JP6654766B2 - Solid oxide fuel cell stack - Google Patents
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Description
本発明は、固体酸化物形燃料電池セルスタックに関する。具体的には、発電素子間抵抗が小さく、発電性能に優れた固体酸化物形燃料電池セルスタックに関する。 The present invention relates to a solid oxide fuel cell stack. Specifically, the present invention relates to a solid oxide fuel cell stack having low resistance between power generating elements and excellent power generation performance.
燃料電池は、熱エネルギーや運動エネルギーの過程を経由する熱機関と異なり、天然ガスや水素などの燃料を、固体電解質を介して空気中の酸素と反応させ、燃料の持っている化学エネルギーから連続的に直接電気エネルギーを得るエネルギー変換器である。その中で、固体酸化物形燃料電池は、固体電解質として固体酸化物(セラミック)を用い、燃料極を負極、空気極を正極とした電池として作動する燃料電池である。また、固体酸化物形燃料電池は高いエネルギー変換効率が得られるという利点を有するものとして知られている。 Fuel cells, unlike heat engines that go through the process of thermal energy or kinetic energy, react a fuel such as natural gas or hydrogen with oxygen in the air through a solid electrolyte to continuously convert the fuel from the chemical energy of the fuel. It is an energy converter that obtains electrical energy directly. Among them, the solid oxide fuel cell is a fuel cell that uses a solid oxide (ceramic) as a solid electrolyte and operates as a battery having a fuel electrode as a negative electrode and an air electrode as a positive electrode. Also, solid oxide fuel cells are known to have the advantage that high energy conversion efficiency can be obtained.
固体酸化物形燃料電池は、単電池あたりの出力が小さいため、複数の単電池を直列に接続することによって出力を高めて発電を行っている。隣接する単電池を電気的に接続する部材はインターコネクタと呼ばれている。その材料として、セラミックを用いたインターコネクタ(以下、セラミックインターコネクタとも言う)が知られている。セラミックインターコネクタの特性として、ガスを透過させないガスシール性、導電性、酸化物イオン絶縁性、および固体電解質との密着性が求められている。 The solid oxide fuel cell has a small output per unit cell, and therefore, generates electric power by increasing the output by connecting a plurality of unit cells in series. A member that electrically connects adjacent cells is called an interconnector. As the material, an interconnector using ceramic (hereinafter, also referred to as a ceramic interconnector) is known. As characteristics of the ceramic interconnector, gas sealability that does not allow gas to permeate, conductivity, oxide ion insulation, and adhesion to a solid electrolyte are required.
一般に、セラミックインターコネクタは厚みが薄くないと(例えば、おおよそ100μm以下)十分な導電性が得られない。しかしながら、十分な導電性を得るためにセラミックインターコネクタの厚みを薄くし、このような厚みの薄いセラミックインターコネクタを多孔質な電極(燃料極や空気極)の表面に形成しようとすると、多孔質な電極にセラミックインターコネクタが取り込まれてしまうおそれがある、これにより、セラミックインターコネクタを形成できないおそれや、形成できたとしても薄いためガスシール性が十分に得られないおそれがある。 In general, a ceramic interconnector cannot have sufficient conductivity unless the thickness is small (for example, about 100 μm or less). However, when the thickness of the ceramic interconnector is reduced to obtain sufficient conductivity, and such a thin ceramic interconnector is to be formed on the surface of a porous electrode (a fuel electrode or an air electrode), a porous interconnector is required. There is a possibility that the ceramic interconnector may be taken into the electrode which is not enough. Therefore, there is a possibility that the ceramic interconnector cannot be formed, and even if the ceramic interconnector can be formed, a sufficient gas sealing property may not be obtained.
セラミックインターコネクタのガスシール性が低いと、燃料ガスがセラミックインターコネクタの燃料極側から空気極側に漏れてしまい、空気と混ざってしまうため好ましくない。セラミックインターコネクタのガスシール性を高めるためには、セラミックインターコネクタの緻密性を高める必要があり、セラミックインターコネクタを緻密に焼結することが求められる。また、セラミックインターコネクタの導電性が低いと、セラミックインターコネクタの抵抗が大きくなり、燃料電池の出力が低下してしまう。さらに、セラミックインターコネクタの酸化物イオン絶縁性が低いと、セラミックインターコネクタの空気極側から燃料極側に酸化物イオンがリークしてしまい、燃料電池の効率が低下してしまう。加えて、固体電解質とセラミックインターコネクタとの密着性が低いと、固体電解質とセラミックインターコネクタとの間にクラック等の隙間が生じてしまい、この隙間から燃料ガスが漏れてしまう。 If the gas sealability of the ceramic interconnector is low, the fuel gas leaks from the fuel electrode side of the ceramic interconnector to the air electrode side and mixes with air, which is not preferable. In order to enhance the gas sealing property of the ceramic interconnect, it is necessary to increase the density of the ceramic interconnect, and it is required to sinter the ceramic interconnect densely. Further, when the conductivity of the ceramic interconnector is low, the resistance of the ceramic interconnector increases, and the output of the fuel cell decreases. Furthermore, if the oxide ion insulation of the ceramic interconnector is low, oxide ions leak from the air electrode side of the ceramic interconnector to the fuel electrode side, and the efficiency of the fuel cell is reduced. In addition, when the adhesion between the solid electrolyte and the ceramic interconnector is low, a gap such as a crack is generated between the solid electrolyte and the ceramic interconnector, and fuel gas leaks from this gap.
セラミックインターコネクタの材料として、ランタンクロマイト(LaCrO3)系インターコネクタが広く用いられている。このLaCrO3系インターコネクタは、一般に導電性は高いが、焼結が困難であることが知られている。また、クロム(Cr)を含むため、いわゆるCr被毒が発生するおそれがある。 As the material of the ceramic interconnector, lanthanum chromite (LaCrO 3) system interconnector is widely used. It is known that this LaCrO 3 type interconnector generally has high conductivity but is difficult to be sintered. Further, since chromium (Cr) is contained, so-called Cr poisoning may occur.
また、セラミックインターコネクタの材料として、SrLaTiO3−δで表されるSLT系インターコネクタが広く用いられている。このSLT系インターコネクタは、LaCrO3系インターコネクタに比べ、導電性が低いが、焼結性が良好であることが知られている。SLT系インターコネクタは、例えば、絶縁体であるSrTiO3の結晶格子中のSrサイトをランタン(La)で置換し、SrLaTiO3−δ(SLT)とすることで、SrLaTiO3−δ(SLT)の結晶格子中のTiサイトのTi4+を一部Ti3+に変化させることによって導電性を発現させている。なお、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である。 Further, as a material for the ceramic interconnector, an SLT-based interconnector represented by SrLaTiO3 -δ is widely used. The SLT system interconnector, compared with LaCrO 3 system interconnector, although low conductivity, sinterability is known to be good. The SLT-based interconnector replaces, for example, Sr sites in the crystal lattice of SrTiO 3 , which is an insulator, with lanthanum (La) to obtain SrLaTiO 3 -δ (SLT), so that SrLaTiO 3 -δ (SLT) The conductivity is exhibited by partially changing Ti 4+ of the Ti site in the crystal lattice to Ti 3+ . Here, δ is a value determined so as to satisfy the charge neutral condition.
特開2006-310090号公報(特許文献1)には、緻密で高導電性のインターコネクタを有する固体酸化物形燃料電池を得る目的で、隣接する一方のセル(発電素子)の燃料極の一部を覆うように設けられ所定の酸化物を含む第1層と、この第1層上に設けられ第1層が含む酸化物とは異なる酸化物を含む第2層とを含むインターコネクタが記載されている。また、この文献の図1によれば、インターコネクタが、隣接する一方のセルの固体電解質と他方のセルの固体電解質との間および他方のセルの固体電解質の上に設けられている。また、一方のセルの固体電解質から他方のセルの固体電解質にかけてこれらの上に設けられたインターコネクタの上に空気極が設けられている。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-310090 (Patent Literature 1) discloses one fuel cell of one adjacent cell (power generation element) in order to obtain a solid oxide fuel cell having a dense and highly conductive interconnector. An interconnector including a first layer provided to cover the portion and containing a predetermined oxide, and a second layer provided on the first layer and containing an oxide different from the oxide contained in the first layer. Have been. According to FIG. 1 of this document, an interconnector is provided between the solid electrolyte of one adjacent cell and the solid electrolyte of the other cell and on the solid electrolyte of the other cell. Further, the air electrode is provided on the interconnector provided on the solid electrolyte of one cell to the solid electrolyte of the other cell.
しかしながら、特許文献1ではインターコネクタと隣接する発電素子の空気極との位置関係については考慮されておらず、図1において両者は離れている。この場合、発電素子間の距離が長くなってしまい、発電素子間抵抗が大きくなるため、発電性能が低下する。
However,
従って、本発明者らの知る限りでは、インターコネクタと隣接する発電素子の空気極との距離を小さくすることにより高い発電出力を可能とした発電素子からなる固体酸化物形燃料電池セルスタックの製造は未だ実現されていない。 Therefore, as far as the present inventors know, the manufacture of a solid oxide fuel cell stack comprising a power generating element capable of high power output by reducing the distance between the interconnector and the air electrode of the adjacent power generating element. Has not yet been realized.
本発明者らは、今般、インターコネクタを隣接する一方の発電素子の空気極で覆い、さらに、このインターコネクタと他方の発電素子の空気極とを近づけて両者間の距離を小さくすることにより、発電素子間の距離を小さくし、これにより発電素子間抵抗を小さくして、発電性能を高めることができるとの知見を得た。本発明は斯かる知見に基づくものである。 The present inventors have recently covered the interconnector with the air electrode of one of the adjacent power generating elements, and further reduced the distance between the interconnector and the air electrode of the other power generating element by reducing the distance therebetween. It has been found that the distance between the power generating elements can be reduced, thereby reducing the resistance between the power generating elements and improving the power generation performance. The present invention is based on such findings.
