KR20110025758A - 인터커넥터용 재료, 셀간 분리 구조체 및 고체 전해질형 연료 전지 - Google Patents

인터커넥터용 재료, 셀간 분리 구조체 및 고체 전해질형 연료 전지 Download PDF

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가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼
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Abstract

산화 분위기 및 환원 분위기 중 어느 분위기에 있어서나 화학적으로 안정됨과 아울러 전자 전도율(도전율)이 높고, 이온 전도율이 낮고, Cr을 포함하지 않는 조성으로 소결 온도를 낮제 하는 것이 가능한 인터커넥터용 재료를 제공한다. 인터커넥터용 재료는 고체 전해질형 연료 전지에 있어서 각각이 순서대로 적층된 애노드층, 고체 전해질층 및 캐소드층으로 구성되는 복수의 셀 사이에 배치되고, 복수의 셀을 서로 전기적으로 직렬로 접속하는 인터커넥터의 재료로서, 조성식 La(Fe1-xAlx)O3(단, x는 몰비를 나타내고, 0<x<0.5를 만족함)로 나타내어지는 세라믹 조성물을 주성분으로 한다.

Description

인터커넥터용 재료, 셀간 분리 구조체 및 고체 전해질형 연료 전지{INTERCONNECTOR MATERIAL, INTERCELLULAR SEPARATION STRUCTURE, AND SOLID ELECTROLYTE FUEL CELL}
본 발명은 인터커넥터용 재료, 그 인터커넥터용 재료를 사용해서 형성된 셀간 분리 구조체, 및 그 셀간 분리 구조체를 구비한 고체 전해질형 연료 전지에 관한 것이다.
일반적으로 평판형 고체 전해질형 연료 전지[고체 산화물 연료 전지(SOFC)라고도 함]는 각각이 애노드(부극, 연료극), 고체 전해질 및 캐소드(정극, 공기극)로 이루어지는 발전 요소로서의 평판형상 복수의 셀과, 복수의 셀 사이에 배치되는 인터커넥터(세퍼레이터라고도 함)로 구성된다. 인터커넥터는 복수의 셀을 서로 전기적으로 직렬로 접속하고, 또한 복수의 셀 각각에 공급되는 가스를 분리하기 위해서, 구체적으로는 애노드에 공급되는 애노드 가스로서의 연료 가스(예를 들면 수소)와, 캐소드에 공급되는 캐소드 가스로서의 산화제 가스(예를 들면 공기)를 분리하기 위해서 복수의 셀 사이에 배치된다.
인터커넥터는 고체 전해질형 연료 전지의 작동 온도인 800℃∼1000℃의 고온 환경 하이며 또한 산화 분위기 및 환원 분위기 중 어느 분위기에 있어서나 화학적으로 안정된 것이 필요하다. 또한, 인터커넥터용 재료는 도전율이 높고, 옴손(ohm loss)(IR손)을 작게 할 수 있는 재료가 바람직하다.
이러한 요구에 따라 종래부터 인터커넥터는 내열성 금속재료 또는 란탄 크로마이트(LaCrO3) 등의 도전성 세라믹 재료로 형성되어 있다. 이러한 도전성 재료를 사용해서 인터커넥터를 형성하면 1종류의 재료로 상기 전기적 접속과 가스의 분리라는 기능을 하는 부재를 구성할 수 있다. 일반적으로는 인터커넥터용 재료로서 Sr, Ca, Mg 등을 도핑한 페로브스카이트 구조의 란탄 크로마이트 등의 세라믹스의 치밀체가 사용되고 있다.
그러나, 란탄 크로마이트를 사용해서 인터커넥터를 형성하기 위해서 종래부터 채용되고 있는 방법으로서 공기 중에 있어서 란탄 크로마이트를 소결하는 방법에서는 란탄 크로마이트 분체 중으로부터 증발된 산화크롬이나 증발되기 쉬운 6가의 크롬을 포함하는 화합물이 증발·재응축되는 과정에 있어서 소결된다. 이 때문에, 입자내 확산에 기인하는 치밀화가 저해되어서 기밀한 소결체를 얻을 수 없다.
이러한 문제를 해결하기 위해서, 예를 들면 일본 특허 공개 평4-119924호 공보(이하, 특허문헌 1이라고 한다)에서는 세퍼레이터를 형성하기 위한 란탄 크로마이트 원료분으로서 조성식 La1-xCaxCr1-yO3(x, y의 값이 0<x≤0.4, 0<y≤0.05, y≤x를 만족함)로 나타내어지는 조성물을 주성분으로 하는 것이 제안되어 있다. 이 란탄 크로마이트 원료분에서는 크롬을 부족하게 하여 그 크롬의 증발량을 적게 해서 소결성을 향상할 시킬 수 있으므로 기밀성이 우수한 세퍼레이터의 실현이 가능해지고, 세퍼레이터로서 요구되는 산화 환원 분위기 등에 있어서의 화학적 안정성, 높은 전자 전도성 등을 얻을 수 있다라고 특허문헌 1에 기재되어 있다.
또한, Cr을 포함하지 않는 인터커넥터용 재료로서, 예를 들면 일본 특허 공개 2001-52725호 공보(이하, 특허문헌 2라고 한다)에서는 조성식 Sr1-xLaxTiO3(x의 값이 0<x≤0.3을 만족함)로 나타내어지는 조성물을 주성분으로 하는 것이 제안되어 있다.
또한, 소결성이 높고, 1400℃ 이하에서 소결하는 것이 가능하며, Cr을 포함하지 않는 인터커넥터용 재료로서, 예를 들면 일본 특허 공개 2006-185697호 공보(이하, 특허문헌 3이라고 한다)에서는 조성식(La1-xSrx)(Fe1-yTiy)O3(x, y의 값이 0≤x≤0.1, 0<y<0.5를 만족함)로 나타내어지는 조성물이 제안되어 있다.
일본 특허 공개 평4-119924호 공보 일본 특허 공개 2001-52725호 공보 일본 특허 공개 2006-185697호 공보
란탄 크로마이트는 소결 온도가 높고, 인터커넥터를 형성하기 위해서 사용하면 연료극, 고체 전해질, 공기극을 형성하는 다른 재료와 일체적으로 소결[공소결(共燒結)]하는 것이 곤란하기 때문에 고체 전해질형 연료 전지의 제조 효율이 나빠지고, 제조 비용이 높아진다. 특히, 인터커넥터를 형성하기 위해서 란탄 크로마이트를 사용하면 란탄 크로마이트는 공기극을 형성하는 재료인 란탄 망가나이트((La,Sr)MnO3)와의 반응성이 높고, Cr과 Mn 사이에서 상호확산이 일어나므로 분해 반응이 촉진된다는 문제가 있다. 또한, Sr계 란탄 크로마이트는 치밀화하기 위해서는 1600℃ 이상의 고온에서 소결할 필요가 있다. 이 온도에서는 공기극이나 연료극에 존재하는 기공이 소멸되거나, 공기극이나 연료극을 형성하는 재료에 의해 이온의 확산이 현저해짐으로써 높은 전극 특성을 얻을 수 없다.
특허문헌 1에서 제안된 Ca계 란탄 크로마이트는 1300℃ 정도의 저온에서 소결함으로써 치밀화할 수 있지만, 액상 소결에 의해 소결되므로 이온의 확산 등이 일어나서 반응성이 높아지므로 연료극, 고체 전해질, 공기극을 형성하는 다른 재료와 공소결할 수 없다.
또한, 란탄 크로마이트는 제조시에 6가 크롬의 화합물로서, 예를 들면 SrCrO4, CaCrO4가 생성되므로 환경상 문제가 된다.
한편, 특허문헌 2에서 제안된 (Sr, La)TiO3계 세라믹 조성물은 온도 900℃의 공기 중에서의 도전율이 0.001S/cm 정도로 작으므로 인터커넥터용 재료로서 바람직하지 못하다.
또한, 특허문헌 3에서 제안된 (La, Sr)(Fe, Ti)O3계 세라믹 조성물은 온도 1000℃에 있어서의 저항률이 높고, 즉 도전율이 낮으므로 인터커넥터용 재료로서 바람직하지 못하다.
그래서, 본 발명의 목적은 산화 분위기 및 환원 분위기 중 어느 분위기에 있어서나 화학적으로 안정됨과 아울러 전자 전도율(도전율)이 높고, 이온 전도율이 낮고, Cr을 포함하지 않는 조성에 의해 소결 온도를 낮게 하는 것이 가능한 인터커넥터용 재료와, 그것을 사용해서 형성된 셀간 분리 구조체와, 그것을 구비한 고체 전해질형 연료 전지를 제공하는 것이다.
본 발명에 의한 인터커넥터용 재료는 고체 전해질형 연료 전지에 있어서 각각이 순서대로 적층된 애노드층, 고체 전해질층 및 캐소드층으로 구성되는 복수의 셀 사이에 배치되어 복수의 셀을 서로 전기적으로 직렬로 접속하는 인터커넥터의 재료로서, 조성식 La(Fe1-xAlx)O3(단, x는 몰비를 나타내고, 0<x<0.5를 만족함)로 나타내어지는 세라믹 조성물을 주성분으로 한다.
본 발명의 인터커넥터용 재료는 상기 한정된 조성을 갖는 세라믹 조성물을 주성분으로 하므로 산화 분위기 및 환원 분위기 중 어느 분위기에 있어서나 화학적으로 안정됨과 아울러 이온 전도성이 매우 작고, 전자 전도율(도전율)이 높고, 소결 온도를 1300∼1400℃ 정도로 낮게 할 수 있다.
본 발명의 인터커넥터용 재료는 조성식 La(Fe1-xAlx)O3(단, x는 몰비를 나타내고, 0.1≤x≤0.3을 만족함)로 나타내어지는 세라믹 조성물을 주성분으로 하는 것이 바람직하다.
이와 같이 인터커넥터용 재료의 조성을 더 한정하면 1000℃라는 높은 온도의 환원 분위기에 있어서도 화학적으로 안정된 재료를 얻을 수 있고, 또한 전자 전도율(도전율)을 보다 높게 할 수 있다.
