JP7006038B2 - Fuel cell cell stack - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池セルスタックに関する。 The present invention relates to a fuel cell cell stack.

従来、アノード、固体電解質層、および、カソードを備える燃料電池セルの外周縁を金属製のフレームで支持するとともに、燃料電池セルの外周縁と上記フレームとの間を封止材にて封止してなる燃料電池セルスタックが知られている。封止材としては、一般に、金属ろう材やガラス材等が用いられている。 Conventionally, the outer peripheral edge of a fuel cell having an anode, a solid electrolyte layer, and a cathode is supported by a metal frame, and the outer peripheral edge of the fuel cell and the frame are sealed with a sealing material. Fuel cell cell stacks are known. As the sealing material, a metal brazing material, a glass material, or the like is generally used.

例えば、特許文献1には、燃料電池セルにおけるカソード側の固体電解質層表面と、ステンレス鋼製セパレータとの間を、金属ろう材にて封止した固体酸化物形燃料電池が開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses a solid oxide fuel cell in which a surface of a solid electrolyte layer on the cathode side of a fuel cell and a stainless steel separator are sealed with a metal brazing material.

特開2004-146129号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2004-146129

しかしながら、金属ろう材による封止では、燃料電池セルスタックの長期運転時に、燃料ガスに含まれる水素が金属ろう材内に入り込んで拡散するとともに、酸化剤ガスに含まれる酸素が金属ろう材内に入り込んで拡散する。その結果、ろう材成分、水素、および、酸素が反応し、金属ろう材の内部にボイドが発生する。そのため、封止材による気密性が低下してクロスリークが発生し、カソード側へ漏れた水素によってカソードが還元されることにより、カソードが剥離する。 However, in the encapsulation with a metal brazing material, hydrogen contained in the fuel gas enters and diffuses in the metal brazing material during long-term operation of the fuel cell stack, and oxygen contained in the oxidant gas enters the metal brazing material. It gets in and spreads. As a result, the brazing filler metal component, hydrogen, and oxygen react to generate voids inside the metal brazing filler metal. Therefore, the airtightness of the sealing material is lowered, cross leakage occurs, and the cathode is reduced by the hydrogen leaked to the cathode side, so that the cathode is peeled off.

また、ガラス材による封止は、接合強度が低い。そのため、ガラス材による封止では、燃料電池セルスタックの緊急停止、カソード/アノード間の差圧異常、振動・衝撃に対して長期的に安定してシール性を確保することが難しい。そのため、この場合も、封止材による気密性が低下してクロスリークが発生し、カソード側へ漏れた水素によってカソードが還元されることにより、カソードが剥離する。 Further, the sealing with the glass material has a low bonding strength. Therefore, in the case of sealing with a glass material, it is difficult to ensure stable sealing performance over a long period of time against an emergency stop of the fuel cell stack, an abnormality in the differential pressure between the cathode and the anode, and vibration / impact. Therefore, in this case as well, the airtightness of the encapsulant is reduced, cross-leakage occurs, and the cathode is reduced by the hydrogen leaking to the cathode side, so that the cathode is peeled off.

このように、燃料電池セルスタックの長期運転、緊急停止、カソード/アノード間の差圧異常、振動・衝撃などによる封止材の一部破壊に対して、封止材自体の改良を図ることだけによって気密性を確保するには限界がある。 In this way, only to improve the encapsulant itself against long-term operation of the fuel cell stack, emergency stop, abnormal pressure difference between cathode / anode, partial destruction of encapsulant due to vibration / impact, etc. There is a limit to ensuring airtightness.

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、封止材の一部が破壊し、クロスリークが生じた場合でも、カソードの剥離を抑制することができる燃料電池セルスタックを提供しようとするものである。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell stack capable of suppressing the peeling of the cathode even when a part of the encapsulant is broken and a cross leak occurs. It is something to do.

本発明の一態様は、アノード(21)と固体電解質層(22)とカソード(24)とを備える燃料電池セル(2)と、
上記燃料電池セルの外周縁を支持する金属製のフレーム(3)と、
上記燃料電池セルの外周縁と上記フレームとの間を封止する封止材(4)と、
上記カソードの外周端部(240)に接する剥離抑制層(5)と、を有しており、
上記カソードは、Crと少なくとも一部置換可能な元素を含む酸化物、または、Crと少なくとも一部置換可能な元素を含む酸化物および固体電解質より構成されており、
上記剥離抑制層は、Crを含むCr含有酸化物、または、発電により上記Cr含有酸化物となる前駆体を有しており、
上記Cr含有酸化物は、ランタン-クロム系酸化物であり、
上記ランタン-クロム系酸化物は、La 1-x Cr 1-y 、但し、0<x≦1、0≦y<1、A=Sr、Ca、および、Baからなる群より選択される少なくとも1種、B=Mg、Al、Mn、Fe、Ti、Zn、Co、Ni、Cu、V、Nb、Ta、W、および、Moからなる群より選択される少なくとも1種である、燃料電池セルスタック(1)にある。
One aspect of the present invention is a fuel cell (2) comprising an anode (21), a solid electrolyte layer (22) and a cathode (24).
A metal frame (3) that supports the outer peripheral edge of the fuel cell and
A sealing material (4) that seals between the outer peripheral edge of the fuel cell and the frame, and
It has a peeling suppression layer (5) in contact with the outer peripheral end portion (240) of the cathode, and has.
The cathode is composed of an oxide containing at least a partially replaceable element with Cr, or an oxide containing an element at least partially replaceable with Cr, and a solid electrolyte .
The peeling suppression layer has a Cr-containing oxide containing Cr or a precursor that becomes the Cr-containing oxide by power generation .
The Cr-containing oxide is a lanthanum-chromium-based oxide.
The lanthanum-chromium-based oxide is a group consisting of La x A 1-x By Cr 1-y O 3 , but 0 <x ≦ 1, 0 ≦ y <1, A = Sr, Ca, and Ba. At least one selected from the group consisting of B = Mg, Al, Mn, Fe, Ti, Zn, Co, Ni, Cu, V, Nb, Ta, W, and Mo. It is in the fuel cell stack (1).

上記燃料電池セルスタックは、上記構成を有している。そのため、上記燃料電池セルスタックは、長期運転、緊急停止、カソード/アノード間の差圧異常、振動・衝撃などによって封止材の一部が破壊し、クロスリークが生じた場合でも、カソードの剥離を抑制することができる。これは、以下の理由による。上記燃料電池セルスタックでは、カソードの外周端部において、剥離抑制層とカソードとが接して配置されている。そのため、上記燃料電池セルスタックの発電時に、剥離抑制層とカソードとの界面より、剥離抑制層に含まれるCr含有酸化物中のCrが固体拡散し、カソードの外周端部において、カソード中の酸化物の元素とCrとが一部置換する。その結果、カソードの外周端部の耐還元性が増加する。これにより、上記燃料電池セルスタックは、長期運転、緊急停止、カソード/アノード間の差圧異常、振動・衝撃などによって封止材の一部が破壊し、クロスリークが生じた場合でも、カソードの剥離を抑制することができる。 The fuel cell stack has the above configuration. Therefore, in the above fuel cell stack, even if a part of the sealing material is destroyed due to long-term operation, emergency stop, abnormal pressure difference between cathode / anode, vibration / impact, etc., and cross leak occurs, the cathode is peeled off. Can be suppressed. This is due to the following reasons. In the fuel cell stack, the peeling suppression layer and the cathode are arranged in contact with each other at the outer peripheral end of the cathode. Therefore, during power generation of the fuel cell stack, Cr in the Cr-containing oxide contained in the peeling suppression layer diffuses solidly from the interface between the peeling suppression layer and the cathode, and oxidation in the cathode is performed at the outer peripheral end portion of the cathode. Partially replaces the element of the object with Cr. As a result, the reduction resistance of the outer peripheral end of the cathode is increased. As a result, in the fuel cell stack, even if a part of the encapsulant is destroyed due to long-term operation, emergency stop, abnormal pressure difference between cathode / anode, vibration / impact, etc., and cross leak occurs, the cathode Peeling can be suppressed.

なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。 The reference numerals in parentheses described in the scope of claims and the means for solving the problem indicate the correspondence with the specific means described in the embodiments described later, and limit the technical scope of the present invention. It's not a thing.