従って、本発明は、発電素子間抵抗が小さく、発電性能に優れた固体酸化物形燃料電池の提供をその目的としている。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell having a small resistance between power generation elements and excellent power generation performance.
そして、本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックは、
支持体と、
当該支持体の表面に、燃料極、固体電解質および空気極が少なくとも順次積層されてなる複数の発電素子と、
前記複数の発電素子のうちの隣接する一方の発電素子の空気極と、他方の発電素子の燃料極とを電気的に接続するインターコネクタと
を少なくとも有し、前記複数の発電素子が直列に接続されてなる固体酸化物形燃料電池セルスタックであって、
前記インターコネクタが、他方の発電素子の固体電解質の上に形成されてなる第1のインターコネクタと、一方の発電素子の固体電解質と前記他方の発電素子の固体電解質との間に形成されてなる第2インターコネクタとから少なくとも構成されてなり、
前記一方の発電素子の空気極が、前記第1のインターコネクタの表面と前記第2のインターコネクタの表面を覆ってなり、
前記一方の発電素子の空気極と前記第1のインターコネクタとの接合距離、および前記一方の発電素子の空気極と前記第2のインターコネクタとの接合距離の合計の長さ:Aと、前記一方の発電素子の固体電解質と前記他方の発電素子の固体電解質との間の長さ:A’とが、A/A’≧1を満たし、かつ
前記他方の発電素子の固体電解質の空気極側の表面における、前記インターコネクタの端部と他方の発電素子の空気極の端部との間の長さ:Lと、前記第1のインターコネクタの空気極側の表面の長さ:L’とが、L/L’≦1を満たすことを特徴とするものである。
And, the solid oxide fuel cell stack according to the present invention,
A support,
On the surface of the support, a fuel electrode, a solid electrolyte and a plurality of power generating elements that are stacked at least sequentially air electrode,
At least an interconnector for electrically connecting an air electrode of one of the plurality of power generation elements and a fuel electrode of the other power generation element, wherein the plurality of power generation elements are connected in series A solid oxide fuel cell stack comprising:
The interconnector is formed between a first interconnector formed on the solid electrolyte of the other power generating element, and the solid electrolyte of one power generating element and the solid electrolyte of the other power generating element. And at least a second interconnector,
An air electrode of the one power generating element covers a surface of the first interconnector and a surface of the second interconnector,
The total length of the joining distance between the air electrode of the one power generating element and the first interconnector and the joining distance between the air electrode of the one power generating element and the second interconnector: A; The length between the solid electrolyte of one power generation element and the solid electrolyte of the other power generation element: A ′ satisfies A / A ′ ≧ 1, and the air electrode side of the solid electrolyte of the other power generation element And the length between the end of the interconnector and the end of the air electrode of the other power generating element on the surface of the first interconnector: L, and the length of the surface on the air electrode side of the first interconnector: L '. Satisfies L / L ′ ≦ 1.
定義
本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックとは、隣接する発電素子における固体電解質、空気極およびインターコネクタの相互位置関係が後記する要件を満たすものであること以外は、支持体と、当該支持体の表面に、燃料極、固体電解質および空気極が少なくとも順次積層されてなる複数の発電素子と、これらのうちの隣接する一方の発電素子の空気極と、他方の発電素子の燃料極とを電気的に接続するインターコネクタとを少なくとも有してなる、当業界において通常固体酸化物形燃料電池セルスタックと分類または理解されるものと同一のものを意味する。また、本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックは、その形状も限定されず、例えば円筒状、内部にガス流路を複数形成した中空板状などであってもよい。
The solid oxide fuel cell stack according to the present invention is a solid oxide fuel cell stack according to the present invention, except that the mutual positional relationship between the solid electrolyte, the air electrode, and the interconnector in the adjacent power generation element satisfies the requirements described below. On the surface of the support, a fuel electrode, a plurality of power generating elements in which a solid electrolyte and an air electrode are laminated at least sequentially, among these, the air electrode of one adjacent power generating element, and the fuel electrode of the other power generating element And at least an interconnector for electrically connecting the same to the same as those generally classified or understood in the art as a solid oxide fuel cell stack. The shape of the solid oxide fuel cell stack according to the present invention is not limited, and may be, for example, a cylindrical shape or a hollow plate shape having a plurality of gas flow paths formed therein.
本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックは、いわゆる横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックを意味する。本発明において、横縞型固体酸化物形燃料電池とは、1つの支持体の表面に複数の発電素子が形成されている固体酸化物形燃料電池を意味する。 The solid oxide fuel cell stack according to the present invention means a so-called horizontal stripe type solid oxide fuel cell stack. In the present invention, a horizontal stripe type solid oxide fuel cell refers to a solid oxide fuel cell in which a plurality of power generating elements are formed on the surface of one support.
本発明において、固体酸化物形燃料電池セルスタックとは、発電素子が複数集合したものを意味する。 In the present invention, the solid oxide fuel cell stack means a plurality of power generating elements assembled.
本発明の固体酸化物形燃料電池セルスタックを用いた固体酸化物形燃料電池システムは、特定のものに限定されず、その製造方法やこれを構成する他の材料等はいずれも公知のものを使用することができる。 The solid oxide fuel cell system using the solid oxide fuel cell stack of the present invention is not limited to a specific one, and the manufacturing method and other materials constituting the solid oxide fuel cell system are all known ones. Can be used.
発電素子
本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックは複数の発電素子を有し、この発電素子が直列に接続されてなるものである。発電素子は、燃料極、固体電解質、および空気極が順次積層された積層体である。
Power generating element The solid oxide fuel cell stack according to the present invention has a plurality of power generating elements, which are connected in series. The power generating element is a laminate in which a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are sequentially laminated.
支持体
本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックは支持体を有する。支持体の表面に複数の発電素子が直列に形成される。本発明では、このような支持体として、多孔質であり、ガス透過性を有し、発電素子を支持するための機械的強度を有し、そして電気絶縁性を有するものであれば、特に限定されず用いることができる。支持体の材料としては、MgO、カルシア安定化ジルコニア(CSZ)、フォルステライトからなる群から選ばれる一種以上を用いることができる。支持体の好ましい厚さは0.5〜2mmである。
Support The solid oxide fuel cell stack according to the present invention has a support. A plurality of power generating elements are formed in series on the surface of the support. In the present invention, such a support is particularly limited as long as it is porous, has gas permeability, has mechanical strength for supporting the power generating element, and has electrical insulation. Not used. As the material of the support, at least one selected from the group consisting of MgO, calcia-stabilized zirconia (CSZ), and forsterite can be used. The preferred thickness of the support is 0.5-2 mm.
燃料極
本発明において、燃料極は、燃料ガスを透過させるための多孔性、水素を吸着させる触媒活性(電極活性)、導電性、および酸化物イオン伝導性を有する。燃料極の多孔性は支持体のそれより小さくてもよい。
Fuel Electrode In the present invention, the fuel electrode has porosity for permeating a fuel gas, catalytic activity (electrode activity) for adsorbing hydrogen, conductivity, and oxide ion conductivity. The porosity of the anode may be smaller than that of the support.
このような燃料極を構成する材料として、例えばNiO/ジルコニウム含有酸化物、NiO/セリウム含有酸化物などが挙げられ、少なくともこれらのいずれかを含んでなる。ここで、NiO/ジルコニウム含有酸化物とは、NiOとジルコニウム含有酸化物とが、所定の比率で均一に混合されたものを意味する。また、NiO/セリウム含有酸化物とは、NiOとセリウム含有酸化物とが、所定の比率で均一に混合されたものを意味する。NiO/ジルコニウム含有酸化物のジルコニウム含有酸化物としては、例えばCaO、Y2O3、Sc2O3のうちの1種以上をドープしたジルコニウム含有酸化物などが挙げられる。NiO/セリウム含有酸化物のセリウム含有酸化物としては、一般式Ce1−yLnyO2(但し、LnはLa、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Sc、およびYから選択されるいずれか1種以上の組み合わせであり、0.05≦y≦0.50)などが挙げられる。なお、NiOは燃料雰囲気下で還元されてNiとなるため、前記酸化物はそれぞれNi/ジルコニウム含有酸化物又はNi/セリウム含有酸化物となる。 Examples of a material forming such a fuel electrode include NiO / zirconium-containing oxide, NiO / cerium-containing oxide, and the like, and include at least any of these. Here, NiO / zirconium-containing oxide means that NiO and zirconium-containing oxide are uniformly mixed at a predetermined ratio. In addition, the NiO / cerium-containing oxide means that NiO and the cerium-containing oxide are uniformly mixed at a predetermined ratio. Examples of the zirconium-containing oxide of NiO / zirconium-containing oxide include a zirconium-containing oxide doped with at least one of CaO, Y 2 O 3 , and Sc 2 O 3 . The cerium-containing oxide of NiO / cerium-containing oxide represented by the general formula Ce 1-y Ln y O 2 ( where, Ln is La, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm , Yb, Lu, Sc, and Y, and is a combination of at least one of 0.05 ≦ y ≦ 0.50). Since NiO is reduced to Ni in a fuel atmosphere, the oxides become Ni / zirconium-containing oxides or Ni / cerium-containing oxides, respectively.
本発明において、燃料極は単層であっても、又は複層であっても良い。複層の燃料極の例としては、支持体側にNi/YSZ(イットリア安定化ジルコニア)を用い、固体電解質側にNi/GDC(Gd2O3−CeO2)(すなわち、燃料極触媒層)を用いる。燃料極の好ましい厚さは10〜200μmである。燃料極触媒層の好ましい厚さは0〜30μmである。 In the present invention, the fuel electrode may be a single layer or a multilayer. As an example of the multi-layer fuel electrode, Ni / YSZ (yttria-stabilized zirconia) is used on the support side, and Ni / GDC (Gd 2 O 3 —CeO 2 ) (that is, the fuel electrode catalyst layer) is used on the solid electrolyte side. Used. The preferred thickness of the fuel electrode is 10 to 200 μm. The preferred thickness of the fuel electrode catalyst layer is 0 to 30 μm.
