JP6803437B2 - Cell, cell stack device, module and module storage device - Google Patents

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Description

本発明は、セル、セルスタック装置、モジュールおよびモジュール収納装置に関する。 The present invention relates to cells, cell stack devices, modules and module storage devices.

近年、次世代エネルギーとして、セルの1種である固体酸化物形燃料電池セル(以下、単にセルということがある。)を電気的に直列に複数個接続してなるセルスタック装置を、収納容器内に収容した燃料電池装置が種々提案されている。 In recent years, as next-generation energy, a cell stack device in which a plurality of solid oxide fuel cell cells (hereinafter, may be simply referred to as cells), which are one type of cells, are electrically connected in series is provided as a storage container. Various fuel cell devices housed inside have been proposed.

このようなセルとしては、固体電解質層を燃料極と酸素極とで挟んだ構造を有している。セルは、燃料極に燃料ガスを、酸素極に酸素含有ガスを流し、加温することによって発電する(例えば特許文献1参照)。 Such a cell has a structure in which a solid electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode and an oxygen electrode. The cell generates electricity by passing a fuel gas through the fuel electrode and an oxygen-containing gas through the oxygen electrode and heating the cell (see, for example, Patent Document 1).

また、特許文献1においては、セルの強度を向上させるために固体電解質層よりも強度の高い第1層を備えることが記載されている。 Further, Patent Document 1 describes that a first layer having a strength higher than that of a solid electrolyte layer is provided in order to improve the strength of the cell.

国際公開第2014/208730号International Publication No. 2014/208730

しかしながら、特許文献1のような第1層を用いた場合、上述のセルを用いた発電を繰り返すうちに、長期信頼性が低下することがある。 However, when the first layer as in Patent Document 1 is used, the long-term reliability may decrease as the power generation using the above-mentioned cell is repeated.

本発明の目的は、長期信頼性の向上したセル、セルスタック装置、モジュール、およびモジュール収容装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide cells, cell stacking devices, modules, and module accommodating devices with improved long-term reliability.

本発明のセルは、第1電極、固体電解質層および第2電極がこの順に積層された素子部を有しており、前記固体電解質層は、前記第2電極が重なっていない第1部位を有しており、前記第1部位上の少なくとも一部に、多数の粒子で構成され、前記固体電解質層よりも厚い第1層が設けられており、前記粒子は、希土類元素酸化物を含有するジルコニア系酸化物、希土類元素酸化物を含有するセリア系酸化物、及びランタンガレート系酸化物のうちいずれかであり、該第1層において、表層部の平均粒径は、内部の平均粒径よりも大きくなっている。
The cell of the present invention has an element portion in which the first electrode, the solid electrolyte layer, and the second electrode are laminated in this order, and the solid electrolyte layer has a first portion where the second electrode does not overlap. A first layer composed of a large number of particles and thicker than the solid electrolyte layer is provided in at least a part of the first site, and the particles are zirconia containing a rare earth element oxide. system oxide, ceria based oxide containing a rare earth element oxide, and are either of lanthanum gallate-based oxide, in the first layer, the average particle diameter of the surface layer portion, than the average particle diameter of the inner It's getting bigger.

本発明のセルスタック装置は、上記のセルを複数具備してなるとともに、該複数のセルを電気的に接続してなることを特徴とする。 The cell stack device of the present invention is characterized in that it includes a plurality of the above cells and electrically connects the plurality of cells.

本発明のモジュールは、上記のセルスタック装置を収納容器内に収納してなることを特徴とする。 The module of the present invention is characterized in that the cell stack device described above is housed in a storage container.

本発明のモジュール収納装置は、上記のモジュールと、該モジュールを作動させるための補機とを、外装ケース内に収納してなることを特徴とする。 The module storage device of the present invention is characterized in that the above-mentioned module and an auxiliary machine for operating the module are stored in an outer case.

本発明のセルでは、長期信頼性の向上したセルとすることができる。このようなセルを用いたセルスタック装置、モジュールおよびモジュール収容装置においても、長期信頼性を向上させることができる。 The cell of the present invention can be a cell with improved long-term reliability. Long-term reliability can also be improved in a cell stack device, a module, and a module accommodating device using such a cell.

円筒型および横縞型のセルの一例を示すもので、(a)は一部破断した斜視図、(b)は縦断面図、(c)は斜視図、(d)は一端側の縦断面図である。An example of a cylindrical type and a horizontal stripe type cell is shown, in which (a) is a partially broken perspective view, (b) is a vertical sectional view, (c) is a perspective view, and (d) is a vertical sectional view on one end side. Is. 中空平板型のセルを示すもので、(a)は横断面図、(b)は一端部側の横断面図、(c)は酸素極側から見た側面図である。A hollow flat plate type cell is shown, where (a) is a cross-sectional view, (b) is a cross-sectional view on one end side, and (c) is a side view seen from the oxygen electrode side. セルスタック装置の一例を示し、(a)はセルスタック装置を概略的に示す側面図、(b)は(a)のセルスタック装置の破線で囲った部分の一部を拡大して示す断面図である。An example of the cell stack device is shown, (a) is a side view schematically showing the cell stack device, and (b) is a cross-sectional view showing a part of the part of the cell stack device (a) surrounded by a broken line in an enlarged manner. Is. 図2のセルを、接合材を用いてガスタンクに固定した状態を示す側面図である。It is a side view which shows the state which fixed the cell of FIG. 2 to a gas tank with a joining material. モジュールの一例を示す外観斜視図である。It is an external perspective view which shows an example of a module. モジュール収容装置の一部を省略して示す斜視図である。It is a perspective view which shows by omitting a part of a module accommodating device.

図1〜6を用いて、セル、セルスタック、モジュールおよびモジュール収容装置について説明する。 A cell, a cell stack, a module, and a module accommodating device will be described with reference to FIGS. 1 to 6.

以下において、セルスタックを構成するセルとして固体酸化物形の燃料電池セルの例を用いて説明する。 Hereinafter, an example of a solid oxide fuel cell will be described as a cell constituting the cell stack.

図1は、円筒型および横縞型のセルの一例を示すものであり、(a)は一部破断した斜視図、(b)は縦断面図、(c)は斜視図、(d)は一端側の縦断面図である。以下、同じ構成については同じ符号を用いて説明する。まず、以下に各セルの構成について説明する。 1A and 1B show an example of a cylindrical and horizontal striped cell, in which FIG. 1A is a partially broken perspective view, FIG. 1B is a vertical sectional view, FIG. 1C is a perspective view, and FIG. 1D is one end. It is a vertical sectional view of a side. Hereinafter, the same configuration will be described using the same reference numerals. First, the configuration of each cell will be described below.

図1(a)、(b)に示すセル100は、いわゆる円筒型のセルの一例を示しており、筒状の支持体を兼ねる多孔質の燃料極(第1電極)3上に、緻密質な固体電解質層4、多孔質な酸素極(第2電極)6がこの順に積層されて円筒状とされている。なお、燃料極3の内側が、燃料ガスが流れる燃料ガス通路2とされ、長手方向Lに沿って設けられている。 The cell 100 shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b) shows an example of a so-called cylindrical cell, which is dense on a porous fuel electrode (first electrode) 3 which also serves as a tubular support. Solid electrolyte layer 4 and porous oxygen electrode (second electrode) 6 are laminated in this order to form a cylindrical shape. The inside of the fuel electrode 3 is a fuel gas passage 2 through which the fuel gas flows, and is provided along the longitudinal direction L.

固体電解質層4は、ガス遮断性を有するセラミックスからなる厚み40μm以下であることが好ましく、特には20μm以下、さらには15μm以下であることが発電性能向上という点から望ましい。 The solid electrolyte layer 4 is preferably made of a gas-blocking ceramic and has a thickness of 40 μm or less, and particularly preferably 20 μm or less, and further preferably 15 μm or less from the viewpoint of improving power generation performance.

この円筒型のセル100は、この燃料極3、固体電解質層4および酸素極6が重なっている部位が、発電する素子部aとして機能する。即ち、酸素極6の外側に空気等の酸素含有ガスを流し、且つ燃料ガス通路2に燃料ガス(水素含有ガス)を流し、所定の作動温度まで加熱することにより発電する。 In the cylindrical cell 100, the portion where the fuel electrode 3, the solid electrolyte layer 4, and the oxygen electrode 6 overlap functions as an element portion a for generating electricity. That is, oxygen-containing gas such as air is passed outside the oxygen electrode 6, and fuel gas (hydrogen-containing gas) is passed through the fuel gas passage 2 to heat the gas to a predetermined operating temperature to generate power.

また、図1(b)に示すように、本実施形態において、固体電解質層4は、酸素極6が重なっていない部位を有している。例えば、セル100の一端部(下端部)および他端部(上端部)である。また、図1(b)に示す例においては、酸素極6が重なっていない部位である一端部に、後述する第1層7が設けられている。 Further, as shown in FIG. 1B, in the present embodiment, the solid electrolyte layer 4 has a portion where the oxygen poles 6 do not overlap. For example, one end (lower end) and the other end (upper end) of the cell 100. Further, in the example shown in FIG. 1 (b), a first layer 7 described later is provided at one end of a portion where the oxygen poles 6 do not overlap.

図1(c)、(d)に示すセル200は、いわゆる横縞型のセルの一例を示しており、断面が扁平状で、全体的に見て楕円筒状体(言い換えれば楕円柱状)をした絶縁性の支持体1を備えている。支持体1の内部には、適当な間隔で複数の燃料ガス通路2がセル300の長手方向Lに貫通して形成されている。 The cell 200 shown in FIGS. 1 (c) and 1 (d) shows an example of a so-called horizontal stripe type cell, which has a flat cross section and has an elliptical tubular body (in other words, an elliptical columnar shape) as a whole. It includes an insulating support 1. Inside the support 1, a plurality of fuel gas passages 2 are formed so as to penetrate the cell 300 in the longitudinal direction L at appropriate intervals.

