnector using an X-ray diffractometer (XRD).

インターコネクタに含まれるペロブスカイト型酸化物の組成および割合は、以下の方法にて得ることができる。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切り出し、収束イオンビーム−走査型電子顕微鏡(Focused Ion Beam‐Scanning Electron Microscope。以下、FIB−SEMという)を用いて厚みが100nm〜200nmの薄膜に加工する。これを走査透過型電子顕微鏡−エネルギー分散型X線分光法(Scanning Transmission Electron Microscope−Energy Dispersive X−ray spectrometry。以下、STEM−EDXという)により評価することで元素マッピングを得る。この元素マッピングを、薄膜近似法を用いて定量分析することでインターコネクタに含まれるペロブスカイト型酸化物の組成および割合を得ることができる。 The composition and proportion of the perovskite type oxide contained in the interconnector can be obtained by the following method. An interconnector was cut out from the produced solid oxide fuel cell stack, and a thin film having a thickness of 100 nm to 200 nm was obtained by using a focused ion beam-scanning electron microscope (hereinafter, referred to as FIB-SEM). To process. This is evaluated by a scanning transmission electron microscope-energy dispersive X-ray spectroscopy (Scanning Transmission Electron Microscope-Energy Dispersive X-ray spectroscopy. Hereinafter, referred to as STEM-EDX) to obtain an element mapping. By quantitatively analyzing this elemental mapping using the thin film approximation method, the composition and proportion of the perovskite type oxide contained in the interconnector can be obtained.

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、インターコネクタと一方の発電素子の固体電解質との間及び/又はインターコネクタと他方の発電素子の固体電解質との間に酸化物イオン絶縁部を有し、かつこの酸化物イオン絶縁部がインターコネクタと一方の発電素子の固体電解質及び/又は他方の発電素子の固体電解質とに接していることが好ましい。これにより、酸化物イオンのリークを抑制することができ、その結果、発電素子の発電出力を向上することができる。この酸化物イオン絶縁部は、式(2):SrLaTiO3−δ(式中、xおよびyは、各々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。)を含むものであることが好ましい。これにより酸化物イオンのリークを抑制することが可能となる。 According to a preferred embodiment of the present invention, the solid oxide fuel cell stack has an oxidation between the interconnector and the solid electrolyte of one power generating element and/or between the interconnector and the solid electrolyte of the other power generating element. It is preferable to have a physical ion insulating portion, and the oxide ion insulating portion is in contact with the interconnector and the solid electrolyte of one power generating element and/or the solid electrolyte of the other power generating element. Thereby, leakage of oxide ions can be suppressed, and as a result, the power generation output of the power generation element can be improved. This oxide ion insulating part has the formula (2): Sr x La y TiO 3 −δ (where x and y are 0.8≦x+y≦1.0 and 0.01<y≦0. It is preferably a positive real number that satisfies 1.). This makes it possible to suppress leakage of oxide ions.

本発明の好ましい態様によれば、インターコネクタは、燃料極の表面に形成され、特定の組成を有する第一のインターコネクタ前駆体と、当該第一のインターコネクタ前駆体の表面に形成され、当該第一のインターコネクタ前駆体とは異なる特定の組成を有する第二のインターコネクタ前駆体とを共焼成することにより形成される。具体的には、焼成により、第一および第二のインターコネクタ前駆体各々に含まれる元素が相互に拡散し、インターコネクタが形成される。これにより、インターコネクタは、その厚さ方向に、前記式(1)に示される組成範囲内の組成勾配を有することができる。各インターコネクタ前駆体の組成、およびこれらの間で生じる元素の相互拡散については後述する。 According to a preferred aspect of the present invention, the interconnector is formed on the surface of the fuel electrode, has a first interconnector precursor having a specific composition, and is formed on the surface of the first interconnector precursor, It is formed by co-firing a first interconnector precursor and a second interconnector precursor having a specific composition different from that of the first interconnector precursor. Specifically, by firing, the elements contained in each of the first and second interconnector precursors are mutually diffused to form an interconnector. As a result, the interconnector can have a composition gradient in the composition range represented by the above formula (1) in the thickness direction. The composition of each interconnector precursor and the interdiffusion of elements between them will be described later.

第一のインターコネクタ前駆体
第一のインターコネクタ前駆体は、下記式(1’):SrLaTi1−c−dNbFe3−δ(式中、a、b、cおよびdは、0.1≦a≦0.8、0.1≦b≦0.8、0.1≦c≦0.3、および0.3≦d≦0.6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、第一のインターコネクタ前駆体の主成分が前記式(1’)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、第一のインターコネクタ前駆体がその他の成分、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、第一のインターコネクタ前駆体は前記式(1’)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、第一のインターコネクタ前駆体において、前記式(1’)で表されるペロブスカイト型酸化物が80mol%以上含んでなることを意味する。好ましくは90mol%以上、さらに好ましくは95mol%以上含んでなる。さらにより好ましくは、第一のインターコネクタ前駆体は前記式(1’)で表されるペロブスカイト型酸化物のみからなる。SrおよびLaの各組成比は、酸素量(3−δ)が3.00以下となる組成が好ましい。これにより、気孔率が低い、緻密な膜を得ることができる。また、安定なペロブスカイト構造を保つことができ、LaTiのような不純物相が生成されず、焼結阻害による緻密性不良を起こさない。
The first interconnector precursor first interconnector precursor represented by the following formula (1 '): Sr a La b Ti 1-c-d Nb c Fe d O 3-δ ( in formula, a, b, c And d are positive real numbers satisfying 0.1≦a≦0.8, 0.1≦b≦0.8, 0.1≦c≦0.3, and 0.3≦d≦0.6. It is preferably composed of a perovskite type oxide represented by Here, “consisting of” means that the main component of the first interconnector precursor is a perovskite type oxide represented by the above formula (1′). That is, it does not exclude an aspect in which the first interconnector precursor contains other components, for example, a diffusion element described later. In other words, the first interconnector precursor preferably contains the above formula (1′) as a main component. The main component means that the first interconnector precursor contains 80 mol% or more of the perovskite type oxide represented by the formula (1′). It is preferably 90 mol% or more, and more preferably 95 mol% or more. Even more preferably, the first interconnector precursor consists only of the perovskite type oxide represented by the above formula (1′). The composition ratio of Sr and La is preferably such that the oxygen amount (3-δ) is 3.00 or less. As a result, a dense film having a low porosity can be obtained. In addition, a stable perovskite structure can be maintained, an impurity phase such as La 2 Ti 2 O 7 is not generated, and compactness failure due to sintering inhibition does not occur.

本発明において、第一のインターコネクタ前駆体は、例えば製造工程において他の部材、すなわち燃料極、空気極、第二のインターコネクタ前駆体および固体電解質等から第一のインターコネクタ前駆体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、乾燥温度、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。元素拡散のメカニズムは後述する。 In the present invention, the first interconnector precursor is diffused into the first interconnector precursor from other members such as the fuel electrode, the air electrode, the second interconnector precursor and the solid electrolyte in the manufacturing process. Element may be included as an unavoidable component. Examples of such elements include Ni, Y, Gd, Ce, Zr, La, Sr, Ga, Mg, Co and Fe. The amount of the diffused element changes depending on the constituent material of each member, the crystal structure, the drying temperature, the firing temperature, the firing mode (for example, sequential firing or co-firing), and the like. The mechanism of element diffusion will be described later.

本発明の好ましい態様によれば、第一のインターコネクタ前駆体は、式(1’)において、SrおよびLaの各組成比が、酸素量が2.95以上3.00以下となる組成である。酸素量が2.95以上であることにより、安定なペロブスカイト構造を保つことができ、TiOのような不純物相が生成されず、焼結阻害による緻密性不良を起こさない。 According to a preferred aspect of the present invention, the first interconnector precursor has a composition such that the composition ratio of Sr and La in the formula (1′) is such that the oxygen content is 2.95 or more and 3.00 or less. .. When the amount of oxygen is 2.95 or more, a stable perovskite structure can be maintained, an impurity phase such as TiO 2 is not generated, and poor compactness due to sintering inhibition does not occur.

本発明の好ましい態様によれば、第一のインターコネクタ前駆体は、式(1’)において、NbおよびFeの各組成比は、0.1≦c≦0.3、0.3≦d≦0.6であり、さらに好ましい範囲は、0.1≦c≦0.25、0.3≦d≦0.5である。Tiの組成比は、1−c−dで求められる。 According to a preferred embodiment of the present invention, in the first interconnector precursor, in the formula (1′), the composition ratios of Nb and Fe are 0.1≦c≦0.3 and 0.3≦d≦. 0.6, and more preferable ranges are 0.1≦c≦0.25 and 0.3≦d≦0.5. The composition ratio of Ti is calculated by 1-cd.