実施形態1の燃料電池セルスタックの一部を模式的に示した説明図である。It is explanatory drawing which shows a part of the fuel cell stack of Embodiment 1 schematically. 図1におけるII-II線矢視断面の一部を模式的に示した説明図である。It is explanatory drawing which shows a part of the cross section in line II-II in FIG. 1 schematically. 図2に対応する、実施形態2の燃料電池セルスタックの一部を模式的に示した説明図である。It is explanatory drawing which shows a part of the fuel cell stack of Embodiment 2 schematically corresponding to FIG. 図1に対応する、実施形態3の燃料電池セルスタックの一部を模式的に示した説明図である。It is explanatory drawing which shows a part of the fuel cell stack of Embodiment 3 schematically corresponding to FIG. 1.

(実施形態1)
実施形態1の燃料電池セルスタックについて、図1および図2を用いて説明する。図1および図2に例示されるように、本実施形態の燃料電池セルスタック1は、燃料電池セル2と、フレーム3と、封止材4と、剥離抑制層5と、を有している。以下、これを詳説する。
(Embodiment 1)
The fuel cell stack of the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2. As illustrated in FIGS. 1 and 2, the fuel cell stack 1 of the present embodiment has a fuel cell 2, a frame 3, a sealing material 4, and a peeling suppressing layer 5. .. This will be explained in detail below.

燃料電池セル2は、固体電解質層22を有する固体電解質型の燃料電池である。固体電解質層22を構成する固体電解質には、酸素イオン導電性を示す固体酸化物セラミックス等を用いることができる。なお、固体電解質として固体酸化物セラミックスを用いる燃料電池は、固体酸化物形燃料電池(SOFC)と称される。 The fuel cell 2 is a solid electrolyte type fuel cell having a solid electrolyte layer 22. As the solid electrolyte constituting the solid electrolyte layer 22, solid oxide ceramics or the like exhibiting oxygen ion conductivity can be used. A fuel cell using solid oxide ceramics as a solid electrolyte is called a solid oxide fuel cell (SOFC).

燃料電池セルスタック1において、燃料電池セル2は、アノード21と固体電解質層22とカソード24とを備えている。本実施形態では、図2に例示されるように、燃料電池セル2が、固体電解質層22とカソード24との間にさらに中間層23を備える例が示されている。中間層23は、主に、固体電解質層材料とカソード材料との反応を抑制するための層である。燃料電池セル2は、具体的には、平板形の電池構造を有しており、セル面に垂直な方向から見て四角形状の形状を呈している。アノード21、固体電解質層22、中間層23、および、カソード24はこの順に積層されており、互いに接合されている。なお、図2では、電極であるアノード21を支持体として機能させるアノード支持型の燃料電池セル2が例示されている。本実施形態において、カソード24は、固体電解質層22および中間層23よりも外形が小さく形成されている。そのため、燃料電池セル2では、カソード24の外周囲に、中間層23のカソード24側の面が露出している。なお、燃料電池セル2が中間層23を有さない場合には、カソード24の外周囲に、固体電解質層22の面が露出することになる。 In the fuel cell stack 1, the fuel cell 2 includes an anode 21, a solid electrolyte layer 22, and a cathode 24. In this embodiment, as illustrated in FIG. 2, an example is shown in which the fuel cell 2 further includes an intermediate layer 23 between the solid electrolyte layer 22 and the cathode 24. The intermediate layer 23 is mainly a layer for suppressing the reaction between the solid electrolyte layer material and the cathode material. Specifically, the fuel cell 2 has a flat plate-shaped battery structure, and has a rectangular shape when viewed from a direction perpendicular to the cell surface. The anode 21, the solid electrolyte layer 22, the intermediate layer 23, and the cathode 24 are laminated in this order and are bonded to each other. Note that FIG. 2 illustrates an anode-supported fuel cell 2 in which the anode 21 as an electrode functions as a support. In the present embodiment, the cathode 24 is formed to have a smaller outer shape than the solid electrolyte layer 22 and the intermediate layer 23. Therefore, in the fuel cell 2, the surface of the intermediate layer 23 on the cathode 24 side is exposed on the outer periphery of the cathode 24. When the fuel cell 2 does not have the intermediate layer 23, the surface of the solid electrolyte layer 22 is exposed on the outer periphery of the cathode 24.

燃料電池セル2において、アノード21は、単層から構成されていてもよいし、複数層から構成されていてもよい。図2では、アノード21が単層から構成されている例が示されている。アノード21を複数層から構成する場合、アノード21は、具体的には、例えば、固体電解質層22側に配置される活性層と、固体電解質層22側とは反対側に配置される拡散層とを備える構成などとすることができる。なお、活性層は、主に、アノード21における電気化学的反応を高めるための層である。また、拡散層は、供給される燃料ガスを層面内に拡散させることが可能な層である。 In the fuel cell 2, the anode 21 may be composed of a single layer or may be composed of a plurality of layers. FIG. 2 shows an example in which the anode 21 is composed of a single layer. When the anode 21 is composed of a plurality of layers, the anode 21 specifically includes, for example, an active layer arranged on the solid electrolyte layer 22 side and a diffusion layer arranged on the side opposite to the solid electrolyte layer 22 side. It can be configured to include. The active layer is mainly a layer for enhancing the electrochemical reaction at the anode 21. Further, the diffusion layer is a layer capable of diffusing the supplied fuel gas into the layer surface.

アノード21の材料としては、例えば、Ni、NiO等の触媒と、酸化ジルコニウム系酸化物等の固体電解質との混合物などを例示することができる。酸化ジルコニウム系酸化物としては、例えば、イットリア安定化ジルコニア、スカンジア安定化ジルコニアなどを例示することができる。なお、NiOは、発電時の還元雰囲気でNiとなる。本実施形態では、アノード21の材料として、具体的には、NiまたはNiOとイットリア安定化ジルコニアとの混合物などを用いることができる。 Examples of the material of the anode 21 include a mixture of a catalyst such as Ni and NiO and a solid electrolyte such as a zirconium oxide oxide. Examples of the zirconium oxide-based oxide include yttria-stabilized zirconia and scandia-stabilized zirconia. NiO becomes Ni in the reducing atmosphere at the time of power generation. In the present embodiment, as the material of the anode 21, specifically, a mixture of Ni or NiO and yttria-stabilized zirconia can be used.

アノード21の厚みは、ガス拡散、電気抵抗、強度などの観点から、例えば、好ましくは、100~800μm、より好ましくは、200~700μmとすることができる。 The thickness of the anode 21 can be, for example, preferably 100 to 800 μm, more preferably 200 to 700 μm, from the viewpoint of gas diffusion, electrical resistance, strength and the like.

固体電解質層22の材料としては、強度、熱的安定性に優れる等の観点から、上述した酸化ジルコニウム系酸化物などを好適に用いることができる。固体電解質層22の材料としては、酸素イオン伝導性、機械的安定性、他の材料との両立、酸化雰囲気から還元雰囲気まで化学的に安定である等の観点から、イットリア安定化ジルコニアが好適である。 As the material of the solid electrolyte layer 22, the above-mentioned zirconium oxide-based oxide or the like can be preferably used from the viewpoint of excellent strength and thermal stability. As the material of the solid electrolyte layer 22, yttria-stabilized zirconia is preferable from the viewpoints of oxygen ion conductivity, mechanical stability, compatibility with other materials, and chemical stability from an oxidizing atmosphere to a reducing atmosphere. be.

固体電解質層22の厚みは、オーミック抵抗の低減などの観点から、好ましくは、1~20μm、より好ましくは、2~15μm、さらに好ましくは、3~10μmとすることができる。 The thickness of the solid electrolyte layer 22 can be preferably 1 to 20 μm, more preferably 2 to 15 μm, and even more preferably 3 to 10 μm from the viewpoint of reducing ohmic resistance.

中間層23の材料としては、例えば、CeO、または、CeOにGd、Sm、Y、La、Nd、Yb、Ca、および、Hoから選択される1種または2種以上の元素等がドープされたセリア系固溶体等の酸化セリウム系酸化物などを例示することができる。これらは1種または2種以上併用することができる。本実施形態では、中間層23の材料としては、具体的には、Gdがドープされたセリア系固溶体などを用いることができる As the material of the intermediate layer 23, for example, CeO 2 or CeO 2 is doped with one or more elements selected from Gd, Sm, Y, La, Nd, Yb, Ca, and Ho. Examples thereof include cerium oxide-based oxides such as the ceria-based solid solution. These can be used alone or in combination of two or more. In the present embodiment, as the material of the intermediate layer 23, specifically, a Gd-doped ceria-based solid solution or the like can be used.

