JP7103783B2 - Joining material and joining body - Google Patents

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Description

本発明は、接合材および接合体に関する。 The present invention relates to a joining material and a joining body.

固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)の単セルは、燃料極(アノード)と固体電解質層と空気極(カソード)とがこの順に積層された構造を有する。SOFCの運転時には、例えば600℃以上の高温下において、空気極側の固体電解質層の表面に酸素含有ガスが供給され、燃料極側の固体電解質層の表面に燃料ガスが供給され、発電が行われる。 A single cell of a solid oxide fuel cell (SOFC) has a structure in which a fuel electrode (anode), a solid electrolyte layer, and an air electrode (cathode) are laminated in this order. During SOFC operation, for example, at a high temperature of 600 ° C. or higher, oxygen-containing gas is supplied to the surface of the solid electrolyte layer on the air electrode side, fuel gas is supplied to the surface of the solid electrolyte layer on the fuel electrode side, and power generation is performed. Will be.

SOFCの単セルは、出力密度や発電効率を向上する観点から、実用的には、複数個がインターコネクタを介して電気的に接続されたSOFCスタックとして使用される。SOFCの単セルとインターコネクタとは、集電部によって電気的に接続されている。この集電部は、従来、高温下での電子伝導性や耐久性に優れる材料、例えば、Ni、Ag等の金属材料で形成されていた(特許文献1~3参照)。 From the viewpoint of improving the output density and power generation efficiency, a single SOFC cell is practically used as an SOFC stack in which a plurality of SOFCs are electrically connected via an interconnector. The SOFC single cell and the interconnector are electrically connected by a current collector. Conventionally, this current collector has been formed of a material having excellent electron conductivity and durability at high temperatures, for example, a metal material such as Ni or Ag (see Patent Documents 1 to 3).

特開2008-200724号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2008-200724 特開2008-293984号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2008-293984 特開2009-205821号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2009-205821

しかし、燃料極側の集電部が上記のような金属材料で構成されている場合、SOFCが運転と停止とを繰り返すことで、当該集電部に剥離やクラック等の不具合を生じることがあった。すなわち、燃料側の集電部は、SOFCの停止時には、空気に曝されて酸化雰囲気にある。一方で、SOFCの運転時には、燃料ガス(例えば水素ガス)に曝されて還元雰囲気となる。この酸化雰囲気から還元雰囲気への変化によって、燃料側の集電部では、金属材料が還元されて酸化物の状態から金属の状態へと変化する。その結果、金属材料の体積が減少し、燃料極とインターコネクタとの接触面積が減少する。また、SOFCのシャットダウン時に空気が流入されると、燃料側の集電部は、酸化雰囲気に曝される。これにより、燃料側の集電部では、金属材料が酸化されて金属の状態から酸化物の状態へと戻る。その結果、金属材料の体積が膨張する。以上のような酸化還元の繰り返しによって燃料側の集電部に剥離やクラック等の不具合が生じ、SOFCスタックの耐久性や信頼性が低下することがあった。 However, if the current collector on the fuel electrode side is made of the above metal material, the SOFC may repeatedly start and stop, causing problems such as peeling and cracking in the current collector. rice field. That is, the current collector on the fuel side is exposed to air and is in an oxidizing atmosphere when the SOFC is stopped. On the other hand, during the operation of the SOFC, it is exposed to a fuel gas (for example, hydrogen gas) to create a reducing atmosphere. Due to this change from the oxidizing atmosphere to the reducing atmosphere, the metal material is reduced in the current collecting section on the fuel side to change from the oxide state to the metal state. As a result, the volume of the metal material is reduced and the contact area between the fuel electrode and the interconnector is reduced. Further, if air is introduced when the SOFC is shut down, the current collector on the fuel side is exposed to an oxidizing atmosphere. As a result, in the current collector on the fuel side, the metal material is oxidized and returns from the metal state to the oxide state. As a result, the volume of the metal material expands. Repeated redox as described above may cause problems such as peeling and cracking in the current collector on the fuel side, which may reduce the durability and reliability of the SOFC stack.

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、酸化還元時の体積変化が抑えられた集電部を備える接合体、および上記集電部を形成することのできる接合材を提供することである。 The present invention has been made in view of this point, and an object of the present invention is a joint body provided with a current collector whose volume change during redox is suppressed, and a joint material capable of forming the current collector. Is to provide.

本発明により、固体酸化物形燃料電池セルと、金属部材と、上記固体酸化物形燃料電池セルと上記金属部材とを接続する集電部と、を備える接合体が提供される。上記集電部は、金属またはその酸化物からなる主材と、一般式(1):AB3-δ(ここで、xは0または1であり、Aは少なくとも1種のランタノイド元素を含み、xが1のとき、Bは少なくとも1種の遷移金属元素を含み、δは、電荷の中性条件を満たすように定まる値である。);で表される還元膨張性の副材と、を含み、還元雰囲気下において、電子顕微鏡観察-エネルギー分散型X線分析法(SEM-EDX:Scanning Electron Microscope - Energy Dispersive X-ray Spectroscope)に基づいて算出される上記主材の上記金属と上記副材との合計を100体積%としたときに、上記主材の上記金属の体積割合が、50体積%以上98体積%以下である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention provides a joint including a solid oxide fuel cell, a metal member, and a current collector for connecting the solid oxide fuel cell and the metal member. The current collector contains a main material made of a metal or an oxide thereof, and a general formula (1): AB x O 3-δ (where x is 0 or 1, and A is at least one lanthanoid element. When x is 1, B contains at least one transition metal element, and δ is a value determined so as to satisfy the neutral condition of electric charge.); The above-mentioned metal of the above-mentioned main material and the above-mentioned metal calculated based on the electron microscope observation-energy dispersive X-ray analysis method (SEM-EDX: Scanning Electron Microscope-Energy Dispersive X-ray Spectroscope) in a reducing atmosphere. When the total with the auxiliary material is 100% by volume, the volume ratio of the metal of the main material is 50% by volume or more and 98% by volume or less.

上記集電部は、主材としての金属またはその酸化物に加えて、還元膨張性の副材を共に含んでいる。これにより、従来の金属材料のみからなる集電部に比べて、酸化還元時の体積変化を抑えることができる。その結果、上記集電部では、SOFCが運転と停止とを繰り返しても剥離やクラック等の不具合を生じ難くなる。また、金属材料のみからなる集電部を備える態様に比べて、接合体の耐久性や信頼性を向上することができる。したがって、上記集電部を備えた接合体は、高い発電性能を安定的に発揮することができる。 The current collector contains, in addition to a metal as a main material or an oxide thereof, a reduction-expandable auxiliary material. As a result, the volume change during redox can be suppressed as compared with the conventional current collector made of only a metal material. As a result, in the current collector, even if the SOFC is repeatedly operated and stopped, problems such as peeling and cracking are less likely to occur. Further, the durability and reliability of the joined body can be improved as compared with the mode in which the current collector made of only the metal material is provided. Therefore, the junction provided with the current collector can stably exhibit high power generation performance.

なお、特許文献2,3には、ペロブスカイト型酸化物と金属酸化物とを含む導電性接合材、およびこれを備えた固体酸化物形燃料電池のスタックが開示されている。しかし、特許文献2,3に開示される接合材は、いずれもペロブスカイト型酸化物を主体とし、そこに僅かな金属酸化物を共存させた構成である。したがって、ここに開示される技術は、例えばペロブスカイト型酸化物と金属酸化物との共存比の点で、特許文献2,3とは明確に異なっている。 In addition, Patent Documents 2 and 3 disclose a conductive bonding material containing a perovskite type oxide and a metal oxide, and a stack of a solid oxide fuel cell provided with the conductive bonding material. However, the joining materials disclosed in Patent Documents 2 and 3 are all composed mainly of perovskite-type oxides in which a small amount of metal oxides coexist. Therefore, the technique disclosed herein is clearly different from Patent Documents 2 and 3, for example, in the coexistence ratio of the perovskite type oxide and the metal oxide.

ここで開示される好適な一態様では、上記主材が、Fe,Ni,Cu,Ag,Ag-Pd合金およびそれらの酸化物のうちの少なくとも1つを含む。これらの材料は、コストと導電性とのバランスに優れる。したがって、比較的安価に、高温下での優れた導電性や耐久性を実現することができる。 In a preferred embodiment disclosed herein, the main material comprises at least one of Fe, Ni, Cu, Ag, Ag—Pd alloys and oxides thereof. These materials have an excellent balance between cost and conductivity. Therefore, excellent conductivity and durability at high temperatures can be realized at a relatively low cost.

ここで開示される好適な一態様では、上記副材が、次の(A),(B):(A)上記一般式(1)のxが0であり、かつ、Aが少なくともCeを含む、セリウム含有酸化物;(B)上記一般式(1)のxが1である、ペロブスカイト型酸化物;のうちの少なくとも1つを含む。これらの材料は、高温下での導電性や耐久性に優れる。したがって、ここに開示される技術の効果をより良く発揮することができる。 In a preferred embodiment disclosed herein, the auxiliary material has the following (A), (B): (A) x in the general formula (1) is 0, and A contains at least Ce. , Cerium-containing oxide; (B) Perovskite-type oxide in which x in the general formula (1) is 1, at least one of them. These materials are excellent in conductivity and durability at high temperatures. Therefore, the effects of the techniques disclosed herein can be better exerted.

ここで開示される好適な一態様では、上記集電部は、還元雰囲気下において、電子顕微鏡観察-エネルギー分散型X線分析法に基づいて算出される上記主材の上記金属と上記副材との合計を100体積%としたときに、上記主材の上記金属の体積割合が、80体積%以上95体積%以下である。これにより、ここに開示される技術の効果をより高いレベルで発揮することができる。 In a preferred embodiment disclosed herein, the current collector is composed of the metal of the main material and the auxiliary material calculated based on the electron microscope observation-energy dispersive X-ray analysis method in a reducing atmosphere. When the total of the above is 100% by volume, the volume ratio of the metal of the main material is 80% by volume or more and 95% by volume or less. As a result, the effects of the techniques disclosed herein can be exerted at a higher level.

ここで開示される好適な一態様では、上記固体酸化物形燃料電池セルは、燃料極と固体電解質と空気極とを有し、少なくとも上記燃料極と上記金属部材との間に上記集電部が配置されている。上記集電部は、酸化還元時の体積変化が抑えられていることから、SOFCの運転と停止とに伴って酸化雰囲気と還元雰囲気とに繰り返し曝される燃料極の側で好適に用いることができる。 In a preferred embodiment disclosed herein, the solid oxide fuel cell has a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode, and the current collector is located between at least the fuel electrode and the metal member. Is placed. Since the volume change during redox is suppressed, the current collector is preferably used on the side of the fuel electrode that is repeatedly exposed to the oxidizing atmosphere and the reducing atmosphere when the SOFC is started and stopped. can.

ここで開示される好適な一態様では、上記集電部は、熱機械分析装置を用いて、酸化雰囲気中において25℃から700℃までの温度範囲で測定された熱膨張率Eair(%)から還元雰囲気中において上記温度範囲で測定された熱膨張率Ered(%)を差し引くことで求められる酸化還元時の体積変化率が、-0.01%以上+0.18%以下である。これにより、主材の還元収縮性をより良く抑制することができ、さらに高いレベルでここに開示される技術の効果を発揮することができる。 In a preferred embodiment disclosed herein, the current collector has a coefficient of thermal expansion Air (%) measured in a temperature range from 25 ° C. to 700 ° C. in an oxidizing atmosphere using a thermomechanical analyzer. The volume change rate at the time of oxidation-reduction obtained by subtracting the coefficient of thermal expansion E red (%) measured in the above temperature range in the reducing atmosphere is −0.01% or more and + 0.18% or less. Thereby, the reduction shrinkage of the main material can be better suppressed, and the effect of the technique disclosed herein can be exhibited at a higher level.

また、本発明の他の側面として、上記接合体の製造において、上記集電部の形成に用いられる接合材が開示される。取扱性等の観点から、上記接合材は、溶媒を含み、ペースト状に調製されているとよい。 Further, as another aspect of the present invention, a joining material used for forming the current collecting portion in the production of the joining body is disclosed. From the viewpoint of handleability and the like, the bonding material preferably contains a solvent and is prepared in the form of a paste.

