JPH07201340A - Solid electrolyte fuel cell - Google Patents

Solid electrolyte fuel cell

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JPH07201340A
JPH07201340A JP6000186A JP18694A JPH07201340A JP H07201340 A JPH07201340 A JP H07201340A JP 6000186 A JP6000186 A JP 6000186A JP 18694 A JP18694 A JP 18694A JP H07201340 A JPH07201340 A JP H07201340A
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JP
Japan
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fuel cell
lanthanum
added
oxide fuel
solid oxide
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Application number
JP6000186A
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Japanese (ja)
Inventor
Tomoo Iwata
友夫 岩田
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Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To eliminate difficult points which oxidizing a separator is advanced to decrease conductivity and a long time continuous operation can not be performed. CONSTITUTION:A solid electrolyte fuel cell is formed by alternately laminating a single cell 2 formed by providing an anode 21 in one surface and a cathode 23 in the other surface of a flat plate-shaped solid electrolyte body 22 and a separator 1A. A heat resistant alloy, for instance, nickel base chrome added tungsten added alloy of small thermal expansion coefficient is used in a substrate 11, and a ceramics layer 12 comprising a lanthanum perovskite double oxide, for instance, lanthanum mangnite, having a thermal expansion coefficient almost equal to that of the hear resistant alloy, is flame-sprayed to surface mutually opposed to the cathode 23 of this substrate 11, to form the separator 1A.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、平板型の固体電解質
型燃料電池のセパレータの構成及びその材料に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a structure of a flat plate type solid oxide fuel cell separator and its material.

【0002】[0002]

【従来の技術】固体電解質型燃料電池は、電解質にジル
コニアを用いて1000〔℃〕近辺の高温で作動させる方式
の燃料電池で、高効率、高出力の発電が期待され、か
つ、燃料の改質が不要であること、電解質のメンテナン
スも不要であること、さらにはガスタービンやスチーム
タービンとの複合発電も期待されること等の特長をもっ
ており、近年、その実用化に向けての研究開発が国の内
外を問わず積極的に推進されている。
2. Description of the Related Art A solid oxide fuel cell is a fuel cell in which zirconia is used as an electrolyte and is operated at a high temperature of around 1000 [° C.]. It has features such as no need for quality, no maintenance of electrolytes, and expectation for combined power generation with gas turbines and steam turbines. It is actively promoted both inside and outside the country.

【0003】固体電解質型燃料電池は、構造的に円筒型
と平板型に大別されるが、いずれの型においても供給さ
れる燃料ガスと酸化剤ガスを別け隔てるための隔壁が必
要で、円筒型ではインターコネクターと呼ばれる隔壁
が、また平板型ではセパレータと呼ばれる隔壁が設けら
れている。これらの隔壁、すなわち、インターコネクタ
ーあるいはセパレータには、1000〔℃〕近辺の高温の還
元性雰囲気および酸化性雰囲気のいずれに対しても化学
的に安定であること、かつガス不透過性に優れること、
また電子伝導性に優れることが基本的な機能物性として
要求される。
Structurally, the solid oxide fuel cell is roughly divided into a cylindrical type and a flat plate type. However, in each type, a partition for separating the supplied fuel gas and oxidant gas is required, The mold is provided with a partition called an interconnector, and the flat plate type is provided with a partition called a separator. These partition walls, that is, interconnectors or separators, are chemically stable in both high-temperature reducing atmospheres and oxidizing atmospheres around 1000 [° C], and have excellent gas impermeability. ,
In addition, excellent electronic conductivity is required as a basic functional physical property.

【0004】これらの材料として現在までに実用化され
ている、もしくは検討なされている材料としては、セラ
ミックス材料ではBサイト元素をクロムとしたランタン
系ぺロブスカイト複酸化物のランタンクロマイト LaCrO
3 があり、また金属材料では耐熱合金が提案されてい
る。ランタンクロマイトは、ウエスティングハウス社の
円筒型の固体電解質型燃料電池のインターコネクターに
用いられている。この固体電解質型燃料電池では、EV
D法(Electro Chemical Vapor Deposition Method)に
よりガス不透過性に優れた緻密なランタンクロマイトを
形成し、インターコネクターとすることによって燃料ガ
スと酸化剤ガスとのクロスリークを防止している。ラン
タンクロマイトを平板型の固体電解質型燃料電池のセパ
レータに適用することも検討されているが、EVD法で
の形成は製造技術的に困難と見なされており、単品とし
て形成したランタンクロマイトの板をセパレータに用い
る方法とか、あらかじめ形成した電極基材にランタンク
ロマイトを溶射してセパレータを形成する方法等が検討
されている。
As a material that has been put to practical use or is being studied as these materials, lanthanum chromite LaCrO which is a lanthanum-based perovskite complex oxide in which B site element is chromium is used as a ceramic material.
There are three , and heat-resistant alloys have been proposed for metallic materials. Lanthanum chromite is used as an interconnector for a cylindrical solid oxide fuel cell manufactured by Westinghouse. In this solid oxide fuel cell, the EV
A dense lanthanum chromite excellent in gas impermeability is formed by the D method (Electro Chemical Vapor Deposition Method), and an interconnector is used to prevent cross leak between the fuel gas and the oxidant gas. Although application of lanthanum chromite to a separator of a flat plate type solid oxide fuel cell is also being considered, it is considered difficult to form it by the EVD method in terms of manufacturing technology. A method of using a separator, a method of spraying lanthanum chromite on a preformed electrode base material to form a separator, and the like have been studied.

