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JP6275561B2 - BODY, BODY MANUFACTURING METHOD, SOLID OXIDE FUEL CELL, AND WATER ELECTROLYTIC DEVICE - Google Patents

BODY, BODY MANUFACTURING METHOD, SOLID OXIDE FUEL CELL, AND WATER ELECTROLYTIC DEVICE Download PDF

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JP6275561B2 JP2014124164A JP2014124164A JP6275561B2 JP 6275561 B2 JP6275561 B2 JP 6275561B2 JP 2014124164 A JP2014124164 A JP 2014124164A JP 2014124164 A JP2014124164 A JP 2014124164A JP 6275561 B2 JP6275561 B2 JP 6275561B2
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Description

この発明は、接合体、接合体の製造方法、固体酸化物形燃料電池、及び水電解装置に関する。   The present invention relates to a joined body, a manufacturing method of the joined body, a solid oxide fuel cell, and a water electrolysis apparatus.

従来、燃料電池として、固体電解質を用いた固体酸化物形燃料電池が知られている。固体酸化物形燃料電池では、通常、固体電解質層と燃料極と空気極とを備えた固体酸化物形燃料電池セル(単セルと称することもある。)を複数個使用している。つまり、多数の単セルによりスタックを形成し、燃料極に燃料ガスを供給するとともに、空気極に酸化剤ガスを供給し、燃料ガス中の例えば水素と酸化剤ガス中の例えば酸素とを固体電解質層を介して化学反応させることによって電力を発生させる。   Conventionally, a solid oxide fuel cell using a solid electrolyte is known as a fuel cell. In a solid oxide fuel cell, a plurality of solid oxide fuel cells (sometimes referred to as single cells) each including a solid electrolyte layer, a fuel electrode, and an air electrode are usually used. In other words, a stack is formed by a large number of single cells, fuel gas is supplied to the fuel electrode, oxidant gas is supplied to the air electrode, and for example hydrogen in the fuel gas and oxygen in the oxidant gas, for example, are solid electrolytes. Electric power is generated by chemical reaction through the layers.

例えば、平板型の固体酸化物形燃料電池では、複数の単セルがインターコネクタを介して積層され、スタックを形成している。各単セルの空気極及び燃料極とインターコネクタとは、集電部を介して電気的に接続されている。また、空気極と集電部とは接合剤(接合層と称することもある)により電気的に接続されている。接合剤としては、Pt、Ag等の金属材料、及び導電性セラミック等が用いられる。   For example, in a flat type solid oxide fuel cell, a plurality of single cells are stacked via an interconnector to form a stack. The air electrode and fuel electrode of each single cell and the interconnector are electrically connected via a current collector. The air electrode and the current collector are electrically connected by a bonding agent (sometimes referred to as a bonding layer). As the bonding agent, metal materials such as Pt and Ag, and conductive ceramics are used.

例えば、特許文献1には、スピネル型結晶構造を有する遷移金属酸化物を含む接合剤について開示され、「出発原料としてスピネル系材料を構成する各金属元素の粉末が使用され、この粉末が焼成時に酸化されることで、スピネル系材料を有する接合剤300が形成され・・ペーストが十分に焼き締まるのは、各金属元素の粉末の酸化反応(=発熱反応)に起因して発生する熱により粉末表面の温度が局所的に上昇してスピネル型結晶(複合酸化物の結晶)が合成・成長していくことに基づくと考えられる」(段落番号0034欄)と記載されている。   For example, Patent Document 1 discloses a bonding agent including a transition metal oxide having a spinel crystal structure, and “a powder of each metal element constituting a spinel-based material is used as a starting material, and this powder is used during firing. By being oxidized, the bonding agent 300 having a spinel material is formed. The paste is sufficiently baked down because of the heat generated due to the oxidation reaction (= exothermic reaction) of the powder of each metal element. It is considered that this is based on the fact that the surface temperature rises locally and spinel crystals (composite oxide crystals) are synthesized and grown "(paragraph number 0034).

特開2011−108621号公報JP 2011-108621 A

ところで、特許文献1に代表される接合剤が固体酸化物形燃料電池における空気極と集電部との接合に用いられる場合に、空気極と集電部との間における初期の電気的接続だけでなく、長期間にわたって電気的接続が低下しないことが望まれる。しかし、特許文献1に記載の接合剤を用いた場合、空気極から集電部に向かう方向の接合剤の厚みが減少し、空気極と集電部との間における電気的接続が低下することが発明者らの研究により明らかとなった。これは、固体電解質形燃料電池の運転により、接合剤の焼結が進行することによるものだと考えられる。   By the way, when the bonding agent represented by Patent Document 1 is used for bonding the air electrode and the current collector in the solid oxide fuel cell, only the initial electrical connection between the air electrode and the current collector is used. In addition, it is desirable that the electrical connection does not decrease over a long period of time. However, when the bonding agent described in Patent Document 1 is used, the thickness of the bonding agent in the direction from the air electrode toward the current collector decreases, and the electrical connection between the air electrode and the current collector decreases. Became clear by the inventors' research. This is considered to be due to the progress of sintering of the bonding agent by the operation of the solid oxide fuel cell.

本発明は、長期間にわたって空気極と集電部との間の電気的接続を維持することのできる接合体、前記接合体の製造方法、前記接合体を備えた固体酸化物形燃料電池、及び前記接合体を備えた水電解装置を提供することを目的とする。   The present invention provides a joined body capable of maintaining an electrical connection between an air electrode and a current collector over a long period of time, a method for producing the joined body, a solid oxide fuel cell including the joined body, and It aims at providing the water electrolysis apparatus provided with the said joined_body | zygote.

前記課題を解決するための手段は、
(1) 固体電解質層と、この固体電解質層の一方の面に形成された燃料極と、前記固体電解質層の他方の面に形成された空気極とを有し、前記空気極と集電部とが接合層で接合された接合体であって、
前記接合層は、コア部と導電性スピネル型酸化物を含む表面層とを有するコア内包粒子を含み、前記コア内包粒子が前記空気極と前記集電部とを導通可能に配置されていることを特徴とする接合体である。
Means for solving the problems are as follows:
(1) A solid electrolyte layer, a fuel electrode formed on one surface of the solid electrolyte layer, and an air electrode formed on the other surface of the solid electrolyte layer, the air electrode and the current collector Is a joined body joined by a joining layer,
The bonding layer includes a core inclusion particle having a core portion and a surface layer containing a conductive spinel oxide, and the core inclusion particle is disposed so as to allow conduction between the air electrode and the current collector. It is the joined body characterized by.

前記(1)の好ましい態様は、
(2) 前記コア内包粒子は、前記接合層と前記空気極との界面から前記接合層と前記集電部との界面まで延在するコア内包粗大粒子を含む前記(1)に記載の接合体である。
(3) 前記接合層は、前記コア内包粒子同士の間の領域が多孔質である前記(1)又は前記(2)に記載の接合体である。
A preferred embodiment of (1) is as follows:
(2) The joined body according to (1), wherein the core-encapsulating particles include coarse core-encapsulating particles that extend from an interface between the joining layer and the air electrode to an interface between the joining layer and the current collector. It is.
(3) The bonding layer is the bonded body according to (1) or (2), in which a region between the core-encapsulating particles is porous.

前記別の課題を解決するための手段は、
(4) 固体電解質層と、この固体電解質層の一方の面に形成された燃料極と、前記固体電解質層の他方の面に形成された空気極とを有し、前記空気極と集電部とが接合層で接合された接合体の製造方法であって、
金属の粗粉末と金属の微粉末とを含む接合ペーストを前記空気極と前記集電部との間に配置して加熱する接合工程を含み、
前記粗粉末の金属及び前記微粉末の金属は酸素と反応して導電性スピネル型酸化物を形成可能な金属であり、前記粗粉末のメジアン径が前記微粉末のメジアン径よりも大きいことを特徴とする接合体の製造方法である。
Means for solving the another problem is as follows.
(4) a solid electrolyte layer, a fuel electrode formed on one surface of the solid electrolyte layer, and an air electrode formed on the other surface of the solid electrolyte layer, the air electrode and the current collector Is a method of manufacturing a joined body joined by a joining layer,
Including a joining step of placing and heating a joining paste containing a coarse metal powder and a fine metal powder between the air electrode and the current collector,
The coarse powder metal and the fine powder metal are metals that can react with oxygen to form a conductive spinel oxide, and the median diameter of the coarse powder is larger than the median diameter of the fine powder. This is a manufacturing method of the joined body.

前記別の課題を解決するための手段は、
(5) 前記(1)〜前記(3)のいずれか一つに記載の接合体を備えた固体酸化物形燃料電池である。
Means for solving the another problem is as follows.
(5) A solid oxide fuel cell comprising the joined body according to any one of (1) to (3).

前記別の課題を解決するための手段は、
(6) 前記(1)〜前記(3)のいずれか一つに記載の接合体を備えた水電解装置である。
Means for solving the another problem is as follows.
(6) A water electrolysis apparatus including the joined body according to any one of (1) to (3).

本発明における接合層は、コア部と表面層とを有するコア内包粒子を含み、これらのコア内包粒子は空気極と集電部とを導通可能に配置されている。前記コア内包粒子は、例えば、接合層と空気極との界面から接合層と集電部との界面まで複数のコア内包粒子が互いに接するように連続して配置されている状態、及び/又は、接合層と空気極との界面から接合層と集電部との界面まで延在する一つのコア内包粗大粒子が配置されている状態にある。コア内包粒子は接合層の焼結によって、その体積を大きく変えることがない。よって、空気極と集電部との間の接続が長期間にわたって維持される。また、前記表面層は導電性スピネル型酸化物を含有するので導電性を有する。したがって、接合層ではコア内包粒子のコア部を覆う表面層が電流の流れる流路となるので、空気極と集電部との間は電気的に接続される。   The bonding layer in the present invention includes core inclusion particles having a core portion and a surface layer, and these core inclusion particles are arranged so that the air electrode and the current collection portion can be conducted. The core-encapsulated particles are, for example, continuously disposed so that a plurality of core-encapsulated particles are in contact with each other from the interface between the bonding layer and the air electrode to the interface between the bonding layer and the current collector, and / or One core-encapsulated coarse particle extending from the interface between the bonding layer and the air electrode to the interface between the bonding layer and the current collector is disposed. The volume of the core-encapsulated particles is not greatly changed by sintering the bonding layer. Therefore, the connection between the air electrode and the current collector is maintained for a long period. The surface layer has conductivity because it contains a conductive spinel oxide. Therefore, in the bonding layer, the surface layer covering the core portion of the core-encapsulating particles serves as a flow path through which current flows, so that the air electrode and the current collector are electrically connected.