空気極
本発明において、空気極は、酸素を透過させるための多孔性、酸素を吸着させる又はイオン化する触媒活性(電極活性)、導電性、および酸化物イオン伝導性を有する。空気極の多孔性、導電性はそれぞれ集電層のそれより小さくてもよい。
Air electrode In the present invention, the air electrode has porosity for allowing oxygen to permeate, catalytic activity (electrode activity) for adsorbing or ionizing oxygen, conductivity, and oxide ion conductivity. The porosity and conductivity of the air electrode may be smaller than those of the current collecting layer.
このような空気極を構成する材料として、例えばLa1−xSrxCoO3(但し、x=0.1〜0.3)及びLaCo1−xNixO3(但し、x=0.1〜0.6)などのランタンコバルト系酸化物、LaSrFeO3系とLaSrCoO3系の固溶体であるランタンフェライト系酸化物(La1−mSrmCo1−nFenO3(但し、0.05<m<0.50、0<n<1))などが挙げられる。空気極は、単層であっても、又は複層であっても良い。外側電極が複層の空気極である場合の例としては、固体電解質側にLa0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3(すなわち、空気極触媒層)を用い、最表層にLa0.6Sr0.4Co0.8Fe0.2O3(すなわち、空気極)を用いることができる。空気極の好ましい厚さは0.2〜30μmである。 As a material constituting such an air electrode, for example, La 1-x Sr x CoO 3 (where x = 0.1 to 0.3) and LaCo 1-x Ni x O 3 (where x = 0.1 0.6) lanthanum cobalt oxides such as, LaSrFeO 3 system and the LaSrCoO 3 based solid solution in which lanthanum ferrite oxide (La 1-m Sr m Co 1-n Fe n O 3 ( where 0.05 <M <0.50, 0 <n <1)). The cathode may be a single layer or multiple layers. As an example where the outer electrode is a multi-layer air electrode, La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 (that is, an air electrode catalyst layer) is used on the solid electrolyte side. La 0.6 Sr 0.4 Co 0.8 Fe 0.2 O 3 (that is, an air electrode) can be used for the surface layer. The preferable thickness of the air electrode is 0.2 to 30 μm.
固体電解質
本発明において、固体電解質は、酸化物イオン伝導性、ガスシール性、および電気絶縁性を有する。このような固体電解質を構成する材料として、ランタンガレート系酸化物、固溶種としてY、Ca、およびScから選択される1種以上を固溶した安定化ジルコニアなどが挙げられる。本発明において好適な固体電解質は、Sr及びMgがドープされたランタンガレート系酸化物であり、より好適には一般式La1−aSraGa1−b−cMgbCocO3−δ(但し、0.05≦a≦0.3、0<b<0.3、0≦c≦0.15、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である)で表されるランタンガレート系酸化物(LSGM)である。LSGMはLaGaO3をベースにLaサイトをSrで置換することで酸化物イオン伝導性を発現する。固体電解質は、単層であってもよく、又は複層であってもよい。固体電解質が複層である場合、例えば、燃料極とLSGMからなる固体電解質の間に、反応抑制層を設けることができる。反応抑制層の具体例としては、Laを固溶させたセリア(Ce1−xLaxO2(但し、0.3<x<0.5))が挙げられる。好適には、Ce0.6La0.4O2である。固体電解質の好ましい厚さは5〜60μmである。また、反応抑制層の好ましい厚さは0〜20μmである。
Solid Electrolyte In the present invention, the solid electrolyte has oxide ion conductivity, gas sealing properties, and electrical insulation properties. Examples of a material constituting such a solid electrolyte include a lanthanum gallate-based oxide, and stabilized zirconia in which at least one selected from Y, Ca, and Sc is dissolved as a solid solution. Suitable solid electrolyte in the present invention is a lanthanum gallate-based oxide Sr and Mg-doped, the general formula La is more preferably 1-a Sr a Ga 1- b-c Mg b Co c O 3-δ (Where 0.05 ≦ a ≦ 0.3, 0 <b <0.3, 0 ≦ c ≦ 0.15, and δ are values determined so as to satisfy the charge neutrality condition) Based oxide (LSGM). LSGM expresses oxide ion conductivity by replacing La site with Sr based on LaGaO 3 . The solid electrolyte may be a single layer or a multilayer. When the solid electrolyte is a multilayer, for example, a reaction suppression layer can be provided between the fuel electrode and the solid electrolyte composed of LSGM. Specific examples of the reaction inhibiting layer, ceria is solid-solved La (Ce 1-x La x O 2 ( where, 0.3 <x <0.5)) and the like. Preferably, it is Ce 0.6 La 0.4 O 2 . The preferred thickness of the solid electrolyte is 5 to 60 μm. The preferred thickness of the reaction suppression layer is 0 to 20 μm.
集電層
本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックは、外側電極とインターコネクタとを電気的に接続する集電層を有してなる。この集電層は、ガス(酸素)透過性、および空気極より発生した電子をスムーズに流通するための導電性を有する。本発明において、外側電極が空気極である場合、集電層はAgやPtなどの貴金属を含有する導電性ペーストや、La0.6Sr0.4Co0.8Fe0.2O3−δなどの導電性酸化物を含有するペーストを焼き付けることにより形成できる。また、外側電極が燃料極である場合、集電層は還元されて導電性が得られる、NiOもしくはNiなどの金属酸化物、または金属を含有するペーストを焼き付けることにより形成できる。また、集電層は、ガス透過性を得るために多孔質またはメッシュなどの構造であることが好ましい。集電層の好ましい厚さは10〜200μmである。
Current Collection Layer The solid oxide fuel cell stack according to the present invention has a current collection layer for electrically connecting the outer electrode and the interconnector. The current collecting layer has gas (oxygen) permeability and conductivity for smoothly flowing electrons generated from the air electrode. In the present invention, when the outer electrode is an air electrode current collector layer and a conductive paste containing the noble metal such as Ag or Pt, La 0.6 Sr 0.4 Co 0.8 Fe 0.2 O 3- It can be formed by baking a paste containing a conductive oxide such as δ . In the case where the outer electrode is a fuel electrode, the current collecting layer can be formed by baking a metal oxide such as NiO or Ni or a paste containing a metal, which is reduced to obtain conductivity. Further, the current collecting layer is preferably a porous or mesh-like structure in order to obtain gas permeability. The preferred thickness of the current collecting layer is 10 to 200 μm.
インターコネクタ
(組成)
本発明において、インターコネクタはセラミックからなる。つまり、本発明のインターコネクタはセラミックインターコネクタを意味する。インターコネクタは、一般式SrxLayTiO3−δ(ただし、xおよびyは、0.8≦x+y≦1.0、および0.01<y≦0.1を満たす正の実数である。)で表されるペロブスカイト型酸化物からなるものであることが好ましい。ここで、「からなる」とは、インターコネクタの主成分が前記一般式SrxLayTiO3−δで表されるペロブスカイト型酸化物であることを意味する。すなわち、インターコネクタがその他の成分、例えば後述する拡散元素を含むものである態様を除外するものではない。換言すると、インターコネクタは前記一般式SrxLayTiO3−δで表されるペロブスカイト型酸化物を主成分として含んでなるものであることが好ましい。主成分とは、インターコネクタにおいて、前記前記一般式SrxLayTiO3−δで表されるペロブスカイト型酸化物が80mol%以上含まれていることを意味する。好ましくは90mol%以上、さらに好ましくは95mol%以上含まれている。さらにより好ましくは、インターコネクタは前記ペロブスカイト型酸化物のみからなる。インターコネクタの主成分がこのような組成比を有する酸化物であることにより、十分な緻密性と導電性を両立することができる。インターコネクタはSrTiO3をベースにLaを置換することで導電性が発現される。本発明のより好ましい態様によれば、SrとLaの組成比は、0.8≦x+y≦0.9、0.01<y≦0.1の関係を満たすものであることが好ましい。これにより、緻密性をさらに高めることができる。また、TiをNbで置換してもよい。これにより、導電性をさらに高めることができる。このような酸化物の好ましい具体例として、SrxLayTi1−zNbzO3−δ(0.8≦x+y≦1.0、0.01<y≦0.1、0.05≦z≦0.2)が挙げられる。
Interconnector (composition)
In the present invention, the interconnector is made of ceramic. That is, the interconnector of the present invention means a ceramic interconnector. Interconnector general formula Sr x La y TiO 3-δ ( here, x and y are positive real number satisfying 0.8 ≦ x + y ≦ 1.0, and 0.01 <y ≦ 0.1. ) Is preferably made of a perovskite oxide. Here, "consisting of" is meant to be a perovskite oxide main component of the interconnector is represented by the general formula Sr x La y TiO 3-δ . That is, this does not exclude an aspect in which the interconnector includes another component, for example, a diffusion element described later. In other words, it is preferred interconnector are those which comprise a perovskite oxide represented by the general formula Sr x La y TiO 3-δ as a main component. The main component in the interconnector, perovskite oxide represented by the general formula Sr x La y TiO 3-δ means that it contains more than 80 mol%. It is preferably contained in an amount of 90 mol% or more, more preferably 95 mol% or more. Even more preferably, the interconnector is made of only the perovskite oxide. When the main component of the interconnector is an oxide having such a composition ratio, sufficient denseness and conductivity can be achieved at the same time. The interconnector exhibits conductivity by replacing La with SrTiO 3 as a base. According to a more preferred aspect of the present invention, the composition ratio of Sr and La preferably satisfies the relationship of 0.8 ≦ x + y ≦ 0.9 and 0.01 <y ≦ 0.1. Thereby, denseness can be further improved. Further, Ti may be replaced with Nb. Thereby, the conductivity can be further increased. Preferred examples of such oxides, Sr x La y Ti 1- z Nb z O 3-δ (0.8 ≦ x + y ≦ 1.0,0.01 <y ≦ 0.1,0.05 ≦ z ≦ 0.2).