第二のインターコネクタ前駆体
第二のインターコネクタ前駆体は、下記式(2):SrLaTiO3−δ(式中、xおよびyは、各々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、第二のインターコネクタ前駆体の主成分が前記式(2)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。第二のインターコネクタ前駆体がその他の成分、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、第二のインターコネクタ前駆体は前記式(2)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、第二のインターコネクタ前駆体において、前記式(2)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、第二のインターコネクタ前駆体は前記式(2)で表されるペロブスカイト型酸化物のみからなる。これにより、十分な緻密性と導電性を両立することができる。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とが好ましい。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。
Second interconnector precursor The second interconnector precursor has the following formula (2): Sr x La y TiO 3 −δ (where x and y are 0.8≦x+y≦1.0, respectively). And a positive real number satisfying 0.01<y≦0.1.) is preferable. Here, “consisting of” means that the main component of the second interconnector precursor is a perovskite type oxide represented by the above formula (2). It does not exclude an aspect in which the second interconnector precursor contains other components, for example, a diffusion element described below. In other words, it is preferable that the second interconnector precursor contains the above formula (2) as a main component. The main component means that the second interconnector precursor contains 80 mol% or more of the perovskite type oxide represented by the formula (2). The content is preferably 90 mol% or more, more preferably 95 mol% or more. Even more preferably, the second interconnector precursor consists only of the perovskite type oxide represented by the above formula (2). This makes it possible to achieve both sufficient compactness and conductivity. According to a more preferred embodiment of the present invention, it is preferable that the composition ratio of Sr and La satisfy the relationship of 0.8≦x+y≦0.9 and 0.01<y≦0.1. Thereby, the denseness can be further enhanced. Further, Ti may be replaced with Nb. Thereby, the conductivity can be further increased. As a preferable specific example of such an oxide, 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、第二のインターコネクタ前駆体は、例えば製造工程において他の部材、すなわち燃料極、空気極、第一のインターコネクタ前駆体および固体電解質等から第二のインターコネクタ前駆体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,Nb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、乾燥温度、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。元素拡散のメカニズムは後述する。 In the present invention, the second interconnector precursor is diffused into the second interconnector precursor from other members, such as the fuel electrode, the air electrode, the first interconnector precursor and the solid electrolyte, in the manufacturing process. Element may be included as an unavoidable component. Examples of such elements include Ni, Y, Gd, Ce, Zr, La, Sr, Ga, Mg, Co, Fe and Nb. The amount of the diffused element changes depending on the constituent material of each member, the crystal structure, the drying temperature, the firing temperature, the firing mode (for example, sequential firing or co-firing), and the like. The mechanism of element diffusion will be described later.

本発明の好ましい態様によれば、インターコネクタおよび固体電解質は、
燃料極の表面に形成される第一のインターコネクタ前駆体と、
第一のインターコネクタ前駆体の表面に形成される固体電解質の乾燥被膜と、
第一のインターコネクタ前駆体および固体電解質の乾燥被膜の表面に形成される第二のインターコネクタ前駆体とを共焼成することにより、形成される。共焼成により、第一のインターコネクタ前駆体、第二のインターコネクタ前駆体および固体電解質の乾燥被膜の各々に含まれる元素が相互に拡散する。ここで、焼成前、第一のインターコネクタ前駆体および前記第二のインターコネクタ前駆体は、これらの間の一部に固体電解質の乾燥被膜が形成されることにより、互いに接している部分と接していない部分とを有することが好ましい。すなわち、第一のインターコネクタ前駆体および前記第二のインターコネクタ前駆体は、これらの間の一部に隣接する一方の発電素子の固体電解質の乾燥被膜及び/又は他方の発電素子の固体電解質の乾燥被膜が形成されている。これにより、共焼成時において、インターコネクタ前駆体同士が接している部分では両者間で元素が拡散し、インターコネクタ前駆体同士が接していない部分では両者間で元素は拡散しない。インターコネクタ前駆体同士が接していない部分では、各前駆体は固体電解質の乾燥被膜と接触しているので、各前駆体と固体電解質の乾燥被膜との間で元素拡散が起こる。
According to a preferred aspect of the present invention, the interconnector and the solid electrolyte are
A first interconnector precursor formed on the surface of the fuel electrode,
A dry coating of the solid electrolyte formed on the surface of the first interconnector precursor;
It is formed by co-firing the first interconnector precursor and the second interconnector precursor formed on the surface of the dry coating of the solid electrolyte. By co-firing, the elements contained in each of the first interconnector precursor, the second interconnector precursor, and the dry coating of the solid electrolyte diffuse into each other. Here, before firing, the first interconnector precursor and the second interconnector precursor are in contact with portions in contact with each other by forming a dry coating film of the solid electrolyte in a portion between them. It is preferable to have a part that does not. That is, the first interconnector precursor and the second interconnector precursor are the dry coating of the solid electrolyte of one power generating element and/or the solid electrolyte of the other power generating element adjacent to a part between them. A dry film is formed. As a result, during co-firing, the element diffuses between the interconnector precursors in the area where they are in contact with each other, and the element does not diffuse between the interconnector precursors in the area where they are not in contact with each other. In the portion where the interconnector precursors are not in contact with each other, each precursor is in contact with the dry film of the solid electrolyte, so that element diffusion occurs between each precursor and the dry film of the solid electrolyte.

この態様にあっては、固体電解質の乾燥被膜の表面に、Sr量が多く、固体電解質の乾燥被膜との反応性が高い前記式(2)で表される第二のインターコネクタ前駆体を形成することにより、共焼成時に後述する元素拡散のメカニズムに従って両者が反応して、固体電解質とインターコネクタとの間の密着性を向上することができる。その結果、固体電解質とインターコネクタとの間のガスシール性を向上することができる。 In this aspect, the second interconnector precursor represented by the above formula (2) having a large amount of Sr and having high reactivity with the dry film of the solid electrolyte is formed on the surface of the dry film of the solid electrolyte. By doing so, both react with each other according to the mechanism of element diffusion described below during co-firing, and the adhesion between the solid electrolyte and the interconnector can be improved. As a result, the gas sealing property between the solid electrolyte and the interconnector can be improved.

共焼成の温度は、1250℃以上1400℃未満であることが好ましい。これにより、第一のインターコネクタ前駆体、第二のインターコネクタ前駆体および固体電解質の乾燥被膜の各々に含まれる元素が相互に拡散する。 The co-firing temperature is preferably 1250° C. or higher and lower than 1400° C. As a result, the elements contained in each of the first interconnector precursor, the second interconnector precursor, and the dry coating of the solid electrolyte diffuse into each other.

さらに、この態様において、第二のインターコネクタ前駆体における第一のインターコネクタ前駆体と接していない部分が、焼成後も前記式(2)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、第二のインターコネクタ前駆体における第一のインターコネクタ前駆体と接していない部分の主成分が前記式(2)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、第二のインターコネクタ前駆体における第一のインターコネクタ前駆体と接していない部分がその他の成分、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、第二のインターコネクタ前駆体における第一のインターコネクタ前駆体と接していない部分は前記式(2)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、第二のインターコネクタ前駆体における第一のインターコネクタ前駆体と接していない部分において、前記前記式(2)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、第二のインターコネクタ前駆体における第一のインターコネクタ前駆体と接していない部分は前記式(2)で表されるペロブスカイト型酸化物のみからなる。これにより、第二のインターコネクタ前駆体における第一のインターコネクタ前駆体と接していない部分が酸化物イオン絶縁部として形成される。その結果、酸化物イオンのリークを抑制することができ、発電素子の発電出力を向上することができる。なお、このようにして形成される酸化物イオン絶縁部は、インターコネクタと隣接する一方の発電素子の固体電解質の間及び/又はインターコネクタと他方の発電素子の固体電解質との間に形成される。 Further, in this aspect, the portion of the second interconnector precursor that is not in contact with the first interconnector precursor is made of the perovskite oxide represented by the above formula (2) even after firing. Is preferred. Here, "consisting of" means that the main component of the portion of the second interconnector precursor which is not in contact with the first interconnector precursor is a perovskite oxide represented by the above formula (2). Means That is, it does not exclude an aspect in which the portion of the second interconnector precursor that is not in contact with the first interconnector precursor contains other components, for example, a diffusion element described below. In other words, the portion of the second interconnector precursor that is not in contact with the first interconnector precursor preferably contains the above formula (2) as a main component. The main component means that the perovskite oxide represented by the above formula (2) is contained in an amount of 80 mol% or more in the portion of the second interconnector precursor that is not in contact with the first interconnector precursor. Means The content is preferably 90 mol% or more, more preferably 95 mol% or more. Even more preferably, the part of the second interconnector precursor that is not in contact with the first interconnector precursor consists only of the perovskite type oxide represented by the above formula (2). As a result, a portion of the second interconnector precursor that is not in contact with the first interconnector precursor is formed as an oxide ion insulating portion. As a result, leakage of oxide ions can be suppressed, and the power generation output of the power generation element can be improved. The oxide ion insulating portion thus formed is formed between the interconnector and the solid electrolyte of one power generating element adjacent to the interconnector and/or between the interconnector and the solid electrolyte of the other power generating element. ..

本発明において、焼成による元素拡散のメカニズム、具体的には、第一および第二のインターコネクタ前駆体間の元素拡散、ならびに各インターコネクタ前駆体と固体電解質との間の元素の相互拡散のメカニズムは以下のように考えられるが、本発明はこれに限定されるものではない。 In the present invention, the mechanism of element diffusion by firing, specifically, the element diffusion between the first and second interconnector precursors, and the mechanism of elemental interdiffusion between each interconnector precursor and the solid electrolyte. Is considered as follows, but the present invention is not limited thereto.