一実施形態に係るSOFCスタックを模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the SOFC stack which concerns on one Embodiment. 比較例1のTMA測定チャートである。It is a TMA measurement chart of Comparative Example 1. 比較例4のTMA測定チャートである。It is a TMA measurement chart of Comparative Example 4.

以下、適宜図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄(例えば、本発明を特徴付けないSOFCの単セルの構成や、SOFCの製造プロセス等)は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。また、以下の図面において、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明し、重複する説明は省略または簡略化することがある。また、各図における寸法関係(長さ、幅、厚み等)は必ずしも実際の寸法関係を反映するものではない。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings as appropriate. It should be noted that matters other than those specifically mentioned in the present specification and necessary for carrying out the present invention (for example, the configuration of a single cell of SOFC which does not characterize the present invention, the manufacturing process of SOFC, etc.) , Can be grasped as a design matter of a person skilled in the art based on the prior art in the field. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in the present specification and the common general technical knowledge in the art. Further, in the following drawings, members / parts having the same function may be described with the same reference numerals, and duplicate description may be omitted or simplified. Further, the dimensional relationship (length, width, thickness, etc.) in each drawing does not necessarily reflect the actual dimensional relationship.

なお、本明細書において「熱膨張係数」とは、熱機械分析装置(Thermomechanical Analysis:TMA)を用いて、室温(25℃)から700℃までの温度範囲で測定された平均線膨張係数αをいう。単位は、K-1である。特に断りのない限り、熱膨張係数の測定雰囲気は、酸化雰囲気(典型的には大気中、例えば酸素分圧が約0.2atmの雰囲気)である。 In the present specification, the "coefficient of thermal expansion" is an average linear expansion coefficient α measured in a temperature range from room temperature (25 ° C.) to 700 ° C. using a thermomechanical analysis (TMA). Say. The unit is K -1 . Unless otherwise specified, the atmosphere for measuring the coefficient of thermal expansion is an oxidizing atmosphere (typically, an atmosphere having an oxygen partial pressure of about 0.2 atm).

平均線膨張係数αは、室温での長さがLの試験片の温度をTからT(T<T)まで変化させることによって試験片の長さがLからLまで変化したときに、室温での長さLに対する長さの変化量ΔL=(L-L)の比、すなわちΔL/Lを「熱膨張ε」とし、かかる熱膨張εを、温度差ΔT=(T-T)で除すことにより求められる。言い換えれば、平均線膨張係数αは、下記(式I)で算出することができる。
α=(L-L)/{L×(T-T)} ・・・(式I)
平均線膨張係数αの測定は、例えば、JIS Z 2285:2003「金属材料の線膨張係数の測定方法」やJIS R 1618:2002「ファインセラミックスの熱機械分析による熱膨張の測定方法」に準じて実施することができる。
The average linear expansion coefficient α is such that the length of the test piece is L 1 to L 2 by changing the temperature of the test piece having a length L 0 at room temperature from T 1 to T 2 (T 1 <T 2 ). When changed, the ratio of the amount of change in length ΔL = (L 2 -L 1 ) to the length L 0 at room temperature, that is, ΔL / L 0 is defined as “thermal expansion ε”, and such thermal expansion ε is defined as temperature. It is obtained by dividing by the difference ΔT = (T2 - T 1 ). In other words, the coefficient of linear expansion α can be calculated by the following formula (Equation I).
α = (L 2 -L 1 ) / {L 0 × (T 2 -T 1 )} ・ ・ ・ (Equation I)
The measurement of the coefficient of linear expansion α is based on, for example, JIS Z 2285: 2003 “Measurement method of coefficient of linear expansion of metal materials” and JIS R 1618: 2002 “Measurement method of thermal expansion by thermomechanical analysis of fine ceramics”. Can be carried out.

また、本明細書において「還元膨張量」とは、還元雰囲気中(典型的には100%水素ガス中)において室温(25℃)から700℃までの温度範囲で測定された熱膨張率Ered(%)から、酸化雰囲気中において上記温度範囲で測定された熱膨張率Eair(%)を差し引いた値(Ered-Eair)をいう。そして、本明細書では、この値が0%を超えること、言い換えれば、Ered>Eairであることを「還元膨張性を有する」という。なお、熱膨張率Eは、上記熱膨張εに100を掛けてパーセントに換算した値である。 Further, in the present specification, the “reduction expansion amount” refers to the coefficient of thermal expansion Oredo measured in a temperature range from room temperature (25 ° C.) to 700 ° C. in a reducing atmosphere (typically in 100% hydrogen gas). It is a value (E red -E air ) obtained by subtracting the coefficient of thermal expansion E air (%) measured in the above temperature range from (%). Then, in the present specification, when this value exceeds 0%, in other words, when Red > Air , it is said that it has "reduction swelling property". The coefficient of thermal expansion E is a value obtained by multiplying the above-mentioned thermal expansion ε by 100 and converting it into a percentage.

また、以下の説明において、集電部を形成するための接合材における配合比(仕込み比)を表す際には、主に「質量%」の単位を使用し、集電部(接合層)の状態における存在比を表す際には、主に「体積%」の単位を使用することとする。また、本明細書において「A~B(ただし、A,Bが任意の値)」とは、特に断らない限りA以上B以下を意味するものとする。 Further, in the following description, when expressing the compounding ratio (preparation ratio) in the joining material for forming the current collecting portion, the unit of "mass%" is mainly used, and the current collecting portion (joining layer) is used. When expressing the abundance ratio in a state, the unit of "volume%" is mainly used. Further, in the present specification, "A to B (where A and B are arbitrary values)" shall mean A or more and B or less unless otherwise specified.

<SOFCスタック(接合体)>
まず、固体酸化物形燃料電池(SOFC)について説明する。
図1は、一実施形態に係るSOFCスタック1を模式的に示す斜視図である。SOFCスタック1は、平板型である。SOFCスタック1は、複数のSOFCの単セル10A,10Bと、複数の金属製の金属インターコネクタ20,20Aと、第1集電部30および第2集電部40と、を備えている。SOFCスタック1は、SOFCの単セル10A,10Bが、金属インターコネクタ20,20Aを介して、所定の積層方向に積み重ねられたスタック構造を有する。第1集電部30および第2集電部40は、それぞれ、SOFCの単セル10A,10Bと金属インターコネクタ20,20Aとの間に介在され、SOFCの単セル10A,10Bと金属インターコネクタ20,20Aとを接合している。SOFCスタック1は、接合体の一例である。SOFCスタック1は、従来公知の方法に準じて製造することができる。
<SOFC stack (joint)>
First, a solid oxide fuel cell (SOFC) will be described.
FIG. 1 is a perspective view schematically showing the SOFC stack 1 according to the embodiment. The SOFC stack 1 is a flat plate type. The SOFC stack 1 includes a plurality of SOFC single cells 10A and 10B, a plurality of metal metal connectors 20 and 20A, and a first current collector 30 and a second current collector 40. The SOFC stack 1 has a stack structure in which SOFC single cells 10A and 10B are stacked in a predetermined stacking direction via metal interconnectors 20 and 20A. The first current collector 30 and the second current collector 40 are interposed between the SOFC single cells 10A and 10B and the metal interconnectors 20 and 20A, respectively, and the SOFC single cells 10A and 10B and the metal interconnector 20 are respectively interposed. , 20A is joined. The SOFC stack 1 is an example of a bonded body. The SOFC stack 1 can be manufactured according to a conventionally known method.

単セル10A,10Bの構成は従来と同様でよく、特に限定されない。この実施形態では、単セル10A,10Bが、それぞれ、第1燃料極12と、第2燃料極14と、固体電解質層16と、空気極18と、を備えている。 The configurations of the single cells 10A and 10B may be the same as those of the conventional ones, and are not particularly limited. In this embodiment, the single cells 10A and 10B each include a first fuel pole 12, a second fuel pole 14, a solid electrolyte layer 16, and an air pole 18, respectively.

第1燃料極12は、第2燃料極14と固体電解質層16と空気極18とに比べて厚めに形成されている。第1燃料極12は、支持基板としての機能を有する。第1燃料極12は、所謂、燃料極支持体である。第1燃料極12は、導電性材料を含んでいる。導電性材料は、例えば、ニッケル(Ni)成分を含むニッケル系の金属材料(例えばニッケル)である。導電性材料は、例えば、ニッケル系の金属材料と、安定化剤で安定化されたジルコニアとのサーメットであってもよい。その場合、金属材料と安定化ジルコニアとの比率は特に限定されないが、質量比で、概ね90:10~40:60、例えば80:20~45:55であるとよい。 The first fuel pole 12 is formed thicker than the second fuel pole 14, the solid electrolyte layer 16, and the air pole 18. The first fuel pole 12 has a function as a support substrate. The first fuel pole 12 is a so-called fuel pole support. The first fuel pole 12 contains a conductive material. The conductive material is, for example, a nickel-based metal material containing a nickel (Ni) component (for example, nickel). The conductive material may be, for example, a cermet of a nickel-based metal material and zirconia stabilized with a stabilizer. In that case, the ratio of the metal material to the stabilized zirconia is not particularly limited, but the mass ratio is generally 90:10 to 40:60, for example, 80:20 to 45:55.

導電性材料の性状は特に限定されないが、典型的には粉末状である。導電性材料の平均粒径(レーザー回折・光散乱法で測定した体積基準の粒度分布において、微粒子側から累積50%に相当する粒子径。以下同じ。)は、概ね0.01~5μm、例えば0.1~2μmである。導電性材料が金属材料と安定化ジルコニアとのサーメットである場合、第1燃料極12の均質性や耐久性を高める観点からは、両者の平均粒径が概ね同等(例えば±0.5μm以内)であるとよい。 The properties of the conductive material are not particularly limited, but are typically in the form of powder. The average particle size of the conductive material (particle size corresponding to a cumulative 50% from the fine particle side in the volume-based particle size distribution measured by the laser diffraction / light scattering method; the same applies hereinafter) is approximately 0.01 to 5 μm, for example. It is 0.1 to 2 μm. When the conductive material is a cermet of a metal material and stabilized zirconia, the average particle size of both is approximately the same (for example, within ± 0.5 μm) from the viewpoint of improving the homogeneity and durability of the first fuel electrode 12. It is good to be.

第1燃料極12の平均厚み(積層方向の長さ)は特に限定されないが、概ね0.3~2mm、例えば0.5~1mmである。第1燃料極12は、多孔質体である。第1燃料極12の気孔率(水銀圧入法で求められる空隙体積を見かけの体積で除して100を掛けることにより算出される値。以下同じ。)は特に限定されないが、概ね20~50体積%、例えば30~40体積%である。第1燃料極12の熱膨張係数は特に限定されないが、例えば、11×10-6~14×10-6/Kである。 The average thickness (length in the stacking direction) of the first fuel electrode 12 is not particularly limited, but is generally 0.3 to 2 mm, for example 0.5 to 1 mm. The first fuel pole 12 is a porous body. The porosity of the first fuel electrode 12 (a value calculated by dividing the void volume obtained by the mercury intrusion method by the apparent volume and multiplying by 100; the same applies hereinafter) is not particularly limited, but is approximately 20 to 50 volumes. %, For example, 30-40% by volume. The coefficient of thermal expansion of the first fuel electrode 12 is not particularly limited, but is, for example, 11 × 10 -6 to 14 × 10 -6 / K.