본 발명에 의한 셀간 분리 구조체는 고체 전해질형 연료 전지에 있어서 각각이 순서대로 적층된 애노드층, 고체 전해질층 및 캐소드층으로 구성되는 복수의 셀 사이에 배치되는 셀간 분리 구조체로서, 셀간 분리 구조체는 복수의 셀 각각에 공급되는 애노드 가스와 캐소드 가스를 분리하는 전기 절연체와, 전기 절연체 내에 형성되고 또한 복수의 셀을 서로 전기적으로 접속하는 전기 도전체로 이루어지고, 전기 절연체와 전기 도전체가 공소결에 의해 형성되고, 전기 도전체가 상기 특징을 갖는 인터커넥터용 재료로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
이와 같이 구성함으로써 고체 전해질형 연료 전지의 작동 온도인 800℃∼1000℃의 고온 환경 하이며 또한 산화 분위기 및 환원 분위기 중 어느 분위기에 있어서나 화학적으로 안정된 셀간 분리 구조체를 1300∼1400℃ 정도의 저온에서 공소결에 의해 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 셀간 분리 구조체에 있어서, 전기 도전체의 일부가 상기 특징을 갖는 인터커넥터용 재료로 형성되어 있어도 좋다. 이 경우, 인터커넥터용 재료로 형성되는 부분은 애노드층측 또는 캐소드층측에 형성되고, 애노드 가스 또는 캐소드 가스에 접촉되도록 형성되어도 좋고, 전기 도전체의 중간부에 형성되어도 좋다.
이와 같이 구성함으로써 가스를 투과시키지 않는 치밀한 부분인 상기 특징을 갖는 인터커넥터용 재료로 형성되는 부분을 작게 함으로써 셀간 분리 구조체의 제조시(공소결시)나 고체 전해질형 연료 전지의 운전시에 발생되는 열응력을 완화시킬 수 있다. 또한, 상기 전기 도전체에 있어서 전자가 흐르는 경로를 구성하는 재료로서 상기 특징을 갖는 인터커넥터용 재료보다 더 전기 저항이 작은 재료를 선택해서 사용할 수 있다.
본 발명의 하나의 국면에 의한 고체 전해질형 연료 전지는 각각이 순서대로 적층된 애노드층, 고체 전해질층 및 캐소드층으로 구성되는 복수의 셀과, 복수의 셀 사이에 배치되는 상기 특징을 갖는 셀간 분리 구조체를 구비한다.
이와 같이 구성함으로써 고체 전해질형 연료 전지의 작동 온도인 800℃∼1000℃의 고온 환경 하이며 또한 산화 분위기 및 환원 분위기 중 어느 분위기에 있어서나 화학적으로 안정된 셀간 분리 구조체를 구비한 고체 전해질형 연료 전지를 얻을 수 있고, 특히 인터커넥터와 공기극 사이의 접합 계면에 절연층이 형성되는 일도 없어 공기극과의 접합성이 양호한 인터커넥터를 구비한 고체 전해질형 연료 전지를 얻을 수 있다.
본 발명의 또 하나의 국면에 의한 고체 전해질형 연료 전지는 각각이 순서대로 적층된 애노드층, 고체 전해질층 및 캐소드층으로 구성되는 복수의 셀과, 복수의 셀 사이에 배치되는 조성식 La(Fe1-xAlx)O3(단, x는 몰비를 나타내고, 0<x<0.5를 만족함)로 나타내어지는 세라믹 조성물을 주성분으로 하는 인터커넥터용 재료로 형성된 도전체층을 적어도 포함하는 셀간 분리 구조체를 구비한다.
이와 같이 구성함으로써 산화 분위기 및 환원 분위기 중 어느 분위기에 있어서나 화학적으로 안정됨과 아울러 이온 전도성이 매우 작고, 전자 전도율(도전율)이 높고, 소결 온도를 1300∼1400℃ 정도로 낮게 하는 것이 가능한 도전체층을 포함하는 셀간 분리 구조체를 구비한 고체 전해질형 연료 전지를 얻을 수 있다.
본 발명의 또 하나의 국면에 의한 고체 전해질형 연료 전지에 있어서 애노드층이 니켈을 포함하고, 도전체층과 애노드층 사이에 중간층이 형성되고, 중간층은 스트론튬, 칼슘 및 바륨으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종의 원소를 포함하는 티탄계 페로브스카이트 산화물로 이루어지는 것이 바람직하다.
이와 같이 구성함으로써 니켈(Ni)을 포함하는 애노드층과, 조성식 La(Fe1-xAlx)O3(단, x는 몰비를 나타내고, 0<x<0.5를 만족함)로 나타내어지는 세라믹 조성물을 주성분으로 하는 인터커넥터용 재료로 형성된 도전체층을 공소결에 의해 형성할 때에 상기 인터커넥터용 재료에 포함되는 Fe와 애노드층에 포함되는 Ni가 반응 함으로써 도전체층과 애노드층 사이의 접합 계면에 고저항 상(相)이 생성되는 것을 방지할 수 있다. 이것에 의해 니켈을 포함하는 애노드층과 셀간 분리 구조체에 있어서의 도전체층의 전기적 접속을 양호하게 할 수 있다.
또한, 본 발명의 또 하나의 국면에 의한 고체 전해질형 연료 전지에 있어서는 상기와 같이 구성함으로써 복수의 셀과 셀간 분리 구조체를 공소결에 의해 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 또 하나의 국면에 의한 고체 전해질형 연료 전지에 있어서 중간층은 기공을 갖는 것이 바람직하다.
이 경우, 중간층을 치밀화할 필요가 없으므로 셀 구조의 제조가 용이해진다.
또한, 본 발명의 또 하나의 국면에 의한 고체 전해질형 연료 전지에 있어서 티탄계 페로브스카이트 산화물은 A1-xBxTi1-yCyO3(단, A는 Sr, Ca 및 Ba로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종, B는 희토류 원소, C는 Nb 또는 Ta, x와 y는 몰비를 나타내며, 0≤x≤0.5, 0≤y≤0.5를 만족함)로 나타내어지는 페로브스카이트 산화물인 것이 바람직하다.
이 경우, B는 La 또는 Y인 것이 바람직하다. 희토류 원소 중 La 또는 Y로 A의 일부를 치환함으로써 중간층의 도전율을 크게 할 수 있다.
(발명의 효과)
이상과 같이 본 발명에 의하면, 산화 분위기 및 환원 분위기 중 어느 분위기에 있어서나 화학적으로 안정됨과 아울러 이온 전도성이 낮고, 전자 전도율(도전율)이 높고, 1300∼1400℃ 정도의 낮은 온도에서 치밀화하는 것이 가능한 인터커넥터용 재료를 얻을 수 있다. 또한, 이 인터커넥터용 재료를 사용함으로써 고체 전해질형 연료 전지의 작동 온도인 800℃∼1000℃의 고온 환경 하이며 또한 산화 분위기 및 환원 분위기 중 어느 분위기에 있어서나 화학적으로 안정된 셀간 분리 구조체와 그것을 구비한 고체 전해질형 연료 전지를 얻을 수 있다.
도 1은 실시예에서 제작된 시료번호 3의 인터커넥터용 재료의 벌크 시료(x=0.1)에 있어서 XRD에 의해 얻어진 각 상(相)의 피크 강도의 일례를 나타내는 도면이다.
도 2는 인터커넥터, 고체 전해질층, 및 지지 구조체의 벌크 시료에 대해서 온도(℃)와 열팽창(ΔL/L)(%)의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 하나의 실시형태로서 평판형상 고체 전해질형 연료 전지를 구성하는 각 부재를 분해해서 나타내는 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 하나의 실시형태로서 평판형상 고체 전해질형 연료 전지를 구성하는 각 시트의 적층된 상태를 분해해서 나타내는 분해 사시도이다.
도 5는 본 발명의 하나의 실시형태로서 평판형상 고체 전해질형 연료 전지의 단면을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 또 하나의 실시형태로서, 또한 본 발명의 하나의 실시예에서 제작된 시료로서 평판형상 고체 전해질형 연료 전지를 구성하는 각 부재를 분해해서 나타내는 분해 사시도이다.
도 7은 본 발명의 또 하나의 실시형태로서, 또한 본 발명의 하나의 실시예에서 제작된 시료로서 평판형상 고체 전해질형 연료 전지를 구성하는 각 시트의 적층된 상태를 분해해서 나타내는 분해 사시도이다.
도 8은 본 발명의 또 하나의 실시형태로서, 또한 본 발명의 하나의 실시예에서 제작된 시료로서 평판형상 고체 전해질형 연료 전지의 단면을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 9는 전기 도전체의 일부가 본 발명의 인터커넥터용 재료로 형성된 하나의 예로서 평판형상 고체 전해질형 연료 전지의 단면을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 10은 전기 도전체의 일부가 본 발명의 인터커넥터용 재료로 형성된 또 하나의 예로서 평판형상 고체 전해질형 연료 전지의 단면을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 11은 전기 도전체의 일부가 본 발명의 인터커넥터용 재료로 형성된 다른 예로서 평판형상 고체 전해질형 연료 전지의 단면을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
본원 발명자는 고체 전해질형 연료 전지에 있어서 각각이 순서대로 적층된 애노드층, 고체 전해질층 및 캐소드층으로 구성되는 복수의 셀 사이에 배치되고, 복수의 셀을 서로 전기적으로 직렬로 접속하는 인터커넥터의 재료로서, 산화 분위기 및 환원 분위기 중 어느 분위기에 있어서나 화학적으로 안정됨과 아울러 전자 전도율(도전율)이 높고, 이온 전도율이 낮고, Cr을 포함하지 않는 조성에 의해 소결 온도를 낮게 하는 것이 가능한 인터커넥터용 재료를 얻기 위해서 본원 발명자는 여러 관점에서 고찰했다.
그 고찰에 의거하여 본원 발명자는 조성식 La(Fe1-xAlx)O3로 나타내어지는 세라믹 조성물을 고체 전해질형 연료 전지의 인터커넥터용 재료로서 사용하는 것을 검토했다.