支持体1は、図1(c)に示されている形状から理解されるように、互いに平行な一対の平坦面nと、一対の平坦面nをそれぞれ接続する弧状面(側面)mとで構成されている。平坦面nの両面は互いにほぼ平行に形成されており、それぞれの平坦面n上に、多孔質な燃料極3、緻密質な固体電解質層4および多孔質な酸素極6を1組として、複数組が隣り合うように設けられており、これらが緻密質なインターコネクタ層8により電気的に接続されている。なお、この燃料極3、固体電解質層4および酸素極6が重なっている部位が、発電する素子部aとして機能する。即ち、酸素極6の外側に空気等の酸素含有ガスを流し、且つ支持体1内の燃料ガス通路2に燃料ガス(水素含有ガス)を流し、所定の作動温度まで加熱することにより発電する。なお、固体電解質層4としては、厚みが40μm以下であることが好ましく、特には20μm以下、さらには15μm以下であることが発電性能向上という点から望ましい。 As can be understood from the shape shown in FIG. 1C, the support 1 is formed by a pair of flat surfaces n parallel to each other and an arcuate surface (side surface) m connecting the pair of flat surfaces n. It is configured. Both sides of the flat surface n are formed substantially parallel to each other, and a plurality of porous fuel poles 3, a dense solid electrolyte layer 4, and a porous oxygen pole 6 are formed as a set on each flat surface n. The sets are provided so as to be adjacent to each other, and these are electrically connected by a dense interconnector layer 8. The portion where the fuel electrode 3, the solid electrolyte layer 4, and the oxygen electrode 6 overlap each other functions as an element portion a for generating electricity. That is, oxygen-containing gas such as air is passed outside the oxygen electrode 6, and fuel gas (hydrogen-containing gas) is passed through the fuel gas passage 2 in the support 1 to generate power by heating to a predetermined operating temperature. The thickness of the solid electrolyte layer 4 is preferably 40 μm or less, particularly preferably 20 μm or less, and further preferably 15 μm or less from the viewpoint of improving power generation performance.

また、これら各組が設けられていない部位は、燃料ガス通路2を流れるガスが外部に漏れることを防止すべく、ガス遮断性を有するセラミックスからなる固体電解質層4が設けられている。すなわち、固体電解質層4とインターコネクタ層8とで内部を流通する燃料ガスが外部に漏出しないように構成されている。 Further, in the portion where each of these sets is not provided, a solid electrolyte layer 4 made of ceramics having a gas blocking property is provided in order to prevent the gas flowing through the fuel gas passage 2 from leaking to the outside. That is, the solid electrolyte layer 4 and the interconnector layer 8 are configured so that the fuel gas flowing inside does not leak to the outside.

また、図1(d)において、絶縁性の支持体1上に、燃料極3および酸素極6をそれぞれ1層とした例を示したが、それぞれが2層以上から構成されてもよく、また燃料極3は少なくともその一部が支持体1に埋め込まれた形態であってもよい。 Further, in FIG. 1D, an example in which the fuel pole 3 and the oxygen pole 6 are each formed into one layer on the insulating support 1 is shown, but each may be composed of two or more layers. The fuel electrode 3 may be in a form in which at least a part thereof is embedded in the support 1.

この横縞型のセル200おいても、図1(d)に示すように、固体電解質層4は、酸素極6が重なっていない部位を有している。例えば、セル200の一端部(下端部)である。図1(d)に示す例においては、酸素極6が重なっていない部位である一端部に、後述する第1層7が設けられている。 Even in this horizontal stripe type cell 200, as shown in FIG. 1D, the solid electrolyte layer 4 has a portion where the oxygen poles 6 do not overlap. For example, one end (lower end) of the cell 200. In the example shown in FIG. 1 (d), the first layer 7 described later is provided at one end of the portion where the oxygen poles 6 do not overlap.

図2は、中空平板型のセル300の一例を示すものであり、(a)はその横断面図、(b)は一端部側の横断面図、(c)は酸素極側から見た側面図である。 2A and 2B show an example of a hollow flat plate type cell 300, in which FIG. 2A is a cross-sectional view thereof, FIG. 2B is a cross-sectional view on one end side, and FIG. 2C is a side view seen from the oxygen electrode side. It is a figure.

図2に示すセル300は、中空平板型で、断面が扁平状で、全体的に見て楕円筒状体(言い換えれば楕円柱状)をした導電性の支持体1を備えている。支持体1の内部には、適当な間隔で複数の燃料ガス通路2がセル300の長手方向Lに貫通して形成されており、セル300は、この支持体1上に各種の部材が設けられた構造を有している。 The cell 300 shown in FIG. 2 has a hollow flat plate type, a flat cross section, and a conductive support 1 having an elliptical tubular body (in other words, an elliptical columnar shape) as a whole. Inside the support 1, a plurality of fuel gas passages 2 are formed so as to penetrate in the longitudinal direction L of the cell 300 at appropriate intervals, and the cell 300 is provided with various members on the support 1. Has a structure.

図2に示すセル300においては、図2(a)に示されている形状から理解されるように、支持体1は、互いに平行な一対の平坦面nと、一対の平坦面nをそれぞれ接続する弧状面(側面)mとで構成されている。平坦面nの両面は互いにほぼ平行に形成されており、一方の平坦面n(一方側主面:下面)と両側の弧状面mを覆うように多孔質な燃料極(第1電極)3が配置されており、さらに、この燃料極3を覆うように、固体電解質層4が配置されている。固体電解質層4はガス遮断性を有するセラミックスからなり厚みは、40μm以下、特には20μm以下、さらには15μm以下であることが発電性能向上という点から望ましい。 In the cell 300 shown in FIG. 2, as can be understood from the shape shown in FIG. 2A, the support 1 connects a pair of flat surfaces n parallel to each other and a pair of flat surfaces n, respectively. It is composed of an arcuate surface (side surface) m. Both sides of the flat surface n are formed substantially parallel to each other, and a porous fuel electrode (first electrode) 3 covers one flat surface n (one side main surface: lower surface) and both arcuate surfaces m. The solid electrolyte layer 4 is arranged so as to cover the fuel electrode 3. The solid electrolyte layer 4 is made of a gas-blocking ceramic and has a thickness of 40 μm or less, particularly 20 μm or less, and more preferably 15 μm or less from the viewpoint of improving power generation performance.

また、固体電解質層4の表面には、中間層9を介して、燃料極3と対面するように、多孔質な酸素極(第2電極)6が配置されている。中間層9は、酸素極6が形成される固体電解質層4上に形成されている。なお、図示していないが、図1に示した円筒型のセル100や横縞型のセル200においても、同様に中間層9を設けてもよい。 Further, on the surface of the solid electrolyte layer 4, a porous oxygen electrode (second electrode) 6 is arranged so as to face the fuel electrode 3 via the intermediate layer 9. The intermediate layer 9 is formed on the solid electrolyte layer 4 on which the oxygen electrode 6 is formed. Although not shown, the intermediate layer 9 may be provided in the cylindrical cell 100 and the horizontal stripe cell 200 shown in FIG. 1 in the same manner.

酸素極6が積層されていない他方の平坦面n(他方側主面:上面)には、ガス遮断性を
有する導電性セラミックスからなるインターコネクタ層8が形成されている。
An interconnector layer 8 made of conductive ceramics having a gas blocking property is formed on the other flat surface n (the other main surface: the upper surface) on which the oxygen poles 6 are not laminated.

すなわち、セル300においては、燃料極3、固体電解質層4は、一方の平坦面(一方側主面:下面)から両端の弧状面mを経由して他方の平坦面n(他方側主面:上面)まで形成されており、固体電解質層4の両端部にはインターコネクタ層8の両端部が積層されて接合されている。固体電解質層4は、一方側主面には全面に設けられている。 That is, in the cell 300, the fuel electrode 3 and the solid electrolyte layer 4 are formed from one flat surface (one side main surface: lower surface) via the arcuate surfaces m at both ends and the other flat surface n (the other side main surface: lower surface). It is formed up to the upper surface), and both ends of the interconnector layer 8 are laminated and joined to both ends of the solid electrolyte layer 4. The solid electrolyte layer 4 is provided on the entire surface of the main surface on one side.

また、ガス遮断性を有する固体電解質層4とインターコネクタ層8とで支持体1を取り囲み、内部を流通する燃料ガスが外部に漏出しないように構成されている。言い換えれば、固体電解質層4とインターコネクタ層8とで、ガス遮断性を有する楕円筒状体を形成し、この楕円筒状体の内部が燃料ガス流路とされ、燃料極3に供給される燃料ガスと、酸素極6に供給される酸素含有ガスとが、楕円筒状体で遮断されている。 Further, the support 1 is surrounded by the solid electrolyte layer 4 having a gas blocking property and the interconnector layer 8, so that the fuel gas flowing inside does not leak to the outside. In other words, the solid electrolyte layer 4 and the interconnector layer 8 form an elliptical tubular body having a gas blocking property, and the inside of the elliptical tubular body serves as a fuel gas flow path and is supplied to the fuel electrode 3. The fuel gas and the oxygen-containing gas supplied to the oxygen electrode 6 are blocked by an elliptical tubular body.

具体的に説明すると、図2(c)に示すように、平面形状が矩形状の酸素極6が、支持体1の上下端部を除いて形成されており、一方、インターコネクタ層8は、図示しないが支持体1の上端から下端まで形成されており、その左右両端部が、固体電解質層4の左右両端部の表面に接合されている。なお、インターコネクタ層8は後述するように、下端部には設けない構成とすることもできる。 More specifically, as shown in FIG. 2C, the oxygen pole 6 having a rectangular planar shape is formed except for the upper and lower ends of the support 1, while the interconnector layer 8 is formed. Although not shown, the support 1 is formed from the upper end to the lower end, and the left and right end portions thereof are joined to the surfaces of the left and right end portions of the solid electrolyte layer 4. As will be described later, the interconnector layer 8 may not be provided at the lower end portion.

ここで、セル300は、燃料極3と酸素極6とが固体電解質層4を介して対面している部分が発電の素子部aとして機能する。即ち、酸素極6の外側に空気等の酸素含有ガスを流し、且つ支持体1内の燃料ガス通路2に燃料ガス(水素含有ガス)を流し、所定の作動温度まで加熱することにより発電する。そして、かかる発電によって生成した電流は、支持体1に設けられているインターコネクタ層8を介して集電される。 Here, in the cell 300, the portion where the fuel electrode 3 and the oxygen electrode 6 face each other via the solid electrolyte layer 4 functions as the element portion a for power generation. That is, oxygen-containing gas such as air is passed outside the oxygen electrode 6, and fuel gas (hydrogen-containing gas) is passed through the fuel gas passage 2 in the support 1 to generate power by heating to a predetermined operating temperature. Then, the current generated by such power generation is collected via the interconnector layer 8 provided on the support 1.