相互拡散のメカニズム
(第一のインターコネクタ前駆体と第二のインターコネクタ前駆体の相互拡散メカニズム)
第一のインターコネクタ前駆体と第二のインターコネクタ前駆体とを接触させて焼成することで、第一のインターコネクタ前駆体および第二のインターコネクタ前駆体に含まれる元素が濃度勾配を駆動力として濃度が高い方から低い方へ熱拡散する。具体的には、Srが第二のインターコネクタ前駆体から第一のインターコネクタ前駆体へ拡散し、Laが第一のインターコネクタ前駆体から第二のインターコネクタ前駆体へ拡散し、Tiが第二のインターコネクタ前駆体から第一のインターコネクタ前駆体へ拡散する。これにより、強固に密着した一体層が形成される。すなわち、気密性に優れたインターコネクタを得ることができる。また、厚さ方向に前記式(1)に示される組成範囲内の組成勾配を有するインターコネクタを得ることができる。さらに、FeおよびNbが第一のインターコネクタ前駆体から第二のインターコネクタ前駆体へ拡散することで、Ni固溶によるインターコネクタの導電率の低下を抑制し、酸化物イオン絶縁性を向上させることができる。
Mechanism of interdiffusion ( interdiffusion mechanism of the first interconnector precursor and the second interconnector precursor)
By burning the first interconnector precursor and the second interconnector precursor in contact with each other, the elements contained in the first interconnector precursor and the second interconnector precursor drive the concentration gradient. As a result, heat is diffused from a higher concentration to a lower concentration. Specifically, Sr diffuses from the second interconnector precursor to the first interconnector precursor, La diffuses from the first interconnector precursor to the second interconnector precursor, and Ti is the first. Diffuses from the second interconnector precursor to the first interconnector precursor. As a result, a solid layer firmly adhered is formed. That is, it is possible to obtain an interconnector excellent in airtightness. Further, it is possible to obtain an interconnector having a composition gradient within the composition range represented by the formula (1) in the thickness direction. Further, Fe and Nb are diffused from the first interconnector precursor to the second interconnector precursor, thereby suppressing a decrease in conductivity of the interconnector due to solid solution of Ni and improving oxide ion insulation. be able to.

(第二のインターコネクタ前駆体と固体電解質の相互拡散メカニズム)
第二のインターコネクタ前駆体はSrTiOをベースにLaを置換することで導電性を発現する。また、固体電解質はLaGaOをベースにSrを置換することで酸化物イオン伝導性を発現する。第二のインターコネクタ前駆体と固体電解質とを接触させて焼成することで、第二のインターコネクタ前駆体に含まれるLaが固体電解質へ拡散し、安定なSrTiO結晶に近づく。また、固体電解質に含まれるSrが第二のインターコネクタ前駆体へ拡散し、安定なLaGaO結晶に近づく。SrTiOおよびLaGaOはいずれも酸化物イオン絶縁性であるので、第二のインターコネクタと固体電解質において、第二のインターコネクタ前駆体と固体電解質とが接して焼成された部分は、焼成による元素拡散により、酸化物イオン絶縁性になる。
(Mutual diffusion mechanism of second interconnector precursor and solid electrolyte)
The second interconnector precursor exhibits conductivity by substituting La for SrTiO 3 as a base. Further, the solid electrolyte exhibits oxide ion conductivity by substituting Sr based on LaGaO 3 . When the second interconnector precursor and the solid electrolyte are brought into contact with each other and fired, La contained in the second interconnector precursor diffuses into the solid electrolyte and approaches a stable SrTiO 3 crystal. Further, Sr contained in the solid electrolyte diffuses into the second interconnector precursor and approaches a stable LaGaO 3 crystal. Since both SrTiO 3 and LaGaO 3 are oxide ion-insulating, in the second interconnector and the solid electrolyte, the part where the second interconnector precursor and the solid electrolyte are in contact with each other is an element by firing. The diffusion makes it oxide-ion insulating.

(第一のインターコネクタ前駆体と固体電解質の相互拡散メカニズム)
第一のインターコネクタ前駆体はSrTiOをベースにSrサイトをLaで、TiサイトをNb、Feで置換することで導電性を発現する。また、固体電解質はLaGaO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。第一のインターコネクタ前駆体と固体電解質とを接触させて焼成することで、第一のインターコネクタ前駆体に含まれるLaが固体電解質へ拡散し、安定なSrTiO結晶に近づく。また、固体電解質に含まれるSrが第一のインターコネクタ前駆体へ拡散し、安定なLaGaO結晶に近づく。さらに、FeおよびNbが濃度勾配を駆動力として第一のインターコネクタ前駆体から固体電解質へ熱拡散する。SrTiOおよびLaGaOはいずれも酸化物イオン絶縁性であるので、第一のインターコネクタ前駆体と固体電解質において、第一のインターコネクタ前駆体と固体電解質とが接して焼成された部分は、焼成による元素拡散により、酸化物イオン絶縁性になる。
(Mutual diffusion mechanism of the first interconnector precursor and solid electrolyte)
The first interconnector precursor exhibits conductivity by substituting La for Sr sites and Nb, Fe for Ti sites based on SrTiO 3 . Further, the solid electrolyte expresses oxide ion conductivity by substituting Sr for the La site based on LaGaO 3 . When the first interconnector precursor and the solid electrolyte are brought into contact with each other and fired, La contained in the first interconnector precursor diffuses into the solid electrolyte and approaches a stable SrTiO 3 crystal. Further, Sr contained in the solid electrolyte diffuses into the first interconnector precursor and approaches a stable LaGaO 3 crystal. Further, Fe and Nb thermally diffuse from the first interconnector precursor to the solid electrolyte by using the concentration gradient as a driving force. Since both SrTiO 3 and LaGaO 3 are oxide ion-insulating, in the first interconnector precursor and the solid electrolyte, the portion where the first interconnector precursor and the solid electrolyte are in contact with each other is fired. Oxide ion insulating property is obtained by element diffusion due to.

本発明において、インターコネクタの700℃大気雰囲気下における導電率の下限が0.05S/cm以上であることが好ましく、より好ましくは0.1S/cm以上である。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セルスタックの発電性能を向上させることが可能となる。 In the present invention, the lower limit of the electrical conductivity of the interconnector in the atmosphere of 700° C. is preferably 0.05 S/cm or more, more preferably 0.1 S/cm or more. There is no upper limit because the higher the conductivity, the better, but it is preferably 0.16 S/cm or less. This makes it possible to improve the conductivity of the interconnector and improve the power generation performance of the solid oxide fuel cell stack.

本発明において、インターコネクタの気孔率の上限が1%以下であることが好ましく、0.1%以下であることがさらに好ましい。また、下限は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させることが可能となる。さらに、インターコネクタの好ましい厚さは5〜50μmである。 In the present invention, the upper limit of the porosity of the interconnector is preferably 1% or less, more preferably 0.1% or less. The lower limit is preferably 0% or more. This makes it possible to secure the gas sealability of the interconnector and improve the power generation efficiency of the solid oxide fuel cell stack. Further, the preferable thickness of the interconnector is 5 to 50 μm.

本発明において、気孔率の測定は、以下の方法を用いて行うことができる。
<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
In the present invention, the porosity can be measured by the following method.
<Method of obtaining from SEM image>
The solid oxide fuel cell stack was cut out so as to include an interconnector, and the interconnector was observed with a scanning electron microscope (for example, S-4100 manufactured by Hitachi, Ltd.) at an acceleration voltage of 15 kV, a secondary electron image, and a magnification of 100 to Observe at 10000 times to obtain a SEM image. The SEM image is evaluated by image processing software (for example, Winroofver 6.5.1, manufactured by MITANI CORPORATION). As a result, a histogram in which the horizontal axis represents the luminance and the vertical axis represents the appearance frequency is obtained. In this histogram, a region whose brightness is lower than the average value of the minimum and maximum brightness is a low brightness region, and a region whose brightness is higher than the average value is a high brightness region. The low-luminance region is determined to be a pore, and the high-luminance region other than the pore is determined to be an interconnector, thereby performing binarization processing. Then, the porosity can be obtained from the following formula.
Porosity (%)=integral value of low brightness region/integral value of overall appearance frequency×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。
<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。
In the present invention, in order to confirm that the interconnector has a desired porosity obtained by the above method, the porosity obtained by the following method can be used as one index.
<Method to obtain by measuring with Archimedes method>
A raw material powder for an interconnector is uniaxially pressed under a load of 900 kgf/cm 2 and fired at 1300° C. for 2 hours in the atmosphere to obtain a test piece. This test piece is measured by the Archimedes method in accordance with JIS R 1634 to obtain the porosity.

本発明において、導電率は以下の方法により測定することができる。
<端子間電圧を測定して得る方法>
固体酸化物形燃料電池セルスタックを作製する。燃料極側の集電は、隣接する一方の発電素子の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て行う。インターコネクタを含んだ空気極側の集電は、隣接する他方の発電素子の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て行う。インターコネクタを含まない空気極側の集電は、隣接する一方の発電素子の空気極に集電金属を銀ペーストで張り合わせて焼き付けて行う。その後、以下の発電条件において、隣接する一方の発電素子の燃料極と他方の発電素子の燃料極にそれぞれ電位線と電流線を、空気極に電位線を接続することにより、端子間の電圧を測定する。
燃料ガス :(H+3%HO)とNの混合ガス(混合比はH:N=7:4(vol:vol))
燃料利用率:7%
酸化ガス :空気
運転温度 :700℃
電流密度 :0.4A/cm
一方の発電素子の燃料極と他方の発電素子の燃料極に接続された端子間電圧(V)と一方の発電素子の燃料極と空気極に接続された端子間電圧(V’)を測定する。これらを用いて、以下の式でインターコネクタの導電率を算出する。
導電率=電流密度×空気極の面積÷(V’−V)×(インターコネクタの膜厚)÷(インターコネクタの面積)
なお、インターコネクタおよび空気極の面積は、発電試験後の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と空気極とを剥ぎ取り、ノギス等を用いて、求められる。
In the present invention, the conductivity can be measured by the following method.
<Method of measuring terminal voltage>
A solid oxide fuel cell stack is prepared. The current collection on the fuel electrode side is performed by pasting a current collecting metal on the exposed portion of the fuel electrode of one of the adjacent power generating elements with silver paste and baking it. Current collection on the side of the air electrode including the interconnector is performed by sticking a current collecting metal with silver paste and baking it on the exposed portion of the fuel electrode of the other adjacent power generating element. Current collection on the side of the air electrode that does not include the interconnector is performed by bonding a current collecting metal to the air electrode of the adjacent one of the power generation elements with silver paste and baking it. After that, under the following power generation conditions, by connecting a potential line and a current line to the fuel electrode of one adjacent power generation element and the fuel electrode of the other power generation element, respectively, and connecting the potential line to the air electrode, the voltage between the terminals can be taking measurement.
Fuel gas: (H 2 +3% H 2 O) and N 2 mixed gas (mixing ratio is H 2 :N 2 =7:4 (vol:vol))
Fuel utilization rate: 7%
Oxidizing gas: Air Operating temperature: 700°C
Current density: 0.4 A/cm 2
The voltage (V) between terminals connected to the fuel electrode of one power generating element and the fuel electrode of the other power generating element and the voltage between terminals (V') connected to the fuel electrode and air electrode of one power generating element are measured. .. Using these, the conductivity of the interconnector is calculated by the following formula.
Conductivity=Current density×Air electrode area/(V'-V)*(Interconnector film thickness)/(Interconnector area)
The areas of the interconnector and the air electrode are obtained by stripping the interconnector and the air electrode from the solid oxide fuel cell stack after the power generation test and using a caliper or the like.

