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JP2008226653A - Fuel cell and fuel cell stack, and fuel cell - Google Patents

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JP2008226653A
JP2008226653A JP2007063430A JP2007063430A JP2008226653A JP 2008226653 A JP2008226653 A JP 2008226653A JP 2007063430 A JP2007063430 A JP 2007063430A JP 2007063430 A JP2007063430 A JP 2007063430A JP 2008226653 A JP2008226653 A JP 2008226653A
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fuel cell
solid electrolyte
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fuel
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Abstract

【課題】固体電解質中に酸素側電極に含有される成分が拡散することを防止することにより、耐久性を向上した燃料電池セル、それを用いる燃料電池セルスタックおよび燃料電池を提供する。
【解決手段】固体電解質9の一方側の表面上に中間層4とSrを含有する酸素側電極1とを順に備えるとともに、固体電解質9の酸素側電極1と対向する他方側の表面上に燃料側電極7を備える燃料電池セル10であって、中間層4は固体電解質9側の表層領域4aが他の領域4bよりも緻密に形成されていることから、燃料電池セル10の発電性能の劣化を抑制することができる。
【選択図】図1
The present invention provides a fuel cell having improved durability by preventing a component contained in an oxygen-side electrode from diffusing into a solid electrolyte, a fuel cell stack using the same, and a fuel cell.
An intermediate layer and an oxygen side electrode containing Sr are sequentially provided on one surface of a solid electrolyte, and a fuel is provided on the other surface of the solid electrolyte facing the oxygen side electrode. In the fuel battery cell 10 including the side electrode 7, the intermediate layer 4 has a surface layer region 4a on the solid electrolyte 9 side formed more densely than the other region 4b, so that the power generation performance of the fuel cell 10 is deteriorated. Can be suppressed.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、固体電解質の一方側の表面上に中間層と酸素側電極とを順に設けるとともに、固体電解質の酸素側電極と対向する他方側の表面上に燃料側電極を設けてなる燃料電池セルおよび燃料電池セルスタック、ならびに燃料電池に関する。   The present invention provides a fuel cell in which an intermediate layer and an oxygen-side electrode are sequentially provided on one surface of a solid electrolyte, and a fuel-side electrode is provided on the other surface facing the oxygen-side electrode of the solid electrolyte. And a fuel cell stack, and a fuel cell.

次世代エネルギーとして、近年、燃料電池セルを電気的に直列に複数個接続してなる燃料電池セルスタックを収納容器内に収容した燃料電池が種々提案されている。   In recent years, various fuel cells have been proposed in which a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are electrically connected in series is accommodated in a storage container as next-generation energy.

図3は、従来の固体電解質形燃料電池セルスタックを示すものであり、この燃料電池セルスタックは、複数の燃料電池セル21(21a、21b)を整列集合させ、一方の燃料電池セル21aと他方の燃料電池セル21bとの間に金属フェルトからなる集電部材25を介在させ、一方の燃料電池セル21aの燃料側電極27と他方の燃料電池セル21bの酸素側電極23とを電気的に接続して構成されている。   FIG. 3 shows a conventional solid oxide fuel cell stack, in which a plurality of fuel cells 21 (21a, 21b) are aligned and assembled, and one fuel cell 21a and the other A current collecting member 25 made of metal felt is interposed between the fuel cell 21b and the fuel side electrode 27 of one fuel cell 21a and the oxygen side electrode 23 of the other fuel cell 21b are electrically connected. Configured.

また、燃料電池セル21(21a、21b)は、円筒状の金属からなる燃料側電極27の外周面に、固体電解質29、導電性セラミックスからなる酸素側電極23を順次設けて構成されており、固体電解質29、酸素側電極23から露出した燃料側電極27には、酸素側電極23と接続しないようインターコネクタ22が設けられ、燃料側電極27と電気的に接続している。   The fuel cell 21 (21a, 21b) is configured by sequentially providing a solid electrolyte 29 and an oxygen-side electrode 23 made of conductive ceramics on the outer peripheral surface of a fuel-side electrode 27 made of a cylindrical metal, The interconnector 22 is provided on the fuel side electrode 27 exposed from the solid electrolyte 29 and the oxygen side electrode 23 so as not to be connected to the oxygen side electrode 23, and is electrically connected to the fuel side electrode 27.

このインターコネクタ22は、燃料側電極27の内部を流れる燃料ガスと、酸素側電極23の外側を流れる酸素含有ガスとを確実に遮断するため、緻密で、燃料ガス及び酸素含有ガスで変質しにくい導電性セラミックスにより形成されている。   Since the interconnector 22 reliably shuts off the fuel gas flowing inside the fuel side electrode 27 and the oxygen-containing gas flowing outside the oxygen-side electrode 23, the interconnector 22 is dense and hardly deteriorates by the fuel gas and the oxygen-containing gas. It is made of conductive ceramics.

一方の燃料電池セル21aと他方の燃料電池セル21bとの電気的接続は、一方の燃料電池セル21aの燃料側電極27を、燃料側電極27に設けられたインターコネクタ22、集電部材25を介して、他方の燃料電池セル21bの酸素側電極23に接続することにより行われる。   The electrical connection between one fuel cell 21a and the other fuel cell 21b is made by connecting the fuel side electrode 27 of one fuel cell 21a to the interconnector 22 and the current collecting member 25 provided on the fuel side electrode 27. And is connected to the oxygen side electrode 23 of the other fuel battery cell 21b.

また、燃料電池は、上記燃料電池セルスタックを収納容器内に収容して構成され、燃料側電極27内部に燃料(水素)を流し、酸素側電極23に空気(酸素)を流して1000℃程度で発電される。   The fuel cell is configured by housing the fuel cell stack in a storage container. The fuel (hydrogen) is allowed to flow inside the fuel side electrode 27, and the air (oxygen) is allowed to flow to the oxygen side electrode 23. It generates electricity.

このような燃料電池セル21では、一般に、燃料側電極27が、NiとYを含有するZrO(YSZ)とからなり、固体電解質29がYを含有するZrO(YSZ)からなり、酸素側電極23はSrが共存するLaMnO系複合酸化物から形成されている。 In such a fuel cell 21, in general, the fuel side electrode 27 is made of ZrO 2 (YSZ) containing Ni and Y 2 O 3 , and the solid electrolyte 29 is ZrO 2 (YSZ containing Y 2 O 3). The oxygen side electrode 23 is made of a LaMnO 3 composite oxide in which Sr coexists.

また最近では、固体電解質と酸素側電極とを同時焼成する製法も提案されている。しかしながら、固体電解質と酸素側電極とを同時焼成した場合においては、酸素側電極に含有されるSrが固体電解質中に拡散し、界面に電気抵抗の高い反応層が形成され、これにより燃料電池セルの性能低下を引き起こすという問題があった。   Recently, a production method in which a solid electrolyte and an oxygen side electrode are simultaneously fired has also been proposed. However, when the solid electrolyte and the oxygen-side electrode are co-fired, Sr contained in the oxygen-side electrode diffuses into the solid electrolyte, and a reaction layer having a high electric resistance is formed at the interface. There was a problem of causing the performance degradation.

それゆえ、固体電解質と酸素側電極との同時焼成における、燃料電池セルの性能低下を防止することを目的として、固体電解質と酸素側電極との間に中間層を形成した燃料電池セルやその製法が提案されている(例えば、特許文献1、特許文献2参照)。   Therefore, a fuel cell having an intermediate layer formed between the solid electrolyte and the oxygen side electrode for the purpose of preventing performance deterioration of the fuel cell in simultaneous firing of the solid electrolyte and the oxygen side electrode, and a method for producing the same Has been proposed (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).

また、ヒートサイクルに対する耐久性に優れ、かつ十分な発電性能を有する固体電解質形燃料電池を提供すべく、燃料極基板の表面に固体電解質層、反応防止層、混合層、空気極層を順次積層してなるとともに、混合層は反応防止層と空気極層の材料を含有してなる固体電解質形燃料電池が提案されている(例えば、特許文献3参照)。
特開2003−288914号公報 特開2004−63226号公報 特開2005−327637号公報
In addition, in order to provide a solid electrolyte fuel cell with excellent heat cycle durability and sufficient power generation performance, a solid electrolyte layer, a reaction preventing layer, a mixed layer, and an air electrode layer are sequentially laminated on the surface of the fuel electrode substrate. In addition, a solid electrolyte fuel cell has been proposed in which the mixed layer contains materials for a reaction preventing layer and an air electrode layer (see, for example, Patent Document 3).
JP 2003-288914 A JP 2004-63226 A JP 2005-327637 A

しかしながら、固体電解質と酸素側電極との間に1層からなる中間層を形成した場合、酸素側電極に含有されるSrの固体電解質中への拡散を完全に抑制することは難しく、長期的に発電を行なった場合に、固体電解質中へ拡散した(固体電解質中に含まれる)Srと固体電解質成分とが反応し、高抵抗の反応生成物により、燃料電池の発電性能が劣化するという問題があった。   However, when an intermediate layer consisting of one layer is formed between the solid electrolyte and the oxygen side electrode, it is difficult to completely suppress the diffusion of Sr contained in the oxygen side electrode into the solid electrolyte. When power generation is performed, there is a problem that Sr diffused into the solid electrolyte (contained in the solid electrolyte) reacts with the solid electrolyte component, and the power generation performance of the fuel cell deteriorates due to a high resistance reaction product. there were.

また、固体電解質を先に焼成し、その後中間層を焼き付ける燃料電池セルにおいては、固体電解質と中間層との固着力が不足し、長期的に燃料電池の発電を行った場合に、固体電解質と中間層との間に剥離が生じ、燃料電池の発電性能が劣化するという問題もあった。   Also, in the fuel cell in which the solid electrolyte is first fired and then the intermediate layer is baked, when the solid electrolyte and the intermediate layer have insufficient adhesion, and the power generation of the fuel cell is performed for a long time, the solid electrolyte and There was also a problem that peeling occurred between the intermediate layer and the power generation performance of the fuel cell deteriorated.

さらには、特許文献3のように、固体電解質層と酸素極側電極との剥離を防止すべく、固体電解質層の表面に反応防止層を設けるとともに、反応防止層の表面に酸素側電極の成分を含有する混合層を設けた場合であっても、長期的に燃料電池の発電を行った場合に、混合層に含有される酸素側電極の成分や酸素側電極の成分が、固体電解質中へ拡散して高抵抗の反応生成物を形成し、燃料電池の発電性能が劣化するという問題があった。   Furthermore, as disclosed in Patent Document 3, in order to prevent the separation between the solid electrolyte layer and the oxygen electrode side electrode, a reaction preventing layer is provided on the surface of the solid electrolyte layer, and the component of the oxygen side electrode is provided on the surface of the reaction preventing layer. Even when a mixed layer containing oxygen is provided, the component of the oxygen side electrode and the component of the oxygen side electrode contained in the mixed layer are transferred into the solid electrolyte when power generation of the fuel cell is performed for a long time. It diffused to form a high-resistance reaction product, and there was a problem that the power generation performance of the fuel cell deteriorated.

