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JP5111793B2 - Solid oxide fuel cell stack and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description

本発明は、横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタック及びその作製方法に関し、より詳しくは横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、各セル間のインターコネクタ(IC)として中間層を有する横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタック及びその作製方法に関する。   The present invention relates to a horizontal stripe type solid oxide fuel cell stack and a manufacturing method thereof, and more particularly, in a horizontal stripe type solid oxide fuel cell stack, a horizontal stripe having an intermediate layer as an interconnector (IC) between cells. The present invention relates to a solid oxide fuel cell stack of the type and a manufacturing method thereof.

固体酸化物形燃料電池(以下、適宜“SOFC”と略称する。)は、一般的には、作動温度が800〜1000℃程度と高いが、最近では800℃程度以下、すなわち800〜650℃という範囲の作動温度のものも開発されつつある。SOFCは、電解質材料を挟んでアノードとカソードが配置され、アノード/電解質/カソードの三層ユニットで構成される。   A solid oxide fuel cell (hereinafter abbreviated as “SOFC” where appropriate) generally has a high operating temperature of about 800 to 1000 ° C., but recently it is about 800 ° C. or less, that is, 800 to 650 ° C. A range of operating temperatures is also being developed. The SOFC has an anode and a cathode arranged with an electrolyte material in between, and is composed of a three-layer unit of anode / electrolyte / cathode.

SOFCの運転時には、アノード側に燃料を通し、カソード側に酸化剤ガス、例えば空気を通して、両電極を外部負荷に接続することで電力が得られる。ところが、単電池(本明細書中適宜“セル”とも言う。)一つでは高々0.8V程度の電圧しか得られないので、実用的な電力を得るためには複数の単電池を直列に接続する必要がある。隣接する単電池を電気的に直列に接続するのと同時に、アノードとカソードのそれぞれに燃料と空気とを適正に分配、供給し、また排出する目的で、インターコネクタとセルとが交互に積層される。   During operation of the SOFC, electric power can be obtained by passing fuel to the anode side and passing an oxidant gas such as air to the cathode side and connecting both electrodes to an external load. However, since a single cell (also referred to as “cell” in this specification as appropriate) can only obtain a voltage of about 0.8 V at most, a plurality of single cells are connected in series to obtain practical power. There is a need to. Interconnectors and cells are stacked alternately for the purpose of properly distributing, supplying, and discharging fuel and air to and from the anode and cathode, respectively, at the same time that adjacent cells are electrically connected in series. The

上記のようなSOFCは複数のセルを積層するタイプであるが、これに代えてセルの配置を横縞方式とすることも考えられている。横縞方式には円筒タイプ(特開平10−3932号公報)や中空扁平タイプ(WO 2004/082058 A1、WO 2004/088783 A1)などの方式がある。   The SOFC as described above is a type in which a plurality of cells are stacked. However, instead of this, it is considered that the arrangement of the cells is a horizontal stripe method. The horizontal stripe method includes a cylindrical type (Japanese Patent Laid-Open No. 10-3932) and a hollow flat type (WO 2004/082058 A1, WO 2004/088783 A1).

特開平10−3932号公報JP-A-10-3932 WO 2004/082058 A1WO 2004/082058 A1 WO 2004/088783 A1WO 2004/088783 A1

図17はWO 2004/082058 A1に開示された中空扁平タイプの構成例を示す図である。図17(a)は斜視図、図17(b)は平面図、図17(c)は図17(b)中A−A線断面図である。なお、図17(a)〜(b)中、インターコネクタ16の記載は省略している。中空扁平状の絶縁体基板11の上に順次、アノード12、電解質13及びカソード14からなるセル15を複数個形成し、それぞれをインターコネクタ16を介して電気的に直列に接続して構成される。燃料は、図17(a)及び図17(c)中矢印(→)で示すとおり、絶縁体基板11内の空間すなわち燃料の流通部17をセル15の配列方向と平行に流通させる。なお、燃料の流通部は、流通路1個とは限らず複数でもよく、その断面形状についても、多角形状〔矩形状(含、中空扁平状)、四角形状等〕、円形状、楕円形状などに構成される。   FIG. 17 is a diagram showing a configuration example of a hollow flat type disclosed in WO 2004/082058 A1. 17A is a perspective view, FIG. 17B is a plan view, and FIG. 17C is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 17B. In addition, description of the interconnector 16 is abbreviate | omitted in Fig.17 (a)-(b). A plurality of cells 15 each including an anode 12, an electrolyte 13 and a cathode 14 are sequentially formed on a hollow flat insulator substrate 11, and each cell is electrically connected in series via an interconnector 16. . As shown by arrows (→) in FIGS. 17A and 17C, the fuel flows through the space in the insulating substrate 11, that is, the fuel circulation portion 17 in parallel with the arrangement direction of the cells 15. Note that the number of fuel circulation portions is not limited to one and may be plural, and the cross-sectional shape thereof may be a polygonal shape (including a rectangular shape (including a hollow flat shape), a rectangular shape, etc.), a circular shape, an elliptical shape, and the like. Configured.

図1は、そのうちインターコネクタ16の配置関係を説明する図で、横縞状に配置された複数個のセルのうち、隣接する二つのセルの部分を取り出して断面図として示している。以下に述べる本発明に係る中間層との関係で、図17に示すインターコネクタ16をA、支持基板を1、アノードを2、2、隣接する電解質を3、3、隣接するカソードを5、5として示している。インターコネクタAは、隣接するセル間、すなわち一つのセルのアノードと当該セルの隣のセルのカソードとの間を電気的に接続する。   FIG. 1 is a diagram for explaining the positional relationship of the interconnector 16, and shows two adjacent cell portions out of a plurality of cells arranged in a horizontal stripe shape as a cross-sectional view. In relation to the intermediate layer according to the present invention described below, the interconnector 16 shown in FIG. 17 is A, the supporting substrate is 1, the anode is 2, 2, the adjacent electrolyte is 3, 3, the adjacent cathode is 5, 5 As shown. The interconnector A electrically connects between adjacent cells, that is, between the anode of one cell and the cathode of a cell adjacent to the cell.

インターコネクタAの構成材料の例としては、下記(1)〜(4)の材料が挙げられる。これらの材料は、例えばスラリー化され、成膜、乾燥することでインターコネクタAが形成される。
(1) 式(Ln,A)CrO3(式中、Lnはランタノイド、AはBa、Ca、MgまたはSrである)で示される酸化物を主成分とする材料。
(2) Tiを含む酸化物、例えばMTiO3(式中、MはBa、Ca、Pb、Bi、Cu、Sr、La、Li、Ceから選ばれた少なくとも1種の元素である)。
(3) Agを主原料とする材料。この材料の場合には、この材料で作製されたインターコネクタをガラスで覆うことが望ましい。
(4) Ag、Agろう、及び、Agとガラスの混合物のうちのいずれか1種または2種以上からなる材料。
Examples of the constituent material of the interconnector A include the following materials (1) to (4). These materials are made into a slurry, for example, and the interconnector A is formed by film formation and drying.
(1) A material whose main component is an oxide represented by the formula (Ln, A) CrO 3 (wherein Ln is a lanthanoid and A is Ba, Ca, Mg or Sr).
(2) An oxide containing Ti, such as MTiO 3 (wherein M is at least one element selected from Ba, Ca, Pb, Bi, Cu, Sr, La, Li, and Ce).
(3) A material mainly composed of Ag. In the case of this material, it is desirable to cover the interconnector made of this material with glass.
(4) A material composed of one or more of Ag, Ag wax, and a mixture of Ag and glass.

本発明者らは、電解質材料、アノード材料、カソード材料の熱膨張率との関係やコスト面などの観点から、それらのインターコネクタ材料のうち、特にAgとガラスを含むコンポジット材料について着目し、実用化に向けて実験、開発を続けている。特願2005−005752号(平成17年1月12日出願、以下“752号出願”と言う。)においては、Agとガラスを含むコンポジット材料のみを用いた場合には耐久性に問題があったところ、アノードと該インターコネクタ材料との間にAgとNi(本明細書中、適宜“Ag+Ni”と記載している。)を含むコンポジット材料からなる中間層を形成することにより、その耐久性を改善している。   From the viewpoints of the relationship between the thermal expansion coefficients of electrolyte materials, anode materials, and cathode materials, and the cost, the present inventors paid particular attention to composite materials containing Ag and glass, among these interconnector materials. We are continuing experiments and developments toward the realization. In Japanese Patent Application No. 2005-005752 (filed on January 12, 2005, hereinafter referred to as “752 application”), there was a problem in durability when only a composite material containing Ag and glass was used. However, by forming an intermediate layer made of a composite material containing Ag and Ni (referred to as “Ag + Ni” where appropriate in this specification) between the anode and the interconnector material, the durability can be improved. It has improved.