中間層23の厚みは、オーミック抵抗の低減、カソード24の元素拡散の抑制等の観点から、好ましくは、1~20μm、より好ましくは、2~5μmとすることができる。 The thickness of the intermediate layer 23 can be preferably 1 to 20 μm, more preferably 2 to 5 μm, from the viewpoint of reducing ohmic resistance and suppressing element diffusion of the cathode 24.

カソード24は、Crと少なくとも一部置換可能な元素を含む酸化物を含んでいる。当該酸化物としては、例えば、遷移金属ペロブスカイト型酸化物等の導電性酸化物などを例示することができる。上記酸化物としては、具体的には、ランタン-ストロンチウム-コバルト系酸化物を例示することができる。なお、ランタン-ストロンチウム-コバルト系酸化物は、少なくともLa、Sr、Coを構成元素として含む酸化物である。この構成によれば、後述する剥離抑制層の作用により、クロスリーク発生時におけるカソード24の剥離抑制効果を確実なものとすることができる。 The cathode 24 contains an oxide containing an element that is at least partially substitutable with Cr. Examples of the oxide include conductive oxides such as transition metal perovskite-type oxides. Specific examples of the oxide include lanthanum-strontium-cobalt oxide. The lanthanum-strontium-cobalt oxide is an oxide containing at least La, Sr, and Co as constituent elements. According to this configuration, the effect of suppressing the peeling of the cathode 24 when a cross leak occurs can be ensured by the action of the peeling suppressing layer described later.

ランタン-ストロンチウム-コバルト系酸化物としては、具体的には、LaSr1-xCoO(但し、0<x<1、好ましくは、0.1≦x≦0.9、より好ましくは、0.2≦x≦0.8)等を例示することができる。ランタン-ストロンチウム-コバルト系酸化物には、xの値が異なるものを2種以上併用することができる。なお、ランタン-ストロンチウム-コバルト系酸化物において、Crと少なくとも一部置換可能な元素としては、Coを挙げることができる。 Specific examples of the lanthanum-strontium-cobalt oxide include La x Sr 1-x CoO 3 (however, 0 <x <1, preferably 0.1 ≦ x ≦ 0.9, more preferably. 0.2 ≦ x ≦ 0.8) and the like can be exemplified. As the lanthanum-strontium-cobalt oxide, two or more kinds having different x values can be used in combination. In the lanthanum-strontium-cobalt oxide, Co can be mentioned as an element that can be at least partially substituted with Cr.

カソード24は、上記酸化物以外にも、固体電解質を含むことができる。固体電解質としては、例えば、CeO、または、CeOにGd、Sm、Y、La、Nd、Yb、Ca、および、Hoから選択される1種または2種以上の元素等がドープされたセリア系固溶体等の酸化セリウム系酸化物などを例示することができる。これらは1種または2種以上併用することができる。 The cathode 24 may contain a solid electrolyte in addition to the above oxides. Examples of the solid electrolyte include CeO 2 or ceria in which CeO 2 is doped with one or more elements selected from Gd, Sm, Y, La, Nd, Yb, Ca, and Ho. Examples thereof include cerium oxide-based oxides such as system solid solutions. These can be used alone or in combination of two or more.

燃料電池セルスタック1において、カソード24が、例えば、ランタン-ストロンチウム-コバルト系酸化物を含んで構成されている場合、カソード24の外周端部240に、ランタン-ストロンチウム-コバルト系酸化物を構成する元素の一部がCrに置換された酸化物を含むことができる。つまり、燃料電池セルスタック1では、ランタン-ストロンチウム-コバルト系酸化物を構成する元素の一部がCrに置換された酸化物が、カソード24の外周端部240に偏在している構成とすることができる。この構成によれば、カソード24の外周端部240における耐還元性の向上がより確実なものとなり、カソード24の剥離抑制をより確実なものとすることができる。 In the fuel cell stack 1, when the cathode 24 is composed of, for example, a lanthanum-strontium-cobalt oxide, the lanthanum-strontium-cobalt oxide is formed on the outer peripheral end portion 240 of the cathode 24. It can contain an oxide in which a part of the element is substituted with Cr. That is, in the fuel cell stack 1, the oxide in which a part of the elements constituting the lanthanum-strontium-cobalt oxide is replaced with Cr is unevenly distributed at the outer peripheral end portion 240 of the cathode 24. Can be done. According to this configuration, the improvement of the reduction resistance at the outer peripheral end portion 240 of the cathode 24 becomes more reliable, and the peeling suppression of the cathode 24 can be made more reliable.

カソード24の厚みは、ガス拡散性、電極反応抵抗、集電性などの観点から、好ましくは、20~100μm、より好ましくは、30~80μmとすることができる。本実施形態では、カソード24の厚みは、具体的には、50μmとすることができる。 The thickness of the cathode 24 can be preferably 20 to 100 μm, more preferably 30 to 80 μm, from the viewpoint of gas diffusivity, electrode reaction resistance, current collection, and the like. In the present embodiment, the thickness of the cathode 24 can be specifically 50 μm.

燃料電池セルスタック1において、フレーム3は、金属製であり、燃料電池セル2の少なくとも外周縁を支持している。本実施形態において、燃料電池セルスタック1は、フレーム3により外周縁が支持された燃料電池セル2が金属製のセパレータ(不図示)を介して複数積層されてなる積層構造(不図示)を有している。なお、本実施形態では、図2に例示されるように、フレーム3に支持された燃料電池セル2が外れないように、フレーム3よる支持側とは反対側における燃料電池セル2の外周縁が金属製のリテーナ6によって固定されている例が示されている。なお、図1において、リテーナ6は、便宜上、省略されている。また、本実施形態では、フレーム3は、枠状に形成されている。フレーム3は、図示はしないが、複数の貫通孔を有するセル支持面を有しており、セル支持面にて燃料電池セル2におけるアノード21の表面を支持する構成とすることもできる。この構成によっても、フレーム3によって、燃料電池セル2の外周縁を支持することが可能である。 In the fuel cell stack 1, the frame 3 is made of metal and supports at least the outer peripheral edge of the fuel cell 2. In the present embodiment, the fuel cell stack 1 has a laminated structure (not shown) in which a plurality of fuel cell 2 whose outer peripheral edge is supported by a frame 3 are laminated via a metal separator (not shown). is doing. In this embodiment, as illustrated in FIG. 2, the outer peripheral edge of the fuel cell 2 on the side opposite to the support side of the frame 3 is provided so that the fuel cell 2 supported by the frame 3 does not come off. An example of being fixed by a metal retainer 6 is shown. In FIG. 1, the retainer 6 is omitted for convenience. Further, in the present embodiment, the frame 3 is formed in a frame shape. Although not shown, the frame 3 has a cell support surface having a plurality of through holes, and the cell support surface may be configured to support the surface of the anode 21 in the fuel cell 2. With this configuration as well, the frame 3 can support the outer peripheral edge of the fuel cell 2.

燃料電池セルスタック1は、カソード24の面内方向に沿って酸化剤ガスOが供給され、アノード21の面内方向に沿って燃料ガス(不図示)が供給されるように構成することができる。具体的には、カソード24側において、フレーム3とセパレータとの間に設けられた隙間を、酸化剤ガスOが流れる酸化剤ガス流路(不図示)とすることができる。また、アノード21側において、フレーム3とセパレータとの間に設けられた隙間を、燃料ガスが流れる燃料ガス流路(不図示)とすることができる。また、燃料電池セルスタック1では、酸化剤ガス流路にカソード側集電体(不図示)を配置し、カソード側集電体がカソード24とセパレータとに接触するように構成することができる。また、燃料ガス流路にアノード側集電体(不図示)を配置し、アノード側集電体がアノード21とセパレータとに接触するように構成することができる。なお、酸化剤ガスOとしては、例えば、空気、酸素ガスなどを例示することができる。燃料ガスとしては、例えば、水素ガス、水素含有ガスなどを例示することができる。 The fuel cell stack 1 can be configured such that the oxidant gas O is supplied along the in-plane direction of the cathode 24 and the fuel gas (not shown) is supplied along the in-plane direction of the anode 21. .. Specifically, on the cathode 24 side, the gap provided between the frame 3 and the separator can be an oxidant gas flow path (not shown) through which the oxidant gas O flows. Further, on the anode 21 side, the gap provided between the frame 3 and the separator can be a fuel gas flow path (not shown) through which the fuel gas flows. Further, in the fuel cell stack 1, a cathode-side current collector (not shown) can be arranged in the oxidant gas flow path so that the cathode-side current collector is in contact with the cathode 24 and the separator. Further, an anode-side current collector (not shown) can be arranged in the fuel gas flow path so that the anode-side current collector comes into contact with the anode 21 and the separator. As the oxidant gas O, for example, air, oxygen gas, or the like can be exemplified. Examples of the fuel gas include hydrogen gas and hydrogen-containing gas.