それゆえ、本発明は、酸素側電極に含有されるSrが固体電解質中に含まれる(拡散される)ことを防止し、固体電解質中での高抵抗の反応生成物の形成を防止するとともに、発電性能の劣化を抑制した燃料電池セル、それを用いる燃料電池セルスタックおよび燃料電池を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention prevents Sr contained in the oxygen-side electrode from being included (diffused) in the solid electrolyte, prevents formation of a high-resistance reaction product in the solid electrolyte, It is an object of the present invention to provide a fuel cell that suppresses deterioration of power generation performance, a fuel cell stack using the fuel cell, and a fuel cell.

本発明の燃料電池セルは、固体電解質の一方側の表面上に中間層とSrを含有する酸素側電極とを順に備えるとともに、前記固体電解質の前記酸素側電極と対向する他方側の表面上に燃料側電極を備える燃料電池セルであって、前記中間層は前記固体電解質側の表層領域が他の領域よりも緻密に形成されていることを特徴とする。   The fuel cell according to the present invention includes an intermediate layer and an oxygen-side electrode containing Sr in order on one surface of the solid electrolyte, and on the other surface facing the oxygen-side electrode of the solid electrolyte. A fuel cell including a fuel-side electrode, wherein the intermediate layer has a surface layer region on the solid electrolyte side formed more densely than other regions.

このような燃料電池セルにおいては、固体電解質と酸素側電極との間に中間層を備えることにより、酸素側電極に含有されるSrが固体電解質中に拡散することを防止することができる。それにより、固体電解質中において固体電解質成分とSrとが高抵抗の反応成生物を形成することを防止でき、長時間の発電における燃料電池セルの発電性能の劣化を防止することができる。   In such a fuel cell, by providing an intermediate layer between the solid electrolyte and the oxygen side electrode, Sr contained in the oxygen side electrode can be prevented from diffusing into the solid electrolyte. Accordingly, it is possible to prevent the solid electrolyte component and Sr from forming a high-resistance reaction product in the solid electrolyte, and it is possible to prevent deterioration of the power generation performance of the fuel cell in long-time power generation.

ここで、中間層の固体電解質側の表層領域が他の領域よりも緻密に形成されていることから、酸素側電極に含有されるSrが、中間層の他の領域を透過して表層領域へと拡散した場合であっても、Srが固体電解質中に拡散することを防止できる。これは、はっきりとした要因は分からないが、主にSrが粒界拡散をするためと考えられる。それにより、固体電解質中でSrと固体電解質との反応成生物が形成されることを防止できることから、燃料電池セルの発電性能の劣化が引き起こされることが抑制でき、長時間の発電における燃料電池セルの発電性能の劣化を抑制することができる。   Here, since the surface layer region on the solid electrolyte side of the intermediate layer is formed more densely than the other regions, Sr contained in the oxygen side electrode permeates the other region of the intermediate layer and enters the surface layer region. Even when it is diffused, it is possible to prevent Sr from diffusing into the solid electrolyte. This is probably because Sr causes grain boundary diffusion, although no clear factor is known. As a result, it is possible to prevent the formation of a reaction product of Sr and the solid electrolyte in the solid electrolyte, so that deterioration of the power generation performance of the fuel cell can be suppressed, and the fuel cell in long-time power generation It is possible to suppress the deterioration of the power generation performance.

また、本発明の燃料電池セルは、前記中間層は表層領域を形成する第1の層と、他の領域を形成する第2の層とを有し、前記第1の層と前記固体電解質とは同時焼成にて形成されていることが好ましい。   In the fuel cell of the present invention, the intermediate layer includes a first layer that forms a surface region, and a second layer that forms another region, and the first layer, the solid electrolyte, Is preferably formed by co-firing.

このような燃料電池セルにおいては、固体電解質と中間層の表層領域を形成する第1の層とを同時焼成にて形成することにより、固体電解質と第1の層とが強固に接合され、固体電解質と第1の層とが剥離することを抑制できる。それにより、固体電解質と第1の層とが剥離することを抑制できることから、長時間の発電における燃料電池セルの発電性能の劣化を抑制することができる。   In such a fuel cell, the solid electrolyte and the first layer are formed by co-firing with the solid electrolyte and the first layer forming the surface layer region of the intermediate layer. It can suppress that an electrolyte and a 1st layer peel. Thereby, since it can suppress that a solid electrolyte and a 1st layer peel, degradation of the power generation performance of the fuel cell in long-time power generation can be suppressed.

また、本発明の燃料電池セルは、前記第1の層の厚みが1〜10μmであり、前記第2の層の厚みが5〜20μmであることが好ましい。   In the fuel battery cell of the present invention, it is preferable that the first layer has a thickness of 1 to 10 μm and the second layer has a thickness of 5 to 20 μm.

このような燃料電池セルにおいては、中間層の第1の層の厚みを1〜10μmとすることで、酸素側電極に含有されるSrが固体電解質中に拡散することを防止することができる。   In such a fuel cell, when the thickness of the first layer of the intermediate layer is 1 to 10 μm, Sr contained in the oxygen side electrode can be prevented from diffusing into the solid electrolyte.

一方、中間層の第2の層の厚みを5〜20μmとすることにより、長期連続運転により酸素側電極に含有されるSrの第2の層を透過する量を少なくすることができる。それにより、酸素側電極に含有されるSrが固体電解質中に拡散することを防止でき、長時間の発電における燃料電池セルの発電性能の劣化を抑制することができるとともに、長期信頼性に優れた燃料電池セルとすることができる。   On the other hand, by setting the thickness of the second layer of the intermediate layer to 5 to 20 μm, it is possible to reduce the amount of the second layer of Sr that is contained in the oxygen-side electrode through long-term continuous operation. Thereby, Sr contained in the oxygen-side electrode can be prevented from diffusing into the solid electrolyte, the deterioration of the power generation performance of the fuel cell in long-time power generation can be suppressed, and the long-term reliability is excellent. It can be set as a fuel cell.

また、本発明の燃料電池セルは、前記第1の層と前記第2の層とが、同一の希土類元素(Srを除く)を含有することが好ましい。   In the fuel cell of the present invention, it is preferable that the first layer and the second layer contain the same rare earth element (except Sr).

このような燃料電池セルにおいては、中間層の第1の層と第2の層とが、同一の希土類元素を含有することにより、第1の層と第2の層との接合強度を向上することができる。したがって、第1の層と第2の層とが剥離することを抑制でき、長時間の発電における燃料電池セルの発電性能の劣化を抑制することができるとともに、長期信頼性に優れた燃料電池セルとすることができる。   In such a fuel cell, the first layer and the second layer of the intermediate layer contain the same rare earth element, thereby improving the bonding strength between the first layer and the second layer. be able to. Therefore, separation of the first layer and the second layer can be suppressed, deterioration of the power generation performance of the fuel cell in long-time power generation can be suppressed, and fuel cell excellent in long-term reliability It can be.

本発明の燃料電池セルスタックは、上記のうちいずれかに記載の燃料電池セルを電気的に直列に複数個接続してなることを特徴とする。   The fuel cell stack of the present invention is characterized in that a plurality of the fuel cells described above are electrically connected in series.

このような燃料電池セルスタックにおいては、長時間の発電における発電性能の劣化を抑制し、長期信頼性に優れた燃料電池セルを電気的に複数個接続して構成されることから、長期信頼性に優れた燃料電池セルスタックとすることができる。   In such a fuel cell stack, since long-term power generation is configured by electrically connecting a plurality of fuel cells that suppress deterioration of power generation performance during long-term power generation and have excellent long-term reliability. It can be set as the fuel cell stack excellent in.

本発明の燃料電池は、上記燃料電池セルスタックを収納容器に収納してなることを特徴とする。   The fuel cell of the present invention is characterized in that the fuel cell stack is stored in a storage container.

このような燃料電池においては、長期信頼性に優れた燃料電池セルスタックを収納容器に収納してなることを特徴とすることから、長期信頼性に優れた燃料電池とすることができる。   Such a fuel cell is characterized in that a fuel cell stack having excellent long-term reliability is stored in a storage container, so that a fuel cell having excellent long-term reliability can be obtained.

本発明の燃料電池セルは、固体電解質の一方側の表面上に中間層とSrを含有する酸素側電極層を順に備え、その中間層のうち固体電解質側の表層領域が他の領域よりも緻密に形成されていることから、長時間の発電における発電性能の劣化を抑制した、長期信頼性に優れた燃料電池セルとすることができる。さらには、本発明の燃料電池セルを用いて構成される、長期信頼性に優れた燃料電池セルスタック、および長期信頼性に優れた燃料電池を提供することができる。   The fuel cell according to the present invention includes an intermediate layer and an oxygen-side electrode layer containing Sr on the surface of one side of the solid electrolyte in order, and the surface layer region on the solid electrolyte side of the intermediate layer is denser than the other regions. Therefore, it is possible to provide a fuel cell having excellent long-term reliability, in which deterioration of power generation performance during long-time power generation is suppressed. Furthermore, it is possible to provide a fuel cell stack having excellent long-term reliability and a fuel cell having excellent long-term reliability, which are configured using the fuel cell of the present invention.

図1(a)は、中空平板形の燃料電池セル10の横断面を示し、(b)は(a)の斜視図である。なお、両図面において、燃料電池セル10の各構成を一部拡大等して示している。また、図2は、本発明の燃料電池セル10の発電に携わる部位を、一部抜き出して拡大した断面図である。   Fig.1 (a) shows the cross section of the hollow flat fuel cell 10, (b) is a perspective view of (a). In both drawings, each configuration of the fuel cell 10 is partially enlarged. FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a part of the fuel battery cell 10 according to the present invention that is involved in power generation.

燃料電池セル10は、断面が扁平状で、全体的に見て楕円柱状の導電性支持基板3を備えている。導電性支持基板3の内部には、適当な間隔で複数の燃料ガス通路5が長手方向に形成されており、燃料電池セル10は、この導電性支持基板3上に各種の部材が設けられた構造を有している。   The fuel battery cell 10 includes a conductive support substrate 3 having a flat cross section and an elliptical column shape as a whole. Inside the conductive support substrate 3, a plurality of fuel gas passages 5 are formed in the longitudinal direction at appropriate intervals, and the fuel cell 10 is provided with various members on the conductive support substrate 3. It has a structure.