特願2005−005752号出願Application for Japanese Patent Application No. 2005-005752

752号出願に係る中間層は耐久性の改善等に有効であるが、この中間層を配したSOFCスタックについて、その作製過程、発電開始時以降の性能如何等に関してさらに追求したところ、インターコネクタの剥離が生じやすく、製造段階での歩留まりや耐久性が低く、また、発電開始後も、発電、停止の繰り返しによる熱サイクルにより剥離、破損の可能性が高いことが分かった。本発明は、中間層を配した横縞方式のSOFCスタックにおけるそれらの問題を解決するためになされたものである。   Although the intermediate layer according to the 752 application is effective for improving durability, etc., the SOFC stack provided with this intermediate layer was further pursued in terms of its production process, performance after the start of power generation, etc. It was found that peeling is likely to occur, the yield and durability at the manufacturing stage are low, and after the start of power generation, the possibility of peeling and breakage is high due to the thermal cycle caused by repeated power generation and stoppage. The present invention has been made to solve these problems in a horizontal stripe SOFC stack having an intermediate layer.

すなわち、本発明は、横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックにおける中間層について、それら剥離の問題、製造段階での歩留、耐久性をさらに改善するとともに、発電開始後も、発電、停止の繰り返しによる熱サイクルによる剥離、破損の問題を解決してなる横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタック及びその作製方法を提供することを目的とするものである。   That is, the present invention further improves the problem of peeling, the yield at the production stage, and durability of the intermediate layer in the horizontal-striped solid oxide fuel cell stack, and prevents power generation and stoppage after the start of power generation. It is an object of the present invention to provide a horizontal stripe type solid oxide fuel cell stack and a method for producing the same, which solve the problem of peeling and breakage due to repeated thermal cycles.

本発明は、(1)内部に燃料の流通部を有する支持基板の表面に、順次、アノード、電解質及びカソードからなる複数のセルを形成するとともに、隣接するセル間をインターコネクタを介して電気的に直列に接続してなる横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックである。そして、隣接するセルのアノードとインターコネクタとの間に、AgとNiからなるコンポジット材料中に多数の細孔を有する中間層を配し、その上面及び電解質を覆ってAgとガラスを含むコンポジット材料からなるインターコネクタを配してなることを特徴とする。   According to the present invention, (1) a plurality of cells including an anode, an electrolyte, and a cathode are sequentially formed on the surface of a support substrate having a fuel circulation portion therein, and adjacent cells are electrically connected via an interconnector. Is a solid oxide fuel cell stack of horizontal stripe type connected in series. Then, an intermediate layer having a large number of pores is arranged in a composite material made of Ag and Ni between the anode of the adjacent cell and the interconnector, and the composite material containing Ag and glass covers the upper surface and the electrolyte. It is characterized by comprising an interconnector consisting of

本発明は、(2)内部に燃料の流通部を有する支持基板の表面に、順次、アノード、電解質及びカソードからなる複数のセルを形成するとともに、隣接するセル間をインターコネクタを介して電気的に直列に接続してなる横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックである。そして、隣接するセルのアノードとインターコネクタとの間に、AgとNiを主成分とし且つガラスを含むコンポジット材料中に多数の細孔を有する中間層を配するとともに、その上面及び電解質を覆ってAgとガラスを含むコンポジット材料からなるインターコネクタを配してなることを特徴とする。   According to the present invention, (2) a plurality of cells including an anode, an electrolyte, and a cathode are sequentially formed on the surface of a support substrate having a fuel circulation portion inside, and adjacent cells are electrically connected via an interconnector. Is a solid oxide fuel cell stack of horizontal stripe type connected in series. Then, between the anode of the adjacent cell and the interconnector, an intermediate layer having a large number of pores is arranged in a composite material mainly composed of Ag and Ni and containing glass, and the upper surface and the electrolyte are covered. An interconnector made of a composite material containing Ag and glass is provided.

本発明は、(3)内部に燃料の流通部を有する支持基板の表面に、順次、アノード、電解質及びカソードからなる複数のセルを形成するとともに、隣接するセル間をインターコネクタを介して電気的に直列に接続してなる横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックである。そして、隣接するセルのアノードとインターコネクタとの間に、AgとNiを主成分としガラスを含むコンポジット材料からなる中間層を配するとともに、その上面及び電解質を覆ってAgとガラスを含むコンポジット材料からなるインターコネクタを配してなることを特徴とする。本発明(3)は参考発明である。 In the present invention, (3) a plurality of cells composed of an anode, an electrolyte, and a cathode are sequentially formed on the surface of a support substrate having a fuel circulation portion therein, and adjacent cells are electrically connected via an interconnector. Is a solid oxide fuel cell stack of horizontal stripe type connected in series. An intermediate layer made of a composite material containing Ag and Ni as main components and containing glass is disposed between the anode and the interconnector of the adjacent cell, and the composite material containing Ag and glass covers the upper surface and the electrolyte. It is characterized by comprising an interconnector consisting of The present invention (3) is a reference invention.

本発明は、(4)内部に燃料の流通部を有する支持基板の表面に、順次、アノード、電解質及びカソードからなる複数のセルを形成するとともに、隣接するセル間をインターコネクタを介して電気的に直列に接続してなる横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックである。そして、隣接するセルのアノードとインターコネクタとの間に、AgとNiを主成分とし難還元性酸化物を含むコンポジット材料からなる中間層を配するとともに、その上面及び電解質を覆ってAgとガラスを含むコンポジット材料からなるインターコネクタを配してなることを特徴とする。本発明(4)は参考発明である。
According to the present invention, (4) a plurality of cells including an anode, an electrolyte, and a cathode are sequentially formed on the surface of a support substrate having a fuel flow portion therein, and adjacent cells are electrically connected via an interconnector. Is a solid oxide fuel cell stack of horizontal stripe type connected in series. An intermediate layer made of a composite material mainly composed of Ag and Ni and containing a non-reducible oxide is disposed between the anode and the interconnector of the adjacent cell, and the upper surface and the electrolyte are covered with Ag and glass. An interconnector made of a composite material containing The present invention (4) is a reference invention.

本発明は、(5)内部に燃料の流通部を有する支持基板の表面に、順次、アノード、電解質及びカソードからなる複数のセルを形成し、隣接するセルのアノードとインターコネクタとの間に、AgとNiからなるコンポジット材料中に多数の細孔を有する中間層を配し、その上面及び電解質を覆ってAgとガラスを含むコンポジット材料からなるインターコネクタを配してなる横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックを作製する方法である。そして、前記AgとNiからなるコンポジット材料中に多数の細孔を有する中間層を、隣接するセルのアノードとインターコネクタとの間に、その主成分であるAgとNiに造孔剤を添加した混合物を塗布し、焼成することにより形成することを特徴とする。本発明(5)は、本発明(1)の作製方法に相当する。   According to the present invention, (5) a plurality of cells including an anode, an electrolyte, and a cathode are sequentially formed on the surface of a support substrate having a fuel flow portion therein, and between the anode and interconnector of adjacent cells, Horizontal stripe type solid oxide comprising an intermediate layer having a large number of pores in a composite material made of Ag and Ni, and an interconnector made of a composite material containing Ag and glass covering the upper surface and the electrolyte. This is a method for producing a fuel cell stack. Then, an intermediate layer having a large number of pores in the composite material made of Ag and Ni was added between the anode and the interconnector of the adjacent cells, and a pore forming agent was added to Ag and Ni as the main components. It is formed by applying a mixture and baking. The present invention (5) corresponds to the production method of the present invention (1).

本発明は、(6)内部に燃料の流通部を有する支持基板の表面に、順次、アノード、電解質及びカソードからなる複数のセルを形成し、隣接するセルのアノードとインターコネクタとの間に、AgとNiを主成分とし且つガラスを含むコンポジット材料中に多数の細孔を有する中間層を配するとともに、その上面及び電解質を覆ってAgとガラスを含むコンポジット材料からなるインターコネクタを配してなる横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックを作製する方法である。そして、前記AgとNiを主成分とし且つガラスを含むコンポジット材料中に多数の細孔を有する中間層を、隣接するセルのアノードとインターコネクタとの間に、その主成分であるAgとNiに造孔剤とガラス粉を添加した混合物を塗布し、焼成することにより形成することを特徴とする。本発明(6)は、本発明(2)の作製方法に相当する。   In the present invention, (6) a plurality of cells including an anode, an electrolyte, and a cathode are sequentially formed on the surface of a support substrate having a fuel circulation portion inside, and between the anode and interconnector of adjacent cells, An intermediate layer having a large number of pores is arranged in a composite material mainly composed of Ag and Ni and containing glass, and an interconnector made of the composite material containing Ag and glass is arranged so as to cover the upper surface and the electrolyte. This is a method for producing a horizontal oxide solid oxide fuel cell stack. An intermediate layer having a large number of pores in a composite material containing Ag and Ni as main components and containing glass is formed between Ag and Ni as main components between an anode and an interconnector of an adjacent cell. It is characterized by being formed by applying and baking a mixture to which a pore-forming agent and glass powder are added. The present invention (6) corresponds to the production method of the present invention (2).

本発明によれば、各セル間のインターコルクタとして中間層を有する横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、その製造段階における歩留り、耐久性をさらに改善し、また、横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックの発電時における熱膨張を緩和して剥離、破損の問題を解決し、また発電、停止の繰り返しによる熱サイクルによる剥離、破損の問題を解決することができる。   According to the present invention, in a solid oxide fuel cell stack of a horizontal stripe method having an intermediate layer as an inter-connector between cells, the yield and durability in the manufacturing stage are further improved, and the solid oxide of the horizontal stripe method is used. The thermal expansion during power generation of the physical fuel cell stack can be eased to solve the problem of separation and damage, and the problem of separation and damage due to the thermal cycle caused by repeated power generation and stoppage can be solved.