燃料電池セルスタック1において、フレーム3を構成する金属は、耐酸化性金属材料より構成することができる。この構成によれば、燃料電池セルスタック1の発電時の高温環境下にフレーム3が置かれた場合でも、形状を維持することができる。そのため、この構成によれば、高温環境下における電池信頼性を向上させることが可能な燃料電池セルスタック1が得られる。なお、耐酸化性金属は、800℃の酸化性雰囲気中における接触抵抗が、1万時間まで50mΩ・cm以下で推移する金属をいう。また、接触抵抗は、4端子測定法で測定される値である。耐酸化性金属としては、具体的には、例えば、フェライト系ステンレス鋼、耐熱Cr合金、耐熱NiCr合金、オーステナイト系ステンレス鋼などを例示することができる。 In the fuel cell stack 1, the metal constituting the frame 3 can be made of an oxidation-resistant metal material. According to this configuration, the shape of the fuel cell stack 1 can be maintained even when the frame 3 is placed in a high temperature environment at the time of power generation. Therefore, according to this configuration, a fuel cell stack 1 capable of improving battery reliability in a high temperature environment can be obtained. The oxidation-resistant metal refers to a metal having a contact resistance of 50 mΩ · cm 2 or less in an oxidizing atmosphere at 800 ° C. for up to 10,000 hours. The contact resistance is a value measured by the four-terminal measuring method. Specific examples of the oxidation-resistant metal include ferritic stainless steel, heat-resistant Cr alloy, heat-resistant NiCr alloy, and austenitic stainless steel.

燃料電池セルスタック1において、フレーム3を構成する金属の線熱膨張係数は、16×10-6/K以下とすることができる。この構成によれば、燃料電池セルスタック1の発電時の高温環境下にフレーム3が置かれた場合でも、形状を維持することができる。そのため、この構成によれば、高温環境下における電池信頼性を向上させることが可能な燃料電池セルスタック1が得られる。 In the fuel cell stack 1, the coefficient of linear thermal expansion of the metal constituting the frame 3 can be 16 × 10 -6 / K or less. According to this configuration, the shape of the fuel cell stack 1 can be maintained even when the frame 3 is placed in a high temperature environment at the time of power generation. Therefore, according to this configuration, a fuel cell stack 1 capable of improving battery reliability in a high temperature environment can be obtained.

上記線熱膨張係数は、上記効果を確実なものとする等の観点から、好ましくは、16×10-6/K未満、より好ましくは、14×10-6/K以下、さらに好ましくは、13×10-6/K以下とすることができる。なお、上記線熱膨張係数は、0℃~800℃の範囲における値である。また、上記線熱膨張係数は、基本的には、JIS Z 2285:2003 「金属材料の線熱膨張係数の測定方法」に準拠して測定される。また、上述したセパレータ、リテーナ6を構成する金属についても、同様に、耐酸化性金属材料より構成することができ、また、各金属の線熱膨張係数をそれぞれ16×10-6/K以下とすることができる。 The coefficient of linear thermal expansion is preferably less than 16 × 10 -6 / K, more preferably 14 × 10 -6 / K or less, still more preferably 13 from the viewpoint of ensuring the above effect. It can be x10-6 / K or less. The coefficient of linear thermal expansion is a value in the range of 0 ° C to 800 ° C. Further, the coefficient of linear thermal expansion is basically measured in accordance with JIS Z 2285: 2003 "Method for measuring the coefficient of linear thermal expansion of a metal material". Similarly, the metal constituting the separator and the retainer 6 described above can be made of an oxidation-resistant metal material, and the coefficient of linear thermal expansion of each metal is 16 × 10 -6 / K or less. can do.

燃料電池セルスタック1において、封止材4は、燃料電池セル2の外周縁とフレーム3との間を封止している。なお、燃料電池セルスタック1がリテーナ6を有する場合、封止材4は、図2に例示されるように、燃料電池セル2の外周縁とリテーナ6との間を封止していてもよい。この構成によれば、封止材4による封止距離が長くなるので、封止材4自体によるクロスリークの抑制に有利である。封止材4の材料としては、例えば、金属ろう材、ガラス材などを例示することができる。 In the fuel cell stack 1, the sealing material 4 seals between the outer peripheral edge of the fuel cell 2 and the frame 3. When the fuel cell stack 1 has the retainer 6, the sealing material 4 may seal between the outer peripheral edge of the fuel cell 2 and the retainer 6 as illustrated in FIG. .. According to this configuration, since the sealing distance by the sealing material 4 becomes long, it is advantageous to suppress the cross leak by the sealing material 4 itself. As the material of the sealing material 4, for example, a metal brazing material, a glass material, or the like can be exemplified.

燃料電池セルスタック1において、剥離抑制層5は、カソード24の外周端部240に接している。本実施形態では、剥離抑制層5は、具体的には、図2に例示されるように、カソード24の外周囲においてカソード24側に露出する中間層23の表面に形成されている。なお、燃料電池セル2が中間層23を有さない場合には、剥離抑制層5は、カソード24の外周囲においてカソード24側に露出する固体電解質層22の表面に形成されることができる。 In the fuel cell stack 1, the peeling suppression layer 5 is in contact with the outer peripheral end portion 240 of the cathode 24. In the present embodiment, the peeling suppressing layer 5 is specifically formed on the surface of the intermediate layer 23 exposed to the cathode 24 side in the outer periphery of the cathode 24, as exemplified in FIG. When the fuel cell 2 does not have the intermediate layer 23, the peeling suppression layer 5 can be formed on the surface of the solid electrolyte layer 22 exposed on the cathode 24 side in the outer periphery of the cathode 24.

ここで、剥離抑制層5は、Crを含むCr含有酸化物、または、発電によりCr含有酸化物となる前駆体を有している。 Here, the peeling suppression layer 5 has a Cr-containing oxide containing Cr or a precursor that becomes a Cr-containing oxide by power generation.

Cr含有酸化物としては、具体的には、ランタン-クロム系酸化物を好適に用いることができる。なお、ランタン-クロム系酸化物は、少なくともLaとCrとを構成元素とする酸化物である。ランタン-クロム系酸化物は、酸化雰囲気にて酸化され難く、かつ、還元雰囲気でも還元され難いため、いずれの雰囲気でも電子伝導性を発現することができる。そのため、この構成によれば、剥離抑制層5を電極(カソード24)の一部として機能させつつ、カソード24の耐還元性向上によるカソード24の剥離抑制効果を得ることができる。それ故、上記構成によれば、長期にわたる発電能力の確保に有利な燃料電池セルスタック1が得られる。 Specifically, as the Cr-containing oxide, a lanthanum-chromium-based oxide can be preferably used. The lanthanum-chromium-based oxide is an oxide containing at least La and Cr as constituent elements. Since the lanthanum-chromium-based oxide is difficult to be oxidized in an oxidizing atmosphere and also difficult to be reduced in a reducing atmosphere, electron conductivity can be exhibited in any atmosphere. Therefore, according to this configuration, it is possible to obtain the effect of suppressing the peeling of the cathode 24 by improving the reduction resistance of the cathode 24 while making the peeling suppressing layer 5 function as a part of the electrode (cathode 24). Therefore, according to the above configuration, the fuel cell stack 1 which is advantageous for securing the power generation capacity for a long period of time can be obtained.