導電性支持基板3は、図1に示されている形状から理解されるように、平坦部nと平坦部nの両端の弧状部mとからなっている。平坦部nの両面は互いにほぼ平行に形成されており、平坦部nの一方の面(下面)と両側の弧状部mを覆うように燃料側電極7が設けられており、さらに、この燃料側電極7を覆うように、緻密質な固体電解質9が積層されている。また、固体電解質9の上には、中間層4を介して、燃料側電極7と対面するように、Srを含有する酸素側電極1が積層されている。また、燃料側電極7及び固体電解質9が積層されていない他方の平坦部nの表面には、インターコネクタ2が形成されている。図1から明らかな通り、燃料側電極7及び固体電解質9は、インターコネクタ2の両サイドにまで延びており、導電性支持基板3の表面が外部に露出しないように構成されている。   As understood from the shape shown in FIG. 1, the conductive support substrate 3 includes a flat portion n and arc-shaped portions m at both ends of the flat portion n. Both surfaces of the flat portion n are formed substantially in parallel with each other, and a fuel side electrode 7 is provided so as to cover one surface (lower surface) of the flat portion n and the arc-shaped portions m on both sides. A dense solid electrolyte 9 is laminated so as to cover the electrode 7. On the solid electrolyte 9, the oxygen side electrode 1 containing Sr is laminated so as to face the fuel side electrode 7 with the intermediate layer 4 interposed therebetween. Further, the interconnector 2 is formed on the surface of the other flat portion n where the fuel side electrode 7 and the solid electrolyte 9 are not laminated. As is clear from FIG. 1, the fuel side electrode 7 and the solid electrolyte 9 extend to both sides of the interconnector 2 and are configured so that the surface of the conductive support substrate 3 is not exposed to the outside.

ここで、燃料電池セル10は、燃料側電極7の酸素側電極1と対面している部分が燃料側電極として機能して発電する。即ち、酸素側電極1の外側に空気等の酸素含有ガスを流し、且つ導電性支持基板3内のガス通路5に燃料ガス(水素)を流し、所定の作動温度まで加熱することにより発電する。そして、かかる発電によって生成した電流は、導電性支持基板3に取り付けられているインターコネクタ2を介して集電される。   Here, in the fuel cell 10, the portion of the fuel side electrode 7 facing the oxygen side electrode 1 functions as a fuel side electrode to generate electric power. That is, power is generated by flowing an oxygen-containing gas such as air outside the oxygen side electrode 1 and flowing a fuel gas (hydrogen) through the gas passage 5 in the conductive support substrate 3 and heating it to a predetermined operating temperature. The current generated by the power generation is collected via the interconnector 2 attached to the conductive support substrate 3.

本発明においては、導電性支持基板3の外面に設けられた固体電解質9は、3〜15モル%のY、Sc、Yb等の希土類元素を含有した部分安定化あるいは安定化ZrOからなる緻密質なセラミックスを用いるのが好ましい。また、希土類元素としては、安価であるという点からYが好ましい。さらに、固体電解質9は、ガス透過を防止するという点から、相対密度(アルキメデス法による)が93%以上、特に95%以上の緻密質であることが望ましく、かつその厚みが5〜50μmであることが好ましい。 In the present invention, the solid electrolyte 9 provided on the outer surface of the conductive support substrate 3 is a densely composed of partially stabilized or stabilized ZrO 2 containing 3 to 15 mol% of rare earth elements such as Y, Sc and Yb. It is preferable to use high quality ceramics. As the rare earth element, Y is preferable because it is inexpensive. Further, the solid electrolyte 9 is desirably a dense material having a relative density (according to Archimedes method) of 93% or more, particularly 95% or more in terms of preventing gas permeation, and a thickness of 5 to 50 μm. It is preferable.

また、本発明において酸素側電極1は、いわゆるABO型のペロブスカイト型酸化物からなる導電性セラミックスから形成されるのが好ましい。かかるペロブスカイト型酸化物としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物、特にAサイトにSrとLaが共存するLaMnO系酸化物、LaFeO系酸化物、LaCoO系酸化物の少なくとも1種が好ましく、600〜1000℃程度の作動温度での電気伝導性が高いという点からLaCoO系酸化物が特に好ましい。なお、上記ペロブスカイト型酸化物においては、Bサイトに、CoとともにFeやMnが存在しても良い。 In the present invention, the oxygen-side electrode 1 is preferably formed from a conductive ceramic made of a so-called ABO 3 type perovskite oxide. Such a perovskite oxide is preferably a transition metal perovskite oxide, particularly at least one of a LaMnO 3 oxide, a LaFeO 3 oxide, and a LaCoO 3 oxide in which Sr and La coexist at the A site. 600 From the viewpoint of high electrical conductivity at an operating temperature of about ˜1000 ° C., LaCoO 3 -based oxides are particularly preferable. In the perovskite oxide, Fe and Mn may be present together with Co at the B site.

また、酸素側電極1は、ガス透過性を有する必要があり、従って、酸素側電極1を形成する導電性セラミックス(ペロブスカイト型酸化物)は、開気孔率が20%以上、特に30乃至50%の範囲にあることが好ましい。さらには、酸素側電極1の厚みは、集電性という点から30〜100μmであることが好ましい。   In addition, the oxygen side electrode 1 needs to have gas permeability. Therefore, the conductive ceramic (perovskite oxide) forming the oxygen side electrode 1 has an open porosity of 20% or more, particularly 30 to 50%. It is preferable that it exists in the range. Furthermore, the thickness of the oxygen-side electrode 1 is preferably 30 to 100 μm from the viewpoint of current collection.

そして本発明においては、固体電解質9の表面に中間層4を備える。ここで、中間層4は、固体電解質9側の表層領域(本図においては4aで示す)が他の領域(本図においては4bで示す)よりも緻密に形成されている。それにより、燃料電池セル10の長時間の発電により、酸素側電極1に含有されるSrが固体電解質9側に拡散する場合であっても、中間層4により、Srが固体電解質9中へ拡散することを防止できる。さらに、Srが中間層4の他の領域4bを透過した場合であっても、中間層4の緻密質な表層領域4aにより、Srの拡散を防止することができ、Srが固体電解質9中へ拡散することを防止できる。これは、はっきりとした要因は分からないが、主にSrが粒界拡散をするためと考えられる。それにより、固体電解質9中において、固体電解質9の成分と酸素側電極1に含有されるSrとの反応による電気抵抗の高い反応層の形成を防止することができることから、燃料電池セル10の性能劣化が引き起こされることが抑制でき、長時間の発電における燃料電池セル10の発電性能の劣化を抑制することができる。   In the present invention, the intermediate layer 4 is provided on the surface of the solid electrolyte 9. Here, in the intermediate layer 4, the surface layer region (indicated by 4a in the figure) on the solid electrolyte 9 side is formed more densely than the other region (indicated by 4b in the figure). Thereby, even when Sr contained in the oxygen-side electrode 1 diffuses to the solid electrolyte 9 side due to long-time power generation of the fuel cell 10, Sr diffuses into the solid electrolyte 9 by the intermediate layer 4. Can be prevented. Further, even when Sr permeates the other region 4 b of the intermediate layer 4, the dense surface layer region 4 a of the intermediate layer 4 can prevent Sr from being diffused, and Sr can enter the solid electrolyte 9. It can be prevented from spreading. This is probably because Sr causes grain boundary diffusion, although no clear factor is known. Thereby, in the solid electrolyte 9, it is possible to prevent the formation of a reaction layer having a high electrical resistance due to the reaction between the components of the solid electrolyte 9 and Sr contained in the oxygen-side electrode 1. Deterioration can be suppressed, and deterioration of the power generation performance of the fuel cell 10 during long-time power generation can be suppressed.

なお、このような中間層4の表層領域4aと中間層の他の領域4bは、表層領域を第1の層4aとし、他の領域を第2の層4bとして形成することができる。この場合において、第2の層4bは、第1の層4aよりも緻密度が低ければよく、複数の層より形成されていてもよい。それゆえ、例えば第2の層4bを2層から形成し、中間層4を全体として3層から形成することや、それ以上の層数として形成することも可能である。   The surface layer region 4a of the intermediate layer 4 and the other region 4b of the intermediate layer can be formed with the surface layer region as the first layer 4a and the other region as the second layer 4b. In this case, the second layer 4b only needs to have a lower density than the first layer 4a, and may be formed of a plurality of layers. Therefore, for example, the second layer 4b may be formed from two layers, and the intermediate layer 4 may be formed from three layers as a whole, or may be formed as a larger number of layers.

そして、中間層4を第1の層4aと第2の層4bとから形成する場合においては、第1の層4aおよび第2の層4bは、例えば同一の希土類元素(Srを除く)を含有するように形成することが好ましい。それにより、第1の層4aと第2の層4bとの熱膨張係数を近づけることができ、第1の層4aと第2の層4bとの接合強度を向上することができる。なおここで、Srを除くこととしたのは、長期間の発電により固体電解質9中にSrが含有されることを有効に防止するためである。   When the intermediate layer 4 is formed from the first layer 4a and the second layer 4b, the first layer 4a and the second layer 4b contain, for example, the same rare earth element (except Sr) It is preferable to form so as to. Thereby, the thermal expansion coefficients of the first layer 4a and the second layer 4b can be brought close to each other, and the bonding strength between the first layer 4a and the second layer 4b can be improved. The reason why Sr is excluded here is to effectively prevent Sr from being contained in the solid electrolyte 9 due to long-term power generation.

そのような同一の希土類元素としては、例えばCeが挙げられ、特には、第1の層4aおよび第2の層4bを作製するにあたり、その原料粉末は、例えば、下記式
(1):(CeO1−x(REO1.5
(1)式中、REはSm、Y、Yb、Gdの少なくとも1種であり、xは0<x≦0.3を満足する数である
で表される組成を有していることが好ましい。ここでCe以外の希土類元素REとしては、Sm、Y、Yb、Gdが挙げられ、さらにこれらの希土類元素を適宜選択して用いることができる。これにより、同一の希土類元素を少なくとも1種含有する原料粉末により第1の層4aおよび第2の層4bを形成した場合には、第1の層4aおよび第2の層4bの熱膨脹係数を小さくすることができる。それにより、例えばZrを含有する固体電解質9の熱膨張係数に近づけることができるため、熱膨張差に起因するクラックの発生や剥離を抑制することができる。なお、第1の層4aおよび第2の層4bを、同じ組成より作製することもできる。
Such an identical rare earth element includes, for example, Ce. In particular, when the first layer 4a and the second layer 4b are produced, the raw material powder may be, for example, the following formula (1): (CeO 2 ) 1-x (REO 1.5 ) x
In the formula (1), RE is preferably at least one of Sm, Y, Yb, and Gd, and x preferably has a composition represented by a number satisfying 0 <x ≦ 0.3. . Here, examples of the rare earth element RE other than Ce include Sm, Y, Yb, and Gd, and these rare earth elements can be appropriately selected and used. As a result, when the first layer 4a and the second layer 4b are formed of the raw material powder containing at least one kind of the same rare earth element, the thermal expansion coefficients of the first layer 4a and the second layer 4b are reduced. can do. Thereby, for example, since the thermal expansion coefficient of the solid electrolyte 9 containing Zr can be brought close to, the occurrence of cracks and peeling due to the difference in thermal expansion can be suppressed. The first layer 4a and the second layer 4b can also be made from the same composition.