本発明は、横縞方式のSOFCスタックにおいて、隣接するセル間(すなわち、隣接するセルのうち、一方のセルのアノードと他方のセルのカソード)を電気的に連結するインターコネクタの構成材料として“Agとガラスを含むコンポジット材料”を用いるとともに、隣接するセルのアノードと“Agとガラスを含むコンポジット材料(すなわちインターコネクタ)”との間に中間層を配置する。   In the horizontal stripe SOFC stack, the present invention provides “Ag” as a constituent material of an interconnector that electrically connects adjacent cells (that is, an anode of one cell and a cathode of the other cell). And a composite material comprising glass and an intermediate layer is placed between the anode of an adjacent cell and the “composite material comprising Ag and glass (ie, interconnector)”.

中間層は、インターコネクタの構成材料としてAgとガラスを含むコンポジット材料を用いた場合の耐久性の問題を改善するための層であり、そのコンポジット材料におけるAgとNiの配合割合は、その改善目的を達成できる範囲で設定するが、Ag:NiOとして重量比で7:3から1:9の範囲であるのが好ましい。   The intermediate layer is a layer for improving the durability problem when a composite material containing Ag and glass is used as the constituent material of the interconnector. The mixing ratio of Ag and Ni in the composite material is the purpose of the improvement. However, it is preferable that the weight ratio is 7: 3 to 1: 9 as Ag: NiO.

また、中間層は、アノード、電解質、インターコネクタとの関係では、アノード上面で且つ、隣接するセルの電解質間に配され、その中間層の上面及び電解質を覆ってインターコネクタが配される。なお、中間層もインターコネクタであるが、そのようにアノード上面で、且つ隣接するセルの電解質間に配された部分を、本明細書においては“中間層”と称している。   Further, in the relationship with the anode, the electrolyte, and the interconnector, the intermediate layer is disposed on the upper surface of the anode and between the electrolytes of adjacent cells, and the interconnector is disposed so as to cover the upper surface of the intermediate layer and the electrolyte. Although the intermediate layer is also an interconnector, the portion arranged on the upper surface of the anode and between the electrolytes of adjacent cells is referred to as an “intermediate layer” in this specification.

そして、本発明(1)においては、その中間層の形成に際して、主成分であるAgとNiに“造孔剤”を含む混合物を使用し、本発明(2)においては、その中間層の形成に際して、主成分であるAgとNiに“造孔剤とガラス粉”を含む混合物を使用し、本発明(3)においては、その中間層として、主成分であるAgとNiに“ガラス粉”を含む混合物を使用し、本発明(4)においては、その中間層として、主成分であるAgとNiに“難還元性酸化物”を含む混合物を使用する。   In the present invention (1), when the intermediate layer is formed, a mixture containing “pore-forming agent” in Ag and Ni as main components is used. In the present invention (2), the intermediate layer is formed. In this case, a mixture containing “pore forming agent and glass powder” in Ag and Ni as main components is used, and in the present invention (3), “glass powder” is used as an intermediate layer in Ag and Ni as main components. In the present invention (4), a mixture containing “refractory oxide” in Ag and Ni as main components is used as the intermediate layer.

支持基板の構成材料としては、MgOとMgAl24の混合物、ジルコニア系酸化物、ジルコニア系酸化物とMgOとMgAl24の混合物などが用いられるが、これらに限定されない。そのうち、MgOとMgAl24の混合物は、MgOとMgAl24の全量のうちMgOが20〜70vol%含まれる混合物であるのが好ましい。また、ジルコニア系酸化物の例としては、イットリア安定化ジルコニア〔YSZ:(Y23X(ZrO21-X(式中、x=0.03〜0.12)〕などが挙げられる。 As a constituent material of the support substrate, a mixture of MgO and MgAl 2 O 4 , a zirconia-based oxide, a mixture of zirconia-based oxide, MgO and MgAl 2 O 4 , or the like is used, but is not limited thereto. Among them, a mixture of MgO and MgAl 2 O 4 is preferably a mixture of MgO contained 20~70Vol% of the total amount of MgO and MgAl 2 O 4. Examples of zirconia-based oxides include yttria-stabilized zirconia [YSZ: (Y 2 O 3 ) X (ZrO 2 ) 1-X (where x = 0.03 to 0.12)]. It is done.

アノードの構成材料としては、例えばNiを主成分とする材料、金属を含むセラミック材料などが用いられるが、これら材料に限定されない。金属を含むセラミック材料のうち、セラミック材料としては、例えばイットリア安定化ジルコニア〔YSZ:(Y23X(ZrO21-X(式中、x=0.05〜0.15)〕が用いられ、金属としては、Ni、Cu、Fe、Ru及びPdから選ばれた少なくとも1種の金属、すなわちそれら金属のうち1種または2種以上の金属が用いられる。 As a constituent material of the anode, for example, a material containing Ni as a main component, a ceramic material containing a metal, or the like is used, but the material is not limited to these materials. Among the ceramic materials containing metals, examples of the ceramic material include yttria-stabilized zirconia [YSZ: (Y 2 O 3 ) X (ZrO 2 ) 1-X (where x = 0.05 to 0.15)]. As the metal, at least one metal selected from Ni, Cu, Fe, Ru, and Pd, that is, one or more of these metals is used.

それら金属を含むセラミック材料のうち、Niを含むYSZ(Ni−YSZサーメット)、すなわちNiと〔(Y23X(ZrO21-X(式中、x=0.05〜0.15)〕との混合物は、本発明において好ましいアノード材料であり、特に当該混合物中のNiを40vol%以上分散させたものであるのが好ましい。 Among these metal-containing ceramic materials, Ni-containing YSZ (Ni—YSZ cermet), that is, Ni and [(Y 2 O 3 ) X (ZrO 2 ) 1-X (where x = 0.05-0. 15)] is a preferable anode material in the present invention, and it is particularly preferable that Ni in the mixture is dispersed in an amount of 40 vol% or more.

電解質の構成材料は、イオン導電性を有する固体電解質であればよく、その例としては下記(1)〜(4)の材料が挙げられるが、これら例示の材料に限定されない。
(1)イットリア安定化ジルコニア〔YSZ:(Y23X(ZrO21-X(式中、x=0.05〜0.15)〕。
(2)スカンジア安定化ジルコニア〔(Sc23X(ZrO21-X(式中、x=0.05〜0.15)〕。
(3)イットリアドープセリア〔(Y23X(CeO21-X(式中、x=0.02〜0.4)〕。
(4)ガドリアドープセリア〔(Gd23X(CeO21-X(式中、x=0.02〜0.4)〕。
The constituent material of the electrolyte may be a solid electrolyte having ionic conductivity, and examples thereof include the following materials (1) to (4), but are not limited to these exemplified materials.
(1) Yttria-stabilized zirconia [YSZ: (Y 2 O 3 ) X (ZrO 2 ) 1-X (where x = 0.05 to 0.15)].
(2) Scandia-stabilized zirconia [(Sc 2 O 3 ) X (ZrO 2 ) 1-X (where x = 0.05 to 0.15)].
(3) Yttria-doped ceria [(Y 2 O 3 ) X (CeO 2 ) 1-X (where x = 0.02 to 0.4)].
(4) Gadria-doped ceria [(Gd 2 O 3 ) X (CeO 2 ) 1-X (where x = 0.02 to 0.4)].

図2は、本発明に係るSOFCセルスタックの態様例を説明する図である。横縞状に配置された複数個のセルのうち、隣接する二つのセルの部分を取り出して断面図として示している。図2(a)中、1は支持基板、2はアノード、3、3は隣接する電解質、Aはインターコネクタである。図2(a)のとおり、本発明においては、隣接するセルのアノードとインターコネクタAとの間に中間層Bを設ける。   FIG. 2 is a diagram for explaining an example of the SOFC cell stack according to the present invention. Among a plurality of cells arranged in a horizontal stripe, two adjacent cells are taken out and shown as a cross-sectional view. In FIG. 2A, 1 is a support substrate, 2 is an anode, 3 is an adjacent electrolyte, and A is an interconnector. As shown in FIG. 2A, in the present invention, an intermediate layer B is provided between the anode of an adjacent cell and the interconnector A.

そして、本発明(1)においては、その中間層Bの形成に際して、主成分であるAgとNiに“造孔剤”を含む混合物を使用し、本発明(2)においては、その中間層Bの形成に際して、主成分であるAgとNiに“造孔剤とガラス粉”を含む混合物を使用し、本発明(3)においては、その中間層として、主成分であるAgとNiに“ガラス粉”を含むコンポジット材料を使用し、本発明(4)においては、その中間層として、主成分であるAgとNiに“難還元性酸化物”を含むコンポジット材料を使用する。   In the present invention (1), when the intermediate layer B is formed, a mixture containing “pore forming agent” in Ag and Ni as main components is used. In the present invention (2), the intermediate layer B is used. In the present invention (3), a mixture containing “pore-forming agent and glass powder” in Ag and Ni as main components is used, and in the present invention (3), “Glass” is added to Ag and Ni as main components. In the present invention (4), a composite material containing “refractory oxide” in Ag and Ni as main components is used as the intermediate layer.