第2燃料極14は、第1燃料極12と固体電解質層16との間に介在している。第2燃料極14は、第1燃料極12よりも高い触媒活性を有する。第2燃料極14は、所謂、燃料極活性層である。第2燃料極14の構成材料は、第1燃料極12と同じであってもよく、一部または全部が異なっていてもよい。第2燃料極14は、第1燃料極12との一体性を高める観点から、第1燃料極12と同じニッケル系の金属材料(例えばニッケル)を含むとよい。第2燃料極14は、固体電解質層16との熱膨張の調和を高める観点から、酸化物イオン伝導体、例えば安定化ジルコニアを含むとよい。第2燃料極14の平均厚みは特に限定されないが、典型的には第1燃料極12よりも小さく、概ね100μm以下、例えば20~50μmである。第2燃料極14は、多孔質体である。第2燃料極14の気孔率は特に限定されないが、典型的には第1燃料極12よりも小さく、概ね5~30体積%、例えば10~20体積%である。 The second fuel pole 14 is interposed between the first fuel pole 12 and the solid electrolyte layer 16. The second fuel pole 14 has higher catalytic activity than the first fuel pole 12. The second fuel electrode 14 is a so-called fuel electrode active layer. The constituent material of the second fuel pole 14 may be the same as that of the first fuel pole 12, and may be partially or completely different. The second fuel pole 14 may contain the same nickel-based metal material (for example, nickel) as the first fuel pole 12 from the viewpoint of enhancing the integrity with the first fuel pole 12. The second fuel electrode 14 may contain an oxide ion conductor, for example, stabilized zirconia, from the viewpoint of enhancing the harmony of thermal expansion with the solid electrolyte layer 16. The average thickness of the second fuel pole 14 is not particularly limited, but is typically smaller than that of the first fuel pole 12, and is generally 100 μm or less, for example, 20 to 50 μm. The second fuel electrode 14 is a porous body. The porosity of the second fuel pole 14 is not particularly limited, but is typically smaller than that of the first fuel pole 12, and is approximately 5 to 30% by volume, for example, 10 to 20% by volume.

固体電解質層16は、第2燃料極14と空気極18との間に介在している。固体電解質層16は、第1燃料極12および第2燃料極14の側のガスと、空気極18の側のガスとを分離する機能を有する。固体電解質層16は、酸素イオン伝導性を有する。固体電解質層16は、酸化物イオン伝導体である。固体電解質層16は、例えば、イットリア等の安定化剤で安定化されたジルコニア、例えばYSZ(Yttria stabilized zirconia)や、ガドリニア等のドープ剤がドープされたセリア、例えばGDC(Gadolinia doped ceria)である。固体電解質層16の平均厚みは特に限定されないが、概ね1~20μm、例えば3~10μmである。安定化剤やドープ剤の含有割合は特に限定されないが、酸化物イオン伝導体全体を100mol%としたときに、凡そ5~10mol%であることが好ましい。固体電解質層16は、ガスのリークを防止する観点から、緻密に形成されている。固体電解質層16の気孔率は特に限定されないが、概ね0.2~5体積%、例えば0.5~3体積%である。 The solid electrolyte layer 16 is interposed between the second fuel pole 14 and the air pole 18. The solid electrolyte layer 16 has a function of separating the gas on the side of the first fuel pole 12 and the second fuel pole 14 and the gas on the side of the air pole 18. The solid electrolyte layer 16 has oxygen ion conductivity. The solid electrolyte layer 16 is an oxide ion conductor. The solid electrolyte layer 16 is, for example, zirconia stabilized with a stabilizer such as yttria, for example YSZ (Yttria stabilized zirconia), or ceria doped with a doping agent such as gadlinia, for example GDC (Gadolinia doped ceria). .. The average thickness of the solid electrolyte layer 16 is not particularly limited, but is generally 1 to 20 μm, for example, 3 to 10 μm. The content ratio of the stabilizer and the doping agent is not particularly limited, but is preferably about 5 to 10 mol% when the entire oxide ion conductor is 100 mol%. The solid electrolyte layer 16 is densely formed from the viewpoint of preventing gas leakage. The porosity of the solid electrolyte layer 16 is not particularly limited, but is generally 0.2 to 5% by volume, for example, 0.5 to 3% by volume.

空気極18は、例えば、ランタンコバルトネート(LaCoO)系、ランタンマンガネート(LaMnO)系、ランタンフェライト(LaFeO)系等のペロブスカイト型酸化物である。空気極18は、多孔質体である。空気極18の気孔率は特に限定されないが、概ね5~50体積%、例えば10~30体積%である。 The air electrode 18 is, for example, a perovskite-type oxide such as a lanthanum cobaltate (LaCoO 3 ) type, a lanthanum manganate (LaMnO 3 ) type, or a lanthanum ferrite (LaFeO 3 ) type. The air electrode 18 is a porous body. The porosity of the air electrode 18 is not particularly limited, but is generally 5 to 50% by volume, for example, 10 to 30% by volume.

なお、この実施形態では、単セル10A,10Bがそれぞれ4層構造であるが、これには限定されない。単セル10A,10Bでは、例えば、第1燃料極12と第2燃料極14とが気孔率の一定な1つの層で構成されていてもよい。また、単セル10A,10Bは、上記以外の層をさらに有していてもよい。例えば、固体電解質層16と空気極18との間に両者の界面を安定化させるための層、例えば、安定化剤で安定化されたジルコニアおよび/またはドープ剤がドープされたセリアを含む反応抑止層を備えていてもよい。 In this embodiment, the single cells 10A and 10B each have a four-layer structure, but the present invention is not limited to this. In the single cells 10A and 10B, for example, the first fuel pole 12 and the second fuel pole 14 may be composed of one layer having a constant porosity. Further, the single cells 10A and 10B may further have a layer other than the above. For example, a reaction inhibitor containing a layer for stabilizing the interface between the solid electrolyte layer 16 and the air electrode 18 such as zirconia stabilized with a stabilizer and / or ceria doped with a doping agent. It may have layers.

また、単セル10A,10Bは、第1燃料極12を備えた、所謂、燃料極支持型(ASC:Anode-Supported Cell)のセルである。ただし、単セル10A,10Bは、例えば、固体電解質層16を厚くした、所謂、電解質支持型(ESC:Electrolyte-Supported Cell)のセルであってもよく、空気極18を厚くした、所謂、空気極支持型(CSC:Cathode-Supported Cell)のセルであってもよい。また、第1燃料極12または第2燃料極14の固体電解質層16から離れる側の面に多孔質な金属シートを備えたメタルサポートセル(MSC:Metal-Supported Cell)であってもよい。 Further, the single cells 10A and 10B are so-called fuel pole supported type (ASC: Anode-Supported Cell) cells provided with the first fuel pole 12. However, the single cells 10A and 10B may be, for example, a so-called electrolyte-supported cell (ESC) cell in which the solid electrolyte layer 16 is thickened, and the air electrode 18 is thickened, so-called air. It may be a cathode-supported cell (CSC) cell. Further, it may be a metal-supported cell (MSC) having a porous metal sheet on the surface of the first fuel pole 12 or the second fuel pole 14 on the side away from the solid electrolyte layer 16.

金属インターコネクタ20,20Aは、複数の単セル10A,10Bを相互に電気的に接続するためのものである。図1の中央に位置する金属インターコネクタ20Aは、2つの単セル10A,10Bの間に介在して、単セル10A,10Bを直列に接続している。ただし、金属インターコネクタ20,20Aは、単セル10A,10Bを並列に接続するように配置してもよい。金属インターコネクタ20,20Aは、例えば、ニッケル、ステンレス鋼、オーステナイト系合金、フェライト系合金等で構成されている。金属インターコネクタ20,20Aは、金属部材の一例である。金属インターコネクタ20,20Aの熱膨張係数は特に限定されないが、典型的には10×10-6~15×10-6/K、例えば10×10-6~12×10-6/Kである。 The metal interconnectors 20 and 20A are for electrically connecting a plurality of single cells 10A and 10B to each other. The metal interconnector 20A located in the center of FIG. 1 is interposed between the two single cells 10A and 10B to connect the single cells 10A and 10B in series. However, the metal interconnectors 20 and 20A may be arranged so that the single cells 10A and 10B are connected in parallel. The metal interconnectors 20 and 20A are made of, for example, nickel, stainless steel, austenitic alloys, ferritic alloys and the like. The metal interconnectors 20 and 20A are examples of metal members. The coefficient of thermal expansion of the metal connectors 20 and 20A is not particularly limited, but is typically 10 × 10 -6 to 15 × 10 -6 / K, for example, 10 × 10 -6 to 12 × 10 -6 / K. ..

金属インターコネクタ20,20Aの空気極18と対向する側のセル対向面21には、複数の溝部が形成され、酸素含有ガス流路22が設けられている。酸素含有ガス流路22は、図示しない第1のガス管に接続され、酸素含有ガス(例えば水素ガス)の供給源と連通されている。また、金属インターコネクタ20,20Aの第1燃料極12と対向する側のセル対向面25には、複数の溝部が形成され、燃料ガス流路26が設けられている。燃料ガス流路26は、図示しない第2のガス管に接続され、燃料ガス(例えば空気)の供給源と連通されている。 A plurality of grooves are formed on the cell facing surface 21 on the side of the metal interconnectors 20 and 20A facing the air electrode 18, and an oxygen-containing gas flow path 22 is provided. The oxygen-containing gas flow path 22 is connected to a first gas pipe (not shown) and communicates with a source of oxygen-containing gas (for example, hydrogen gas). Further, a plurality of grooves are formed on the cell facing surface 25 on the side of the metal interconnectors 20 and 20A facing the first fuel pole 12, and a fuel gas flow path 26 is provided. The fuel gas flow path 26 is connected to a second gas pipe (not shown) and communicates with a fuel gas (for example, air) supply source.

第1集電部30および第2集電部40は、金属インターコネクタ20,20Aと単セル10A,10Bとを物理的および電気的に接続する機能を有している。第1集電部30および第2集電部40には、接合強度が高いこと、高温下での導電性に優れること、高温下で化学的に安定であること、温度変化に伴う体積変化が小さいこと等が求められる。第1集電部30および第2集電部40は、集電抵抗を低減する観点から、緻密に形成されている。第1集電部30は、金属インターコネクタ20,20Aのセル対向面25と、単セル10A,10Bの第1燃料極12と、を接続している。第2集電部40は、金属インターコネクタ20,20Aのセル対向面21と、単セル10A,10Bの空気極18と、を接続している。 The first current collecting unit 30 and the second current collecting unit 40 have a function of physically and electrically connecting the metal interconnectors 20 and 20A and the single cells 10A and 10B. The first current collector 30 and the second current collector 40 have high bonding strength, excellent conductivity at high temperatures, are chemically stable at high temperatures, and have volume changes due to temperature changes. It is required to be small. The first current collecting unit 30 and the second current collecting unit 40 are densely formed from the viewpoint of reducing the current collecting resistance. The first current collector 30 connects the cell facing surfaces 25 of the metal interconnectors 20 and 20A and the first fuel poles 12 of the single cells 10A and 10B. The second current collector 40 connects the cell facing surfaces 21 of the metal interconnectors 20 and 20A and the air poles 18 of the single cells 10A and 10B.

なお、この実施形態では、第1集電部30および第2集電部40が、それぞれ、金属インターコネクタ20,20Aのセル対向面21,25を覆うように形成されている。ただし、第1集電部30および第2集電部40は、金属インターコネクタ20,20Aと単セル10A,10Bとが接触する少なくとも一部に形成されていればよく、必ずしもセル対向面21,25の全面を覆っていなくてもよい。 In this embodiment, the first current collecting unit 30 and the second current collecting unit 40 are formed so as to cover the cell facing surfaces 21 and 25 of the metal interconnectors 20 and 20A, respectively. However, the first current collecting unit 30 and the second current collecting unit 40 need only be formed in at least a part where the metal interconnectors 20 and 20A and the single cells 10A and 10B are in contact with each other, and the cell facing surfaces 21, It is not necessary to cover the entire surface of 25.

第1集電部30には、上記した要求性状に加えて、酸化還元時の体積変化が小さく、酸化還元サイクルに対する耐性(レドックス耐性)に優れていることが求められる。ここに開示される第1集電部30は、主材と副材とを含んでいる。第1集電部30は、主材と副材とで構成されていてもよく、主材と副材とに加えて、第3の成分を含んでもよい。第3の成分としては、第1集電部30の周辺部材に含まれる元素、例えば、アルミニウム(Al)、ケイ素(Si)、クロム(Cr)等が挙げられる。第1集電部30の全質量(100%)に占める主材と副材との合計は、概ね20質量%以上、典型的には50質量%以上、好ましくは70質量%以上であるとよい。 In addition to the above-mentioned required properties, the first current collecting unit 30 is required to have a small volume change during redox and excellent resistance to a redox cycle (redox resistance). The first current collector 30 disclosed herein includes a main material and an auxiliary material. The first current collector 30 may be composed of a main material and an auxiliary material, and may contain a third component in addition to the main material and the auxiliary material. Examples of the third component include elements contained in the peripheral members of the first current collector 30, such as aluminum (Al), silicon (Si), and chromium (Cr). The total of the main material and the auxiliary material in the total mass (100%) of the first current collector 30 is approximately 20% by mass or more, typically 50% by mass or more, preferably 70% by mass or more. ..