コア部と表面層とを有するコア内包粒子は、金属の粗粉末と金属の微粉末とを含む接合ペーストを空気極と集電部との間に配置して加熱することにより製造されることができる。コア内包粒子の表面層は前記粗粉末の表面部分と前記微粉末とが反応して形成された部分であり、コア部は前記粗粉末が前記微粉末と反応していない部分である。したがって、コア内包粒子の大きさは、接合ペーストに含まれる粗粉末の大きさに依存し、このコア内包粒子が接合層における支柱のような役割を果たすので、接合ペーストに対する接合層の厚みはほとんど変化がなく、厚みが減少したとしてもその減少量が小さい。なお、本明細書における接合ペースト及び接合層の厚みは、燃料極と固体電解質層と空気極とからなる単セル同士が対向する方向の接合ペースト及び接合層の長さをいう。   Core-encapsulated particles having a core part and a surface layer can be produced by placing and heating a bonding paste containing a coarse metal powder and a fine metal powder between an air electrode and a current collecting part. it can. The surface layer of the core-encapsulated particles is a portion formed by the reaction of the surface portion of the coarse powder and the fine powder, and the core portion is a portion where the coarse powder does not react with the fine powder. Therefore, the size of the core-encapsulating particles depends on the size of the coarse powder contained in the bonding paste, and the core-encapsulating particles act like a support in the bonding layer. Even if there is no change and the thickness is reduced, the reduction amount is small. In addition, the thickness of the bonding paste and the bonding layer in the present specification refers to the length of the bonding paste and the bonding layer in the direction in which the single cells including the fuel electrode, the solid electrolyte layer, and the air electrode face each other.

接合ペーストに対する接合層の厚みの減少量が大きいと、複数の接合体を用いて固体酸化物形燃料電池スタックを形成する場合、空気極と接合層と集電部との間の互いの接触圧が小さくなり、これらの界面で剥離し易くなってしまう。特に、接合体を複数積層して接合体の積層方向に所定の圧力で締付けた状態で加熱して固体酸化物形燃料電池スタックを形成する場合に、積層方向の締付け力が緩み、空気極と接合層と集電部との間の互いの接触圧が小さくなり、これらの界面での剥離が顕著である。一方、本発明における接合層の厚みは、接合ペーストの厚みに対してほとんど変化がなく、また、固体酸化物形燃料電池スタックを長期間にわたって通常運転した後においても、接合層の厚みにほとんど変化がない。したがって、空気極と接合層と集電部との間の互いの接触圧が維持されるので、これらの界面で剥離し難く、長期間にわたって電気的接続を確保できる。   When the decrease in the thickness of the bonding layer relative to the bonding paste is large, when a solid oxide fuel cell stack is formed using a plurality of bonded bodies, the contact pressure between the air electrode, the bonding layer, and the current collector is mutually. Becomes small, and it becomes easy to peel off at these interfaces. In particular, when a solid oxide fuel cell stack is formed by laminating a plurality of assemblies and heating them in a state of being clamped at a predetermined pressure in the stacking direction of the assemblies, the tightening force in the stacking direction is loosened, The contact pressure between the bonding layer and the current collector is reduced, and peeling at these interfaces is remarkable. On the other hand, the thickness of the bonding layer in the present invention has almost no change with respect to the thickness of the bonding paste, and even after the solid oxide fuel cell stack is normally operated over a long period of time, the thickness of the bonding layer changes little. There is no. Therefore, since the mutual contact pressure among the air electrode, the bonding layer, and the current collector is maintained, it is difficult to peel off at these interfaces, and electrical connection can be ensured over a long period of time.

よって、本発明に係る接合体、この接合体を備えた固体酸化物形燃料電池、及び水電解装置は、長期間にわたって電気的接続を維持することができる。また、本発明に係る接合体の製造方法は、長期間にわたって電気的接続を維持することのできる接合体を製造することができる。   Therefore, the joined body according to the present invention, the solid oxide fuel cell including the joined body, and the water electrolysis device can maintain electrical connection for a long period of time. Moreover, the manufacturing method of the conjugate | zygote which concerns on this invention can manufacture the conjugate | zygote which can maintain an electrical connection over a long period of time.

また、本発明における接合層は、多孔質である領域を有する。したがって、接合層と空気極との界面において、多孔質である空気極の空隙を接合層によって閉塞してしまうことがなく、接合層においても酸化剤ガスの通気性が確保され、酸化剤ガスを空気極に十分に供給することができる。   Further, the bonding layer in the present invention has a porous region. Therefore, the air gap of the porous air electrode is not blocked by the bonding layer at the interface between the bonding layer and the air electrode, and the air permeability of the oxidant gas is secured in the bonding layer, and the oxidant gas is The air electrode can be sufficiently supplied.

図1は、本発明の固体酸化物形燃料電池における固体酸化物形燃料電池スタックの一例を示す斜視概略説明図である。FIG. 1 is a schematic perspective view showing an example of a solid oxide fuel cell stack in a solid oxide fuel cell of the present invention. 図2は、図1に示す固体酸化物形燃料電池スタックのX−X断面を示す断面概略説明図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional explanatory view showing an XX cross section of the solid oxide fuel cell stack shown in FIG. 図3は、図2に示す固体酸化物形燃料電池スタックにおける接合体を拡大して示す要部断面概略説明図である。FIG. 3 is an enlarged schematic cross-sectional view of a relevant part showing a joined body in the solid oxide fuel cell stack shown in FIG. 図4は、図3に示す接合体における接合層を拡大して示す要部断面概略説明図である。FIG. 4 is a cross-sectional schematic explanatory diagram showing an enlarged view of a bonding layer in the bonded body shown in FIG. 図5は、本発明の固体酸化物形燃料電池における固体酸化物形燃料電池スタックの別の一例を示す断面概略説明図である。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing another example of the solid oxide fuel cell stack in the solid oxide fuel cell of the present invention. 図6は、本発明の固体酸化物形燃料電池における固体酸化物形燃料電池スタックのさらに別の一例を示す断面概略説明図である。FIG. 6 is a schematic cross-sectional explanatory view showing still another example of the solid oxide fuel cell stack in the solid oxide fuel cell of the present invention. 図7は、実施例1のサンプルの切断面をSEMで撮影した画像である。FIG. 7 is an image obtained by photographing the cut surface of the sample of Example 1 with an SEM. 図8は、実施例1のサンプルの切断面をEPMAで撮影した画像とマッピング分析をした図である。図8(a)は切断面をEPMAで撮影した画像であり、図8(b)は切断面におけるCuの濃度を示す図であり、図8(c)は切断面におけるMnの濃度を示す図であり、図8(d)は切断面における酸素(O)の濃度を示す図である。FIG. 8 is a diagram obtained by mapping analysis with an image obtained by photographing the cut surface of the sample of Example 1 with EPMA. 8A is an image obtained by photographing the cut surface with EPMA, FIG. 8B is a diagram showing the concentration of Cu on the cut surface, and FIG. 8C is a diagram showing the concentration of Mn on the cut surface. FIG. 8D is a diagram showing the concentration of oxygen (O) on the cut surface.

この発明に係る固体酸化物形燃料電池の一実施態様について図1〜図3を参照しつつ説明する。固体酸化物形燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスとの供給を受けて発電を行う装置である。図1において示された固体酸化物形燃料電池スタック100は、発電単位である板状の単セル1が直列に複数積層されることによって形成される。図2に示されるように、単セル1を積層する際には、単セル1にセパレータ51を接合し、このセパレータ51を介して単セル1が積層される。また、単セル1と単セル1との間にはインターコネクタ5が設けられ、単セル1の積層方向の両側には、エンドプレート52及び53が設けられる。図1に示されるように、単セル1の積層方向に、エンドプレート52及び53を貫くように、4つの柱状の固定部材12〜15が、単セル1に接合されたセパレータ51の横断面の略矩形における4つの角に、1つずつ設けられる。また、隣り合う固定部材12〜15と固定部材12〜15との間において、単セル1の積層方向に、中空柱状の燃料ガス導入管16、燃料ガス導出管17、酸化剤ガス導入管18、及び酸化剤ガス導出管19が設けられる。固体酸化物形燃料電池スタック100は、その他の機器等と共に、収納容器に収められることにより、発電が可能な固体酸化物形燃料電池を形成する(図示なし)。収納容器は、固体酸化物形燃料電池スタック100の発電性能を損なわない限りにおいて、従来公知の容器を用いることができる。   An embodiment of the solid oxide fuel cell according to the present invention will be described with reference to FIGS. A solid oxide fuel cell is a device that generates power by receiving supply of fuel gas and oxidant gas. The solid oxide fuel cell stack 100 shown in FIG. 1 is formed by stacking a plurality of plate-like single cells 1 as power generation units in series. As shown in FIG. 2, when the single cells 1 are stacked, the separators 51 are joined to the single cells 1, and the single cells 1 are stacked via the separators 51. Further, an interconnector 5 is provided between the single cells 1 and the end cells 52 and 53 are provided on both sides in the stacking direction of the single cells 1. As shown in FIG. 1, four columnar fixing members 12 to 15 are arranged in a cross section of the separator 51 joined to the single cell 1 so as to penetrate the end plates 52 and 53 in the stacking direction of the single cell 1. One is provided at each of the four corners of the substantially rectangular shape. Further, between the adjacent fixing members 12 to 15 and the fixing members 12 to 15, a hollow columnar fuel gas introduction pipe 16, a fuel gas outlet pipe 17, an oxidant gas introduction pipe 18, in the stacking direction of the single cells 1, And an oxidant gas outlet pipe 19 is provided. The solid oxide fuel cell stack 100 together with other devices forms a solid oxide fuel cell capable of generating electric power by being housed in a storage container (not shown). As long as the storage container does not impair the power generation performance of the solid oxide fuel cell stack 100, a conventionally known container can be used.

