JP2013179056A - Solid oxide fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体酸化物型燃料電池に関する。 The present invention relates to a solid oxide fuel cell.
従来、支持体と、支持体の一部を露出させるように支持体に巻きつけられた固体電解質層と、固体電解質層と支持体との間に設けられた燃料極と、支持体の露出した部分に形成されるインターコネクタと、を備える固体酸化物型燃料電池が知られている。また、燃料極と、空気極と、燃料極と空気極の間に配置される固体電解質層と、燃料極上に形成されるインターコネクタと、を備える固体酸化物型燃料電池も知られている。 Conventionally, a support, a solid electrolyte layer wound around the support so as to expose a part of the support, a fuel electrode provided between the solid electrolyte layer and the support, and the support exposed A solid oxide fuel cell including an interconnector formed in a portion is known. There is also known a solid oxide fuel cell including a fuel electrode, an air electrode, a solid electrolyte layer disposed between the fuel electrode and the air electrode, and an interconnector formed on the fuel electrode.
ここで、ランタンクロマイト系セラミックスで構成されるインターコネクタにおいて、ランタン又はクロムの一部をアルカリ土類金属もしくは遷移金属に置換することによって、インターコネクタ自体の導電性を向上させる手法が提案されている(特許文献1参照)。 Here, in an interconnector composed of lanthanum chromite ceramics, a method for improving the electrical conductivity of the interconnector itself by replacing a part of lanthanum or chromium with an alkaline earth metal or transition metal has been proposed. (See Patent Document 1).
しかしながら、特許文献1の手法では、インターコネクタと支持体又は燃料極(以下、「導電性支持部材」という。)の積層体の電気抵抗率については考慮されていない。
However, the method of
本発明は、この問題点に鑑みてなされたものであり、インターコネクタと導電性支持部材の積層体の電気抵抗率を低減可能な固体酸化物型燃料電池を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of this problem, and it aims at providing the solid oxide fuel cell which can reduce the electrical resistivity of the laminated body of an interconnector and an electroconductive support member.
本発明に係る固体酸化物型燃料電池は、NiとFeを含む導電性支持部材と、導電性支持部材と共焼成され、クロマイト系材料とFeとを含むインターコネクタと、を備える。導電性支持部材におけるFeの平均含有率は、インターコネクタにおけるFeの平均含有率よりも高い。導電性支持部材におけるFeの平均含有率は、0mol%より大きく19mol%以下である。インターコネクタにおけるFeの平均含有率は、0mol%より大きく7.8mol%以下である。 A solid oxide fuel cell according to the present invention includes a conductive support member containing Ni and Fe, and an interconnector co-fired with the conductive support member and containing a chromite-based material and Fe. The average content of Fe in the conductive support member is higher than the average content of Fe in the interconnector. The average content of Fe in the conductive support member is greater than 0 mol% and not greater than 19 mol%. The average content of Fe in the interconnector is greater than 0 mol% and not greater than 7.8 mol% .
本発明によれば、インターコネクタと導電性支持部材の積層体の電気抵抗率を低減可能な固体酸化物型燃料電池を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the solid oxide fuel cell which can reduce the electrical resistivity of the laminated body of an interconnector and an electroconductive support member can be provided.
<固体酸化物型燃料電池1の構成>
図1及び図2に示すように、本実施形態に係る横縞型の固体酸化物型燃料電池(以下、「燃料電池」と略称する)1は、支持基板2と、第1固体酸化物型燃料電池セル(以下、「セル」と略称する)セル11と、第2セル12と、を備える。第1セル11及び第2セル12のそれぞれは、燃料極3、固体電解質層4、バリア層5、空気極6、中間層7、インターコネクタ8、及び集電層9を備える。なお、図1では、説明の便宜上、集電層9は図示されていない。
<Configuration of Solid
As shown in FIGS. 1 and 2, a horizontally-striped solid oxide fuel cell (hereinafter abbreviated as “fuel cell”) 1 according to the present embodiment includes a
支持基板2は、扁平かつ一方向(z軸方向)に長い形状である。支持基板2は、多孔質材料で構成されている。支持基板2は、Ni(ニッケル)を含んでいてもよく、具体的には、Ni‐Y2O3(ニッケル‐イットリア)を主成分として含有していてもよい。ニッケルは酸化物(NiO)であってもよいが、発電時には、NiOは水素ガスによってNiに還元されてもよい。
The
なお、本明細書において、「主成分として含有する」とは、その成分を50重量%以上含有することであってもよく、60重量%以上、80重量%以上、又は90重量%以上含有することであってもよい。また、「主成分として含有する」とは、その成分のみからなる場合も包含する。 In the present specification, “containing as a main component” may mean containing 50% by weight or more of the component, and containing 60% by weight or more, 80% by weight or more, or 90% by weight or more. It may be. Further, “containing as a main component” also includes a case where only the component is included.