그래서, 본원 발명자는 조성식 La(Fe1-xAlx)O3로 나타내어지는 세라믹 조성물을 각종 조성 비율로 제작했다. 그 결과, 조성식 La(Fe1-xAlx)O3(x는 몰비를 나타냄)로 나타내어지는 세라믹 조성물에 있어서 0<x<0.5를 만족할 때 산화 분위기 및 환원 분위기 중 어느 분위기에 있어서나 화학적으로 안정됨과 아울러 이온 전도성이 낮고, 전자 전도율(도전율)이 높고, 소결 온도를 1300∼1400℃ 정도로 낮게 할 수 있는 것을 알 수 있었다.
또한, 조성식 La(Fe1-xAlx)O3로 나타내어지는 세라믹 조성물에 있어서 0.1≤x≤0.3을 만족할 때 1000℃라는 높은 온도의 환원 분위기에 있어서도 화학적으로 안정된 재료를 얻을 수 있고, 또한 전자 전도율(도전율)을 보다 높게 할 수 있는 것을 알 수 있었다.
이러한 본원 발명자의 지견에 의거하여 상기 한정된 세라믹 조성물을 주성분으로 함으로써 산화 분위기 및 환원 분위기 중 어느 분위기에 있어서나 화학적으로 안정됨과 아울러 이온 전도성이 매우 작고, 전자 전도율(도전율)이 높고, 1300∼1400℃ 정도의 낮은 소결 온도에서 치밀화하는 것이 가능한 인터커넥터용 재료를 얻을 수 있다. 이온 도전성이 매우 작으므로 셀을 접속했을 때에 역기전력에 의한 로스를 무시할 수 있다. 또한, 본 발명의 인터커넥터용 재료는 1400℃ 이하에서 소결해서 치밀화할 수 있으므로 공기극의 기공을 유지할 수 있다.
또한, 본 발명의 하나의 실시형태로서의 고체 전해질형 연료 전지에 있어서 각각이 순서대로 적층된 애노드층, 고체 전해질층 및 캐소드층으로 구성되는 복수의 셀 사이에 배치되는 셀간 분리 구조체에 포함되는 전기 도전체의 재료에 상기 인터커넥터용 재료를 사용할 수 있다. 셀간 분리 구조체는 복수의 셀 각각에 공급되는 애노드 가스와 캐소드 가스를 분리하는 전기 절연체와, 전기 절연체 내에 형성되고 또한 복수의 셀을 서로 전기적으로 접속하는 전기 도전체로 이루어지고, 전기 절연체와 전기 도전체가 공소결에 의해 형성된다. 이 전기 도전체가 상기 특징을 갖는 인터커넥터용 재료로 형성됨으로써 고체 전해질형 연료 전지의 작동 온도인 800℃∼1000℃의 고온 환경 하이며 또한 산화 분위기 및 환원 분위기 중 어느 분위기에 있어서나 화학적으로 안정된 셀간 분리 구조체를 1300∼1400℃ 정도의 저온에서 공소결에 의해 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 하나의 실시형태로서의 고체 전해질형 연료 전지는 각각이 순서대로 적층된 애노드층, 고체 전해질층 및 캐소드층으로 구성되는 복수의 셀과, 복수의 셀 사이에 배치되는 셀간 분리 구조체를 구비하고, 복수의 셀과 셀간 분리 구조체가 공소결에 의해 형성된다. 이 셀간 분리 구조체의 일부를 구성하는 전기 도전체가 상기 특징을 갖는 인터커넥터용 재료로 형성됨으로써 고체 전해질형 연료 전지의 작동 온도인 800℃∼1000℃의 고온 환경 하이며 또한 산화 분위기 및 환원 분위기 중 어느 분위기에 있어서나 화학적으로 안정된 셀간 분리 구조체를 구비한 고체 전해질형 연료 전지를 얻을 수 있다. 특히, 인터커넥터는 주성분이 페로브스카이트상인 재료로 이루어지므로 La1-xSrxMnO3 등을 포함하는 재료로 이루어지는 캐소드층과의 접합성이 양호한 인터커넥터를 구비할 수 있고, 또한 인터커넥터와 캐소드층 사이의 접합 계면에 절연층이 형성되는 일도 없는 고체 전해질형 연료 전지를 얻을 수 있다. 그 결과, 인터커넥터와 공기극의 반응에 의한 전기 저항의 증가가 없어진다. 또한, 인터커넥터는 지르코니아와 반응하지 않는 재료로 이루어지므로 지르코니아를 포함하는 고체 전해질층, 캐소드층, 애노드층의 특성을 저하시키지 않고 각 층과 접합할 수 있다.
본 발명의 또 하나의 실시형태로서의 고체 전해질형 연료 전지는 각각이 순서대로 적층된 애노드층, 고체 전해질층 및 캐소드층으로 구성되는 복수의 셀과, 복수의 셀 사이에 배치되는 조성식 La(Fe1-xAlx)O3(단, x는 몰비를 나타내고, 0<x<0.5를 만족함)로 나타내어지는 세라믹 조성물을 주성분으로 하는 인터커넥터용 재료로 형성된 도전체층을 적어도 포함하는 셀간 분리 구조체를 구비한다.
이와 같이 구성함으로써 산화 분위기 및 환원 분위기 중 어느 분위기에 있어서나 화학적으로 안정됨과 아울러 이온 전도성이 매우 작고, 전자 전도율(도전율)이 높고, 소결 온도를 1300∼1400℃ 정도로 낮게 하는 것이 가능한 도전체층을 포함하는 셀간 분리 구조체를 구비한 고체 전해질형 연료 전지를 얻을 수 있다.
본 발명의 또 하나의 실시형태로서의 고체 전해질형 연료 전지에 있어서 애노드층이 니켈을 포함하고, 도전체층과 애노드층 사이에 중간층이 형성되고, 중간층은 스트론튬, 칼슘 및 바륨으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종의 원소를 포함하는 티탄계 페로브스카이트 산화물로 이루어지는 것이 바람직하다.
이와 같이 구성함으로써 니켈(Ni)을 포함하는 애노드층과, 조성식 La(Fe1-xAlx)O3(단, x는 몰비를 나타내고, 0<x<0.5를 만족함)로 나타내어지는 세라믹 조성물을 주성분으로 하는 인터커넥터용 재료로 형성된 도전체층을 공소결에 의해 형성할 때에 상기 인터커넥터용 재료에 포함되는 Fe와 애노드층에 포함되는 Ni가 반응함으로써 도전체층과 애노드층 사이의 접합 계면에 고저항 상이 생성되는 것을 방지할 수 있다. 이것에 의해, 니켈을 포함하는 애노드층과 셀간 분리 구조체에 있어서의 도전체층의 전기적 접속을 양호하게 할 수 있다.
또한, 본 발명의 또 하나의 실시형태로서의 고체 전해질형 연료 전지에 있어서는 상기한 바와 같이 구성함으로써 복수의 셀과 셀간 분리 구조체를 공소결에 의해 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 또 하나의 실시형태로서의 고체 전해질형 연료 전지에 있어서 중간층은 기공을 갖는 것이 바람직하다. 이 경우, 중간층을 치밀화할 필요가 없으므로 셀 구조의 제조가 용이해진다.
또한, 본 발명의 또 하나의 실시형태로서의 고체 전해질형 연료 전지에 있어서 티탄계 페로브스카이트 산화물은 A1-xBxTi1-yCyO3(단, A는 Sr, Ca 및 Ba로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종, B는 희토류 원소, C는 Nb 또는 Ta, x와 y는 몰비를 나타내고, 0≤x≤0.5, 0≤y≤0.5를 만족함)로 나타내어지는 페로브스카이트 산화물인 것이 바람직하다.
이 경우, B는 La 또는 Y인 것이 바람직하다. 희토류 원소 중 La 또는 Y로 A의 일부를 치환함으로써 중간층의 도전율을 크게 할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시형태로서의 고체 전해질형 연료 전지의 구성에 대해서 도면을 사용해서 설명한다.
도 3∼도 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 하나의 실시형태로서의 고체 전해질형 연료 전지(1)는 애노드층으로서의 연료극층(11), 고체 전해질층(12), 및 캐소드층으로서의 공기극층(13)으로 이루어지는 복수의 셀과, 복수의 셀 사이에 배치되는 셀간 분리 구조체를 구비한다. 셀간 분리 구조체는 복수의 셀 각각에 공급되는 애노드 가스로서의 연료 가스와 캐소드 가스로서의 공기를 분리하는 전기 절연체로 이루어지는 지지 구조체(14)와, 지지 구조체(14) 내에 형성되고 또한 복수의 셀을 서로 전기적으로 접속하는 전기 도전체로서의 인터커넥터(15)로 이루어진다. 인터커넥터(15)는 조성식 La(Fe1-xAlx)O3로 나타내어지는 세라믹 조성물을 사용해서 형성된다. 또한, 도 5로 나타내어지는 고체 전해질형 연료 전지(1)는 단일의 셀을 구비한 전지이며, 셀의 양측에 셀간 분리 구조체가 배치되어 있다. 또한, 연료극층(11)과 인터커넥터(15) 사이에는 연료극 집전층(31)이 배치되고, 공기극층(13)과 인터커넥터(15) 사이에는 공기극 집전층(32)이 배치된다.
본 발명의 하나의 실시형태로서의 고체 전해질형 연료 전지(1)는 다음과 같이 해서 제조된다.
우선, 셀간 분리 구조를 구성하는 지지 구조체(14)의 그린 시트에서는, 도 3에서 파선으로 나타내는 바와 같이, 복수의 인터커넥터(15)의 그린 시트를 충전하기 위한 관통 구멍(15a)을 형성한다.
또한, 지지 구조체(14)의 그린 시트에서는, 각각 도 3에서 파선으로 나타내는 바와 같이, 메카니컬 펀처(mechanical puncher)에 의해 펀칭 가공을 실시함으로써 도 4에 나타내는 연료 가스 공급로(21)와 공기 공급로(22)를 형성하기 위한 가늘고 긴 관통 구멍(21a,22a)을 형성한다.
또한, 연료극층(11), 고체 전해질층(12), 공기극층(13)이 배치되는 지지 구조체(14)의 그린 시트에는 각각 연료극층(11), 고체 전해질층(12), 공기극층(13)의 그린 시트를 끼워 넣기 위한 감합부(11a,12a,13a)를 형성한다.