【0005】一方、耐熱合金をセパレータ材として用い
ることも数多くの研究開発機関で検討されてきており、
例えば、ニッケルベースクロム添加鉄添加合金が代表的
な例である。しかしながら、これらの耐熱合金をそのま
まセパレータに用いた場合には、燃料極側では還元性ガ
スすなわち水素ガスやメタンガス等が供給されるので特
に腐食等の問題はないが、空気極側では酸化剤ガスすな
わち空気によって合金表面が徐々に酸化され、酸化物ス
ケールが形成されて電子伝導性が極めて劣るようにな
り、結果としてセパレータの導電部材としての機能を停
止してしまう。この弱点を補う方法として、ニッケルベ
ースクロム添加鉄添加合金の表面に、Bサイト元素をコ
バルトとしたランタン系ぺロブスカイト複酸化物のラン
タンコバルタイト LaCoO3 を被覆してセラミックス層を
形成し、酸化物スケールの生成を抑制する方法が試みら
れている。
On the other hand, the use of heat-resistant alloys as separator materials has been studied by many research and development institutions,
For example, a nickel-based chromium-added iron-added alloy is a typical example. However, when these heat-resistant alloys are used as they are for the separator, there is no particular problem such as corrosion because reducing gas, that is, hydrogen gas, methane gas, etc. is supplied on the fuel electrode side, but there is no problem such as corrosion on the air electrode side. That is, the surface of the alloy is gradually oxidized by air, oxide scales are formed, and electron conductivity becomes extremely poor, and as a result, the function of the separator as a conductive member is stopped. As a method of compensating for this weak point, a ceramic layer is formed by coating the surface of a nickel-based chromium-added iron-added alloy with lanthanum-cobaltite LaCoO 3 which is a lanthanum-based perovskite complex oxide containing B site element as cobalt. Attempts have been made to suppress the generation of scale.

【0006】図2は、従来の平板型の固体電解質型燃料
電池の構成例を示す分解斜視図である。アノード21と
固体電解質体22とカソード23からなる単セルと、
ニッケルベースクロム添加鉄添加合金からなる基板13
にランタンコバルタイトからなるセラミックス層14を
被覆してなるセパレータとを、交互に積層して平板型
の固体電解質型燃料電池を構成している。アノード21
に接するセパレータの溝15には燃料ガスが流され、
カソード23に接する溝16には酸化剤ガスが流され
る。ランタンコバルタイトからなるセラミックス層14
はカソード23に接する面に被覆されている。本構成の
セパレータは、基板13に耐熱合金のニッケルベース
クロム添加鉄添加合金を用いているので高温で十分な機
械強度をもっており、また、高温酸化雰囲気となるカソ
ード側にはセラミックス層14が被覆されているので耐
酸化性にも優れ、隔壁としてのセパレータの基本性能を
もつ構成となっている。
FIG. 2 is an exploded perspective view showing a structural example of a conventional flat plate type solid oxide fuel cell. A single cell 2 comprising an anode 21, a solid electrolyte body 22 and a cathode 23;
Substrate 13 made of nickel-based chromium-added iron-added alloy 13
And a separator 1 formed by coating a ceramic layer 14 made of lanthanum cobaltite on the plate are alternately laminated to form a flat plate solid oxide fuel cell. Anode 21
Fuel gas is caused to flow in the groove 15 of the separator 1 in contact with
Oxidant gas is flowed through the groove 16 in contact with the cathode 23. Ceramic layer 14 made of lanthanum cobaltite
Is coated on the surface in contact with the cathode 23. The separator 1 of the present construction has sufficient mechanical strength at high temperature because the substrate 13 is made of a heat-resistant nickel-added chromium-added iron-added alloy, and the ceramic layer 14 is coated on the cathode side in a high temperature oxidizing atmosphere. Therefore, it is also excellent in oxidation resistance and has the basic performance of a separator as a partition wall.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うに構成した固体電解質型燃料電池のセパレータにおい
ても、長期運転に際して、長時間にわたり高温酸化雰囲
気中にあると、金属材料であるニッケルベースクロム添
加鉄添加合金とセラミックス材料であるランタンコバル
タイトの熱膨張係数の差から生ずる応力による変形が主
因となって、徐々に酸化が進行し、電子導電性が劣化す
るという問題点がある。
However, even in the separator of the solid oxide fuel cell having the above-mentioned structure, the nickel-based chromium-added iron, which is a metal material, is used as a metallic material when it is in a high temperature oxidizing atmosphere for a long time during long-term operation. Deformation due to stress caused by the difference in thermal expansion coefficient between the additive alloy and lanthanum cobaltite, which is a ceramic material, causes a problem that oxidation gradually progresses and electron conductivity deteriorates, mainly due to deformation.

【0008】本発明の目的は、これらの難点を解消し、
長時間にわたり高温酸化雰囲気中にあっても酸化の進行
が微小で、電子導電性の劣化が燃料電池の発電特性に影
響を及ぼさない程度に微小なセパレータを備えた固体電
解質型燃料電池を提供することにある。
The object of the present invention is to eliminate these drawbacks,
Provided is a solid oxide fuel cell provided with a minute separator in which the progress of oxidation is minute even in a high temperature oxidizing atmosphere for a long time and the deterioration of electronic conductivity does not affect the power generation characteristics of the fuel cell. Especially.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明においては、 (1) セパレータの基板に耐熱合金を用い、さらに、この
基板のカソード側の表面に、基板と同等の熱膨張係数を
有する、望ましくは基板の熱膨張係数との差が2x10-6
〔K-1〕以下の熱膨張係数を有するランタン系ペロブス
カイト複酸化物のセラミックス層を被覆してセパレータ
を形成し、固体電解質型燃料電池を構成するものとす
る。
In order to achieve the above object, in the present invention, (1) a heat-resistant alloy is used for the substrate of the separator, and a cathode-side surface of this substrate is equivalent to the substrate. Has a coefficient of thermal expansion, preferably a difference from the coefficient of thermal expansion of the substrate is 2 × 10 -6
[K -1 ] A ceramic layer of lanthanum-based perovskite complex oxide having a coefficient of thermal expansion of not more than that is coated to form a separator, thereby forming a solid oxide fuel cell.