図1及び図2に示すように、支持基板2の内部には、流路21が設けられる。流路21は、支持基板2の長手方向(z軸方向)に沿って延びている。発電時には、流路21内に燃料ガスが流され、支持基板2の有する孔を通って、後述の燃料極3へ燃料ガスが供給される。
As shown in FIGS. 1 and 2, a
燃料極3は、支持基板2上に配置され、アノードとして機能する。燃料極3は、燃料極集電層31と燃料極活性層32とを有する。燃料極集電層31は支持基板2上に積層され、燃料極活性層3は燃料極集電層31上に積層される。燃料極集電層31の厚みは50〜500μm程度、燃料極活性層32の厚みは5〜100μm程度とすることができる。
The
燃料極集電層31は、次の式(1)で表される酸化物を含有する。
The anode
(AE1-xAx)(B1-y+zCy)O3…(1)
(AEは少なくとも1種のアルカリ土類金属であり、Aサイトは、希土類,Al及びCrからなる群から選択される少なくとも1種類の元素を含有し、BサイトはTi及びZrから選択される少なくとも1種類の元素を含有し、Cサイトは、Nb,V,Mn,Cr,Fe,Co,Cu,Ni,Zn,Mg及びAlからなる群から選択される少なくとも1種類の元素を含有し、0≦x≦0.3,0≦y≦0.22,−0.1≦z≦0.1である。)
また、燃料極集電層31は、式(1)で表される酸化物以外の成分を含有してもよく、例えばニッケルを含有していてもよい。ニッケルは、酸化物(NiO)であってもよいが、発電時には、NiOはNiに還元されてもよい。
(AE 1-x A x ) (B 1-y + z Cy) O 3 (1)
(AE is at least one alkaline earth metal, the A site contains at least one element selected from the group consisting of rare earths, Al and Cr, and the B site is at least selected from Ti and Zr. The C site contains at least one element selected from the group consisting of Nb, V, Mn, Cr, Fe, Co, Cu, Ni, Zn, Mg and Al. ≦ x ≦ 0.3, 0 ≦ y ≦ 0.22, −0.1 ≦ z ≦ 0.1.)
The anode
なお、燃料極集電層31は、Fe(鉄)を含有していてもよい。燃料極集電層31は、Feを酸化物(FeO、Fe2O3、Fe3O4、またはそれらの混合物)として含有していてもよい。燃料極集電層31におけるFeの平均含有率については後述する。
The anode current collecting
燃料極活性層32は、燃料極集電層31の上において、燃料極集電層31よりも狭い範囲に設けられる。つまり、燃料極集電層31の一部は、燃料極活性層32から露出している。燃料極活性層32はZr(ジルコニウム)を含有してもよい。燃料極活性層32を構成する材料としては、例えば、Ni−YSZ(イットリア安定化ジルコニア)及びScSZ(スカンジア安定化ジルコニア)等が挙げられる。
The anode
図2に示すように、第1セル11の固体電解質層4は、燃料極活性層32の全面を覆うように設けられる。第2セル12の固体電解質層4は、燃料極活性層32の第1セル側端部から第1セル11のインターコネクタ8までを覆っている。また、第2セル12の固体電解質層4は、支持基板2のうち第1及び第2セル11,12の燃料極集電層31から露出している部分を覆っている。固体電解質層4は、燃料極活性層32及びバリア層5と共焼成されていることが好ましい。
As shown in FIG. 2, the
固体電解質層4は、ジルコニア(ZrO2)を主成分として含むことができる。固体電解質層4は、例えば、3YSZ、8YSZ等のイットリア安定化ジルコニアやScSZ(スカンジア安定化ジルコニア)等のジルコニア系材料によって構成することができる。
The
バリア層5は、固体電解質層4上に設けられる。バリア層5は、固体電解質層4と共焼成されていることが好ましい。バリア層5は、希土類元素を含有するセリア(CeO2)系材料を主成分として含むことができる。バリア層5は、例えば、GDC((Ce,Gd)O2:ガドリニウムドープセリア)、SDC((Ce, Sm)O2:サマリウムドープセリア)等によって構成することができる。
The
空気極6は、バリア層5上に、バリア層5の外縁を越えないように配置される。空気極6は、例えば、ランタン含有ペロブスカイト型複合酸化物を主成分として含有してもよい。ランタン含有ペロブスカイト型複合酸化物としては、具体的には、LSCF(ランタンストロンチウムコバルトフェライト)、ランタンマンガナイト、ランタンコバルタイト、ランタンフェライトが挙げられる。また、ランタン含有ペロブスカイト型複合酸化物には、ストロンチウム、カルシウム、クロム、コバルト、鉄、ニッケル、アルミニウム等がドープされていてもよい。
The
中間層7は、燃料極集電層31上に形成される。中間層7(導電性支持部材の一例)は、クロマイト系材料及びNiを含有する。中間層7に含有されるクロマイト系材料は、インターコネクタ8に含有されるクロマイト系材料と同一でなくてもよい。
The
なお、クロマイト系材料とは、クロマイト系ペロブスカイト型酸化物とも称される複合酸化物である。クロマイト系材料の組成は、次の一般式(2)で表すことができる。 Note that the chromite-based material is a complex oxide also called a chromite-based perovskite oxide. The composition of the chromite material can be expressed by the following general formula (2).