さらには、第1の層4aおよび第2の層4bは、例えば、SmやGdが固溶したCeOであることが好ましく、その原料粉末は、下記式
(2):(CeO1−x(SmO1.5
(3):(CeO1−x(GdO1.5
(2)、(3)式中xは0<x≦0.3を満足する数である
で表される組成を有していることが好ましい。またさらには、電気抵抗を低減するという点から、10〜20モル%のSmO1.5またはGdO1.5が固溶したCeOからなることが好ましい。なお、この原料粉末に固体電解質9の成分とSrとの反応生成物の形成を抑制する効果を高くするために、他の希土類元素の酸化物を含有しても良い。
Furthermore, the first layer 4a and the second layer 4b are preferably, for example, CeO 2 in which Sm or Gd is dissolved, and the raw material powder is represented by the following formula (2) :( CeO 2 ) 1- x (SmO 1.5 ) x
(3): (CeO 2 ) 1-x (GdO 1.5 ) x
In the formulas (2) and (3), x preferably has a composition represented by a number satisfying 0 <x ≦ 0.3. Furthermore, from the viewpoint of reducing electrical resistance, it is preferable that 10 to 20 mol% of SmO 1.5 or GdO 1.5 consists of CeO 2 was dissolved. In addition, in order to heighten the effect which suppresses formation of the reaction product of the component of the solid electrolyte 9 and Sr in this raw material powder, you may contain the oxide of another rare earth element.

そして、固体電解質9の一方側の表面上に、中間層4(第1の層4a、第2の層4b)とSrを含有する酸素側電極を順に形成したことにより、酸素側電極1に含有されるSrが固体電解質9中に含まれる(拡散する)ことを防止でき、燃料電池セル10の性能劣化が引き起こされることが抑制でき、長時間の発電における燃料電池セル10の発電性能の劣化を抑制することができる。なお、固体電解質9中にSrが含まれないとは、例えばEPMA(X線マイクロアナライザ)にて面分析した場合に、固体電解質9中にSrが確認できない場合を意味する。   Then, an oxygen layer electrode containing the intermediate layer 4 (first layer 4a, second layer 4b) and Sr is formed in this order on the surface of one side of the solid electrolyte 9, so that it is contained in the oxygen electrode 1 Sr that is contained (diffused) in the solid electrolyte 9 can be prevented, deterioration of the performance of the fuel cell 10 can be suppressed, and the deterioration of the power generation performance of the fuel cell 10 during long-time power generation can be suppressed. Can be suppressed. Note that the fact that Sr is not contained in the solid electrolyte 9 means that Sr cannot be confirmed in the solid electrolyte 9 when surface analysis is performed using, for example, EPMA (X-ray microanalyzer).

さらに、固体電解質9と第1の層4aは同時焼成にて形成され、第2の層4bおよび酸素側電極1は第1の層4a上に順に形成されていることが好ましい。すなわち、第2の層4bは、固体電解質9と第1の層4aが同時焼成にて形成された後、別工程にて形成されることが好ましい。   Furthermore, it is preferable that the solid electrolyte 9 and the first layer 4a are formed by simultaneous firing, and the second layer 4b and the oxygen side electrode 1 are sequentially formed on the first layer 4a. That is, the second layer 4b is preferably formed in a separate step after the solid electrolyte 9 and the first layer 4a are formed by simultaneous firing.

このような作製方法については後述するが、固体電解質9と第1の層4aが高温で同時焼成にて形成されることから、固体電解質9と第1の層4aとの接合を強固にすることができるとともに、第1の層4aを緻密質とすることができる。   Although such a manufacturing method will be described later, since the solid electrolyte 9 and the first layer 4a are formed by simultaneous firing at a high temperature, the bonding between the solid electrolyte 9 and the first layer 4a is strengthened. In addition, the first layer 4a can be made dense.

また、第2の層4bは、第1の層4aの表面に、同時焼成とは別工程にて形成されることにより、緻密度を第1の層4aよりも低くして形成することができる。それゆえ、例えば、第2の層4bが形成された後に、酸素側電極1を形成する場合においては、第2の層4bと酸素側電極1とは、アンカー効果により接合強度を向上することができる。それにより、第2の層4bと酸素側電極1とが剥離することを抑制でき、長時間の発電における燃料電池セル10の発電性能の劣化を抑制することができる。   Further, the second layer 4b can be formed on the surface of the first layer 4a in a step different from the simultaneous firing, so that the density is lower than that of the first layer 4a. . Therefore, for example, when the oxygen side electrode 1 is formed after the second layer 4b is formed, the second layer 4b and the oxygen side electrode 1 can improve the bonding strength by the anchor effect. it can. Thereby, it can suppress that the 2nd layer 4b and the oxygen side electrode 1 peel, and can suppress degradation of the electric power generation performance of the fuel cell 10 in long-time electric power generation.

ここで、第2の層4bが複数の層よりなる場合においては、酸素側電極1と接合される層はアンカー効果により接合されることが好ましため、第2の層4bを構成するそれ以外の各層を適宜順に形成したのち酸素側電極1と接合される層を別途形成する等、適宜調整して作製することができる。   Here, in the case where the second layer 4b is composed of a plurality of layers, it is preferable that the layer bonded to the oxygen-side electrode 1 be bonded by the anchor effect, and the other layers constituting the second layer 4b. These layers can be formed by appropriately adjusting, for example, by forming each layer in order as appropriate and then separately forming a layer bonded to the oxygen-side electrode 1.

なお、第2の層4bは第1の層4aよりも緻密度が低ければよく、酸素側電極1の成分であるSrが、固体電解質9中に含まれないようにすべく(拡散することを抑制すべく)、第2の層4bを緻密化させることを制限するものではない。ただし、第2の層4bと酸素側電極1とがアンカー効果にて強固に接合できるよう、適宜調整して第2の層4bを作製することが好ましい。   Note that the second layer 4b only needs to have a lower density than the first layer 4a, and Sr, which is a component of the oxygen side electrode 1, is not included in the solid electrolyte 9 (diffuses). It is not intended to limit the densification of the second layer 4b. However, it is preferable to make the second layer 4b by adjusting as appropriate so that the second layer 4b and the oxygen-side electrode 1 can be firmly bonded by the anchor effect.

第2の層4bを緻密化させることにより、酸素側電極1に含有されるSrが固体電解質9側へ拡散することをより防止(抑制)することができる。なお、第2の層4bを緻密化させるにあたって、第2の層4bの熱処理温度や熱処理時間を、第2の層4bとなる原料の粒径にあわせて適宜変更することにより、第2の層4bを緻密化させることができる。   By densifying the second layer 4b, Sr contained in the oxygen-side electrode 1 can be further prevented (suppressed) from diffusing to the solid electrolyte 9 side. In densifying the second layer 4b, the heat treatment temperature and heat treatment time of the second layer 4b are appropriately changed in accordance with the grain size of the raw material to be the second layer 4b, so that the second layer 4b 4b can be densified.

なお、第2の層4bは、第1の層4aよりも緻密度を低くすることが好ましいことから、例えば第1の層4aと固体電解質9との同時焼成時の焼成温度よりも低い温度で熱処理(焼成)することが好ましい。具体的には、例えば、同時焼成時の焼成温度より200℃以上低い温度で熱処理して形成されることが好ましい。そのような具体的な温度としては、例えば、第2の層4bは、1100〜1300℃にて形成することが好ましい。それにより、第2の層4aは、第1の層4aよりも緻密度を低くすることができ、酸素側電極1との接合強度を向上できる。   Since the second layer 4b preferably has a lower density than the first layer 4a, for example, at a temperature lower than the firing temperature at the time of simultaneous firing of the first layer 4a and the solid electrolyte 9. It is preferable to perform heat treatment (firing). Specifically, for example, it is preferably formed by heat treatment at a temperature 200 ° C. or lower than the firing temperature at the time of simultaneous firing. As such a specific temperature, for example, the second layer 4b is preferably formed at 1100 to 1300 ° C. Thereby, the second layer 4a can be made denser than the first layer 4a, and the bonding strength with the oxygen-side electrode 1 can be improved.

また、本発明の燃料電池セルは、第1の層4aの厚みを1〜10μmとし、第2の層4bの厚みを5〜20μmとすることが好ましい。   In the fuel cell of the present invention, the thickness of the first layer 4a is preferably 1 to 10 μm, and the thickness of the second layer 4b is preferably 5 to 20 μm.

第1の層4aの厚みを1〜10μmとすることで、酸素側電極1に含有されるSrが、固体電解質9中へ拡散することを効果的に防止できる。またあわせて、同時焼結する際に、固体電解質9と第1の層4aとが剥離することを防止できる。   By setting the thickness of the first layer 4 a to 1 to 10 μm, it is possible to effectively prevent Sr contained in the oxygen-side electrode 1 from diffusing into the solid electrolyte 9. In addition, it is possible to prevent the solid electrolyte 9 and the first layer 4a from being peeled off during simultaneous sintering.

さらに、第2の層4bの厚みを5〜20μmとすることにより、長期連続運転により酸素側電極1に含有されるSrの第2の層4bを透過する量を少なくすることができる。それにより、酸素側電極1に含有されるSrが固体電解質中に拡散することを防止でき、長時間の発電における燃料電池セル10の発電性能の劣化を抑制することができるとともに、長期信頼性に優れた燃料電池セルとすることができる。   Furthermore, by setting the thickness of the second layer 4b to 5 to 20 μm, it is possible to reduce the amount of the Sr second layer 4b that is contained in the oxygen-side electrode 1 through long-term continuous operation. Thereby, Sr contained in the oxygen-side electrode 1 can be prevented from diffusing into the solid electrolyte, the deterioration of the power generation performance of the fuel cell 10 during long-time power generation can be suppressed, and long-term reliability can be achieved. It can be set as the outstanding fuel battery cell.

なお、第2の層4bの厚みを20μm以上とした場合には、第1の層4aとの熱膨張差により、第1の層4aと第2の層4bとが剥離を生じる場合があるため注意が必要となる。   When the thickness of the second layer 4b is 20 μm or more, the first layer 4a and the second layer 4b may be peeled off due to a difference in thermal expansion from the first layer 4a. Attention is required.

以下に、本発明の燃料電池セル10を構成する他の部材について説明する。   Below, the other member which comprises the fuel cell 10 of this invention is demonstrated.