本発明において、インターコネクタは、例えば焼成時に他の部材、すなわち燃料極、空気極および固体電解質等からインターコネクタに拡散される元素を不可避成分として含んでいても良い。このような元素としては、Ni、Y、Gd、Ce、Zr、La、Sr、Ga、Mg、Co、Feなどが挙げられる。拡散する元素の量は、各部材の構成材料、結晶構造、焼成温度、焼成の態様(例えば、逐次焼成や共焼成)などに応じて変化する。 In the present invention, the interconnector may include, as an unavoidable component, an element diffused into the interconnector from another member, for example, a fuel electrode, an air electrode, and a solid electrolyte during firing. Examples of such elements include Ni, Y, Gd, Ce, Zr, La, Sr, Ga, Mg, Co, Fe, and the like. The amount of the element to be diffused varies depending on the constituent material of each member, the crystal structure, the firing temperature, the mode of firing (for example, sequential firing or co-firing), and the like.
(導電率)
本発明において、インターコネクタの導電率は、700℃大気雰囲気下において0.01S/cm以上であることが好ましく、0.02S/cm以上であることがさらに好ましい。また、導電率は高ければ高いほど良いため上限は無いが、好ましくは0.16S/cm以下である。これによりインターコネクタの導電性を向上させ、固体酸化物形燃料電池スタックの発電出力を向上させることが可能となる。
(conductivity)
In the present invention, the electrical conductivity of the interconnector is preferably 0.01 S / cm or more, more preferably 0.02 S / cm or more at 700 ° C. in an air atmosphere. There is no upper limit since the higher the conductivity, the better, but it is preferably 0.16 S / cm or less. Thereby, the conductivity of the interconnector can be improved, and the power generation output of the solid oxide fuel cell stack can be improved.
導電率は以下の方法により測定することができる。すなわち、導電率を測定するための試験片を、インターコネクタの原料粉末を900kgf/cm2の荷重にて一軸プレスして、1300℃で2時間、大気雰囲気下で焼成することにより作製する。この試験片の導電率をJIS R 1650−2の規定に基づき、直流4端子法によって、大気雰囲気下700℃で測定する。 The conductivity can be measured by the following method. That is, a test piece for measuring the conductivity is prepared by uniaxially pressing the raw material powder of the interconnector under a load of 900 kgf / cm 2 and firing at 1300 ° C. for 2 hours in the atmosphere. The conductivity of this test piece is measured at 700 ° C. in an air atmosphere by a direct current four-terminal method based on the provisions of JIS R 1650-2.
(気孔率)
本発明において、インターコネクタの気孔率は、1%以下であることが好ましく、さらに好ましくは0.1%以下である。また、0%以上であることが好ましい。これによりインターコネクタのガスシール性を確保し、固体酸化物形燃料電池セルスタックの発電効率を向上することが可能となる。気孔率の測定は、以下の方法を用いて行うことができる。
(Porosity)
In the present invention, the porosity of the interconnector is preferably 1% or less, more preferably 0.1% or less. Further, it is preferably 0% or more. Thereby, the gas sealing property of the interconnector can be secured, and the power generation efficiency of the solid oxide fuel cell stack can be improved. The porosity can be measured using the following method.
<SEM画像から得る方法>
作製した固体酸化物形燃料電池セルスタックからインターコネクタを含むように切り出し、このインターコネクタを走査型電子顕微鏡(例えば日立製作所製S−4100)により、加速電圧15kV、2次電子画像、倍率100〜10000倍で観察し、SEM画像を得る。このSEM画像を画像処理ソフト(例えばWinroofver6.5.1、MITANI CORPORATION社製)によって評価する。これにより、横軸が輝度、縦軸が出現頻度であるヒストグラムを得る。このヒストグラムにおいて、輝度の最小値と最大値の平均値より輝度が低い領域を低輝度領域、平均値より輝度が高い領域を高輝度領域とする。この低輝度領域を気孔と判定し、気孔以外の高輝度領域をインターコネクタと判定することで2値化処理する。その後、下記式から気孔率を得ることができる。
気孔率(%)=低輝度領域の積分値÷全体の出現頻度の積分値×100
<Method to obtain from SEM image>
The manufactured solid oxide fuel cell stack is cut out so as to include an interconnector, and the interconnector is accelerated by a scanning electron microscope (for example, S-4100 manufactured by Hitachi, Ltd.) at an acceleration voltage of 15 kV, a secondary electron image, and a magnification of 100 to 100 μm. Observe at 10000x and obtain SEM image. The SEM image is evaluated using image processing software (for example, Winroofver 6.5.1, manufactured by MITANI CORPORATION). As a result, a histogram in which the horizontal axis is luminance and the vertical axis is appearance frequency is obtained. In this histogram, an area whose luminance is lower than the average of the minimum and maximum values of the luminance is a low luminance area, and an area whose luminance is higher than the average is a high luminance area. The low-luminance area is determined to be a pore, and the high-luminance area other than the pore is determined to be an interconnector, thereby performing a binarization process. Thereafter, the porosity can be obtained from the following equation.
Porosity (%) = Integral value of low-luminance area / Integral value of overall appearance frequency × 100
本発明において、インターコネクタが上記方法によって得られる所望の気孔率を有するものであることを確認するために、以下の方法により求められる気孔率を一つの指標とすることができる。 In the present invention, the porosity obtained by the following method can be used as one index in order to confirm that the interconnector has a desired porosity obtained by the above method.
<アルキメデス法にて測定して得る方法>
インターコネクタの原料粉末を900kgf/cm2の荷重にて一軸プレスし、1300℃で2時間、大気雰囲気下で焼成することにより試験片を得る。この試験片をJIS R 1634の規定に基づき、アルキメデス法により測定し、気孔率を得る。
<Method obtained by Archimedes method>
The test piece is obtained by uniaxially pressing the raw material powder of the interconnector under a load of 900 kgf / cm 2 and firing at 1300 ° C. for 2 hours in an air atmosphere. The test piece is measured by the Archimedes method based on the provisions of JIS R 1634 to obtain a porosity.
本発明において、固体電解質およびインターコネクタの双方がストロンチウムを含むのが好ましい。本発明において、インターコネクタに含まれるストロンチウム量の方が固体電解質に含まれるストロンチウム量よりも多いことがさらに好ましい。すなわち、固体電解質に含まれるストロンチウム量はインターコネクタに含まれるストロンチウム量よりも少ないことがさらに好ましい。 In the present invention, it is preferable that both the solid electrolyte and the interconnector contain strontium. In the present invention, the amount of strontium contained in the interconnector is more preferably larger than the amount of strontium contained in the solid electrolyte. That is, the amount of strontium contained in the solid electrolyte is more preferably smaller than the amount of strontium contained in the interconnector.
インターコネクタは、酸素を除いた元素換算で、組成中にストロンチウムを30mol%以上50mol%以下含むことが好ましい。すなわち、SrxLayTiO3−δ(ただし、xおよびyは、0.8≦x+y≦1.0、および0.01<y≦0.1を満たす正の実数である。)において、さらに0.3≦x/(x+y+1)≦0.5を満たすことが好ましい。固体電解質は、酸素を除いた元素換算で、組成中にストロンチウムを15mol%以下含むことが好ましく、2.5mol%以上15mol%以下含むことがより好ましい。すなわち、固体電解質は一般式La1−aSraGa1−b−cMgbCocO3−δ(但し、0.05≦a≦0.3、0<b<0.3、0≦c≦0.15、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である)で表されるランタンガレート系酸化物(LSGM)を含んでなることが好ましい。 The interconnector preferably contains strontium in a composition of 30 mol% or more and 50 mol% or less in terms of an element excluding oxygen. That, Sr x La y TiO 3- δ ( here, x and y, 0.8 ≦ x + y ≦ 1.0 , and a positive real number satisfying 0.01 <y ≦ 0.1.) In further It is preferable to satisfy 0.3 ≦ x / (x + y + 1) ≦ 0.5. The solid electrolyte preferably contains strontium in a composition of 15 mol% or less, more preferably 2.5 mol% or more and 15 mol% or less in terms of an element excluding oxygen. That is, the solid electrolyte has the general formula La 1-a Sr a Ga 1 -b-c Mg b Co c O 3-δ ( where, 0.05 ≦ a ≦ 0.3,0 <b <0.3,0 ≦ c ≦ 0.15, δ is a value determined so as to satisfy the charge neutrality condition.) It is preferable to include a lanthanum gallate-based oxide (LSGM).
(厚み)
本発明において、インターコネクタの好ましい厚みは5μm以上50μm以下である。
(Thickness)
In the present invention, the preferred thickness of the interconnector is 5 μm or more and 50 μm or less.