Ln1-xAxCr1-y-zByO3…(2)
(式(2)中、LnはY及びランタノイド(La,Ce,Eu,Sm,Yb,Gdなど)からなる群より選択される少なくとも1種類の元素であり、AはCa,Sr及びBaからなる群より選択される少なくとも1種類の元素を含有し、Bは、Ti,V,Mn,Fe,Co,Cu,Ni,Zn,Mg及びAlからなる群より選択される少なくとも1種類の元素を含有し、0.025≦x≦0.3、0≦y≦0.22、0≦z≦0.15である。)
ここで、中間層7は、Fe(鉄)を含有している。中間層7は、Feを酸化物(FeO、Fe2O3、Fe3O4、またはそれらの混合物)として含有していてもよい。中間層7におけるFeの平均含有率については後述する。
Ln 1-x A x Cr 1 -yz
(In formula (2), Ln is at least one element selected from the group consisting of Y and lanthanoids (La, Ce, Eu, Sm, Yb, Gd, etc.), and A consists of Ca, Sr, and Ba. Contains at least one element selected from the group, and B contains at least one element selected from the group consisting of Ti, V, Mn, Fe, Co, Cu, Ni, Zn, Mg and Al And 0.025 ≦ x ≦ 0.3, 0 ≦ y ≦ 0.22, and 0 ≦ z ≦ 0.15.)
Here, the
第1セル11のインターコネクタ8は、図2に示すように、第1セル11の中間層7上に配置される。第1セル11のインターコネクタ8は、第1及び第2セル11,12それぞれの固体電解質層4に連結されている。インターコネクタ8は緻密であることが好ましく、インターコネクタ8の相対密度は95%以上であることが好ましい。
The
インターコネクタ8は、クロマイト系材料を主成分として含有する。インターコネクタ8に含有されるクロマイト系材料は、中間層7に含有されるクロマイト系材料と同一でなくてもよい。クロマイト系材料の組成は、上記一般式(2)で表される通りである。
The
ここで、インターコネクタ8は、Fe(鉄)を含有している。インターコネクタ8は、Feを酸化物(FeO、Fe2O3、Fe3O4、またはそれらの混合物)として含有していてもよい。インターコネクタ8におけるFeの平均含有率については後述する。
Here, the
なお、燃料極3、中間層7及びインターコネクタ8は、共焼成されていることが好ましい。
The
集電層9は、第1セル11のインターコネクタ8と第2セル12とを電気的に接続するように配置される。具体的には、集電層9は、第2セル12の空気極6と第1セル11のインターコネクタ8とに連結されている。これによって、支持基板2の長手方向(z軸方向)において第1及び第2セル11,12が電気的に接続される。
The current collecting layer 9 is disposed so as to electrically connect the
なお、燃料電池1の各部の寸法は、具体的には、以下のように設定可能である。
In addition, the dimension of each part of the
支持基板2の幅D1 :1〜10cm
支持基板2の厚みD2 :1〜10mm
支持基板2の長さD3 :5〜50cm
支持基板2の外面から流路21までの距離D4:0.1〜4mm
固体電解質層4の厚み :3〜50μm
バリア層5の厚み :3〜50μm
空気極6の厚み :10〜100μm
中間層7の厚み :1〜100μm
インターコネクタ8の厚み :10〜100μm
集電層9の厚み :50〜500μm
ただし、本発明はこれらの数値に限定されない。
Width D1 of support substrate 2: 1 to 10 cm
Distance D4 from outer surface of
Thickness of the air electrode 6: 10 to 100 μm
Current collector layer 9 thickness: 50 to 500 μm
However, the present invention is not limited to these numerical values.