前記固体酸化物形燃料電池スタック100は、固定部材12〜15、燃料ガス導入管16、燃料ガス導出管17、酸化剤ガス導入管18、及び酸化剤ガス導出管19において、それぞれ、例えばナットのような締付部材を用いて、エンドプレート52及び53に押圧力を加えることによって、複数の単セル1の積層体が一体化されている。燃料ガス導入管16、燃料ガス導出管17、酸化剤ガス導入管18、及び酸化剤ガス導出管19は、ガスの導出入の機能に加えて、前記固定部材12〜15と同様に、複数の単セル1の積層体を一体化する機能をも有する。   The solid oxide fuel cell stack 100 includes a fixing member 12 to 15, a fuel gas introduction pipe 16, a fuel gas outlet pipe 17, an oxidant gas introduction pipe 18, and an oxidant gas outlet pipe 19. The laminated body of the several single cell 1 is integrated by applying pressing force to the end plates 52 and 53 using such a fastening member. The fuel gas introduction pipe 16, the fuel gas lead-out pipe 17, the oxidant gas lead-in pipe 18, and the oxidant gas lead-out pipe 19 have a plurality of the same as the fixing members 12 to 15 in addition to the gas lead-in / out function. It also has a function of integrating the laminated body of the single cells 1.

図3に示されるように、単セル1は、固体電解質層2と前記固体電解質層2の一方の面に形成された燃料極3と前記固体電解質層2の他方の面に形成された空気極4とを備える。この実施態様の固体酸化物形燃料電池における単セル1は、方形板状体であるが、その形状は特に限定されず、円盤状体であってもよい。前記空気極4とインターコネクタ5との間には集電部6が設けられ、接合層7を介して空気極4と集電部6とが接合されている。この発明に係る接合体11は、単セル1と接合層7と集電部6とを有する。   As shown in FIG. 3, the unit cell 1 includes a solid electrolyte layer 2, a fuel electrode 3 formed on one surface of the solid electrolyte layer 2, and an air electrode formed on the other surface of the solid electrolyte layer 2. 4. The single cell 1 in the solid oxide fuel cell of this embodiment is a rectangular plate, but the shape is not particularly limited, and may be a disk. A current collector 6 is provided between the air electrode 4 and the interconnector 5, and the air electrode 4 and the current collector 6 are joined via a joining layer 7. A joined body 11 according to the present invention includes a single cell 1, a joining layer 7, and a current collector 6.

前記固体電解質層2は、固体酸化物形燃料電池の運転時に、空気極4に導入される酸化剤ガスをイオンとして移動させることができるイオン電導性を有する。固体電解質層2は、例えば、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)、スカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)、サマリア添加セリア(SDC)、及びガドリア添加セリア(GDC)等の少なくとも一種により形成されることができる。   The solid electrolyte layer 2 has ion conductivity capable of moving the oxidant gas introduced into the air electrode 4 as ions during operation of the solid oxide fuel cell. The solid electrolyte layer 2 can be formed of at least one of yttria-stabilized zirconia (YSZ), scandia-stabilized zirconia (ScSZ), samaria-added ceria (SDC), gadria-added ceria (GDC), and the like.

前記燃料極3は、固体電解質層2の空気極4が形成されている面とは反対側の面に形成されている。燃料極3は、水素ガス等の燃料ガスと接触して燃料電池におけるアノードとして機能する限り、その構造及び材料等は特に限定されない。燃料極3は、多孔質構造を有し、燃料ガスが通過できるように形成されている。燃料極3を形成する材料としては、例えば、Ni及びFe等の金属とY及びSc等の希土類元素のうちの少なくとも一種により安定化されたジルコニア等のジルコニア系セラミック等が挙げられる。   The fuel electrode 3 is formed on the surface of the solid electrolyte layer 2 opposite to the surface on which the air electrode 4 is formed. As long as the fuel electrode 3 is in contact with a fuel gas such as hydrogen gas and functions as an anode in the fuel cell, the structure and material thereof are not particularly limited. The fuel electrode 3 has a porous structure and is formed so that fuel gas can pass therethrough. Examples of the material forming the fuel electrode 3 include zirconia ceramics such as zirconia stabilized by at least one of metals such as Ni and Fe and rare earth elements such as Y and Sc.

前記空気極4は、固体電解質層2の燃料極3が形成されている面とは反対側の面に形成されている。前記空気極4は、空気等の酸化剤ガスと接触して燃料電池におけるカソードとして機能する限り、その構造及び材料等は特に限定されない。空気極4は、多孔質構造を有し、酸化剤ガスが通過できるように形成されている。空気極4を形成する材料としては、例えば、金属、金属の酸化物、金属の複合酸化物等を挙げることができる。金属としては、Pt、Au、Ag、Pd、Ir、Ru、Ru等の金属及び2種以上の金属を含有する合金等が挙げられる。金属の酸化物としては、La、Sr、Ce、Co、Mn、Fe等の酸化物、例えば、La、SrO、Ce、Co、MnO、FeO等が挙げられる。複合酸化物としては、La、Pr、Sm、Sr、Ba、Co、Fe、Mn等のうちの少なくとも1種を含有する複合酸化物、例えば、La1−xSrCoO系複合酸化物(LSC)、La1−xSrFeO系複合酸化物(LSF)、La1−xSrCo1−yFe系複合酸化物(LSCF)、La1−xSrMnO系複合酸化物、Pr1−xBaCoO系複合酸化物(PBC)、Sm1−xSrCoO系複合酸化物(SSC)等が挙げられる。前記空気極4は、例えば前述した材料からなる複数の層により形成されてもよい。前記空気極4の厚さは、30μm以上100μm以下であることが好ましい。 The air electrode 4 is formed on the surface of the solid electrolyte layer 2 opposite to the surface on which the fuel electrode 3 is formed. The structure and material of the air electrode 4 are not particularly limited as long as the air electrode 4 is in contact with an oxidant gas such as air and functions as a cathode in the fuel cell. The air electrode 4 has a porous structure and is formed so that an oxidant gas can pass therethrough. Examples of the material for forming the air electrode 4 include metals, metal oxides, metal composite oxides, and the like. Examples of the metal include metals such as Pt, Au, Ag, Pd, Ir, Ru, Ru, and alloys containing two or more metals. Examples of the metal oxide include oxides such as La, Sr, Ce, Co, Mn, and Fe, such as La 2 O 3 , SrO, Ce 2 O 3 , Co 2 O 3 , MnO 2 , and FeO. . As the composite oxide, a composite oxide containing at least one of La, Pr, Sm, Sr, Ba, Co, Fe, Mn, etc., for example, a La 1-x Sr x CoO 3 based composite oxide ( LSC), La 1-x Sr x FeO 3 composite oxide (LSF), La 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3 composite oxide (LSCF), La 1-x Sr x MnO 3 system Examples include composite oxides, Pr 1-x Ba x CoO 3 composite oxides (PBC), and Sm 1-x Sr x CoO 3 composite oxides (SSC). The air electrode 4 may be formed of a plurality of layers made of the above-described materials, for example. The thickness of the air electrode 4 is preferably 30 μm or more and 100 μm or less.

前記セパレータ51は、単セル1の周囲に設けられる。図1に示されるように、固体酸化物形燃料電池スタック100の横断面の外形が矩形である場合、セパレータ51は、固体酸化物形燃料電池スタック100の横断面において示される矩形の4辺に沿って枠板状に形成される。セパレータ51は、燃料ガスが流通する燃料ガス室31と酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス室41とを隔てるように設けられる。セパレータ51は、例えば、SUS430等のステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金、導電性セラミック等により形成される。   The separator 51 is provided around the single cell 1. As shown in FIG. 1, when the outer shape of the cross section of the solid oxide fuel cell stack 100 is rectangular, the separator 51 is placed on four sides of the rectangle shown in the cross section of the solid oxide fuel cell stack 100. It is formed in a frame plate shape along. The separator 51 is provided so as to separate the fuel gas chamber 31 through which the fuel gas flows and the oxidant gas chamber 41 through which the oxidant gas flows. The separator 51 is made of, for example, stainless steel such as SUS430, nickel base alloy, chromium base alloy, conductive ceramic, or the like.

前記インターコネクタ5は、板状体であり、隣接する単セル1の間に設けられ、単セル1で発生した電流を外部回路へ取り出す機能を有する。インターコネクタ5は、セパレータ51と同様の材料により形成される。   The interconnector 5 is a plate-like body, and is provided between the adjacent single cells 1 and has a function of taking out the current generated in the single cells 1 to an external circuit. The interconnector 5 is formed of the same material as the separator 51.