固体酸化物形燃料電池セルスタックの構造
図1は、本発明の一つの態様として、横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックを示す正面図である。横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック210は、支持体201に13個の発電素子10が直列に接続されている。
Structure of Solid Oxide Fuel Cell Stack FIG. 1 is a front view showing a horizontal stripe type solid oxide fuel cell stack as one embodiment of the present invention. In the horizontal stripe type solid oxide
図2は、本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタック210の一つの態様を示す模式図であり、固体酸化物形燃料電池セルスタックにおいて発電素子10近傍を示す。図2では、内側電極を燃料極としたタイプについて示す。図2に示すように、固体酸化物形燃料電池セルスタック210は、支持体201と、(第一/第二)燃料極202(すなわち、燃料極層202aと燃料極触媒層202b)と、(第一/第二)固体電解質203(すなわち、反応抑制層203aと固体電解質層203b)と、空気極204と、集電層205と、インターコネクタ206とから構成されている。ここで、(第一/第二)とは、単層又は二層であって、二層の場合は第一層と第二層とを有することを意味する。
FIG. 2 is a schematic diagram showing one embodiment of the solid oxide
図3は、本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックの一つの好ましい態様を示す。支持体301の表面に燃料極302が形成されている。隣接する燃料極の間および燃料極の表面に固体電解質304が形成されている。インターコネクタ303は、他方の発電素子の固体電解質304の上に形成されている第1のインターコネクタ306と、隣接する一方の発電素子の固体電解質304と他方の発電素子の固体電解質304との間に形成されている第2のインターコネクタ307とから少なくとも構成されている。また、一方の発電素子の空気極305が、第2のインターコネクタ307の表面を覆っている。この際、第2のインターコネクタの表面全体が覆われている。また、一方の発電素子の空気極305が、第1のインターコネクタ306の表面の一部を覆っている。
FIG. 3 shows one preferred embodiment of the solid oxide fuel cell stack according to the present invention. The
一方の発電素子の空気極305と第1のインターコネクタ306との接合距離、および一方の発電素子の空気極305と第2のインターコネクタ307との接合距離の合計の長さ:Aと、一方の発電素子の固体電解質304と他方の発電素子の固体電解質304との間の長さ:A’とが、A/A’≧1を満たすように、インターコネクタ303の表面が一方の発電素子の空気極305で覆われている。このような構成により、インターコネクタ303の導電面積を大きくすることができ、導電性を高めることができる。なお、一方の発電素子の固体電解質304と他方の発電素子の固体電解質304との間の長さ:A’とは、一方の発電素子の固体電解質304と他方の発電素子の固体電解質304との間の最短長さを指す。
The total length of the junction distance between the
さらに、他方の発電素子の固体電解質304の空気極側の表面における、インターコネクタ303(第1のインターコネクタ306)の端部と他方の発電素子の空気極305の端部との間の長さ:Lと、第1のインターコネクタの空気極側の表面の長さ:L’とが、L/L’≦1を満たすように、インターコネクタ303(第1のインターコネクタ306)と他方の発電素子の空気極305とが近づけられている。このような構成により、隣接する発電素子間の距離を小さくすることができ、発電素子間抵抗を小さくすることができる。
Further, the length between the end of the interconnector 303 (first interconnector 306) and the end of the
これらの結果、インターコネクタの導電性を高め、さらに隣接する発電素子間の電気抵抗を小さくすることができるため、固体酸化物形燃料電池セルスタックの発電出力を高めることができる。 As a result, the electrical conductivity of the interconnector can be increased and the electrical resistance between adjacent power generating elements can be reduced, so that the power generation output of the solid oxide fuel cell stack can be increased.
各長さおよび接合距離(A、A’、L、L’)は、以下のように求めることができる。すなわち、作製した固体酸化物形燃料電池セルスタックを隣接する一方の発電素子と他方の発電素子とが含まれるように切断する。そして、この切断面を走査型電子顕微鏡(SEM)で1〜100倍の任意の倍率にて3回観察し、得られた各長さの最大値と最小値を足して2で割る。各接合距離も同様の方法で求めることができる。 Each length and joining distance (A, A ', L, L') can be determined as follows. That is, the produced solid oxide fuel cell stack is cut so as to include one adjacent power generation element and the other power generation element. Then, the cut surface is observed three times with a scanning electron microscope (SEM) at an arbitrary magnification of 1 to 100 times, and the obtained maximum value and minimum value of each length are added and divided by two. Each joining distance can be determined in a similar manner.
図4は、本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックの別の好ましい態様を示す。図4は、図3に示す態様と同様に説明することができる。 FIG. 4 shows another preferred embodiment of the solid oxide fuel cell stack according to the present invention. FIG. 4 can be described similarly to the embodiment shown in FIG.
本発明の好ましい態様によれば、固体酸化物形燃料電池セルスタックは、A/A’≦1.5以下である。本発明の好ましい態様によれば、固体酸化物形燃料電池セルスタックは、0.5≦L/L’である。これにより、発電素子間の距離を、発電性能が損なわれない範囲に収めることができ、固体酸化物形燃料電池セルスタックの出力を高めることが可能となる。 According to a preferred embodiment of the present invention, the solid oxide fuel cell stack has A / A ′ ≦ 1.5 or less. According to a preferred embodiment of the present invention, the solid oxide fuel cell stack satisfies 0.5 ≦ L / L ′. As a result, the distance between the power generation elements can be kept within a range where the power generation performance is not impaired, and the output of the solid oxide fuel cell stack can be increased.
本発明の好ましい態様によれば、固体酸化物形燃料電池セルスタックは、A=A’+L’を満たすものである(図5を参照)。すなわち、一方の発電素子の空気極305の端部とインターコネクタ303(第1のインターコネクタ306)の端部とが面一であることが好ましい。図5では、一方の発電素子の空気極305が第1のインターコネクタ306の表面全体を覆ってなる。つまり、図3に示す態様において、一方の発電素子の空気極305の端部とインターコネクタ303(第1のインターコネクタ306)の端部とを面一にすることにより、空気極305とインターコネクタ303との接触面積を大きくすることができる。その結果、インターコネクタ303の導電面積を大きくすることができるため、導電性を高めることができる。よって、発電素子の発電出力を向上させることができる。
According to a preferred embodiment of the present invention, the solid oxide fuel cell stack satisfies A = A '+ L' (see FIG. 5). That is, it is preferable that the end of the
これらの態様において、一方の発電素子の固体電解質304の上に第3のインターコネクタ308が形成されていても良い。つまり、この場合、インターコネクタ303は、第1のインターコネクタ306と第2のインターコネクタ307と第3のインターコネクタ308とから構成される。これにより、隣接する一方の発電素子の空気極305と一方の発電素子の固体電解質304とが接触して発生する酸化物イオンのリークを防止することができるため、逆電池の形成を抑制することができる。図3〜5では、一方の発電素子の固体電解質304の上に第3のインターコネクタ308が形成されている態様を示している。第3のインターコネクタ308の表面全体は、一方の発電素子の空気極305に覆われている。
In these embodiments, the
本発明の好ましい態様によれば、固体酸化物形燃料電池セルスタックは、一方の発電素子の固体電解質304と一方の発電素子の空気極305との間に絶縁部がさらに設けられてなり、当該絶縁部がインターコネクタ303(第2のインターコネクタ307)と接している。この場合、絶縁部は、第3のインターコネクタ308が形成されている場所に設けられていることが好ましい。このような構成により、隣接する一方の発電素子の空気極305と他方の発電素子の固体電解質304とが接触して発生する酸化物イオンのリークを防止することができる。その結果、固体酸化物形燃料電池セルスタックの発電出力を高めることができる。
According to a preferred embodiment of the present invention, the solid oxide fuel cell stack further includes an insulating portion provided between the
本発明において、絶縁部は絶縁性を有するものである。絶縁性とは、電気的絶縁性および酸化物イオン絶縁性を有することを意味する。具体的には、700℃大気雰囲気下での導電率が0.001S/cm以下であり、かつ酸化物イオン絶縁性を有することを意味する。導電率は上述した方法により測定することができる。絶縁部は、SrxLayTiO3−δ(ただし、xおよびyは、0.8≦x+y≦1.0、および0≦y≦0.01を満たす実数である。)、TiO2、フォルステライト(Mg2SiO4)、MgO、Al2O3、SiO2およびY2O3から選択される1種以上を含んでなることが好ましい。さらに好ましい材料として、SrxLayTiO3−δ(ただし、xおよびyは、0.8≦x+y≦1.0、および0≦y≦0.01を満たす実数である。)またはフォルステライトが挙げられる。
In the present invention, the insulating portion has an insulating property. Insulating means having electrical insulation and oxide ion insulation. Specifically, it means that the conductivity in an air atmosphere at 700 ° C. is 0.001 S / cm or less and has oxide ion insulating properties. The conductivity can be measured by the method described above. Insulating portion, Sr x La y TiO 3- δ ( here, x and y are real numbers satisfying 0.8 ≦ x + y ≦ 1.0, and 0 ≦ y ≦ 0.01.),
固体酸化物形燃料電池セルスタックの製造方法
本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックの製造方法は、特定のものに限定されるものではない。本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックは、例えば、以下のようにして製造される。
Method for Manufacturing Solid Oxide Fuel Cell Stack The method for manufacturing a solid oxide fuel cell stack according to the present invention is not limited to a specific method. The solid oxide fuel cell stack according to the present invention is manufactured, for example, as follows.
支持体は例えば以下のように作製することができる。先ず、原料粉体に、溶媒(水、アルコールなど)を添加して坏土を作製する。このとき、任意成分として、分散剤、バインダー、消泡剤もしくは造孔剤またはこれらの組合せ等を添加してもよい。坏土の成形には、シート成形法、プレス成形法、押出成形法などが用いられるが、内部にガス流路が形成される支持体を成形する場合は、押出成形法を用いるのが好ましい。複層の支持体を成形する場合は、複層を一体的に押出成形する多層押出成形の他、上層をコーティングや印刷により成形する方法を用いることもできる。コーティング方法の具体例としては、原料スラリーをコーティングするスラリーコート法、テープキャスティング法、ドクターブレード法、転写法などが挙げられる。印刷方法の具体例としては、スクリーン印刷法やインクジェット印刷方法などが挙げられる。次いで、作製した坏土を成形し、乾燥して支持体前駆体を得る。この支持体前駆体は、好ましくは、次いで仮焼(800℃以上1100℃未満)して多孔質な支持体の仮焼体を得て、その後支持体の仮焼体を、単独で焼成して支持体を得てもよく、又は、少なくとも燃料極等と共に焼成して支持体を得てもよい。焼成温度は、1100℃以上1400℃未満が好ましい。 The support can be produced, for example, as follows. First, a solvent (water, alcohol, etc.) is added to the raw material powder to produce a clay. At this time, a dispersant, a binder, an antifoaming agent, a pore-forming agent, a combination thereof, or the like may be added as an optional component. For forming the kneaded material, a sheet forming method, a press forming method, an extrusion forming method, or the like is used. When a support having a gas flow path formed therein is formed, it is preferable to use the extrusion forming method. In the case of forming a multi-layered support, a method of forming the upper layer by coating or printing may be used in addition to the multilayer extrusion molding in which the multi-layer is integrally extruded. Specific examples of the coating method include a slurry coating method of coating a raw material slurry, a tape casting method, a doctor blade method, and a transfer method. Specific examples of the printing method include a screen printing method and an inkjet printing method. Next, the produced kneaded clay is formed and dried to obtain a support precursor. This support precursor is then preferably calcined (800 ° C. or more and less than 1100 ° C.) to obtain a calcined body of a porous support, and then calcined the calcined body of the support alone. A support may be obtained, or the support may be obtained by firing at least with a fuel electrode or the like. The firing temperature is preferably from 1100 ° C to less than 1400 ° C.