【0010】(2) さらに、上記の(1) において、耐熱合
金として低熱膨張係数の、望ましくは熱膨張係数が16x
10-6〔K-1〕以下のニッケルベース耐熱合金を用い、さ
らに、同等の低熱膨張係数をもつランタン系ペロブスカ
イト複酸化物を用いてセラミックス層を被覆しセパレー
タを形成するものとする。 (3) さらに、上記の(2) において、基板を形成するニッ
ケルベース耐熱合金として、ニッケルベースクロム添加
タングステン添加合金あるいはニッケルベースクロム添
加鉄添加合金を用い、かつ、セラミックス層を形成する
ランタン系ペロブスカイト複酸化物として、Aサイト元
素にストロンチウムを添加し、Bサイト元素をマンガン
としたランタンマンガナイト La(Sr)MnO3 を用いるもの
とすれば好適である。
(2) Further, in the above (1), the heat-resistant alloy has a low coefficient of thermal expansion, preferably 16x.
A nickel-base heat-resistant alloy of 10 -6 [K -1 ] or less is used, and a lanthanum-based perovskite double oxide having an equivalent low thermal expansion coefficient is used to coat the ceramic layer to form a separator. (3) Further, in (2) above, a nickel-base chromium-added tungsten-added alloy or a nickel-base chromium-added iron-added alloy is used as the nickel-base heat-resistant alloy forming the substrate, and a lanthanum-based perovskite forming a ceramic layer is used. It is preferable to use lanthanum manganite La (Sr) MnO 3 in which strontium is added to the A site element and manganese is used as the B site element as the complex oxide.

【0011】(4) また、上記の(1) において、耐熱合金
として鉄ベースクロム添加ニッケル添加合金を用い、か
つ、セラミックス層を形成するランタン系ペロブスカイ
ト複酸化物として、Bサイト元素をコバルトとしAサイ
ト元素に例えばストロンチウムを添加したランタンコバ
ルタイト La(Sr)CoO3 を用いるものとしてもよい。
(4) In the above (1), an iron-based chromium-added nickel-added alloy is used as the heat-resistant alloy, and a lanthanum-based perovskite complex oxide forming a ceramic layer is used. For example, lanthanum cobaltite La (Sr) CoO 3 in which strontium is added to the site element may be used.

【0012】[0012]

【作用】ランタン系ペロブスカイト複酸化物は、1000
〔℃〕近辺の高温酸化雰囲気においてはその相は安定
で、かつ電子導電性を有するが、酸素分圧の極めて低い
還元性雰囲気においては化学的に相安定でなくなり電子
導電性も喪失する。またランタン系ペロブスカイト複酸
化物は高温酸化雰囲気において、その機械的強度は金属
材料より劣る。一方金属材料はランタン系ペロブスカイ
ト複酸化物より機械的強度は優れるが、耐熱合金といえ
ども、すでに述べたように、1000〔℃〕近辺の高温酸化
雰囲気においては酸化が進行する。しかしながら、これ
ら耐熱合金とランタン系ペロブスカイト複酸化物のそれ
ぞれの長所を有効に活用して、基板を耐熱合金で構成
し、高温酸化雰囲気となるカソード側表面に耐酸化性に
優れたランタン系ペロブスカイト複酸化物のセラミック
ス層を被覆したハイブリッド構造のセパレータとすれ
ば、基本的要件を満たした固体電解質型燃料電池を構成
することができる。
[Function] The lanthanum-based perovskite complex oxide is 1000
In a high temperature oxidizing atmosphere near [° C.], the phase is stable and has electronic conductivity, but in a reducing atmosphere where the oxygen partial pressure is extremely low, the phase is not chemically stable and electron conductivity is lost. Further, the lanthanum-based perovskite complex oxide is inferior in mechanical strength to metallic materials in a high temperature oxidizing atmosphere. On the other hand, the metal material is superior in mechanical strength to the lanthanum-based perovskite complex oxide, but even in the case of the heat-resistant alloy, the oxidation progresses in the high-temperature oxidizing atmosphere near 1000 [° C], as described above. However, by effectively utilizing the respective advantages of these heat-resistant alloys and lanthanum-based perovskite complex oxides, the substrate is composed of heat-resistant alloys, and the lanthanum-based perovskite complex oxides with excellent oxidation resistance are formed on the cathode side surface in a high temperature oxidizing atmosphere. By using a hybrid structure separator coated with an oxide ceramic layer, a solid oxide fuel cell satisfying the basic requirements can be constructed.

【0013】すでに述べたように、固体電解質型燃料電
池は1000〔℃〕近辺の高温で使用するので、ハイブリッ
ド構造のセパレータを用いる場合には構成する材料の熱
膨張の差によって生ずる熱応力の緩和が重要となる。す
なわち、耐熱合金の基板にランタン系ペロブスカイト複
酸化物のセラミックス層を被覆したセパレータにおいて
それぞれの熱膨張の差が大き過ぎると、加わる熱応力が
過大となって、機械的強度に劣るセラミックス層が破損
し、長期間使用している間にセパレータの性能が劣化し
てしまうこととなる。
As described above, since the solid oxide fuel cell is used at a high temperature around 1000 [° C.], when the hybrid structure separator is used, the thermal stress caused by the difference in thermal expansion of the constituent materials is relaxed. Is important. That is, when the difference in thermal expansion between separators in which the ceramic layer of lanthanum-based perovskite complex oxide is coated on the substrate of heat-resistant alloy is too large, the applied thermal stress becomes excessive and the ceramic layer with poor mechanical strength is damaged. However, the performance of the separator will deteriorate during long-term use.

【0014】また、固体電解質型燃料電池は、単セルと
セパレータとを交互に積層し挟持して構成されるが、単
セルを構成している固体電解質体の熱膨張係数とセパレ
ータの熱膨張係数との間に大きな差があると、相互に熱
応力を及ぼし、破損さらには特性劣化を生じることとな
る。したがって、上記(1) のように、20〜1000〔℃〕に
おいてほぼ同等の熱膨張係数をもった耐熱合金の基板と
ランタン系ペロブスカイト複酸化物のセラミックス層と
でセパレータを形成し、固体電解質型燃料電池に用いれ
ば、セパレータは、機械的強度、耐熱性、耐酸化性、ガ
ス不透過性、電子導電性などの具備すべき基本要件を満
たすとともに、熱膨張の差によって生じる熱応力が微少
で、長期間使用しても固体電解質型燃料電池の特性の劣
化は小さくなる。
The solid oxide fuel cell is constructed by alternately stacking and sandwiching unit cells and separators. The thermal expansion coefficient of the solid electrolyte body and the thermal expansion coefficient of the separators that form the unit cells. If there is a large difference between and, thermal stress will be exerted on each other, resulting in damage and further deterioration of characteristics. Therefore, as in (1) above, a separator is formed with a substrate of a heat-resistant alloy having a thermal expansion coefficient substantially equal at 20 to 1000 [° C] and a ceramic layer of a lanthanum-based perovskite complex oxide, and a solid electrolyte type When used in fuel cells, the separator satisfies the basic requirements such as mechanical strength, heat resistance, oxidation resistance, gas impermeability, electronic conductivity, etc., and has minimal thermal stress caused by the difference in thermal expansion. The deterioration of the characteristics of the solid oxide fuel cell is reduced even if it is used for a long period of time.