なお、この中空平板型のセル300おいても、図2(b)、(c)に示すように、固体電解質層4は、酸素極6が重なっていない部位を有している。例えば、セル300の一端部(下端部)である。図2(b)、(c)に示す例においては、酸素極6が重なっていない部位である一端部に、後述する第1層7が設けられている。 Even in this hollow flat plate type cell 300, as shown in FIGS. 2 (b) and 2 (c), the solid electrolyte layer 4 has a portion where the oxygen poles 6 do not overlap. For example, one end (lower end) of the cell 300. In the examples shown in FIGS. 2 (b) and 2 (c), the first layer 7 described later is provided at one end of the portion where the oxygen poles 6 do not overlap.

以下に、本実施形態のセルを構成する各部材について、セル300を用いて説明する。なお、セル100、200においても、特に断りのない限り、下記と同様の材料を用いることができる。 Hereinafter, each member constituting the cell of the present embodiment will be described with reference to the cell 300. In cells 100 and 200, the same materials as below can be used unless otherwise specified.

支持体1は、燃料ガスを燃料極3まで透過させるためにガス透過性であること、インターコネクタ層8を介して集電を行うために導電性であることが要求されることから、例えば、Niおよび/またはNiOと、無機酸化物、例えば特定の希土類元素酸化物とにより形成されることが好ましい。 Since the support 1 is required to be gas permeable in order to allow the fuel gas to permeate to the fuel electrode 3 and to be conductive in order to collect electricity through the interconnector layer 8, for example, It is preferably formed of Ni and / or NiO and an inorganic oxide, such as a particular rare earth element oxide.

特定の希土類元素酸化物とは、支持体1の熱膨張係数を固体電解質層4の熱膨張係数に近づけるために使用されるものであり、Y、Lu、Yb、Tm、Er、Ho、Dy、Gd、Sm、Prからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含む希土類元素酸化物が、Niおよび/またはNiOとの組み合わせで使用することができる。このような希土類元素酸化物の具体例としては、Y、Lu、Yb、Tm、Er、Ho、Dy、Gd、Sm、Prを例示することができ、Niおよび/またはNiOとの固溶、反応が殆どなく、また、熱膨張係数が固体電解質層4と同程度であり、かつ安価であるという点から、Y、Ybが好ましい。 The specific rare earth element oxide is used to bring the coefficient of thermal expansion of the support 1 close to the coefficient of thermal expansion of the solid electrolyte layer 4, and is used to bring the coefficient of thermal expansion of the support 1 close to that of Y, Lu, Yb, Tm, Er, Ho, Dy, and so on. Rare earth element oxides containing at least one element selected from the group consisting of Gd, Sm and Pr can be used in combination with Ni and / or NiO. Specific examples of such rare earth oxide, Y 2 O 3, Lu 2 O 3, Yb 2 O 3, Tm 2 O 3, Er 2 O 3, Ho 2 O 3, Dy 2 O 3, Gd 2 O 3 , Sm 2 O 3 , Pr 2 O 3 can be exemplified, and there is almost no solid dissolution or reaction with Ni and / or NiO, and the thermal expansion coefficient is about the same as that of the solid electrolyte layer 4. and from the point that it is inexpensive, Y 2 O 3, Yb 2 O 3 it is preferred.

また、本実施形態においては、支持体1を導電性の支持体1とするにあたっては、良好
な導電率を維持し、かつ熱膨張係数を固体電解質層4と近似させるという点で、Niおよび/またはNiO:希土類元素酸化物=35:65〜65:35の体積比で存在することが好ましい。
Further, in the present embodiment, when the support 1 is made into the conductive support 1, Ni and / / Ni and / / are in that good conductivity is maintained and the coefficient of thermal expansion is approximated to that of the solid electrolyte layer 4. Alternatively, it is preferably present in a volume ratio of NiO: rare earth element oxide = 35: 65-65: 35.

また、支持体1を絶縁性の支持体1とするにあたっては、例えば、Mg酸化物(MgO)、Niおよび/またはNiOと、特定の希土類酸化物とで形成されることが好ましい。希土類元素酸化物については上述と同様のものを用いることができる。また、MgOは70〜80体積%、希土類元素酸化物は10〜20体積%、Niおよび/またはNiOは10〜25体積%とし、全体として10Ω・cm以上の抵抗率を有することが好ましい。 Further, when the support 1 is used as the insulating support 1, it is preferably formed of, for example, Mg oxide (MgO), Ni and / or NiO, and a specific rare earth oxide. As the rare earth element oxide, the same one as described above can be used. Further, MgO is preferably 70 to 80% by volume, rare earth element oxide is 10 to 20% by volume, and Ni and / or NiO is 10 to 25% by volume, preferably having a resistivity of 10Ω · cm or more as a whole.

なお、支持体1中には、要求される特性が損なわれない限りの範囲で、他の金属成分や酸化物成分を含有していてもよい。 The support 1 may contain other metal components and oxide components as long as the required properties are not impaired.

また、支持体1は、燃料ガス透過性を有していることが必要であるため、多孔質であり、通常、開気孔率が30%以上、特に35〜50%の範囲にあることが好ましい。また、支持体1の導電率は、300S/cm以上、特に440S/cm以上であることが好ましい。 Further, since the support 1 needs to have fuel gas permeability, it is porous, and the porosity is usually preferably in the range of 30% or more, particularly 35 to 50%. .. Further, the conductivity of the support 1 is preferably 300 S / cm or more, particularly preferably 440 S / cm or more.

なお、支持体1の平坦面nの長さ(支持体1の幅方向Wの長さ)は、例えば、15〜35mm、弧状面mの長さ(弧の長さ)は、2〜8mmであり、支持体1の厚み(平坦面n間の厚み)は1.5〜5mmである。支持体1の長さは、例えば、100〜300mmとされている。 The length of the flat surface n of the support 1 (the length of the support 1 in the width direction W) is, for example, 15 to 35 mm, and the length of the arcuate surface m (the length of the arc) is 2 to 8 mm. Yes, the thickness of the support 1 (thickness between flat surfaces n) is 1.5 to 5 mm. The length of the support 1 is, for example, 100 to 300 mm.

燃料極3は、電極反応を生じさせるものであり、それ自体公知の多孔質の導電性セラミックスにより形成することができる。例えば、希土類元素酸化物が固溶したZrOまたは希土類元素酸化物が固溶したCeOと、Niおよび/またはNiOとから形成することができる。なお、希土類元素としては、支持体1において例示した希土類元素を用いることができ、例えばYが固溶したZrO(YSZ)とNiおよび/またはNiOとから形成することができる。 The fuel electrode 3 causes an electrode reaction and can be formed of a porous conductive ceramic known per se. For example, it can be formed from ZrO 2 in which a rare earth element oxide is dissolved or CeO 2 in which a rare earth element oxide is dissolved, and Ni and / or NiO. As the rare earth element, the rare earth element exemplified in the support 1 can be used, and for example, it can be formed from ZrO 2 (YSZ) in which Y 2 O 3 is dissolved and Ni and / or NiO.

燃料極3中の希土類元素酸化物が固溶したZrOまたは希土類元素酸化物が固溶しているCeOの含有量は、35〜65体積%の範囲にあるのが好ましく、またNiあるいはNiOの含有量は、65〜35体積%であるのが好ましい。さらに、この燃料極3の開気孔率は、15%以上、特に20〜40%の範囲にあるのが好ましく、その厚みは、1〜30μmであるのが好ましい。 The content of ZrO 2 in which the rare earth element oxide is solid-dissolved or CeO 2 in which the rare earth element oxide is solid-dissolved in the fuel electrode 3 is preferably in the range of 35 to 65% by volume, and Ni or NiO. The content of is preferably 65 to 35% by volume. Further, the porosity of the fuel electrode 3 is preferably in the range of 15% or more, particularly 20 to 40%, and the thickness thereof is preferably 1 to 30 μm.

また、燃料極3は、酸素極6に対面する位置に形成されていればよいため、例えば酸素極6が設けられている支持体1の下側の平坦面nにのみ燃料極3が形成されていてもよい。すなわち、燃料極3は支持体1の下側の平坦面nにのみ設けられ、固体電解質層4が燃料極3表面、支持体1の両弧状面m表面および燃料極3が形成されていない支持体1の上側の平坦面n上に形成された構造をしたものであってもよい。 Further, since the fuel pole 3 may be formed at a position facing the oxygen pole 6, for example, the fuel pole 3 is formed only on the flat surface n on the lower side of the support 1 on which the oxygen pole 6 is provided. May be. That is, the fuel pole 3 is provided only on the flat surface n on the lower side of the support 1, and the solid electrolyte layer 4 is the surface of the fuel pole 3, the bi-arc-shaped surface m of the support 1, and the support on which the fuel pole 3 is not formed. It may have a structure formed on the flat surface n on the upper side of the body 1.

固体電解質層4は、上述したように、3〜15モル%のY、Sc、Yb等の希土類元素酸化物が固溶した部分安定化あるいは安定化ZrOを主成分として含有することが好ましい。また、希土類元素としては、安価であるという点からYが好ましい。固体電解質層4は、部分安定化あるいは安定化ZrOからなるセラミックスに限定されるものではなく、従来、公知の、例えば、Gd、Sm等の希土類元素が固溶したセリア系や、ランタンガレー系の固体電解質層であっても良いことは勿論である。
As described above, the solid electrolyte layer 4 preferably contains 3 to 15 mol% of partially stabilized or stabilized ZrO 2 in which rare earth element oxides such as Y, Sc, and Yb are dissolved as a main component. Further, as a rare earth element, Y is preferable because it is inexpensive. The solid electrolyte layer 4, partially stabilized or is not limited to ceramics composed of stabilized ZrO 2, conventionally, known, for example, Gd, ceria or a rare earth element in solid solution, such as Sm, lanthanum gallate DOO Of course, it may be a solid electrolyte layer of the system.