또한, 연료극 집전층(31), 공기극 집전층(32)이 배치되는 지지 구조체(14)의 그린 시트에는 각각 연료극 집전층(31), 공기극 집전층(32)의 그린 시트를 끼워 넣기 위한 감합부(31a,32a)를 형성한다. 또한, 연료극 집전층(31)과 공기극 집전층(32)의 그린 시트는 연료극층(11)과 공기극층(13) 각각의 재료 분말과 동일한 조성의 것을 이용해서 제작된다.
이상과 같이 해서 제작된 지지 구조체(14)의 그린 시트의 각각에 있어서 관통 구멍(15a)에 인터커넥터(15)의 그린 시트, 감합부(11a,12a,13a)에 연료극층(11), 고체 전해질층(12), 공기극층(13)의 그린 시트, 감합부(31a,32a)에 연료극 집전층(31), 공기극 집전층(32)의 그린 시트를 끼워 넣는다. 이렇게 하여 얻어진 5매의 그린 시트를 도 4에 나타낸 바와 같이 순서대로 적층한다.
이 적층된 것을 소정 압력, 소정 온도에서 소정 시간 온간 정수압 성형(WIP)함으로써 압착한다. 이 압착체를 소정의 온도 범위 내에서 탈지 처리를 실시한 후, 소정 온도에서 소정 시간 유지함으로써 소결한다.
이렇게 하여, 본 발명의 하나의 실시형태로서의 고체 전해질형 연료 전지(1)가 제조된다.
도 6∼도 8에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 또 하나의 실시형태로서의 고체 전해질형 연료 전지(1)는 애노드층으로서의 연료극층(11), 고체 전해질층(12), 및 캐소드층으로서의 공기극층(13)으로 이루어지는 복수의 셀과, 복수의 셀 사이에 배치되는 셀간 분리 구조체를 구비한다. 여기에서, 연료극층(11)은 니켈을 포함한다. 복수의 셀 외측에는 복수의 셀 각각에 공급되는 애노드 가스로서의 연료 가스와 캐소드 가스로서의 공기를 분리하는 전기 절연체로 이루어지는 지지 구조체(14)가 형성되어 있다. 셀간 분리 구조체는 복수의 셀을 서로 전기적으로 접속하는 전기 도전체로서의 인터커넥터(15)로 이루어진다. 인터커넥터(15)는 조성식 La(Fe1-xAlx)O3로 나타내어지는 세라믹 조성물을 사용해서 형성된다. 도 8에 나타내어지는 고체 전해질형 연료 전지(1)는 단일의 셀을 구비한 전지이며, 셀의 양측에 셀간 분리 구조체가 배치되어 있다. 또한, 연료극층(11)과 인터커넥터(15) 사이에는 연료극 집전층(31)이 배치되고, 공기극층(13)과 인터커넥터(15) 사이에는 공기극 집전층(32)이 배치된다. 연료극 집전층(31)과 공기극 집전층(32)은 연료극층(11)과 공기극층(13)과 동일한 조성의 것을 사용해서 제작된다. 인터커넥터(15)와 연료극층(11) 사이에는, 구체적으로는 인터커넥터(15)와 연료극 집전층(31) 사이에는 중간층(18)이 배치되어 있다. 중간층(18)은 A1-xBxTi1-yCyO3(단, A는 Sr, Ca 및 Ba로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종, B는 희토류 원소, C는 Nb 또는 Ta, x와 y는 몰비를 나타내고, 0≤x≤0.5, 0≤y≤0.5를 만족함)로 나타내어지는 티탄계 페로브스카이트 산화물, 예를 들면 SrTiO3를 사용해서 형성된다.
이렇게 하여 조성식 La(Fe1-xAlx)O3로 나타내어지는 세라믹 조성물로 이루어지는 인터커넥터(15)와, 니켈을 포함하는 연료극층(11) 및 연료극 집전층(31)을 공소결할 때 인터커넥터(15)에 포함되는 Fe와 연료극층(11) 및 연료극 집전층(31)에 포함되는 Ni의 반응을 방지하는 것을 목적으로 해서 양자의 중간에, 예를 들면 SrTiO3로 나타내어지는 티탄계 페로브스카이트 산화물로 이루어지는 중간층(18)을 배치한다. 여기에서, 인터커넥터(15)는 도전율이 크고, 바꿔 말하면 전기 저항값이 작고, 공기나 연료 가스를 통과시키지 않도록 치밀하게 형성되어 있다. 중간층(18)을 형성하는 재료는 치밀하지 않아도 좋고, 다공질이어도 좋다.
상기한 바와 같이, 조성식 La(Fe1-xAlx)O3로 나타내어지는 세라믹 조성물로 이루어지는 인터커넥터(15)와, 니켈을 포함하는 연료극층(11) 및 연료극 집전층(31) 사이에 티탄계 페로브스카이트 산화물로 이루어지는 중간층(18)을 배치하는 것은 이하의 발명자의 지견에 의거한 것이다.
조성식 La(Fe1-xAlx)O3로 나타내어지는 세라믹 조성물로 이루어지는 인터커넥터(15)와, 니켈을 포함하는 연료극층(11)을 공소결에 의해 접합하면 Fe와 Ni가 반응하여 Fe가 결핍된 LaAlO3가 접합부(계면)에 생성되었다. 도전율이 작은 LaAlO3가 생성되면 조성식 La(Fe1-xAlx)O3로 나타내어지는 세라믹 조성물로 이루어지는 인터커넥터(15)와, 니켈을 포함하는 연료극층(11)의 전기적 접합을 저해했다. 그래서, 연료 분위기 하에서 도전율(전기 저항의 역수)이 높아지는 티탄계 페로브스카이트 산화물, 예를 들면 SrTiO3로 이루어지는 중간층(18)을 배치하면 양호한 전기적인 접속이 얻어졌다. 이것은 중간층(18)을 형성하는 A1-xBxTi1-yCyO3(단, A는 Sr, Ca 및 Ba로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 1종, B는 희토류 원소, C는 Nb 또는 Ta, x와 y는 몰비를 나타내고, 0≤x≤0.5, 0≤y≤0.5를 만족함)의 일종이다, 예를 들면 SrTiO3가 조성식 La(Fe1-xAlx)O3로 나타내어지는 세라믹 조성물로 이루어지는 인터커넥터(15)와, 니켈을 포함하는 연료극층(11)과 함께 공소결되어도 고저항층을 형성하지 않기 때문이다.
본 발명의 또 하나의 실시형태로서의 고체 전해질형 연료 전지(1)는 다음과 같이 해서 제조된다.
우선, 지지 구조체(14)의 그린 시트에서는, 각각 도 6에서 파선으로 나타내는 바와 같이, 메카니컬 펀처에 의해 펀칭 가공을 실시함으로써 도 7에 나타내는 연료 가스 공급로(21)와 공기 공급로(22)를 형성하기 위한 가늘고 긴 관통 구멍(21a,22a)을 형성한다.
또한, 연료극층(11), 고체 전해질층(12), 공기극층(13)이 배치되는 지지 구조체(14)의 그린 시트에는 각각 연료극층(11), 고체 전해질층(12), 공기극층(13)의 그린 시트를 끼워 넣기 위한 감합부(11a,12a,13a)를 형성한다.
또한, 연료극 집전층(31), 공기극 집전층(32)이 배치되는 지지 구조체(14)의 그린 시트에는 각각 연료극 집전층(31), 공기극 집전층(32)의 그린 시트를 끼워 넣기 위한 감합부(31a,32a)를 형성한다. 또한, 연료극 집전층(31)과 공기극 집전층(32)의 그린 시트는 연료극층(11)과 공기극층(13)의 각각의 재료 분말과 동일한 조성의 것을 사용해서 제작한다.
또한, 인터커넥터(15)와 중간층(18)의 그린 시트에서는, 각각 도 6에서 파선으로 나타내는 바와 같이, 메카니컬 펀처에 의해 펀칭 가공을 실시함으로써 도 7에 나타내는 연료 가스 공급로(21)와 공기 공급로(22)를 형성하기 위한 가늘고 긴 관통 구멍(21a,22a)을 형성한다.
이상과 같이 해서 제작된 지지 구조체(14)의 그린 시트의 각각에 있어서 감합부(11a,12a,13a)에 연료극층(11), 고체 전해질층(12), 공기극층(13)의 그린 시트, 감합부(31a,32a)에 연료극 집전층(31), 공기극 집전층(32)의 그린 시트를 끼워 넣는다. 이렇게 하여 얻어진 3매의 그린 시트에 인터커넥터(15)와 중간층(18)의 그린 시트를 도 7에 나타낸 바와 같이 순서대로 적층한다.
이 적층된 것을 소정 압력, 소정 온도에서 소정 시간 온간 정수압 성형(WIP)함으로써 압착한다. 이 압착체를 소정의 온도 범위 내에서 탈지 처리를 실시한 후, 소정 온도에서 소정 시간 유지함으로써 소결한다.
이렇게 해서 본 발명의 또 하나의 실시형태로서의 고체 전해질형 연료 전지(1)가 제조된다.
또한, 상기 실시형태에서는, 도 5나 도 8에 나타낸 바와 같이, 복수의 셀을 서로 전기적으로 접속하는 전기 도전체 전체가 본 발명의 인터커넥터용 재료로 형성된 인터커넥터(15)로 이루어지지만, 전기 도전체의 일부가 본 발명의 인터커넥터용 재료로 형성되어 있어도 좋다.
도 9∼도 11은 전기 도전체의 일부가 본 발명의 인터커넥터용 재료로 형성된 몇가지의 예로서 평판형상 고체 전해질형 연료 전지의 단면을 모식적으로 나타내는 단면도이다.
도 9에 나타낸 바와 같이, 셀간 분리 구조체는 복수의 셀 각각에 공급되는 애노드 가스로서의 연료 가스와 캐소드 가스로서의 공기를 분리하는 전기 절연체로 이루어지는 지지 구조체(14)와, 지지 구조체(14) 내에 형성되고 또한 복수의 셀을 서로 전기적으로 접속하는 전기 도전체로서 본 발명의 인터커넥터용 재료로 이루어지는 인터커넥터(15)와, 이 인터커넥터(15)에 접속되도록 형성된 인터커넥터용 도전체(16)로 이루어진다. 인터커넥터(15)는 공기극층(13)측에 형성되어 공기에 접촉되도록 형성되고, 구체적으로는 공기극 집전층(32)을 통해서 공기극층(13)에 접속되도록 형성되어 있다. 인터커넥터용 도전체(16)는 연료 가스에 접촉되도록 형성되고, 구체적으로는 연료극 집전층(31)을 통해서 연료극층(11)에 접속되도록 형성되고, 예를 들면 산화니켈(NiO)과 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)의 혼합물로 이루어진다.