【0015】とくに、用いる耐熱合金とランタン系ペロ
ブスカイト複酸化物と20〜1000〔℃〕での平均の熱膨張
係数の差を2x10-6〔K-1〕以下とすれば、1000〔℃〕
の温度変化を受けても、構成材料に加わる歪みは2x10
-3以下、すなわち 0.2〔%〕以下と微少であり、固体電
解質型燃料電池の特性の劣化を小さく抑えることができ
る。
Particularly, if the difference in the average thermal expansion coefficient between the heat-resistant alloy used and the lanthanum-based perovskite complex oxide at 20 to 1000 [° C.] is 2 × 10 −6 [K −1 ] or less, 1000 [° C.]
Even if the temperature changes, the strain applied to the constituent materials is 2x10
It is as small as -3 or less, that is, 0.2 [%] or less, and deterioration of the characteristics of the solid oxide fuel cell can be suppressed to a small level.

【0016】また、上記(2) のように、基板に用いる耐
熱合金として低熱膨張係数、例えば16x10-6〔K-1〕以
下のニッケルベース耐熱合金を用い、さらに、同等の低
熱膨張係数のランタン系ペロブスカイト複酸化物を用い
てセラミックス層を形成するものとすれば、熱膨張係数
が10〜11x10-6〔K-1〕と低いイットリア安定化ジルコ
ニアYSZからなる固体電解質体に近い熱膨張係数のセ
パレータが得られ、単セルとマッチングのとれた構成と
なる。
As described in (2) above, a nickel-base heat-resistant alloy having a low thermal expansion coefficient, for example, 16 × 10 -6 [K -1 ] or less is used as the heat-resistant alloy used for the substrate, and lanthanum having an equivalent low thermal expansion coefficient is used. Assuming that the ceramic layer is formed by using the perovskite mixed oxide, the coefficient of thermal expansion is close to that of a solid electrolyte body made of yttria-stabilized zirconia YSZ, which has a low coefficient of thermal expansion of 10 to 11 × 10 −6 [K −1 ]. A separator is obtained, which has a configuration that matches a single cell.

【0017】Solid State Ionics 9 & 10 (1983) に記
載されているように、代表的な耐熱合金の熱膨張係数は
表1に示すとおりである。
As described in Solid State Ionics 9 & 10 (1983), the thermal expansion coefficients of typical heat resistant alloys are shown in Table 1.

【0018】[0018]

【表1】 また、検討したランタン系ペロブスカイト複酸化物材料
の組成および熱膨張係数は表2のとおりである。
[Table 1] Table 2 shows the composition and coefficient of thermal expansion of the lanthanum-based perovskite mixed oxide material studied.

【0019】[0019]

【表2】 したがって、上記(3) のように、基板材としてニッケル
ベースクロム添加タングステン添加合金あるいはニッケ
ルベースクロム添加鉄添加合金を用い、かつセラミック
ス層を形成する被覆材としてAサイト元素にストロンチ
ウムを添加し、Bサイト元素をマンガンとしたランタン
マンガナイト La(Sr)MnO3 を用いると、基板とセラミッ
クス層との熱膨張係数の差は 0.5×10-6〔K-1〕と極め
て小さく抑えられ、かつ熱膨張係数の絶対値も固体電解
質体YSZの熱膨張係数と近接した構成となり、熱膨張
に伴う熱応力を効果的に抑制することができる。
[Table 2] Therefore, as described in (3) above, a nickel-base chromium-added tungsten-added alloy or a nickel-base chromium-added iron-added alloy is used as the substrate material, and strontium is added to the A-site element as the coating material for forming the ceramics layer. When lanthanum manganite La (Sr) MnO 3 with manganese as the site element is used, the difference in the coefficient of thermal expansion between the substrate and the ceramics layer is extremely small at 0.5 × 10 -6 [K -1 ] and the thermal expansion is The absolute value of the coefficient is also close to the coefficient of thermal expansion of the solid electrolyte body YSZ, and thermal stress due to thermal expansion can be effectively suppressed.

【0020】なお、基板材として鉄ベースクロム添加ニ
ッケル添加合金を用い、かつ被覆材としてランタンコバ
ルタイト La(Sr)CoO3 あるいは La(Ca)CoO3 を用いる
と、これらの熱膨張係数と固体電解質体YSZの熱膨張
係数との間には若干の差があるが、基板とセラミックス
層との間の差は微少であり、熱応力を緩和したセパレー
タの構成が得られる。
If an iron-based chromium-added nickel-added alloy is used as the substrate material and lanthanum cobaltite La (Sr) CoO 3 or La (Ca) CoO 3 is used as the coating material, the thermal expansion coefficient and solid electrolyte Although there is a slight difference between the coefficient of thermal expansion of the body YSZ and the difference between the substrate and the ceramic layer, the structure of the separator with reduced thermal stress can be obtained.

【0021】[0021]