固体電解質層4と後述する酸素極6との間に、固体電解質層4と酸素極6との接合を強
固とするとともに、固体電解質層4の成分と酸素極6の成分とが反応して電気抵抗の高い反応層が形成されることを抑制する目的で中間層9が形成されている。
Between the solid electrolyte layer 4 and the oxygen electrode 6 described later, the bond between the solid electrolyte layer 4 and the oxygen electrode 6 is strengthened, and the components of the solid electrolyte layer 4 and the components of the oxygen electrode 6 react with each other to generate electricity. The intermediate layer 9 is formed for the purpose of suppressing the formation of a reaction layer having high resistance.

中間層9としては、Ce以外の他の希土類元素酸化物を含有するCeO系焼結体からなるもので、例えば、(CeO1−x(REO1.5(式中、REはSm、Y、Yb、Gdの少なくとも1種であり、xは0<x≦0.3を満足する数)で表される組成を有していることが好ましい。さらには、電気抵抗を低減するという点から、REとしてSmやGdを用いることが好ましく、例えば10〜20モル%のSmO1.5またはGdO1.5が固溶したCeOからなることが好ましい。なお、中間層9を2層構造とすることもできる。 The intermediate layer 9 is made of a CeO 2- based sintered body containing a rare earth element oxide other than Ce, and is, for example, (CeO 2 ) 1-x (REO 1.5 ) x (RE in the formula). Is at least one of Sm, Y, Yb, and Gd, and x preferably has a composition represented by 0 <x≤0.3). Furthermore, from the viewpoint of reducing electrical resistance, it is preferable to use Sm or Gd as RE, and for example, it is preferably composed of CeO 2 in which 10 to 20 mol% of SmO 1.5 or GdO 1.5 is dissolved. .. The intermediate layer 9 may have a two-layer structure.

酸素極6としては、いわゆるABO型のペロブスカイト型酸化物からなる導電性セラミックスにより形成することが好ましい。かかるペロブスカイト型酸化物としては、Laを含有する遷移金属ペロブスカイト型酸化物、特にAサイトにSrとLaが共存するLaMnO系酸化物、LaFeO系酸化物、LaCoO系酸化物の少なくとも1種が好ましく、600〜1000℃程度の作動温度での電気伝導性が高いという点からLaCoO系酸化物が特に好ましい。なお、上記ペロブスカイト型酸化物においては、Bサイトに、CoとともにFeやMnが存在しても良い。 The oxygen electrode 6 is preferably formed of conductive ceramics made of so-called ABO 3 type perovskite type oxide. The perovskite-type oxide is at least one of a transition metal perovskite-type oxide containing La, particularly a LaMnO 3- based oxide in which Sr and La coexist at the A site, a LaFeO 3- based oxide, and a LaCoO 3- based oxide. , and particularly preferably LaCoO 3 type oxide from the viewpoint of high electrical conductivity at operating temperatures of about 600 to 1000 ° C.. In the above-mentioned perovskite-type oxide, Fe and Mn may be present together with Co at the B site.

また、酸素極6は、ガス透過性を有する必要があり、従って、酸素極6を形成する導電性セラミックス(ペロブスカイト型酸化物)は、開気孔率が20%以上、特に30〜50%の範囲にあることが好ましい。さらに、酸素極6の厚みは、集電性という点から30〜100μmであることが好ましい。 Further, the oxygen electrode 6 needs to have gas permeability, and therefore, the conductive ceramics (perovskite type oxide) forming the oxygen electrode 6 has a porosity of 20% or more, particularly in the range of 30 to 50%. It is preferable to be in. Further, the thickness of the oxygen electrode 6 is preferably 30 to 100 μm from the viewpoint of current collecting property.

インターコネクタ層8としては導電性セラミックスにより形成されている。燃料ガス(水素含有ガス)および酸素含有ガスと接触するため、耐還元性、耐酸化性を有していることが必要である。このため、耐還元性、耐酸化性を有する導電性セラミックスとしては、例えば、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物(LaCrO系酸化物)が使用され、特に支持体1および固体電解質層4の熱膨張係数に近づける目的から、BサイトにMgが存在するLaCrMgO系酸化物が用いられる。インターコネクタ層8材料は導電性セラミックスであればよく、特に限定されるものではない。 The interconnector layer 8 is formed of conductive ceramics. Since it comes into contact with fuel gas (hydrogen-containing gas) and oxygen-containing gas, it is necessary to have reduction resistance and oxidation resistance. Therefore, for example, a lanthanum chromite-based perovskite-type oxide (LaCrO 3- based oxide) is used as the conductive ceramics having reduction resistance and oxidation resistance, and in particular, the heat of the support 1 and the solid electrolyte layer 4 is used. for the purpose of close to expansion coefficient, LaCrMgO 3 based oxide Mg is present in the B site is used. The material of the interconnector layer 8 may be any conductive ceramic, and is not particularly limited.

また、インターコネクタ層8の厚みは、ガスのリーク防止と電気抵抗という点から、10〜60μmであることが好ましい。この範囲ならばガスのリークを防止できるとともに、電気抵抗を小さくできる。 The thickness of the interconnector layer 8 is preferably 10 to 60 μm from the viewpoint of preventing gas leakage and electrical resistance. Within this range, gas leakage can be prevented and electrical resistance can be reduced.

そして、図1、図2に示す本実施形態のセル100、200、300では、固体電解質層4の酸素極が重なっていない部位上に、多数の粒子で構成された第1層7が設けられている。 Then, in the cells 100, 200, and 300 of the present embodiment shown in FIGS. 1 and 2, the first layer 7 composed of a large number of particles is provided on the portion of the solid electrolyte layer 4 where the oxygen electrodes do not overlap. ing.

図2(c)に示す例のように、第1層7はセル300の下端まで設けられている。セル300の下端部は、後述するように、ガスタンクに接合される根元部となる。よって、セル300の根元部を強化でき、クラック等の発生を抑制できる。 As shown in the example shown in FIG. 2C, the first layer 7 is provided up to the lower end of the cell 300. The lower end of the cell 300 is a root portion joined to the gas tank, as will be described later. Therefore, the root portion of the cell 300 can be strengthened, and the occurrence of cracks and the like can be suppressed.

第1層7を構成する材料は、例えば、希土類元素酸化物を含有するジルコニア系酸化物、希土類元素酸化物を含有するセリア系酸化物、ランタンガレー系酸化物等を用いることができる。
The material constituting the first layer 7 can be used, for example, zirconia oxide containing a rare earth element oxide, ceria based oxide containing a rare earth element oxide, lanthanum gallate bets based oxide and the like.

ここで、例えば固体電解質層4を構成する材料が、希土類元素酸化物を含有するZrOを主成分とする場合には、第1層7は固体電解質層4よりも希土類元素酸化物の含有量
が少ないことが好ましい。一方、例えば、固体電解質層4を構成する材料が、希土類元素酸化物を含有するCeOを主成分とする場合には、第1層7は固体電解質層4よりも希土類元素酸化物の含有量が多いことが好ましい。このような構成とすることにより、第1層7の強度を、固体電解質層4よりも高くすることができ、固体電解質層4に衝撃が加わることによって固体電解質層4が損傷することを抑制することができる上に、固体電解質層4と成分が類似していることから、固体電解質層7と第1層7との接合強度を高めることができる。ここで、主成分とは固体電解質層4や第1層7を構成する元素のうち、90体積%以上を占める成分をいう。
Here, for example, when the material constituting the solid electrolyte layer 4 contains ZrO 2 containing a rare earth element oxide as a main component, the first layer 7 contains a rare earth element oxide more than the solid electrolyte layer 4. Is preferably small. On the other hand, for example, when the material constituting the solid electrolyte layer 4 contains CeO 2 containing a rare earth element oxide as a main component, the first layer 7 contains a rare earth element oxide more than the solid electrolyte layer 4. Is preferable. With such a configuration, the strength of the first layer 7 can be made higher than that of the solid electrolyte layer 4, and the solid electrolyte layer 4 is prevented from being damaged by the impact applied to the solid electrolyte layer 4. In addition, since the components are similar to those of the solid electrolyte layer 4, the bonding strength between the solid electrolyte layer 7 and the first layer 7 can be increased. Here, the main component refers to a component that occupies 90% by volume or more of the elements constituting the solid electrolyte layer 4 and the first layer 7.

特には、固体電解質層4は部分安定化ジルコニア、例えば、7〜9モル%のYが固溶したZrOを主成分とすることが、発電性能を向上させる点で望ましい。また、第1層7としては、希土類元素酸化物の含有量が、例えば、3〜5モル%のYが固溶したZrOを主成分とすることが望ましい。 In particular, it is desirable that the solid electrolyte layer 4 contains partially stabilized zirconia, for example, ZrO 2 in which 7 to 9 mol% of Y 2 O 3 is solid-dissolved, as a main component in terms of improving power generation performance. Further, it is desirable that the first layer 7 contains ZrO 2 as a main component, which is a solid solution of Y 2 O 3 having a rare earth element oxide content of, for example, 3 to 5 mol%.

ここで、第1層7の幅(セル300の幅方向Wの長さ)は、適宜設定することができるが、例えば支持体1の平坦面nの幅と同じとすることができる。一方、第1層7の長さは、セル300の長さによるが、発電領域を確保しつつ、セル300の強度を向上する観点で、例えば、支持体2の長さに対して3〜10%程度とすることができる。 Here, the width of the first layer 7 (the length of the cell 300 in the width direction W) can be appropriately set, but can be, for example, the same as the width of the flat surface n of the support 1. On the other hand, the length of the first layer 7 depends on the length of the cell 300, but from the viewpoint of improving the strength of the cell 300 while securing the power generation region, for example, 3 to 10 with respect to the length of the support 2. It can be about%.

また、第1層7の厚みは、さらに強度を向上する観点で、固体電解質層4の厚みよりも厚くすることが好ましい。それゆえ、例えば、第1層7の厚みは、固体電解質層4の厚みが30μm以下であるのに対して、30〜100μmとすることができる。 Further, the thickness of the first layer 7 is preferably thicker than the thickness of the solid electrolyte layer 4 from the viewpoint of further improving the strength. Therefore, for example, the thickness of the first layer 7 can be 30 to 100 μm, whereas the thickness of the solid electrolyte layer 4 is 30 μm or less.