<Feの含有率>
図3は、燃料極集電層31、中間層7およびインターコネクタ8におけるFe,Ni,Crのモル分率の一例を示すグラフである。なお、図3では、スポットAからスポットFまでの6スポットにおけるモル分率が厚み方向(y軸方向)において順次示されている。
<Fe content>
FIG. 3 is a graph showing an example of the mole fractions of Fe, Ni, and Cr in the anode
各層におけるFe,Ni,Crの含有率は、各層の断面における任意の視野内でEDS(エネルギー分散型X線分光法:Energy Dispersive x-ray Spectroscopy)を用いたスポット分析によって取得できる。また、各層におけるFe,Ni,Crの平均含有率は、1つの視野内の複数スポットにおけるFe,Ni,Crの含有率の平均値であってもよいし、複数の視野それぞれの1又は複数スポットにおけるFe,Ni,Crの含有率の平均値であってもよい。なお、本実施形態において各成分の含有率について述べる場合、燃料極集電層31、中間層7およびインターコネクタ8は還元雰囲気に曝されているものとする。
The contents of Fe, Ni, and Cr in each layer can be obtained by spot analysis using EDS (Energy Dispersive x-ray Spectroscopy) within an arbitrary field of view in the cross section of each layer. In addition, the average content of Fe, Ni, and Cr in each layer may be an average value of the content of Fe, Ni, and Cr in a plurality of spots in one field of view, or one or a plurality of spots in each of a plurality of fields of view. It may be an average value of the content ratios of Fe, Ni, and Cr. In addition, when describing the content rate of each component in this embodiment, the anode
まず、図3に示されるように、中間層7におけるFeの平均含有率は、インターコネクタ8におけるFeの平均含有率よりも高いことが好ましい。また、中間層7におけるFeの平均含有率は、0mol%より大きく19mol%以下であることが好ましく、インターコネクタ8におけるFeの平均含有率は、0mol%より大きく7.8mol%以下であることが好ましい。これによって、中間層7とインターコネクタ8の積層体の電気抵抗率を低減させることができる。これは、中間層7及びインターコネクタ8の各々にFeを含有させることで、緻密質のインターコネクタ8と多孔質の中間層7との間の抵抗が低減され、すなわち、両者の接続性が良好になると共に、共焼結時の緻密化が相乗的に促進される効果によるものと考えられる。
First, as shown in FIG. 3, the average Fe content in the
なお、図3に示すように、中間層7において、Feの含有率は、Ni及びCrそれぞれの含有率よりも低い。また、インターコネクタ8において、Feの含有率は、Crの含有率よりも低い。
As shown in FIG. 3, in the
<中間層7とインターコネクタ8との界面における微構造>
次に、中間層7とインターコネクタ8との界面における微構造について、図面を参照しながら説明する。図4は、中間層7とインターコネクタ8との界面を模式的に示す断面図である。
<Microstructure at the interface between the
Next, the microstructure at the interface between the
図4に示すように、中間層7とインターコネクタ8との間には複数の気孔が形成されている。そのため、中間層7とインターコネクタ8との界面Pは、中間層7とインターコネクタ8とが断続的に接合することによって形成される。具体的に、図4に示す例では、界面Pには、中間層7とインターコネクタ8が接合することによって規定される5つの実界面Pa1〜Pa5と、5つの実界面Pa1〜Pa5どうしを直線的に繋ぐことによって規定される4つの仮想界面Pb1〜Pb4とが含まれている。
As shown in FIG. 4, a plurality of pores are formed between the
ここで、界面Pにおいて中間層7とインターコネクタ8とが接合する長さの割合(以下、「接合割合W」と称する。)は、20%以上85%以下であることが好ましい。接合割合Wは、界面Pの長さに対する全実界面Paの合計長さの比率、又は、界面Pにおける実界面Paの占有率と言い換えることができる。
Here, the ratio of the length at which the
従って、図4に示す例における接合割合Wは、以下の式(3)に基づいて算出することができる。式(3)において、A1〜A5は5つの実界面Pa1〜Pa5の長さであり、B1〜B4は4つの仮想界面Pb1〜Pb4の長さである。 Therefore, the joining ratio W in the example shown in FIG. 4 can be calculated based on the following formula (3). In Expression (3), A1 to A5 are the lengths of the five real interfaces Pa1 to Pa5, and B1 to B4 are the lengths of the four virtual interfaces Pb1 to Pb4.