【実施例】図1は、本発明の平板型の固体電解質型燃料
電池の実施例を示す分解斜視図である。セパレータ1A
と単セルとを交互に積層して平板型の固体電解質型燃
料電池を構成している。単セルは、図2と同様に、平
板状の固体電解質体22の片面にアノード21を、他の
面にカソード23を形成し一体化されている。セパレー
1Aは、ニッケルベースクロム添加タングステン添加
合金からなる基板11に、カソード23と相対する面に
ストロンチウム添加ランタンマンガナイトLa(Sr)MnO3
らなるセラミックス層12を被覆したものである。基板
11をあらかじめサンドブラストして表面を凹凸処理し
たのち、La(Sr)MnO3を溶射し被覆する方法がとられてい
る。セパレータ1Aのアノード21に相対する面の溝1
5には燃料ガスが流され、カソード23に相対する溝1
6には酸化剤ガスが流される。本構成のセパレータ1A
は、基板11に耐熱合金のニッケルベースクロム添加タ
ングステン添加合金を用いているので高温で十分な機械
強度をもっており、また、高温酸化雰囲気となるカソー
ド側にはストロンチウム添加ランタンマンガナイトのセ
ラミックス層12が被覆されているので耐酸化性も優れ
ている。
EXAMPLE FIG. 1 is an exploded perspective view showing an example of a flat plate type solid oxide fuel cell of the present invention. Separator 1A
And unit cells 2 are alternately laminated to form a flat plate type solid oxide fuel cell. As in the case of FIG. 2, the unit cell 2 is integrated by forming the anode 21 on one surface and the cathode 23 on the other surface of the plate-shaped solid electrolyte body 22. The separator 1A comprises a substrate 11 made of a nickel-based chromium-added tungsten-added alloy and a ceramic layer 12 made of strontium-added lanthanum manganite La (Sr) MnO 3 on the surface facing the cathode 23. is there. A method is employed in which the substrate 11 is sandblasted in advance to roughen the surface, and then La (Sr) MnO 3 is sprayed and coated. Groove 1 on the surface of the separator 1A facing the anode 21
5, the fuel gas is flowed to the groove 1 facing the cathode 23.
Oxidant gas is flown through 6. Separator 1A of this configuration
Has a sufficient mechanical strength at a high temperature because the substrate 11 is made of a heat-resistant nickel-added nickel-added tungsten-added alloy, and the strontium-added lanthanum manganite ceramic layer 12 is provided on the cathode side in a high-temperature oxidizing atmosphere. Since it is covered, it has excellent oxidation resistance.

【0022】図3および図4は、上記のセパレータと同
一の構成の試料を用いて長時間の加熱試験を実施した結
果を示したものである。25〔mm〕x25〔mm〕、厚さ 5
〔mm〕の薄板状のニッケルベースクロム添加タングステ
ン添加合金の表面をサンドブラスト法により凹凸処理し
たのち、溶射法によりストロンチウム添加ランタンマン
ガナイト La(Sr)MnO3 を約 200〔μm〕被覆して試料を
作成した。本試料を、空気雰囲気中で、電気炉により温
度上昇速度 200〔℃/h〕で昇温し、1000〔℃〕で1000
時間の加熱試験を行い、酸化物の生成に関連する重量変
化量と、導電性に関連する電気抵抗との経時変化を測定
した。重量変化量は、各測定時間毎に、試料を電気炉か
ら取り出して自然冷却させたのち、測定した試料重量か
ら加熱試験前の初期重量を減ずることにより求めた。な
お、自然冷却での降温速度は最大で約 500〔℃/h〕で
ある。また、電気抵抗の測定では、取り出した試料を2
枚の白金シートで1〔kg/cm2〕の面圧で挟持して、ふた
たび電気炉中へ入れ約 500〔℃/h〕の昇温速度で加熱
し、1000〔℃〕にて、2枚の白金シート間に電圧を加
え、電気抵抗を測定する方法を用いた。
FIGS. 3 and 4 show the results of conducting a long-term heating test using a sample having the same structure as the above separator. 25 [mm] x 25 [mm], thickness 5
The surface of the [mm] thin nickel-base chromium-added tungsten-added alloy was roughened by sandblasting, and then coated with strontium-added lanthanum manganite La (Sr) MnO 3 by about 200 [μm] by a thermal spraying method. Created. This sample was heated in an air atmosphere with an electric furnace at a temperature rising rate of 200 [° C / h] and heated to 1000 [° C] to 1000
A heating test was performed for a period of time, and changes over time in the amount of change in weight associated with oxide formation and the electrical resistance associated with conductivity were measured. The amount of change in weight was determined by taking out the sample from the electric furnace at each measurement time, allowing it to cool naturally, and then subtracting the initial weight before the heating test from the measured sample weight. The maximum cooling rate in natural cooling is about 500 [° C / h]. In addition, when measuring the electrical resistance,
It is sandwiched between 1 platinum sheet with a surface pressure of 1 [kg / cm 2 ], put again in an electric furnace and heated at a heating rate of about 500 [° C / h], and 2 sheets at 1000 [° C] The method of measuring the electric resistance by applying a voltage between the platinum sheets was used.

【0023】図3は重量変化量の測定結果で、縦軸は単
位面積当たりの重量変化量、横軸は経過時間である。ま
た、図4は電気抵抗の測定結果で、縦軸は単位面積当た
りに換算した電気抵抗、横軸は経過時間である。各図中
において本実施例と同一構成の試料の測定結果は (1)と
して図示されている。なお、図3、および図4中におい
て (2)、(3) として図示したものは、同一方法で作成し
た材料の異なる2個の試料、すなわちニッケルベースク
ロム添加鉄添加合金に La(Sr)CoO3 を被覆した試料と、
鉄ベースクロム添加ニッケル添加合金に La(Sr)MnO3
被覆した試料の試験結果である。また、(4) は、被覆を
施さない母材のみの特性の一例として、ニッケルベース
クロム添加鉄添加合金の試験結果を示したものである。
FIG. 3 shows the results of measuring the amount of change in weight, where the vertical axis is the amount of weight change per unit area and the horizontal axis is the elapsed time. Further, FIG. 4 is a measurement result of electric resistance, in which the vertical axis represents electric resistance converted per unit area and the horizontal axis represents elapsed time. In each figure, the measurement result of the sample having the same configuration as that of this example is shown as (1). In FIGS. 3 and 4, those shown as (2) and (3) are two samples made of the same method and having different materials, that is, a nickel-based chromium-added iron-added alloy with La (Sr) CoO. A sample coated with 3 ,
It is a test result of a sample in which La (Sr) MnO 3 is coated on an iron-based chromium-added nickel-added alloy. Further, (4) shows the test results of the nickel-base chromium-added iron-added alloy as an example of the characteristics of only the base material without coating.