ランタン-クロム系酸化物としては、具体的には、La1-xCr1-yを例示することができる。但し、0<x≦1、0≦y<1、A=Sr、Ca、および、Baからなる群より選択される少なくとも1種、B=Mg、Al、Mn、Fe、Ti、Zn、Co、Ni、Cu、V、Nb、Ta、W、および、Moからなる群より選択される少なくとも1種である。この構成によれば、上記Aおよび上記Bの各元素を任意に組み合わせることで、ペロブスカイト型結晶構造を形成でき、カソード24の耐還元性向上と剥離抑制層5の電子伝導性の確保とを両立させやすくなる。そのため、上記構成によれば、上述した効果を確実なものとすることができる。 Specific examples of the lanthanum-chromium - based oxide include La x A 1-x By Cr 1-y O3 . However, at least one selected from the group consisting of 0 <x ≦ 1, 0 ≦ y <1, A = Sr, Ca, and Ba, B = Mg, Al, Mn, Fe, Ti, Zn, Co, At least one selected from the group consisting of Ni, Cu, V, Nb, Ta, W, and Mo. According to this configuration, a perovskite-type crystal structure can be formed by arbitrarily combining the elements A and B, and both the reduction resistance of the cathode 24 and the electron conductivity of the peeling suppressing layer 5 can be ensured at the same time. It will be easier to make it. Therefore, according to the above configuration, the above-mentioned effect can be ensured.

La1-xCr1-yにおいて、好ましくは、0.1≦x≦1、0≦y≦0.9、より好ましくは、0.2≦x≦1、0≦y≦0.8とすることができる。この構成によれば、燃料電池セルスタック1の発電後における副生成物の生成などを抑制しやすくなり、剥離抑制層5の電子伝導性の確保に有利となる。 In La x A 1-x By Cr 1-y O3 , preferably 0.1 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 0.9, more preferably 0.2 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y. ≤0.8 can be set. According to this configuration, it becomes easy to suppress the generation of by-products after power generation of the fuel cell stack 1, which is advantageous for ensuring the electronic conductivity of the peeling suppressing layer 5.

発電によりCr含有酸化物となる前駆体は、具体的には、発電時の温度(熱)によって、Cr含有酸化物に変換される物質である。このような前駆体には、単体の物質のみならず、複数の物質の混合物等も含まれる。前駆体は、1種または2種以上併用することができる。 The precursor that becomes a Cr-containing oxide by power generation is specifically a substance that is converted into a Cr-containing oxide by the temperature (heat) at the time of power generation. Such precursors include not only a single substance but also a mixture of a plurality of substances and the like. The precursor can be used alone or in combination of two or more.

燃料電池セルスタック1は、上記構成を有している。そのため、燃料電池セルスタック1は、長期運転、緊急停止、カソード24/アノード21間の差圧異常、振動・衝撃などによって封止材の一部が破壊し、クロスリークが生じた場合でも、カソード24の剥離を抑制することができる。これは、以下の理由による。燃料電池セルスタック1では、カソード24の外周端部240において、剥離抑制層5とカソード24とが接して配置されている。そのため、燃料電池セルスタック1の発電時に、剥離抑制層5とカソード24との界面より、剥離抑制層5に含まれるCr含有酸化物中のCrが固体拡散し、カソード24の外周端部240において、カソード24中の酸化物の元素とCrとが一部置換する。その結果、カソード24の外周端部240の耐還元性が増加する。これにより、燃料電池セルスタック1は、長期運転、緊急停止、カソード24/アノード21間の差圧異常、振動・衝撃などによって封止材4の一部が破壊し、クロスリークが生じた場合でも、カソード24の剥離を抑制することができる。 The fuel cell stack 1 has the above configuration. Therefore, in the fuel cell stack 1, even if a part of the sealing material is destroyed due to long-term operation, emergency stop, abnormal pressure difference between the cathode 24 / anode 21, vibration / impact, etc., and a cross leak occurs, the cathode is used. The peeling of 24 can be suppressed. This is due to the following reasons. In the fuel cell stack 1, the peeling suppressing layer 5 and the cathode 24 are arranged in contact with each other at the outer peripheral end portion 240 of the cathode 24. Therefore, during power generation of the fuel cell stack 1, Cr in the Cr-containing oxide contained in the peeling suppressing layer 5 is solid-diffused from the interface between the peeling suppressing layer 5 and the cathode 24, and at the outer peripheral end portion 240 of the cathode 24. , Cr partially replaces the oxide element in the cathode 24. As a result, the reduction resistance of the outer peripheral end portion 240 of the cathode 24 is increased. As a result, even if a part of the sealing material 4 of the fuel cell stack 1 is destroyed due to long-term operation, emergency stop, abnormal pressure difference between the cathode 24 / anode 21, vibration / impact, etc., and a cross leak occurs. , The peeling of the cathode 24 can be suppressed.

燃料電池セルスタック1において、剥離抑制層5は、具体的には、図2に例示されるように、カソード24の外周端面241に接する構成とすることができる。剥離抑制層5がない場合においてクロスリークが発生した際には、カソード24側に侵入した水素は、カソード24の外周端面241に最初に触れる。そして、カソード24の外周端部240が水素により還元されると、この部分から、カソード24が剥離しやすくなる。そのため、上記構成によれば、剥離抑制層5から固体拡散したCrと、カソード24中の酸化物が備える元素との一部置換により、カソード24の外周端部240における耐還元性の向上を確実なものとすることができる。それ故、上記構成によれば、クロスリークが生じた場合でも、カソード24の剥離を抑制しやすくなる。 In the fuel cell stack 1, the peeling suppression layer 5 can be specifically configured to be in contact with the outer peripheral end surface 241 of the cathode 24, as illustrated in FIG. When a cross leak occurs in the absence of the peeling suppression layer 5, the hydrogen that has entered the cathode 24 side first touches the outer peripheral end surface 241 of the cathode 24. Then, when the outer peripheral end portion 240 of the cathode 24 is reduced by hydrogen, the cathode 24 is likely to be peeled off from this portion. Therefore, according to the above configuration, the reduction resistance at the outer peripheral end portion 240 of the cathode 24 is surely improved by partially substituting the Cr solid-diffused from the peeling suppression layer 5 with the element contained in the oxide in the cathode 24. Can be. Therefore, according to the above configuration, even if a cross leak occurs, it becomes easy to suppress the peeling of the cathode 24.

また、燃料電池セルスタック1において、剥離抑制層5は、具体的には、図1に例示されるように、カソード24における外周端部240の全周に接している構成とすることができる。この構成によれば、全周にわたってカソード24における外周端部240の耐還元性が増加する。そのため、この構成によれば、クロスリークが生じた場合でも、カソード24における外周端部240の全周で、カソード24の剥離を抑制しやすくなる。 Further, in the fuel cell stack 1, the peeling suppression layer 5 can be specifically configured to be in contact with the entire circumference of the outer peripheral end portion 240 of the cathode 24, as illustrated in FIG. According to this configuration, the reduction resistance of the outer peripheral end portion 240 at the cathode 24 is increased over the entire circumference. Therefore, according to this configuration, even if a cross leak occurs, it becomes easy to suppress the peeling of the cathode 24 at the entire circumference of the outer peripheral end portion 240 of the cathode 24.

剥離抑制層5の厚みは、具体的には、カソード24の厚みと同等かそれ以上とすることができる。この構成によれば、剥離抑制層5とカソード24との界面の確保が確実なものとなり、上述した作用効果を確実なものとすることができる。 Specifically, the thickness of the peeling suppressing layer 5 can be equal to or larger than the thickness of the cathode 24. According to this configuration, the interface between the peeling suppressing layer 5 and the cathode 24 is ensured, and the above-mentioned action and effect can be ensured.

剥離抑制層5の厚みは、カソード24の耐還元性向上などの観点から、好ましくは20~120μm、より好ましくは30~100μmとすることができる。本実施形態では、剥離抑制層5の厚みは、具体的には、70μmとすることができる。 The thickness of the peeling suppressing layer 5 can be preferably 20 to 120 μm, more preferably 30 to 100 μm, from the viewpoint of improving the reduction resistance of the cathode 24. In the present embodiment, the thickness of the peeling suppressing layer 5 can be specifically 70 μm.

(実施形態2)
実施形態2の燃料電池セルスタックについて、図3を用いて説明する。なお、実施形態2以降において用いられる符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。
(Embodiment 2)
The fuel cell stack of the second embodiment will be described with reference to FIG. In addition, among the reference numerals used in the second and subsequent embodiments, the same reference numerals as those used in the above-mentioned embodiments represent the same components and the like as those in the above-mentioned embodiments, unless otherwise specified.