本発明において、インターコネクタが端子間電圧を測定して得られる所望の導電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導電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 a desired conductivity obtained by measuring the voltage between terminals, the conductivity obtained by the following method can be used as an index.

<4端子法にて測定して得る方法>
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。
<Method of measuring by 4-terminal method>
A test piece for measuring conductivity is produced by uniaxially pressing a raw material powder of an interconnector under a load of 900 kgf/cm 2 and firing it at 1300° C. for 2 hours in an air atmosphere. The electrical conductivity of this test piece is measured at 700° C. in an air atmosphere by a direct current four-terminal method based on JIS R 1650-2.

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 solid oxide fuel cell stack as one embodiment of the present invention. In the lateral stripe type solid oxide fuel cell stack 210, 13 power generation elements 10 are connected in series to a support 201.

図2は、本発明の一つの態様である縦縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックを構成する縦縞型固体酸化物形燃料電池セルユニットの部分断面図である。縦縞型固体酸化物形燃料電池セルユニット16は、燃料電池セル84と、この燃料電池セル84の上下方向端部にそれぞれ接続された内側電極端子86とを備えてなる。燃料電池セル84は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路88を形成する円筒形の多孔質支持体91表面に内側電極層90と、外側電極層92と、内側電極層90と外側電極層92との間にある固体電解質94とを備えてなる。また、縦縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックでは、例えばAgなどの金属や導電性セラミックスでインターコネクタと空気極とを接続させる。 FIG. 2 is a partial cross-sectional view of a vertical stripe type solid oxide fuel cell unit which constitutes a vertical stripe type solid oxide fuel cell stack according to one embodiment of the present invention. The vertical stripe type solid oxide fuel cell unit 16 includes a fuel cell 84 and inner electrode terminals 86 connected to the vertical ends of the fuel cell 84. The fuel cell 84 is a tubular structure extending in the vertical direction, and has an inner electrode layer 90, an outer electrode layer 92, and an inner electrode on the surface of a cylindrical porous support 91 that forms a fuel gas flow passage 88 inside. It comprises a solid electrolyte 94 between the layer 90 and the outer electrode layer 92. In the vertical stripe type solid oxide fuel cell stack, the interconnector and the air electrode are connected by a metal such as Ag or conductive ceramics.

燃料電池セル84の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子86は、同一構造であるため、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子86について具体的に説明する。内側電極層90の上部90aは、固体電解質94と外側電極層92に対して露出された外周面90bと上端面90cとを備える。内側電極端子86は、導電性のシール材96を介して内側電極層90の外周面90bと接続され、さらに、内側電極層90の上端面90cとは直接接触することにより、内側電極層90と電気的に接続されている。内側電極端子86の中心部には、内側電極層90の燃料ガス流路88と連通する燃料ガス流路98が形成されている。 Since the inner electrode terminals 86 attached to the upper end side and the lower end side of the fuel cell 84 have the same structure, the inner electrode terminal 86 attached to the upper end side will be specifically described here. The upper portion 90a of the inner electrode layer 90 includes a solid electrolyte 94, an outer peripheral surface 90b exposed to the outer electrode layer 92, and an upper end surface 90c. The inner electrode terminal 86 is connected to the outer peripheral surface 90b of the inner electrode layer 90 via the conductive sealing material 96, and further, is brought into direct contact with the upper end surface 90c of the inner electrode layer 90 so that the inner electrode layer 90 is It is electrically connected. A fuel gas passage 98 communicating with the fuel gas passage 88 of the inner electrode layer 90 is formed in the center of the inner electrode terminal 86.

図3は、本発明の一つの態様として、縦縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックを示す斜視図である。縦縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック14は、16本の縦縞型固体酸化物形燃料電池セルユニット16を備え、これら縦縞型固体酸化物形燃料電池セルユニット16の下端側及び上端側が、それぞれセラミック製の下支持板68及び上支持板100により支持されている。これら下支持板68及び上支持板100には、内側電極端子86が貫通可能な貫通穴68a及び100aがそれぞれ形成されている。 FIG. 3 is a perspective view showing a vertical stripe type solid oxide fuel cell stack as one embodiment of the present invention. The vertical stripe solid oxide fuel cell unit 14 includes 16 vertical stripe solid oxide fuel cell units 16, and the lower end side and the upper end side of these vertical stripe solid oxide fuel cell units 16 are respectively It is supported by a ceramic lower support plate 68 and an upper support plate 100. Through holes 68a and 100a through which the inner electrode terminals 86 can pass are formed in the lower support plate 68 and the upper support plate 100, respectively.

縦縞型固体酸化物形燃料電池セルユニット16には、集電体102及び外部端子104が取り付けられている。この集電体102は、燃料極である内側電極層90に取り付けられた内側電極端子86と電気的に接続される燃料極用接続部102aと、空気極である外側電極層92の外周面全体と電気的に接続される空気極用接続部102bとにより一体的に形成されている。空気極用接続部102bは、外側電極層92の表面を上下方向に延びる鉛直部102cと、この鉛直部102cから外側電極層92の表面に沿って水平方向に延びる多数の水平部102dとから形成されている。また、燃料極用接続部102aは、空気極用接続部102bの鉛直部102cから燃料電池セルユニット16の上下方向に位置する内側電極端子86に向って斜め上方又は斜め下方に向って直線的に延びている。 A current collector 102 and an external terminal 104 are attached to the vertical stripe type solid oxide fuel cell unit 16. The current collector 102 includes the fuel electrode connecting portion 102a electrically connected to the inner electrode terminal 86 attached to the inner electrode layer 90 serving as a fuel electrode, and the entire outer peripheral surface of the outer electrode layer 92 serving as an air electrode. Is integrally formed with the air electrode connecting portion 102b electrically connected to. The air electrode connecting portion 102b is formed by a vertical portion 102c extending vertically on the surface of the outer electrode layer 92, and a large number of horizontal portions 102d extending horizontally from the vertical portion 102c along the surface of the outer electrode layer 92. Has been done. In addition, the fuel electrode connecting portion 102a linearly extends obliquely upward or obliquely downward from the vertical portion 102c of the air electrode connecting portion 102b toward the inner electrode terminal 86 positioned in the vertical direction of the fuel cell unit 16. It is extended.

縦縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック14の端(図3では左端の奥側及び手前側)に位置する2個の縦縞型固体酸化物形燃料電池セルユニット16の上側端及び下側端の内側電極端子86には、それぞれ外部端子104が接続されている。これらの外部端子104は、隣接する縦縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック14の端にある縦縞型固体酸化物形燃料電池セルユニット16の外部端子104(図示せず)に接続され、上述したように、16本の縦縞型固体酸化物形燃料電池セルユニット16の全てが直列接続されるようになっている。 The upper end and the lower end of the two vertical striped solid oxide fuel cell unit 16 located at the end of the vertical striped solid oxide fuel cell stack 14 (the left side and the front side in FIG. 3). The external terminals 104 are connected to the inner electrode terminals 86, respectively. These external terminals 104 are connected to the external terminals 104 (not shown) of the vertical stripe solid oxide fuel cell unit 16 at the ends of the adjacent vertical stripe solid oxide fuel cell stacks 14 and are described above. Thus, all of the 16 vertical stripe solid oxide fuel cell units 16 are connected in series.

図4は、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210の一つの態様を示す模式図であり、横縞型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4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. 4 is a schematic view showing one embodiment of the horizontal striped solid oxide fuel cell stack 210 according to the present invention, and shows the vicinity of the power generation element 10 in the horizontal striped solid oxide fuel cell stack. FIG. 4 shows a type in which the inner electrode is the fuel electrode. The solid oxide fuel cell stack 210 includes a support 201, a (first/second) fuel electrode 202 (that is, a fuel electrode layer 202a and a fuel electrode catalyst layer 202b), and a (first/second) solid. The electrolyte 203 (that is, the reaction suppressing layer 203a and the solid electrolyte layer 203b), the air electrode 204, the current collecting layer 205, and the interconnector 206 are included. Here, (first/second) is a single layer or two layers, and in the case of two layers, it means having a first layer and a second layer.