前記集電部6,8は、空気極4とインターコネクタ5とを電気的に接続する空気極4側の集電部6と、燃料極3とインターコネクタ5とを電気的に接続する燃料極3側の集電部8とを有する。前記集電部6,8は、空気極4及び燃料極3それぞれとインターコネクタ5との間に設けられ、両者を電気的に接続することができる限り、その構造及び材料等は特に限定されない。前記集電部6,8は、空気極4又は燃料極3における一方の面の少なくとも一部に接合可能な形状を有し、そのような形状として、例えば、積層方向に直交する方向から見てインターコネクタ5と接合された状態で櫛形であり、積層方向から見て複数の方形体が所定の間隔をあけて整列された碁盤目状、及び積層方向に直交する方向から見て波型である波付板形状等が挙げられる。前記集電部6,8は、インターコネクタ5と同一の材料により一体に形成されていてもよいし、またインターコネクタ5とは異なる導電性材料により形成されて、ろう材等によりインターコネクタ5に接合されていてもよい。前記集電部6,8は、各部材の熱膨張率の差によって生じる応力を緩和するために、多孔質構造を有する、金属発泡体、金属フェルト、金属メッシュ、導電性セラミック多孔体等により形成されるのが好ましい。   The current collectors 6 and 8 include a current collector 6 on the air electrode 4 side that electrically connects the air electrode 4 and the interconnector 5, and a fuel electrode that electrically connects the fuel electrode 3 and the interconnector 5. And a three-side current collector 8. The current collectors 6 and 8 are provided between the air electrode 4 and the fuel electrode 3 and the interconnector 5, and the structure and material thereof are not particularly limited as long as they can be electrically connected. The current collectors 6, 8 have a shape that can be joined to at least a part of one surface of the air electrode 4 or the fuel electrode 3, and as such a shape, for example, viewed from a direction orthogonal to the stacking direction It is comb-shaped in a state where it is joined to the interconnector 5, and has a grid shape in which a plurality of rectangular bodies are aligned at a predetermined interval when viewed from the stacking direction, and is corrugated when viewed from a direction orthogonal to the stacking direction. Examples include corrugated plate shapes. The current collectors 6, 8 may be integrally formed of the same material as the interconnector 5, or may be formed of a conductive material different from the interconnector 5, and may be connected to the interconnector 5 by a brazing material or the like. It may be joined. The current collectors 6 and 8 are formed of a metal foam, metal felt, metal mesh, conductive ceramic porous body, etc. having a porous structure in order to relieve stress caused by the difference in thermal expansion coefficient of each member. Preferably it is done.

空気極4側の集電部6と燃料極3側の集電部8とは、同一の構造及び同一の材料により形成されてもよいし、互いに異なっていてもよい。図3に示すように、空気極4側の集電部6は、例えば、インターコネクタ5の一方の面から突出する複数の凸部を形成し、インターコネクタ5の一方の面に、複数の方形体が所定の間隔をあけて碁盤目状に整列するように設けられ、凸部と凸部との間の凹部を酸化剤ガスが流通するように形成される。燃料極3側の集電部8は、インターコネクタ5における空気極4側の集電部6が設けられている側とは反対側に、空気極4側の集電部6と同様に、複数の方形体が所定の間隔をあけて碁盤目状に整列するように設けられ、凹部を燃料ガスが流通するように形成される。   The current collector 6 on the air electrode 4 side and the current collector 8 on the fuel electrode 3 side may be formed of the same structure and the same material, or may be different from each other. As shown in FIG. 3, the current collector 6 on the air electrode 4 side has, for example, a plurality of protrusions protruding from one surface of the interconnector 5, and a plurality of ones are formed on one surface of the interconnector 5. Forms are provided so as to be arranged in a grid pattern with a predetermined interval, and are formed so that an oxidant gas flows through a concave portion between the convex portions. As with the current collector 6 on the air electrode 4 side, a plurality of current collectors 8 on the fuel electrode 3 side are provided on the opposite side of the interconnector 5 from the side on which the current collector 6 on the air electrode 4 side is provided. The rectangular bodies are provided so as to be arranged in a grid pattern at a predetermined interval, and are formed so that fuel gas flows through the recesses.

前記燃料極3と前記燃料極3側の集電部8とは、燃料極3側の接合層7’により接合され、両者は電気的に接続されている。燃料極3側の接合層7’は、導電性材料により形成され、導電性材料としては、例えば、Ni等の金属、導電性セラミック等が挙げられる。   The fuel electrode 3 and the current collector 8 on the fuel electrode 3 side are joined by a joining layer 7 ′ on the fuel electrode 3 side, and both are electrically connected. The joining layer 7 ′ on the fuel electrode 3 side is formed of a conductive material, and examples of the conductive material include metals such as Ni and conductive ceramics.

前記空気極4と前記空気極4側の集電部6(以下、単に集電部と称することもある)とは、空気極4側の接合層7(以下、単に接合層と称することもある)により接合され、両者は電気的に接続され、空気極4と集電部6との対向する面の少なくとも一部に接合層7が介在している。   The air electrode 4 and the current collector 6 on the air electrode 4 side (hereinafter also simply referred to as a current collector) may be referred to as a bonding layer 7 on the air electrode 4 side (hereinafter simply referred to as a bonding layer). The two are electrically connected to each other, and the bonding layer 7 is interposed on at least a part of the facing surfaces of the air electrode 4 and the current collector 6.

以下において、この発明に係る接合体11の特徴部分である、前記空気極4と前記集電部6とを接合する接合層7について詳細に説明する。図4は、図3に示す接合体における接合層を拡大して示す要部断面概略説明図である。   Below, the joining layer 7 which joins the said air electrode 4 and the said current collection part 6 which is the characteristic part of the conjugate | zygote 11 concerning this invention is demonstrated in detail. FIG. 4 is a cross-sectional schematic explanatory diagram showing an enlarged view of a bonding layer in the bonded body shown in FIG.

前記接合層7は、コア部22と該コア部22を覆う導電性スピネル型酸化物を含む表面層23とを有するコア内包粒子21を含み、前記コア内包粒子21が前記空気極4と前記集電部6とを導通可能に配置されている。図4に示すように、前記接合層7に含まれるコア内包粒子21は、接合層7と空気極4との界面9から接合層7と集電部6との界面10まで、複数のコア内包粒子21bが互いに接するように連続して配置されている状態にあってもよいし、接合層7と空気極4との界面9から接合層7と集電部6との界面10まで延在する一つのコア内包粗大粒子21aが配置されている状態にあってもよい。前記コア内包粒子21は、表面層23が導電性を有するスピネル型結晶構造の酸化物を含むので、少なくとも表面層23は導電性を有する。したがって、複数のコア内包粒子21bが互いに接するように連続して配置されている部分では、複数のコア内包粒子21bの表面層23が電流の流路となって空気極4から集電部6まで電流が流れ、また、一つのコア内包粗大粒子21aが配置されている部分では、一つのコア内包粗大粒子21aの表面層23が電流の流路となって空気極4から集電部6まで電流が流れるので、空気極と集電部との間は電気的接続が確保される。   The bonding layer 7 includes a core inclusion particle 21 having a core portion 22 and a surface layer 23 containing a conductive spinel oxide covering the core portion 22, and the core inclusion particle 21 is connected to the air electrode 4 and the collector. It arrange | positions so that electrical connection with the electric part 6 is possible. As shown in FIG. 4, the core inclusion particles 21 included in the bonding layer 7 include a plurality of core inclusions from the interface 9 between the bonding layer 7 and the air electrode 4 to the interface 10 between the bonding layer 7 and the current collector 6. The particles 21 b may be continuously arranged so as to be in contact with each other, or extend from the interface 9 between the bonding layer 7 and the air electrode 4 to the interface 10 between the bonding layer 7 and the current collector 6. A single core-encapsulating coarse particle 21a may be in a state of being disposed. Since the core-encapsulated particles 21 include an oxide having a spinel crystal structure in which the surface layer 23 has conductivity, at least the surface layer 23 has conductivity. Therefore, in the portion where the plurality of core-encapsulated particles 21b are continuously arranged so as to be in contact with each other, the surface layer 23 of the plurality of core-encapsulated particles 21b serves as a current flow path from the air electrode 4 to the current collector 6. In the portion where the current flows and one core-encapsulated coarse particle 21 a is disposed, the surface layer 23 of the one core-encapsulated coarse particle 21 a serves as a current flow path from the air electrode 4 to the current collector 6. Therefore, electrical connection is ensured between the air electrode and the current collector.

前記接合層7は、接合層7を接合層7の厚み方向すなわち単セル1同士が対向する方向に切断したときの断面に現れるコア内包粒子21の接合層7の厚み方向の長さが、同じ断面における接合層7の厚みの6分の1以上であるコア内包粒子21を含むのが好ましく、3分の1以上であるコア内包粒子21を含むのがより好ましく、2分の1以上であるコア内包粒子21を含むのが特に好ましい。特に、前記接合層7に含まれるコア内包粒子21のほとんど全てが前記範囲の大きさを有し、例えば、90%以上のコア内包粒子が前記範囲の大きさを有するのが好ましい。また、前記コア内包粒子21は、接合層7の厚みと同じ長さを有するコア内包粒子を含むのが好ましい。すなわち、接合層7は、コア内包粗大粒子21aを含むのが好ましく、コア内包粗大粒子21aが接合層7内に分散して存在するのがより好ましい。例えば、接合層7の厚みが30μmである場合には、コア内包粒子21の接合層7の厚み方向の長さが5〜30μmの範囲にあるのが好ましく、コア内包粒子21の接合層7の厚み方向の長さが30μmのコア内包粗大粒子21aを少なくとも含むのが好ましい。   The bonding layer 7 has the same length in the thickness direction of the bonding layer 7 of the core inclusion particles 21 appearing in a cross section when the bonding layer 7 is cut in the thickness direction of the bonding layer 7, that is, the direction in which the single cells 1 face each other. It is preferable to include the core inclusion particle 21 that is one-sixth or more of the thickness of the bonding layer 7 in the cross section, and more preferably to include the core inclusion particle 21 that is one-third or more. The inclusion of the core-encapsulating particles 21 is particularly preferable. In particular, it is preferable that almost all of the core-encapsulated particles 21 included in the bonding layer 7 have a size in the above range, for example, 90% or more of the core-encapsulated particles have a size in the above range. The core inclusion particles 21 preferably include core inclusion particles having the same length as the thickness of the bonding layer 7. That is, the bonding layer 7 preferably includes the core-encapsulated coarse particles 21a, and more preferably the core-encapsulated coarse particles 21a are dispersed in the bonding layer 7. For example, when the thickness of the bonding layer 7 is 30 μm, the length in the thickness direction of the bonding layer 7 of the core inclusion particles 21 is preferably in the range of 5 to 30 μm. It is preferable to include at least the core-encapsulating coarse particles 21a having a length in the thickness direction of 30 μm.