W=(A1+A2+A3+A4+A5)×100/(A1+A2+A3+A4+A5+B1+B2+B3+B4)…(3)
なお、A1〜A5及びB1〜B4は、電子顕微鏡(SEM或いはFE−SEM)画像上において、5つの実界面Pa1〜Pa5及び4つの仮想界面Pb1〜Pb4の長さを実測することによって取得できる。このような微構造の数値化は、例えば、MVTec社(ドイツ)製の画像解析ソフトHALCONによるSEM画像の解析によって実行可能である。このような解析は、複数視野(例えば、10視野)の電子顕微鏡画像について実行されてもよく、この場合は、複数視野の電子顕微鏡画像それぞれにおける実測値の相加平均値を接合割合Wとすればよい。
W = (A1 + A2 + A3 + A4 + A5) × 100 / (A1 + A2 + A3 + A4 + A5 + B1 + B2 + B3 + B4)… (3)
A1 to A5 and B1 to B4 can be acquired by actually measuring the lengths of the five real interfaces Pa1 to Pa5 and the four virtual interfaces Pb1 to Pb4 on an electron microscope (SEM or FE-SEM) image. Such quantification of the fine structure can be executed, for example, by analyzing an SEM image by image analysis software HALCON manufactured by MVTec (Germany). Such an analysis may be performed on an electron microscope image of a plurality of fields of view (for example, 10 fields of view). That's fine.
また、接合割合Wを算出する場合には、界面Pの全長について解析する必要はなく、界面Pの一部について解析すればよいが、300μm以上の長さの界面Pについて解析することが好ましい。 When calculating the joining ratio W, it is not necessary to analyze the entire length of the interface P, and it is sufficient to analyze a part of the interface P, but it is preferable to analyze the interface P having a length of 300 μm or more.
また、接合割合Wは、界面Pにおける中間層7とインターコネクタ8との微構造を定量的に示す指標であり、中間層7及びインターコネクタ8それぞれにおける緻密度(すなわち、充填率)とは異なる概念である。
The joining ratio W is an index that quantitatively shows the microstructure of the
また、接合割合Wは、中間層7及びインターコネクタ8を構成する材料の種類や平均粒径だけでなく、中間層7とインターコネクタ8を共焼成する際の焼成条件などを制御することによって調整可能である。
In addition, the bonding ratio W is adjusted by controlling not only the type and average particle diameter of the material constituting the
<燃料電池1の製造方法>
次に、燃料電池1の製造方法の一例について説明する。
<Method for
Next, an example of a method for manufacturing the
まず、支持基板2の材料を押出成形機により成形し、乾燥させる。
First, the material of the
次に、式(1)で表される酸化物とNiOとをポットを用いて混合することによって、燃料極集電層材料のスラリーを作製する。この際、還元時にNi:式(1)で表される酸化物の比が40vol%:60vol%となるようにNiOの添加量を調整する。 Next, a slurry of the anode current collecting layer material is prepared by mixing the oxide represented by the formula (1) and NiO using a pot. At this time, the amount of NiO added is adjusted so that the ratio of Ni: oxide represented by formula (1) is 40 vol%: 60 vol% during reduction.
また、燃料極活性層32の材料をポットで混合することによってスラリーを作製する。
Moreover, the slurry is produced by mixing the material of the fuel electrode
次に、燃料極集電層31のスラリーと燃料極活性層32のスラリーとを支持基板2の材料上に順次スクリーン印刷する。この際、中間層7及びインターコネクタ8を形成するために燃料極集電層31の一部を燃料極活性層32から露出させておく。
Next, the slurry of the anode
次に、固体電解質層4のジルコニア系材料をポットで混合ことによってスラリーを作製し、バリア層5のセリア系材料をポットで混合することによってスラリーを作製する。
Next, a slurry is prepared by mixing the zirconia-based material of the
次に、中間層7のクロマイト系材料、NiO粉末及びFe2O3粉末をポットで混合ことによってスラリーを作製し、インターコネクタ8のクロマイト系材料及びFe2O3粉末をポットで混合ことによってスラリーを作製する。この際、中間層7におけるFeの平均含有率が19mol%以下になるようにFe2O3粉末の添加量を調整し、インターコネクタ8におけるFeの平均含有率が7.8mol%以下になるようにFe2O3粉末の添加量を調整する。
Next, a slurry is prepared by mixing the chromite material of the
次に、燃料極集電層31の材料の表面に中間層7のスラリーとインターコネクタ8のスラリーとを順次スクリーン印刷して乾燥させる。
Next, the slurry of the
次に、燃料極活性層32の材料の表面に固体電解質層4およびバリア層5の材料を順次ディップ形成する。この際、固体電解質層4の端部をインターコネクタ7上に重ねる。
Next, the materials of the
次に、以上の積層体を共焼成する。 Next, the above laminate is co-fired.