主材は、SOFCスタック1の運転と停止に伴って、レドックス反応を生じる。主材は、例えば600℃以上の高温下において、還元収縮性である。すなわち、主材は、高温下において第1集電部30の周辺が酸化雰囲気から還元雰囲気へと変わる際、体積が減少する性質を有する。言い換えれば、主材は、上記した還元雰囲気中の熱膨張率Ered(%)と酸化雰囲気中の熱膨張率Eair(%)とが、Eair-Ered>0、すなわち、Eair>Eredの関係にある材料である。ここに開示される技術の効果は、主材の上記Eairと上記Eredとの差が大きい場合、例えば、Eair-Ered≧0.1%、更には、Eair-Ered≧0.2%である場合により良く発揮される。 The main material undergoes a redox reaction as the SOFC stack 1 starts and stops. The main material is reducing shrinkage at a high temperature of, for example, 600 ° C. or higher. That is, the main material has a property that the volume decreases when the periphery of the first current collector 30 changes from an oxidizing atmosphere to a reducing atmosphere at a high temperature. In other words, in the main material, the coefficient of thermal expansion E red (%) in the reducing atmosphere and the coefficient of thermal expansion E air (%) in the oxidizing atmosphere are E air -E red > 0, that is, E air >. It is a material related to E red . The effect of the technique disclosed here is that when the difference between the above Air and the above Red of the main material is large, for example, Air -E red ≥ 0.1%, and further, Air -E red ≥ 0. It works better when it is .2%.

主材は、金属または金属酸化物である。主材の金属の種類は特に限定されないが、一般に、元素周期表における原子番号の小さい金属ほど、および/または、標準電極電位(V vs. SHE)の負の値が大きい金属ほど、酸化され易い傾向がある。酸化され易い金属の一例として、元素周期表の第3周期および第4周期に属する金属が挙げられる。また、他の一例として、例えば、丸善出版株式会社の化学便覧(第五版)に記載される標準電極電位の負の値が大きい方から順に、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、マンガン(Mn)、亜鉛(Zn)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、スズ(Sn)、鉛(Pb)、銅(Cu)等の金属は、室温下においては酸化され難いものの、例えば300℃以上の温度環境下では速やかに酸化される。このような金属種の1種または2種以上を主材として用いる場合、ここに開示される技術の効果がより良く発揮される。なかでも、導電性を向上する観点からは、鉄族(Fe,Co,Ni)およびCuが好ましく、コストと導電性とのバランスからは、Fe,Ni,Cuがより好適である。特には、第1燃料極12との一体性や熱膨張の調和を高める観点から、主材は、第1燃料極12と同じ金属種(例えばニッケル)、および/または、金属インターコネクタ20,20Aと同じ金属種を含むとよい。 The main material is metal or metal oxide. The type of metal of the main material is not particularly limited, but in general, the smaller the atomic number in the periodic table of elements and / or the larger the negative value of the standard electrode potential (V vs. SHE), the more easily it is oxidized. Tend. Examples of metals that are easily oxidized include metals belonging to the 3rd and 4th periods of the Periodic Table of the Elements. As another example, for example, magnesium (Mg), aluminum (Al), and titanium (Mg), aluminum (Al), and titanium (in descending order of the negative value of the standard electrode potential described in the Chemical Handbook (5th edition) of Maruzen Publishing Co., Ltd.) Metals such as Ti), manganese (Mn), zinc (Zn), chromium (Cr), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), tin (Sn), lead (Pb), copper (Cu), etc. Is difficult to oxidize at room temperature, but is rapidly oxidized in a temperature environment of, for example, 300 ° C. or higher. When one or more of such metal species are used as the main material, the effects of the techniques disclosed herein are better exhibited. Among them, iron groups (Fe, Co, Ni) and Cu are preferable from the viewpoint of improving conductivity, and Fe, Ni, Cu are more preferable from the viewpoint of the balance between cost and conductivity. In particular, from the viewpoint of enhancing the integrity with the first fuel pole 12 and the harmony of thermal expansion, the main material is the same metal type (for example, nickel) as the first fuel pole 12, and / or the metal interconnectors 20, 20A. May contain the same metal species as.

また、導電性を向上する観点からは、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)等の貴金属の単体およびこれらの合金、例えばAg-Pd合金、Pt-Pd合金が好ましい。なかでも、コストと導電性とのバランスからは、Ag,Ag-Pd合金がより好適である。 From the viewpoint of improving conductivity, simple substances of noble metals such as platinum (Pt), palladium (Pd), and silver (Ag) and alloys thereof, for example, Ag-Pd alloy and Pt-Pd alloy are preferable. Among them, Ag and Ag—Pd alloys are more preferable from the viewpoint of the balance between cost and conductivity.

主材の金属の性状は特に限定されないが、典型的には粉末状である。主材の平均粒径は、概ね0.01~5μm、例えば0.1~2μmである。第1燃料極12との接合性や一体性を高める観点からは、第1集電部30の主材の平均粒径が、第1燃料極12の導電性材料の平均粒径と概ね同等(例えば±0.5μm)であるとよい。 The properties of the metal of the main material are not particularly limited, but are typically in the form of powder. The average particle size of the main material is approximately 0.01 to 5 μm, for example 0.1 to 2 μm. From the viewpoint of improving the bondability and integrity with the first fuel electrode 12, the average particle size of the main material of the first current collector 30 is substantially the same as the average particle size of the conductive material of the first fuel electrode 12 ( For example, ± 0.5 μm).

副材は、SOFCスタック1の運転と停止に伴って、レドックス反応を生じる。副材は、例えば600℃以上の高温下において、還元膨張性である。すなわち、副材は、高温下において、第1集電部30の周辺が酸化雰囲気から還元雰囲気へと変わる際、主材とは逆に、体積が増加する性質を有する。言い換えれば、上記した還元雰囲気中の熱膨張率Ered(%)と酸化雰囲気中の熱膨張率Eair(%)とが、Ered-Eair>0、すなわち、Ered>Eairの関係にある。ここに開示される技術の効果をより良く発揮する観点からは、副材の上記Eredと上記Eairとが、Ered-Eair≧0.2%であることが好ましく、Ered-Eair≧0.4%であることがより好ましく、例えばEred-Eair≧0.42%であるとよい。また、特に限定されるものではないが、Ered-Eair≦1.5%、例えば、Ered-Eair≦1.0%であると、酸化還元時の体積変化を微調整し易くなるため好ましい。 The auxiliary material causes a redox reaction as the SOFC stack 1 starts and stops. The by-product is reductively expandable, for example, at a high temperature of 600 ° C. or higher. That is, the auxiliary material has a property that the volume increases, contrary to the main material, when the periphery of the first current collector 30 changes from an oxidizing atmosphere to a reducing atmosphere at a high temperature. In other words, the relationship between the coefficient of thermal expansion E red (%) in the reducing atmosphere and the coefficient of thermal expansion E air (%) in the oxidizing atmosphere is E red -E air > 0, that is, E red > E air . It is in. From the viewpoint of better exerting the effects of the techniques disclosed herein, it is preferable that the above-mentioned Red and the above-mentioned Air of the auxiliary materials are E red-E air 0.2 %, and E red -E. More preferably, air ≥ 0.4%, for example, Red -E air ≥ 0.42%. Further, although not particularly limited, when E red -E air ≤ 1.5%, for example, E red -E air ≤ 1.0%, it becomes easy to fine-tune the volume change during redox. Therefore, it is preferable.

副材は、次の一般式(1):
AB3-δ ・・・(1);
で表される1種または2種以上の化合物である。この化合物は、高温下で高い導電性を発揮し得る。一般式(1)において、xは、0または1である。δは、電荷の中性条件を満たすように定まる値、典型的には-1.2≦δ≦1.2、例えば-1≦δ≦1である。Aサイトは、ランタノイド元素(Ln)の1種または2種以上、例えば、ランタン(La)、セリウム(Ce)、サマリウム(Sm)、ネオジウム(Nd)、ガドリニウム(Gd)等を含んでいる。Aサイトは、Ln以外の元素をさらに1種または2種以上含んでもよい。Aサイトに含まれ得る元素の一例として、1価のアルカリ金属元素や2価のアルカリ土類金属元素(Ae)、例えば、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)等が挙げられる。
The auxiliary material is the following general formula (1):
AB x O 3-δ ... (1);
It is one kind or two or more kinds of compounds represented by. This compound can exhibit high conductivity at high temperatures. In the general formula (1), x is 0 or 1. δ is a value determined so as to satisfy the neutral condition of electric charge, typically −1.2 ≦ δ ≦ 1.2, for example -1 ≦ δ ≦ 1. The A site contains one or more lanthanoid elements (Ln), such as lanthanum (La), cerium (Ce), samarium (Sm), neodymium (Nd), gadolinium (Gd) and the like. The A site may further contain one or more elements other than Ln. As an example of the elements that can be contained in the A site, a monovalent alkali metal element or a divalent alkaline earth metal element (Ae), for example, magnesium (Mg), calcium (Ca), strontium (Sr), barium (Ba). ) Etc. can be mentioned.

上記一般式(1)において、xが1のとき、Bサイトは、遷移金属元素の1種または2種以上、例えば、チタン(Ti)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)等を含んでいる。Bサイトは、遷移金属元素以外の元素をさらに1種または2種以上含んでもよい。Bサイトに含まれ得る元素の一例として、3価以上の金属元素であって、典型金属や希土類に分類される金属元素が挙げられる。 In the above general formula (1), when x is 1, the B site is one or more of transition metal elements, for example, titanium (Ti), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe). , Cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu) and the like. The B site may further contain one or more elements other than the transition metal element. An example of an element that can be contained in the B site is a metal element having a valence of 3 or more and classified as a main group element or a rare earth element.

好適な一態様では、上記一般式(1)のxが0であり、かつ、Aサイトに少なくともCeを含んでいる。すなわち、副材は、次の一般式(2):
(A Ce1-y)O3-δ ・・・(2);
で表されるセリウム含有酸化物を含んでいる。
上記一般式(2)のyは、0≦y<1を満たす実数である。yは、好ましくは0.01≦y≦0.2であり、例えば0.05≦y≦0.1である。0<yのとき、Aは、上記一般式(1)のAサイトに含まれ得る元素として例示したなかで、Ce以外の元素の1種または2種以上である。なかでも、Lnの1種または2種以上、例えば、Sm,Nd,Gd等を含むことが好ましい。なお、δは、上記一般式(1)と同様である。
In a preferred embodiment, x in the general formula (1) is 0, and the A site contains at least Ce. That is, the auxiliary material has the following general formula (2):
( AI y Ce 1-y ) O 3-δ ... (2);
It contains a cerium-containing oxide represented by.
Y in the general formula (2) is a real number satisfying 0 ≦ y <1. y is preferably 0.01 ≦ y ≦ 0.2, for example 0.05 ≦ y ≦ 0.1. When 0 <y, AI is one or more of the elements other than Ce in the examples of the elements that can be contained in the A site of the general formula (1). Among them, it is preferable to include one kind or two or more kinds of Ln, for example, Sm, Nd, Gd and the like. Note that δ is the same as the above general formula (1).