前記接合層7に含まれるコア内包粒子21は、後述するように、金属の粗粉末と金属の微粉末とを含む接合ペーストを空気極4と集電部6との間に配置して加熱することにより形成されることができる。表面層23は前記粗粉末の表面部分と前記微粉末とが反応して形成された部分であり、コア部22は前記粗粉末が前記微粉末と反応していない部分である。したがって、コア内包粒子21の大きさは、接合ペーストに含まれる金属の粗粉末の大きさに依存する。金属の微粉末のみを含む接合ペーストにより接合層を形成すると、金属の微粉末が完全に反応焼結して緻密化され、接合層の厚みが接合ペーストの塗布層の厚みよりも減少する。一方、本発明における接合層7は、金属の粗粉末を含む接合ペーストにより形成され、コア部22を有するコア内包粒子21を含むから、このコア内包粒子21が支柱のような役割を果たし、接合ペーストに対して接合層7の厚みがほとんど変化しない。すなわち、空気極4と集電部6との間に配置された接合ペーストの厚みと、これを加熱して形成した接合層7の厚みとは、ほとんど変化がなく、厚みが減少したとしてもその減少量が小さい。   As will be described later, the core-encapsulated particles 21 included in the bonding layer 7 are heated by placing a bonding paste containing a coarse metal powder and a fine metal powder between the air electrode 4 and the current collector 6. Can be formed. The surface layer 23 is a portion formed by a reaction between the surface portion of the coarse powder and the fine powder, and the core portion 22 is a portion where the coarse powder does not react with the fine powder. Therefore, the size of the core inclusion particles 21 depends on the size of the metal coarse powder contained in the bonding paste. When the bonding layer is formed by the bonding paste containing only the metal fine powder, the metal fine powder is completely reaction-sintered and densified, and the thickness of the bonding layer is smaller than the thickness of the coating layer of the bonding paste. On the other hand, the bonding layer 7 in the present invention is formed of a bonding paste containing a metal coarse powder and includes core-encapsulating particles 21 having a core portion 22. The thickness of the bonding layer 7 hardly changes with respect to the paste. That is, the thickness of the bonding paste disposed between the air electrode 4 and the current collector 6 and the thickness of the bonding layer 7 formed by heating this are almost unchanged, and even if the thickness decreases, The amount of decrease is small.

固体酸化物形燃料電池スタック100を形成する際、後述するように、接合体11をインターコネクタ5を介して複数積層して、固定部材12〜15に取り付けられた締付部材で接合体11の積層方向に所定の圧力で締付けた状態で加熱して、接合体11の積層体が一体化される。このとき、空気極4と集電部6との間に配置された接合ペーストの厚みに対して接合層7の厚みの減少量が大きいと、固体酸化物形燃料電池スタック100における固定部材12〜15と締付部材とによる積層方向の締付け力が緩み、空気極4と接合層7と集電部6との間の互いの接触圧が小さくなり、これらの界面9及び10で剥離し易くなってしまう。一方、本発明における接合層7は、固体酸化物形燃料電池スタック100の加熱の前後で、接合ペーストに対する接合層7の厚みの減少量が小さく、ほとんど変化がない。さらに、固体酸化物形燃料電池スタック100を長期間にわたって通常運転した後においても接合層7の厚みにほとんど変化がない。したがって、空気極4と接合層7と集電部6とが互いに密着して空気極4と接合層7と集電部6との間の互いの接触圧が維持されるので、これらの界面9、10で剥離し難く、それによって接触抵抗の上昇が抑制され、長期間にわたって電気的接続を確保できる。   When forming the solid oxide fuel cell stack 100, as will be described later, a plurality of the joined bodies 11 are stacked via the interconnector 5, and the joined bodies 11 are clamped by the fastening members attached to the fixing members 12 to 15. The laminated body of the joined body 11 is integrated by heating in a state of being tightened at a predetermined pressure in the laminating direction. At this time, if the amount of decrease in the thickness of the bonding layer 7 is larger than the thickness of the bonding paste disposed between the air electrode 4 and the current collector 6, the fixing members 12 to 12 in the solid oxide fuel cell stack 100. 15 and the tightening force of the tightening member is loosened, the contact pressure between the air electrode 4, the bonding layer 7, and the current collector 6 is reduced, and separation at these interfaces 9 and 10 is facilitated. End up. On the other hand, the bonding layer 7 in the present invention has little change in the thickness of the bonding layer 7 with respect to the bonding paste before and after the heating of the solid oxide fuel cell stack 100, and hardly changes. Furthermore, the thickness of the bonding layer 7 hardly changes even after the solid oxide fuel cell stack 100 is normally operated over a long period of time. Therefore, the air electrode 4, the bonding layer 7, and the current collector 6 are in close contact with each other, and the contact pressure between the air electrode 4, the bonding layer 7, and the current collector 6 is maintained. 10 is difficult to peel off, thereby suppressing an increase in contact resistance and securing electrical connection over a long period of time.

前記接合層7の厚み及び前記コア内包粒子21の接合層7の厚み方向の長さは、次のようにして求めることができる。空気極4と接合層7と集電部6とを含む部分を、単セル1同士が対向する方向における任意の面で切断する。得られた切断面をSEM(走査型電子顕微鏡)等により画像を得て、得られた画像において、空気極4と接合層7との界面9と集電部6と接合層7との界面10との距離を任意の少なくとも5箇所について測定する。この測定値の算術平均を算出し、これを接合層7の厚さとすることができる。また、コア内包粒子21の接合層7の厚み方向の長さは、前記画像上に存在するすべてのコア内包粒子21について接合層7の厚み方向の最大長さを測定することにより求めることができる。   The thickness of the bonding layer 7 and the length in the thickness direction of the bonding layer 7 of the core inclusion particles 21 can be determined as follows. A portion including the air electrode 4, the bonding layer 7, and the current collector 6 is cut at an arbitrary surface in a direction in which the single cells 1 face each other. An image of the obtained cut surface is obtained by SEM (scanning electron microscope) or the like, and in the obtained image, an interface 9 between the air electrode 4 and the bonding layer 7 and an interface 10 between the current collector 6 and the bonding layer 7 are obtained. Are measured at at least five arbitrary positions. An arithmetic average of the measured values can be calculated and used as the thickness of the bonding layer 7. In addition, the length in the thickness direction of the bonding layer 7 of the core inclusion particles 21 can be obtained by measuring the maximum length in the thickness direction of the bonding layer 7 for all the core inclusion particles 21 present on the image. .

前記表面層23は、コア部22の表面に設けられ、導電性スピネル型酸化物を含む。導電性スピネル型酸化物は、スピネル型の結晶構造を有する金属酸化物であり、導電性を有する限り特に限定されない。導電性スピネル型酸化物は、ABの組成式で示される酸化物であり、結晶中にAサイトとBサイトと称する陽イオンが配置される2つのサイトを有する。Aサイト及びBサイトを占める各金属元素としては、Cu、Mn、Co、Fe、Cr、Ni、Zn等からなる群より選択される少なくとも一種を挙げることができる。導電性スピネル型酸化物としては、例えば、CuMn、MnCo、CoMn、MnFe、ZnMn、CuFe、NiMn、CoCr等を挙げることができる。これらの中でも導電性が高い点で、CuMnが表面層23に含有されているのが好ましい。なお、Aサイト及びBサイトは、その一部が前述した金属元素以外の金属元素により置換されていてもよい。また、表面層23は、その全部又は大部分が導電性スピネル型酸化物により形成されるが、前述した金属元素からなる金属及び/又はスピネル型酸化物以外の酸化物を含んでいてもよい。 The surface layer 23 is provided on the surface of the core portion 22 and includes a conductive spinel oxide. The conductive spinel oxide is a metal oxide having a spinel crystal structure and is not particularly limited as long as it has conductivity. The conductive spinel oxide is an oxide represented by a composition formula of AB 2 O 4 and has two sites where cations called A site and B site are arranged in the crystal. As each metal element which occupies A site and B site, at least 1 type selected from the group which consists of Cu, Mn, Co, Fe, Cr, Ni, Zn etc. can be mentioned. Examples of the conductive spinel oxide include CuMn 2 O 4 , MnCo 2 O 4 , CoMn 2 O 4 , MnFe 2 O 4 , ZnMn 2 O 4 , CuFe 2 O 4 , NiMn 2 O 4 , and CoCr 2 O 4. Etc. Among these, CuMn 2 O 4 is preferably contained in the surface layer 23 in terms of high conductivity. A part of the A site and the B site may be substituted with a metal element other than the metal elements described above. The surface layer 23 is entirely or mostly formed of a conductive spinel oxide, but may include a metal composed of the above-described metal element and / or an oxide other than the spinel oxide.