図5は、本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックの一つの好ましい態様である。一方の発電素子の固体電解質304とインターコネクタ306との間に酸化物イオン絶縁部308が形成されており、かつ酸化物イオン絶縁部308はインターコネクタ306及び一方の発電素子の固体電解質304に接触している。また、他方の発電素子の固体電解質304とインターコネクタ306との間に酸化物イオン絶縁部308が形成されており、かつ酸化物イオン絶縁部308はインターコネクタ306及び他方の発電素子の固体電解質304に接触している。これにより、酸化物イオンのリークを抑制することができ、その結果、発電素子の発電出力を向上することができる。図5では、2つの酸化物イオン絶縁部が形成されている態様を示しているが、本発明の範囲にはいずれか一方のみ形成されている態様も含まれる。 FIG. 5 is one preferred embodiment of the solid oxide fuel cell stack according to the present invention. An oxide ion insulating portion 308 is formed between the solid electrolyte 304 of one power generating element and the interconnector 306, and the oxide ion insulating portion 308 contacts the interconnector 306 and the solid electrolyte 304 of one power generating element. doing. Further, the oxide ion insulating portion 308 is formed between the solid electrolyte 304 of the other power generating element and the interconnector 306, and the oxide ion insulating portion 308 is formed by the interconnector 306 and the solid electrolyte 304 of the other power generating element. Is in contact with. Thereby, leakage of oxide ions can be suppressed, and as a result, the power generation output of the power generation element can be improved. Although FIG. 5 shows a mode in which two oxide ion insulating portions are formed, a mode in which only one of them is formed is also included in the scope of the present invention.

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 for Producing Solid Oxide Fuel Cell Stack The method for producing a solid oxide fuel cell stack according to the present invention is not limited to a particular method. 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 the fuel electrode and the outer electrode is the air electrode will be described as an example.

支持体301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 301 can be manufactured as follows, for example. First, a solvent (water, alcohol, etc.) is added to the raw material powder to prepare a kneaded clay. At this time, as an optional component, a dispersant, a binder, a defoaming agent 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 kneaded material, but when forming a support having a gas flow passage formed therein, it is preferable to use the extrusion forming method. In the case of molding a multi-layered support, a method of molding the upper layer by coating or printing can be used in addition to multi-layer extrusion molding in which the multi-layers are integrally extrusion-molded. Specific examples of the coating method include a slurry coating method for coating a raw material slurry, a tape casting method, a doctor blade method, and a transfer method. Specific examples of the printing method include a screen printing method and an inkjet printing method. Next, the produced kneaded material is shaped and dried to obtain a support precursor. This support precursor is preferably calcined (800° C. or higher and lower than 1100° C.) to obtain a porous support calcined body, and then the support calcined body is calcined alone. The support may be obtained, or the support may be obtained by firing at least with a fuel electrode or the like. The firing temperature is preferably 1100°C or higher and lower than 1400°C.

インターコネクタ306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 306 can be manufactured as follows, for example. First, a raw material powder is prepared. The raw material powder can be produced, for example, by a solid phase method. That is, the metal oxide powder as a raw material is weighed so as to have a desired composition ratio, mixed in a solution, and then the solvent is removed to obtain a powder, which is then calcined at, for example, 1150° C. Make a powder. A solvent (water, alcohol, etc.) and, if necessary, a molding aid such as a dispersant and a binder are added to this raw material powder to prepare a slurry or paste. This slurry or paste is coated and dried (80° C. or more and 1100° C. or less, preferably 300° C. or more and 1100° C. or less) to form a dried film, which is then baked (1100° C. or more and less than 1400° C., preferably 1250° C.). The interconnector can be obtained by subjecting the interconnector to a temperature of 1°C or higher and lower than 1400°C. The coating can use the same method as described above. Alternatively, each dry film may be formed as a transfer sheet in advance, and the transfer film may be attached to the layered body.

燃料極302、固体電解質304および空気極307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302、固体電解質304および空気極307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 302, the solid electrolyte 304, and the air electrode 307 can be manufactured as follows, for example. A solvent (water, alcohol, etc.) and, if necessary, a molding aid such as a dispersant and a binder are added to each raw material powder to prepare a slurry or paste. This slurry or paste is coated and dried (80° C. or more and 1100° C. or less, preferably 300° C. or more and 1100° C. or less) to form a dried film, which is then baked (1100° C. or more and less than 1400° C., preferably 1250° C.). The temperature of the fuel electrode 302, the solid electrolyte 304, and the air electrode 307 can be obtained by performing the heating at a temperature of not less than 1°C and less than 1400°C). The coating can use the same method as described above. Alternatively, each dry film may be formed as a transfer sheet in advance, and the transfer film may be attached to the layered body.

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301又はその仮焼体の表面に、燃料極302の乾燥被膜を形成後、焼成して燃料極302を形成する工程と、インターコネクタ306の乾燥被膜を形成後、焼成してインターコネクタ306を形成する工程と、固体電解質304の乾燥被膜を形成後、焼成して固体電解質304を形成する工程と、空気極307の乾燥被膜を形成後、焼成して空気極307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307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 the dry coating of the fuel electrode 302 is formed on the surface of the support 301 or the calcined body thereof, the step of firing to form the fuel electrode 302 and the dry coating of the interconnector 306 are formed. After that, a step of firing to form the interconnector 306, a step of forming a dry coating of the solid electrolyte 304, a step of firing to form the solid electrolyte 304, and a step of forming a dry coating of the air electrode 307 and then firing to air At least forming a pole 307. The current collecting layer is formed after the air electrode 307 is formed.

本発明の製造方法の好ましい態様によれば、インターコネクタ306は、第一のインターコネクタ前駆体303と第二のインターコネクタ前駆体305を形成後、これらを共焼成(1250℃以上1400℃未満)することにより形成する。 According to a preferred aspect of the manufacturing method of the present invention, the interconnector 306 forms the first interconnector precursor 303 and the second interconnector precursor 305, and then co-fires them (1250° C. or more and less than 1400° C.). To be formed.

第一のインターコネクタ前駆体303および第二のインターコネクタ前駆体305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)することで各インターコネクタ前駆体を形成することができる。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 first interconnector precursor 303 and the second interconnector precursor 305 can be produced, for example, as follows. First, a raw material powder is prepared. The raw material powder can be produced, for example, by a solid phase method. That is, the raw material metal oxide powder is weighed so as to have a desired composition ratio, mixed in a solution and then the solvent is removed, and the obtained powder is fired at, for example, 1150° C. Make a powder. A solvent (water, alcohol, etc.) and, if necessary, a molding aid such as a dispersant and a binder are added to this raw material powder to prepare a slurry or paste. Each of the interconnector precursors can be formed by coating this slurry or paste and drying (80°C or more and 1100°C or less, preferably 300°C or more and 1100°C or less). The coating can use the same method as described above. Alternatively, each dry film may be formed as a transfer sheet in advance, and the transfer film may be attached to the layered body.

本発明の製造方法の好ましい態様によれば、インターコネクタ306と固体電解質304は、第一のインターコネクタ前駆体303と第二のインターコネクタ前駆体305と固体電解質304の乾燥被膜を形成後、これらを共焼成(1250℃以上1400℃未満)することにより形成する。具体的には、インターコネクタ306と固体電解質304は、第一のインターコネクタ前駆体303を形成する工程と、第一のインターコネクタ前駆体303の表面に固体電解質304の乾燥被膜を形成する工程と、第一のインターコネクタ前駆体および固体電解質304の乾燥被膜の表面に第二のインターコネクタ前駆体305を形成する工程と、第一のインターコネクタ前駆体303と固体電解質304の乾燥被膜と第二のインターコネクタ前駆体305とを共焼成(1250℃以上1400℃未満)し、インターコネクタ306と固体電解質304とを形成する工程、により形成される。このような製造方法とすることで、共焼成時において、インターコネクタ前駆体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、インターコネクタ前駆体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。 According to a preferred aspect of the production method of the present invention, the interconnector 306 and the solid electrolyte 304 are formed after forming a dry coating film of the first interconnector precursor 303, the second interconnector precursor 305, and the solid electrolyte 304. Is co-fired (1250° C. or higher and lower than 1400° C.). Specifically, the interconnector 306 and the solid electrolyte 304 form a first interconnector precursor 303, and a step of forming a dry coating film of the solid electrolyte 304 on the surface of the first interconnector precursor 303. A step of forming the second interconnector precursor 305 on the surface of the dry coating of the first interconnector precursor and the solid electrolyte 304, and the dry coating of the first interconnector precursor 303 and the solid electrolyte 304 and the second And the interconnector precursor 305 are co-fired (1250° C. or higher but lower than 1400° C.) to form the interconnector 306 and the solid electrolyte 304. By adopting such a manufacturing method, the elements contained in the interconnector precursor and the elements contained in the solid electrolyte mutually diffuse during co-firing. That is, when the element contained in the interconnector precursor and the element contained in the solid electrolyte are the same, they diffuse each other. Examples of such elements include strontium and lanthanum. Thereby, the adhesion between the interconnector and the solid electrolyte can be improved.