ところで、例えば、Niを多く含有してなる導電性の支持体1は、還元雰囲気に曝されると膨張や収縮する程度が大きいため、セル300が還元雰囲気に曝されると、セル300に大きな応力が作用し、第1層7にも大きな応力がかかる。また、後述するガスタンクに耐熱性のシール材等で下端部を固定する場合には、このシール材の膨張や収縮に伴い、第1層7に大きな応力が作用する。それにより、第1層7においては、これらの応力によってクラック等が発生し固体電解質層4の保護機能を損なうおそれがあった。 By the way, for example, the conductive support 1 containing a large amount of Ni expands and contracts to a large extent when exposed to a reducing atmosphere, and therefore, when the cell 300 is exposed to a reducing atmosphere, the cell 300 is large. Stress acts, and a large stress is also applied to the first layer 7. Further, when the lower end portion is fixed to the gas tank described later with a heat-resistant sealing material or the like, a large stress acts on the first layer 7 as the sealing material expands or contracts. As a result, in the first layer 7, cracks and the like may occur due to these stresses, and the protective function of the solid electrolyte layer 4 may be impaired.

それゆえ、本実施形態においては、第1層7において、表層部の平均粒径は、内部よりも大きくなっている。この構成により、内部においては平均粒径の小さい構造により強度を保ちつつ、表層部では平均粒径の大きい構造により延性を向上させることができる。従って、セル100、200、300の変形によって第1層7が変形した場合であっても、第1層7表面で変形の応力を緩和できクラック発生を抑制することができる。従って、セル100、200、300の長期信頼性を向上させることができる。 Therefore, in the present embodiment, in the first layer 7, the average particle size of the surface layer portion is larger than that of the inside. With this configuration, the ductility can be improved by the structure having a large average particle size in the surface layer portion while maintaining the strength by the structure having a small average particle size inside. Therefore, even when the first layer 7 is deformed by the deformation of the cells 100, 200, and 300, the stress of deformation can be relaxed on the surface of the first layer 7 and the occurrence of cracks can be suppressed. Therefore, the long-term reliability of cells 100, 200, and 300 can be improved.

表層部とは、第1層7の表面に露出している粒子を意味する。また、内部とは、第1層7の表面に露出していない粒子を意味する。なお、「表面に露出」と述べたが、ここでいう表面は第1層7の最外表面であればよく、必ずしも外気に露出している必要はない。従って、例えば、第1層7上に別の部材が設けられている場合には、表層部は別の部材との境界に存在することとなる。別の部材との境界の特定は元素マッピング等を用いることができる。 The surface layer portion means particles exposed on the surface of the first layer 7. Further, the inside means particles that are not exposed on the surface of the first layer 7. Although it is described as "exposed to the surface", the surface here may be the outermost surface of the first layer 7, and it is not always necessary to be exposed to the outside air. Therefore, for example, when another member is provided on the first layer 7, the surface layer portion exists at the boundary with the other member. Element mapping or the like can be used to specify the boundary with another member.

なお、第1層7の表面に露出している粒子を第1粒子群とし、この第1粒子群に接しており内部側に位置する粒子を第2粒子群とし、この第2粒子群に接しており内部側に位置する粒子を第3粒子群とした場合、第2粒子群と第3粒子群のうち2μm以上の粒径を有する粒子については、上述した表層部の粒子とみなしてもよいものとする。また、そのような粒子については、内部の粒子からは外して解釈してもよい。 The particles exposed on the surface of the first layer 7 are referred to as the first particle group, and the particles that are in contact with the first particle group and are located on the inner side are referred to as the second particle group and are in contact with the second particle group. When the particles located on the inner side are defined as the third particle group, the particles having a particle size of 2 μm or more among the second particle group and the third particle group may be regarded as the above-mentioned surface layer particles. It shall be. Moreover, such particles may be interpreted by excluding them from the internal particles.

また、第1層7における表層部は、平均粒径が2〜6μmであることが好ましい。2μm以上である場合には、表層部において延性が向上するので、第1層7表面で変形の応力を緩和できクラック発生を抑制することができる。6μm以下である場合には、表層部において平均粒径が大きくなり過ぎることを抑制することができるので、強度の低下を抑制することができる。 Further, the surface layer portion of the first layer 7 preferably has an average particle size of 2 to 6 μm. When it is 2 μm or more, the ductility is improved in the surface layer portion, so that the stress of deformation can be relaxed on the surface of the first layer 7 and the occurrence of cracks can be suppressed. When it is 6 μm or less, it is possible to prevent the average particle size from becoming too large in the surface layer portion, so that it is possible to suppress a decrease in strength.

表層部の平均粒径を求めるためには、まずSEMによって倍率10000倍に拡大された第1層7の厚み方向における断面のSEM画像を取得する。次に、ラインプロファイリングの測定線を断面写真上で10個の表層部の粒子を横切るように引いて、平均粒径を算出する。 In order to obtain the average particle size of the surface layer portion, first, an SEM image of a cross section in the thickness direction of the first layer 7 magnified by SEM at a magnification of 10000 times is acquired. Next, the measurement line of line profiling is drawn so as to cross the 10 particles of the surface layer portion on the cross-sectional photograph, and the average particle size is calculated.

また、第1層7における内部の平均粒径は0.2〜1.5μmであることが好ましい。0.2μm以上である場合には、内部の平均粒径が小さくなり過ぎず、延性が小さくなり過ぎないので、表層部との延性の差が大きくなり過ぎることを抑制でき、表層部と内部との境界でクラックが生じることを抑制することができる。また、1.5μm以下である場合には、内部の平均粒径が十分小さいので、第1層7の内部における強度を向上させることができる。なお、内部の平均粒径も表層部の平均粒径の算出方法と同様の手法で求めればよい。 Further, the average particle size inside the first layer 7 is preferably 0.2 to 1.5 μm. When it is 0.2 μm or more, the average particle size inside is not too small and the ductility is not too small. Therefore, it is possible to prevent the difference in ductility from the surface layer portion from becoming too large, and the difference between the surface layer portion and the inside can be suppressed. It is possible to suppress the occurrence of cracks at the boundary between the two. Further, when it is 1.5 μm or less, the average particle size inside is sufficiently small, so that the strength inside the first layer 7 can be improved. The average particle size inside may be obtained by the same method as the method for calculating the average particle size of the surface layer portion.

以上説明した本実施形態のセル300の作製方法の一例について説明する。 An example of the method for producing the cell 300 of the present embodiment described above will be described.

先ず、例えば、Niおよび/またはNiO粉末と、Yなどの希土類酸化物の粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合して坏土を調製し、この坏土を用いて押出成形により支持体成形体を作製し、これを乾燥する。なお、支持体成形体として、支持体成形体を900〜1000℃にて2〜6時間仮焼した仮焼体を用いてもよい。 First, for example, a Ni and / or NiO powder, a powder of a rare earth oxide such as Y 2 O 3, an organic binder, a mixture of a solvent to prepare a kneaded clay by extrusion molding using the clay A support molded body is prepared and dried. As the support molded body, a calcined body obtained by calcining the support molded body at 900 to 1000 ° C. for 2 to 6 hours may be used.

次に、例えば所定の調合組成に従い、NiOと、Yが固溶したZrO(YSZ)との素原料を秤量、混合する。この後、混合した粉体に、有機バインダーおよび溶媒を混合して燃料極用スラリーを調製する。 Next, for example, according to a predetermined compounding composition, the raw materials of NiO and ZrO 2 (YSZ) in which Y 2 O 3 is dissolved are weighed and mixed. After that, an organic binder and a solvent are mixed with the mixed powder to prepare a slurry for fuel electrode.

そして、希土類元素酸化物が固溶したZrO粉末に、トルエン、バインダー粉末(下記、ZrO粉末に付着させるバインダー粉末よりも高分子、例えばアクリル系樹脂)、市販の分散剤等を加えてスラリー化したものをドクターブレード等の方法により、成形してシート状の固体電解質層成形体を作製する。 Then, toluene, a binder powder (hereinafter, a polymer rather than the binder powder attached to the ZrO 2 powder, for example, an acrylic resin), a commercially available dispersant, etc. are added to the ZrO 2 powder in which the rare earth element oxide is solid-dissolved, and the slurry is added. A sheet-shaped solid electrolyte layer molded body is produced by molding the powdered product by a method such as a doctor blade.

得られたシート状の固体電解質層成形体上に燃料極用スラリーを塗布し乾燥して燃料極成形体を形成し、シート状の積層成形体を形成する。この燃料極成形体および固体電解質層成形体が積層したシート状の積層成形体の燃料極成形体側の面を導電性支持体成形体に積層し、成形体を形成する。 A fuel electrode slurry is applied onto the obtained sheet-shaped solid electrolyte layer molded body and dried to form a fuel electrode molded body to form a sheet-shaped laminated molded body. The surface of the sheet-shaped laminated molded body in which the fuel electrode molded body and the solid electrolyte layer molded body are laminated is laminated on the conductive support molded body to form the molded body.

次いで、上記の積層成形体を800〜1200℃で2〜6時間仮焼する。この後、固体電解質成形体(仮焼体)に、上述の固体電解質層成形体用のスラリーよりも希土類元素酸化物の固溶量が少ないZrO粉末とバインダー粉末等を用いて第1層用のスラリーを作製し、このスラリーを図2で示すような形状で塗布し、乾燥させる。 Next, the above-mentioned laminated molded product is calcined at 800 to 1200 ° C. for 2 to 6 hours. Thereafter, the solid electrolyte molded body (the calcined body), for the first layer with the dissolved amount is small ZrO 2 powder and the binder powder, and the like of rare earth oxide than the slurry for solid electrolyte layer formed body above Slurry is prepared, and this slurry is applied in the shape shown in FIG. 2 and dried.

ここで、前述したように、第1層において、表層部の平均粒径を内部よりも大きくするためには、第1層となるスラリーを塗布した後、第1層とは異なる材料を当該スラリーの表面に少量添加して、後述するように第1層を焼結させればよい。 Here, as described above, in order to make the average particle size of the surface layer portion larger than that inside the first layer, after applying the slurry to be the first layer, a material different from that of the first layer is applied to the slurry. The first layer may be sintered by adding a small amount to the surface of the above.

また、別の手段としては、第1層とは異なる材料から成る基板を、第1層となるスラリ
ーの表面に当接させた状態で、後述するように第1層を焼結させればよい。
Further, as another means, the first layer may be sintered as described later in a state where a substrate made of a material different from the first layer is brought into contact with the surface of the slurry to be the first layer. ..