次に、共焼成によって形成された固体電解質層4上に空気極8の材料を塗布し、空気極8の材料を焼成する。
Next, the material of the
<その他の実施形態>
(A)上記実施形態では、燃料電池として横縞型を挙げた。すなわち、燃料電池1においては、1個の支持基板2上に、2個以上のセルが設けられ、インターコネクタ8は、1個の支持基板2上に設けられた2つのセル間を電気的に接続するように配置される。
ただし、本発明は、横縞型に限らず、縦縞型、平板型、円筒型等の種々のSOFCに適用可能である。
縦縞型のSOFCについて、簡単に説明する。縦縞型のSOFCのセルは、支持体(導電性支持部材の一例)と、支持体上に形成される発電部(燃料極、固体電解質層及び空気極を含む)と、支持体上に形成され、かつ、他の燃料電池セルの発電部に接続されるインターコネクタと、を備える。このような縦縞型のSOFCのセルにおいて、支持基板は19mol%以下のFeを含有し、インターコネクタは7.8mol%以下のFeを含有することが好ましい。なお、必要に応じて、インターコネクタと支持体との間に中間層が形成されてもよい。この場合には、中間層が19mol%以下のFeを含有することが好ましい。
<Other embodiments>
(A) In the above embodiment, the horizontal stripe type is used as the fuel cell. That is, in the
However, the present invention is not limited to the horizontal stripe type, but can be applied to various SOFCs such as a vertical stripe type, a flat plate type, and a cylindrical type.
The vertical stripe SOFC will be briefly described. A vertically striped SOFC cell is formed on a support (an example of a conductive support member), a power generation unit (including a fuel electrode, a solid electrolyte layer, and an air electrode) formed on the support, and the support. And the interconnector connected to the electric power generation part of another fuel cell. In such a vertically striped SOFC cell, the support substrate preferably contains 19 mol% or less of Fe, and the interconnector preferably contains 7.8 mol% or less of Fe. In addition, an intermediate | middle layer may be formed between an interconnector and a support body as needed. In this case, the intermediate layer preferably contains 19 mol% or less of Fe.
(B)上記実施形態では、導電性支持部材の一例として、燃料極集電層31とインターコネクタ8との間に形成される中間層7を例に挙げて説明したが、これに限られるものではない。中間層7が形成されない場合には、燃料極集電層31が導電性支持部材として機能することができる。この場合、燃料極集電層31は19mol%以下のFeを含有し、インターコネクタは7.8mol%以下のFeを含有することが好ましい。これによって、緻密質のインターコネクタ8と多孔質の燃料極集電層31との間の抵抗が低減される。
(B) In the above embodiment, the
(C)また、本発明は、燃料極支持型の燃料電池に適用可能である。具体的には、燃料電池は、燃料極集電層を支持基板として備えることができる。燃料極活性層及びその他の構成要素は、燃料極集電層上に配置される。支持基板としての燃料極集電層は、他の層と比べて、比較的大きな厚みを有する。支持基板としての燃料極集電層の厚みは、具体的な値に限定されるものではないが、上述の支持基板の寸法が適用可能である。 (C) In addition, the present invention can be applied to a fuel electrode support type fuel cell. Specifically, the fuel cell can include an anode current collecting layer as a support substrate. The anode active layer and other components are disposed on the anode current collecting layer. The anode current collecting layer as the support substrate has a relatively large thickness compared to the other layers. The thickness of the anode current collecting layer as the support substrate is not limited to a specific value, but the dimensions of the support substrate described above can be applied.
(サンプルの作製)
〈サンプルNo.1〜No.18〉
以下のようにして、サンプルNo.1〜No.18を作製した。
(Sample preparation)
<Sample No. 1 to No. 18>
Samples No. 1 to No. 18 were produced as follows.