【0024】図3の重量変化量の測定結果をみると、
(4) の被覆を施さない母材のみの場合は時間経過ととも
に重量が急激に変化している。酸化に伴う剥離、さらに
は脱落が生じており、見かけ上は重量変化量は他の試料
に比べて小さいが、酸化の進行は極めて早い。これに対
し、 (1)、(2) 、(3) の試料では、時間経過に伴う重量
変化量の変動は小さく、被覆されたランタン系ペロブス
カイト複酸化物により酸化の進行が抑制されていること
がわかる。とくに、本実施例のセパレータと同一の構成
よりなる(1) の試料では、重量変化が極く微量で、長時
間運転での耐酸化性が一段と優れていることがわかる。
Looking at the measurement results of the amount of change in weight in FIG.
In the case of only the base metal without the coating of (4), the weight changes rapidly with the passage of time. Peeling and further removal due to oxidation occur, and although the weight change amount is apparently smaller than that of the other samples, the progress of oxidation is extremely fast. On the other hand, in the samples (1), (2), and (3), the change in weight change over time was small, and the progress of oxidation was suppressed by the coated lanthanum-based perovskite complex oxide. I understand. In particular, it can be seen that the sample (1) having the same structure as that of the separator of the present example has a very small change in weight and is further excellent in oxidation resistance during long-term operation.

【0025】図4の電気抵抗の測定結果をみると、(3)
、(4) の試料では、時間とともに電気抵抗が急激に増
加しており、重量変化量が比較的安定している (3)にお
いても、表面に酸化物の層の形成が進んでいることが推
測される。これに対して (1)、(2) の試料では、加熱の
初期に若干の電気抵抗の上昇がみられるが、300 時間以
上では電気抵抗の上昇は微量である。とくに (1)の試料
ではほぼ一定の電気抵抗を示しており、セパレータとし
て優れた特性をもつことがわかる。
Looking at the measurement result of the electric resistance in FIG. 4, (3)
In the sample of (4), the electrical resistance increased rapidly with time, and the amount of change in weight was relatively stable (3). Guessed. On the other hand, in the samples of (1) and (2), a slight increase in the electric resistance is observed at the initial stage of heating, but the increase in the electric resistance is slight after 300 hours. In particular, the sample of (1) shows an almost constant electric resistance, which shows that it has excellent characteristics as a separator.

【0026】試料とした (1)、(2) 、(3) の各構成にお
ける基板と被覆材との熱膨張係数の差をみると、次表の
ごとくである。
The difference in the coefficient of thermal expansion between the substrate and the coating material in each of the configurations (1), (2) and (3) used as the sample is shown in the following table.

【0027】[0027]

【表3】 すなわち、図3、図4で良好な測定結果を示した (1)、
(2) の試料の基板材と被覆材の熱膨張係数の差は小さ
く、とりわけ特に優れた特性を示した (1)の試料では、
差は 0.5x10-6〔K-1] と極めて小さい。これに対し
て、熱膨張係数の差が 5.5x10-6〔K-1] と大きい試料
(3) においては、酸化物の層の堆積、電気抵抗の増加が
進んでいる。これらの結果は、セパレータを構成する上
で基板材と被覆材の熱膨張係数の差が重要な因子で、そ
の差を 3.5x10-6〔K-1] 以下にすることが望ましいこ
とを明示するものである。
[Table 3] That is, good measurement results are shown in FIGS. 3 and 4 (1),
The difference in the coefficient of thermal expansion between the substrate material and the coating material of the sample of (2) is small, and in the sample of (1) which showed particularly excellent characteristics,
The difference is extremely small, 0.5 × 10 -6 [K -1 ]. On the other hand, a sample with a large difference in thermal expansion coefficient of 5.5 x 10 -6 [K -1 ]
In (3), the oxide layer is being deposited and the electrical resistance is increasing. These results clearly show that the difference in the coefficient of thermal expansion between the substrate material and the covering material is an important factor in constructing the separator, and it is desirable that the difference be 3.5 × 10 -6 [K -1 ] or less. It is a thing.

【0028】したがって、上記の実施例のセパレータの
基板11の材料をニッケルベースクロム添加鉄添加合金
とし、これに被覆するセラミックス層12を上記の実施
例と同様にストロンチウム添加ランタンマンガナイトと
すれば、基板11とセラミックス層12との熱膨張係数
の差は 0.5x10-6〔K-1] と極めて小さいので、特性の
優れたセパレータが構成できる。
Therefore, if the material of the substrate 11 of the separator of the above embodiment is a nickel-base chromium-added iron-added alloy and the ceramic layer 12 covering this is strontium-added lanthanum manganite as in the above-mentioned embodiment, Since the difference in the coefficient of thermal expansion between the substrate 11 and the ceramic layer 12 is as small as 0.5 × 10 −6 [K −1 ], a separator having excellent characteristics can be constructed.

【0029】また、上記の実施例のセパレータの基板1
1の材料を鉄ベースクロム添加ニッケル添加合金とし、
これに被覆するセラミックス層12をストロンチウム添
加ランタンコバルタイトか、またはカルシウム添加ラン
タンコバルタイトとすれば、基板11とセラミックス層
12との熱膨張係数の差は 0.5〜1.5 x10-6〔K-1〕と
微少であるので、特性の良好なセパレータが構成でき
る。
Further, the substrate 1 of the separator of the above embodiment
The material of 1 is an iron-based chromium-added nickel-added alloy,
If the ceramic layer 12 covering this is strontium-added lanthanum cobaltite or calcium-added lanthanum cobaltite, the difference in the coefficient of thermal expansion between the substrate 11 and the ceramic layer 12 is 0.5 to 1.5 x10 -6 [K -1 ]. Since it is very small, a separator with good characteristics can be constructed.

【0030】なお、上記に述べた種々の構成例では、セ
ラミックス層12に用いるランタン系ペロブスカイト複
酸化物のAサイト元素に添加する元素を、ストロンチウ
ム、あるいはカルシウム等と特定して説明したが、ラン
タン系ペロブスカイト複酸化物の結晶構造は同一であ
り、また、マグネシウム、ストロンチウムおよびカルシ
ウムはいずれもアルカリ土類の元素であるので、これら
を添加したランタンマンガナイト、ランタンコバルタイ
トは、それぞれほぼ同等の熱膨張係数を持つものと推定
できる。したがって、上記に述べた種々の構成例のAサ
イト元素に添加する元素を、記載以外の他のアルカリ土
類の元素としても、同等の効果を得ることが期待でき
る。
In the above-described various structural examples, the element added to the A site element of the lanthanum-based perovskite complex oxide used for the ceramic layer 12 is specified and explained as strontium or calcium. The crystal structures of the perovskite-type mixed oxides are the same, and since magnesium, strontium and calcium are all alkaline earth elements, lanthanum manganite and lanthanum cobaltite containing them have almost the same thermal properties. It can be estimated that it has a coefficient of expansion. Therefore, even if the element added to the A-site element in the above-described various structural examples is an element of alkaline earth other than those described, it is expected that the same effect can be obtained.