前記コア部22は、後述するように、接合ペーストに含まれる金属の粗粒子が加熱されて形成されることができる。したがって、前記コア部22は、前記粗粒子を形成する金属、及び/又は前記金属が酸化されて形成された金属酸化物を含む。前記コア部22は、前記金属又は前記金属酸化物によって均一に形成されていてもよいし、前記コア部22が、前記金属と前記金属酸化物とを含む場合には、前記金属と前記金属酸化物とが互いに混じり合って分散状態にあってもよい。また、前記コア部22は、前記金属又は前記金属酸化物により形成された中心部を覆うように、前記中心部を形成する前記金属又は前記金属酸化物とは組成及び結晶構造等の形態の異なる1以上の層が形成されていてもよい。例えば、コア部22の中心部が前記金属により形成され、この中心部の外周部が前記金属酸化物により形成されていてもよい。前記金属としては、Cu、Mn、Co、Fe、Cr、Ni、Zn等の元素からなる群より選択される少なくとも一種の元素を含む金属又は合金を挙げることができる。前記金属酸化物は、前記金属として例示した金属の酸化物を挙げることができる。前記金属酸化物として、例えば、CuO、MnO、Mn、CoO、Co、FeO、Fe、Cr、NiO、ZnO等を挙げることができる。また、コア部22は、その全部又は大部分が前記金属及び/又は前記金属酸化物により形成されるが、その一部に表面層23に含まれる導電性スピネル型酸化物が含まれる場合もある。 As will be described later, the core portion 22 may be formed by heating coarse metal particles contained in the bonding paste. Accordingly, the core portion 22 includes a metal that forms the coarse particles and / or a metal oxide that is formed by oxidizing the metal. The core portion 22 may be uniformly formed of the metal or the metal oxide. When the core portion 22 includes the metal and the metal oxide, the metal and the metal oxide are included. Things may be mixed with each other and in a dispersed state. Further, the core portion 22 is different from the metal or the metal oxide forming the central portion in a form such as a composition and a crystal structure so as to cover the central portion formed of the metal or the metal oxide. One or more layers may be formed. For example, the center part of the core part 22 may be formed with the said metal, and the outer peripheral part of this center part may be formed with the said metal oxide. Examples of the metal include metals or alloys containing at least one element selected from the group consisting of elements such as Cu, Mn, Co, Fe, Cr, Ni, and Zn. Examples of the metal oxide include metal oxides exemplified as the metal. Examples of the metal oxide include CuO, MnO 2 , Mn 3 O 4 , CoO, Co 2 O 3 , FeO, Fe 2 O 3 , Cr 2 O 3 , NiO, and ZnO. The core part 22 is entirely or mostly formed of the metal and / or the metal oxide, and a part thereof may include a conductive spinel oxide included in the surface layer 23. .

前記コア内包粒子21と前記コア内包粒子21との間の領域24は、後述するように、接合ペーストに含まれる金属の微粒子が加熱されて形成されることができる。前記微粒子は、ほとんど完全に反応焼結するので、前記領域24は、その全部又は大部分が前記微粒子を形成する金属が酸化されて形成された金属酸化物により形成される。前記金属酸化物としては、Cu、Mn、Co、Fe、Cr、Ni、Zn等の元素からなる群より選択される少なくとも一種の元素を含む金属酸化物を挙げることができる。前記金属酸化物として、例えば、CuO、MnO、Mn、CoO、Co、FeO、Fe、Cr、NiO、ZnO等を挙げることができる。前記微粒子が完全に反応焼結せずに残っている場合には、前記領域24に前記微粒子を形成する金属が含まれる場合もある。また、表面層23に含まれる導電性スピネル型酸化物が前記領域24に含まれる場合もある。前記領域24は、導電性を有する材料により形成されているのが好ましいが、接合層7は、前述したように、表面層23に含まれる導電性スピネル型酸化物によって電流が流れる流路が確保されているので、導電性を有していなくてもよい。 As will be described later, the region 24 between the core-encapsulated particles 21 and the core-encapsulated particles 21 can be formed by heating fine metal particles contained in the bonding paste. Since the fine particles are almost completely reaction-sintered, the region 24 is entirely or mostly formed of a metal oxide formed by oxidizing the metal forming the fine particles. Examples of the metal oxide include metal oxides containing at least one element selected from the group consisting of elements such as Cu, Mn, Co, Fe, Cr, Ni, and Zn. Examples of the metal oxide include CuO, MnO 2 , Mn 3 O 4 , CoO, Co 2 O 3 , FeO, Fe 2 O 3 , Cr 2 O 3 , NiO, and ZnO. When the fine particles remain without being completely reacted and sintered, the region 24 may contain a metal that forms the fine particles. In addition, a conductive spinel oxide included in the surface layer 23 may be included in the region 24. The region 24 is preferably formed of a conductive material. However, as described above, the bonding layer 7 has a flow path through which current flows due to the conductive spinel oxide included in the surface layer 23. Therefore, it is not necessary to have conductivity.

前記コア部22、前記表面層23、及び前記領域24を形成する物質は、次のようにして特定することができる。まず、空気極4と接合層7と集電部6とを含む部分を、単セル1同士が対向する方向における任意の面で切断し、得られた切断面をEPMAにて画像の撮影と元素マッピング分析とを行う。得られた画像により、コア部22及び表面層23を有するコア内包粒子21とコア内包粒子21の周辺にある領域24とが確認される。元素マッピング後の元素濃度の定量化により、前記コア部22、前記表面層23、及び前記領域24それぞれに存在する元素の濃度が測定される。次いで、前記切断面をX線回折装置(XRD)にて分析し、接合層7に含まれる物質の同定を行う。接合層7に含まれる物質の同定は、XRD分析により得られたX線回折チャートと例えばJCPDSカードとを対比することにより行う。次いで、EPMAにより検出された元素とXRD分析により同定された物質とに基づいて、前記コア部22、前記表面層23、及び前記領域24それぞれを形成する物質を特定する。例えば、EPMAによる元素マッピング分析により表面層23にA元素とB元素とが検出され、XRDによりA元素とB元素とを含むスピネル型酸化物の回折ピークが確認された場合には、表面層23がA元素とB元素とを含むスピネル型酸化物を含むと判断することができる。   Substances forming the core portion 22, the surface layer 23, and the region 24 can be specified as follows. First, a portion including the air electrode 4, the bonding layer 7, and the current collector 6 is cut at an arbitrary surface in a direction in which the single cells 1 face each other, and the obtained cut surface is photographed with EPMA and an element. Perform mapping analysis. The obtained image confirms the core inclusion particles 21 having the core portion 22 and the surface layer 23 and the region 24 around the core inclusion particles 21. By quantifying the element concentration after element mapping, the concentration of the element present in each of the core portion 22, the surface layer 23, and the region 24 is measured. Next, the cut surface is analyzed by an X-ray diffractometer (XRD), and the substance contained in the bonding layer 7 is identified. The substance contained in the bonding layer 7 is identified by comparing an X-ray diffraction chart obtained by XRD analysis with, for example, a JCPDS card. Next, based on the element detected by EPMA and the substance identified by XRD analysis, the substance forming each of the core portion 22, the surface layer 23, and the region 24 is specified. For example, when element A and B element are detected on the surface layer 23 by element mapping analysis by EPMA, and a diffraction peak of a spinel oxide containing A element and B element is confirmed by XRD, the surface layer 23 Can be determined to contain a spinel oxide containing an A element and a B element.

前記領域24は多孔質である。前記領域24が多孔質であるので、接合層7と空気極4との界面9において、多孔質である空気極4の空隙を接合層7によって閉塞してしまうことがなく、接合層7においても酸化剤ガスの通気性が確保され、酸化剤ガスを空気極4に十分に供給することができる。   The region 24 is porous. Since the region 24 is porous, the gap between the porous air electrode 4 is not blocked by the bonding layer 7 at the interface 9 between the bonding layer 7 and the air electrode 4. The air permeability of the oxidant gas is ensured, and the oxidant gas can be sufficiently supplied to the air electrode 4.

前記接合層7は、15〜35%の気孔率を有するのが好ましい。接合層7における気孔率が低くなるにしたがって、接合層7と空気極4との界面9において酸化剤ガスの通気性が悪くなり、気孔率が高くなるにしたがって、接合層7と空気極4との界面9における接触抵抗が高くなり、導電性が低下する傾向にある。気孔率が前記範囲内にあると、接合層7における酸化剤ガスの通気性の確保と導電性の維持とを両立することができる。   The bonding layer 7 preferably has a porosity of 15 to 35%. As the porosity of the bonding layer 7 decreases, the air permeability of the oxidant gas deteriorates at the interface 9 between the bonding layer 7 and the air electrode 4, and as the porosity increases, the bonding layer 7 and the air electrode 4 The contact resistance at the interface 9 tends to increase and the conductivity tends to decrease. When the porosity is within the above range, it is possible to ensure both the air permeability of the oxidant gas in the bonding layer 7 and the maintenance of conductivity.

前記接合層7における気孔は、その大部分がコア内包粒子21同士の間の領域24に存在する。接合ペーストに含まれる金属の粗粉末及び金属の微粉末が反応焼結されると、前記粗粉末はコア部22を有するコア内包粒子21となって接合層7の骨格を形成するように配置される。骨格を形成するように配置されたコア内包粒子21同士の間の領域24では前記微粉末が反応焼結して体積が減少し、気孔が形成される。したがって、前記気孔率は、前記粗粉末及び前記微粉末それぞれの粒度分布、焼結条件等を変更することにより調整することができる。   Most of the pores in the bonding layer 7 are present in the region 24 between the core inclusion particles 21. When the coarse metal powder and the fine metal powder contained in the bonding paste are reaction-sintered, the coarse powder is arranged to form the core inclusion particles 21 having the core portion 22 and form the skeleton of the bonding layer 7. The In the region 24 between the core-containing particles 21 arranged so as to form a skeleton, the fine powder is reacted and sintered to reduce the volume and form pores. Therefore, the porosity can be adjusted by changing the particle size distribution, sintering conditions, etc. of the coarse powder and the fine powder.

前記気孔率は、次のようにして求めることができる。まず、接合層7の厚みを測定するときと同様にして接合層7の切断面の画像を得る。得られた画像において、画像の一端から他端まで線分を引き、この線分に並行な複数の線分を、例えば1〜2μm間隔で引く。線分の間隔は気孔の大きさに応じて適宜設定すればよい。全ての線分上に存在する気孔の長さの合計Lと全ての線分の長さの合計Ltとを測定し、全ての線分の長さの合計Ltに対する気孔の長さの合計Lを算出し[(L/Lt)×100](%)、これを気孔率とする。   The porosity can be determined as follows. First, an image of the cut surface of the bonding layer 7 is obtained in the same manner as when the thickness of the bonding layer 7 is measured. In the obtained image, a line segment is drawn from one end of the image to the other end, and a plurality of line segments parallel to the line segment are drawn at intervals of, for example, 1 to 2 μm. What is necessary is just to set the space | interval of a line segment suitably according to the magnitude | size of a pore. The total length L of the pores existing on all the line segments and the total length Lt of all the line segments are measured, and the total length L of the pores with respect to the total length Lt of all the line segments is calculated. Calculated [(L / Lt) × 100] (%) and set this as the porosity.