まず、NiO粉末と8YSZと有機バインダーと溶媒とを混合したスラリーを作製し、燃料極集電層用シートを形成した。 First, the slurry which mixed NiO powder, 8YSZ, the organic binder, and the solvent was produced, and the sheet | seat for fuel electrode current collection layers was formed.
次に、ランタンクロマイトとNiO粉末とFe2O3粉末とを混合したスラリーを作製し、中間層用シートを形成した。この際、Fe2O3粉末の添加量を調整することによって、表1に示すように、中間層におけるFeの平均含有量を調整した。ただし、サンプルNo.10では、Fe2O3粉末を添加することなく、ランタンクロマイトとNiO粉末とを混合したスラリーから中間層用シートを形成した。 Next, a slurry in which lanthanum chromite, NiO powder, and Fe 2 O 3 powder were mixed was prepared to form an intermediate layer sheet. At this time, by adjusting the addition amount of the Fe 2 O 3 powder, the average content of Fe in the intermediate layer was adjusted as shown in Table 1. However, in Sample No. 10, an intermediate layer sheet was formed from a slurry obtained by mixing lanthanum chromite and NiO powder without adding Fe 2 O 3 powder.
次に、ランタンクロマイトとFe2O3粉末とを混合したスラリーを作製し、インターコネクタ用シートを形成した。この際、Fe2O3粉末の添加量を調整することによって、表1に示すように、インターコネクタにおけるFeの平均含有量を調整した。ただし、サンプルNo.1では、Fe2O3粉末を添加することなく、ランタンクロマイトのスラリーからインターコネクタ用シートを形成した。 Next, a slurry in which lanthanum chromite and Fe 2 O 3 powder were mixed was prepared, and an interconnector sheet was formed. At this time, as shown in Table 1, the average content of Fe in the interconnector was adjusted by adjusting the amount of Fe 2 O 3 powder added. However, in sample No. 1, an interconnector sheet was formed from a lanthanum chromite slurry without adding Fe 2 O 3 powder.
次に、燃料極集電層用シート、中間層用シート及びインターコネクタ用シートを貼り付けて、1400℃で2時間共焼成した。この際、中間層への造孔材添加量と焼成条件を調整することによって、表1に示すように、インターコネクタと中間層との界面における接合割合を調整した。なお、表1では、インターコネクタは“IC”と表記されている。 Next, the anode current collecting layer sheet, the intermediate layer sheet, and the interconnector sheet were attached and co-fired at 1400 ° C. for 2 hours. At this time, as shown in Table 1, the bonding ratio at the interface between the interconnector and the intermediate layer was adjusted by adjusting the amount of pore former added to the intermediate layer and the firing conditions. In Table 1, the interconnector is described as “IC”.
(Fe含有量)
各サンプルの断面をEDSでスポット分析することによって、燃料極、中間層及びインターコネクタにおけるFeの平均含有量を取得した。中間層及びインターコネクタにおけるFeの平均含有量を表1にまとめて示す。
(Fe content)
The average content of Fe in the fuel electrode, intermediate layer and interconnector was obtained by spot analysis of the cross section of each sample with EDS. Table 1 summarizes the average Fe content in the intermediate layer and the interconnector.
(面積抵抗)
各サンプルについて、インターコネクタと中間層との積層体の面積抵抗(Ω・cm2)を測定した。具体的には、まず、各サンプルを800℃のヒータ内に配置して、インターコネクタ側に空気を導入し、燃料極側に水素を導入した。次に、インターコネクタおよび燃料極のそれぞれにPt台座を当接させて、2本のPt線(電位線と電流線)から各サンプルに定電流を流した。このときの電圧値を面積抵抗に変換した。積層体の面積抵抗値を表1にまとめて示す。
(Area resistance)
About each sample, the sheet resistance (ohm * cm < 2 >) of the laminated body of an interconnector and an intermediate | middle layer was measured. Specifically, each sample was first placed in a heater at 800 ° C., air was introduced to the interconnector side, and hydrogen was introduced to the fuel electrode side. Next, a Pt pedestal was brought into contact with each of the interconnector and the fuel electrode, and a constant current was passed from each of the two Pt lines (potential line and current line) to each sample. The voltage value at this time was converted into sheet resistance. The sheet resistance values of the laminates are summarized in Table 1.