〈本発明(1)における中間層Bの態様〉
本発明(1)においては、中間層Bの形成に際して、主成分であるAgとNiに対して“造孔剤”を添加する。造孔剤は中間層B中に多数の孔を形成するための材料であり、造孔剤としては炭素粉、繊維状炭素粉、液状乃至固体の炭化水素などを用いる。造孔剤の添加量は“Ag+NiO”に対して1wt%以上、20wt%以下であるのが望ましい。
<Mode of Intermediate Layer B in the Present Invention (1)>
In the present invention (1), when forming the intermediate layer B, a “pore-forming agent” is added to Ag and Ni as the main components. The pore-forming agent is a material for forming a large number of pores in the intermediate layer B. As the pore-forming agent, carbon powder, fibrous carbon powder, liquid or solid hydrocarbon, or the like is used. The amount of pore-forming agent added is desirably 1 wt% or more and 20 wt% or less with respect to “Ag + NiO”.

中間層Bの形成時に、その主成分であるAgとNiに造孔剤を混合し、塗布した後、焼成して造孔剤を焼き飛ばすことにより多数の孔を形成する。こうして形成された中間層Bは、孔以外の部分は主成分であるAgとNiからなっている。また、中間層Bを構成するコンポジット材料にはZrO2、その他の微量成分を含んでいてもよい。この点、以下に述べる本発明(2)〜(4)における中間層Bについても同様である。 When forming the intermediate layer B, a pore forming agent is mixed with Ag and Ni as the main components, applied, and then fired to burn off the pore forming agent to form a large number of holes. The intermediate layer B formed in this way is composed of Ag and Ni as main components except for the holes. The composite material constituting the intermediate layer B may contain ZrO 2 and other trace components. The same applies to the intermediate layer B in the present invention (2) to (4) described below.

〈本発明(2)における中間層Bの態様〉
本発明(2)においては、中間層Bの形成に際して、主成分であるAgとNiに対して造孔剤とガラス粉を添加する。造孔剤は中間層B中に多数の孔を形成する材料であり、造孔剤としては炭素粉、繊維状炭素粉、液状乃至固体の炭化水素などを用いる。ガラス粉は、中間層Bの熱膨張係数を緩和し、接合強度を高める役割をするものであればよく、その例としてはSiO2・B23・MgO・CaO・BaO系接合材、SiO2・SrO・K2O・Na2O系接合材などが挙げられる。ガラス粉と造孔剤は、両成分を合わせた添加量が“Ag+NiO”に対して1wt%以上、20wt%以下であるのが望ましい。
<Aspect of the intermediate layer B in the present invention (2)>
In the present invention (2), when forming the intermediate layer B, a pore former and glass powder are added to Ag and Ni as the main components. The pore-forming agent is a material that forms a large number of pores in the intermediate layer B. As the pore-forming agent, carbon powder, fibrous carbon powder, liquid or solid hydrocarbon, or the like is used. Glass powder, to reduce thermal expansion coefficient of the intermediate layer B, as long as it serves to increase the bonding strength, SiO 2 · B 2 O 3 · MgO · CaO · BaO based bonding material as an example, SiO Examples thereof include 2 · SrO · K 2 O · Na 2 O-based bonding materials. As for glass powder and a pore making material, it is desirable that the addition amount of both components is 1 wt% or more and 20 wt% or less with respect to “Ag + NiO”.

中間層Bの形成時に、その主成分であるAgとNiに造孔剤とガラス粉を混合し、塗布した後、焼成して造孔剤を焼き飛ばすことにより多数の孔を形成する。こうして形成された中間層Bのうち、多数の孔以外の部分はAgとNiとガラスからなっている。   At the time of forming the intermediate layer B, a pore forming agent and glass powder are mixed and applied to Ag and Ni as the main components, applied, and then fired to burn off the pore forming agent to form a large number of holes. Of the intermediate layer B formed in this way, the portions other than the numerous holes are made of Ag, Ni, and glass.

図3は、主成分であるAgとNiに対して、造孔剤、または、造孔剤とガラス粉を添加して形成した中間層Bを説明する図である。図3(a)のとおり、中間層Bの形成時に造孔剤が焼成により飛ぶことにより多数の孔が形成されている。これにより、SOFCスタックの作動時における熱膨張を緩和して剥離、破損の問題を解決することができる。図3(b)は、図3(a)における中間層Bの一部分を拡大した図である。   FIG. 3 is a diagram for explaining an intermediate layer B formed by adding a pore forming agent or a pore forming agent and glass powder to Ag and Ni as main components. As shown in FIG. 3A, a large number of holes are formed by the pore-forming agent flying by firing when the intermediate layer B is formed. Thereby, the thermal expansion at the time of operation of the SOFC stack can be relaxed, and the problem of peeling and breakage can be solved. FIG. 3B is an enlarged view of a part of the intermediate layer B in FIG.

〈本発明(3)における中間層Bの態様〉
本発明(3)においては、中間層Bの形成時に、主成分であるAgとNiに対してガラスを添加したコンポジット材料を塗布した後、乾燥する。そして、後述〈インターコネクタAの構成材料〉を塗布した後、共焼する。ガラス粉は、中間層Bの熱膨張を緩和し、接合強度を高める役割をするものであればよく、その例としてはSiO2・B23・MgO・CaO・BaO系接合材、SiO2・SrO・K2O・Na2O系接合材などが挙げられる。ガラス粉の添加量は“Ag+NiO”に対して1wt%以上、20wt%以下であるのが望ましい。
<Aspect of the intermediate layer B in the present invention (3)>
In the present invention (3), when the intermediate layer B is formed, a composite material in which glass is added to Ag and Ni as main components is applied and then dried. And after applying <the constituent material of the interconnector A> mentioned later, it co-fires. The glass powder only needs to play a role of relaxing the thermal expansion of the intermediate layer B and increasing the bonding strength. Examples thereof include SiO 2 · B 2 O 3 · MgO · CaO · BaO based bonding material, SiO 2 etc. · SrO · K 2 O · Na 2 O -based bonding material and the like. The amount of glass powder added is desirably 1 wt% or more and 20 wt% or less with respect to “Ag + NiO”.

図4は、主成分であるAgとNiに対して、ガラス粉を添加して形成した中間層Bを説明する図である。図4のとおり、中間層Bは主成分であるAg及びNiと、ガラスとからなっており、このうちガラス成分により、Ag及びNiだけの場合に比べて、アノード2との密着性を良くすることができる。これにより、その製造段階における歩留り、耐久性をさらに改善し、また、SOFCスタックの発電時における熱膨張を緩和して剥離、破損の問題を解決することができる。   FIG. 4 is a diagram for explaining an intermediate layer B formed by adding glass powder to Ag and Ni as main components. As shown in FIG. 4, the intermediate layer B is composed of Ag and Ni as main components and glass. Among these, the glass component improves the adhesion with the anode 2 as compared with the case of Ag and Ni alone. be able to. As a result, the yield and durability in the manufacturing stage can be further improved, and thermal expansion during power generation of the SOFC stack can be mitigated to solve the problem of peeling and breakage.

〈本発明(4)における中間層Bの態様〉
本発明(4)においては、中間層Bの形成時に、主成分であるAgとNiに対して難還元性酸化物を含むコンポジット材料を塗布し、乾燥する。そして、後述〈インターコネクタAの構成材料〉を塗布し、共焼する。難還元性酸化物は、AgとNiを主成分とする中間層Bの熱膨張を緩和し、接合強度を高める役割をするものであればよく、その例としてはY23が挙げられる。ここで、難還元性酸化物における“難還元性”とは、300〜900℃、水素雰囲気または水素と水蒸気の混合雰囲気下において安定であることを意味し、また“酸化物”には複合酸化物が含まれる。難還元性酸化物の添加量は“Ag+NiO”に対して1wt%以上、20wt%以下であるのが望ましい。この場合の中間層Bも図4のようになる。
<Mode of Intermediate Layer B in the Present Invention (4)>
In the present invention (4), at the time of forming the intermediate layer B, a composite material containing a hardly-reducible oxide is applied to Ag and Ni as the main components and dried. Then, a <constituent material for interconnector A> described later is applied and co-fired. The non-reducible oxide may be any oxide that has a role of relaxing the thermal expansion of the intermediate layer B mainly composed of Ag and Ni and increasing the bonding strength, and examples thereof include Y 2 O 3 . Here, “non-reduced” in the non-reduced oxide means that it is stable at 300 to 900 ° C. in a hydrogen atmosphere or a mixed atmosphere of hydrogen and water vapor. Things are included. The addition amount of the hardly-reducible oxide is preferably 1 wt% or more and 20 wt% or less with respect to “Ag + NiO”. The intermediate layer B in this case is also as shown in FIG.