前記接合層7は、接合層7の切断面において、コア内包粒子21を10〜35%の面積割合で含有するのが好ましい。前記接合層7が前記範囲の面積割合でコア内包粒子21を含有すると、固体酸化物形燃料電池スタック100の加熱の前後で、接合ペーストに対する接合層7の厚みの減少量がより一層小さくなり、それによって長期間にわたって空気極4と集電部6との間の導電性を維持することができる。   The bonding layer 7 preferably contains the core inclusion particles 21 in an area ratio of 10 to 35% on the cut surface of the bonding layer 7. When the bonding layer 7 contains the core-encapsulated particles 21 in the area ratio within the above range, the amount of decrease in the thickness of the bonding layer 7 with respect to the bonding paste before and after the heating of the solid oxide fuel cell stack 100 is further reduced. Thereby, the electrical conductivity between the air electrode 4 and the current collector 6 can be maintained over a long period of time.

前記コア内包粒子21の面積割合は、次のようにして求めることができる。まず、接合層7の厚みを測定するときと同様にして接合層7の切断面の画像を得る。得られた画像において、コア内包粒子21とその他の部分すなわち領域24とを区別してこれらを2値化処理する。コア内包粒子21として特定された面積の合計Sと画像全体の面積Stとを測定し、画像内の接合層7における気孔を含んだ面積Stに対するコア内包粒子21の面積の合計Sを算出し[(S/St)×100](%)、これをコア内包粒子21の面積割合とする。   The area ratio of the core-encapsulated particles 21 can be obtained as follows. First, an image of the cut surface of the bonding layer 7 is obtained in the same manner as when the thickness of the bonding layer 7 is measured. In the obtained image, the core-containing particles 21 and other portions, that is, the regions 24 are distinguished and binarized. The total area S identified as the core inclusion particles 21 and the area St of the entire image are measured, and the total area S of the core inclusion particles 21 with respect to the area St including pores in the bonding layer 7 in the image is calculated [ (S / St) × 100] (%), which is the area ratio of the core-encapsulating particles 21.

前記接合層7は、コア部22と表面層23とを有するコア内包粒子21を含み、これらのコア内包粒子21は空気極4と集電部6とを導通可能に配置されている。したがって、前記接合層7は、固体酸化物形燃料電池スタック100の加熱の前後で、接合ペーストに対する接合層7の厚みの減少量が小さく、ほとんど変化がない。さらに、固体酸化物形燃料電池スタック100を長期間にわたって通常運転した後においても接合層7の厚みにほとんど変化がない。したがって、空気極4と接合層7と集電部6とが互いに密着して空気極4と接合層7と集電部6との間の互いの接触圧が維持される。したがって、これらの界面9、10で剥離し難く、それによって接触抵抗の上昇が抑制される。よって、前記接合体11備えた固体酸化物形燃料電池は、所望の性能を長期間にわたって発揮することができる。   The bonding layer 7 includes core inclusion particles 21 having a core portion 22 and a surface layer 23, and the core inclusion particles 21 are arranged so that the air electrode 4 and the current collector 6 can be conducted. Accordingly, the bonding layer 7 has little change in the thickness of the bonding layer 7 with respect to the bonding paste before and after the heating of the solid oxide fuel cell stack 100, and hardly changes. Furthermore, the thickness of the bonding layer 7 hardly changes even after the solid oxide fuel cell stack 100 is normally operated over a long period of time. Therefore, the air electrode 4, the bonding layer 7, and the current collector 6 are in close contact with each other, and the contact pressure between the air electrode 4, the bonding layer 7, and the current collector 6 is maintained. Therefore, it is difficult to peel off at these interfaces 9 and 10, thereby suppressing an increase in contact resistance. Therefore, the solid oxide fuel cell provided with the joined body 11 can exhibit desired performance over a long period of time.

次に、この発明に係る固体酸化物形燃料電池の製造方法の一例を以下に説明する。   Next, an example of a method for producing a solid oxide fuel cell according to the present invention will be described below.

この実施態様の固体酸化物形燃料電池の製造方法は、金属の粗粉末と金属の微粉末とを含む接合ペーストを前記空気極と前記集電部との間に配置して加熱する接合工程を含む。   The method of manufacturing a solid oxide fuel cell according to this embodiment includes a bonding step of placing and heating a bonding paste including a coarse metal powder and a fine metal powder between the air electrode and the current collector. Including.

前記接合工程の前工程には、接合ペーストを調製する調製工程、及び単セル1と集電部6を備えたインターコネクタ5とを接合ペーストを介して積層して積層体を形成する積層工程を含む。   The pre-process of the joining process includes a preparation process for preparing a joining paste, and a laminating process for forming a laminate by laminating the single cell 1 and the interconnector 5 including the current collector 6 via the joining paste. Including.

前記調製工程では、金属の粗粉末と金属の微粉末とを含む接合ペーストを調製する。前記粗粉末の金属と前記微粉末の金属とは酸素と反応して導電性スピネル型酸化物を形成可能な金属である。前記粗粉末及び前記微粉末の金属としては、ABの組成式で示されるスピネル型酸化物におけるAサイトとBサイトとの少なくとも一方のサイトを占有可能な元素を含む金属の粉末を挙げることができ、例えば、Cu、Mn、Co、Fe、Cr、Ni、Zn等からなる群より選択される少なくとも一種の元素を含む金属粉末が挙げられる。例えば、前記粗粉末の金属として、Aサイトを占有し易い元素からなる金属を採用した場合には、前記微粉末の金属として、Bサイトを占有し易い元素からなる金属を採用する。したがって、前記粗粉末の金属の種類と前記微粉末の金属の種類とは、通常、異なる。また、前記微粉末は、前記粗粉末よりも融点の低い金属であるのが好ましい。前記微粉末が前記粗粉末よりも融点が低いと、接合ペーストを加熱して反応焼結させる際に、微粉末の金属が溶けて液相になり易く、粗粉末の表面部分と微粉末とが反応し易くなる。前記粗粉末の金属と前記微粉末の金属との組合せとして、例えば、MnとCu、MnとCo等を挙げることができる。 In the preparation step, a bonding paste including a coarse metal powder and a fine metal powder is prepared. The coarse powder metal and the fine powder metal are metals that can react with oxygen to form a conductive spinel oxide. Examples of the metal of the coarse powder and the fine powder include a metal powder containing an element that can occupy at least one of the A site and the B site in the spinel oxide represented by the composition formula of AB 2 O 4. Examples thereof include metal powders containing at least one element selected from the group consisting of Cu, Mn, Co, Fe, Cr, Ni, Zn and the like. For example, when a metal made of an element that easily occupies the A site is adopted as the metal of the coarse powder, a metal made of an element that easily occupies the B site is adopted as the metal of the fine powder. Therefore, the type of the metal of the coarse powder is usually different from the type of the metal of the fine powder. The fine powder is preferably a metal having a melting point lower than that of the coarse powder. When the fine powder has a melting point lower than that of the coarse powder, when the bonding paste is heated and subjected to reaction sintering, the fine powder metal is likely to melt and become a liquid phase. It becomes easy to react. Examples of the combination of the coarse powder metal and the fine powder metal include Mn and Cu, and Mn and Co.

前記粗粉末は、前記微粉末よりもメジアン径が大きい。前記粗粉末のメジアン径は、例えば、6〜15μmである。前記粗粉末が前記微粉末よりもメジアン径が大きく、メジアン径が6μmよりも大きいと、接合ペーストを加熱して反応焼結する際に、粗粒子の表面部分のみが微粉末と反応し易くなり、コア部22と表面層23とを有するコア内包粒子21を形成し易くなる。接合ペーストが特定の粒度の粗粉末を含有すると、接合ペーストの塗布層の厚みに対して接合層7の厚みを変化し難くすることができる。すなわち、粗粉末の粒度に応じて接合ペーストの塗布層の厚みに対して接合層7の厚みを変化し難くすることのできる接合層7の厚みが変わる。したがって、要求される接合層7の厚みに応じて前記粗粉末のメジアン径を適宜決定すればよい。例えば、要求される接合層7の厚みが30μmである場合には、粗粉末のメジアン径は6〜10μmであるのが好ましい。前記微粉末のメジアン径は、前記粗粉末の表面部分と反応可能であればよく、例えば、前記微粒子のメジアン径は0.5〜5μmである。前記粗粉末と前記微粉末とのメジアン径は、レーザ回折式粒度分布測定装置を用いて測定することができる。前記メジアン径は、粉末の粒度分布を累積分布として表したときの累積50%に相当する粒子径であり、体積を基準とする。前記粗粉末と前記微粉末とを含む金属粉末の粒度分布をレーザ回折式粒度分布測定装置により測定した場合には、2つのピークが出現する程度に粗粉末と微粉末との粒度が異なるのが好ましい。   The coarse powder has a median diameter larger than that of the fine powder. The median diameter of the coarse powder is, for example, 6 to 15 μm. When the coarse powder has a median diameter larger than that of the fine powder and the median diameter is larger than 6 μm, only the surface portion of the coarse particles easily reacts with the fine powder when the bonding paste is heated and subjected to reaction sintering. It becomes easy to form the core-containing particles 21 having the core portion 22 and the surface layer 23. When the bonding paste contains coarse powder having a specific particle size, the thickness of the bonding layer 7 can be made difficult to change with respect to the thickness of the coating layer of the bonding paste. That is, the thickness of the bonding layer 7 that makes it difficult to change the thickness of the bonding layer 7 with respect to the thickness of the bonding paste coating layer varies depending on the particle size of the coarse powder. Therefore, the median diameter of the coarse powder may be appropriately determined according to the required thickness of the bonding layer 7. For example, when the required thickness of the bonding layer 7 is 30 μm, the median diameter of the coarse powder is preferably 6 to 10 μm. The median diameter of the fine powder only needs to react with the surface portion of the coarse powder. For example, the median diameter of the fine particles is 0.5 to 5 μm. The median diameter of the coarse powder and the fine powder can be measured using a laser diffraction particle size distribution analyzer. The median diameter is a particle diameter corresponding to 50% cumulative when the particle size distribution of the powder is expressed as a cumulative distribution, and is based on volume. When the particle size distribution of the metal powder containing the coarse powder and the fine powder is measured by a laser diffraction particle size distribution measuring device, the particle size of the coarse powder and the fine powder is different to the extent that two peaks appear. preferable.