導電性支持基板3は、燃料ガスを燃料側電極7まで透過させるためにガス透過性であること、インターコネクタ2を介して集電を行うために導電性であることが要求されることから、例えば、鉄族金属成分と特定の希土類酸化物とにより形成されることが好ましい。   Since the conductive support substrate 3 is required to be gas permeable to allow the fuel gas to permeate to the fuel side electrode 7 and to be conductive to collect current via the interconnector 2, For example, it is preferably formed of an iron group metal component and a specific rare earth oxide.

鉄族金属成分としては、鉄族金属単体、鉄族金属酸化物、鉄族金属の合金もしくは合金酸化物等が挙げられる。より詳細には、例えば、鉄族金属としては鉄、ニッケル及びコバルトがあり、本発明では、何れをも使用することができるが、安価であること及び燃料ガス中で安定であることから、鉄族成分としてNi及び/またはNiOを含有していることが好ましい。   Examples of the iron group metal component include an iron group metal element, an iron group metal oxide, an iron group metal alloy or an alloy oxide, and the like. More specifically, for example, the iron group metals include iron, nickel, and cobalt. In the present invention, any of them can be used, but since it is inexpensive and stable in fuel gas, It is preferable to contain Ni and / or NiO as a group component.

また、希土類酸化物成分は、導電性支持基板3の熱膨張係数を固体電解質9の熱膨張係数に近づけるために使用されるものであり、Y、Lu、Yb、Tm、Er、Ho、Dy、Gd、Sm、Prからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含む希土類酸化物が、上記鉄族成分と組合せで使用される。このような希土類酸化物の具体例としては、Y、Lu、Yb、Tm、Er、Ho、Dy、Gd、Sm、Prを例示することができ、鉄族金属の酸化物との固溶、反応が殆どなく、また、熱膨張係数が固体電解質9と殆ど同程度であり、かつ安価であるという点から、Y、Ybが好ましい。 The rare earth oxide component is used to bring the coefficient of thermal expansion of the conductive support substrate 3 close to the coefficient of thermal expansion of the solid electrolyte 9, and Y, Lu, Yb, Tm, Er, Ho, Dy, A rare earth oxide containing at least one element selected from the group consisting of Gd, Sm, and Pr is used in combination with the iron group component. Specific examples of such rare earth oxides include Y 2 O 3 , Lu 2 O 3 , Yb 2 O 3 , Tm 2 O 3 , Er 2 O 3 , Ho 2 O 3 , Dy 2 O 3 , Gd 2 O. 3 , Sm 2 O 3 , Pr 2 O 3 can be exemplified, there is almost no solid solution and reaction with the iron group metal oxide, and the thermal expansion coefficient is almost the same as that of the solid electrolyte 9. and from the point that it is inexpensive, Y 2 O 3, Yb 2 O 3 it is preferred.

また、本発明においては、導電性支持基板3の良好な導電率を維持し、かつ熱膨張係数を固体電解質9と近似させるという点で、鉄族金属成分:希土類酸化物成分=35:65乃至65:35の体積比で存在することが好ましい。なお、導電性支持基板3中には、要求される特性が損なわれない限りの範囲で、他の金属成分や酸化物成分を含有していてもよい。   Further, in the present invention, iron group metal component: rare earth oxide component = 35: 65 or more in that the good conductivity of the conductive support substrate 3 is maintained and the thermal expansion coefficient is approximated to that of the solid electrolyte 9. It is preferably present in a volume ratio of 65:35. The conductive support substrate 3 may contain other metal components and oxide components as long as required characteristics are not impaired.

また、導電性支持基板3は、燃料ガス透過性を有していることが必要であるため、通常、開気孔率が30%以上、特に35乃至50%の範囲にあることが好ましい。また、導電性支持基板3の導電率は、300S/cm以上、特に440S/cm以上であることが好ましい。   Further, since the conductive support substrate 3 is required to have fuel gas permeability, it is usually preferable that the open porosity is 30% or more, particularly 35 to 50%. Further, the conductivity of the conductive support substrate 3 is preferably 300 S / cm or more, and particularly preferably 440 S / cm or more.

なお、導電性支持基板3の具体的な寸法としては、平坦部nの長さ15〜35mm、弧状部mの長さ(弧の長さ)2〜8mm、導電性支持基板3の厚み(平坦部nの両面の間隔)1.5〜5mmのものを挙げることができる。   Specific dimensions of the conductive support substrate 3 include a length 15 to 35 mm of the flat portion n, a length (arc length) 2 to 8 mm of the arc-shaped portion m, and a thickness (flat) of the conductive support substrate 3. The distance between both surfaces of the part n) can be 1.5 to 5 mm.

本発明において、燃料側電極7は、電極反応を生じせしめるものであり、それ自体公知の多孔質の導電性セラミックスから形成されるのが好ましい。例えば、希土類元素が固溶したZrOまたは希土類元素が固溶しているCeOと、Ni及び/またはNiOとから形成される。 In the present invention, the fuel-side electrode 7 causes an electrode reaction, and is preferably formed from a known porous conductive ceramic. For example, it is formed from ZrO 2 in which a rare earth element is dissolved or CeO 2 in which a rare earth element is dissolved, and Ni and / or NiO.

燃料側電極7中の希土類元素が固溶したZrOまたは希土類元素が固溶しているCeOの含量は、35乃至65体積%の範囲にあるのが好ましく、またNi或いはNiO含量は、65乃至35体積%であるのが好ましい。さらに、この燃料側電極7の開気孔率は、15%以上、特に20乃至40%の範囲にあるのが好ましく、その厚みは、1〜30μmであるのが好ましい。例えば、燃料側電極7の厚みがあまり薄いと、性能が低下するおそれがあり、またあまり厚いと、固体電解質9と燃料側電極7との間で熱膨張差による剥離等を生じるおそれがある。 The content of ZrO 2 in which the rare earth element is dissolved in the fuel side electrode 7 or CeO 2 in which the rare earth element is dissolved is preferably in the range of 35 to 65% by volume, and the Ni or NiO content is 65%. It is preferable that it is thru | or 35 volume%. Further, the open porosity of the fuel side electrode 7 is preferably 15% or more, particularly preferably in the range of 20 to 40%, and the thickness thereof is preferably 1 to 30 μm. For example, if the thickness of the fuel side electrode 7 is too thin, the performance may be deteriorated. If the thickness is too thick, there is a possibility that separation due to a difference in thermal expansion occurs between the solid electrolyte 9 and the fuel side electrode 7.

また、図1の例では、燃料側電極7は、インターコネクタ2の両サイドにまで延びているが、酸素側電極1に対面する位置に存在して燃料側電極7が形成されていればよいため、例えば酸素側電極1が設けられている側の平坦部nにのみ燃料側電極7が形成されていてもよい。また、インターコネクタ2は、固体電解質9が設けられていない側の導電性支持基板3の平坦部分n上に直接設けることもでき、この場合にはインターコネクタ2と導電性支持基板3との間の電位降下を抑制できる。   Further, in the example of FIG. 1, the fuel side electrode 7 extends to both sides of the interconnector 2, but the fuel side electrode 7 only has to be formed at a position facing the oxygen side electrode 1. Therefore, for example, the fuel side electrode 7 may be formed only in the flat portion n on the side where the oxygen side electrode 1 is provided. In addition, the interconnector 2 can be provided directly on the flat portion n of the conductive support substrate 3 on the side where the solid electrolyte 9 is not provided. In this case, the interconnector 2 is provided between the interconnector 2 and the conductive support substrate 3. Can be suppressed.

また、インターコネクタ2と導電性支持基板3との間に、インターコネクタ2、導電性支持基板3間の熱膨張係数差を軽減する等のために燃料側電極7と類似する組成からなる層8を形成しても良い。なお、図1では、インターコネクタ2と導電性支持基板3との間に、燃料側電極7と類似する組成からなる層8を形成した状態を示している。   Further, a layer 8 having a composition similar to that of the fuel side electrode 7 is provided between the interconnector 2 and the conductive support substrate 3 in order to reduce a difference in thermal expansion coefficient between the interconnector 2 and the conductive support substrate 3. May be formed. FIG. 1 shows a state in which a layer 8 having a composition similar to that of the fuel-side electrode 7 is formed between the interconnector 2 and the conductive support substrate 3.

また、上記の酸素側電極1に対向する位置において、燃料側電極7と類似組成からなる層8を介して導電性支持基板3上に設けられているインターコネクタ2は、導電性セラミックスから形成されるのが好ましいが、燃料ガス(水素)及び酸素含有ガスと接触するため、耐還元性、耐酸化性を有していることが必要である。このため、耐還元性、耐酸化性を有する導電性セラミックスとしては、一般に、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物(LaCrO系酸化物)が使用される。また、導電性支持基板3の内部を通る燃料ガス及び導電性支持基板3の外部を通る酸素含有ガスのリークを防止するため、かかる導電性セラミックスは緻密質でなければならず、例えば93%以上、特に95%以上の相対密度を有していることが好適である。 The interconnector 2 provided on the conductive support substrate 3 through the layer 8 having a similar composition to the fuel side electrode 7 at a position facing the oxygen side electrode 1 is made of conductive ceramics. Although it is preferable to have contact with the fuel gas (hydrogen) and the oxygen-containing gas, it is necessary to have reduction resistance and oxidation resistance. For this reason, lanthanum chromite-based perovskite oxides (LaCrO 3 -based oxides) are generally used as conductive ceramics having reduction resistance and oxidation resistance. Further, in order to prevent leakage of the fuel gas passing through the inside of the conductive support substrate 3 and the oxygen-containing gas passing through the outside of the conductive support substrate 3, such conductive ceramics must be dense, for example 93% or more In particular, it is preferable to have a relative density of 95% or more.

また、インターコネクタ2の厚みは、ガスのリーク防止と電気抵抗という点から、10〜200μmであることが好ましい。この範囲よりも厚みが薄いと、ガスのリークを生じやすく、またこの範囲よりも厚みが大きいと、電気抵抗が大きく、電位降下により集電機能が低下してしまうおそれがある。   The thickness of the interconnector 2 is preferably 10 to 200 μm from the viewpoint of preventing gas leakage and electrical resistance. If the thickness is smaller than this range, gas leakage is liable to occur. If the thickness is larger than this range, the electric resistance is large, and the current collecting function may be lowered due to a potential drop.

また、インターコネクタ2の外面(上面)には、P型半導体6を設けることが好ましい。集電部材を、P型半導体6を介してインターコネクタ2に接続させることにより、両者の接触がオーム接触となり、電位降下を少なくし、集電性能の低下を有効に回避することが可能となる。   Moreover, it is preferable to provide the P-type semiconductor 6 on the outer surface (upper surface) of the interconnector 2. By connecting the current collecting member to the interconnector 2 via the P-type semiconductor 6, the contact between the two becomes an ohmic contact, the potential drop is reduced, and the deterioration of the current collecting performance can be effectively avoided. .