〈インターコネクタAの構成材料〉
次に、インターコネクタAの構成材料として、Agとガラスを含むコンポジット材料を用いる。このコンポジット材料は、絶縁体であるガラスに電流を流すために電気伝導性材料であるAgを混入し、その混合物をインターコネクタAの構成材料として使用するものである。Ag成分としては、Agそのもののほか、例えばAg−Pd系合金などのAgを含む合金やAgを含む金属ろう材が挙げられる。本明細書及び特許請求の範囲において“Agとガラスを含むコンポジット材料”におけるAgとは、それらAgを含む合金やAgを含む金属ろう材を含む意味である。
<Components of interconnector A>
Next, as a constituent material of the interconnector A, a composite material containing Ag and glass is used. In this composite material, Ag, which is an electrically conductive material, is mixed in order to pass a current through glass, which is an insulator, and the mixture is used as a constituent material of the interconnector A. As the Ag component, in addition to Ag itself, for example, an alloy containing Ag such as an Ag—Pd alloy or a metal brazing material containing Ag can be used. In the present specification and claims, “Ag” in the “composite material containing Ag and glass” means to include an alloy containing these Ag and a metal brazing material containing Ag.

インターコネクタAを構成するコンポジット材料のガラスの種類については特に限定されない。ガラスは、SiO2あるいはこれに加えてAl23を含む網目状構造中に、K2O、ZnO、BaO、Na2O、CaO等を含むもので、例えばソーダガラス、ホウ珪酸ガラス、石英ガラスその他適宜選択して用いることができる。その特性としては、熱膨張係数が6.0〜14.0×10-6の範囲であるガラスであること、また軟化点が600℃〜1000℃の範囲のガラスであることが望ましい。 There is no particular limitation on the type of glass of the composite material constituting the interconnector A. The glass contains K 2 O, ZnO, BaO, Na 2 O, CaO, etc. in a network structure containing SiO 2 or Al 2 O 3 in addition thereto, such as soda glass, borosilicate glass, quartz Glass or other suitable materials can be selected and used. As its characteristics, it is desirable that the glass has a thermal expansion coefficient in the range of 6.0 to 14.0 × 10 −6 and that the softening point is in the range of 600 ° C. to 1000 ° C.

インターコネクタAを構成するコンポジット材料にはZrO2、その他の微量成分を含んでいてもよい。インターコネクタAを構成するコンポジット材料について、本明細書及び特許請求の範囲において“Agとガラスを含むコンポジット材料”とは、Agとガラスの混合物のほか、これに微量成分を含む場合を含む意味である。そのように、インターコネクタAは“Agとガラスを含むコンポジット材料”で構成するが、その形成時には対応するAg粉とガラス粉の混合物が用いられる。 The composite material constituting the interconnector A may contain ZrO 2 and other trace components. Regarding the composite material constituting the interconnector A, in the present specification and claims, “composite material containing Ag and glass” is meant to include a mixture of Ag and glass, as well as a case where a trace component is contained therein. is there. As described above, the interconnector A is composed of “a composite material containing Ag and glass”, and a corresponding mixture of Ag powder and glass powder is used when the interconnector A is formed.

Ag粉は、通常球状(spherical)乃至粒状(granular)の形でガラス粉に混合するが、Ag粉としてフレーク状(flaky)のAg粉を用いると、SOFCスタックにおける電圧損失を大きく改善できるのに加え、セル間での電圧損失が少ないインターコネクタを再現性よく形成することができる。このように、インターコネクタAのAg成分としてフレーク状のAg粉を用いる技術は本発明者らにより先に開発されたもので〔特願2006−069457号(出願日=平成18年3月14日)〕、この技術は本発明においても応用できるものである。   Ag powder is usually mixed with glass powder in the form of spherical or granular, but using flaky Ag powder as Ag powder can greatly improve the voltage loss in SOFC stack. In addition, an interconnector with little voltage loss between cells can be formed with good reproducibility. As described above, the technique of using flaky Ag powder as the Ag component of the interconnector A was previously developed by the present inventors [Japanese Patent Application No. 2006-0669457 (application date = March 14, 2006). This technique can also be applied in the present invention.

特願2006−069457号出願Application for Japanese Patent Application No. 2006-0669457

中間層Bもインターコネクタであり、中間層BであるインターコネクタBとインターコネクタAを合わせたインターコネクタにより隣接するセル間を電気的に接続する。図2(b)にSOFCスタックとしての作動時における電流の流れを示している。   The intermediate layer B is also an interconnector, and the adjacent cells are electrically connected by an interconnector including the interconnector B and the interconnector A, which are the intermediate layer B. FIG. 2B shows a current flow when the SOFC stack is operated.

図5は、本発明に係る中間層Bを有するSOFCスタックの一態様例について、その形成過程を説明する図である。図5中、図2〜4に示す部材、部分と同じ部材、部分には同じ符号を付している。図5(a)のとおり、支持基板1の上面にアノード2、2を形成、配置する。この段階を図5(b)として示している。次に、図5(c)のように電解質3、3を配置し、電解質3、3間に凹部4を形成する。次いで、各電解質3、3の面上にカソード5を配置する。この段階を図5(d)として示している。   FIG. 5 is a diagram for explaining the formation process of one embodiment of the SOFC stack having the intermediate layer B according to the present invention. In FIG. 5, the same members and portions as those shown in FIGS. As shown in FIG. 5A, the anodes 2 and 2 are formed and arranged on the upper surface of the support substrate 1. This stage is shown in FIG. Next, as shown in FIG. 5C, the electrolytes 3 and 3 are arranged, and the recesses 4 are formed between the electrolytes 3 and 3. Next, the cathode 5 is disposed on the surfaces of the electrolytes 3 and 3. This stage is shown as FIG.

本発明(1)では、凹部4に、AgとNiを主成分とし、造孔剤を含むコンポジット材料を塗布、焼成することで中間層Bを形成し、本発明(2)では、凹部4に、AgとNiを主成分とし、造孔剤とガラス粉を含むコンポジット材料を塗布、焼成することで中間層Bを形成する。図5(e)はこの段階を示している。その後、図5(f)に示すように、Agとガラス粉を含むコンポジット材料を配してインターコネクタAを形成する。   In the present invention (1), the intermediate layer B is formed by applying and firing a composite material containing Ag and Ni as main components and including a pore-forming agent in the recess 4. In the present invention (2), the recess 4 is formed in the recess 4. The intermediate layer B is formed by applying and baking a composite material containing Ag and Ni as main components and containing a pore-forming agent and glass powder. FIG. 5 (e) shows this stage. Then, as shown in FIG.5 (f), the composite material containing Ag and glass powder is distribute | arranged, and the interconnector A is formed.

また、本発明(3)では、凹部4に、AgとNiを主成分とし、ガラス粉を含むコンポジット材料を塗布、乾燥した後、、本発明(4)では、凹部4に、AgとNiを主成分とし、難還元性酸化物を含むコンポジット材料を塗布、乾燥した後、図5(f)に示すように、Agとガラス粉を含むコンポジット材料を塗布し、共焼することにより、中間層BとインターコネクタAを形成する。   Moreover, in this invention (3), after apply | coating and drying the composite material which has Ag and Ni as a main component and containing glass powder to the recessed part 4, this invention (4) WHEREIN: Ag and Ni are made into the recessed part 4. After the composite material containing the main component and the non-reducible oxide is applied and dried, the composite material containing Ag and glass powder is applied and co-fired as shown in FIG. B and interconnector A are formed.

本発明(1)〜(4)のいずれの場合にも、中間層BであるインターコネクタBは、アノードと電解質に対する位置関係では、隣接するセルのアノード2の上面で且つ隣接するセルの電解質3、3間に設けられる。   In any of the present inventions (1) to (4), the interconnector B which is the intermediate layer B is located on the upper surface of the anode 2 of the adjacent cell and the electrolyte 3 of the adjacent cell in the positional relationship with respect to the anode and the electrolyte. 3 is provided.

本発明は、内部に燃料の流通部を有する支持基板が断面円形状、断面楕円形状、断面多角形状などの横縞方式のSOFCについて適用される。断面多角形状には、断面矩形状(含、中空扁平状)、断面四角形状、断面五角形状、その他各種形状のものがあり、前述図12に示したものは、断面矩形状の一例である中空扁平状のものである。   The present invention is applied to a horizontal stripe type SOFC in which a support substrate having a fuel circulation portion therein has a circular cross section, an elliptical cross section, a polygonal cross section, or the like. The cross-sectional polygonal shape includes a rectangular cross-sectional shape (including a hollow flat shape), a rectangular cross-sectional shape, a pentagonal cross-sectional shape, and various other shapes. The one shown in FIG. It is flat.

以下、実施例を基に本発明をさらに詳しく説明するが、本発明が実施例に限定されないことはもちろんである。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated in more detail based on an Example, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to an Example.

中間層を有する各種模擬的なSOFCセルを作製し、それにの効果を確認するため、それらSOFC模擬セルについて性能試験を実施した。図6〜8はそれらの模擬的SOFCセルを示す図である。図6は、中間層BとしてAg+Niからなる材料で構成したセル(以下“比較例SOFC模擬セル”とする。)、図7は、中間層BとしてAg+Niに造孔剤としてアビセルを用いて構成したセル(以下“実施例1のSOFC模擬セル”とする。)、図8は、中間層BとしてAg+Niにガラス粉を添加いて構成したセル(以下“実施例2のSOFC模擬セル”とする。)である。   Various types of simulated SOFC cells having an intermediate layer were prepared, and performance tests were performed on these SOFC simulated cells in order to confirm the effect. 6 to 8 are diagrams showing these simulated SOFC cells. FIG. 6 shows a cell composed of a material made of Ag + Ni as the intermediate layer B (hereinafter referred to as “comparative SOFC simulation cell”), and FIG. 7 shows an intermediate layer B made of Ag + Ni using Avicel as a pore forming agent. FIG. 8 shows a cell formed by adding glass powder to Ag + Ni as the intermediate layer B (hereinafter referred to as “SOFC simulated cell of Example 2”). It is.