図3に例示されるように、本実施形態の燃料電池セルスタック1では、剥離抑制層5は、カソード24に積層される積層部50を有している。 As illustrated in FIG. 3, in the fuel cell stack 1 of the present embodiment, the peeling suppression layer 5 has a laminated portion 50 laminated on the cathode 24.

この構成によれば、剥離抑制層5は、カソード24の外周端面241に接するだけでなく、さらに、積層部50にて、カソード24における外周端部240の表面242にも接することができる。そのため、この構成によれば、カソード24の外周端部240に対して、積層部50からもCrを固体拡散させることが可能となり、カソード24中の酸化物の元素とCrとの一部置換を促進させることができる。それ故、この構成によれば、カソード24の耐還元性を向上させやすい燃料電池セルスタック1が得られる。その他の構成および作用効果は、実施形態1と同様である。 According to this configuration, the peeling suppressing layer 5 can not only be in contact with the outer peripheral end surface 241 of the cathode 24, but also be in contact with the surface 242 of the outer peripheral end portion 240 of the cathode 24 at the laminated portion 50. Therefore, according to this configuration, Cr can be solid-diffused from the laminated portion 50 with respect to the outer peripheral end portion 240 of the cathode 24, and the oxide element in the cathode 24 and Cr are partially replaced. Can be promoted. Therefore, according to this configuration, the fuel cell stack 1 that can easily improve the reduction resistance of the cathode 24 can be obtained. Other configurations and effects are the same as in the first embodiment.

(実施形態3)
実施形態3の燃料電池セルスタックについて、図4を用いて説明する。図4に例示されるように、本実施形態の燃料電池セルスタック1において、剥離抑制層5は、カソード24における外周端部240のうち、酸化剤ガスOの出口側の端部領域を除いた残りの端部領域に接している。
(Embodiment 3)
The fuel cell stack of the third embodiment will be described with reference to FIG. As illustrated in FIG. 4, in the fuel cell stack 1 of the present embodiment, the peeling suppression layer 5 excludes the end region on the outlet side of the oxidant gas O from the outer peripheral end portion 240 of the cathode 24. It touches the remaining edge area.

具体的には、本実施形態では、カソード24は、四角形状を呈している。したがって、カソード24の外周端部240は、四角形の四辺に対応して、四つの端部領域240a、240b、240c、240dに分けることができる。本実施形態では、カソード24の外周端部240における四つの端部領域240a、240b、240c、240dのうち、ある一つの端部領域240a側に酸化剤ガスの入口(不図示)が配置される。一方、24の外周端部240における四つの端部領域240a、240b、240c、240dのうち、ある一つの端部領域240aと対向する端部領域240d側に酸化剤ガスOの出口(不図示)が配置される。したがって、本実施形態では、剥離抑制層5は、カソード24の外周端部240における四つの端部領域240a、240b、240c、240dのうち、酸化剤ガスOの出口側の一つの端部領域240dを除いた残りの三つの端部領域240a、240b、240cに接している。 Specifically, in the present embodiment, the cathode 24 has a quadrangular shape. Therefore, the outer peripheral end 240 of the cathode 24 can be divided into four end regions 240a, 240b, 240c, and 240d corresponding to the four sides of the quadrangle. In the present embodiment, the oxidant gas inlet (not shown) is arranged on the one end region 240a side of the four end regions 240a, 240b, 240c, 240d in the outer peripheral end portion 240 of the cathode 24. .. On the other hand, of the four end regions 240a, 240b, 240c, 240d in the outer peripheral end portion 240 of 24, the outlet of the oxidant gas O is discharged to the end region 240d side facing one end region 240a (not shown). Is placed. Therefore, in the present embodiment, the peeling suppressing layer 5 is one end region 240d on the outlet side of the oxidant gas O among the four end regions 240a, 240b, 240c, 240d in the outer peripheral end portion 240 of the cathode 24. It is in contact with the remaining three end regions 240a, 240b, 240c excluding.

カソード24の外周端部240における酸化剤ガスOの出口側の端部領域240dは、酸化剤ガスOの入口側の端部領域240aに比べ、クロスリークによる水素の影響を受け難い。そのため、カソード24の外周端部240における酸化剤ガスOの出口側の端部領域240dに、剥離抑制層5が接していない場合(カソード24の外周端部240に、剥離抑制層5が一部接していない場合)であっても、剥離抑制層5が全くない場合に比べ、十分にカソード24の剥離抑制を図ることができる。よって、上記構成によれば、実施形態1に比べ、剥離抑制層5の使用量を低減することができるため、カソード24の剥離を抑制しつつ、材料コストの低減にも有利な燃料電池セルスタック1が得られる。その他の構成および作用効果は、実施形態1と同様である。 The end region 240d on the outlet side of the oxidant gas O in the outer peripheral end portion 240 of the cathode 24 is less susceptible to the influence of hydrogen due to cross leakage than the end region 240a on the inlet side of the oxidant gas O. Therefore, when the peeling suppressing layer 5 is not in contact with the end region 240d on the outlet side of the oxidant gas O in the outer peripheral end portion 240 of the cathode 24 (the peeling suppressing layer 5 is partially attached to the outer peripheral end portion 240 of the cathode 24). Even if they are not in contact with each other), the peeling of the cathode 24 can be sufficiently suppressed as compared with the case where the peeling suppressing layer 5 is not present at all. Therefore, according to the above configuration, since the amount of the peeling suppressing layer 5 used can be reduced as compared with the first embodiment, the fuel cell stack which is advantageous in reducing the material cost while suppressing the peeling of the cathode 24. 1 is obtained. Other configurations and effects are the same as in the first embodiment.

(実験例)
-試料1-
NiO粉末(平均粒子径:0.5μm)と、8mol%のYを含むイットリア安定化ジルコニア(以下、8YSZ)粉末(平均粒子径:0.2μm)と、カーボン(造孔剤)と、ポリビニルブチラールと、酢酸イソアミルおよび1-ブタノールとをボールミルにて混合することによりスラリーを調製した。NiO粉末と8YSZ粉末との質量比は、65:35である。ドクターブレード法を用いて、樹脂シート上に上記スラリーを層状に塗工し、乾燥させた後、樹脂シートを剥離することにより、厚み100μmアノード形成用シートを準備した。なお、上記平均粒子径は、レーザー回折・散乱法により測定した体積基準の累積度数分布が50%を示すときの粒子径(直径)d50である(以下、同様)。
(Experimental example)
-Sample 1-
NiO powder (average particle size: 0.5 μm), yttria-stabilized zirconia (hereinafter, 8YSZ ) powder containing 8 mol% Y2O3 (hereinafter, 8YSZ ) powder (average particle size: 0.2 μm), and carbon (pore-forming agent). , Polyvinyl butyral, isoamyl acetate and 1-butanol were mixed in a ball mill to prepare a slurry. The mass ratio of NiO powder to 8YSZ powder is 65:35. Using the doctor blade method, the slurry was applied in layers on the resin sheet, dried, and then the resin sheet was peeled off to prepare a sheet for forming an anode having a thickness of 100 μm. The average particle diameter is the particle diameter (diameter) d50 when the volume-based cumulative frequency distribution measured by the laser diffraction / scattering method shows 50% (hereinafter, the same applies).

8YSZ粉末(平均粒子径:0.2μm)と、ポリビニルブチラールと、酢酸イソアミルおよび1-ブタノールとをボールミルにて混合することによりスラリーを調製した。以降は、アノード形成用シートの作製と同様にして、厚み5.0μmの固体電解質層形成用シートを準備した。 A slurry was prepared by mixing 8YSZ powder (average particle size: 0.2 μm), polyvinyl butyral, isoamyl acetate and 1-butanol with a ball mill. After that, a solid electrolyte layer forming sheet having a thickness of 5.0 μm was prepared in the same manner as in the production of the anode forming sheet.

10mol%のGdがドープされたCeO(以下、10GDC)粉末(平均粒子径:0.3μm)と、ポリビニルブチラールと、酢酸イソアミル、2-ブタノールおよびエタノールとをボールミルにて混合することによりスラリーを調製した。以降は、アノード形成用シートの作製と同様にして、厚み4.0μmの中間層形成用シートを準備した。 A slurry is prepared by mixing 10 mol% Gd-doped CeO 2 (hereinafter, 10 GDC) powder (average particle size: 0.3 μm), polyvinyl butyral, isoamyl acetate, 2-butanol and ethanol with a ball mill. Prepared. After that, a sheet for forming an intermediate layer having a thickness of 4.0 μm was prepared in the same manner as in the preparation of the sheet for forming the anode.