【0031】[0031]

【発明の効果】この発明では、上記のように、 (1) 基板に耐熱合金を用い、この基板のカソード側表面
にランタン系ペロブスカイト複酸化物のセラミックス層
を被覆してセパレータを形成し、かつ、当該基板とセラ
ミックス層をほぼ同等の熱膨張係数を有する、望ましく
は相互の熱膨張係数の差が2x10-6〔K-1〕以下の材料
で形成し、平板型の固体電解質型燃料電池を構成するこ
ととしたので、セパレータは、機械的強度、耐熱性、耐
酸化性、ガス不透過性、電子導電性などの具備すべき基
本要件を満たすとともに、基板とセラミックス層との間
の熱膨張の差による熱応力が微少で、長期間使用しても
特性はほとんど劣化しない。このようにセパレータの特
性が改善されるので、長期間の使用に際して安定した性
能を持った平板型の固体電解質型燃料電池が得られる。
As described above, according to the present invention, (1) a heat-resistant alloy is used for a substrate, a cathode-side surface of this substrate is coated with a ceramic layer of a lanthanum-based perovskite complex oxide to form a separator, and The flat plate type solid oxide fuel cell is manufactured by forming the substrate and the ceramic layer with materials having substantially the same coefficient of thermal expansion, preferably with a difference in coefficient of thermal expansion of 2 × 10 −6 [K −1 ] or less. Since it has been configured, the separator satisfies the basic requirements such as mechanical strength, heat resistance, oxidation resistance, gas impermeability, electronic conductivity, etc., and the thermal expansion between the substrate and the ceramic layer. The thermal stress due to the difference is very small, and the characteristics hardly deteriorate even after long-term use. Since the characteristics of the separator are improved in this way, a flat plate type solid oxide fuel cell having stable performance during long-term use can be obtained.

【0032】(2) さらに、上記の(1) において、耐熱合
金として低熱膨張係数の、望ましくは熱膨張係数が16x
10-6〔K-1〕以下のニッケルベース耐熱合金を用い、か
つ、同等の低熱膨張係数のランタン系ペロブスカイト複
酸化物を用いるものとしたので、セパレータとセパレー
タに近接して配置される固体電解質体との間の熱膨張係
数の差が低減され、固体電解質体への熱応力が緩和さ
れ、長期間の使用に対して、さらに安定した性能を持つ
平板型の固体電解質型燃料電池が得られる。
(2) Further, in the above (1), the heat-resistant alloy has a low coefficient of thermal expansion, preferably 16x.
Since a nickel-based heat-resistant alloy having a temperature of 10 -6 [K -1 ] or less is used and a lanthanum-based perovskite complex oxide having an equivalent low thermal expansion coefficient is used, the separator and the solid electrolyte disposed in the vicinity of the separator are The difference in the coefficient of thermal expansion with the body is reduced, the thermal stress on the solid electrolyte body is relieved, and a flat plate solid oxide fuel cell with more stable performance is obtained for long-term use. .

【0033】(3) さらに、上記の(2) において、ニッケ
ルベース耐熱合金として、ニッケルベースクロム添加タ
ングステン添加合金あるいはニッケルベースクロム添加
鉄添加合金を用い、かつランタン系ペロブスカイト複酸
化物として、Aサイト元素にストロンチウムを添加し、
Bサイト元素をマンガンとしたランタンマンガナイトLa
(Sr)MnO3を用いるものとすれば、基板とセラミックス層
との間の熱膨張係数の差がわずか 0.5x10-6〔K-1〕、
セパレータの基板と固体電解質体との間の熱膨係数の差
が 5〜6 x10-6〔K-1〕に抑えられので、長期間安定し
た性能を持つ平板型の固体電解質型燃料電池として好適
である。
(3) Further, in the above (2), a nickel-base chromium-added tungsten-added alloy or a nickel-base chromium-added iron-added alloy is used as the nickel-base heat-resistant alloy, and a lanthanum-based perovskite complex oxide is used as the A site. Add strontium to the element,
Lanthanum Manganite La with B site element as manganese
If (Sr) MnO 3 is used, the difference in coefficient of thermal expansion between the substrate and the ceramic layer is only 0.5 × 10 −6 [K −1 ],
Since the difference in the coefficient of thermal expansion between the separator substrate and the solid electrolyte body is suppressed to 5 to 6 x10 -6 [K -1 ], it is suitable as a flat plate type solid oxide fuel cell having stable performance for a long period of time. Is.

【0034】(4) また、上記の(1) において、耐熱合金
として鉄ベースクロム添加ニッケル添加合金を用い、か
つランタン系ペロブスカイト複酸化物として、ストロン
チウム添加コバルタイトLa(Sr)CoO3あるいはカルシウム
添加コバルタイト La(Ca)CO3を用いるものとすれば、基
板とセラミックス層の間の熱膨張係数の差は、わずか0.
5〜 1.5x10-6〔K-1〕に抑えられので、熱応力が微少
で、長期間使用しても安定した性能を持った平板型の固
体電解質型燃料電池が得られる。
(4) In (1) above, an iron-based chromium-added nickel-added alloy is used as the heat-resistant alloy, and strontium-added cobaltite La (Sr) CoO 3 or calcium-added cobaltite is used as the lanthanum-based perovskite complex oxide. If La (Ca) CO 3 is used, the difference in coefficient of thermal expansion between the substrate and the ceramic layer is only 0.
Since it is suppressed to 5 to 1.5 × 10 −6 [K −1 ], it is possible to obtain a flat plate type solid oxide fuel cell having a small thermal stress and having stable performance even after long-term use.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明による平板型の固体電解質型燃料電池の
実施例を示す分解斜視図
FIG. 1 is an exploded perspective view showing an embodiment of a flat plate solid oxide fuel cell according to the present invention.