インターコネクタおよび絶縁部は例えば以下のように作製することができる。まず、各原料粉末を作製する。原料粉末の作製は、例えば固相法により行うことができる。すなわち、原料となる金属酸化物の粉末を所望の組成比となるように秤量し、溶液中で混合した後に溶媒を除去して得られた粉末を、例えば1150℃で焼成、そして粉砕して原料粉末を作製する。この原料粉末に、溶媒(水、アルコールなど)、必要に応じて分散剤、バインダー等の成形助剤を添加して、スラリー又はペーストを作製する。このスラリー又はペーストをコーティングし、乾燥(80℃以上1100℃以下、好ましくは300℃以上1100℃以下)することで得られる乾燥被膜を形成した後、焼成(1100℃以上1400℃未満、好ましくは1250℃以上1400℃未満)することによってインターコネクタおよび絶縁部を得ることができる。コーティングは、既に説明したのと同様の方法を用いることができる。あるいは、各乾燥被膜は、予め転写シートとして形成し、転写フィルムを被積層体に貼り付けることにより設けても良い。 The interconnector and the insulating part can be manufactured, for example, as follows. First, each raw material powder is prepared. The production of the raw material powder can be performed, for example, by a solid phase method. That is, the powder of the metal oxide as a raw material is weighed so as to have a desired composition ratio, mixed in a solution, and then the solvent is removed. Make powder. A solvent (water, alcohol, etc.) and, if necessary, a molding aid such as a dispersant and a binder are added to the raw material powder to prepare a slurry or paste. This slurry or paste is coated and dried (80 ° C. or more and 1100 ° C. or less, preferably 300 ° C. or more and 1100 ° C. or less), and then dried (1100 ° C. or more and less than 1400 ° C., preferably 1250 ° C.). By performing the above process, the interconnector and the insulating portion can be obtained. For the coating, the same method as described above can be used. Alternatively, each dried film may be formed in advance as a transfer sheet, and then provided by attaching the transfer film to a laminated body.
燃料極、固体電解質および空気極は例えば以下のように作製することができる。各原料粉末に、溶媒(水、アルコールなど)、必要に応じて分散剤、バインダー等の成形助剤を添加して、スラリー又はペーストを作製する。このスラリー又はペーストをコーティングし、乾燥(80℃以上1100℃以下、好ましくは300℃以上1100℃以下)することで得られる乾燥被膜を形成した後、焼成(1100℃以上1400℃未満、好ましくは1250℃以上1400℃未満)することによって燃料極、固体電解質および空気極を得ることができる。コーティングは、既に説明したのと同様の方法を用いることができる。あるいは、各乾燥被膜は、予め転写シートとして形成し、転写フィルムを被積層体に貼り付けることにより設けても良い。 The fuel electrode, solid electrolyte and air electrode can be produced, for example, as follows. A solvent (water, alcohol, etc.) and, if necessary, a molding aid such as a dispersant and a binder are added to each raw material powder to prepare a slurry or paste. This slurry or paste is coated and dried (80 ° C. to 1100 ° C., preferably 300 ° C. to 1100 ° C.) to form a dried film, which is then fired (1100 ° C. to less than 1400 ° C., preferably 1250 ° C.). By performing the above operation, the fuel electrode, the solid electrolyte and the air electrode can be obtained. For the coating, the same method as described above can be used. Alternatively, each dried film may be formed in advance as a transfer sheet, and the transfer film may be provided by attaching the transfer film to a laminate.
本発明の製造方法の好ましい態様によれば、焼成は、各層を形成する都度行うことが好ましい。つまり、本態様によれば、支持体又はその仮焼体の表面に、燃料極の乾燥被膜を形成後、焼成して燃料極を形成する工程と、固体電解質の乾燥被膜を形成後、焼成して固体電解質を形成する工程と、インターコネクタの乾燥被膜を形成後、焼成してインターコネクタを形成する工程と、空気極の乾燥被膜を形成後、焼成して空気極を形成する工程とを少なくとも含んでなる。集電層の形成は、空気極の形成後に行う。 According to a preferred embodiment of the production method of the present invention, it is preferable to perform the firing each time each layer is formed. In other words, according to this aspect, a step of forming a dried film of the fuel electrode on the surface of the support or the calcined body thereof, followed by baking to form the fuel electrode, and a step of forming a dried film of the solid electrolyte, followed by baking. Forming a solid electrolyte, forming a dry film of the interconnector, and then firing to form an interconnector, forming a dry film of the air electrode, and firing to form an air electrode at least. Comprising. The formation of the current collecting layer is performed after the formation of the air electrode.
固体酸化物形燃料電池セルが絶縁部を有する場合は、以下の製造方法が好ましい。すなわち、支持体又はその仮焼体の表面に、燃料極の乾燥被膜を形成後、焼成して燃料極を形成する工程と、固体電解質の乾燥被膜を形成後、焼成して固体電解質を形成する工程と、インターコネクタ及び絶縁部の乾燥被膜を形成後、焼成してインターコネクタ及び絶縁部を形成する工程と、空気極の乾燥被膜を形成後、焼成して空気極を形成する工程とを少なくとも含んでなる。集電層の形成は、空気極の形成後に行う。 When the solid oxide fuel cell has an insulating portion, the following manufacturing method is preferable. That is, a step of forming a dried film of the fuel electrode on the surface of the support or its calcined body, followed by firing to form the fuel electrode, and forming a dried film of the solid electrolyte, followed by firing to form the solid electrolyte. A step of forming a dry film of the interconnector and the insulating part and then firing to form the interconnector and the insulating part, and a step of forming a dry film of the air electrode and firing to form the air electrode at least. Comprising. The formation of the current collecting layer is performed after the formation of the air electrode.
本発明の製造方法の好ましい態様によれば、インターコネクタ及び固体電解質が共焼成(1250℃以上1400℃未満)により得られることが好ましい。また、インターコネクタ、固体電解質及び絶縁部が共焼成(1250℃以上1400℃未満)により得られることがさらに好ましい。焼成時において、インターコネクタ、固体電解質及び絶縁部に含まれている元素が相互に拡散し合う。すなわち、インターコネクタ、固体電解質及び絶縁部に含まれている元素が同じ場合、相互に拡散し合う。このような元素としては、ストロンチウムやランタンが挙げられる。これにより、インターコネクタ、固体電解質、および絶縁部の密着性を向上することができる。 According to a preferred embodiment of the production method of the present invention, it is preferable that the interconnector and the solid electrolyte are obtained by co-firing (1250 ° C. or more and less than 1400 ° C.). Further, it is more preferable that the interconnector, the solid electrolyte, and the insulating portion are obtained by co-firing (1250 ° C. or higher and lower than 1400 ° C.). At the time of firing, the elements contained in the interconnector, the solid electrolyte, and the insulating portion are mutually diffused. That is, when the elements contained in the interconnector, the solid electrolyte, and the insulating portion are the same, they diffuse with each other. Such elements include strontium and lanthanum. Thereby, the adhesiveness of the interconnector, the solid electrolyte, and the insulating portion can be improved.
本発明の製造方法の別の好ましい態様によれば、支持体又はその仮焼体を作製し、支持体又はその仮焼体の表面に燃料極の乾燥被膜を形成し、固体電解質の乾燥被膜を形成し、支持体、燃料極および固体電解質の乾燥被膜からなる積層成形体を共焼成(1250℃以上1400℃未満)し、その後インターコネクタ及び絶縁部の乾燥被膜を形成し、これらを共焼成し、さらに、空気極の乾燥被膜を形成し、そしてこれら全体を焼成することを含んでなる。 According to another preferred embodiment of the production method of the present invention, a support or a calcined body thereof is produced, a dried film of the fuel electrode is formed on the surface of the support or the calcined body thereof, and a dried film of the solid electrolyte is formed. The laminated molded body composed of the support, the fuel electrode, and the dry film of the solid electrolyte is co-fired (1250 ° C. or more and less than 1400 ° C.), and thereafter, the dry film of the interconnector and the insulating part is formed. And further forming a dry coating of the cathode and firing all of them.
空気極の乾燥被膜の形成は、一方の発電素子の空気極と第1のインターコネクタとの接合距離、および一方の発電素子の空気極と第2のインターコネクタとの接合距離の合計の長さ:Aと、隣接する一方の発電素子の固体電解質と他方の発電素子の固体電解質との間の長さ:A’とが、A/A’≧1を満たし、かつ、他方の発電素子の固体電解質の空気極側の表面における、インターコネクタの端部と他方の発電素子の空気極の端部との間の長さ:Lと、第1のインターコネクタの空気極側の表面の長さ:L’とが、L/L’≦1を満たすように行う。 The formation of the dry film on the cathode is based on the total length of the junction distance between the cathode of one power generation element and the first interconnector and the junction distance between the cathode of one power generation element and the second interconnector. : A, the length between the solid electrolyte of one of the adjacent power generating elements and the solid electrolyte of the other power generating element: A ′ satisfies A / A ′ ≧ 1, and the solid of the other power generating element The length between the end of the interconnector and the end of the cathode of the other power generating element on the cathode side surface of the electrolyte: L, and the length of the cathode side surface of the first interconnector: L ′ is set to satisfy L / L ′ ≦ 1.
本発明を以下の実施例および比較例に基づいて具体的に説明するが、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。 The present invention will be specifically described based on the following examples and comparative examples, but the present invention is not limited to these specific examples.