このようなP型半導体6としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物を例示することができる。具体的には、インターコネクタ2を構成するLaCrO系酸化物よりも電子伝導性が大きいもの、例えば、BサイトにMn、Fe、Coなどが存在するLaMnO系酸化物、LaFeO系酸化物、LaCoO系酸化物などの少なくとも一種からなるP型半導体セラミックスを使用することができる。このようなP型半導体6の厚みは、一般に、30乃至100μmの範囲にあることが好ましい。 As such a P-type semiconductor 6, a transition metal perovskite-type oxide can be exemplified. Specifically, those having higher electron conductivity than LaCrO 3 oxides constituting the interconnector 2, for example, LaMnO 3 oxides and LaFeO 3 oxides in which Mn, Fe, Co, etc. exist at the B site P-type semiconductor ceramics made of at least one of LaCoO 3 -based oxides can be used. In general, the thickness of the P-type semiconductor 6 is preferably in the range of 30 to 100 μm.

以上説明した本発明の燃料電池セル10の製法について説明する。なお、説明において第2の層4bを1層として形成する場合を示す。   The manufacturing method of the fuel cell 10 of the present invention described above will be described. In the description, the case where the second layer 4b is formed as one layer is shown.

先ず、Ni等の鉄族金属或いはその酸化物粉末と、Yなどの希土類酸化物の粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合して坏土を調製し、この坏土を用いて押出成形により導電性支持基板3成形体を作製し、これを乾燥する。なお、導電性支持基板3成形体として、導電性支持基板3成形体を900〜1000℃にて2〜6時間仮焼した仮焼体を用いてもよい。 First, a clay is prepared by mixing an iron group metal such as Ni or its oxide powder, a rare earth oxide powder such as Y 2 O 3 , an organic binder, and a solvent, and using this clay A conductive support substrate 3 molded body is prepared by extrusion molding and dried. As the conductive support substrate 3 molded body, a calcined body obtained by calcining the conductive support substrate 3 molded body at 900 to 1000 ° C. for 2 to 6 hours may be used.

次に例えば所定の調合組成に従いNiO、Yが固溶したZrO(YSZ)の素原料を秤量、混合する。この後、混合した粉体に、有機バインダー及び溶媒を混合して燃料側電極7用スラリーを調製する。 Next, for example, ZrO 2 (YSZ) raw material in which NiO and Y 2 O 3 are dissolved is weighed and mixed according to a predetermined composition. Thereafter, an organic binder and a solvent are mixed with the mixed powder to prepare a slurry for the fuel side electrode 7.

さらに、希土類元素が固溶したZrO粉末に、トルエン、バインダー、市販の分散剤等を加えてスラリー化したものをドクターブレード等の方法により、7〜75μmの厚さに成形してシート状の固体電解質9成形体を作製する。得られたシート状の固体電解質9成形体上に燃料側電極7用スラリーを塗布して燃料側電極7成形体を形成し、この燃料側電極7成形体側の面を導電性支持基板3成形体に積層する。なお、燃料側電極7用スラリーを導電性支持基板3成形体の所定位置に塗布し乾燥して、燃料側電極7用スラリーを塗布した固体電解質9成形体を導電性支持基板3成形体に積層しても良い。 Further, a slurry obtained by adding toluene, a binder, a commercially available dispersant, etc. to a ZrO 2 powder in which a rare earth element is solid-solubilized is molded into a thickness of 7 to 75 μm by a method such as a doctor blade. A solid electrolyte 9 compact is produced. The fuel-side electrode 7 slurry is applied on the obtained sheet-like solid electrolyte 9 molded body to form a fuel-side electrode 7 molded body, and the surface on the fuel-side electrode 7 molded body side is formed on the conductive support substrate 3 molded body. Laminate to. The slurry for the fuel side electrode 7 is applied to a predetermined position of the conductive support substrate 3 molded body and dried, and the solid electrolyte 9 molded body coated with the slurry for the fuel side electrode 7 is laminated on the conductive support substrate 3 molded body. You may do it.

続いて、例えば、SmO1.5が固溶したCeO粉末を800〜900℃にて2〜6時間、熱処理を行い、その後湿式解砕して凝集度を5〜35に調整し、中間層4成形体用の原料粉末を調整する。湿式解砕は溶媒を用いて10〜20時間ボールミルすることが望ましい。なお、中間層4をGdO1.5が固溶したCeO粉末より形成する場合も同様である。 Subsequently, for example, CeO 2 powder in which SmO 1.5 is dissolved is heat-treated at 800 to 900 ° C. for 2 to 6 hours, and then wet pulverized to adjust the aggregation degree to 5 to 35, and the intermediate layer 4 Adjust raw material powder for the molded body. The wet crushing is desirably ball milled for 10 to 20 hours using a solvent. The same applies to the case where the intermediate layer 4 is formed of CeO 2 powder in which GdO 1.5 is dissolved.

本発明では、凝集度が調製された中間層4成形体の原料粉末に、溶媒としてトルエンを添加し、中間層4用スラリーを作製し、このスラリーを固体電解質9成形体上に塗布して第1の層4aの塗布膜を形成し、第1の層4a成形体を作製する。なお、シート状の第1の層4a成形体を作製し、これを固体電解質9成形体上に積層してもよい。   In the present invention, toluene as a solvent is added to the raw material powder of the intermediate layer 4 molded body whose coagulation degree is adjusted to produce a slurry for the intermediate layer 4, and this slurry is applied onto the solid electrolyte 9 molded body. The coating film of the 1st layer 4a is formed, and the 1st layer 4a molded object is produced. Alternatively, a sheet-like first layer 4a molded body may be produced and laminated on the solid electrolyte 9 molded body.

続いて、インターコネクタ2用材料(例えば、LaCrO系酸化物粉末)、有機バインダー及び溶媒を混合してスラリーを調製し、インターコネクタ2用シートを作製し、固体電解質9成形体が形成されていない導電性支持基板3成形体の露出面に積層する。 Subsequently, a material for the interconnector 2 (for example, LaCrO 3 -based oxide powder), an organic binder and a solvent are mixed to prepare a slurry, a sheet for the interconnector 2 is produced, and a solid electrolyte 9 molded body is formed. No conductive support substrate 3 is laminated on the exposed surface of the molded body.

次いで、上記の積層成形体を脱バインダー処理し、酸素含有雰囲気中、1400〜1600℃にて2〜6時間、同時焼成する。   Next, the above-mentioned laminated molded body is subjected to binder removal treatment and co-fired at 1400 to 1600 ° C. for 2 to 6 hours in an oxygen-containing atmosphere.

その後、形成された第1の層4a焼結体の表面に上記中間層用スラリーを塗布して第2の層4b成形体を作製して焼結する。なお、本発明において、第2の層4b成形体を焼結するにあたって、固体電解質9と第1の層4aの同時焼成時の温度より、200℃以上低いことが好ましく、例えば1100℃〜1300℃で行うことが好ましい。   Thereafter, the intermediate layer slurry is applied to the surface of the formed first layer 4a sintered body to produce a second layer 4b molded body and sintered. In the present invention, when the second layer 4b compact is sintered, it is preferably 200 ° C. or more lower than the temperature at the time of simultaneous firing of the solid electrolyte 9 and the first layer 4a, for example, 1100 ° C. to 1300 ° C. It is preferable to carry out with.

なお、第2の層4bを複数の層から形成する場合にあたっては、第2の層4bを構成する各層を順に焼結する等、適宜作製方法を調整して作製することができる。   When the second layer 4b is formed from a plurality of layers, the second layer 4b can be manufactured by appropriately adjusting the manufacturing method, for example, sequentially sintering each layer constituting the second layer 4b.

ここで、第2の層4bを緻密化するにあたっては、上記中間層用原料の粒径や焼結温度等により、焼結時間を適宜調整することができる。なお、第2の層4bと第1の層4aとを焼結して固着した後、さらに継続して焼付けることにより、第2の層4bを緻密化させることも可能である。この場合に、継続して焼付ける温度や焼付け時間は、第2の層4bと酸素側電極1とが強固に接合できるよう、適宜調整して行うことが好ましい。なお、第2の層4bと第1の層4aとを固着させるための焼結時間としては、2〜6時間とすることができる。   Here, in densifying the second layer 4b, the sintering time can be appropriately adjusted depending on the particle size, sintering temperature, and the like of the intermediate layer raw material. It is also possible to densify the second layer 4b by sintering the second layer 4b and the first layer 4a and fixing them, followed by further baking. In this case, it is preferable to appropriately adjust the baking temperature and baking time so that the second layer 4b and the oxygen-side electrode 1 can be firmly bonded. The sintering time for fixing the second layer 4b and the first layer 4a can be 2 to 6 hours.

また、本願発明の固体電解質9成形体とは、固体電解質9仮焼体も含む概念であり、固体電解質9仮焼体に中間層4成形体を積層しても良い。   Moreover, the solid electrolyte 9 molded body of the present invention is a concept including the solid electrolyte 9 calcined body, and the intermediate layer 4 molded body may be laminated on the solid electrolyte 9 calcined body.

さらに、酸素側電極1用材料(例えば、LaCoO系酸化物粉末)、溶媒及び増孔剤を含有するスラリーをディッピング等により中間層4上に塗布する。また、インターコネクタ2の所定の位置に、必要により、P型半導体層6用材料(例えば、LaCoO系酸化物粉末)と溶媒を含むスラリーを、ディッピング等により塗布し、1000〜1300℃で、2〜6時間焼き付けることにより、図1に示す構造の本発明の燃料電池セル10を製造できる。なお、燃料電池セル10は、その後内部に水素ガスを流し、導電性支持基板3および燃料側電極7の還元処理を行なうのが好ましい。その際、たとえば750〜1000℃にて5〜20時間還元処理を行なうのが好ましい。 Further, a slurry containing a material for the oxygen side electrode 1 (for example, LaCoO 3 oxide powder), a solvent, and a pore increasing agent is applied on the intermediate layer 4 by dipping or the like. Further, if necessary, a slurry containing a material for P-type semiconductor layer 6 (for example, LaCoO 3 oxide powder) and a solvent is applied by dipping or the like to a predetermined position of the interconnector 2 at 1000 to 1300 ° C., By baking for 2 to 6 hours, the fuel cell 10 of the present invention having the structure shown in FIG. 1 can be manufactured. In addition, it is preferable that the fuel cell 10 thereafter causes hydrogen gas to flow therein to perform reduction treatment of the conductive support substrate 3 and the fuel side electrode 7. In that case, it is preferable to perform a reduction process at 750-1000 degreeC for 5 to 20 hours, for example.