【図2】従来の平板型の固体電解質型燃料電池の構成例
を示す分解斜視図
FIG. 2 is an exploded perspective view showing a configuration example of a conventional flat plate solid oxide fuel cell.

【図3】各種セパレータ構成材料の長時間加熱試験にお
ける重量変化特性図
FIG. 3 is a weight change characteristic diagram of various separator constituent materials in a long-time heating test.

【図4】各種セパレータ構成材料の長時間加熱試験にお
ける電気抵抗変化特性図
FIG. 4 is a characteristic diagram of electric resistance change of various separator constituent materials in a long-time heating test.

【符号の説明】 セパレータ 単セル 11 基板 12 セラミックス層 15 溝 16 溝 21 アノード 22 固体電解体 23 カソード[Explanation of Codes] 1 Separator 2 Single Cell 11 Substrate 12 Ceramic Layer 15 Groove 16 Groove 21 Anode 22 Solid Electrolyte 23 Cathode

Claims (12)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】平板状の固体電解質体の一方の主面にアノ
ードを、他の面にカソードを配してなる単セルと、これ
に反応ガスを供給するセパレータとを交互に積層してな
る固体電解質型燃料電池において、セパレータは、耐熱
合金よりなる基板と、当該基板のカソードと相対する面
に当該耐熱合金と同等の熱膨張係数を有するランタン系
ペロブスカイト複酸化物を被覆してなるセラミックス層
からなることを特徴とする固体電解質型燃料電池。
1. A single cell having an anode on one main surface and a cathode on the other surface of a plate-shaped solid electrolyte body, and a separator for supplying a reaction gas to the unit cell are alternately laminated. In the solid oxide fuel cell, the separator is a substrate made of a heat-resistant alloy, and a ceramic layer formed by coating the surface of the substrate facing the cathode with a lanthanum-based perovskite complex oxide having a thermal expansion coefficient equivalent to that of the heat-resistant alloy. A solid oxide fuel cell comprising:
【請求項2】請求項1記載の固体電解質型燃料電池にお
いて、耐熱合金とランタン系ペロブスカイト複酸化物と
の20〜1000〔℃〕での平均熱膨張係数の差は、2x10-6
〔K-1〕以下であることを特徴とする固体電解質型燃料
電池。
2. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the difference in average thermal expansion coefficient between the heat-resistant alloy and the lanthanum-based perovskite complex oxide at 20 to 1000 [° C.] is 2 × 10 −6.
[K −1 ] or less, a solid oxide fuel cell.
【請求項3】請求項1又は2記載の固体電解質型燃料電
池において、耐熱合金は、ニッケルベース耐熱合金であ
ることを特徴とする固体電解質型燃料電池。
3. The solid oxide fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the heat-resistant alloy is a nickel-base heat-resistant alloy.
【請求項4】請求項3記載の固体電解質型燃料電池にお
いて、ニッケルベース耐熱合金は、ニッケルベースクロ
ム添加タングステン添加合金であることを特徴とする固
体電解質型燃料電池。
4. The solid oxide fuel cell according to claim 3, wherein the nickel-base heat-resistant alloy is a nickel-base chromium-added tungsten-added alloy.
【請求項5】請求項3記載の固体電解質型燃料電池にお
いて、ニッケルベース耐熱合金は、ニッケルベースクロ
ム添加鉄添加合金であることを特徴とする固体電解質型
燃料電池。
5. The solid oxide fuel cell according to claim 3, wherein the nickel-base heat-resistant alloy is a nickel-base chromium-added iron-added alloy.
【請求項6】請求項3、4又は5記載の固体電解質型燃
料電池において、ランタン系ペロブスカイト複酸化物
は、ランタンマンガナイトであることを特徴とする固体
電解質型燃料電池。
6. The solid oxide fuel cell according to claim 3, 4 or 5, wherein the lanthanum-based perovskite complex oxide is lanthanum manganite.
【請求項7】請求項6記載の固体電解質型燃料電池にお
いて、ランタンマンガナイトは、Aサイト元素ランタン
にアルカリ土類金属元素が添加されていることを特徴と
する固体電解質型燃料電池。
7. The solid oxide fuel cell according to claim 6, wherein the lanthanum manganite is an A-site element lanthanum to which an alkaline earth metal element is added.
【請求項8】請求項7記載の固体電解質型燃料電池にお
いて、ランタンマンガナイトに添加されたアルカリ土類
金属元素は、マグネシウム、カルシウムまたはストロン
チウムであることを特徴とする固体電解質型燃料電池。
8. The solid oxide fuel cell according to claim 7, wherein the alkaline earth metal element added to the lanthanum manganite is magnesium, calcium or strontium.
【請求項9】請求項1又は2記載の固体電解質型燃料電
池において、耐熱合金は、鉄ベースクロム添加ニッケル
添加合金であることを特徴とする固体電解質型燃料電
池。
9. The solid oxide fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the heat-resistant alloy is an iron-based chromium-added nickel-added alloy.
【請求項10】請求項9記載の固体電解質型燃料電池に
おいて、ランタン系ペロブスカイト複酸化物は、ランタ
ンコバルタイトであることを特徴とする固体電解質型燃
料電池。
10. The solid oxide fuel cell according to claim 9, wherein the lanthanum-based perovskite complex oxide is lanthanum cobaltite.
【請求項11】請求項10記載の固体電解質型燃料電池
において、ランタンコバルタイトは、Aサイト元素ラン
タンにアルカリ土類金属元素が添加されていることを特
徴とする固体電解質型燃料電池。
11. The solid oxide fuel cell according to claim 10, wherein the lanthanum cobaltite is an A-site element lanthanum to which an alkaline earth metal element is added.
【請求項12】請求項11記載の固体電解質型燃料電池
において、ランタンコバルタイトに添加されたアルカリ
土類金属元素は、マグネシウム、カルシウムまたはスト
ロンチウムであることを特徴とする固体電解質型燃料電
池。
12. The solid oxide fuel cell according to claim 11, wherein the alkaline earth metal element added to lanthanum cobaltite is magnesium, calcium or strontium.
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