この異なる材料は、希土類元素酸化物を含有するジルコニア系酸化物、希土類元素酸化物を含有するセリア系酸化物、ランタンガレー系酸化物等であればよい。例えば、第1層となるスラリーの材料がYが固溶したZrO(YSZ)である場合には、表面に添加する材料はGdが固溶したCeO(GDC)であればよい。 The different material is zirconia-based oxide containing a rare earth element oxide, ceria based oxide containing a rare earth element oxide may be a lanthanum gallate preparative based oxide and the like. For example, when the material of the slurry to be the first layer is ZrO 2 (YSZ) in which Y 2 O 3 is dissolved, the material to be added to the surface is CeO 2 (GDC) in which Gd 2 O 3 is dissolved. All you need is.

続いて、インターコネクタ層材料(例えば、LaCrMgO系酸化物粉末)、有機バインダー及び溶媒を混合してスラリーを作製する。 Subsequently, an interconnector layer material (for example, LaCrMgO 3 type oxide powder), an organic binder, and a solvent are mixed to prepare a slurry.

続いて固体電解質層4と酸素極6との間に配置する中間層を形成する。例えば、GdO1.5が固溶したCeO粉末を800〜900℃にて2〜6時間、熱処理を行い、中間層成形体用の原料粉末を調整する。この原料粉末に、溶媒としてトルエンを添加し、中間層用スラリーを作製し、このスラリーを固体電解質層成形体上に塗布して中間層成形体を作製する。 Subsequently, an intermediate layer to be arranged between the solid electrolyte layer 4 and the oxygen electrode 6 is formed. For example, the CeO 2 powder in which GdO 1.5 is dissolved is heat-treated at 800 to 900 ° C. for 2 to 6 hours to prepare a raw material powder for an intermediate layer molded product. Toluene is added as a solvent to this raw material powder to prepare a slurry for an intermediate layer, and this slurry is applied onto a solid electrolyte layer molded product to prepare an intermediate layer molded product.

この後、固体電解質成形体(仮焼体)の両端部上に、インターコネクタ層用成形体の両端部が積層されるように、インターコネクタ層用スラリーを塗布し、積層成形体を作製する。なお、インターコネクタ層用スラリーを調製し、インターコネクタ層用シートを作製し、固体電解質成形体の両端部上に、インターコネクタ層用シートの両端部が積層されるように、インターコネクタ層用シートを積層し、積層成形体を作製することもできる。 After that, the slurry for the interconnector layer is applied so that both ends of the molded body for the interconnector layer are laminated on both ends of the solid electrolyte molded body (temporary baked body) to prepare the laminated molded body. A slurry for the interconnector layer is prepared, a sheet for the interconnector layer is prepared, and the sheet for the interconnector layer is laminated so that both ends of the sheet for the interconnector layer are laminated on both ends of the solid electrolyte molded body. Can also be laminated to produce a laminated molded body.

次いで、上記の積層成形体を脱バインダー処理し、酸素含有雰囲気中、1400〜1450℃にて2〜6時間、同時焼結(同時焼成)する。前述したように、第1層となるスラリーの表面に当該スラリーとは異なる材料を少量添加した状態、又は、第1層となるスラリーの表面に第1層とは異なる材料から成る基板を当接させた状態で、同時焼成を行った場合、この異なる材料がスラリー中の表層部の粒子に拡散し、この粒子が粒成長を起こす。結果、第1層の表層部の平均粒径が大きくなる。なお、焼成時の粒成長によって表層部の平均粒径を大きくするためには、本同時焼成時のような高温であることが必要である。 Next, the above-mentioned laminated molded product is debindered and co-sintered (co-fired) at 1400 to 1450 ° C. for 2 to 6 hours in an oxygen-containing atmosphere. As described above, a small amount of a material different from the slurry is added to the surface of the slurry to be the first layer, or a substrate made of a material different from the first layer is brought into contact with the surface of the slurry to be the first layer. When co-fired in this state, the different materials diffuse into the particles on the surface layer of the slurry, and these particles cause grain growth. As a result, the average particle size of the surface layer portion of the first layer becomes large. In addition, in order to increase the average particle size of the surface layer portion by grain growth during firing, it is necessary to have a high temperature as in the case of this simultaneous firing.

さらに、酸素極用材料(例えば、LaCoO系酸化物粉末)、溶媒および増孔剤を含有するスラリーをディッピング等により中間層上に塗布し、1000〜1300℃で、2〜6時間焼き付けることにより、図2に示す構造の本実施形態のセル300を製造できる。 Further, the oxygen electrode material (e.g., LaCoO 3 based oxide powder), coated on the intermediate layer by dipping a slurry containing a solvent and Zoana agent, at 1000 to 1300 ° C., by baking for 2 to 6 hours , The cell 300 of the present embodiment having the structure shown in FIG. 2 can be manufactured.

図3は、上述したセル300の複数個を、導電部材13を介して電気的に直列に接続して構成されたセルスタック装置の一例を示したものであり、(a)はセルスタック装置を概略的に示す側面図、(b)は(a)のセルスタック装置の一部拡大断面図であり、(a)で示した破線で囲った部分を抜粋して示している。なお、(b)において(a)で示した破線で囲った部分に対応する部分を明確とするために矢印にて示しており、(b)で示すセル300においては、上述した中間層9等の一部の部材を省略して示している。 FIG. 3 shows an example of a cell stack device configured by electrically connecting a plurality of the above-mentioned cells 300 in series via a conductive member 13, and FIG. 3A shows a cell stack device. A schematic side view, (b) is a partially enlarged cross-sectional view of the cell stack device of (a), and is an excerpt of a portion surrounded by a broken line shown in (a). In addition, in (b), the portion corresponding to the portion surrounded by the broken line indicated by (a) is indicated by an arrow, and in the cell 300 indicated by (b), the above-mentioned intermediate layer 9 and the like are shown. Some members of are omitted.

なお、セルスタック装置においては、各セル300を、導電部材13を介して配列することでセルスタック12を構成しており、各セル300の下端部が、セル300に燃料ガスを供給するためのガスタンク16に、ガラスシール材等の絶縁性の接合材17により固定されている。また、ガスタンク16に下端部が固定された弾性変形可能な端部導電部材14により、セル300の配列方向の両端から、セルスタック12を挟持している。 In the cell stack device, each cell 300 is arranged via a conductive member 13 to form a cell stack 12, and the lower end of each cell 300 is for supplying fuel gas to the cell 300. It is fixed to the gas tank 16 by an insulating joining material 17 such as a glass sealing material. Further, the cell stack 12 is sandwiched from both ends of the cell 300 in the arrangement direction by the elastically deformable end conductive member 14 whose lower end is fixed to the gas tank 16.

また、図3に示す端部導電部材14においては、セル300の配列方向に沿って外側に向けて延びた形状で、セルスタック12(セル300)の発電により生じる電流を引出す
ための電流引出し部15が設けられている。
Further, in the end conductive member 14 shown in FIG. 3, a current drawing portion for drawing a current generated by power generation of the cell stack 12 (cell 300) in a shape extending outward along the arrangement direction of the cells 300. 15 is provided.

図4に、セル300のガスタンク16への固定構造を示す。セル300の下端部は、ガスタンク10の上面に形成された開口部内に挿入され、ガラスシール材等の接合材17により固定されている。 FIG. 4 shows a fixed structure of the cell 300 to the gas tank 16. The lower end of the cell 300 is inserted into an opening formed on the upper surface of the gas tank 10 and fixed by a joining material 17 such as a glass sealing material.

図4は、図2に示すタイプのセル300をガスタンク16に固定した例を示している。図4では第1層7の下端部はガラスシール材等の接合材17に埋設され、これにより、セル300の接合材17で接合された部分を補強でき、セル300の下端部を補強できる。ここで支持体1の還元膨脹・収縮に加えて、耐熱性合金からなるガスタンク16、セル300、接合材17を構成する材料の違いにより、セル300の下端部に応力が生じ、第1
層7にクラック等が発生するおそれがあるが、第1層7において、表層部の平均粒径は、内部よりも大きくなっているため、第1層7においてクラックの発生を抑制できる。従って、長期信頼性が向上したセルスタック装置とすることができる。
FIG. 4 shows an example in which the cell 300 of the type shown in FIG. 2 is fixed to the gas tank 16. In FIG. 4, the lower end portion of the first layer 7 is embedded in a joining material 17 such as a glass sealing material, whereby the portion joined by the joining material 17 of the cell 300 can be reinforced, and the lower end portion of the cell 300 can be reinforced. Here, in addition to the reduction expansion and contraction of the support 1, stress is generated at the lower end of the cell 300 due to the difference in the materials constituting the gas tank 16, the cell 300, and the bonding material 17 made of a heat-resistant alloy, and the first
Although cracks and the like may occur in the layer 7, since the average particle size of the surface layer portion of the first layer 7 is larger than that of the inside, the generation of cracks can be suppressed in the first layer 7. Therefore, the cell stack device with improved long-term reliability can be obtained.

図5は、セルスタック装置を収納容器内に収納してなるモジュールである燃料電池モジュール18の一例を示す外観斜視図であり、直方体状の収納容器19の内部に、図4に示したセルスタック装置を収納して構成されている。 FIG. 5 is an external perspective view showing an example of a fuel cell module 18 which is a module in which a cell stack device is stored in a storage container, and is a cell stack shown in FIG. 4 inside a rectangular parallelepiped storage container 19. It is configured to house the device.

なお、セル300にて使用する燃料ガスを得るために、天然ガスや灯油等の原燃料を改質して燃料ガスを生成するための改質器20をセルスタック12の上方に配置している。そして、改質器20で生成された燃料ガスは、ガス流通管21を介してガスタンク16に供給され、ガスタンク16を介してセル300の内部に設けられた燃料ガス通路2に供給される。 In addition, in order to obtain the fuel gas used in the cell 300, a reformer 20 for reforming a raw fuel such as natural gas or kerosene to generate a fuel gas is arranged above the cell stack 12. .. Then, the fuel gas generated by the reformer 20 is supplied to the gas tank 16 via the gas flow pipe 21, and is supplied to the fuel gas passage 2 provided inside the cell 300 via the gas tank 16.