好適な他の一態様では、上記一般式(1)のxが1である。すなわち、副材は、ABOで表されるペロブスカイト型酸化物を含んでいる。ペロブスカイト型酸化物の一例として、LaとTiとFeとを含むLTF酸化物、LaとSrとTiとFeとを含むLSTF酸化物、LaとCaとTiとFeとを含むLCTF酸化物、LaとSrとCoとを含むLSC酸化物、LaとSrとCoとFeとを含むLSCF酸化物、LaとSrとMnとを含むLSM酸化物、SmとSrとCoとを含むSSC酸化物等が挙げられる。 In another preferred embodiment, x in the general formula (1) is 1. That is, the by-product contains a perovskite-type oxide represented by ABO 3 . As an example of the perovskite type oxide, an LTF oxide containing La, Ti and Fe, an LSTF oxide containing La, Sr, Ti and Fe, an LCTF oxide containing La, Ca, Ti and Fe, La and Examples include LSC oxides containing Sr and Co, LSCF oxides containing La, Sr, Co and Fe, LSM oxides containing La, Sr and Mn, and SSC oxides containing Sm, Sr and Co. Be done.

上記一般式(1)のxが1であるとき、Aサイトは、Laを含むことが好ましい。Aサイトは、さらにCa,Sr等の2価のアルカリ土類金属を含むことが好ましい。また、Bサイトは、元素周期表の第4周期に属する金属、例えば、Ti,Fe,Co,Niのうちの少なくとも一つを含むことが好ましい。還元膨張性をより良く高める観点からは、BサイトにTiを含むことが好ましい。導電性を向上する観点からは、BサイトにFeを含むことが好ましい。 When x in the general formula (1) is 1, the A site preferably contains La. The A site preferably further contains a divalent alkaline earth metal such as Ca and Sr. Further, the B site preferably contains at least one of metals belonging to the 4th period of the Periodic Table of the Elements, for example, Ti, Fe, Co, and Ni. From the viewpoint of improving the reduction expandability, it is preferable that Ti is contained in the B site. From the viewpoint of improving conductivity, it is preferable that Fe is contained in the B site.

ペロブスカイト型酸化物の一好適例としては、次の一般式(3):
(La1-αAeα)(B 1-βFeβ)O3-δ ・・・(3);
で表される複合酸化物が挙げられる。
上記一般式(3)のαは、0≦α<1を満たす実数である。αは、典型的には0.1≦α≦0.7であり、好ましくは0.2≦α≦0.6、例えば0.2≦α≦0.4である。0<αのとき、Aeは、例えば、Mg,Ca,Sr,Ba等である。
また、βは、0≦β<1を満たす実数である。βは、典型的には0.1<β≦0.99であり、好ましくは0.5≦β≦0.95、例えば0.6≦β≦0.9である。β<1のとき、Bは、上記一般式(1)のBサイトに含まれ得る元素として例示したなかで、Fe以外の元素の1種または2種以上である。なかでも、遷移金属元素の1種または2種以上、例えば、Ti,Coを含むことが好ましい。なお、δは、上記一般式(1)と同様である。
As a preferable example of the perovskite type oxide, the following general formula (3):
(La 1-α Ae α ) (BI 1 Fe β ) O 3-δ ... (3);
The composite oxide represented by is mentioned.
Α in the above general formula (3) is a real number satisfying 0 ≦ α <1. α is typically 0.1 ≦ α ≦ 0.7, preferably 0.2 ≦ α ≦ 0.6, for example 0.2 ≦ α ≦ 0.4. When 0 <α, Ae is, for example, Mg, Ca, Sr, Ba, or the like.
Further, β is a real number satisfying 0 ≦ β <1. β is typically 0.1 <β ≦ 0.99, preferably 0.5 ≦ β ≦ 0.95, for example 0.6 ≦ β ≦ 0.9. When β <1, BI is one or more of the elements other than Fe in the examples as the elements that can be contained in the B site of the above general formula ( 1 ). Among them, it is preferable to contain one or more kinds of transition metal elements, for example, Ti and Co. Note that δ is the same as the above general formula (1).

ここに開示される第1集電部30は、還元雰囲気下において、主材の金属の占有体積V1と副材の占有体積V2との合計を100体積%としたときに、V1の割合が、50~98体積%である。言い換えれば、V1:V2=50:50~98:2である。これにより、酸化還元時の体積膨張が抑えられている。第1集電部30と金属インターコネクタ20,20Aとの接合性を高めたり、接触抵抗を低減したりする観点からは、V1の割合が、80~95体積%、言い換えれば、V1:V2=80:20~95:5であることがより好ましい。なお、V1:V2の比は、第1集電部30のSEM-EDX画像に基づいて、画像解析で算出することができる。詳細な算出方法は、実施例の欄で説明する。また、V1:V2の比は、例えば、第1集電部30の形成に使用される接合材における主材と副材との配合比(仕込み比)によって調整することができる。 The first current collecting unit 30 disclosed here has a ratio of V1 when the total of the occupied volume V1 of the metal of the main material and the occupied volume V2 of the auxiliary material is 100% by volume in a reducing atmosphere. It is 50 to 98% by volume. In other words, V1: V2 = 50:50 to 98: 2. As a result, volume expansion during redox is suppressed. From the viewpoint of improving the bondability between the first current collector 30 and the metal interconnectors 20 and 20A and reducing the contact resistance, the ratio of V1 is 80 to 95% by volume, in other words, V1: V2 = More preferably, it is 80:20 to 95: 5. The ratio of V1: V2 can be calculated by image analysis based on the SEM-EDX image of the first current collector 30. The detailed calculation method will be described in the column of Examples. Further, the ratio of V1: V2 can be adjusted by, for example, the mixing ratio (preparation ratio) of the main material and the auxiliary material in the joining material used for forming the first current collector 30.

第1集電部30の熱膨張係数は、単セル10A,10Bの第1燃料極12および金属インターコネクタ20,20Aと同等(概ね±2×10-6/K、好ましくは±1×10-6/K)であるとよい。第1集電部30の熱膨張係数は、典型的には10×10-6~20×10-6/K、例えば11×10-6~16×10-6/Kであるとよい。 The coefficient of thermal expansion of the first current collector 30 is equivalent to that of the first fuel pole 12 of the single cells 10A and 10B and the metal interconnectors 20 and 20A (approximately ± 2 × 10-6 / K , preferably ± 1 × 10-. 6 / K) is preferable. The coefficient of thermal expansion of the first current collector 30 is typically 10 × 10 -6 to 20 × 10 -6 / K, for example 11 × 10 -6 to 16 × 10 -6 / K.

第1集電部30では、酸化還元時の体積変化率が小さく抑えられ、従来よりもレドックス耐性が向上している。第1集電部30は、上記した酸化雰囲気中の熱膨張率Eair(%)から還元雰囲気中の熱膨張率Ered(%)を差し引くことで求められる酸化還元時の体積変化率が、概ね-0.31~+0.19%であるとよく、-0.01%~+0.18%であることがより好ましい。なお、体積変化率の値は、ここでは還元収縮の場合にプラスの値、還元膨張の場合にマイナスの値で表されている。上記体積変化率の範囲は、例えば、接合材における主材と副材との配合比、主材の種類、副材の上記一般式(2)、(3)を調整することによって実現することができる。 In the first current collector 30, the volume change rate at the time of redox is suppressed to a small value, and the redox resistance is improved as compared with the conventional case. In the first current collecting unit 30, the volume change rate at the time of redox obtained by subtracting the coefficient of thermal expansion E red (%) in the reducing atmosphere from the above-mentioned coefficient of thermal expansion E air (%) in the oxidizing atmosphere is determined. It is preferably about −0.31 to + 0.19%, and more preferably −0.01% to + 0.18%. The value of the volume change rate is represented here as a positive value in the case of reduction contraction and a negative value in the case of reduction expansion. The range of the volume change rate can be realized by adjusting, for example, the mixing ratio of the main material and the auxiliary material in the joining material, the type of the main material, and the general formulas (2) and (3) of the auxiliary material. can.

以上のような構成の第1集電部30は、例えば従来の金属材料からなる集電部に比べて、酸化還元による体積膨張が抑えられたものである。そのため、第1集電部30は、SOFCスタック1の運転と停止とを繰り返した場合にも、緻密性が好適に維持され、集電抵抗の上昇が生じ難いものである。言い換えれば、酸化雰囲気と還元雰囲気とのサイクルに対する耐性(レドックス耐性)に優れたものである。また、第1集電部30は、典型的には、特許文献2,3に記載されるような導電性接合材に比べて、導電性に優れたものである。したがって、第1集電部30は、長期にわたって高い導電性を維持することができ、耐久性や信頼性に優れている。 The first current collector 30 having the above configuration has less volume expansion due to redox than, for example, a conventional current collector made of a metal material. Therefore, even when the SOFC stack 1 is repeatedly operated and stopped, the first current collecting unit 30 is preferably maintained in denseness, and the current collecting resistance is unlikely to increase. In other words, it has excellent resistance to the cycle of the oxidizing atmosphere and the reducing atmosphere (redox resistance). Further, the first current collector 30 is typically excellent in conductivity as compared with the conductive joining material as described in Patent Documents 2 and 3. Therefore, the first current collector 30 can maintain high conductivity for a long period of time, and is excellent in durability and reliability.

第2集電部40は、典型的には空気極18と同じ材料、例えば、ランタンコバルトネート(LaCoO)系、ランタンマンガネート(LaMnO)系、ランタンフェライト(LaFeO)系等のペロブスカイト型酸化物で構成されている。ただし、第2集電部40は、第1集電部30と同様の材料で構成されていてもよい。 The second current collector 40 is typically made of the same material as the air electrode 18, for example, a perovskite type such as a lanthanum cobaltate (LaCoO 3 ) type, a lanthanum manganate (LaMnO 3 ) type, or a lanthanum ferrite (LaFeO 3 ) type. It is composed of oxides. However, the second current collector 40 may be made of the same material as the first current collector 30.

SOFCスタック1の運転時には、SOFCスタック1が概ね600℃以上、例えば600~900℃程度の高温にまで昇温される。金属インターコネクタ20,20Aの酸素含有ガス流路22には酸素含有ガス、例えば空気(Air)が供給される。金属インターコネクタ20,20Aの燃料ガス流路26には燃料ガス、例えば水素ガス(H)が供給される。SOFCの単セル10A,10Bでは、空気極18において酸素が還元され、酸化物イオンとなる。当該酸化物イオンが、固体電解質層16を介して第1燃料極12および第2燃料極14に到達し、水素を酸化して電子を放出する。これにより電気エネルギーが発生する。すなわち、発電が行われる。 During operation of the SOFC stack 1, the temperature of the SOFC stack 1 is raised to a high temperature of about 600 ° C. or higher, for example, about 600 to 900 ° C. An oxygen-containing gas, for example, air (Air) is supplied to the oxygen-containing gas flow path 22 of the metal interconnectors 20 and 20A. Fuel gas, for example, hydrogen gas (H 2 ), is supplied to the fuel gas flow path 26 of the metal interconnectors 20 and 20A. In the SOFC single cells 10A and 10B, oxygen is reduced at the air electrode 18 to become oxide ions. The oxide ions reach the first fuel pole 12 and the second fuel pole 14 via the solid electrolyte layer 16, oxidize hydrogen, and emit electrons. This generates electrical energy. That is, power generation is performed.

<接合材>
次に、ここで開示される接合材について説明する。ここで開示される接合材は、上述したSOFCスタック1の第1集電部30を形成するために好適に用いることができる。接合材は、上述した2種類の材料、すなわち、主材と副材とを含んでいる。ここで開示される接合材は、主材と副材との合計を100質量%としたときに、典型的には、質量比が、主材:副材=99:1~64:36であり、例えば、主材:副材=95:5~88:12であることが好ましい。
<Joining material>
Next, the joining material disclosed here will be described. The joining material disclosed here can be suitably used for forming the first current collector 30 of the SOFC stack 1 described above. The joining material includes the above-mentioned two types of materials, that is, a main material and an auxiliary material. The joining material disclosed here typically has a mass ratio of main material: auxiliary material = 99: 1 to 64: 36 when the total of the main material and the auxiliary material is 100% by mass. For example, it is preferable that the main material: auxiliary material = 95: 5 to 88:12.