또한, 도 10에 나타낸 바와 같이, 셀간 분리 구조체는 복수의 셀 각각에 공급되는 애노드 가스로서의 연료 가스와 캐소드 가스로서의 공기를 분리하는 전기 절연체로 이루어지는 지지 구조체(14)와, 지지 구조체(14) 내에 형성되고 또한 복수의 셀을 서로 전기적으로 접속하는 전기 도전체로서 본 발명의 인터커넥터용 재료로 이루어지는 인터커넥터(15)와, 이 인터커넥터(15)에 접속되도록 형성된 인터커넥터용 도전체(17)로 이루어진다. 인터커넥터(15)는 연료극층(11)측에 형성되어 연료 가스에 접촉되도록 형성되고, 구체적으로는 연료극 집전층(31)을 통해서 연료극층(11)에 접속되도록 형성되어 있다. 인터커넥터용 도전체(17)는 공기에 접촉되도록 형성되고, 구체적으로는 공기극 집전층(32)을 통해서 공기극층(13)에 접속되도록 형성되고, 예를 들면 란탄 망가나이트((La,Sr)MnO3)와 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)의 혼합물로 이루어진다.
또한, 도 11에 나타낸 바와 같이, 셀간 분리 구조체는 복수의 셀 각각에 공급되는 애노드 가스로서의 연료 가스와 캐소드 가스로서의 공기를 분리하는 전기 절연체로 이루어지는 지지 구조체(14)와, 지지 구조체(14) 내에 형성되고 또한 복수의 셀을 서로 전기적으로 접속하는 전기 도전체로서 본 발명의 인터커넥터용 재료로 이루어지는 인터커넥터(15)와, 이 인터커넥터(15)에 접속되도록 형성된 인터커넥터용 도전체(16,17)로 이루어진다. 인터커넥터용 도전체(16)는 연료 가스에 접촉되도록 형성되고, 구체적으로는 연료극 집전층(31)을 통해서 연료극층(11)에 접속되도록 형성되고, 예를 들면 산화니켈(NiO)과 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)의 혼합물로 이루어진다. 인터커넥터용 도전체(17)는 공기에 접촉되도록 형성되고, 구체적으로는 공기극 집전층(32)을 통해서 공기극층(13)에 접속되도록 형성되고, 예를 들면 란탄 망가나이트((La,Sr)MnO3)와 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)의 혼합물로 이루어진다. 인터커넥터(15)는 인터커넥터용 도전체(16)와 인터커넥터용 도전체(17) 사이를 접속하도록 형성되어 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 셀간 분리 구조체에 있어서, 도 9∼도 11에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 인터커넥터용 재료로 형성되는 인터커넥터(15)는, 도 9 또는 도 10에 나타낸 바와 같이, 애노드층으로서의 연료극층(11) 또는 캐소드층으로서의 공기극층(13)측에 형성되고, 애노드 가스로서의 연료 가스 또는 캐소드 가스로서의 공기에 접촉되도록 형성되어도 좋고, 도 11에 나타낸 바와 같이, 전기 도전체의 중간부에 형성되어도 좋다.
이와 같이 구성함으로써 가스를 투과시키지 않는 치밀한 부분인 본 발명의 인터커넥터용 재료로 형성되는 부분을 작게 함으로써 셀간 분리 구조체의 제조시(공소결시)나 고체 전해질형 연료 전지의 운전시에 발생되는 열응력을 완화시킬 수 있다. 또한, 상기 전기 도전체에 있어서 전자가 흐르는 경로를 구성하는 재료로서 본 발명의 인터커넥터용 재료보다 전기 저항이 더 작은 재료를 선택해서 사용할 수 있다.
예를 들면 도 9에 나타내어지는 셀간 분리 구조체의 그린 시트는 다음과 같이 해서 제조된다. 우선, 지지 구조체(14)용 그린 시트를 제작한다. 지지 구조체(14)용 그린 시트에 관통 구멍을 형성하고, 그 관통 구멍에 산화니켈(NiO)과 8몰%의 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)가 혼합된 페이스트를 충전한다. 이 페이스트는 NiO를 80중량부, YSZ를 20중량부, 비히클을 60중량부의 배합 비율로 혼합하고, 3단롤로 혼련해서 제작한다. 비히클은 에틸셀룰로오스와 용제의 혼합물로 닛신 카세이 가부시키가이샤제의 상품명 EC-200FTR을 사용한다. 한편, 인터커넥터(15)용 그린 시트를 제작한다. 그리고, 상기 관통 구멍보다 큰 직경이 되도록 도 3에 나타내는 것 같은 원판형상으로 인터커넥터(15)용 그린 시트를 절단하고, 이 원판형상 인터커넥터(15)용 그린 시트를 지지 구조체(14)용 그린 시트의 관통 구멍 부분의 공기극측에 압착한다. 또한, 도 8에 나타내어지는 바와 같은 셀간 분리 구조체의 그린 시트를 제작하기 위해서는 지지 구조체(14)용 그린 시트를 2매 제작하고, 원판형상 인터커넥터(15)용 그린 시트가 2매의 지지 구조체(14)용 그린 시트에 의해 끼워지도록 압착된다.
또한, 상기 실시형태에서는 본 발명의 인터커넥터용 재료를 평판형상의 고체 전해질형 연료 전지의 인터커넥터, 그 인터커넥터를 포함하는 셀간 분리 구조체에 적용한 예를 설명했지만, 본 발명의 인터커넥터용 재료는 원통 형상의 고체 전해질형 연료 전지에 있어서의 원통 외주면의 일부에 형성되는 인터커넥터, 플랫 튜브 형상의 고체 전해질형 연료 전지에 있어서의 평탄면에 형성되는 인터커넥터에도 적용할 수 있고, 기타 각종 형상의 인터커넥터에 적용할 수 있다.
실시예
이하, 본 발명의 실시예에 대해서 설명한다.
우선, 이하와 같이 해서 인터커넥터용 재료로서 조성식 La(Fe1-xAlx)O3로 나타내어지는 세라믹 조성물의 벌크 시료를 여러 조성 비율로 제작하고, 각 시료를 평가했다.
(벌크 시료의 제작)
조성식 La(Fe1-xAlx)O3에 있어서의 몰비인 x의 값이 표 1에 나타내어지는 값이 되도록 시료번호 1∼9의 각 시료의 출발 재료로서 산화란탄(La2O3), 산화철(Fe2O3), 산화알루미늄(Al2O3)을 화학량론에 따라 칭량하고, 물를 첨가해서 지르코니아 볼로 분쇄해서 혼합한 후, 이 혼합분을 건조시켜서 온도 1100℃에서 하소를 행했다. 얻어진 하소분에 유기 용제와 부티랄계 바인더를 첨가해서 혼합함으로써 슬러리를 제작했다. 이 슬러리로부터 독터 블레이드법으로 시트를 성형했다. 얻어진 그린 시트에 탈 바인더 처리를 실시한 후, 그린 시트를 온도 1300℃와 1400℃에서 유지함으로써 본소결을 행했다. 얻어진 각 시료를 사용해서 이하에 나타내는 평가를 행했다.
또한, 표 1에 있어서 시료번호 2∼7의 시료는 x가 0.05≤x≤0.4의 범위 내(본 발명의 범위 내)이며, 시료번호 1, 8, 9의 시료는 x=0, x=0.5, x=1(본 발명의 범위 외)이다. 시료번호 2∼8에 대해서 이하의 평가 (1)∼(6)을 행하고, 시료번호 1과 9에 대해서 이하의 평가 (1)∼(5)를 행했다.
(인터커넥터용 재료의 벌크 시료의 평가)
(1) X선 회절
각 시료의 하소 후와 본소결 후에 있어서 분말 X선 회절 분석(XRD, CuKα선)을 행함으로써 생성 상의 확인을 행했다. 소결 후, 모든 시료에 있어서 페로브스카이트 구조의 단상인 것이 확인되었다.
(2) 소결성
본소결 후의 각 시료의 밀도를 아르키메데스법으로 측정했다. 각 시료에 있어서 온도 1300℃와 1400℃에서 소결한 후의 상대 밀도가 92% 이상인지의 여부에 의해 소결성을 평가했다. 표 1에 있어서 온도 1300℃ 또는 온도 1400℃에서 소결한 후의 상대 밀도가 92% 이상인 것을 「소결성(1300℃)」 또는 「소결성(1400℃)」의 란에서 ○표시로 나타내고, 상대 밀도가 92% 미만이면 ×표시로 나타낸다.
(3) 도전율
본소결 후의 각 시료에 대해서 산화 분위기(온도 900℃의 대기 중)와 환원 분위기(약 4%의 수증기를 포함하는 수소 가스 중)의 도전율, 온도 1000℃의 산화 분위기와 환원 분위기의 도전율을 교류 4단자 측정법에 의해 측정했다. x가 클수록 도전율은 작았다. 평판형상의 고체 전해질형 연료 전지 셀에서 0.3A/㎠의 전류 밀도로 발전시, 시료의 두께가 40㎛일 때 옴손을 50mV 이하로 하기 위해서는 도전율이 0.025Scm-1 이상 필요하다. 연료 전지 셀에 있어서의 절연성 지지 구조체에 인터커넥터로서 개재시키는 경우에는 인터커넥터가 점유하는 비율이 체적비로 50% 이하인 것으로 하면 도전율이 상기의 2배인 0.05Scm-1 이상 필요하다. 이것을 고려해서 표 1에서는 도전율이 0.05Scm-1 이상인 것을 ◎표시, 0.025Scm-1 이상 0.05Scm-1 미만인 것을 ○표시, 0.025Scm-1 미만인 것을 ×표시로 나타낸다.