〈比較例SOFC模擬セルの作製〉
中間層Bを有するインターコネクタで構成したセルを以下のようにして作製した。Ni−YSZサーメットからなるアノード層を配置した。図6中、2として示す層である。そのアノード層の面上に、その中央部に間隔を置き、その左右両側にYSZからなる電解質を配置した。図6中、3、3として示す部材である。左右両側の電解質3、3間に上記中央部の間隔に相当する凹部を形成している。
<Production of Comparative Example SOFC Simulated Cell>
A cell composed of an interconnector having an intermediate layer B was produced as follows. An anode layer made of Ni-YSZ cermet was disposed. It is a layer shown as 2 in FIG. On the surface of the anode layer, a space was provided at the center, and an electrolyte composed of YSZ was disposed on both the left and right sides. It is a member shown as 3, 3 in FIG. A concave portion corresponding to the distance between the central portions is formed between the electrolytes 3 and 3 on both the left and right sides.

次いで、当該凹部にAgとNiOの混合物のペーストを塗布、乾燥して、中間層Bを形成した。そのAgとNiOの混合物は、有機溶媒(トルエンと2−プロパノールの混合溶媒)にAg粉末とNiO粉末を重量比6:4の割合で混合し、ボールミルで20時間混合してペースト化したものである。   Subsequently, the paste of the mixture of Ag and NiO was apply | coated to the said recessed part, and it dried and the intermediate | middle layer B was formed. The mixture of Ag and NiO is a paste obtained by mixing Ag powder and NiO powder in an organic solvent (mixed solvent of toluene and 2-propanol) at a weight ratio of 6: 4 and mixing by a ball mill for 20 hours. is there.

その後、その中間層であるインターコネクタBと左右両側の電解質3、3の上面にAg粉末とガラス粉末の混合物のペーストを塗布、乾燥して、インターコネクタAを形成した。このAg粉末とガラス粉末の混合物は、有機溶媒(トルエンと2−プロパノールの混合溶媒)にAg粉末とガラス粉末(SiO2−SrO−K2O−Na2O系接合材)を重量比7:3の割合で混合し、ボールミルで20時間混合して作製したものである。 Thereafter, a paste of a mixture of Ag powder and glass powder was applied to the upper surface of the interconnector B as an intermediate layer and the electrolytes 3 and 3 on both the left and right sides, and dried to form an interconnector A. This mixture of Ag powder and glass powder is composed of an organic solvent (mixed solvent of toluene and 2-propanol) and Ag powder and glass powder (SiO 2 —SrO—K 2 O—Na 2 O-based bonding material) in a weight ratio of 7: 3 was mixed at a ratio of 3 and mixed for 20 hours by a ball mill.

〈実施例1のSOFC模擬セルの作製〉
その中に多数の孔を有する中間層Bを有するインターコネクタで構成したセルを以下のようにして作製した。Ni−YSZサーメットからなるアノード層を配置した。図7中、2として示す層である。そのアノード層の面上に、その中央部に間隔を置き、その左右両側にYSZからなる電解質を配置した。図7中、3、3として示す部材である。左右両側の電解質3、3間に上記中央部の間隔に相当する凹部を形成している。
<Production of SOFC Simulated Cell of Example 1>
A cell composed of an interconnector having an intermediate layer B having a large number of holes therein was produced as follows. An anode layer made of Ni-YSZ cermet was disposed. It is a layer shown as 2 in FIG. On the surface of the anode layer, a space was provided at the center, and an electrolyte composed of YSZ was disposed on both the left and right sides. It is a member shown as 3, 3 in FIG. A concave portion corresponding to the distance between the central portions is formed between the electrolytes 3 and 3 on both the left and right sides.

次いで、当該凹部にAgとNiOを主成分とし、これに炭素粉(アビセル)を添加した混合物のペーストを塗布した後、900℃に加熱、焼成して中間層Bを形成した。そのAgとNiOと炭素粉の混合物は、有機溶媒(トルエンと2−プロパノールの混合溶媒)にAg粉末とNiO粉末と炭素粉を重量比5.4:3.6:1の割合で混合し、ボールミルで20時間混合してペースト化したものである。   Next, after applying a paste of a mixture in which Ag and NiO are main components in the concave portion and carbon powder (Avicel) is added thereto, the intermediate layer B is formed by heating and baking at 900 ° C. The mixture of Ag, NiO, and carbon powder was prepared by mixing Ag powder, NiO powder, and carbon powder in an organic solvent (mixed solvent of toluene and 2-propanol) at a weight ratio of 5.4: 3.6: 1. It is made into a paste by mixing for 20 hours in a ball mill.

その後、その中間層であるインターコネクタBと左右両側の電解質3、3の上面にAg粉末とガラス粉末の混合物のペーストを塗布、乾燥して、インターコネクタAを形成した。このAg粉末とガラス粉末の混合物は、有機溶媒(トルエンと2−プロパノールの混合溶媒)にAg粉末とガラス粉末(SiO2−SrO−K2O−Na2O系接合材)を重量比7:3の割合で混合し、ボールミルで20時間混合して作製したものである。 Thereafter, a paste of a mixture of Ag powder and glass powder was applied to the upper surface of the interconnector B as an intermediate layer and the electrolytes 3 and 3 on both the left and right sides, and dried to form an interconnector A. This mixture of Ag powder and glass powder is composed of an organic solvent (mixed solvent of toluene and 2-propanol) and Ag powder and glass powder (SiO 2 —SrO—K 2 O—Na 2 O-based bonding material) in a weight ratio of 7: 3 was mixed at a ratio of 3 and mixed for 20 hours by a ball mill.

〈実施例2のSOFC模擬セルの作製〉
中間層Bを有するインターコネクタで構成したセルを以下のようにして作製した。Ni−YSZサーメットからなるアノード層を配置した。図8中、2として示す層である。そのアノード層の面上に、その中央部に間隔を置き、その左右両側にYSZからなる電解質を配置した。図7中、3、3として示す部材である。左右両側の電解質3、3間に上記中央部の間隔に相当する凹部を形成している。
<Production of SOFC Simulated Cell of Example 2>
A cell composed of an interconnector having an intermediate layer B was produced as follows. An anode layer made of Ni-YSZ cermet was disposed. It is a layer shown as 2 in FIG. On the surface of the anode layer, a space was provided at the center, and an electrolyte composed of YSZ was disposed on both the left and right sides. It is a member shown as 3, 3 in FIG. A concave portion corresponding to the distance between the central portions is formed between the electrolytes 3 and 3 on both the left and right sides.

次いで、当該凹部にAgとNiOを主成分とし、これにガラス粉を添加した混合物のペーストを塗布した後、130℃で乾燥した。この部分が次の共焼により中間層となる。ガラス粉としてはSiO2・B23・MgO・CaO・BaO系接合材を用いた。そのAgとNiOとガラス粉の混合物は、有機溶媒(トルエンと2−プロパノールの混合溶媒)にAg粉末とNiO粉末とガラス粉を重量比5.4:3.6:1の割合で混合し、ボールミルで20時間混合してペースト化したものである。 Subsequently, after applying the paste of the mixture which made Ag and NiO the main components in this recessed part and added glass powder to this, it dried at 130 degreeC. This part becomes an intermediate layer by the next co-firing. As the glass powder, a SiO 2 · B 2 O 3 · MgO · CaO · BaO based bonding material was used. The mixture of Ag, NiO and glass powder is prepared by mixing Ag powder, NiO powder and glass powder in an organic solvent (mixed solvent of toluene and 2-propanol) at a weight ratio of 5.4: 3.6: 1. It is made into a paste by mixing for 20 hours in a ball mill.

その後、そのペースト部分と左右両側の電解質3、3の上面にAg粉末とガラス粉末の混合物のペーストを塗布した後、900℃に加熱し、共焼した。これにより、主成分であるAgとNiOにガラス粉を添加した混合物層は中間層Bとなり、Ag粉末とガラス粉末の混合物層はインターコネクタAとなり、中間層Bを有するインターコネクタで構成したセルを作製した。
上記Ag粉末とガラス粉末の混合物は、有機溶媒(トルエンと2−プロパノールの混合溶媒)にAg粉末とガラス粉末(SiO2−SrO−K2O−Na2O系接合材)を重量比7:3の割合で混合し、ボールミルで20時間混合して作製したものである。
Thereafter, a paste of a mixture of Ag powder and glass powder was applied to the paste portion and the upper surfaces of the electrolytes 3 and 3 on both the left and right sides, and then heated to 900 ° C. and co-fired. As a result, the mixture layer in which glass powder is added to the main components Ag and NiO becomes the intermediate layer B, the mixture layer of Ag powder and glass powder becomes the interconnector A, and the cell composed of the interconnector having the intermediate layer B is formed. Produced.
The mixture of the Ag powder and the glass powder is composed of an organic solvent (a mixed solvent of toluene and 2-propanol) and an Ag powder and a glass powder (SiO 2 —SrO—K 2 O—Na 2 O-based bonding material) in a weight ratio of 7: 3 was mixed at a ratio of 3 and mixed for 20 hours by a ball mill.