すなわち、本発明の燃料電池セル10の作製時において、第1の層4aと第2の層4bは別工程により作製されるとともに、第2の層4bを焼き付けた後、酸素側電極1を焼き付けることから、第2の層4bは、酸素側電極1の成分を含有しないこととなる。それにより、燃料電池セル10作製後、直ちに酸素側電極1に含有される成分が固体電解質9側へ拡散することを抑制できる。   That is, when the fuel cell 10 of the present invention is manufactured, the first layer 4a and the second layer 4b are manufactured by separate processes, and after the second layer 4b is baked, the oxygen side electrode 1 is baked. For this reason, the second layer 4b does not contain the component of the oxygen-side electrode 1. Thereby, it can suppress that the component contained in the oxygen side electrode 1 diffuses to the solid electrolyte 9 side immediately after production of the fuel cell 10.

また、本発明の燃料電池セルスタックは、上記のようにして作成した燃料電池セル10を、複数個立設して配列した状態で、マニホールドに固着し、これら燃料電池セル10間に、集電部材を一方の燃料電池セル10の酸素側電極1に導電性セラミック等の導電性接着材により接合するとともに、隣接する他方の燃料電池セル10のP型半導体層6に導電性接着材により接合し、これにより、複数の燃料電池セル10が電気的に直接に接続され、燃料電池セルスタックが構成される。   Further, the fuel cell stack of the present invention is fixed to the manifold in a state where a plurality of the fuel cells 10 produced as described above are arranged upright and arranged between the fuel cells 10. The member is bonded to the oxygen-side electrode 1 of one fuel cell 10 by a conductive adhesive such as conductive ceramic, and is bonded to the P-type semiconductor layer 6 of the other adjacent fuel cell 10 by a conductive adhesive. As a result, the plurality of fuel cells 10 are electrically connected directly to each other to form a fuel cell stack.

本発明の燃料電池セルスタックは、上記のようにして作製した燃料電池セル10を電気的に複数個接続することにより、長期信頼性に優れた燃料電池セルスタックとすることができる。   The fuel cell stack of the present invention can be a fuel cell stack having excellent long-term reliability by electrically connecting a plurality of the fuel cells 10 produced as described above.

さらに、本発明の燃料電池は、上記燃料電池セルスタックを収納容器に収納し、この収納容器に、都市ガス等の燃料ガスを供給する燃料ガス導入管及び空気を供給するための空気導入管を配設することにより構成される。   Furthermore, the fuel cell of the present invention has the fuel cell stack stacked in a storage container, and a fuel gas introduction pipe for supplying fuel gas such as city gas and an air introduction pipe for supplying air to the storage container. It is constituted by arranging.

本発明の燃料電池は、上記燃料電池セルスタックを収納容器に収納してなることを特徴とすることから、長時間の発電における発電性能の劣化を防止した、長期信頼性に優れた
燃料電池とすることができる。その際、燃料電池セルスタックを、複数個連結して収納容器に収納することもできる。
The fuel cell of the present invention is characterized in that the fuel cell stack is housed in a storage container, and therefore, a fuel cell excellent in long-term reliability, which prevents deterioration in power generation performance during long-time power generation, can do. At that time, a plurality of fuel cell stacks can be connected and stored in the storage container.

第2の中間層4bを1つの層として形成する場合の例を以下に示す。   An example in which the second intermediate layer 4b is formed as one layer is shown below.

先ず、平均粒径0.5μmのNiO粉末と、平均粒径0.9μmのY粉末を焼成‐還元後における体積比率が、Niが48体積%、Yが52体積%になるように混合し、有機バインダーと溶媒にて作製した坏土を押出成形法にて成形し、乾燥、脱脂して導電性支持基板3成形体を作製した。なお、試料No.1においては、Y粉末の焼成‐還元後における体積比率が、Niが45体積%、Yが55体積%となるようにした。 First, NiO powder having an average particle diameter of 0.5 μm and Y 2 O 3 powder having an average particle diameter of 0.9 μm are calcined and reduced, so that the volume ratio is 48% by volume for Ni and 52% by volume for Y 2 O 3. Then, the kneaded material prepared with an organic binder and a solvent was molded by an extrusion molding method, dried and degreased to prepare a conductive support substrate 3 molded body. Sample No. In No. 1, the volume ratio of the Y 2 O 3 powder after calcination-reduction was 45% by volume for Ni and 55% by volume for Y 2 O 3 .

次に平均粒径0.5μmのNiO粉末とYが固溶したZrO粉末と有機バインダーと溶媒を混合した燃料側電極7用スラリーを作製し、前記導電性支持基板3成形体上に、スクリーン印刷法にて塗布、乾燥して、燃料側電極7用のコーティング層を形成した。次に8mol%のイットリウムが固溶したマイクロトラック法による粒径が0.8μmのZrO粉末(固体電解質9原料粉末)と有機バインダーと溶媒とを混合して得られたスラリーを用いて、ドクターブレード法にて厚み30μmの固体電解質9用シートを作製した。前記固体電解質9用シートを、燃料側電極7のコーティング層上に貼り付け、乾燥した。なお、試料No.3においてはZrO粉末の粒径を1.0μmとし、試料No.4においては固体電解質9用シートの厚みを40μmとした。 Next, a slurry for the fuel-side electrode 7 in which a NiO powder having an average particle size of 0.5 μm, a ZrO 2 powder in which Y 2 O 3 is solid-solved, an organic binder, and a solvent is mixed is prepared. The coating layer for the fuel side electrode 7 was formed by coating and drying by screen printing. Next, using a slurry obtained by mixing ZrO 2 powder (solid electrolyte 9 raw material powder) having a particle diameter of 0.8 μm by solid micro-track method in which 8 mol% of yttrium was dissolved, an organic binder and a solvent, A sheet for solid electrolyte 9 having a thickness of 30 μm was produced by a blade method. The sheet for the solid electrolyte 9 was attached on the coating layer of the fuel side electrode 7 and dried. Sample No. In No. 3, the particle size of the ZrO 2 powder was 1.0 μm. In No. 4, the thickness of the solid electrolyte 9 sheet was 40 μm.

続いて、上記のように成形体を積層した積層成形体を1000℃にて3時間仮焼処理した。   Subsequently, the laminated molded body in which the molded bodies were laminated as described above was calcined at 1000 ° C. for 3 hours.

次にCeOを85モル%、他の希土類元素の酸化物(SmO1.5、YO1.5、YbO1.5、GdO1.5)のいずれかを15モル%含む複合酸化物を、溶媒としてイソプロピルアルコール(IPA)を用いて振動ミル又はボールミルにて粉砕し、900℃にて4時間仮焼処理を行い、再度ボールミルにて解砕処理し、セラミック粒子の凝集度を調製し、中間層4原料粉末を得た。この粉体にアクリル系バインダーとトルエンを添加し、混合して作製した中間層4のスラリーを、得られた積層仮焼体の固体電解質9仮焼体上に、スクリーン印刷法にて塗布し、第1の層4a成形体を作製した。なお、試料No.5では他の希土類元素の酸化物を10モル%とし、試料No.6では他の希土類元素の酸化物を20モル%とし、試料No.7においては仮焼の温度を850℃とした。 Next, a complex oxide containing 85 mol% of CeO 2 and 15 mol% of any of other oxides of rare earth elements (SmO 1.5 , YO 1.5 , YbO 1.5 , GdO 1.5 ), Using isopropyl alcohol (IPA) as a solvent, pulverizing with a vibration mill or ball mill, calcining at 900 ° C. for 4 hours, pulverizing again with a ball mill, adjusting the degree of aggregation of ceramic particles, Layer 4 raw material powder was obtained. The slurry of the intermediate layer 4 produced by adding and mixing an acrylic binder and toluene to this powder was applied by screen printing on the solid electrolyte 9 calcined body of the obtained laminated calcined body, A molded body of the first layer 4a was produced. Sample No. In No. 5, the oxide of another rare earth element was 10 mol%, and sample No. In No. 6, the oxide of another rare earth element was set to 20 mol%. In No. 7, the calcining temperature was 850 ° C.

続いて、LaCrO系酸化物と、有機バインダーと溶媒を混合したインターコネクタ2用スラリーを作製し、これを、固体電解質仮焼体が形成されていない露出した導電性支持基板3仮焼体上に積層し、大気中1510℃にて3時間同時焼成した。 Subsequently, the LaCrO 3 type oxide, to prepare a slurry for the interconnector 2 by mixing an organic binder and a solvent, which, solid electrolyte exposed conductive calcined body is not formed support substrate 3 calcined body on And co-fired at 1510 ° C. for 3 hours in the air.

次に、形成された第1の層4a焼結体の表面に、上記中間層4のスラリーをスクリーン印刷法にて塗布して第2の層4b膜を形成し、表1に示す温度で3時間焼結処理を行った。   Next, the slurry of the intermediate layer 4 is applied to the surface of the formed first layer 4a sintered body by a screen printing method to form a second layer 4b film. Time sintering was performed.

なお、表1のNo.12〜No.15においては、第1の層4aを形成せずに同時焼成し、第2の層4bのみを焼結して形成した。また、No.16は第2の層4bを形成しなかった。   In Table 1, No. 12-No. In No. 15, the first layer 4a was not formed but was fired simultaneously, and only the second layer 4b was sintered. No. No. 16 did not form the second layer 4b.

次に、平均粒径2μmのLa0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8粉末と、イソプロピルアルコールからなる混合液を作製し、積層焼結体の中間層の表面に噴霧塗布し、酸素側電極1成形体を形成し、1100℃にて4時間で焼き付けて酸素側電極1を形成し、図1に示す燃料電池セル10を作製した。 Next, a mixed liquid composed of La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 powder having an average particle diameter of 2 μm and isopropyl alcohol is prepared and sprayed on the surface of the intermediate layer of the laminated sintered body. This was applied to form an oxygen-side electrode 1 molded body, and baked at 1100 ° C. for 4 hours to form the oxygen-side electrode 1. Thus, the fuel battery cell 10 shown in FIG. 1 was produced.

なお、作製した燃料電池セル10の寸法は25mm×200mmで、導電性支持基板3の厚さ(n−n間の距離)は2mm、開気孔率35%、燃料側電極7の厚さは10μm、開気孔率24%、酸素側電極1の厚さは50μm、開気孔率40%、相対密度は97%であった。   The size of the produced fuel cell 10 is 25 mm × 200 mm, the thickness of the conductive support substrate 3 (distance between nn) is 2 mm, the open porosity is 35%, and the thickness of the fuel side electrode 7 is 10 μm. The open porosity was 24%, the thickness of the oxygen-side electrode 1 was 50 μm, the open porosity was 40%, and the relative density was 97%.

次に、この燃料電池セル10の内部に水素ガスを流し、850℃で10時間導電性支持基板3及び燃料側電極7の還元処理を施した。   Next, hydrogen gas was allowed to flow inside the fuel cell 10 and the conductive support substrate 3 and the fuel side electrode 7 were subjected to reduction treatment at 850 ° C. for 10 hours.