本発明の製造方法の好ましい態様によれば、支持体301を作製する工程(工程1)、燃料極302の乾燥被膜を形成する工程(工程2)、第一のインターコネクタ前駆体303の乾燥被膜を形成する工程(工程3)、固体電解質304の乾燥被膜を形成する工程(工程4)、第二のインターコネクタ前駆体305の乾燥被膜を形成する工程(工程5)、次いで支持体301、燃料極302、第一のインターコネクタ前駆体303、固体電解質304および第二のインターコネクタ前駆体305の乾燥被膜からなる積層体を共焼成(1250℃以上1400℃未満)する工程(工程6)、その後空気極307の乾燥被膜を形成する工程(工程7)、そしてこれら全体を焼成(1100℃以上1400℃未満、好ましくは1250℃以上1400℃未満)する工程(工程8)を含んでなる。この製造工程のフローチャートを図7に示す。また、各工程の一例を図8および図9に示す。 According to a preferred embodiment of the manufacturing method of the present invention, the step of producing the support 301 (step 1), the step of forming a dry coating of the fuel electrode 302 (step 2), the dry coating of the first interconnector precursor 303. (Step 3), a step of forming a dry film of the solid electrolyte 304 (step 4), a step of forming a dry film of the second interconnector precursor 305 (step 5), then the support 301, the fuel A step (step 6) of co-firing (1250° C. or more and less than 1400° C.) a laminated body composed of the dried film of the electrode 302, the first interconnector precursor 303, the solid electrolyte 304 and the second interconnector precursor 305, and then It comprises a step of forming a dry film of the air electrode 307 (step 7) and a step of baking the whole (1100° C. or higher and lower than 1400° C., preferably 1250° C. or higher and lower than 1400° C.) (step 8). FIG. 7 shows a flowchart of this manufacturing process. Further, an example of each step is shown in FIGS.

本発明による製造方法の上記態様にあっては、支持体301またはその仮焼体に燃料極302、第一のインターコネクタ前駆体303、固体電解質304および第二のインターコネクタ前駆体305の各乾燥被膜を形成後、これらからなる積層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304や第一および第二のインターコネクタ前駆体(303および305)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 aspect of the manufacturing method according to the present invention, the support 301 or the calcined body thereof is dried on the fuel electrode 302, the first interconnector precursor 303, the solid electrolyte 304, and the second interconnector precursor 305. After forming the coating film, co-firing is performed in which a laminated body composed of these is fired at once. In this embodiment, the firing is preferably performed in an oxidizing atmosphere so that the solid electrolyte 304 and the first and second interconnector precursors (303 and 305) are not modified by the diffusion of the dopant. More preferably, a mixed gas of air and oxygen is used, and firing is performed in an atmosphere having an oxygen concentration of 20% by mass or more and 30% by mass or less.

本発明による製造方法の上記態様にあっては、少なくとも第一のインターコネクタ前駆体303、固体電解質304の乾燥被膜、および第二のインターコネクタ前駆体305を共焼成(1250℃以上1400℃未満)することが好ましい。 In the above aspect of the manufacturing method according to the present invention, at least the first interconnector precursor 303, the dry coating of the solid electrolyte 304, and the second interconnector precursor 305 are co-fired (1250°C or higher and lower than 1400°C). Preferably.

本発明において、積層体は、固体電解質304(例えば、LSGM)の乾燥被膜の表面に、Sr量が多く、LSGMとの反応性が高いSLTからなる第二のインターコネクタ前駆体305が形成されてなるものであるため、第二のインターコネクタ前駆体305と固体電解質304の乾燥被膜との間で焼成によって起こる元素拡散により、両者が反応して、密着性が向上し、その結果、固体電解質304とインターコネクタ306との間のガスシール性を向上することができる。 In the present invention, in the laminated body, the second interconnector precursor 305 made of SLT having a large amount of Sr and having high reactivity with LSGM is formed on the surface of the dry film of the solid electrolyte 304 (for example, LSGM). Therefore, due to element diffusion occurring between the second interconnector precursor 305 and the dry coating of the solid electrolyte 304 due to firing, they react with each other to improve the adhesion, and as a result, the solid electrolyte 304 It is possible to improve the gas sealability between the connector and the interconnector 306.

本発明による製造方法の別の態様によれば、焼成は、第一のインターコネクタ前駆体303、固体電解質304の乾燥被膜、および第二のインターコネクタ前駆体305以外の各部材の乾燥被膜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301の乾燥被膜又はその仮焼体の表面に、燃料極302の乾燥被膜を形成後、焼成(1100℃以上1400℃未満、好ましくは1250℃以上1400℃未満)して燃料極302を形成する工程と、第一のインターコネクタ前駆体303、固体電解質304の乾燥被膜、および第二のインターコネクタ前駆体305からなる積層成形体を形成後、共焼成(好ましくは1250℃以上1400℃未満)して積層焼成体を形成する工程と、空気極307の乾燥被膜を形成し、これを積層焼成体とともに焼成(1100℃以上1400℃未満、好ましくは1250℃以上1400℃未満)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307の形成後に行う。 According to another aspect of the manufacturing method of the present invention, the firing forms a dry coating of the first interconnector precursor 303, the solid electrolyte 304, and a dry coating of each member other than the second interconnector precursor 305. It is preferable to carry out each time. That is, according to this aspect, after forming the dry film of the fuel electrode 302 on the surface of the dry film of the support 301 or the calcined body thereof, firing (1100° C. or more and less than 1400° C., preferably 1250° C. or more and less than 1400° C. ) To form the fuel electrode 302, and after forming a laminated compact including the first interconnector precursor 303, the dry coating of the solid electrolyte 304, and the second interconnector precursor 305, co-firing (preferably Is 1250° C. or higher and lower than 1400° C.) to form a laminated fired body, and a dry coating film of the air electrode 307 is formed and fired together with the laminated fired body (1100° C. or higher but lower than 1400° C., preferably 1250° C. or higher 1400° C. (Below °C) to form an air electrode. The current collecting layer is formed after the air electrode 307 is formed.

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 Kneaded Material A for Support)
A high-purity forsterite (Mg 2 SiO 4 containing 0.05% by mass CaO) raw material powder was adjusted to have an average particle diameter 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 former (acrylic resin particles having an average particle diameter of 5 μm). Was mixed with a high-speed mixer, then kneaded with a kneader (kneader), and deaerated with a vacuum kneader to prepare a kneaded material for extrusion molding. Here, the average particle size is a value measured by the standard of JIS R1629 and shown as a 50% size (the same applies hereinafter).

(燃料極用スラリーの作製)
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 fuel electrode slurry)
NiO powder and 10YSZ (10 mol% Y 2 O 3 -90 mol% ZrO 2 ) powder were wet mixed at a weight ratio of 65:35 to obtain a dry powder. The average particle size of the obtained dry powder was adjusted to 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 defoaming agent (organic polymer) 2 After mixing with 1 part by weight, the mixture was sufficiently stirred to prepare a slurry.

(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 fuel electrode 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 and the GDC10 powder was 50/50 by weight. The average particle diameter of the obtained powder for fuel electrode 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 defoaming agent (organic polymer) 2 After mixing with 1 part by weight, the mixture was sufficiently stirred to prepare a slurry.

(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 part by weight of Ga 2 O 3 powder as a sintering aid, and further 100 parts by weight of solvent (carbitol), 4 parts by weight of binder (soluble polymer), dispersant (nonionic interface). 1 part by weight of an activator and 1 part by weight of an antifoaming agent (organic polymer type) were mixed and sufficiently stirred to prepare a slurry.

(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)
As a material for the solid electrolyte, LSGM powder having a composition of La 0.9 Sr 0.1 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 was used. 50 parts by weight of this LSGM powder, 100 parts by weight of solvent (carbitol), 4 parts by weight of binder (soluble polymer), 1 part by weight of dispersant (nonionic surfactant), and defoaming agent (organic polymer type) After mixing with 1 part by weight, the mixture was sufficiently stirred to prepare a slurry.

(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, a powder having a composition of La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 was used. 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 1 defoaming agent (organic polymer) After mixing with 1 part by weight, the mixture was thoroughly stirred to prepare a slurry.

(第一のインターコネクタ前駆体用原料粉末の作製)
第一のインターコネクタ前駆体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ニオブと鉄とがSr0.37La0.52Ti0.50Nb0.10Fe0.403−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、溶液中で混合した後、溶媒を除去して得られた粉末を、1050℃で焼成、そして粉砕して第一のインターコネクタ前駆体用原料粉末を作製した。
(Preparation of raw material powder for first interconnector precursor)
The production of the raw material powder for the first interconnector precursor was performed by the solid phase method. Strontium, lanthanum, titanium, niobium, and iron have the composition ratio of the perovskite-type oxide represented by Sr 0.37 La 0.52 Ti 0.50 Nb 0.10 Fe 0.40 O 3-δ , The raw material metal oxide powder was weighed, mixed in a solution, and then the solvent was removed to obtain a powder, which was fired at 1050° C. and pulverized to obtain a first raw material powder for an interconnector precursor. It was made.

(第一のインターコネクタ前駆体用スラリーの作製)
第一のインターコネクタ前駆体の材料として、Sr0.37La0.52Ti0.50Nb0.10Fe0.403−δの組成の第一のインターコネクタ前駆体用原料粉末を用いた。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 first interconnector precursor)
As a material for the first interconnector precursor, a raw material powder for the first interconnector precursor having a composition of Sr 0.37 La 0.52 Ti 0.50 Nb 0.10 Fe 0.40 O 3-δ is used. I was there. 40 parts by weight of this powder, 100 parts by weight of solvent (carbitol), 4 parts by weight of binder (soluble polymer), 1 part by weight of dispersant (nonionic surfactant), and 1 part by weight of defoaming agent (organic polymer). After mixing with 1 part, agitated thoroughly to prepare a slurry.

(第二のインターコネクタ前駆体用原料粉末の作製)
第二のインターコネクタ前駆体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、溶液中で混合した後に溶媒を除去して得られた粉末を、1050℃で焼成、および粉砕して第二のインターコネクタ前駆体用原料粉末を作製した。
(Preparation of raw material powder for second interconnector precursor)
The production of the raw material powder for the second interconnector precursor was performed by the solid phase method. The powder of the metal oxide as the raw material was weighed and mixed in the solution so that the composition ratio of the perovskite type oxide represented by Sr 0.90 La 0.04 TiO 3-δ of strontium, lanthanum and titanium was obtained. After that, the solvent was removed and the obtained powder was fired at 1050° C. and pulverized to prepare a second raw material powder for an interconnector precursor.