接合材は、主材と副材とで構成されていてもよく、主材と副材とに加えてその他の任意成分を含んでいてもよい。その他の任意成分としては、この種の用途で一般的に使用されている各種の添加成分を考慮することができる。添加成分の一例として、溶媒、バインダ、分散剤、増粘剤、可塑剤、焼結助剤、消泡剤、酸化防止剤、防腐剤、帯電防止剤、pH調整剤、着色剤(顔料、染料等)等が例示される。 The joining material may be composed of a main material and an auxiliary material, and may contain other optional components in addition to the main material and the auxiliary material. As other optional ingredients, various additive ingredients commonly used in this type of application can be considered. Examples of additive components are solvents, binders, dispersants, thickeners, plasticizers, sintering aids, defoamers, antioxidants, preservatives, antistatic agents, pH regulators, colorants (pigments, dyes). Etc.) etc. are exemplified.

好適な一態様では、接合材が溶媒を含み、ペースト状(インク状、スラリー状を包含する。)に調製されている。なお、以下では、ペースト状の接合材を単に「ペースト」ということがある。溶媒としては、作業性や保存安定性等の観点から、沸点が概ね200℃以上、例えば200~300℃の高沸点有機溶媒を主成分とするとよい。高沸点有機溶媒の具体例としては、ターピネオール、メンタノール、テキサノール、ジヒドロターピネオール、ベンジルアルコール等の、-OH基を有するアルコール系溶媒、2,2,4-トリメチル-1,3-ペンタンジオール-1-モノイソブチレート、酢酸イソボルニル等の、主鎖にエステル結合基(R-C(=O)-O-R’)を有するエステル系溶媒、エチルジグリコールアセテート、ブチルグリコールアセテート、ブチルジグリコールアセテート、ブチルセロソルブアセテート、ブチルカルビトールアセテート、ブチルカルビトール等の、主鎖にエーテル結合基(-C-O-C-)を有するエーテル系溶媒、トルエン、キシレン等の炭化水素系溶媒、ミネラルスピリット等が挙げられる。なかでも、アルコール系溶媒を好ましく用いることができる。 In a preferred embodiment, the bonding material contains a solvent and is prepared in the form of a paste (including an ink form and a slurry form). In the following, the paste-like joining material may be simply referred to as "paste". As the solvent, from the viewpoint of workability, storage stability and the like, it is preferable to use a high boiling point organic solvent having a boiling point of about 200 ° C. or higher, for example, 200 to 300 ° C. as a main component. Specific examples of the high boiling point organic solvent include alcohol solvents having an −OH group such as tarpineol, mentanol, texanol, dihydroterpineol, and benzyl alcohol, 2,2,4-trimethyl-1,3-pentanediol-1-. Ester-based solvents such as monoisobutyrate and isobornyl acetate, which have an ester-binding group (RC (= O) -OR') in the main chain, ethyl diglycol acetate, butyl glycol acetate, butyl diglycol acetate, Examples include ether solvents such as butyl cellosolve acetate, butyl carbitol acetate, and butyl carbitol, which have an ether bond group (-COC-) in the main chain, hydrocarbon solvents such as toluene and xylene, and mineral spirits. Be done. Among them, an alcohol solvent can be preferably used.

バインダとしては、例えば500℃以上の加熱焼成で蒸発除去し得るものを好ましく用いることができる。バインダの具体例としては、メチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース等のセルロース系高分子(セルロース誘導体);メタクリル酸エステル等のエステル系ポリマー;ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、ポリメチルメタクリレート、ポリブチルメタクリレート等のアクリル系ポリマー;ポリエチレンオキサイド等のエチレン系ポリマー;ポリアクリロニトリル、ポリメタリロニトリル等のニトリル系ポリマー;ポリウレタン等のウレタン系ポリマー;ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリ塩化ビニリデンポリフッ化ビニル、酢酸ビニル等のビニル系重合体;スチレンブタジエンゴム等のゴム類;等が挙げられる。なかでも、焼成時の燃焼分解性に優れる点や環境配慮の点等から、エチルセルロース等のセルロース系高分子を好ましく用いることができる。 As the binder, for example, one that can be evaporated and removed by heating and firing at 500 ° C. or higher can be preferably used. Specific examples of the binder include cellulose-based polymers (cellulose derivatives) such as methyl cellulose, ethyl cellulose, hydroxymethyl cellulose, hydroxyethyl cellulose, and carboxymethyl cellulose; ester-based polymers such as methacrylate esters; polyvinyl alcohol, polyvinyl butyral, polymethyl methacrylate, and poly. Acrylic polymers such as butyl methacrylate; Ethylene polymers such as polyethylene oxide; Nitrile-based polymers such as polyacrylonitrile and polymetallylonitrile; Urethane-based polymers such as polyurethane; Polyethylene, polypropylene, polyvinylidene fluoride, polyvinylidene chloride Polyvinylfluoride , Vinyl-based polymers such as vinyl acetate; rubbers such as styrene-butadiene rubber; and the like. Among them, a cellulosic polymer such as ethyl cellulose can be preferably used from the viewpoint of excellent combustion decomposition during firing and environmental consideration.

ペースト全体に占める主材および副材の割合は特に限定されないが、焼成後に高い緻密性を実現する観点からは、主材と副材との合計が、質量比で、概ね50質量%以上、典型的には60~95質量%、例えば70~90質量%であるとよい。ペースト全体に占める有機溶媒の割合は特に限定されないが、ペーストを付与する際の作業性の観点や、均質性の高い第1集電部30を実現する観点等からは、質量比で、概ね5~20質量%、典型的には10~15質量%であるとよい。また、ペーストにバインダを含む場合、ペースト全体に占めるバインダの割合は特に限定されないが、質量比で、概ね1~10質量%、例えば2~5質量%であるとよい。 The ratio of the main material and the auxiliary material to the total paste is not particularly limited, but from the viewpoint of achieving high density after firing, the total of the main material and the auxiliary material is approximately 50% by mass or more in terms of mass ratio, which is typical. It is preferable that the content is 60 to 95% by mass, for example, 70 to 90% by mass. The ratio of the organic solvent to the entire paste is not particularly limited, but from the viewpoint of workability when applying the paste and the viewpoint of realizing the first current collecting unit 30 having high homogeneity, the mass ratio is approximately 5. It is preferably from 20% by mass, typically 10 to 15% by mass. When the paste contains a binder, the ratio of the binder to the entire paste is not particularly limited, but the mass ratio is generally 1 to 10% by mass, for example, 2 to 5% by mass.

SOFCスタック1の第1集電部30は、例えば上記ペーストを用いて、以下のように形成することができる。すなわち、まず、金属インターコネクタ20,20Aのセル対向面25に上記ペーストを付与する。次に、上記付与したペーストの上に、単セル10A,10Bの第1燃料極12の側の面を重ね合わせて、複合体とする。この複合体を室温で乾燥させた後、例えば800~900℃で焼成する。これにより、単セル10A,10Bの第1燃料極12と金属インターコネクタ20,20Aのセル対向面25との間に、両者を電気的・物理的に接続する第1集電部30を形成することができる。そして、単セル10A,10Bと、金属インターコネクタ20,20Aと、第1集電部30と、を備えたSOFCスタック1を得ることができる。ここで開示されるペーストを用いて形成された第1集電部30は、従来に比べてレドックス耐性に優れ、起動と停止とを繰り返した場合にも集電抵抗の増加が生じ難い。このため、SOFCスタック1は、長期にわたって高い発電性能を安定的に発揮することができる。 The first current collector 30 of the SOFC stack 1 can be formed as follows, for example, by using the above paste. That is, first, the paste is applied to the cell facing surfaces 25 of the metal interconnectors 20 and 20A. Next, the surfaces of the single cells 10A and 10B on the side of the first fuel pole 12 are superposed on the applied paste to form a complex. The complex is dried at room temperature and then calcined at, for example, 800-900 ° C. As a result, a first current collector 30 that electrically and physically connects the first fuel poles 12 of the single cells 10A and 10B and the cell facing surfaces 25 of the metal interconnectors 20 and 20A is formed. be able to. Then, the SOFC stack 1 including the single cells 10A and 10B, the metal interconnectors 20 and 20A, and the first current collector 30 can be obtained. The first current collecting unit 30 formed by using the paste disclosed here has excellent redox resistance as compared with the conventional one, and it is unlikely that the current collecting resistance will increase even when the start and stop are repeated. Therefore, the SOFC stack 1 can stably exhibit high power generation performance for a long period of time.

以下、本発明に関するいくつかの実施例を説明するが、本発明をかかる具体例に示すものに限定することを意図したものではない。 Hereinafter, some examples of the present invention will be described, but the present invention is not intended to be limited to those shown in such specific examples.

(試験例I)
〔接合材の用意〕
まず、主材としてのNiO粉末(平均粒径:0.5μm)と、副材としてのLSTF(La0.6Sr0.4Ti0.1Fe0.9)粉末(平均粒径:0.5μm)とを用意した。次に、表1に示す「仕込み比」で、NiO粉末とLSTF粉末とを混合して、あるいは単独で使用して、調製粉末を用意した。次に、この調製粉末と、有機溶媒(アルコール系)と、有機バインダ(エチルセルロース)とを、100:15:3の質量比となるように混合して、ペースト状の接合材(例1~7、比較例1~3)を用意した。
(Test Example I)
[Preparation of joining material]
First, NiO powder as the main material (average particle size: 0.5 μm) and LSTF (La 0.6 Sr 0.4 Ti 0.1 Fe 0.9 O 3 ) powder as the auxiliary material (average particle size: 0.5 μm) was prepared. Next, the prepared powder was prepared by mixing the NiO powder and the LSTF powder or using them alone at the “preparation ratio” shown in Table 1. Next, this prepared powder, an organic solvent (alcohol-based), and an organic binder (ethyl cellulose) are mixed so as to have a mass ratio of 100: 15: 3, and a paste-like bonding material (Examples 1 to 7) is mixed. , Comparative Examples 1 to 3) were prepared.

〔酸化還元時の体積変化率の測定〕
まず、上記で調製した各接合材を、焼成後の寸法が4mm×5mm×20mmとなるように成形し、大気中において1100℃で焼成することによって、測定用の試験片をそれぞれ2本ずつ作製した。次に、株式会社リガク製の熱機械分析装置(型式:TMA8310)を用いて、示差膨張方式で熱膨張性を測定した。熱膨張性の測定は、酸化雰囲気(空気)または還元雰囲気(100%のH)で、それぞれ、室温(25℃)から700℃までの温度範囲にて測定した。なお、図2には、一例として、比較例1のTMA測定チャートを示す。
[Measurement of volume change rate during redox]
First, each of the joining materials prepared above is molded so as to have dimensions of 4 mm × 5 mm × 20 mm after firing, and fired at 1100 ° C. in the air to prepare two test pieces for measurement. did. Next, the thermomechanical analyzer (model: TMA8310) manufactured by Rigaku Co., Ltd. was used to measure the thermal expandability by the differential expansion method. The thermal expansion was measured in an oxidizing atmosphere (air) or a reducing atmosphere (100% H 2 ) in a temperature range from room temperature (25 ° C.) to 700 ° C., respectively. Note that FIG. 2 shows a TMA measurement chart of Comparative Example 1 as an example.

次に、下記の(式II):
熱膨張率E(%)={(L-L)/L}×100 ・・・(式II);
に、L=L=20(mm)、Lは700℃での試験片の長さを代入して、酸化雰囲気(空気)中における25℃から700℃までの熱膨張率Eair(%)と、還元雰囲気(H)中における25℃から700℃までの熱膨張率Ered(%)とを算出した。
そして、Eair(%)からEred(%)を差し引いて、すなわち、Eair(%)-Ered(%)により、酸化還元時の体積変化率(%)を算出した。
結果を、表1の「体積変化率」の欄に示す。なお、表1の値は、酸化雰囲気から還元雰囲気への変化で体積が減少(収縮)する場合にはプラスで示され、酸化雰囲気から還元雰囲気への変化で体積が増加(膨張)する場合にはマイナスで示されている。
Next, the following (Formula II):
Coefficient of thermal expansion E (%) = {(L 2 -L 1 ) / L 0 } × 100 ... (Equation II);
L 0 = L 1 = 20 (mm), L 2 substitutes the length of the test piece at 700 ° C, and the coefficient of thermal expansion from 25 ° C to 700 ° C in the oxidizing atmosphere (air) Air ( %) And the coefficient of thermal expansion E red (%) from 25 ° C. to 700 ° C. in the reducing atmosphere (H 2 ) were calculated.
Then, the volume change rate (%) at the time of redox was calculated by subtracting E red (%) from E air (%), that is, by E air (%) −E red (%).
The results are shown in the "Volume change rate" column of Table 1. The values in Table 1 are shown as positive when the volume decreases (shrinks) due to the change from the oxidizing atmosphere to the reducing atmosphere, and increases (expands) when the volume increases (expands) due to the change from the oxidizing atmosphere to the reducing atmosphere. Is shown as a minus.