なお、図5においては、収納容器19の一部(前後面)を取り外し、内部に収納されているセルスタック装置および改質器20を後方に取り出した状態を示している。図5に示した燃料電池モジュール18においては、セルスタック装置を、収納容器19内にスライドして収納することが可能である。なお、セルスタック装置は、改質器20を含むものとしても良い。 Note that FIG. 5 shows a state in which a part (front and rear surfaces) of the storage container 19 is removed, and the cell stack device and the reformer 20 housed inside are taken out rearward. In the fuel cell module 18 shown in FIG. 5, the cell stack device can be slid and stored in the storage container 19. The cell stack device may include the reformer 20.

また収納容器19の内部に設けられた酸素含有ガス導入部材22は、図5においてはガスタンク16に並置された一対のセルスタック12の間に配置されるとともに、酸素含有ガスが燃料ガスの流れに合わせて、セル300の側方を下端部から上端部に向けて流れるように、セル300の下端部に酸素含有ガスを供給する。そして、セル300の燃料ガス通路2より排出される燃料ガスを酸素含有ガスと反応させてセル300の上端部側で燃焼させることにより、セル300の温度を上昇させることができ、セルスタック装置の起動を早めることができる。また、セル300の上端部側にて、セル300のガス通路2から排出される燃料ガスと酸素含有ガスとを燃焼させることにより、セル300(セルスタック12)の上方に配置された改質器20を温めることができる。それにより、改質器20で効率よく改質反応を行うことができる。 Further, the oxygen-containing gas introduction member 22 provided inside the storage container 19 is arranged between the pair of cell stacks 12 juxtaposed in the gas tank 16 in FIG. 5, and the oxygen-containing gas flows into the flow of the fuel gas. At the same time, the oxygen-containing gas is supplied to the lower end portion of the cell 300 so that the side of the cell 300 flows from the lower end portion to the upper end portion. Then, the temperature of the cell 300 can be raised by reacting the fuel gas discharged from the fuel gas passage 2 of the cell 300 with the oxygen-containing gas and burning it on the upper end side of the cell 300, and the cell stack device can be used. You can start up faster. Further, a reformer arranged above the cell 300 (cell stack 12) by burning the fuel gas and the oxygen-containing gas discharged from the gas passage 2 of the cell 300 on the upper end side of the cell 300. 20 can be warmed. As a result, the reformer 20 can efficiently carry out the reforming reaction.

さらに、本実施形態の燃料電池モジュール18では、上述したセル300を用いたセルスタック装置を収納容器19内に収納してなることから、長期信頼性が向上した燃料電池モジュール18とすることができる。 Further, in the fuel cell module 18 of the present embodiment, since the cell stack device using the cell 300 described above is stored in the storage container 19, the fuel cell module 18 having improved long-term reliability can be obtained. ..

図6は、外装ケース内に図5で示した燃料電池モジュール18と、セルスタック装置を動作させるための補機とを収納してなるモジュール収納装置である燃料電池装置の一例を示す斜視図である。なお、図6においては一部構成を省略して示している。 FIG. 6 is a perspective view showing an example of a fuel cell device which is a module storage device in which the fuel cell module 18 shown in FIG. 5 and an auxiliary machine for operating the cell stack device are housed in an outer case. is there. In FIG. 6, a part of the configuration is omitted.

図6に示す燃料電池装置23は、支柱24と外装板25とから構成される外装ケース内を仕切板26により上下に区画し、その上方側を上述した燃料電池モジュール18を収納するモジュール収納室27とし、下方側を燃料電池モジュール18を動作させるための補機類を収納する補機収納室28として構成されている。なお、補機収納室28に収納する補機類は省略して示している。 In the fuel cell device 23 shown in FIG. 6, the inside of the exterior case composed of the support column 24 and the exterior plate 25 is vertically divided by a partition plate 26, and the upper side thereof is a module storage chamber for accommodating the fuel cell module 18 described above. 27, and the lower side is configured as an auxiliary equipment storage chamber 28 for accommodating auxiliary equipment for operating the fuel cell module 18. The auxiliary machines to be stored in the auxiliary machine storage chamber 28 are omitted.

また、仕切板26には、補機収納室28の空気をモジュール収納室27側に流すための空気流通口29が設けられており、モジュール収納室27を構成する外装板25の一部に、モジュール収納室27内の空気を排気するための排気口30が設けられている。 Further, the partition plate 26 is provided with an air flow port 29 for flowing the air of the auxiliary machine storage chamber 28 to the module storage chamber 27 side, and a part of the exterior plate 25 constituting the module storage chamber 27 is provided. An exhaust port 30 for exhausting the air in the module storage chamber 27 is provided.

このような燃料電池装置23においては、上述したように、信頼性を向上することができる燃料電池モジュール18をモジュール収納室27に収納して構成されることにより、信頼性の向上した燃料電池装置23とできる。 In such a fuel cell device 23, as described above, the fuel cell device 18 having improved reliability is configured by accommodating the fuel cell module 18 capable of improving reliability in the module storage chamber 27. It can be 23.

なお、上述の例のほか、例えば、支持体上に酸素極6、固体電解質層4、燃料極3を配置したセルであっても良い。 In addition to the above example, for example, a cell in which an oxygen electrode 6, a solid electrolyte layer 4, and a fuel electrode 3 are arranged on a support may be used.

さらに、上記形態では燃料電池セル、セルスタック装置、燃料電池モジュールならびに燃料電池装置について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、セルに水蒸気と電圧とを付与して水蒸気(水)を電気分解することにより、水素と酸素(O)を生成するセル(電解セル、SOEC)およびこのセルを備えるモジュールおよびモジュール収納装置にも適用することができる。 Further, in the above embodiment, the fuel cell, the cell stack device, the fuel cell module, and the fuel cell device have been described, but the present invention is not limited to this, and water vapor (water) is applied to the cell by applying water vapor and voltage. ) Is electrolyzed to generate hydrogen and oxygen (O 2 ), which can also be applied to cells (electrolytic cells, SOCC) and modules and module storage devices equipped with these cells.

先ず、平均粒径0.5μmのNiO粉末と、平均粒径0.9μmのY粉末を混合し、有機バインダーと溶媒にて作製した坏土を押出成形法にて成形し、乾燥、脱脂して導電性の支持体成形体を作製した。支持体成形体は、還元後における体積比率が、NiOが48体積%、Yが52体積%であった。 First, mixed with NiO powder having an average particle diameter of 0.5 [mu] m, the Y 2 O 3 powder having an average particle diameter of 0.9 .mu.m, and molding the kneaded material prepared with an organic binder and a solvent at an extrusion molding method, dried, A conductive support molded body was prepared by degreasing. Support compacts, volume ratio after reduction, NiO is 48 vol%, Y 2 O 3 was 52 vol%.

次に、8mol%のYが固溶したマイクロトラック法による粒径が0.8μmのZrO粉末(固体電解質層原料粉末)に、バインダー粉末と溶媒とを混合して得られたスラリーを用いて、ドクターブレード法にて固体電解質層用シートを作製した。 Next, a slurry obtained by mixing a binder powder and a solvent with ZrO 2 powder (solid electrolyte layer raw material powder) having a particle size of 0.8 μm by the microtrack method in which 8 mol% of Y 2 O 3 is solid-dissolved. Was used to prepare a sheet for the solid electrolyte layer by the doctor blade method.

中間層成形体を形成するためのスラリーは、CeOを90モル%、希土類元素の酸化物(GdO1.5、SmO1.5)を10モル%含む複合酸化物を、溶媒としてイソプロピルアルコール(IPA)を用いて振動ミル又はボールミルにて粉砕し、900℃にて4時間仮焼処理を行い、再度ボールミルにて解砕処理し、セラミック粒子の凝集度を調製し、この粉体に、バインダーと溶媒とを添加し、混合して作製した。 The slurry for forming the intermediate layer molded product contains isopropyl alcohol (isopropyl alcohol) using a composite oxide containing 90 mol% of CeO 2 and 10 mol% of rare earth element oxides (GdO 1.5 , SmO 1.5 ) as a solvent. It was crushed with a vibration mill or a ball mill using IPA), calcined at 900 ° C. for 4 hours, and then crushed again with a ball mill to adjust the degree of aggregation of ceramic particles. And a solvent were added and mixed to prepare the mixture.

次に平均粒径0.5μmのNiO粉末とYが固溶したZrO粉末と有機バインダーと溶媒とを混合した燃料極用スラリーを作製し、固体電解質層用シート上にスクリーン印刷法にて塗布し乾燥して燃料極成形体を形成した。 Next, a fuel electrode slurry was prepared by mixing NiO powder having an average particle size of 0.5 μm, ZrO 2 powder in which Y 2 O 3 was dissolved, an organic binder, and a solvent, and screen printing was performed on a sheet for a solid electrolyte layer. And dried to form a fuel electrode molded body.

固体電解質層用シートに燃料極成形体を形成したシート状の積層成形体を、その燃料極成形体側の面を内側にして支持体成形体の所定位置に積層した。 A sheet-shaped laminated molded body in which a fuel electrode molded body was formed on a sheet for a solid electrolyte layer was laminated at a predetermined position of a support molded body with the surface on the fuel electrode molded body side inside.

続いて、上記のような成形体を積層した積層成形体を1000℃にて3時間仮焼処理した。固体電解質の仮焼体に、第1層を構成するスラリーを、図2に示す形状に塗布し、乾燥した。第1層を構成するスラリーは、例えば4モル%のYが固溶したZrO粉末を含有するスラリーである。また、このスラリーの表面にGdが固溶したCeO
を少量添加した。
Subsequently, the laminated molded body in which the above-mentioned molded bodies were laminated was calcined at 1000 ° C. for 3 hours. The slurry constituting the first layer was applied to the calcined body of the solid electrolyte in the shape shown in FIG. 2 and dried. The slurry constituting the first layer is, for example, a slurry containing ZrO 2 powder in which 4 mol% of Y 2 O 3 is solid-solved. In addition, CeO in which Gd 2 O 3 is dissolved on the surface of this slurry.
2 was added in a small amount.

この後、中間層成形体を形成するスラリーを、スクリーン印刷法にて、固体電解質仮焼体の上面に塗布し乾燥して、中間層成形体を形成した。 After that, the slurry for forming the intermediate layer molded body was applied to the upper surface of the solid electrolyte calcined body by a screen printing method and dried to form the intermediate layer molded body.