(接合割合)
各サンプルについて、インターコネクタと中間層との界面における接合割合を測定した。具体的には、画像解析ソフトを使用して、インターコネクタと中間層の界面付近の断面を示すSEM写真において、500μm長さの界面におけるインターコネクタと中間層との接合割合(実界面の合計長さ/500μm)を取得した。インターコネクタと中間層との接合割合を表1にまとめて示す。
(Joining ratio)
About each sample, the joining ratio in the interface of an interconnector and an intermediate | middle layer was measured. Specifically, using an image analysis software, in the SEM photograph showing a cross section near the interface between the interconnector and the intermediate layer, the bonding ratio between the interconnector and the intermediate layer at the 500 μm length interface (total length of the actual interface) Obtained). Table 1 summarizes the bonding ratio between the interconnector and the intermediate layer.
(界面における剥離)
各サンプルについて、インターコネクタと中間層との界面の断面を顕微鏡で視認することによって、界面における剥離の有無を観察した。界面における剥離の有無を表1にまとめて示す。
(Peeling at the interface)
About each sample, the cross section of the interface of an interconnector and an intermediate | middle layer was visually observed with the microscope, and the presence or absence of peeling in an interface was observed. Table 1 summarizes the presence or absence of peeling at the interface.
表1に示すように、インターコネクタにおけるFeの平均含有率を0mol%より大きく7.8mol%以下とし、かつ、中間層におけるFeの平均含有率を0mol%より大きく19mol%以下とすることによって、6Ω・cm2以下の良好な面積抵抗を得られることがわかった。 As shown in Table 1, by making the average content of Fe in the interconnector greater than 0 mol% and 7.8 mol% or less, and by making the average content of Fe in the intermediate layer greater than 0 mol% and 19 mol% or less, It was found that a good sheet resistance of 6 Ω · cm 2 or less can be obtained.
また、表1に示すように、インターコネクタと中間層との接合割合を20%〜85%に制御することによって、界面における剥離を抑制できることが確認された。 Moreover, as shown in Table 1, it was confirmed that peeling at the interface can be suppressed by controlling the joining ratio of the interconnector and the intermediate layer to 20% to 85%.
1 横縞型固体酸化物型燃料電池
2 支持基板
31 燃料極集電層
32 燃料極活性層
4 固体電解質層
5 バリア層
6 空気極
7 中間層
8 インターコネクタ
9 集電層
11 第1セル
12 第2セル
21 流路
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記導電性支持部材と共焼成され、クロマイト系材料とFeとを含むインターコネクタと、を備え、
前記導電性支持部材におけるFeの平均含有率は、前記インターコネクタにおけるFeの平均含有率よりも高く、
前記導電性支持部材におけるFeの平均含有率は、0mol%より大きく19mol%以下であり、
前記インターコネクタにおけるFeの平均含有率は、0mol%より大きく7.8mol%以下である、
固体酸化物型燃料電池。 A conductive support member containing Ni and Fe;
An interconnector that is co-fired with the conductive support member and includes a chromite-based material and Fe,
The average content of Fe in the conductive support member is higher than the average content of Fe in the interconnector,
The average content of Fe in the conductive support member is greater than 0 mol% and less than or equal to 19 mol%,
The average content of Fe in the interconnector, Ru der from greater than 0 mol% 7.8 mol%,
Solid oxide fuel cell.
空気極と、
前記燃料極及び前記空気極の間に配置される固体電解質層と、を備え、
前記導電性支持部材は、前記インターコネクタの前記燃料極側に電気的に接続されている、
請求項1に記載の固体酸化物型燃料電池。 An anode,
The air electrode,
A solid electrolyte layer disposed between the fuel electrode and the air electrode,
The conductive support member is electrically connected to the fuel electrode side of the interconnector.
The solid oxide fuel cell according to claim 1.
請求項2に記載の固体酸化物型燃料電池。 The conductive support member is the fuel electrode.
The solid oxide fuel cell according to claim 2.
前記導電性支持部材は、前記中間層である、
請求項2に記載の固体酸化物型燃料電池。 An intermediate layer formed between the fuel electrode and the interconnector;
The conductive support member is the intermediate layer.
The solid oxide fuel cell according to claim 2.
前記発電部と前記インターコネクタとを支持する支持体と、を備え、
前記導電性支持部材は、前記支持体である、
請求項1乃至4のいずれかに記載の固体酸化物型燃料電池。 A power generation unit having a fuel electrode, an air electrode, and a solid electrolyte layer disposed between the fuel electrode and the air electrode;
A support that supports the power generation unit and the interconnector,
The conductive support member is the support.
The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 4.
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