〔接合材層の組成の測定〕
まず、上記体積変化率の測定において還元雰囲気中で熱膨張性を測定した試験片を、熱機械分析装置の温度が室温まで下がってから取り出した。次に、この試験片をCP(Cross section polisher)加工して断面出しした後、SEMで観察して、SEM観察画像を得た。次に、得られたSEM観察画像について、EDXでNi(Ka線)とTi(Ka線)の元素マッピングを行った。そして、日本ローパー社製の画像処理ソフト(Image-Pro Plus)を利用して、SEM-EDX画像を解析し、各構成材料の占める面積を算出した。
[Measurement of composition of bonding material layer]
First, the test piece whose thermal expansion property was measured in the reducing atmosphere in the measurement of the volume change rate was taken out after the temperature of the thermomechanical analyzer had dropped to room temperature. Next, this test piece was subjected to CP (Cross section polisher) processing to obtain a cross section, and then observed with an SEM to obtain an SEM observation image. Next, the obtained SEM observation image was subjected to elemental mapping of Ni (Ka line) and Ti (Ka line) with EDX. Then, using the image processing software (Image-Pro Plus) manufactured by Nippon Roper Co., Ltd., the SEM-EDX image was analyzed and the area occupied by each constituent material was calculated.

具体的には、まず、Niの元素マッピングの結果を白黒画像に変換(2値化)した後、Ni粒子の輪郭をトレースすることで、主材(Ni粒子)の面積を算出した。同様に、Tiの元素マッピングの結果を白黒画像に変換(2値化)した後、Tiの輪郭をトレースすることで、副材(LSTF粒子)の面積を算出した。そして、Ni粒子の面積とLSTF粒子の面積との合計に占める各々の面積の割合を算出した。この断面出しとSEM-EDXマッピングと画像解析の処理とを複数視野(ここでは、各例につき3~5視野)で行い、得られた面積比を算術平均して、Ni粒子とLSTF粒子との体積比を得た。なお、ここではLSTF粒子の面積算出に際してTiの元素マッピングを行ったが、例えばLaやSrでも可能である。
結果を、表1の「接合材層(還元雰囲気)」の欄に示す。
Specifically, first, the result of element mapping of Ni was converted (binarized) into a black-and-white image, and then the contour of the Ni particles was traced to calculate the area of the main material (Ni particles). Similarly, after converting (binarizing) the result of element mapping of Ti into a black-and-white image, the area of the secondary material (LSTF particles) was calculated by tracing the contour of Ti. Then, the ratio of each area to the total of the area of Ni particles and the area of LSTF particles was calculated. This cross-sectioning, SEM-EDX mapping, and image analysis processing are performed in multiple fields (here, 3 to 5 fields for each example), and the obtained area ratios are arithmetically averaged to obtain Ni particles and LSTF particles. The volume ratio was obtained. Although the element mapping of Ti was performed here when calculating the area of the LSTF particles, for example, La or Sr can also be used.
The results are shown in the column of "Joint material layer (reducing atmosphere)" in Table 1.

〔接合強度の測定〕
まず、上記で調製した各接合材を金属板に塗布して、大気中において850℃で焼成した。金属板としては、インターコネクタの材料として使用されているフェライト系ステンレス鋼を用いた。これにより、金属板上に各接合材層を形成した。
次に、JIS K5400 8.5:1990「付着性-碁盤目試験」に準じて、碁盤目試験を実施した。具体的には、まず、上記形成した各接合材層に、1mmの間隔で11本の平行なカットを入れることで、10×10=100マスの格子パターンを形成した。次に、格子パターンを覆うように粘着テープを貼り付け、消しゴムでこすって接合材層に付着させた。次に、この粘着テープを接合材層とのなす角が90°となる方向に引き剥がした。そして、碁盤目の全マス(100マス)のなかで、剥離したマスの割合(剥離面積率:%)から接合強度を評価した。
結果を表1の「接合強度」の欄に示す。なお、表1では、上記JISの碁盤目試験の評価点数で、8点以上を「◎」、4~6点を「〇」、2点を「△」、0点を「×」と示している。
[Measurement of joint strength]
First, each of the joining materials prepared above was applied to a metal plate and fired in the air at 850 ° C. As the metal plate, ferritic stainless steel used as a material for the interconnector was used. As a result, each bonding material layer was formed on the metal plate.
Next, a grid test was carried out according to JIS K5400 8.5: 1990 “Adhesion-goban test”. Specifically, first, a lattice pattern of 10 × 10 = 100 squares was formed by making 11 parallel cuts at intervals of 1 mm in each of the formed bonding material layers. Next, an adhesive tape was attached so as to cover the lattice pattern, and the adhesive tape was rubbed with an eraser to adhere to the bonding material layer. Next, the adhesive tape was peeled off in a direction in which the angle formed by the bonding material layer was 90 °. Then, the joint strength was evaluated from the ratio of the peeled squares (peeling area ratio:%) among all the squares (100 squares) of the grid.
The results are shown in the "Joint strength" column of Table 1. In Table 1, the evaluation points of the JIS grid test are shown as "◎" for 8 points or more, "○" for 4 to 6 points, "△" for 2 points, and "×" for 0 points. There is.

〔ハーフセルの作製〕
まず、NiO粉末(平均粒径:0.5μm)と、8YSZ粉末(平均粒径:0.5μm)とを、6:4の質量比で混合して、混合粉末を調製した。次に、この混合粉末と、有機溶媒(キシレン)と、有機バインダと、気孔形成材(カーボン)と、可塑剤とを、質量比で、53:24:8.5:10:4.5となるように混合して、燃料極支持体成形用ペーストとした。この燃料極支持体成形用ペーストを、ドクターブレード法によって厚み0.5~1.0mmのシート状に成形し、燃料極支持体シートを得た。
次に、NiO粉末(平均粒径:0.5μm)と、8YSZ粉末(平均粒径:0.5μm)と、有機溶媒(ターピネオール)と、有機バインダ(エチルセルロース)とを、質量比で、48:32:18:2となるように混合して、燃料極層形成用ペーストとした。この燃料極層形成用ペーストを、スクリーン印刷法によって上記で作製した燃料極支持体シートの上に付与し、燃料極層を形成した。
[Making a half cell]
First, NiO powder (average particle size: 0.5 μm) and 8YSZ powder (average particle size: 0.5 μm) were mixed at a mass ratio of 6: 4 to prepare a mixed powder. Next, the mixed powder, the organic solvent (xylene), the organic binder, the pore-forming material (carbon), and the plasticizer were mixed in a mass ratio of 53: 24: 8.5: 10: 4.5. The mixture was mixed so as to obtain a paste for forming a fuel electrode support. This paste for forming a fuel electrode support was formed into a sheet having a thickness of 0.5 to 1.0 mm by a doctor blade method to obtain a fuel electrode support sheet.
Next, NiO powder (average particle size: 0.5 μm), 8YSZ powder (average particle size: 0.5 μm), an organic solvent (tarpineol), and an organic binder (ethyl cellulose) were added in a mass ratio of 48: The mixture was mixed so as to have a ratio of 32:18: 2 to obtain a paste for forming a fuel electrode layer. This fuel electrode layer forming paste was applied onto the fuel electrode support sheet prepared above by the screen printing method to form the fuel electrode layer.

次に、8YSZ粉末(平均粒径:0.5μm)と、有機溶媒(ターピネオール)と、有機バインダ(エチルセルロース)とを、質量比で、65:31:4となるように混合して、電解質膜形成用ペーストとした。この電解質膜形成用ペーストを、スクリーン印刷によって上記で形成した燃料極層の上に付与し、厚み10μmの電解質膜を形成した。
次に、上記で積層成形した積層体(燃料極支持体シート/燃料極層/電解質膜)を、1350℃で共焼成し、ハーフセルを作製した。
Next, 8YSZ powder (average particle size: 0.5 μm), an organic solvent (tarpineol), and an organic binder (ethyl cellulose) are mixed so as to have a mass ratio of 65:31: 4, and an electrolyte membrane is formed. It was used as a forming paste. This electrolyte film forming paste was applied onto the fuel electrode layer formed above by screen printing to form an electrolyte film having a thickness of 10 μm.
Next, the laminate (fuel electrode support sheet / fuel electrode layer / electrolyte membrane) laminated and molded above was co-fired at 1350 ° C. to prepare a half cell.

〔接触抵抗の測定〕
まず、上記で作製したハーフセルの燃料極側の表面に、□10mm×10mmの面積で、上記で調製した各接合材を塗布した。次に、塗布した接合材の上に、ステンレス鋼(SUS430)製の金属インターコネクタを配置して、850℃で焼成した。これにより、接合材層を介してSOFCセルとインターコネクタとが一体化されたテストピースを作製した。次に、上記テストピースの燃料極と金属インターコネクタとにそれぞれPt製の端子を取り付け、還元雰囲気(100%Hの雰囲気)において、温度700℃で、燃料極と金属インターコネクタとの間の接触抵抗を測定した。具体的には、DC±10mV、1mV/secで掃引し、その時の電圧値と電流値とのグラフの傾きから、接触抵抗を算出した。
[Measurement of contact resistance]
First, each of the joining materials prepared above was applied to the surface of the half cell produced above on the fuel electrode side in an area of □ 10 mm × 10 mm. Next, a metal interconnector made of stainless steel (SUS430) was placed on the coated joint material and fired at 850 ° C. As a result, a test piece in which the SOFC cell and the interconnector were integrated via the bonding material layer was produced. Next, terminals made of Pt are attached to the fuel electrode and the metal interconnector of the test piece, respectively, and in a reducing atmosphere (atmosphere of 100% H 2 ), at a temperature of 700 ° C., between the fuel electrode and the metal interconnector. The contact resistance was measured. Specifically, it was swept at DC ± 10 mV and 1 mV / sec, and the contact resistance was calculated from the slope of the graph of the voltage value and the current value at that time.

結果を表1の「接触抵抗」の欄に示す。なお、表1では、体積抵抗率が0.02Ω・cm以下の場合を「◎」、体積抵抗率が0.02Ω・cmを超えて0.05Ω・cm以下の場合を「〇」、体積抵抗率が0.05Ω・cmを超えて0.1Ω・cm以下の場合を「△」、体積抵抗率が0.1Ω・cmを超える場合を「×」、と相対的に示している。 The results are shown in the "contact resistance" column of Table 1. In Table 1, the case where the volume resistance is 0.02 Ω ・ cm 2 or less is “◎”, and the case where the volume resistance is more than 0.02 Ω ・ cm 2 and 0.05 Ω ・ cm 2 or less is “〇”. , When the volume resistance exceeds 0.05 Ω ・ cm 2 and is 0.1 Ω ・ cm 2 or less, it is relatively “△”, and when the volume resistance exceeds 0.1 Ω ・ cm 2 , it is “×”. Shown.