続いて、平均粒径0.7μmのLa(Mg0.3Cr0.70.96と、有機バインダーと溶媒とを混合したインターコネクタ層用スラリーを作製した。調整したインターコネクタ層用スラリーを、支持体の燃料極(および固体電解質層)が形成されていない部位(支持体が露出した部位)に塗布した。 Subsequently, a slurry for an interconnector layer was prepared by mixing La (Mg 0.3 Cr 0.7 ) 0.96 O 3 having an average particle size of 0.7 μm with an organic binder and a solvent. The prepared slurry for the interconnector layer was applied to a portion of the support where the fuel electrode (and the solid electrolyte layer) was not formed (the portion where the support was exposed).

次いで、上記の積層成形体を脱バインダー処理し、酸素含有雰囲気中で1450℃にて2時間同時焼成した。 Next, the above-mentioned laminated molded product was debindered and simultaneously fired at 1450 ° C. for 2 hours in an oxygen-containing atmosphere.

次に、平均粒径2μmのLa0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8粉末と、イソプロピルアルコールとからなる混合液を作製し、固体電解質上面における中間層の表面に噴霧塗布し、酸素極成形体を形成し、1100℃にて4時間で焼き付け、酸素極を形成し、図2に示す第1層7を有するセルを作製した。 Next, a mixed solution of La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 powder having an average particle size of 2 μm and isopropyl alcohol was prepared and sprayed on the surface of the intermediate layer on the upper surface of the solid electrolyte. It was applied to form an oxygen electrode molded body and baked at 1100 ° C. for 4 hours to form an oxygen electrode to prepare a cell having the first layer 7 shown in FIG.

なお、作製したセルの寸法は25mm×200mmで、支持体の厚み(平坦面n間の厚み)は2mm、開気孔率35%、燃料極の厚さは10μm、開気孔率24%、固体電解質層の厚みは20μm、酸素極の厚みは50μm、開気孔率40%、インターコネクタ層の厚みは40μmであった。第1層7の厚みは80μmであった。 The size of the produced cell is 25 mm × 200 mm, the thickness of the support (thickness between flat surfaces n) is 2 mm, the open porosity is 35%, the thickness of the fuel electrode is 10 μm, the open porosity is 24%, and the solid electrolyte. The thickness of the layer was 20 μm, the thickness of the oxygen electrode was 50 μm, the open porosity was 40%, and the thickness of the interconnector layer was 40 μm. The thickness of the first layer 7 was 80 μm.

作製した7本のセル300を、図4に示したように、集電部材を介して電気的に接続したセルスタックの下端部を、ガスタンクの開口部内に挿入し、結晶化ガラスからなる接合材17で接合固定し、セルスタック装置を作製した。この場合に、第1層7の上端部は、接合材17端から上方に5mm露出していた。 As shown in FIG. 4, the lower end of the cell stack, in which the seven cells 300 produced are electrically connected via a current collecting member, is inserted into the opening of the gas tank, and a bonding material made of crystallized glass is inserted. A cell stack device was manufactured by joining and fixing at 17. In this case, the upper end of the first layer 7 was exposed 5 mm upward from the end of the bonding material 17.

以上の通りの方法で、試料No.1〜10のセルスタック装置を作製した。 By the method as described above, the sample No. 1 to 10 cell stack devices were manufactured.

ここで、試料No.1〜10の第1層では、Yが固溶したZrO粉末の平均粒径、Gdが固溶したCeOの量等を調整することによって、表1に示す通り、第1層の表層部および内部の平均粒径を制御した。 Here, the sample No. In the first layers 1 to 10, as shown in Table 1, the average particle size of the ZrO 2 powder in which Y 2 O 3 was dissolved, the amount of CeO 2 in which Gd 2 O 3 was dissolved, and the like were adjusted. The average particle size of the surface layer and the inside of the first layer was controlled.

これらのセルスタック装置のガスタンク内に水素ガスを供給し、セルの内部に水素ガスを流し、850℃で10時間、支持体および燃料極の還元処理を施し、冷却した。 Hydrogen gas was supplied into the gas tank of these cell stacking devices, hydrogen gas was allowed to flow inside the cell, and the support and fuel electrode were reduced and cooled at 850 ° C. for 10 hours.

表層部および内部の平均粒径を求めるために、上記還元処理後、まずSEMによって倍率10000倍に拡大された第1層の厚み方向における断面のSEM画像を取得した。次に、ラインプロファイリングの測定線を、断面写真上で表層部、内部の粒子をそれぞれ10個横切るように引いて、平均粒径を算出した。 In order to obtain the average particle size of the surface layer portion and the inside, after the reduction treatment, first, an SEM image of a cross section in the thickness direction of the first layer magnified by SEM at a magnification of 10000 times was obtained. Next, the measurement line of line profiling was drawn so as to cross 10 particles each on the surface layer portion and inside on the cross-sectional photograph, and the average particle size was calculated.

また、還元処理後の第1層におけるクラック発生有無を目視にて確認し、各試料のスタックにおける第1層のクラックが発生したセルの本数をカウントした。その結果を表1に示す。◎、○、△、×は第1層でクラックが発生したセルの本数がそれぞれ0本、1〜2本、3〜4本、5〜6本であることを意味する。 In addition, the presence or absence of cracks in the first layer after the reduction treatment was visually confirmed, and the number of cells in which cracks were generated in the first layer in the stack of each sample was counted. The results are shown in Table 1. ⊚, ◯, Δ, and × mean that the number of cells in which cracks have occurred in the first layer is 0, 1-2, 3-4, and 5-6, respectively.

Figure 0006803437
Figure 0006803437

表1から明らかなように、試料No.1では、第1層でクラックが発生したセルの本数が多かった。これは、第1層において、表層部の平均粒径は、内部よりも小さくなっていたからである。 As is clear from Table 1, the sample No. In No. 1, the number of cells in which cracks occurred in the first layer was large. This is because in the first layer, the average particle size of the surface layer portion was smaller than that of the inside.

また、試料No.2、10では、試料No.1と比較して、第1層でクラックが発生したセルの本数が少なかった。これは、第1層において、表層部の平均粒径は、内部よりも大きくなっていたからである。 In addition, sample No. In 2 and 10, sample No. Compared with 1, the number of cells in which cracks occurred in the first layer was smaller. This is because in the first layer, the average particle size of the surface layer portion was larger than that of the inside.

また、試料No.3、9では、試料No.2、10と比較して、第1層でクラックが発生したセルの本数が少なかった。これは、第1層において、表層部の平均粒径は2〜6μmだったからである。 In addition, sample No. In 3 and 9, sample No. Compared with 2 and 10, the number of cells in which cracks occurred in the first layer was small. This is because the average particle size of the surface layer portion of the first layer was 2 to 6 μm.

また、試料No.4〜8では、試料No.3、9と比較して、第1層でクラックが発生したセルの本数が少なかった。これは、第1層において、内部の平均粒径は0.2〜1.5μmだったからである。 In addition, sample No. In Nos. 4 to 8, sample No. Compared with 3 and 9, the number of cells in which cracks occurred in the first layer was small. This is because the average particle size inside the first layer was 0.2 to 1.5 μm.

1:支持体
2:燃料ガス通路
3:第1電極(燃料極)
4:固体電解質層
6:第2電極(酸素極)
7:第1層
8:インターコネクタ層
18:燃料電池モジュール
23:燃料電池装置
a:素子部
1: Support 2: Fuel gas passage 3: First electrode (fuel electrode)
4: Solid electrolyte layer 6: Second electrode (oxygen electrode)
7: First layer 8: Interconnector layer 18: Fuel cell module 23: Fuel cell device a: Element unit

Claims (7)

1電極、固体電解質層および第2電極がこの順に積層された素子部を有しており、
前記固体電解質層は、前記第2電極が重なっていない第1部位を有しており、
前記第1部位上の少なくとも一部に、多数の粒子で構成され、前記固体電解質層よりも厚い第1層が設けられており、
前記粒子は、希土類元素酸化物を含有するジルコニア系酸化物、希土類元素酸化物を含有するセリア系酸化物、及びランタンガレート系酸化物のうちいずれかであり、
前記第1層において、表層部の平均粒径は、内部の平均粒径よりも大きくなっているセル。
The element portion in which the first electrode, the solid electrolyte layer, and the second electrode are laminated in this order is provided.
The solid electrolyte layer has a first portion where the second electrode does not overlap, and the solid electrolyte layer has a first portion.
A first layer composed of a large number of particles and thicker than the solid electrolyte layer is provided at least in a part of the first portion.
The particles are one of a zirconia-based oxide containing a rare earth element oxide, a ceria-based oxide containing a rare earth element oxide, and a lanthanum gallate-based oxide.
In the first layer, the average particle diameter of the surface layer portion is larger than the average particle diameter of the inner, cell.
前記表層部の平均粒径は2〜6μmである請求項1に記載のセル。 The average particle diameter of the surface layer portion is 2-6 [mu] m, the cell according to claim 1. 前記内部の平均粒径は0.2〜1.5μmである請求項1又は請求項2に記載のセル。 The average particle diameter of the inner is 0.2 and 1.5 .mu.m, the cell according to claim 1 or claim 2. 請求項1乃至請求項3のうちのいずれかに記載のセルを複数具備してなるとともに、該複数のセルを電気的に接続してなるセルスタック装置。 Together comprising a plurality including a cell according to any one of claims 1 to 3, formed by electrically connecting a plurality of cells, the cell stack device. 前記複数のセルは、前記第1部位の少なくとも一部接合材にて固定されているとともに、前記複数のセルに反応ガスを供給するためのマニホールドをさらに具備しており、
前記第1部位と前記接合材との間の少なくとも一部に前記第1層を有し、前記表層部が前記接合材との境界に存在している請求項4に記載のセルスタック装置。
At least a part of the first portion of the plurality of cells is fixed with a bonding material, and the plurality of cells further include a manifold for supplying a reaction gas to the plurality of cells.
At least a portion having the first layer, the surface layer portion exists at the boundary between the bonding material, the cell stack device according to claim 4 between the bonding material and the first portion.
収納容器内に、請求項4又は請求項5に記載のセルスタック装置を収納してなるモジュール。 The storage container, formed by accommodating the cell stack device according to claim 4 or claim 5, module. 外装ケース内に、請求項6に記載のモジュールと、該モジュールの運転を行なうための補機とを収納してなるモジュール収容装置。 In an outer casing, constituted by housing a module according to claim 6, the auxiliary machine for performing the operation of the module, the module accommodation device.
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