(第二のインターコネクタ前駆体用スラリーの作製)
第二のインターコネクタ前駆体の材料として、Sr0.90La0.04TiO3−δの組成の第二のインターコネクタ前駆体用原料粉末を用いた。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 second interconnector precursor)
As a material for the second interconnector precursor, a raw material powder for a second interconnector precursor having a composition of Sr 0.90 La 0.04 TiO 3−δ was used. 40 parts by weight of this powder, 100 parts by weight of solvent (carbitol), 4 parts by weight of binder (soluble polymer), 1 part by weight of dispersant (nonionic surfactant), and defoaming agent (organic polymer) 1 After mixing with 1 part by weight, the mixture was thoroughly stirred to prepare a slurry.

(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。
(Preparation of solid oxide fuel cell stack)
Using the kneaded clay and each slurry obtained as described above, a solid oxide fuel cell stack was manufactured by the following method.

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、第一のインターコネクタ前駆体、反応抑制層、固体電解質、第二のインターコネクタ前駆体の順番で成膜し、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。この焼成時に、第一および第二のインターコネクタ前駆体間、ならびに各インターコネクタ前駆体と固体電解質との間で元素の相互拡散が起こると考えられる。 A cylindrical molded body was produced from the porous kneaded material A for a support by an extrusion molding method. After drying at room temperature, it was heat-treated at 1100° C. for 2 hours to prepare a calcined body of the support. On this support surface, a fuel electrode, a fuel electrode catalyst layer, a first interconnector precursor, a reaction suppressing layer, a solid electrolyte, and a second interconnector precursor were formed in this order by a slurry coating method, and dried. A laminated molded body having a dry film laminated thereon was obtained. This laminated compact was co-fired at 1300° C. for 2 hours. It is believed that during this firing, interdiffusion of elements occurs between the first and second interconnector precursors and between each interconnector precursor and the solid electrolyte.

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固体酸化物形燃料電池セルスタックを切断して、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、得られた厚みのうち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。図6は、下から燃料極、インターコネクタおよび空気極の順で形成された積層構造を示すSEM画像である。図中、点線の上側が第二のインターコネクタ前駆体に由来する部分であり、点線の下側が第一のインターコネクタ前駆体に由来する部分である。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 prepare a solid oxide fuel cell stack. The support had an outer diameter of 10 mm and a wall thickness of 1 mm after co-firing. The produced solid oxide fuel cell stack had a fuel electrode thickness of 100 μm, a fuel electrode 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 was obtained by cutting the produced solid oxide fuel cell stack and observing the cross section three times with a scanning electron microscope (SEM) at an arbitrary magnification of 30 to 2000 times. Of these, the maximum and minimum values are added and divided by two. The cutting location was the central portion of the portion where the air electrode was formed. FIG. 6 is an SEM image showing a laminated structure in which a fuel electrode, an interconnector and an air electrode are formed in this order from the bottom. In the figure, the upper side of the dotted line is the portion derived from the second interconnector precursor, and the lower side of the dotted line is the portion derived from the first interconnector precursor. The following evaluations were performed on the obtained solid oxide fuel cell stack. The results are shown in Table 1.

実施例2〜13
実施例1に対して、第一のインターコネクタ前駆体、第二のインターコネクタ前駆体の組成を表1に記載の組成と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。
Examples 2-13
A solid oxide fuel cell stack was obtained in the same manner as in Example 1 except that the composition of the first interconnector precursor and the second interconnector precursor were changed to those shown in Table 1. .. The following evaluations were performed on the obtained solid oxide fuel cell stack. The results are shown in Table 1.

比較例1
実施例1に対して、第一のインターコネクタ前駆体を設けず、第二のインターコネクタ前駆体の組成をSr0.55La0.30TiO3−δと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。
Comparative Example 1
The same procedure as in Example 1 was performed except that the first interconnector precursor was not provided and the composition of the second interconnector precursor was Sr 0.55 La 0.30 TiO 3 -δ, and solid oxidation was performed. A solid fuel cell stack was obtained. The following evaluations were performed on the obtained solid oxide fuel cell stack. The results are shown in Table 1.

比較例2
実施例1に対して、第一のインターコネクタ前駆体の組成をSr0.40La0.55Ti0.50Fe0.503−δと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。
Comparative example 2
A solid oxide fuel was prepared in the same manner as in Example 1, except that the composition of the first interconnector precursor was Sr 0.40 La 0.55 Ti 0.50 Fe 0.50 O 3-δ. A battery cell stack was obtained. The following evaluations were performed on the obtained solid oxide fuel cell stack. The results are shown in Table 1.

評価
(インターコネクタに含まれるペロブスカイト型酸化物の組成および割合の分析)
インターコネクタの組成は、以下の方法にて特定した。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切り出し、FIB‐SEMによって100nm〜200nmの薄膜に加工した。この薄膜をSTEM−EDXにより評価することで元素マッピングを得た。この元素マッピングを、薄膜近似法を用いて定量分析することでインターコネクタに含まれるペロブスカイト型酸化物の組成比および割合を特定した。結果を表1に示す。インターコネクタの組成の主成分は原料粉末の組成と同じであった。
Evaluation (Analysis of composition and ratio of perovskite type oxide contained in interconnector)
The composition of the interconnector was specified by the following method. An interconnector was cut out from the produced solid oxide fuel cell stack and processed into a thin film of 100 nm to 200 nm by FIB-SEM. Elemental mapping was obtained by evaluating this thin film by STEM-EDX. By quantitatively analyzing this elemental mapping using the thin film approximation method, the composition ratio and the ratio of the perovskite type oxide contained in the interconnector were specified. The results are shown in Table 1. The main component of the composition of the interconnector was the same as that of the raw material powder.

(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。
(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 carried out by sticking a current collecting metal on the exposed part of the fuel electrode with silver paste and baking it. The current collection on the air electrode side was carried out by pasting a current collecting metal on the exposed part of the adjacent fuel electrode with a silver paste.

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 performed under the following power generation conditions, and an electromotive force after operating for 0 hour; OCV (V) was measured. The results are shown in Table 1.
Fuel gas: (H 2 +3% H 2 O) and N 2 mixed gas (mixing ratio is H 2 :N 2 =7:4 (vol:vol))
Oxidizing gas: Air Operating temperature: 700℃

(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で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, a power generation test was conducted by energizing the device at a current density of 0.4 A/cm 2 . After that, the supply amount of the fuel gas was gradually reduced, the hydrogen supply amount immediately before the potential suddenly dropped was measured, and the limit fuel utilization rate was calculated from the following equation. The results are shown in Table 1.
Marginal fuel utilization rate = (amount of hydrogen used for power generation) / (amount of hydrogen supply just before the potential suddenly drops) 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 is calculated by the number of elements.

(端子電圧の測定)
以下の発電条件において、隣接する一方の発電素子の燃料極と隣接する他方の発電素子の燃料極に電位線および電流線を接続することにより、端子間の電圧を測定した。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))
燃料利用率:7%
酸化ガス :空気
運転温度 :700℃
電流密度 :0.4A/cm
(Measurement of terminal voltage)
Under the following power generation conditions, the voltage between the terminals was measured by connecting a potential line and a current line to the fuel electrode of one adjacent power generating element and the fuel electrode of the other adjacent power generating element. The results are shown in Table 1.
Fuel gas: (H 2 +3% H 2 O) and N 2 mixed gas (mixing ratio is H 2 :N 2 =7:4 (vol:vol))
Fuel utilization rate: 7%
Oxidizing gas: Air Operating temperature: 700°C
Current density: 0.4 A/cm 2

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:第一のインターコネクタ前駆体、304:固体電解質、305:第二のインターコネクタ前駆体、306:インターコネクタ、307:空気極、308:酸化物イオン絶縁部 10: power generation element, 210: solid oxide fuel cell stack, 301: support, 302: fuel electrode, 303: first interconnector precursor, 304: solid electrolyte, 305: second interconnector precursor , 306: interconnector, 307: air electrode, 308: oxide ion insulation part

Claims (12)