実施例1
(支持体用坏土Aの作製)
高純度フォルステライト(0.05質量%のCaOを含むMg2SiO4)原料粉末を平均粒子径が0.7μmとなるよう調節した。この粉末100重量部と、溶媒(水)20重量部、バインダー(メチルセルロース)8重量部、潤滑剤0.5重量部、及び造孔剤(平均粒子径5μmのアクリル系樹脂粒子)15重量部とを高速ミキサーで混合後、混練機(ニーダー)で混練し、真空土練装置で脱気し、押し出し成形用の坏土を調製した。ここで、平均粒子径はJIS R1629の規定に基づき測定し、50%径にて示した値である(以下同様)。
Example 1
(Preparation of Clay A for Support)
The
(燃料極層用スラリーの作製)
NiO粉末と10YSZ(10mol%Y2O3−90mol%ZrO2)粉末とを重量比65:35で湿式混合し、乾燥粉末を得た。得られた乾燥粉末の平均粒子径は0.7μmとなるよう調節した。この粉末150重量部と、溶媒(カルビトール)100重量部、バインダー(可溶性高分子)6重量部、分散剤(ノニオン性界面活性剤)2重量部、及び消泡剤(有機高分子系)2重量部とを混合した後、十分攪拌してスラリーを調製した。
(Preparation of fuel electrode layer slurry)
NiO powder and 10YSZ (10mol% Y 2 O 3 -90mol% ZrO 2) were wet-mixed with powder at a ratio of 65:35 to obtain a dry powder. The average particle diameter of the obtained dry powder was adjusted to be 0.7 μm. 150 parts by weight of this powder, 100 parts by weight of a solvent (carbitol), 6 parts by weight of a binder (soluble polymer), 2 parts by weight of a dispersant (nonionic surfactant), and 2 parts of an antifoaming agent (organic polymer) After that, the slurry was prepared by sufficiently stirring the mixture.
(燃料極触媒層用スラリーの作製)
NiO粉末とGDC10(10mol%GdO1.5−90mol%CeO2)粉末との混合物を共沈法で作製後、熱処理を行い、燃料極触媒層用粉末を得た。NiO粉末とGDC10粉末の混合比は重量比で50/50とした。得られた燃料極触媒層用粉末の平均粒子径は0.5μmとなるよう調節した。この粉末100重量部と、溶媒(カルビトール)100重量部、バインダー(可溶性高分子)5重量部、分散剤(ノニオン性界面活性剤)2重量部、及び消泡剤(有機高分子系)2重量部とを混合した後、十分攪拌してスラリーを調製した。
(Preparation of slurry for anode catalyst layer)
After a mixture of NiO powder and GDC10 (10 mol% GdO 1.5 -90 mol% CeO 2 ) powder was prepared by a coprecipitation method, heat treatment was performed to obtain a powder for a fuel electrode catalyst layer. The mixing ratio between the NiO powder and the GDC10 powder was 50/50 by weight. The average particle diameter of the obtained fuel electrode catalyst layer powder was adjusted to be 0.5 μm. 100 parts by weight of this powder, 100 parts by weight of a solvent (carbitol), 5 parts by weight of a binder (soluble polymer), 2 parts by weight of a dispersant (nonionic surfactant), and 2 parts of an antifoaming agent (organic polymer) After that, the slurry was prepared by sufficiently stirring the mixture.
(反応抑制層用スラリーの作製)
反応抑制層の材料として、セリウム系複合酸化物LDC40(40mol%LaO1.5−60mol%CeO2)の粉末50重量部を用いた。この材料粉末に、焼結助剤としてGa2O3粉末0.04重量部を混合し、さらに溶媒(カルビトール)100重量部、バインダー(可溶性高分子)4重量部、分散剤(ノニオン性界面活性剤)1重量部、及び消泡剤(有機高分子系)1重量部を混合した後、十分攪拌してスラリーを調製した。
(Preparation of slurry for reaction suppression layer)
50 parts by weight of a powder of cerium-based composite oxide LDC40 (40 mol% LaO 1.5 -60 mol% CeO 2 ) was used as a material for the reaction suppression layer. To this material powder, 0.04 parts by weight of Ga 2 O 3 powder as a sintering aid was mixed, and further 100 parts by weight of a solvent (carbitol), 4 parts by weight of a binder (soluble polymer), and a dispersant (nonionic interface). After mixing 1 part by weight of an activator) and 1 part by weight of an antifoaming agent (organic polymer), the mixture was sufficiently stirred to prepare a slurry.
(固体電解質用スラリーの作製)
固体電解質の材料として、La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3の組成のLSGM粉末を用いた。このLSGM粉末50重量部を、溶媒(カルビトール)100重量部、バインダー(可溶性高分子)4重量部、分散剤(ノニオン性界面活性剤)1重量部、及び消泡剤(有機高分子系)1重量部と混合した後、十分攪拌してスラリーを調製した。
(Preparation of slurry for solid electrolyte)
LSGM powder having a composition of La 0.9 Sr 0.1 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 was used as a material for the solid electrolyte. 50 parts by weight of the LSGM powder were mixed with 100 parts by weight of a solvent (carbitol), 4 parts by weight of a binder (soluble polymer), 1 part by weight of a dispersant (nonionic surfactant), and an antifoaming agent (organic polymer). After mixing with 1 part by weight, the mixture was sufficiently stirred to prepare a slurry.
(インターコネクタ用原料粉末の作製)
インターコネクタ用原料粉末の作製は、固相法により行った。ストロンチウムとランタンとチタンとが、Sr0.90La0.04TiO3−δに示されるペロブスカイト型酸化物の組成比となるように、原料となる金属酸化物の粉末を秤量し、溶液中で混合した。その後、溶媒を除去して得られた粉末を、1150℃で焼成、そして粉砕してインターコネクタ原料粉末を作製した。
(Preparation of raw material powder for interconnectors)
The production of the raw material powder for the interconnector was performed by a solid phase method. The metal oxide powder as a raw material is weighed so that strontium, lanthanum, and titanium have a composition ratio of a perovskite oxide represented by Sr 0.90 La 0.04 TiO 3-δ , and the solution Mixed. Thereafter, the powder obtained by removing the solvent was fired at 1150 ° C. and pulverized to prepare an interconnector raw material powder.
(インターコネクタ用スラリーの作製)
インターコネクタの材料として、Sr0.90La0.04TiO3−δの組成のインターコネクタ用原料粉末を用いた。この粉末40重量部を、溶媒(カルビトール)100重量部、バインダー(可溶性高分子)4重量部、分散剤(ノニオン性界面活性剤)1重量部、及び消泡剤(有機高分子系)1重量部と混合した後、十分攪拌してスラリーを調製した。
(Preparation of slurry for interconnector)
As an interconnector material, an interconnector raw material powder having a composition of Sr 0.90 La 0.04 TiO 3-δ was used. 40 parts by weight of this powder were mixed with 100 parts by weight of a solvent (carbitol), 4 parts by weight of a binder (soluble polymer), 1 part by weight of a dispersant (nonionic surfactant), and 1 part by weight of an antifoaming agent (organic polymer). After mixing with parts by weight, the mixture was sufficiently stirred to prepare a slurry.
(空気極用スラリーの作製)
空気極の材料として、La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3の組成の粉末を用いた。この粉末40重量部を、溶媒(カルビトール)100重量部、バインダー(可溶性高分子)2重量部、分散剤(ノニオン性界面活性剤)1重量部、及び消泡剤(有機高分子系)1重量部と混合した後、十分攪拌してスラリーを調製した。
(Preparation of slurry for air electrode)
As the material of the air electrode was used a powder having the composition of La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3. 40 parts by weight of this powder were mixed with 100 parts by weight of a solvent (carbitol), 2 parts by weight of a binder (soluble polymer), 1 part by weight of a dispersant (nonionic surfactant), and 1 part by weight of an antifoaming agent (organic polymer). After mixing with parts by weight, the mixture was sufficiently stirred to prepare a slurry.
(固体酸化物形燃料電池セルスタックの作製)
上記のようにして得られた坏土および各スラリーを用いて、以下の方法で固体酸化物形燃料電池セルスタックを作製した。
(Production of solid oxide fuel cell stack)
Using the clay and the respective slurries obtained as described above, a solid oxide fuel cell stack was produced by the following method.
多孔質である支持体用坏土Aから押出し成形法によって円筒状成形体を作製した。室温で乾燥した後、1100℃で2時間熱処理して支持体の仮焼体を作製した。この支持体表面に、スラリーコート法により燃料極、燃料極触媒層、反応抑制層、固体電解質の順番で成膜し、乾燥させて乾燥被膜が積層された積層成形体を得た。この積層成形体を1300℃で2時間共焼成した。 A cylindrical molded body was produced from the porous support body clay A by an extrusion molding method. After drying at room temperature, heat treatment was performed at 1100 ° C. for 2 hours to prepare a calcined body of the support. On the surface of the support, a fuel electrode, a fuel electrode catalyst layer, a reaction suppressing layer, and a solid electrolyte were formed in this order by a slurry coating method, and dried to obtain a laminated molded body in which a dried film was laminated. The laminate was co-fired at 1300 ° C. for 2 hours.
次に、インターコネクタをスラリーコート法により成膜し、1250℃で2時間焼成した。 Next, the interconnector was formed into a film by a slurry coating method and baked at 1250 ° C. for 2 hours.