(4) 환원 안정성
온도 900℃와 온도 1000℃의 환원 분위기 중에서 각 시료를 61시간 어닐하고, 페로브스카이트 구조의 단상이 분해되는지의 여부에 대해서 분말 X선 회절 분석으로 조사했다. 시료번호 1의 시료(x=0)에 있어서는 환원 분위기 중에서 페로브스카이트 구조의 단상이 La2O3(또는 La(OH)3)와 금속 Fe로 분해되었다. 시료번호 2의 시료(x=0.05)에 있어서는 900℃의 환원 분위기 중에서는 페로브스카이트 구조의 단상은 안정되었지만, 1000℃의 환원 분위기 중에서는 페로브스카이트 구조의 단상이 분해되어 La2O3와 금속 Fe의 생성이 보여졌다. 시료번호 3∼9의 시료(x≥0.1)에 있어서는 페로브스카이트 구조의 단상은 900℃와 1000℃의 환원 분위기 중에서 안정되며, La2O3와 금속 Fe의 생성이 없었다. 페로브스카이트 구조의 단상의 분해가 온도 900℃ 또는 온도 1000℃의 환원 분위기 중에서 발생되지 않은 시료를 ○표시로, 온도 900℃ 또는 온도 1000℃의 환원 분위기 중에서 발생된 시료를 ×표시로 표 1에 나타낸다.
(5) 지르코니아와의 반응성
첨가량 3몰%의 Y2O3로 안정화된 지르코니아(ZrO2)(이트리아 안정화 지르코니아:YSZ)와 각 시료의 원재료를 혼합한 후, 온도 1300℃에서 소결했다. 분말 X선 회절 분석(XRD, CuKα선)을 행함으로써 생성 상의 확인을 행했다. 어느 시료에 있어서나 지르코니아와의 반응은 없었다. 표 1에 있어서 ○표시는 지르코니아와의 반응이 없었던 것을 나타낸다. 도 1은 시료번호 3의 시료(x=0.1)에 있어서 XRD에 의해 얻어진 각 상의 피크 강도의 일례를 나타낸다. 도 1에 있어서 P는 페로브스카이트상의 피크, Z는 지르코니아상의 피크를 나타낸다.
(6) 이온 전도성
0.05≤x≤0.5의 범위 내에 있는 조성의 시료번호 2∼8의 시료에 대해서 직경이 30mm, 두께가 10mm인 디스크형상으로 그린 시트를 가공했다. 이들 그린 시트를 소결한 후, 소결체의 양면에 백금 전극을 형성했다. 온도 900℃로 유지된 상태의 소결체의 한쪽 표면에 연료 가스의 산소 분압에 상당하는 산소 분압을 갖는 온도 30℃의 가습 수소 가스(약 4%의 수증기를 포함하는 수소 가스)를 소결체의 다른쪽 표면에 공기를 분사해서 수소 농담 전지로서 기전력을 측정했다. 산소 이온 전도가 있으면 최대 이론값 1.04V의 전압이 발생하지만, 평가한 모든 시료에서 2mV 정도의 기전력이 발생했다. 이 결과, 전도전율의 0.2%가 이온 전도에 상당하는 것이라고 짐작된다. 이 정도의 이온 전도는 전자 전도에 비해 매우 작아 무시할 수 있는 것이다. 표 1에서는 이온 전도성이 거의 없는 것을 ○표시로 나타낸다.
Figure pct00001
표 1에 나타낸 바와 같이, 0.05≤x≤0.4의 범위 내에 있는 조성의 시료(시료번호 2∼75)는 조성식 La(Fe1-xAlx)O3(x는 몰비를 나타냄)로 나타내어지는 세라믹 조성물에 있어서 0<x<0.5를 만족할 때이며, 상기 벌크 시료의 평가에 의거해서 산화 분위기 및 환원 분위기 중 어느 분위기에 있어서나 화학적으로 안정됨과 아울러 이온 전도성이 없고, 전자 전도율(도전율)이 높고, 소결 온도를 1300∼1400℃ 정도로 낮게 할 수 있는 것을 알 수 있었다. 또한, 0.1≤x≤0.3의 범위 내에 있는 조성의 시료(시료번호 3∼6)는 상기 벌크 시료의 평가에 의거해서 1000℃라는 높은 온도의 환원 분위기에 있어서도 화학적으로 안정된 재료를 얻을 수 있음과 아울러 전자 전도율(도전율)을 보다 높게 할 수 있는 것을 알 수 있었다.
이어서, 이하와 같이 해서 중간층용 재료로서 조성식 Sr1-xAxTi1-yByO3(단, A는 La 또는 Y, B는 Nb 또는 Ta, x와 y는 몰비를 나타내고, 0≤x≤0.5, 0≤y≤0.5를 만족함)로 나타내어지는 세라믹 조성물의 벌크 시료를 여러 조성 비율로 제작하고, 각 시료를 평가했다.
(벌크 시료의 제작)
조성식 A1-xBxTi1-yCyO3(단, A는 Sr, B는 La 또는 Y, C는 Nb 또는 Ta, x와 y는 몰비를 나타내고, 0≤x≤0.5, 0≤y≤0.5를 만족함)에 있어서의 몰비인 x의 값과 y의 값을 상기 범위 내에서 소정의 값으로 설정해서 목적으로 하는 조성이 되도록 시료의 출발 재료로서 산화란탄(La2O3), 산화이트륨(Y2O3), 탄산 스트론튬(SrCO3), 산화티탄(TiO2), 산화니오브(Nb2O5), 산화탄탈(Ta2O5)을 화학량론에 따라 칭량하고, 물을 첨가해서 지르코니아 볼로 분쇄해서 혼합한 후, 이 혼합분을 건조시켜서 온도 1100℃에서 하소를 행했다. 시료에 기공을 형성하기 위해서 얻어진 하소분에 카본을 0∼20중량% 첨가함과 아울러 유기 용제와 부티랄계 바인더를 첨가해서 혼합함으로써 슬러리를 제작했다. 이 슬러리로부터 독터 블레이드법으로 시트를 성형했다. 얻어진 그린 시트에 탈 바인더 처리를 실시한 후, 그린 시트를 온도 1300℃에서 유지함으로써 본소결을 행했다. 얻어진 시료를 사용해서 이하에 나타내는 평가를 행했다.
(중간층용 재료의 벌크 시료의 평가)
(1) X선 회절
시료의 하소 후와 본소결 후에 있어서 분말 X선 회절 분석(XRD, CuKα선)을 행함으로써 생성상의 확인을 행했다. 소결 후, 모든 조성에 있어서 페로브스카이트 구조의 단상인 것이 확인되었다.
(2) 전기 저항값
이하의 각 부재의 재료 분말에 폴리부티랄계 바인더와, 유기 용매로서 에탄올과 톨루엔의 혼합물을 혼합함으로써 슬러리를 제작했다. 이 슬러리로부터 독터 블레이드법으로 인터커넥터와 중간층과 연료극층과 공기극층의 그린 시트를 성형했다.
인터커넥터:(LaFe0.8Al0.2O3)(x=0.2)의 출발 재료의 하소분.
중간층:A1-xBxTi1-yCyO3(단, A는 Sr, x=0, y=0), 즉, SrTiO3의 출발 재료의 하소분.
연료극층:산화니켈(NiO) 65중량%와, 첨가량 8몰%의 이트리아(Y2O3)로 안정화된 지르코니아(ZrO2)(이트리아 안정화 지르코니아:8YSZ) 35중량%의 혼합물로 이루어지는 재료 분말 100중량부에 대하여 카본 분말을 30중량부 첨가한 것.
공기극층:La0.8Sr0.2MnO3로 이루어지는 재료 분말 100중량부에 대하여 카본 분말을 30중량부 첨가한 것.
얻어진 인터커넥터와 중간층의 그린 시트를 직경 30mm의 원판형상으로 가공했다. 연료극층과 공기극층의 그린 시트를 직경 15mm의 원판형상으로 가공했다. 원판형상의 공기극층의 그린 시트에 인터커넥터와 중간층과 연료극층의 시트를 순서대로 적층했다. 또한, 소결 후의 두께가 공기극층:50㎛, 인터커넥터:300㎛, 연료극층:50㎛, 중간층:9㎛, 30㎛ 및 50㎛의 3종류가 되도록 각 그린 시트의 두께를 설정했다.
이 적층된 것을 1000kgf/㎠의 압력, 80℃의 온도에서 2분간 온간 정수압 성형(WIP)함으로써 압착했다. 이 압착체를 온도 400∼500℃의 범위 내에서 탈 바인더 처리를 실시한 후, 온도 1300℃에서 3시간 유지함으로써 소결했다.
얻어진 적층체 소결 시료(시료번호 11∼13)의 공기극층과 연료극층의 표면에 백금망을 부착한 단자를 압박하여 공기극층측에 공기, 연료극층측에 온도 30℃의 가습된 수소 가스(약 4%의 수증기를 포함하는 수소 가스)를 흘려서 온도 900℃에서 전기 저항값을 측정했다. 또한, 중간층의 재료 분말인 하소분에는 카본을 첨가하지 않았으므로 중간층의 개기공률은 0%였다.
또한, 비교를 위해서 원판형상의 공기극층의 그린 시트에 인터커넥터와 연료극층의 시트를 순서대로 적층한 것을 상기와 동일하게 해서 적층체 소결 시료(시료번호 10)를 제작하고, 전기 저항값을 측정했다.
전기 저항값의 측정 결과를 표 2에 나타낸다.
Figure pct00002
표 2로부터 비교예로서 공기극층과 인터커넥터와 연료극층을 순서대로 적층한 시료(시료번호 10)에서는 높은 전기 저항을 나타낸 것에 대해서, 본 발명예로서 공기극층과 인터커넥터와 중간층과 연료극층을 순서대로 적층한 시료(시료번호 11∼13)에서는 상당히 낮은 전기 저항을 나타내고, 중간층의 두께가 얇을수록 그 전기 저항값이 작아지는 것을 알 수 있다.
(3) 기공의 효과
중간층의 시료에 여러 기공률로 기공을 형성하기 위해서 중간층의 재료 분말로서 SrTiO3의 출발 재료의 하소분에 카본을 0∼20중량%의 범위 내에서 첨가함과 아울러 유기 용제와 부티랄계 바인더를 첨가해서 혼합함으로써 슬러리를 제작했다. 그리고, 상기와 동일하게 해서 적층체 소결 시료(시료번호 14∼17)를 제작하고, 전기 저항값을 측정했다. 또한, 중간층의 소결 후의 두께는 50㎛가 되도록 했다. 기공률은 아르키메데스법으로 측정했다.