得られた燃料電池セル10について、酸素側電極に含有されるSrの固体電解質9への拡散をEPMA(X線マイクロアナライザ)にて面分析し、Srの有無として表1に記載した。   The obtained fuel cell 10 was subjected to surface analysis by EPMA (X-ray microanalyzer) for the diffusion of Sr contained in the oxygen-side electrode into the solid electrolyte 9 and listed in Table 1 as the presence or absence of Sr.

ここで、Srの有無は、固体電解質9中にSrが見られない場合をなしと判断し、Srが見られる場合をありとして判断した。   Here, the presence / absence of Sr was determined to be absent when Sr was not found in the solid electrolyte 9, and was determined as being possible when Sr was observed.

続いて、得られた燃料電池セル10の燃料ガス流路5に燃料ガスを流通させ、燃料電池セル10の外側に酸素含有ガスを流通させ、燃料電池セル10を、電気炉を用いて750℃まで加熱し、3時間の発電試験を行い、燃料電池セルの発電性能を確認した。その後、燃料利用率75%、電流密度0.6A/cmの条件にて1000時間発電を行った。その際、発電0時間での値を初期電圧とし、1000時間後の電圧を測定し、初期電圧からの変化を劣化率として求め、発電性能の劣化率を求めた。なお、発電性能の劣化の評価については、劣化率が0.5%未満の場合を非常に少ない、劣化率が0.5〜1%の場合をかなり少ない、劣化率が1〜3%の場合を少ない、劣化率が3〜5%の場合を多い、劣化率が5%以上の場合を激しいとし、表1にその評価の結果を示した。 Subsequently, the fuel gas is circulated through the fuel gas passage 5 of the obtained fuel battery cell 10, the oxygen-containing gas is circulated outside the fuel battery cell 10, and the fuel battery cell 10 is 750 ° C. using an electric furnace. The power generation performance of the fuel cell was confirmed by performing a power generation test for 3 hours. Thereafter, power generation was performed for 1000 hours under conditions of a fuel utilization rate of 75% and a current density of 0.6 A / cm 2 . At that time, the value at 0 hours of power generation was used as the initial voltage, the voltage after 1000 hours was measured, the change from the initial voltage was determined as the deterioration rate, and the deterioration rate of power generation performance was determined. Regarding evaluation of power generation performance deterioration, the deterioration rate is less than 0.5%, the deterioration rate is 0.5-1%, the deterioration rate is 1-3%, and the deterioration rate is 1-3%. Table 1 shows the results of the evaluation, assuming that the deterioration rate is 3 to 5% in many cases and the deterioration rate is 5% or more.

さらに、発電試験が終了した後の各燃料電池セル10を、走査型電子顕微鏡(SEM)にて、第1の層4aと第2の層4bの緻密度合いを観察した。

Figure 2008226653
Further, the density of the first layer 4a and the second layer 4b of each fuel cell 10 after the power generation test was observed with a scanning electron microscope (SEM).
Figure 2008226653

表1の結果より、第1の層4aと第2の層4bを同一の組成とし、第1の層4aと固体電解質9とを同時焼成し、第2の層4bを同時焼成時の温度よりも200℃以上低い温度で焼結した場合(試料No.1〜3、No20、No.21)、固体電解質9中にSrが含まれておらず、発電性能の劣化が非常に少ないという結果を示した。また、第2の層4bの厚み5〜20μmまでは(試料No.4〜6、No.17〜19)、固体電解質9中にSrが含まれておらず、発電性能の劣化が非常に少ないという結果を示した。   From the results of Table 1, the first layer 4a and the second layer 4b have the same composition, the first layer 4a and the solid electrolyte 9 are co-fired, and the second layer 4b is determined from the temperature during co-firing. When sintered at a temperature as low as 200 ° C. or more (Sample Nos. 1-3, No20, No.21), the solid electrolyte 9 does not contain Sr, and the result is that the power generation performance is very little deteriorated. Indicated. In addition, up to a thickness of 5 to 20 μm of the second layer 4b (sample Nos. 4 to 6 and Nos. 17 to 19), the solid electrolyte 9 does not contain Sr, and the power generation performance is hardly deteriorated. The result was shown.

さらに、第1の層4a、第2の層4bの厚みをそれぞれ厚くした場合や薄くした場合(試料No.7〜9)には、固体電解質9中にSrは含まれておらず、発電性能の劣化がかなり少ないという結果を示した。   Furthermore, when the thickness of each of the first layer 4a and the second layer 4b is increased or decreased (sample Nos. 7 to 9), Sr is not contained in the solid electrolyte 9, and the power generation performance The result showed that there was considerably little deterioration.

一方、第1の層4aを同時焼成した場合であっても、第2の層4bを1400℃以上で焼結した場合(No.10、No.11)は、固体電解質9中にSrは含まれていなかったものの、固体電解質9と第1の層4aとの同時焼成時とほぼ同じ温度もしくは約100℃程度の低い温度で焼結しているため、発電性能の劣化が少ないという結果を示した。   On the other hand, even when the first layer 4a is fired at the same time, when the second layer 4b is sintered at 1400 ° C. or higher (No. 10, No. 11), the solid electrolyte 9 contains Sr. Although it was not, it was sintered at almost the same temperature as the co-firing of the solid electrolyte 9 and the first layer 4a or at a low temperature of about 100 ° C., so that the power generation performance was hardly deteriorated. It was.

さらに、第1の層4aが無く、焼結体に第2の層4bを後付けした場合(試料No.12〜15)や、第2の層4bを形成しなかった場合(試料No.16)は、発電性能劣化率は激しいという結果を示した。   Furthermore, when there is no first layer 4a and the second layer 4b is retrofitted to the sintered body (sample Nos. 12 to 15), or when the second layer 4b is not formed (sample No. 16). Showed that the power generation performance deterioration rate was severe.

一方、第1の層4aと第2の層4bとを、同一の希土類元素をCeとし、その他の希土類元素を第1の層4aと第2の層4bとで異なる組成とした試料(試料No.22〜33)においては、第2の層4bを1400℃以上で焼き付けた場合(試料No.27、33)では、固体電解質9中にSrは含まれていなかったものの、固体電解質9と第1の層4aとの同時焼成時とほぼ同じ温度もしくは約100℃程度の低い温度で焼結しているため、発電性能の劣化が少ないという結果を示した。なお、それ以外の試料においては、固体電解質9中にSrが含まれておらず、発電性能の劣化が非常に少ないという結果を示した。   On the other hand, the first layer 4a and the second layer 4b are samples (sample No.) in which the same rare earth element is Ce and the other rare earth elements are different in composition in the first layer 4a and the second layer 4b. 22 to 33), when the second layer 4b was baked at 1400 ° C. or higher (sample Nos. 27 and 33), Sr was not contained in the solid electrolyte 9, but the solid electrolyte 9 and the second layer 4b Since the sintering was performed at substantially the same temperature as that at the time of co-firing with the first layer 4a or at a temperature as low as about 100 ° C., the results showed that the power generation performance was hardly deteriorated. In the other samples, Sr was not contained in the solid electrolyte 9, and the results showed that the power generation performance was very little deteriorated.

なお、第1の層4aと第2の層4bとの緻密度合いを比較した結果、第1の層4aと第2の層4bを形成した燃料電池セル10すべてにおいて、第1の層4aの緻密度合いが第2の層4bの緻密度合いに比べ、緻密度が高かった。   In addition, as a result of comparing the density of the first layer 4a and the second layer 4b, in all the fuel cells 10 in which the first layer 4a and the second layer 4b are formed, the density of the first layer 4a is high. The degree of density was higher than the degree of density of the second layer 4b.

本発明の燃料電池セルを示したものであり、(a)は横断面図、(b)は(a)の斜視図である。The fuel cell of this invention is shown, (a) is a cross-sectional view, (b) is a perspective view of (a). 本発明の燃料電池セルの発電に携わる部位を一部抜き出して示す拡大横断面図である。FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view showing a part of a part engaged in power generation of the fuel cell according to the present invention. 従来の燃料電池セルからなるセルスタックを示す横断面図である。It is a cross-sectional view which shows the cell stack which consists of the conventional fuel cell.

符号の説明Explanation of symbols

1・・・酸素側電極
2・・・インターコネクタ
3・・・導電性支持基板
4a・・第1の層
4b・・第2の層
5・・・燃料ガス通路
7・・・燃料側電極
9・・・固体電解質
10・・燃料電池セル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Oxygen side electrode 2 ... Interconnector 3 ... Conductive support substrate 4a ... 1st layer 4b ... 2nd layer 5 ... Fuel gas passage 7 ... Fuel side electrode 9 ... Solid electrolyte 10 ... Fuel battery cells

Claims (6)

固体電解質の一方側の表面上に中間層とSrを含有する酸素側電極とを順に備えるとともに、前記固体電解質の前記酸素側電極と対向する他方側の表面上に燃料側電極を備える燃料電池セルであって、前記中間層は前記固体電解質側の表層領域が他の領域よりも緻密に形成されていることを特徴とする燃料電池セル。 A fuel cell comprising an intermediate layer and an oxygen-side electrode containing Sr in order on one surface of the solid electrolyte, and a fuel-side electrode on the other surface of the solid electrolyte facing the oxygen-side electrode The intermediate layer has a surface layer region on the solid electrolyte side formed more densely than other regions. 前記中間層は表層領域を形成する第1の層と、他の領域を形成する第2の層とを有し、前記第1の層と前記固体電解質とは同時焼成にて形成されていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池セル。 The intermediate layer has a first layer that forms a surface layer region and a second layer that forms another region, and the first layer and the solid electrolyte are formed by simultaneous firing. The fuel cell according to claim 1. 前記第1の層の厚みが1〜10μmであり、前記第2の層の厚みが5〜20μmであることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池セル。 3. The fuel cell according to claim 2, wherein the thickness of the first layer is 1 to 10 μm, and the thickness of the second layer is 5 to 20 μm. 前記第1の層と前記第2の層とが、同一の希土類元素(Srを除く)を含有することを特徴とする請求項2または請求項3に記載の燃料電池セル。 4. The fuel cell according to claim 2, wherein the first layer and the second layer contain the same rare earth element (excluding Sr). 5. 請求項1乃至請求項4のうちいずれかに記載の燃料電池セルを電気的に直列に複数個接続してなることを特徴とする燃料電池セルスタック。 A fuel cell stack comprising a plurality of the fuel cells according to any one of claims 1 to 4 electrically connected in series. 請求項5に記載の燃料電池セルスタックを収納容器に収納してなることを特徴とする燃料電池。 6. A fuel cell comprising the fuel cell stack according to claim 5 housed in a housing container.
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