アノード形成用シート、固体電解質層形成用シート、および、中間層形成用シートをこの順に積層し、圧着した。なお、圧着には、WIP成形法を用いた。この際、WIP成形条件は、温度85℃、加圧力50MPa、加圧時間10分という条件とした。得られた圧着体は脱脂した。 The anode forming sheet, the solid electrolyte layer forming sheet, and the intermediate layer forming sheet were laminated in this order and pressure-bonded. The WIP molding method was used for crimping. At this time, the WIP molding conditions were a temperature of 85 ° C., a pressing force of 50 MPa, and a pressurizing time of 10 minutes. The obtained crimped body was degreased.

上記圧着体を大気雰囲気中にて、1350℃で2時間一括焼成することにより、アノード、固体電解質層、中間層がこの順に積層された焼結体を得た。 By firing the pressure-bonded body at 1350 ° C. for 2 hours in an atmospheric atmosphere, a sintered body in which the anode, the solid electrolyte layer, and the intermediate layer were laminated in this order was obtained.

La0.6Sr0.4CoO粉末(平均粒子径:0.6μm)と、エチルセルロースと、テルピネオールとを3本ロールにて混練することにより、カソード形成用ペーストを準備した。 A cathode-forming paste was prepared by kneading La 0.6 Sr 0.4 CoO 3 powder (average particle size: 0.6 μm), ethyl cellulose, and terpineol with three rolls.

上記焼結体における中間層の表面に、カソード形成用ペーストをスクリーン印刷法により塗布、乾燥後、大気雰囲気中、900℃で2時間焼成(焼付)することによって層状のカソード(50μm)を形成した。この際、カソードの外形は、アノードの外形よりも小さく形成した。なお、カソードの厚みは、好ましくは20~100μm、より好ましくは30~80μmの範囲から選択することができる。また、カソード形成時の焼成温度は、700℃~900℃の範囲内で調節することができる。また、カソード形成時の焼成時間は、カソードの厚みやカソード形成用ペースト中のバインダー量などに応じて適宜調節することができる。 A cathode forming paste was applied to the surface of the intermediate layer in the sintered body by a screen printing method, dried, and then fired (baked) at 900 ° C. for 2 hours in an air atmosphere to form a layered cathode (50 μm). .. At this time, the outer shape of the cathode was formed smaller than the outer shape of the anode. The thickness of the cathode can be preferably selected from the range of 20 to 100 μm, more preferably 30 to 80 μm. Further, the firing temperature at the time of forming the cathode can be adjusted within the range of 700 ° C. to 900 ° C. Further, the firing time at the time of forming the cathode can be appropriately adjusted according to the thickness of the cathode, the amount of the binder in the paste for forming the cathode, and the like.

La0.8Sr0.2CrO粉末(平均粒子径:0.5μm)と、エチルセルロースと、テルピネオールとを3本ロールにて混練することにより、剥離抑制層形成用ペーストを準備した。 A paste for forming a peeling inhibitory layer was prepared by kneading La 0.8 Sr 0.2 CrO 3 powder (average particle size: 0.5 μm), ethyl cellulose, and terpineol with three rolls.

図1に示されるように、剥離抑制層形成用ペーストを、カソードの外周端面の全てに接触するようにパターン印刷、乾燥後、大気雰囲気中、850℃で2時間焼成(焼付)することによって剥離抑制層(60μm)を形成した。なお、剥離抑制層の厚みは、好ましくは20~120μm、より好ましくは30~100μmの範囲から選択することができる。また、剥離抑制層形成時の焼成温度は、700℃~900℃の範囲内で調節することができる。また、剥離抑制層形成時の焼成時間は、剥離抑制層の厚みや剥離抑制層形成用ペースト中のバインダー成分の量などに応じて適宜調節することができる。これにより、剥離抑制層を有する平板形の燃料電池セルを得た。 As shown in FIG. 1, the peeling inhibitory layer forming paste is pattern-printed so as to be in contact with all of the outer peripheral end faces of the cathode, dried, and then peeled by firing (baking) at 850 ° C. for 2 hours in an air atmosphere. An inhibitory layer (60 μm) was formed. The thickness of the peeling inhibitory layer can be selected from the range of preferably 20 to 120 μm, more preferably 30 to 100 μm. Further, the firing temperature at the time of forming the peeling suppressing layer can be adjusted within the range of 700 ° C. to 900 ° C. Further, the firing time at the time of forming the peeling suppressing layer can be appropriately adjusted according to the thickness of the peeling suppressing layer, the amount of the binder component in the paste for forming the peeling suppressing layer, and the like. As a result, a flat plate-shaped fuel cell having a peeling suppression layer was obtained.

図1および図2に示されるように、燃料電池セルを、フェライト系ステンレス鋼製のフレームに組み付けた。この際、燃料電池セルの外周縁とフレームとの間を封止する封止材には、金属ろう材を用いた。また、フレームに組み付けられた燃料電池セルの外周縁に、フェライト系ステンレス鋼製のリテーナを組み付けた。この際、燃料電池セルの外周縁とリテーナとの間を封止する封止材には、上記と同じ金属ろう材を用いた。以上により、フレーム付き燃料電池セルを得た。以下、これを試料1とする。なお、このフレーム付き燃料電池セルをセパレータを介して複数積層することにより、燃料電池セルスタックを構成することができる。 As shown in FIGS. 1 and 2, the fuel cell was assembled to a ferritic stainless steel frame. At this time, a metal brazing material was used as a sealing material for sealing between the outer peripheral edge of the fuel cell and the frame. In addition, a ferritic stainless steel retainer was attached to the outer peripheral edge of the fuel cell attached to the frame. At this time, the same metal brazing material as described above was used as the sealing material for sealing between the outer peripheral edge of the fuel cell and the retainer. From the above, a fuel cell with a frame was obtained. Hereinafter, this will be referred to as sample 1. A fuel cell stack can be configured by stacking a plurality of fuel cell cells with a frame via a separator.

-試料2-
試料1の作製において、剥離抑制層形成用ペーストにおけるLa0.8Sr0.2CrO粉末を、La0.9Sr0.1CrO粉末とした点、剥離抑制層形成用ペーストを、カソードの外周端部の表面に一部重なるようパターン印刷することで、図3に示されるように、剥離抑制層が、カソードに積層される積層部を有するように構成した点以外は同様にして、試料2のフレーム付き燃料電池セルを作製した。なお、試料2でにおいて、剥離抑制層は、カソードの外周端面と外周端部表面との両方に接している。
-Sample 2-
In the preparation of sample 1, the La 0.8 Sr 0.2 CrO 3 powder in the peeling inhibitory layer forming paste was changed to the La 0.9 Sr 0.1 CrO 3 powder, and the peeling inhibitory layer forming paste was used as the cathode. By printing a pattern so as to partially overlap the surface of the outer peripheral end portion of the above, as shown in FIG. 3, the peeling suppression layer is similarly configured to have a laminated portion laminated on the cathode. A fuel cell with a frame of Sample 2 was prepared. In Sample 2, the peeling suppression layer is in contact with both the outer peripheral end surface and the outer peripheral end surface of the cathode.

-試料3~14-
試料1の作製において、剥離抑制層形成用ペーストにおけるLa0.8Sr0.2CrO粉末を、後述の表1に示すLa1-xCr1-y粉末とした点以外は同様にして、試料3~14のフレーム付き燃料電池セルを作製した。
-Samples 3-14-
In the preparation of sample 1, the La 0.8 Sr 0.2 CrO 3 powder in the paste for forming the peeling inhibitory layer was used as the La x A 1-x By Cr 1-y O 3 powder shown in Table 1 below. Except for the above, the fuel cell with the frame of Samples 3 to 14 was produced in the same manner.

-試料15-
試料1の作製において、剥離抑制層形成用ペーストを、図4に示したように、カソードにおける外周端部のうち、酸化剤ガスの出口側の端面領域を除いた残りの端面領域に接するようにパターン印刷した点以外は同様にして、試料15のフレーム付き燃料電池セルを作製した
-Sample 15-
In the preparation of the sample 1, as shown in FIG. 4, the paste for forming the peeling inhibitory layer is brought into contact with the remaining end face region of the outer peripheral end portion of the cathode excluding the end face region on the outlet side of the oxidant gas. A fuel cell with a frame of sample 15 was produced in the same manner except for the points where the pattern was printed.