Figure 0007103783000001
Figure 0007103783000001

表1に示すように、接合材におけるNiO粉末の仕込み比を高くするほど、還元雰囲気下において接合材層中のNiの割合が高くなり、かつ、酸化還元時の体積変化率がNiO単独の時(比較例3)の値に近づく傾向にあった。
また、表1に示す評価結果から、次の構成:
(1)NiO粉末とLSTF粉末とを、NiO:LSTF=64:36~99:1の質量比(好ましくは、NiO:LSTF=88:12~97:3の質量比)で配合した接合材を用いて接合材層を形成すること;
(2)還元雰囲気下においてNiとLSTFとが、体積比で、Ni:LSTF=50:50~98:2(好ましくは、Ni:LSTF=80:20~95:5)の接合材層を形成すること;
によって、接合材層の還元膨張性と還元収縮性とを相殺することができた。その結果、接合材層の体積変化率を、-0.31~+0.19%(好ましくは、+0.004~+0.17%)の範囲に抑えることができた。また、接合強度が高く、かつ、接触抵抗が低い接合材層が実現されていた。この理由としては、副材によって主材の還元収縮性がキャンセルされ、接合材層の体積変化率の絶対値が小さく抑えられたことで、レドックス耐性が向上したことが考えられる。
As shown in Table 1, the higher the charging ratio of NiO powder in the bonding material, the higher the ratio of Ni in the bonding material layer in the reducing atmosphere, and the volume change rate during redox is NiO alone. There was a tendency to approach the value of (Comparative Example 3).
In addition, from the evaluation results shown in Table 1, the following configuration:
(1) A bonding material obtained by blending NiO powder and LSTF powder in a mass ratio of NiO: LSTF = 64: 36 to 99: 1 (preferably, a mass ratio of NiO: LSTF = 88: 12 to 97: 3). To form a bonding material layer using;
(2) In a reducing atmosphere, Ni and LSTF form a bonding material layer of Ni: LSTF = 50: 50 to 98: 2 (preferably Ni: LSTF = 80: 20 to 95: 5) in volume ratio. To do;
Therefore, the reduction expansion property and the reduction contraction property of the bonding material layer could be offset. As a result, the volume change rate of the bonding material layer could be suppressed in the range of −0.31 to +0.19% (preferably +0.004 to +0.17%). Further, a bonding material layer having high bonding strength and low contact resistance has been realized. It is considered that the reason for this is that the reduction shrinkage of the main material is canceled by the auxiliary material and the absolute value of the volume change rate of the bonding material layer is suppressed to a small value, so that the redox resistance is improved.

(試験例II)
副材としてLSTFにかえて10GDC(Gd0.1Ce0.9)を用いたことと、接合材における「仕込み比」を表2のように調整したこと以外は上記試験例Iと同様にして、例8~11、比較例4,5の評価を行った。結果を表2に示す。なお、表2には、上記試験例Iにおける比較例3の結果をあわせて示している。また、図3には、一例として、比較例4のTMA測定チャートを示す。
(Test Example II)
Similar to Test Example I above, except that 10 GDC (Gd 0.1 Ce 0.9 O 2 ) was used instead of LSTF as a secondary material and the "preparation ratio" of the joint material was adjusted as shown in Table 2. Then, Examples 8 to 11 and Comparative Examples 4 and 5 were evaluated. The results are shown in Table 2. Table 2 also shows the results of Comparative Example 3 in Test Example I. Further, FIG. 3 shows a TMA measurement chart of Comparative Example 4 as an example.

Figure 0007103783000002
Figure 0007103783000002

表2に示すように、副材としてLSTFにかえてGDCを用いた場合にも、上記試験例Iと同様の結果が得られた。すなわち、次の構成:
(1)NiO粉末とGDC粉末とを、NiO:GDC=61:39~99:1の質量比で配合した接合材を用いて接合材層を形成すること;
(2)還元雰囲気下においてNiとGDCとが、体積比で、Ni:GDC=50:50~98:2の接合材層を形成すること;
によって、接合材層の還元膨張性と還元収縮性とを相殺することができた。その結果、体積変化率を、-0.11%~+0.19%の範囲に抑えることができた。
As shown in Table 2, when GDC was used instead of LSTF as a secondary material, the same results as in Test Example I were obtained. That is, the following configuration:
(1) Forming a bonding material layer using a bonding material in which NiO powder and GDC powder are mixed at a mass ratio of NiO: GDC = 61: 39 to 99: 1;
(2) Ni and GDC form a bonding material layer having a volume ratio of Ni: GDC = 50: 50 to 98: 2 in a reducing atmosphere;
Therefore, the reduction expansion property and the reduction contraction property of the bonding material layer could be offset. As a result, the volume change rate could be suppressed in the range of −0.11% to + 0.19%.

(試験例III)
接合材に含ませる主材および副材の種類を表3のように変更したこと以外は上記試験例Iの例5と同様にして、例12~14の評価を行った。なお、副材としてのLCTFとしては、La0.8Ca0.2Ti0.1Fe0.9を使用した。また、例14では、例5とは組成比の異なるLSTF(La0.6Sr0.4Ti0.3Fe0.7)を使用した。結果を表3に示す。なお、表3には、上記試験例Iにおける例5の結果をあわせて示している。
(Test Example III)
Examples 12 to 14 were evaluated in the same manner as in Example 5 of Test Example I above, except that the types of the main material and the auxiliary material included in the joint material were changed as shown in Table 3. As the LCTF as the auxiliary material, La 0.8 Ca 0.2 Ti 0.1 Fe 0.9 O 3 was used. Further, in Example 14, LSTF (La 0.6 Sr 0.4 Ti 0.3 Fe 0.7 O 3 ) having a composition ratio different from that of Example 5 was used. The results are shown in Table 3. Table 3 also shows the results of Example 5 in Test Example I.

Figure 0007103783000003
Figure 0007103783000003

表3に示すように、主材の金属の種類、および/または、副材のペロブスカイト型酸化物の種類を変更した場合にも、ここに開示される技術の効果がもれなく発揮されていた。 As shown in Table 3, even when the type of the metal of the main material and / or the type of the perovskite type oxide of the auxiliary material was changed, the effects of the techniques disclosed herein were fully exhibited.

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。 Although specific examples of the present invention have been described in detail above, these are merely examples and do not limit the scope of claims. The techniques described in the claims include various modifications and modifications of the specific examples illustrated above.

例えば、図1に示すSOFCの単セル10A,10Bは平型(Planar)であったが、これには限定されない。SOFCの単セルは、他にも種々の形状とすることができる。例えば、従来公知の多角形型、円筒型(Tubular)、あるいは円筒の周側面を垂直に押し潰した扁平円筒型(Flat Tubular)等とすることができる。また、金属インターコネクタ20,20Aの形状やサイズも、単セル10A,10Bの形状に応じて適宜に変更することができる。 For example, the SOFC single cells 10A and 10B shown in FIG. 1 are of the planar type, but are not limited thereto. The SOFC single cell can have various other shapes. For example, a conventionally known polygonal type, a cylindrical type (Tubular), or a flat cylindrical type (Flat Tubular) in which the peripheral side surface of the cylinder is vertically crushed can be used. Further, the shapes and sizes of the metal interconnectors 20 and 20A can also be appropriately changed according to the shapes of the single cells 10A and 10B.

また、図1に示すSOFCスタック1では、金属部材が金属インターコネクタ20,20Aであったが、これには限定されない。金属部材は、SOFCの単セル10A,10Bと電気的および/または物理的に接続される部材であればよい。金属部材は、例えば単セル10A,10Bの燃料極(第1燃料極12および第2燃料極14)に接続されるガス管等であってもよい。その場合、インターコネクタは、例えばカーボン製やセラミック製等の金属以外の材料で構成されていてもよい。 Further, in the SOFC stack 1 shown in FIG. 1, the metal member is the metal interconnectors 20 and 20A, but the present invention is not limited to this. The metal member may be a member that is electrically and / or physically connected to the SOFC single cells 10A and 10B. The metal member may be, for example, a gas pipe connected to the fuel poles (first fuel pole 12 and second fuel pole 14) of the single cells 10A and 10B. In that case, the interconnector may be made of a material other than metal, such as carbon or ceramic.

1 SOFCスタック
10A,10B SOFCの単セル
12 第1燃料極
20,20A インターコネクタ(金属部材)
30、40 集電部
1 SOFC stack 10A, 10B SOFC single cell 12 1st fuel pole 20, 20A interconnector (metal member)
30, 40 Current collector

Claims (6)

固体酸化物形燃料電池セルと、
金属部材と、
前記固体酸化物形燃料電池セルと前記金属部材とを接続する集電部と、
を備え、
前記固体酸化物形燃料電池セルは、燃料極と固体電解質と空気極とを有し、
前記燃料極と前記金属部材との間に前記集電部が配置されており、
前記集電部は、
金属またはその酸化物からなる主材と、
一般式(1):ABO 3-δ(ここで、Aは少なくとも1種のランタノイド元素を含み、Bは少なくとも1種の遷移金属元素を含み、δは、電荷の中性条件を満たすように定まる値である。);で表されるペロブスカイト型酸化物からなる還元膨張性の副材と、を含み、
還元雰囲気下において、電子顕微鏡観察-エネルギー分散型X線分析法に基づいて算出される前記主材の前記金属と前記副材との合計を100体積%としたときに、前記主材の前記金属の体積割合が、50体積%以上98体積%以下である、接合体。
Solid oxide fuel cell and
With metal parts
A current collector that connects the solid oxide fuel cell and the metal member,
With
The solid oxide fuel cell has a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode.
The current collector is arranged between the fuel electrode and the metal member.
The current collector
The main material consisting of metal or its oxide,
General formula (1): A BO 3-δ (where A contains at least one lanthanoid element , B contains at least one transition metal element, and δ satisfies the charge neutrality condition. It is a value to be determined.); Including a reduction-expandable auxiliary material composed of a perovskite-type oxide represented by;
In a reducing atmosphere, when the total of the metal of the main material and the auxiliary material calculated based on the electron microscope observation-energy dispersive X-ray analysis method is 100% by volume, the metal of the main material A bonded body having a volume ratio of 50% by volume or more and 98% by volume or less.
前記主材が、Fe,Ni,Cu,Ag,Ag-Pd合金およびそれらの酸化物のうちの少なくとも1つを含む、
請求項1に記載の接合体。
The main material comprises at least one of Fe, Ni, Cu, Ag, Ag—Pd alloys and oxides thereof.
The joined body according to claim 1.
前記集電部は、還元雰囲気下において、電子顕微鏡観察-エネルギー分散型X線分析法に基づいて算出される前記主材の前記金属と前記副材との合計を100体積%としたときに、前記主材の前記金属の体積割合が、80体積%以上95体積%以下である、
請求項1または2に記載の接合体。
When the total of the metal and the sub-material of the main material calculated based on the electron microscope observation-energy dispersive X-ray analysis method is set to 100% by volume, the current collecting unit is in a reducing atmosphere. The volume ratio of the metal of the main material is 80% by volume or more and 95% by volume or less.
The joined body according to claim 1 or 2 .
前記集電部は、熱機械分析装置を用いて、酸化雰囲気中において25℃から700℃までの温度範囲で測定された熱膨張率Eair(%)から還元雰囲気中において前記温度範囲で測定された熱膨張率Ered(%)を差し引くことで求められる酸化還元時の体積変化率が、-0.01%以上+0.18%以下である、
請求項1からのいずれか1項に記載の接合体。
The current collector is measured in the temperature range from the thermal expansion coefficient Air (%) measured in the temperature range of 25 ° C. to 700 ° C. in the oxidizing atmosphere using a thermomechanical analyzer in the reducing atmosphere. The rate of change in volume during oxidation-reduction obtained by subtracting the coefficient of thermal expansion E red (%) is −0.01% or more and + 0.18% or less.
The bonded body according to any one of claims 1 to 3 .
請求項1からのいずれか1項に記載の接合体の製造において、前記集電部の形成に用いられる接合材であって
金属酸化物からなる粉末状の主材と、一般式(1):ABO 3-δ (ここで、Aは少なくとも1種のランタノイド元素を含み、Bは少なくとも1種の遷移金属元素を含み、δは、電荷の中性条件を満たすように定まる値である。);で表されるペロブスカイト型酸化物からなる還元膨張性の粉末状の副材と、を含む、接合材。
A joining material used for forming the current collector in the production of the joining body according to any one of claims 1 to 4 .
A powdery main material composed of a metal oxide and a general formula (1): ABO 3-δ (where A contains at least one lanthanoid element and B contains at least one transition metal element, δ Is a value determined so as to satisfy the neutral condition of the electric charge.); A bonding material containing a reduction-expandable powdery auxiliary material made of a perovskite-type oxide represented by .
前記接合材が溶媒を含み、ペースト状に調製されている、請求項に記載の接合材。 The joining material according to claim 5 , wherein the joining material contains a solvent and is prepared in the form of a paste.
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