〈実施例3のSOFC模擬セルの作製〉
〈実施例2のSOFC模擬セルの作製〉における中間層Bにおけるガラス粉に替えてY23粉を用いた以外は〈実施例2のSOFC模擬セルの作製〉と同様にして、中間層BとインターコネクタAを形成し、中間層Bを有するインターコネクタで構成したセルを作製した。
<Production of SOFC Simulated Cell of Example 3>
Intermediate layer B was prepared in the same manner as in <Preparation of SOFC simulated cell of Example 2> except that Y 2 O 3 powder was used instead of the glass powder in the intermediate layer B in <Preparation of SOFC simulated cell of Example 2>. And the interconnector A was formed, and a cell constituted by the interconnector having the intermediate layer B was produced.

〈性能試験〉
以上のようにして作製した各SOFC模擬セルのそれぞれについて電圧損失を測定した。図9は、各SOFC模擬セルを測定用に供するために加工した過程を説明する図である。図9(c)のとおり、SOFC模擬セルにおけるインターコネクタAの上面を被って集電体6を配置する。また、図9(a)〜(c)のとおり、SOFC模擬セル付近での水素と空気(酸素)の混合を防ぐために、電解質3、3の周縁上面に円形状の金属箔7を配置する。
<performance test>
The voltage loss was measured for each of the SOFC simulated cells produced as described above. FIG. 9 is a diagram illustrating a process in which each SOFC simulated cell is processed for use in measurement. As shown in FIG. 9C, the current collector 6 is disposed so as to cover the upper surface of the interconnector A in the SOFC simulated cell. Further, as shown in FIGS. 9A to 9C, a circular metal foil 7 is disposed on the peripheral upper surfaces of the electrolytes 3 and 3 in order to prevent mixing of hydrogen and air (oxygen) in the vicinity of the SOFC simulation cell.

こうして加工した各SOFC模擬セルをそれぞれを電気炉中にセットし、それぞれについて電圧損失の有無、程度を測定した。図10にその試験装置の概略を示している。8は電気炉のヒータ、9は電気炉外周壁であり、その中央部にSOFC模擬セルを配置する。そして図示のように、SOFC模擬セルの集電体6とアノード2との間に電流発生器と電圧測定器をセットする。   Each SOFC simulated cell thus processed was set in an electric furnace, and the presence / absence and degree of voltage loss were measured for each. FIG. 10 shows an outline of the test apparatus. 8 is an electric furnace heater, 9 is an electric furnace outer peripheral wall, and an SOFC simulation cell is arranged at the center thereof. Then, as shown, a current generator and a voltage measuring device are set between the current collector 6 and the anode 2 of the SOFC simulation cell.

電流発生器は外部から電流を流すためのものである。本試験装置は、インターコネクタでの電圧損失の有無、程度を測定するための装置で、電流を流した時の電圧損失を測定する仕組みである。   The current generator is for flowing current from the outside. This test device is a device for measuring the presence / absence and degree of voltage loss in the interconnector, and is a mechanism for measuring the voltage loss when a current is passed.

本性能試験は、アノード側に水素を、インターコネクタ側に空気を流し、作動温度を700℃とし、電流密度を0.9A/cm2と一定にして実施した。図11〜12はその結果を示す図である。図11〜12中、横軸は時間(h)、縦軸は電圧損失(mV)である。この電圧が高いほど、セルにしたときの性能が悪いことになる。 In this performance test, hydrogen was supplied to the anode side, air was supplied to the interconnector side, the operating temperature was 700 ° C., and the current density was constant at 0.9 A / cm 2 . 11 to 12 are diagrams showing the results. 11 to 12, the horizontal axis represents time (h), and the vertical axis represents voltage loss (mV). The higher this voltage, the worse the performance when made into a cell.

〈比較例のSOFC模擬セルの試験結果〉
図11は比較例のSOFC模擬セルについての実測値である。図11のとおり、損失電圧は時間の経過とともに急激に大きくなり、50時間経過時に33mV(=0.033V)、70時間経過時には53mVもの値を示し、相当の電圧損失である。
<Test results of SOFC simulation cell of comparative example>
FIG. 11 shows measured values for the SOFC simulation cell of the comparative example. As shown in FIG. 11, the loss voltage increases rapidly with the passage of time, showing a value of 33 mV (= 0.033 V) when 50 hours have passed and 53 mV when 70 hours have passed, which is a considerable voltage loss.

〈実施例1のSOFC模擬セルの試験結果〉
図12は、実施例1〜3のSOFC模擬セルについての実測値で、上述図11の比較例のSOFC模擬セルのデータを併記している。図12のとおり、実施例1のSOFC模擬セルの損失電圧は、測定開始時当初から0.3mV程度であり、比較例のSOFC模擬セルの損失電圧に対して桁違いに小さい。また、実施例1のSOFC模擬セルの損失電圧は、途中幾分上下はするが、280時間経過時においても殆ど変化がない。
<Test Results of SOFC Simulated Cell of Example 1>
FIG. 12 shows measured values for the SOFC simulated cells of Examples 1 to 3, and also shows the data of the SOFC simulated cell of the comparative example of FIG. As shown in FIG. 12, the loss voltage of the SOFC simulated cell of Example 1 is about 0.3 mV from the beginning of the measurement, which is orders of magnitude smaller than the loss voltage of the SOFC simulated cell of the comparative example. Further, the loss voltage of the SOFC simulated cell of Example 1 slightly fluctuates in the middle, but hardly changes even after 280 hours.

〈実施例2のSOFC模擬セルの試験結果〉
図12のとおり、実施例2のSOFC模擬セルについての損失電圧は、測定開始時当初から0.5mV程度であり、途中幾分上下はするが、285時間経過時においても殆ど変化がない。実施例1のSOFC模擬セルよりも幾分大きが、比較例のSOFC模擬セルの損失電圧に対して桁違いに小さい。
<Test Results of SOFC Simulated Cell of Example 2>
As shown in FIG. 12, the loss voltage for the SOFC simulated cell of Example 2 is about 0.5 mV from the beginning of the measurement, and slightly increases and decreases in the middle, but hardly changes even when 285 hours elapse. The size of the SOFC simulation cell of Example 1 is somewhat larger than the loss voltage of the SOFC simulation cell of the comparative example.

〈実施例3のSOFC模擬セルの試験結果〉
図12のとおり、実施例3のSOFC模擬セルについての損失電圧は、測定開始時は38.0mVであるが、以降急激に小さくなり、25時間経過時に19.50mVに低下し、以降僅かに大きくはなるが、300時間経過時においても25mV程度である。比較例のSOFC模擬セルの損失電圧に対して桁違いに小さい。
<Test Results of SOFC Simulated Cell of Example 3>
As shown in FIG. 12, the loss voltage for the SOFC simulated cell of Example 3 is 38.0 mV at the start of measurement, but then suddenly decreases, decreases to 19.50 mV after 25 hours, and increases slightly thereafter. However, it is about 25 mV even after 300 hours. It is an order of magnitude smaller than the loss voltage of the SOFC simulation cell of the comparative example.

図13〜16は、比較例SOFC模擬セル、実施例1のSOFC模擬セル、実施例2のSOFC模擬セル、実施例3のSOFC模擬セルのそれぞれについて、〈性能試験〉後の断面顕微鏡写真を図面化した図である。まず、図13のとおり、比較例SOFC模擬セルでは、図13中“Z”として示すとおり、アノード2(上面)と中間層B(下面)との間が離間しており、剥離が生じていることが観察された。   FIGS. 13 to 16 are cross-sectional micrographs after <performance test> for the comparative example SOFC simulated cell, the SOFC simulated cell of Example 1, the SOFC simulated cell of Example 2, and the SOFC simulated cell of Example 3. FIG. First, as shown in FIG. 13, in the SOFC simulation cell of the comparative example, the anode 2 (upper surface) and the intermediate layer B (lower surface) are separated as shown by “Z” in FIG. It was observed.

図14のとおり、実施例1のSOFC模擬セルでは、アノード2と中間層Bとの間に離間はなく、密着しており、また中間層B中に多数の細孔が観察された。また、図15のとおり、実施例2のSOFC模擬セルでは、アノード2と中間層Bとの間に離間はなく、密着していることが観察された。実施例3のSOFC模擬セルの〈性能試験〉後の断面顕微鏡写真を図面化した図16についても、図15の場合とほぼ同様であった。   As shown in FIG. 14, in the SOFC simulation cell of Example 1, there was no separation between the anode 2 and the intermediate layer B, and the anode 2 and the intermediate layer B were in close contact, and a large number of pores were observed in the intermediate layer B. Further, as shown in FIG. 15, in the SOFC simulated cell of Example 2, it was observed that the anode 2 and the intermediate layer B were not spaced apart and closely adhered. FIG. 16, which is a cross-sectional micrograph after the <performance test> of the SOFC simulated cell of Example 3, was also substantially the same as in FIG. 15.