-試料1C-
試料1の作製において、剥離抑制層を形成しなかった点以外は同様にして、試料1Cのフレーム付き燃料電池セルを作製した。
-Sample 1C-
In the preparation of the sample 1, the fuel cell with the frame of the sample 1C was prepared in the same manner except that the peeling suppression layer was not formed.

-試料2C-
試料1の作製において、カソード形成用ペーストにおけるLa0.6Sr0.4CoO粉末を、La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8粉末とした点以外は同様にして、試料2Cのフレーム付き燃料電池セルを作製した。
-Sample 2C-
In the preparation of sample 1, the same applies except that the La 0.6 Sr 0.4 CoO 3 powder in the cathode forming paste was changed to the La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 powder. A fuel cell with a frame of sample 2C was prepared.

-試料3C-
試料1の作製において、カソード形成用ペーストにおけるLa0.6Sr0.4CoO粉末を、Sm0.5Sr0.5CoO粉末とした点以外は同様にして、試料3Cのフレーム付き燃料電池セルを作製した。
-Sample 3C-
In the preparation of the sample 1, the fuel with the frame of the sample 3C is similarly obtained except that the La 0.6 Sr 0.4 CoO 3 powder in the cathode forming paste is changed to the Sm 0.5 Sr 0.5 CoO 3 powder. A battery cell was produced.

-評価試験-
各試料を単層スタック形状へ組み付け、500℃の環境下で、アノード側に対して、外部から水素ガスを0.5L/分、カソード側に対して、空気を0.2L/分で供給させながら、15分保持した。なお、当該環境は、セル外周の封止が完成していない低温で、差圧がアノード>カソードになる環境を模擬したものである。上記保持後、降温し、各試料におけるカソードの剥離を目視にて確認した。
-Evaluation test-
Each sample is assembled into a single-layer stack shape, and hydrogen gas is supplied from the outside at 0.5 L / min to the anode side and air is supplied to the cathode side at 0.2 L / min in an environment of 500 ° C. However, it was held for 15 minutes. The environment is a simulation of an environment in which the differential pressure is anode> cathode at a low temperature where the sealing of the outer periphery of the cell is not completed. After holding the above, the temperature was lowered, and the peeling of the cathode in each sample was visually confirmed.

表1に、各試料の詳細構成および評価試験の結果をまとめて示す。 Table 1 summarizes the detailed composition of each sample and the results of the evaluation test.

Figure 0007006038000001
Figure 0007006038000001

表1によれば、カソードの外周端部において、カソードと接するようにCr含有酸化物を有する剥離抑制層を配置することにより、カソードの外周端部における耐還元性が向上し、カソードの剥離を抑制することができることが確認された。 According to Table 1, by arranging the peeling suppression layer having Cr-containing oxide in contact with the cathode at the outer peripheral end of the cathode, the reduction resistance at the outer peripheral end of the cathode is improved and the cathode is peeled off. It was confirmed that it can be suppressed.

本発明は、上記各実施形態、各実験例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。また、各実施形態、各実験例に示される各構成は、それぞれ任意に組み合わせることができる。例えば、実施形態2の構成と実施形態3の構成とを組み合わせることができる。 The present invention is not limited to each of the above embodiments and experimental examples, and various modifications can be made without departing from the gist thereof. In addition, each configuration shown in each embodiment and each experimental example can be arbitrarily combined. For example, the configuration of the second embodiment and the configuration of the third embodiment can be combined.

1 燃料電池セルスタック
2 燃料電池セル
21 アノード
22 固体電解質層
24 カソード
240 外周端部
3 フレーム
4 封止材
5 剥離抑制層
1 Fuel cell stack 2 Fuel cell cell 21 Anode 22 Solid electrolyte layer 24 Cathode 240 Outer peripheral end 3 Frame 4 Encapsulant 5 Peeling suppression layer

Claims (8)

アノード(21)と固体電解質層(22)とカソード(24)とを備える燃料電池セル(2)と、
上記燃料電池セルの外周縁を支持する金属製のフレーム(3)と、
上記燃料電池セルの外周縁と上記フレームとの間を封止する封止材(4)と、
上記カソードの外周端部(240)に接する剥離抑制層(5)と、を有しており、
上記カソードは、Crと少なくとも一部置換可能な元素を含む酸化物、または、Crと少なくとも一部置換可能な元素を含む酸化物および固体電解質より構成されており、
上記剥離抑制層は、Crを含むCr含有酸化物、または、発電により上記Cr含有酸化物となる前駆体を有しており、
上記Cr含有酸化物は、ランタン-クロム系酸化物であり、
上記ランタン-クロム系酸化物は、La 1-x Cr 1-y 、但し、0<x≦1、0≦y<1、A=Sr、Ca、および、Baからなる群より選択される少なくとも1種、B=Mg、Al、Mn、Fe、Ti、Zn、Co、Ni、Cu、V、Nb、Ta、W、および、Moからなる群より選択される少なくとも1種である、燃料電池セルスタック(1)。
A fuel cell (2) comprising an anode (21), a solid electrolyte layer (22) and a cathode (24).
A metal frame (3) that supports the outer peripheral edge of the fuel cell and
A sealing material (4) that seals between the outer peripheral edge of the fuel cell and the frame, and
It has a peeling suppression layer (5) in contact with the outer peripheral end portion (240) of the cathode, and has.
The cathode is composed of an oxide containing at least a partially replaceable element with Cr, or an oxide containing an element at least partially replaceable with Cr, and a solid electrolyte .
The peeling suppression layer has a Cr-containing oxide containing Cr or a precursor that becomes the Cr-containing oxide by power generation .
The Cr-containing oxide is a lanthanum-chromium-based oxide.
The lanthanum-chromium-based oxide is a group consisting of La x A 1-x By Cr 1-y O 3 , but 0 <x ≦ 1, 0 ≦ y <1, A = Sr, Ca, and Ba. At least one selected from the group consisting of B = Mg, Al, Mn, Fe, Ti, Zn, Co, Ni, Cu, V, Nb, Ta, W, and Mo. There is a fuel cell cell stack (1).
上記カソードにおけるCrと少なくとも一部置換可能な元素を含む酸化物は、ランタン-ストロンチウム-コバルト系酸化物である、請求項1に燃料電池セルスタック。 The fuel cell stack according to claim 1 , wherein the oxide containing at least a partially replaceable element with Cr at the cathode is a lanthanum-strontium-cobalt oxide. 上記剥離抑制層は、上記カソードの外周端面(241)に接している、請求項1または請求項2に記載の燃料電池セルスタック。 The fuel cell stack according to claim 1 or 2 , wherein the peeling suppressing layer is in contact with the outer peripheral end surface (241) of the cathode. 上記剥離抑制層は、上記カソードに積層される積層部(50)を有する、請求項に記載の燃料電池セルスタック。 The fuel cell stack according to claim 3 , wherein the peeling suppression layer has a laminated portion (50) laminated on the cathode. 上記剥離抑制層は、上記カソードにおける上記外周端部の全周に接している、請求項1~請求項4のいずれか1項に記載の燃料電池セルスタック。 The fuel cell stack according to any one of claims 1 to 4 , wherein the peeling suppressing layer is in contact with the entire circumference of the outer peripheral end portion of the cathode. 上記剥離抑制層は、上記カソードにおける上記外周端部のうち、酸化剤ガスの出口側の端部領域(240d)を除いた残りの端部領域(240a、240b、240c)に接している、請求項1~請求項4のいずれか1項に記載の燃料電池セルスタック。 The peeling suppressing layer is in contact with the remaining end region (240a, 240b, 240c) of the outer peripheral end portion of the cathode excluding the end region (240d) on the outlet side of the oxidant gas. The fuel cell stack according to any one of items 1 to 4 . 上記金属は、耐酸化性金属材料より構成されている、請求項1~請求項6のいずれか1項に記載の燃料電池セルスタック。 The fuel cell stack according to any one of claims 1 to 6 , wherein the metal is made of an oxidation-resistant metal material. 上記金属の線熱膨張係数が、16×10-6/K以下である、請求項1~請求項7のいずれか1項に記載の燃料電池セルスタック。 The fuel cell stack according to any one of claims 1 to 7 , wherein the linear thermal expansion coefficient of the metal is 16 × 10 -6 / K or less.
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