次に、固体電解質の表面に空気極を、L/L’=0.7、A/A’=1.1となるように成形し、1100℃で2時間焼成し、固体酸化物形燃料電池セルスタックを作製した。なお、支持体は、共焼成後の寸法で、外径10mm、肉厚1mmとした。作製した固体酸化物形燃料電池セルスタックは、燃料極の厚さが100μmであり、燃料極触媒層の厚さが10μmであり、反応抑制層の厚みが10μmであり、固体電解質の厚みが30μmであり、インターコネクタの厚みが15μmであり、空気極の厚みが20μmであった。また、支持体の外径は成膜していない個所をマイクロメータで測定した。各部材の厚みは作製したセルスタックのセルを切断して、断面を走査型電子顕微鏡(SEM)で30〜2000倍の任意の倍率にて3回観察し、得られた厚みの最大値と最小値を足して2で割ったものである。切断箇所は空気極を成膜した部分の中央部とした。また、得られた固体酸化物形燃料電池セルスタックについて、以下の各評価を行った。結果を表1に示す。 Next, an air electrode was formed on the surface of the solid electrolyte so that L / L ′ = 0.7 and A / A ′ = 1.1, and calcined at 1100 ° C. for 2 hours to obtain a solid oxide fuel cell. A cell stack was prepared. The support had dimensions after co-firing and an outer diameter of 10 mm and a thickness of 1 mm. The prepared solid oxide fuel cell stack had a fuel electrode thickness of 100 μm, a fuel electrode catalyst layer thickness of 10 μm, a reaction suppression layer thickness of 10 μm, and a solid electrolyte thickness of 30 μm. The thickness of the interconnector was 15 μm, and the thickness of the air electrode was 20 μm. The outside diameter of the support was measured by a micrometer at a portion where no film was formed. The thickness of each member is determined by cutting the cell of the prepared cell stack, observing the cross section three times with a scanning electron microscope (SEM) at an arbitrary magnification of 30 to 2000 times, and determining the maximum value and the minimum value of the obtained thickness. It is the sum of the values and dividing by two. The cut position was the center of the portion where the air electrode was formed. The following evaluations were performed on the obtained solid oxide fuel cell stack. Table 1 shows the results.
実施例2
実施例1に対して、空気極層をL/L’=0.7、A/A’=1.0となるように成形した以外は同様に行い、固体酸化物形燃料電池セルスタックを得た。得られた固体酸化物形燃料電池セルスタックについて、以下の各評価を行った。結果を表1に示す。
Example 2
A solid oxide fuel cell stack was obtained in the same manner as in Example 1 except that the air electrode layer was formed so that L / L ′ = 0.7 and A / A ′ = 1.0. Was. The following evaluations were performed for the obtained solid oxide fuel cell stack. Table 1 shows the results.
実施例3
実施例1に対して、空気極層をL/L’=1.0、A/A’=1.1となるように成形した以外は同様に行い、固体酸化物形燃料電池セルスタックを得た。得られた固体酸化物形燃料電池セルスタックについて、以下の各評価を行った。結果を表1に示す。
Example 3
A solid oxide fuel cell stack was obtained in the same manner as in Example 1, except that the air electrode layer was formed so that L / L '= 1.0 and A / A' = 1.1. Was. The following evaluations were performed for the obtained solid oxide fuel cell stack. Table 1 shows the results.
実施例4
実施例1に対して、空気極層をL/L’=1.0、A/A’=1.0となるように成形した以外は同様に行い、固体酸化物形燃料電池セルスタックを得た。得られた固体酸化物形燃料電池セルスタックについて、以下の各評価を行った。結果を表1に示す。
Example 4
A solid oxide fuel cell stack was obtained in the same manner as in Example 1, except that the air electrode layer was formed so that L / L '= 1.0 and A / A' = 1.0. Was. The following evaluations were performed for the obtained solid oxide fuel cell stack. Table 1 shows the results.
実施例5
実施例1に対して、空気極層をL/L’=0.7、A/A’=1.5、つまりA=A’+L’となるように成形した以外は同様に行い、固体酸化物形燃料電池セルスタックを得た。得られた固体酸化物形燃料電池セルスタックについて、以下の各評価を行った。結果を表1に示す。
Example 5
A solid oxidation was performed in the same manner as in Example 1 except that the air electrode layer was formed so that L / L ′ = 0.7 and A / A ′ = 1.5, that is, A = A ′ + L ′. A physical fuel cell stack was obtained. The following evaluations were performed for the obtained solid oxide fuel cell stack. Table 1 shows the results.
実施例6
実施例1に対して、空気極層をL/L’=0.5、A/A’=1.0となるように成形した以外は同様に行い、固体酸化物形燃料電池セルスタックを得た。得られた固体酸化物形燃料電池セルスタックについて、以下の各評価を行った。結果を表1に示す。
Example 6
A solid oxide fuel cell stack was obtained in the same manner as in Example 1, except that the air electrode layer was formed so that L / L '= 0.5 and A / A' = 1.0. Was. The following evaluations were performed for the obtained solid oxide fuel cell stack. Table 1 shows the results.
比較例1
実施例1に対して、空気極層をL/L’=0.7、A/A’=0.8となるように成形した以外は同様に行い、固体酸化物形燃料電池セルスタックを得た。得られた固体酸化物形燃料電池セルスタックについて、以下の各評価を行った。結果を表1に示す。
Comparative Example 1
A solid oxide fuel cell stack was obtained in the same manner as in Example 1, except that the air electrode layer was formed so that L / L '= 0.7 and A / A' = 0.8. Was. The following evaluations were performed for the obtained solid oxide fuel cell stack. Table 1 shows the results.
比較例2
実施例1に対して、空気極層をL/L’=1.5、A/A’=1.1となるように成形した以外は同様に行い、固体酸化物形燃料電池セルスタックを得た。得られた固体酸化物形燃料電池セルスタックについて、以下の各評価を行った。結果を表1に示す。
Comparative Example 2
A solid oxide fuel cell stack was obtained in the same manner as in Example 1, except that the air electrode layer was formed so that L / L '= 1.5 and A / A' = 1.1. Was. The following evaluations were performed for the obtained solid oxide fuel cell stack. Table 1 shows the results.
評価
(端子電圧の測定)
以下の発電条件において、隣接する一方の発電素子の燃料極と隣接する他方の発電素子の燃料極に電位線および電流線を接続することにより、端子間の電圧を測定した。結果を表1に示す。
燃料ガス :(H2+3%H2O)とN2の混合ガス(混合比はH2:N2=7:4(vol:vol))
燃料利用率:7%
酸化ガス :空気
運転温度 :700℃
電流密度 :0.4A/cm2
Evaluation (measurement of terminal voltage)
Under the following power generation conditions, a voltage between terminals was measured by connecting a potential line and a current line to the fuel electrode of one adjacent power generating element and the fuel electrode of the other adjacent power generating element. Table 1 shows the results.
Fuel gas: mixed gas of (H 2 + 3% H 2 O) and N 2 (mixing ratio is H 2 : N 2 = 7: 4 (vol: vol))
Fuel utilization rate: 7%
Oxidizing gas: air Operating temperature: 700 ° C
Current density: 0.4 A / cm 2
10:発電素子、210:固体酸化物形燃料電池セルスタック、301:支持体、302:燃料極、303:インターコネクタ、304:固体電解質、305:空気極、306:第1のインターコネクタ、307:第2のインターコネクタ、308:第3のインターコネクタ
10: power generation element, 210: solid oxide fuel cell stack, 301: support, 302: fuel electrode, 303: interconnector, 304: solid electrolyte, 305: air electrode, 306: first interconnector, 307 : Second interconnector, 308: third interconnector
Claims (4)
当該支持体の表面に、燃料極、固体電解質および空気極が少なくとも順次積層されてなる複数の発電素子と、
前記複数の発電素子のうちの隣接する一方の発電素子の空気極と、他方の発電素子の燃料極とを電気的に接続するインターコネクタと
を少なくとも有し、前記複数の発電素子が直列に接続されてなる固体酸化物形燃料電池セルスタックであって、
前記インターコネクタが、他方の発電素子の固体電解質の上に形成されてなる第1のインターコネクタと、一方の発電素子の固体電解質と前記他方の発電素子の固体電解質との間に形成されてなる第2インターコネクタとから少なくとも構成されてなり、
前記一方の発電素子の空気極が、前記第1のインターコネクタの表面と前記第2のインターコネクタの表面を覆ってなり、
前記一方の発電素子の空気極と前記第1のインターコネクタとの接合距離、および前記一方の発電素子の空気極と前記第2のインターコネクタとの接合距離の合計の長さ:Aと、前記一方の発電素子の固体電解質と前記他方の発電素子の固体電解質との間の長さ:A’とが、A/A’≧1を満たし、かつ
前記他方の発電素子の固体電解質の空気極側の表面における、前記第1のインターコネクタの、前記複数の発電素子の接続方向と同方向における端部と他方の発電素子の空気極の端部との間の長さ:Lと、前記第1のインターコネクタの空気極側の、前記複数の発電素子の接続方向と同方向における表面の長さ:L’とが、L/L’≦1を満たすことを特徴とする、固体酸化物形燃料電池セルスタック。 A support,
On the surface of the support, a fuel electrode, a solid electrolyte and a plurality of power generating elements that are stacked at least sequentially air electrode,
At least an interconnector for electrically connecting an air electrode of one of the plurality of power generation elements and a fuel electrode of the other power generation element, wherein the plurality of power generation elements are connected in series A solid oxide fuel cell stack comprising:
The interconnector is formed between a first interconnector formed on the solid electrolyte of the other power generating element, and the solid electrolyte of one power generating element and the solid electrolyte of the other power generating element. And at least a second interconnector,
An air electrode of the one power generating element covers a surface of the first interconnector and a surface of the second interconnector,
The total length of the joining distance between the air electrode of the one power generating element and the first interconnector and the joining distance between the air electrode of the one power generating element and the second interconnector: A; The length between the solid electrolyte of one power generation element and the solid electrolyte of the other power generation element: A ′ satisfies A / A ′ ≧ 1, and the air electrode side of the solid electrolyte of the other power generation element The length between the end of the first interconnector in the same direction as the connection direction of the plurality of power generating elements and the end of the air electrode of the other power generating element on the surface of the first interconnector; Wherein the length of the surface L ′ in the same direction as the connection direction of the plurality of power generating elements on the air electrode side of the interconnector satisfies L / L ′ ≦ 1. Battery cell stack.
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