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、
前記インターコネクタが、下記式(1):
SrLaTi1−c−dNbFe3−δ 式(1)
(式中、a、b、cおよびdは、0.1≦a≦0.8、0.1≦b≦0.8、0.05≦c≦0.2、および0.2≦d≦0.5を満たす正の実数であり、3−δは、3を超えない値である。)
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、固体酸化物形燃料電池セルスタック。
A plurality of power generation elements in which a fuel electrode, a solid electrolyte and an air electrode are laminated at least sequentially,
At least an interconnector electrically connecting the air electrode of one adjacent power generating element of the plurality of power generating elements and the fuel electrode of the other power generating element, and the plurality of power generating elements are connected in series. A solid oxide fuel cell stack comprising:
The interconnector has the following formula (1):
Sr a La b Ti 1-c -d Nb c Fe d O 3-δ (1)
(Where a, b, c and d are 0.1≦a≦0.8, 0.1≦b≦0.8, 0.05≦c≦0.2, and 0.2≦d≦ Ri positive real number der satisfying 0.5, the 3-[delta], Ru value der not exceed 3.)
A solid oxide fuel cell stack comprising a perovskite oxide represented by
前記インターコネクタが、その厚さ方向に前記式(1)に示される組成範囲内の組成勾配を有するものである、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 fuel cell stack according to claim 1, wherein the interconnector has a composition gradient in the composition range represented by the formula (1) in the thickness direction. 前記インターコネクタと一方の発電素子の固体電解質との間及び/又は前記インターコネクタと他方の発電素子の固体電解質との間に酸化物イオン絶縁部を有し、かつ、当該酸化物イオン絶縁部が前記インターコネクタと前記一方の発電素子の固体電解質及び/又は前記他方の発電素子の固体電解質とに接している、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。 Between the interconnector and the solid electrolyte of one power generating element and/or between the interconnector and the solid electrolyte of the other power generating element, there is an oxide ion insulating portion, and the oxide ion insulating portion is The solid oxide fuel cell stack according to claim 1 or 2, which is in contact with the interconnector and the solid electrolyte of the one power generation element and/or the solid electrolyte of the other power generation element. 前記酸化物イオン絶縁部が、SrLaTiO3−δ 式(2)
(式中、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。)
を含むものである、請求項3に記載の固体酸化物形燃料電池セルスタック。
The oxide ion insulation part is Sr x La y TiO 3 −δ formula (2)
(In the formula, x and y are positive real numbers that satisfy 0.8≦x+y≦1.0 and 0.01<y≦0.1.)
The solid oxide fuel cell stack according to claim 3, which comprises:
前記固体電解質がSrおよびMgがドープされたランタンガレート系酸化物である、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 oxide fuel cell stack according to claim 1, wherein the solid electrolyte is a lanthanum gallate-based oxide doped with Sr and Mg. 前記インターコネクタが、
前記燃料極の表面に形成され、下記式(1’):
SrLaTi1−c−dNbFe3−δ 式(1’)
(式中、a、b、cおよびdは、0.1≦a≦0.8、0.1≦b≦0.8、0.1≦c≦0.3、および0.3≦d≦0.6を満たす正の実数であり、3−δは、3を超えない値である。)
からなる第一のインターコネクタ前駆体と、
前記第一のインターコネクタ前駆体の表面に形成され、下記式(2):
SrLaTiO3−δ 式(2)
(式中、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り、3−δは、3を超えない値である。)
からなる第二のインターコネクタ前駆体とを共焼成することにより形成されたものである、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 is
Formed on the surface of the fuel electrode, the following formula (1′):
Sr a La b Ti 1-c -d Nb c Fe d O 3-δ formula (1 ')
(Where a, b, c and d are 0.1≦a≦0.8, 0.1≦b≦0.8, 0.1≦c≦0.3, and 0.3≦d≦ Ri positive real number der satisfying 0.6, the 3-[delta], Ru value der not exceed 3.)
A first interconnector precursor consisting of
It is formed on the surface of the first interconnector precursor and has the following formula (2):
Sr x La y TiO 3-δ formula (2)
(Wherein, x and y, 0.8 ≦ x + y ≦ 1.0 , and 0.01 <Ri positive real number der satisfying y ≦ 0.1, the 3-[delta], the value der not exceeding 3 )
The solid oxide fuel cell stack according to any one of claims 1 to 5, which is formed by co-firing with a second interconnector precursor consisting of.
前記インターコネクタおよび前記固体電解質が、
前記燃料極の表面に形成される前記第一のインターコネクタ前駆体と、
前記第一のインターコネクタ前駆体の表面に形成される固体電解質の乾燥被膜と、
前記第一のインターコネクタ前駆体および前記固体電解質の乾燥被膜の表面に形成される前記第二のインターコネクタ前駆体とを共焼成して形成されるものであり、
前記第一のインターコネクタ前駆体および前記第二のインターコネクタ前駆体は、これらの間の一部に前記一方の発電素子の固体電解質の乾燥被膜及び/又は前記他方の発電素子の固体電解質の乾燥被膜が形成されることにより、互いに接している部分と接していない部分とを有してなる、請求項に記載の固体酸化物形燃料電池セルスタック。
The interconnector and the solid electrolyte are
The first interconnector precursor formed on the surface of the fuel electrode,
A dry coating of a solid electrolyte formed on the surface of the first interconnector precursor;
It is formed by co-firing the first interconnector precursor and the second interconnector precursor formed on the surface of the dry coating of the solid electrolyte,
The first interconnector precursor and the second interconnector precursor have a portion of a space between the first and second interconnector precursors, which is a dry coating of the solid electrolyte of the one power generating element and/or a dry solid electrolyte of the other power generating element. The solid oxide fuel cell stack according to claim 6 , which has a portion in contact with each other and a portion not in contact with each other by forming the coating film.
前記第二のインターコネクタ前駆体における前記第一のインターコネクタ前駆体と接していない部分が、焼成後も前記式(2)からなるものである、請求項6または7に記載の固体酸化物形燃料電池セルスタック。 The solid oxide form according to claim 6 or 7, wherein the portion of the second interconnector precursor that is not in contact with the first interconnector precursor is of the formula (2) even after firing. Fuel cell stack. 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の製造方法であって、
前記燃料極を形成する工程と、
前記インターコネクタを形成する工程と、
前記固体電解質を形成する工程と、
前記空気極を形成する工程とを少なくとも含んでなり、
前記インターコネクタは、
下記式(1):
SrLaTi1−c−dNbFe3−δ 式(1)
(式中、a、b、cおよびdは、0.1≦a≦0.8、0.1≦b≦0.8、0.05≦c≦0.2、および0.2≦d≦0.5を満たす正の実数であり、3−δは、3を超えない値である。)
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、固体酸化物形燃料電池セルスタックの製造方法。
A plurality of power generation elements in which a fuel electrode, a solid electrolyte and an air electrode are laminated at least sequentially,
At least an interconnector electrically connecting the air electrode of one adjacent power generating element of the plurality of power generating elements and the fuel electrode of the other power generating element, and the plurality of power generating elements are connected in series. A method of manufacturing a solid oxide fuel cell stack, comprising:
Forming the fuel electrode,
Forming the interconnector,
Forming the solid electrolyte,
At least comprising the step of forming the air electrode,
The interconnector is
Formula (1) below:
Sr a La b Ti 1-c -d Nb c Fe d O 3-δ (1)
(Where a, b, c and d are 0.1≦a≦0.8, 0.1≦b≦0.8, 0.05≦c≦0.2, and 0.2≦d≦ Ri positive real number der satisfying 0.5, the 3-[delta], Ru value der not exceed 3.)
A method for producing a solid oxide fuel cell stack, comprising a perovskite oxide represented by
前記燃料極の表面に、下記式(1’):
SrLaTi1−c−dNbFe3−δ 式(1’)
(式中、a、b、cおよびdは、0.1≦a≦0.8、0.1≦b≦0.8、0.1≦c≦0.3、および0.3≦d≦0.6を満たす正の実数であり、3−δは、3を超えない値である。)
からなる第一のインターコネクタ前駆体を形成する工程と、
前記第一のインターコネクタ前駆体の表面に、下記式(2):
SrLaTiO3−δ 式(2)
(式中、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り、3−δは、3を超えない値である。)
からなる第二のインターコネクタ前駆体を形成する工程と、
前記第一のインターコネクタ前駆体と前記第二のインターコネクタ前駆体とを共焼成し、前記インターコネクタを形成する工程と
を含んでなる、請求項9に記載の固体酸化物形燃料電池セルスタックの製造方法。
On the surface of the fuel electrode, the following formula (1′):
Sr a La b Ti 1-c -d Nb c Fe d O 3-δ formula (1 ')
(Where a, b, c and d are 0.1≦a≦0.8, 0.1≦b≦0.8, 0.1≦c≦0.3, and 0.3≦d≦ Ri positive real number der satisfying 0.6, the 3-[delta], Ru value der not exceed 3.)
A step of forming a first interconnector precursor consisting of
On the surface of the first interconnector precursor, the following formula (2):
Sr x La y TiO 3-δ formula (2)
(Wherein, x and y, 0.8 ≦ x + y ≦ 1.0 , and 0.01 <Ri positive real number der satisfying y ≦ 0.1, the 3-[delta], the value der not exceeding 3 )
Forming a second interconnector precursor consisting of
The solid oxide fuel cell stack according to claim 9, comprising a step of co-firing the first interconnector precursor and the second interconnector precursor to form the interconnector. Manufacturing method.
前記第一のインターコネクタ前駆体の表面に前記固体電解質の乾燥被膜を形成する工程と、
前記第一のインターコネクタ前駆体および前記固体電解質の乾燥被膜の表面に前記第二のインターコネクタ前駆体を形成する工程と、
前記第一のインターコネクタ前駆体と前記固体電解質の乾燥被膜と前記第二のインターコネクタ前駆体とを共焼成し、前記インターコネクタおよび前記固体電解質を形成する工程と
を含んでなる、請求項10に記載の固体酸化物形燃料電池セルスタックの製造方法。
Forming a dry coating of the solid electrolyte on the surface of the first interconnector precursor,
Forming the second interconnector precursor on the surface of the dry coating of the first interconnector precursor and the solid electrolyte;
11. The step of co-firing the first interconnector precursor, the dry coating of the solid electrolyte, and the second interconnector precursor to form the interconnector and the solid electrolyte. The method for producing a solid oxide fuel cell stack according to item 4.
前記第一のインターコネクタ前駆体および前記第二のインターコネクタ前駆体は、これらの間の一部に隣接する一方の発電素子の固体電解質の乾燥被膜及び/又は他方の発電素子の固体電解質の乾燥被膜が形成されることにより、互いに接している部分と接していない部分とを有してなる、請求項11に記載の固体酸化物形燃料電池セルスタックの製造方法。 The first interconnector precursor and the second interconnector precursor are a dry coating of the solid electrolyte of one power generating element and/or a solid electrolyte of the other power generating element adjacent to a part between them. The method for producing a solid oxide fuel cell stack according to claim 11, comprising a portion that is in contact with each other and a portion that is not in contact with each other when the coating film is formed.
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