전기 저항값의 측정 결과를 표 3에 나타낸다.
Figure pct00003
표 3으로부터 기공률을 높게 하면 적층체 소결 시료의 전기 저항값이 약간 커지지만 문제가 없는 정도인 것을 알 수 있다.
(4) 도펀트의 효과
SrTiO3에 있어서 Sr과 Ti의 일부를 치환한 재료로 이루어지는 중간층의 시료를 제작하기 위해서 중간층의 재료 분말로서 Sr1-xBxTi1-yCyO3(B는 La 또는 Y, C는 Nb 또한 Ta, x=0.2, y=0.2)의 출발 재료의 하소분에 유기 용제와 부티랄계 바인더를 첨가해서 혼합함으로써 슬러리를 제작했다. 그리고, 상기와 동일하게 해서 적층체 소결 시료(시료번호 18∼21)를 제작하고, 전기 저항값을 측정했다. 또한, 중간층의 재료 분말인 하소분에는 카본을 첨가하지 않았으므로 중간층의 개기공률은 0%였다. 또한, 중간층의 소결 후의 두께는 50㎛가 되도록 했다.
전기 저항값의 측정 결과를 표 4에 나타낸다.
Figure pct00004
표 4로부터 SrTiO3에 있어서 Sr과 Ti의 일부를 치환한 재료로 이루어지는 중간층의 시료에서는 적층체 소결 시료의 전기 저항값이 낮아지는 것을 알 수 있다.
(연료 전지 시료의 제작과 발전 시험)
이어서, 인터커넥터용 재료로서 표 1의 시료번호 5에 나타내는 조성(x=0.2)의 세라믹 조성물을 사용해서 평판형상 고체 전해질형 연료 전지의 시료를 제작하고, 발전 시험을 행했다.
우선, 도 6∼도 8에 나타내는 고체 전해질형 연료 전지(1)의 시료를 구성하는 각 부재의 재료 분말을 이하와 같이 준비했다.
연료극층(11):산화니켈(NiO) 65중량%와, 첨가량 8몰%의 이트리아(Y2O3)로 안정화된 지르코니아(ZrO2)(이트리아 안정화 지르코니아:8YSZ) 35중량%의 혼합물로 이루어지는 재료 분말 100중량부에 대하여 카본 분말을 30중량부 첨가한 것.
고체 전해질층(12):첨가량 10몰%의 이트리아(Y2O3)로 안정화된 지르코니아(ZrO2)(이트리아 안정화 지르코니아:10YSZ).
공기극층(13):La0.8Sr0.2MnO3로 이루어지는 재료 분말 100중량부에 대하여 카본 분말을 30중량부 첨가한 것.
지지 구조체(14):Y0.15Ta0.15Zr0.7O2[첨가량 7.5몰%의 Y2O3와 첨가량 7.5몰%의 Ta2O5로 안정화된 지르코니아(ZrO2)](전기 절연 재료).
인터커넥터(15):(LaFe0.8Al0.2O3)(x=0.2)의 출발 재료의 하소분.
중간층(18):기공률이 20%가 되도록 SrTiO3의 출발 재료의 하소분으로 이루어지는 재료 분말에 대하여 소정량의 카본 분말을 첨가한 것.
우선, 인터커넥터(15), 고체 전해질층(12), 및 지지 구조체(14)의 벌크 시료에 대해서 열기계 분석 장치(TMA)에 의해 열팽창을 조사했다. 그 결과를 도 2에 나타낸다. 도 2는 온도(℃)와 열팽창(ΔL/L)(%)의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 2의 그래프에 있어서 x=0.1, 전해질, 지지 구조체로 지시되는 선은 인터커넥터(15), 고체 전해질층(12), 및 지지 구조체(14)의 벌크 시료에 대한 온도와 열팽창의 관계를 나타낸다. 예를 들면 인터커넥터(15), 고체 전해질층(12), 및 지지 구조체(14)의 각각의 벌크 시료에 대해서 온도 1000℃에 있어서의 공기 중의 열팽창 계수는 11.1×10-6/K, 10.2×10-6/K, 10.5×10-6/K였다. 인터커넥터(15)와 고체 전해질층(12)의 벌크 시료 사이에서는 열팽창차는 작은 것을 알 수 있다. 특히, 인터커넥터(15)와 지지 구조체(14)의 벌크 시료 사이에서는 열팽창차는 작은 것을 알 수 있다.
이어서, 인터커넥터(15)와 고체 전해질층(12)의 재료 분말을 사용해서 온도 1300℃에서 공소결했다. 소결 후의 평면 치수는 63mm×49mm, 고체 전해질층(12)의 두께는 200㎛, 인터커넥터(15)의 두께는 200㎛였다. 얻어진 소결체에 있어서 고체 전해질층(12)과 인터커넥터(15)는 그 사이에 박리는 없고, 강고하게 접합되어 있었다. 그 소결체를 온도 1000℃까지 가열하고, 10℃/min으로 승강온을 반복하여 1000℃에서 24시간 더 유지했지만, 고체 전해질층(12)과 인터커넥터(15) 사이에서 박리는 생기지 않았다. 따라서, 상기에서 측정된 인터커넥터(15)와 고체 전해질층(12)의 벌크 시료 사이에서의 열팽창차는 문제가 되지 않는 것을 알 수 있다.
그래서, 이상과 같이 준비된 재료를 사용해서, 도 6에 나타낸 바와 같이, 연료극층(11), 고체 전해질층(12), 공기극층(13), 지지 구조체(14), 인터커넥터(15), 중간층(18)의 그린 시트를 다음과 같이 해서 제작했다.
각 재료 분말과, 폴리비닐부티랄계 바인더와, 유기 용매로서의 에탄올과 톨루엔의 혼합물(중량 비율로 혼합비가 1:4)을 혼합한 후, 독터 블레이드법에 의해 그린 시트를 제작했다.
지지 구조체(14)의 그린 시트에서는 각각 도 6에서 파선으로 나타내는 바와 같이, 메카니컬 펀처에 의해 펀칭 가공을 실시함으로써 도 7에 나타내는 연료 가스 공급로(21)와 공기 공급로(22)를 형성하기 위한 가늘고 긴 관통 구멍(21a,22a)을 형성했다.
또한, 연료극층(11), 고체 전해질층(12), 공기극층(13)이 배치되는 지지 구조체(14)의 그린 시트에는 각각 연료극층(11), 고체 전해질층(12), 공기극층(13)의 그린 시트를 끼워 넣기 위한 감합부(11a,12a,13a)를 형성했다.
또한, 연료극 집전층(31), 공기극 집전층(32)이 배치되는 지지 구조체(14)의 그린 시트에는 각각 연료극 집전층(31), 공기극 집전층(32)의 그린 시트를 끼워 넣기 위한 감합부(31a,32a)를 형성했다. 또한, 연료극 집전층(31)과 공기극 집전층(32)의 그린 시트는 연료극층(11)과 공기극층(13)의 각각의 재료 분말과 동일한 조성의 것을 사용해서 제작했다.
또한, 인터커넥터(15)와 중간층(18)의 그린 시트에서는 각각 도 6에서 파선으로 나타내는 바와 같이, 메카니컬 펀처에 의해 펀칭 가공을 실시함으로써 도 7에 나타내는 연료 가스 공급로(21)와 공기 공급로(22)를 형성하기 위한 가늘고 긴 관통 구멍(21a,22a)을 형성했다.
이상과 같이 같이 해서 제작된 지지 구조체(14)의 그린 시트의 각각에 있어서 관통 구멍(15a)에 인터커넥터(15)의 그린 시트, 감합부(11a,12a,13a)에 연료극층(11), 고체 전해질층(12), 공기극층(13)의 그린 시트, 감합부(31a,32a)에 연료극 집전층(31), 공기극 집전층(32)의 그린 시트를 끼워 넣었다. 이렇게 하여 얻어진 3매의 그린 시트에 인터커넥터(15)와 중간층(18)의 그린 시트를 도 7에 나타낸 바와 같이 순서대로 적층했다. 또한, 소결 후의 두께가 연료극층(11):50㎛, 고체 전해질층(12):50㎛, 공기극층(13):50㎛, 인터커넥터(15):300㎛, 중간층(18):50㎛, 연료극 집전층(31):250㎛, 공기극 집전층(32):250㎛가 되도록 각 그린 시트의 두께를 설정했다.
이 적층된 것을 1000kgf/㎠의 압력, 80℃의 온도에서 2분간, 온간 정수압 성형(WIP)함으로써 압착했다. 이 압착체에 온도 400∼500℃의 범위 내에서 탈 바인더 처리를 실시한 후, 온도 1300℃에서 3시간 유지함으로써 소결했다.
얻어진 고체 전해질형 연료 전지(1)의 시료를 900℃로 승온해서 온도 30℃의 가습된 수소 가스(약 4%의 수증기를 포함하는 수소 가스)와, 공기를 각각 연료 가스 공급로(21)와 공기 공급로(22)를 통해서 공급해서 발전 시험을 행하고, 개회로 전압(open circuit voltage:OCV)을 측정했다. 개회로 전압은 이론값과 마찬가지로 1.07V이며, 셀의 임피던스도 작았다. 0.4A/㎠의 전류 밀도로 통전한 후에도 개회로 전압과 임피던스가 모두 변화되지 않았다. 이것으로부터 인터커넥터(15)를 포함하는 고체 전해질형 연료 전지(1)는 공소결에 의해 크랙이 발생되지 않고, 치밀하게 형성할 수 있고, 특히 인터커넥터(15)와 공기극층(13) 사이에 고저항층을 형성하고 있지 않을 뿐만 아니라, 인터커넥터(15)와 연료극층(11) 사이에도 고저항층이 형성되어 있지 않고, 양호한 전기적 접속이 얻어진 것을 알 수 있다.
이번 개시된 실시형태와 실시예는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것은 아니다라고 고려되어야 할 것이다. 본 발명의 범위는 이상의 실시형태와 실시예는 아니고, 청구범위에 의해 나타내어지며, 청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 수정이나 변형을 포함하는 것이 의도된다.