図17に示す中空扁平タイプのSOFCセルスタックの構成例のうち、インターコネクタ16の配置関係を説明する図The figure explaining the arrangement | positioning relationship of the interconnector 16 among the structural examples of the hollow flat type SOFC cell stack shown in FIG. 本発明に係るSOFCセルスタックの態様例を説明する図The figure explaining the example of an aspect of the SOFC cell stack concerning this invention 主成分であるAgとNiに対して、造孔剤、または、造孔剤とガラス粉を添加して形成した中間層Bを説明する図The figure explaining the intermediate | middle layer B formed by adding a pore making material or a pore making agent, and glass powder with respect to Ag and Ni which are main components. 主成分であるAgとNiに対して、ガラス粉を添加して形成した中間層Bを説明する図The figure explaining the intermediate | middle layer B formed by adding glass powder with respect to Ag and Ni which are main components. 本発明に係る中間層Bを有するSOFCスタックの形成過程を説明する図The figure explaining the formation process of the SOFC stack which has the intermediate | middle layer B which concerns on this invention 比較例SOFC模擬セルを示す図Diagram showing a comparative example SOFC simulation cell 実施例1のSOFC模擬セルを示す図The figure which shows the SOFC simulation cell of Example 1. 実施例2のSOFC模擬セルを示す図The figure which shows the SOFC simulation cell of Example 2. 各SOFC模擬セルを測定用に供するために加工した過程を説明する図The figure explaining the process which processed each SOFC simulation cell in order to use for measurement 性能試験として電圧損失を測定した試験装置の概略を示す図The figure which shows the outline of the test equipment which measured voltage loss as a performance test 比較例1のSOFC模擬セルの電圧損失の測定結果を示す図The figure which shows the measurement result of the voltage loss of the SOFC simulation cell of the comparative example 1 実施例1〜3のSOFC模擬セルの電圧損失の測定結果を示す図The figure which shows the measurement result of the voltage loss of the SOFC simulation cell of Examples 1-3. 比較例のSOFC模擬セルの〈性能試験〉後の顕微鏡写真を図面化した図Drawing of micrograph after <performance test> of SOFC simulation cell of comparative example 実施例1のSOFC模擬セルの〈性能試験〉後の顕微鏡写真を図面化した図The figure which made the micrograph after <performance test> of the SOFC simulation cell of Example 1 into a drawing 実施例2のSOFC模擬セルの〈性能試験〉後の顕微鏡写真を図面化した図The figure which made the micrograph after the <performance test> of the SOFC simulation cell of Example 2 into a drawing 実施例3のSOFC模擬セルの〈性能試験〉後の顕微鏡写真を図面化した図The figure which made the micrograph after the <performance test> of the SOFC simulation cell of Example 3 into a drawing 中空扁平タイプの横縞方式のSOFCの構成例を示す図Diagram showing a configuration example of a hollow flat type horizontal stripe SOFC

符号の説明Explanation of symbols

1 支持基板
2 アノード
3 電解質
4 凹部(中間層となる)
5 カソード
A インターコネクタ
B 中間層(インターコネクタ)
6 集電体
7 金属箔
8 電気炉のヒータ
9 電気炉外周壁
11 中空扁平状の絶縁体基板
12 アノード
13 電解質
14 カソード
15 セル
16 インターコネクタ
17 燃料の流通部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Support substrate 2 Anode 3 Electrolyte 4 Recessed part (becomes an intermediate layer)
5 Cathode A Interconnector B Intermediate layer (interconnector)
6 Current Collector 7 Metal Foil 8 Electric Furnace Heater 9 Electric Furnace Outer Wall 11 Hollow Flat Insulator Substrate 12 Anode 13 Electrolyte 14 Cathode 15 Cell 16 Interconnector 17 Fuel Distribution Portion

Claims (6)

内部に燃料の流通部を有する支持基板の表面に、順次、アノード、電解質及びカソードからなる複数のセルを形成するとともに、隣接するセル間をインターコネクタを介して電気的に直列に接続してなる横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックであって、
隣接するセルのアノードとインターコネクタとの間に、AgとNiからなるコンポジット材料中に多数の細孔を有する中間層を配し、その上面及び電解質を覆ってAgとガラスを含むコンポジット材料からなるインターコネクタを配してなることを特徴とする横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタック。
A plurality of cells composed of an anode, an electrolyte, and a cathode are sequentially formed on the surface of a support substrate having a fuel circulation portion therein, and adjacent cells are electrically connected in series via an interconnector. A horizontal oxide solid oxide fuel cell stack,
An intermediate layer having a large number of pores is arranged in a composite material made of Ag and Ni between the anode and the interconnector of an adjacent cell, and the upper surface and the electrolyte are covered, and the composite material contains Ag and glass. A solid oxide fuel cell stack of a horizontal stripe system characterized by comprising an interconnector.
内部に燃料の流通部を有する支持基板の表面に、順次、アノード、電解質及びカソードからなる複数のセルを形成するとともに、隣接するセル間をインターコネクタを介して電気的に直列に接続してなる横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックであって、
隣接するセルのアノードとインターコネクタとの間に、AgとNiを主成分とし且つガラスを含むコンポジット材料中に多数の細孔を有する中間層を配するとともに、その上面及び電解質を覆ってAgとガラスを含むコンポジット材料からなるインターコネクタを配してなることを特徴とする横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタック。
A plurality of cells composed of an anode, an electrolyte, and a cathode are sequentially formed on the surface of a support substrate having a fuel circulation portion therein, and adjacent cells are electrically connected in series via an interconnector. A horizontal oxide solid oxide fuel cell stack,
Between the anode of the adjacent cell and the interconnector, an intermediate layer having a large number of pores is arranged in a composite material mainly composed of Ag and Ni and containing glass, and the upper surface and the electrolyte are covered with Ag. A solid oxide fuel cell stack of a horizontal stripe type characterized by arranging an interconnector made of a composite material containing glass.
請求項1または2の固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、前記インターコネクタがガラス粉とフレーク状のAg粉を含む混合物を用いて形成されてなることを特徴とする横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタック。 3. The solid oxide fuel cell stack according to claim 1, wherein the interconnector is formed using a mixture containing glass powder and flaky Ag powder. Battery stack. 内部に燃料の流通部を有する支持基板の表面に、順次、アノード、電解質及びカソードからなる複数のセルを形成し、隣接するセルのアノードとインターコネクタとの間に、AgとNiからなるコンポジット材料中に多数の細孔を有する中間層を配し、その上面及び電解質を覆ってAgとガラスを含むコンポジット材料からなるインターコネクタを配してなる横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックを作製する方法であって、
前記AgとNiからなるコンポジット材料中に多数の細孔を有する中間層を、隣接するセルのアノードとインターコネクタとの間に、その主成分であるAgとNiに造孔剤を添加した混合物を塗布し、焼成することにより形成することを特徴とする横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックの作製方法。
A composite cell composed of Ag and Ni 2 O is formed between the anode and the interconnector of the adjacent cells by sequentially forming a plurality of cells composed of an anode, an electrolyte, and a cathode on the surface of the support substrate having a fuel circulation portion inside. A horizontal-stripe solid oxide fuel cell stack is produced, in which an intermediate layer having a large number of pores is arranged in the material, and an interconnector made of a composite material containing Ag and glass is arranged on the upper surface and the electrolyte. A way to
In the composite material composed of Ag and Ni 2 O , a pore-forming agent was added to Ag and Ni 2 O , which are the main components, between the anode and interconnector of the adjacent cell. A method for producing a horizontal oxide solid oxide fuel cell stack, which is formed by applying a mixture and firing.
内部に燃料の流通部を有する支持基板の表面に、順次、アノード、電解質及びカソードからなる複数のセルを形成し、隣接するセルのアノードとインターコネクタとの間に、AgとNiを主成分とし且つガラスを含むコンポジット材料中に多数の細孔を有する中間層を配するとともに、その上面及び電解質を覆ってAgとガラスを含むコンポジット材料からなるインターコネクタを配してなる横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックを作製する方法であって、
前記AgとNiを主成分とし且つガラスを含むコンポジット材料中に多数の細孔を有する中間層を、隣接するセルのアノードとインターコネクタとの間に、その主成分であるAgとNiに造孔剤とガラス粉を添加した混合物を塗布し、焼成することにより形成することを特徴とする横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックの作製方法。
The surface of the support substrate having the internal fuel flow part provided therein, sequentially, the main component anode, to form a plurality of cells consisting of an electrolyte and a cathode, between the anode and the interconnector adjacent cells, the Ag and Ni O In addition, an intermediate layer having a large number of pores is disposed in a composite material containing glass, and an interconnector made of a composite material containing Ag and glass is arranged on the upper surface and the electrolyte to form a horizontal stripe type solid oxide A method of manufacturing a physical fuel cell stack, comprising:
An intermediate layer having a large number of pores in a composite material containing Ag and Ni 2 O as main components and glass is formed between Ag and Ni 2 O , which are the main components, between an anode and an interconnector of an adjacent cell. A method for producing a horizontal stripe type solid oxide fuel cell stack, which is formed by applying a mixture containing a pore former and glass powder and firing the mixture.
請求項4または5の固体酸化物形燃料電池スタックの作製方法において、前記造孔剤が炭素粉または繊維状炭素粉であることを特徴とする横縞方式の固体酸化物形燃料電池スタックの作製方法。
6. The method for producing a solid oxide fuel cell stack according to claim 4, wherein the pore former is carbon powder or fibrous carbon powder. .
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