(산업상 이용 가능성)
산화 분위기 및 환원 분위기 중 어느 분위기에 있어서나 화학적으로 안정됨과 아울러 이온 전도성이 낮고, 전자 전도율(도전율)이 높고, 1300∼1400℃ 정도의 낮은 온도에서 치밀화하는 것이 가능한 인터커넥터용 재료를 얻을 수 있으므로, 이 인터커넥터용 재료를 사용함으로써 고체 전해질형 연료 전지의 작동 온도인 800℃∼1000℃의 고온 환경 하이며 또한 산화 분위기 및 환원 분위기 중 어느 분위기에 있어서나 화학적으로 안정된 셀간 분리 구조체와 그것을 구비한 고체 전해질형 연료 전지를 얻을 수 있다.
1:고체 전해질형 연료 전지 11:연료극층
12:고체 전해질층 13:공기극층
14:지지 구조체 15:인터커넥터
18:중간층 21:연료 가스 공급로
22:공기 공급로

Claims (11)

  1. 고체 전해질형 연료 전지에 있어서 각각이 순서대로 적층된 애노드층, 고체 전해질층 및 캐소드층으로 구성되는 복수의 셀 사이에 배치되고, 복수의 셀을 서로 전기적으로 직렬로 접속하는 인터커넥터의 재료로서:
    조성식 La(Fe1-xAlx)O3(단, x는 몰비를 나타내고, 0<x<0.5를 만족함)로 나타내어지는 세라믹 조성물을 주성분으로 하는 것을 특징으로 하는 인터커넥터용 재료.
  2. 제 1 항에 있어서,
    조성식 La(Fe1-xAlx)O3(단, x는 몰비를 나타내고, 0.1≤x≤0.3을 만족함)로 나타내어지는 세라믹 조성물을 주성분으로 하는 것을 특징으로 하는 인터커넥터용 재료.
  3. 고체 전해질형 연료 전지에 있어서 각각이 순서대로 적층된 애노드층, 고체 전해질층 및 캐소드층으로부터 구성되는 복수의 셀 사이에 배치되는 셀간 분리 구조체로서:
    상기 셀간 분리 구조체는 상기 복수의 셀 각각에 공급되는 애노드 가스와 캐소드 가스를 분리하는 전기 절연체와, 상기 전기 절연체 내에 형성되고 또한 상기 복수의 셀을 서로 전기적으로 접속하는 전기 도전체로 이루어지고, 상기 전기 절연체와 상기 전기 도전체가 공소결에 의해 형성되고;
    상기 전기 도전체는 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 인터커넥터용 재료로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 셀간 분리 구조체.
  4. 고체 전해질형 연료 전지에 있어서 각각이 순서대로 적층된 애노드층, 고체 전해질층 및 캐소드층으로 구성되는 복수의 셀 사이에 배치되는 셀간 분리 구조체로서:
    상기 셀간 분리 구조체는 상기 복수의 셀 각각에 공급되는 애노드 가스와 캐소드 가스를 분리하는 전기 절연체와, 상기 전기 절연체 내에 형성되고 또한 상기 복수의 셀을 서로 전기적으로 접속하는 전기 도전체로 이루어지고, 상기 전기 절연체와 상기 전기 도전체가 공소결에 의해 형성되고;
    상기 전기 도전체의 일부는 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 인터커넥터용 재료로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 셀간 분리 구조체.
  5. 각각이 순서대로 적층된 애노드층, 고체 전해질층 및 캐소드층으로 구성되는 복수의 셀; 및
    상기 복수의 셀 사이에 배치되는 제 3 항 또는 제 4 항에 기재된 셀간 분리 구조체를 구비한 것을 특징으로 하는 고체 전해질형 연료 전지.
  6. 각각이 순서대로 적층된 애노드층, 고체 전해질층 및 캐소드층으로 구성되는 복수의 셀; 및
    상기 복수의 셀 사이에 배치되는 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 인터커넥터용 재료로 형성된 도전체층을 적어도 포함하는 셀간 분리 구조체를 구비하는 것을 특징으로 하는 고체 전해질형 연료 전지.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 애노드층이 니켈을 포함하고, 상기 도전체층과 상기 애노드층 사이에 중간층이 형성되고, 상기 중간층은 스트론튬, 칼슘 및 바륨으로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상의 원소를 포함하는 티탄계 페로브스카이트 산화물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고체 전해질형 연료 전지.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 복수의 셀과 상기 셀간 분리 구조체가 공소결에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 전해질형 연료 전지.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 중간층은 기공을 갖는 것을 특징으로 하는 고체 전해질형 연료 전지.
  10. 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 티탄계 페로브스카이트 산화물은 A1-xBxTi1-yCyO3(단, A는 Sr, Ca 및 Ba로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상, B는 희토류 원소, C는 Nb 또는 Ta, x와 y는 몰비를 나타내고, 0≤x≤0.5, 0≤y≤0.5를 만족함)로 나타내어지는 페로브스카이트 산화물인 것을 특징으로 하는 고체 전해질형 연료 전지.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 B는 La 또는 Y인 것을 특징으로 하는 고체 전해질형 연료 전지.
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Families Citing this family (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101053227B1 (ko) * 2009-04-20 2011-08-01 주식회사 포스비 평관형 구조체를 이용한 고체산화물 연료전지용 스택
WO2011138915A1 (ja) * 2010-05-07 2011-11-10 株式会社 村田製作所 高温構造材料、固体電解質形燃料電池用構造体および固体電解質形燃料電池
JP4955830B1 (ja) * 2010-12-13 2012-06-20 日本碍子株式会社 固体酸化物形燃料電池
CN103443979B (zh) * 2011-03-25 2015-12-09 株式会社村田制作所 燃料电池
CN103477484B (zh) * 2011-03-31 2016-07-06 株式会社村田制作所 燃料电池
WO2013012009A1 (ja) 2011-07-21 2013-01-24 株式会社村田製作所 固体酸化物形燃料電池用電気的接続材、固体酸化物形燃料電池、固体酸化物形燃料電池モジュール及び固体酸化物形燃料電池の製造方法
JP5686190B2 (ja) * 2011-07-21 2015-03-18 株式会社村田製作所 固体酸化物形燃料電池用接合材、固体酸化物形燃料電池の製造方法、固体酸化物形燃料電池モジュールの製造方法、固体酸化物形燃料電池及び固体酸化物形燃料電池モジュール
JP5748593B2 (ja) * 2011-07-26 2015-07-15 日本碍子株式会社 電気化学セル
FR2983356B1 (fr) * 2011-11-24 2014-01-24 Commissariat Energie Atomique Procede de fabrication d'une batterie tout solide
US20160112684A1 (en) * 2013-05-23 2016-04-21 Medibotics Llc Spectroscopic Finger Ring for Compositional Analysis of Food or Other Environmental Objects
JP6046959B2 (ja) * 2012-09-05 2016-12-21 日本特殊陶業株式会社 酸素透過膜
WO2014050715A1 (ja) * 2012-09-27 2014-04-03 株式会社 村田製作所 固体電解質形燃料電池
EP3038196A4 (en) * 2013-08-22 2017-01-11 Murata Manufacturing Co., Ltd. Solid electrolyte fuel cell
WO2015029983A1 (ja) * 2013-08-30 2015-03-05 株式会社村田製作所 セパレータ及び燃料電池
CN105177387B (zh) * 2015-08-06 2017-03-15 江苏师范大学 一种3D芯片堆叠的含Eu、纳米Au的互连材料
JPWO2017199448A1 (ja) * 2016-05-20 2019-03-22 ＦＣＯ Ｐｏｗｅｒ株式会社 インターコネクト構造及び固体酸化物形燃料電池
JP6541727B2 (ja) * 2017-07-24 2019-07-10 カルソニックカンセイ株式会社 接合方法
DE102021107865A1 (de) * 2021-03-29 2022-09-29 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein Bauteile aus einem keramischen Werkstoffverbund und Verfahren zu seiner Herstellung
CN114225895B (zh) * 2022-02-25 2022-05-13 农业农村部环境保护科研监测所 一种La-Fe-Al复合金属氧化物、制备方法及用途

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2984750B2 (ja) 1990-09-07 1999-11-29 工業技術院長 カルシウムドープランタンクロマイト粉体及びその焼結体とそれを利用した固体電解質型燃料電池並びにカルシウムドープランタンクロマイト粉体の合成方法
US5403461A (en) * 1993-03-10 1995-04-04 Massachusetts Institute Of Technology Solid electrolyte-electrode system for an electrochemical cell
CA2161957C (en) * 1993-03-20 2004-02-24 Kevin Kendall Solid oxide fuel cell structures
US5759936A (en) * 1996-03-21 1998-06-02 Haldor Topsoe As Lanthanide ceramic material
JPH10134828A (ja) * 1996-10-30 1998-05-22 Tokyo Gas Co Ltd 平板型固体電解質燃料電池の燃料極とセパレータ間の集電方法
JPH1140181A (ja) 1997-07-23 1999-02-12 Tokyo Gas Co Ltd 固体電解質型燃料電池の起動・停止及び運転あるいは待機状態での高温保持方法
JP2001052725A (ja) 1999-08-06 2001-02-23 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 円筒型固体電解質燃料電池の周辺部材の材料およびこれを利用したセル
CN1809944A (zh) * 2003-01-31 2006-07-26 Utc燃料电池有限责任公司 固体氧化物燃料电池堆用柔顺、容许应变的互连器
CN100335415C (zh) * 2003-02-28 2007-09-05 新加坡纳米材料科技有限公司 一种制备各种晶态钙钛矿类化合物粉体的方法
JP4719940B2 (ja) * 2004-12-27 2011-07-06 Ｔｏｔｏ株式会社 インターコネクタ材料及びこれを備えた固体酸化物形燃料電池
JP4953692B2 (ja) 2006-05-29 2012-06-13 京セラ株式会社 セルスタック及び燃料電池
US8021799B2 (en) * 2006-07-12 2011-09-20 The Trustees Of The University Of Pennsylvania High-performance ceramic anodes for use with strategic and other hydrocarbon fuels
JP4984802B2 (ja) * 2006-10-05 2012-07-25 株式会社村田製作所 固体電解質形燃料電池用セパレータ

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