前記粗粉末と前記微粉末とは、2:1(質量比)〜1:2(質量比)の比率で配合されるのが好ましい。前記粗粉末と前記微粉末とが前記比率で配合されると、コア部22と表面層23とを有するコア内包粒子21を形成し易く、また、接合層7に所定割合のコア内包粒子21が含まれるから、コア内包粒子21が接合層7の支柱となって接合ペーストの厚みに対する接合層7の厚みの減少量が小さくなる。   The coarse powder and the fine powder are preferably blended at a ratio of 2: 1 (mass ratio) to 1: 2 (mass ratio). When the coarse powder and the fine powder are blended in the above ratio, it is easy to form the core-encapsulated particles 21 having the core portion 22 and the surface layer 23, and the core-encapsulated particles 21 in a predetermined ratio are formed in the bonding layer 7. As a result, the core-encapsulated particles 21 serve as support columns of the bonding layer 7 and the amount of decrease in the thickness of the bonding layer 7 with respect to the thickness of the bonding paste is reduced.

前記接合ペーストには、必要に応じて、バインダー、溶剤、他の添加剤を添加してもよい。前記バインダーとしては、メチルセルロース、エチルセルロース、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール等を挙げることができる。前記溶剤としては、エタノール、ブタノール、テルピネオール、アセトン、キシレン、トルエン、ビヒクル等を挙げることができる。前記他の添加剤としては、分散剤、可塑剤等を挙げることができる。   You may add a binder, a solvent, and another additive to the said joining paste as needed. Examples of the binder include methyl cellulose, ethyl cellulose, polyvinyl alcohol, polyvinyl butyral and the like. Examples of the solvent include ethanol, butanol, terpineol, acetone, xylene, toluene, vehicle, and the like. Examples of the other additive include a dispersant and a plasticizer.

前記積層工程では、まず、従来公知の手法により単セル1を製造し、この単セル1における空気極4の外表面及び集電部6における空気極4に対向する面の少なくとも一方に、前記接合ペーストをスクリーン印刷等により塗布し、必要に応じて80℃〜150℃で乾燥して塗布層を形成した後に、単セル1と接合ペーストの塗布層と集電部6を備えたインターコネクタ5とを積層して積層体を形成する。   In the laminating step, first, the single cell 1 is manufactured by a conventionally known method, and the bonding is performed on at least one of the outer surface of the air electrode 4 and the surface of the current collector 6 facing the air electrode 4 in the single cell 1. After the paste is applied by screen printing or the like and dried at 80 ° C. to 150 ° C. as necessary to form a coating layer, the interconnector 5 having the single cell 1, the bonding paste coating layer, and the current collector 6; Are stacked to form a laminate.

単セル1の製造方法の一例として、まず、前述した燃料極3の構成成分を有する原料粉末と造孔材である有機ビーズとブチラール樹脂と可塑剤と分散剤と溶剤とを混合してスラリーを調製し、得られたスラリーをドクターブレード法等により支持体上に塗布して乾燥させることで、燃料極用グリーンシートを作製する。また、固体電解質層用グリーンシートを燃料極用グリーンシートと同様にして作製する。次いで、得られた燃料極用グリーンシートと得られた固体電解質層用グリーンシートとを積層し、これを焼結して、焼結積層体を作製する。次いで、前記焼結積層体における固体電解質層2の上に、前述した空気極4の構成成分を有する原料粉末により調製したペーストをスクリーン印刷等により塗布してペースト層を形成し、このペースト層を焼結して空気極4を形成する。このようにして、単セル1が製造される。   As an example of the manufacturing method of the single cell 1, first, the raw material powder having the components of the fuel electrode 3, the organic beads as the pore former, the butyral resin, the plasticizer, the dispersant, and the solvent are mixed to form a slurry. The prepared slurry is coated on a support by a doctor blade method or the like and dried to prepare a fuel electrode green sheet. Further, the green sheet for the solid electrolyte layer is produced in the same manner as the green sheet for the fuel electrode. Next, the obtained green sheet for fuel electrode and the obtained green sheet for solid electrolyte layer are laminated and sintered to produce a sintered laminate. Next, the paste prepared from the raw material powder having the components of the air electrode 4 described above is applied on the solid electrolyte layer 2 in the sintered laminate by screen printing or the like to form a paste layer. The air electrode 4 is formed by sintering. In this way, the single cell 1 is manufactured.

前記接合工程では、前記積層工程で得られた積層体を加熱して、空気極4と集電部6を備えたインターコネクタ5とを接合層7を介して接合する。   In the joining step, the laminated body obtained in the laminating step is heated to join the air electrode 4 and the interconnector 5 provided with the current collector 6 via the joining layer 7.

前記接合工程では、例えば、前記積層工程で得られた積層体を所望により複数積層して組付体とする。この組付体を積層体の積層方向に貫通している固定部材12〜15に取り付けられた締付部材により締め付けて、組付体に積層方向の圧力をかける。圧力をかけた状態で組付体を電気炉等に入れて昇温して、600℃以上900℃以下、好ましくは750℃以上850℃以下の温度範囲における所定の温度に維持して、燃料極3に燃料ガスを流しながら、また空気極4に酸化剤ガスを流しながら2時間〜10時間保持し、接合ペーストを反応焼結法により焼結させて、空気極4と集電部6とを接合層7で接合する。接合ペーストの塗布層は、前記接合工程を経て、接合ペーストに含まれる前記粗粉末の粒子の表面部分と前記微粉末とが反応して、導電性スピネル型酸化物を含む表面層23を有するコア内包粒子21が形成され、また、前記微粉末同士が反応して金属酸化物を含む多孔質の領域24が形成されて、接合層7になる。   In the joining step, for example, a plurality of laminated bodies obtained in the laminating step are laminated as desired to form an assembly. The assembled body is tightened by a fastening member attached to the fixing members 12 to 15 penetrating in the stacking direction of the stacked body, and pressure in the stacking direction is applied to the assembled body. With the pressure applied, the assembly is put into an electric furnace or the like and heated to maintain a predetermined temperature in a temperature range of 600 ° C. or higher and 900 ° C. or lower, preferably 750 ° C. or higher and 850 ° C. or lower. 3 is maintained for 2 hours to 10 hours while a fuel gas is supplied to the air electrode 3 and an oxidant gas is supplied to the air electrode 4, and the joining paste is sintered by a reactive sintering method. Bonding is performed with the bonding layer 7. The bonding paste coating layer has a core having a surface layer 23 containing a conductive spinel oxide by reacting the surface portion of the coarse powder particles contained in the bonding paste with the fine powder after the bonding step. The encapsulated particles 21 are formed, and the fine powders react to form a porous region 24 containing a metal oxide, thereby forming the bonding layer 7.

前記接合工程は、少なくとも単セル1と接合ペーストと集電部6とインターコネクタ5とを積層した積層体に対して行ってもよいし、複数の前記積層体を積層した組付体に対して行ってもよい。
また、前記接合工程は、前記積層体又は前記組付体を電気炉等で加熱してもよいが、固体酸化物形燃料電池スタック100を組み上げた後に、固体酸化物形燃料電池スタック100を運転させ、自身の発熱によって固体酸化物形燃料電池スタック100を加熱して、空気極4と集電部6を備えたインターコネクタ5とを接合層7を介して接合してもよい。
The joining step may be performed on a laminated body in which at least the single cell 1, the joining paste, the current collector 6 and the interconnector 5 are laminated, or on an assembled body in which a plurality of the laminated bodies are laminated. You may go.
In the joining step, the laminate or the assembly may be heated with an electric furnace or the like, but after the solid oxide fuel cell stack 100 is assembled, the solid oxide fuel cell stack 100 is operated. The solid oxide fuel cell stack 100 may be heated by its own heat generation, and the air electrode 4 and the interconnector 5 including the current collector 6 may be joined via the joining layer 7.

この実施態様の固体酸化物形燃料電池の製造方法によると、コア部22と表面層23とを有するコア内包粒子21が、空気極4と集電部6とを導通可能に配置されている接合層7を容易に製造することができる。したがって、この実施態様の固体酸化物形燃料電池の製造方法によると、接合ペーストの厚みに対する接合層7の厚みの減少量を小さくすることができ、それによって長期間にわたって空気極4と集電部6との間の電気的接続を確保することのできる固体酸化物形燃料電池を容易に製造することができる。   According to the method for manufacturing a solid oxide fuel cell of this embodiment, the core-containing particles 21 having the core portion 22 and the surface layer 23 are disposed so that the air electrode 4 and the current collector 6 can be electrically connected. Layer 7 can be manufactured easily. Therefore, according to the method for manufacturing the solid oxide fuel cell of this embodiment, the amount of decrease in the thickness of the bonding layer 7 with respect to the thickness of the bonding paste can be reduced. Thus, a solid oxide fuel cell capable of ensuring electrical connection with the battery 6 can be easily manufactured.

この発明の固体酸化物形燃料電池は、高電圧の出力が可能な電池として、各種用途に用いることができる。この発明の固体酸化物形燃料電池は、例えば、家庭用の小型コージェネレーションシステムにおける発電源として、又は業務用の大型コージェネレーションシステムにおける発電源として、用いることができる。   The solid oxide fuel cell of the present invention can be used for various applications as a battery capable of outputting a high voltage. The solid oxide fuel cell of the present invention can be used, for example, as a power generation source in a small cogeneration system for home use or as a power generation source in a large cogeneration system for business use.

この発明の固体酸化物形燃料電池は、前述した実施形態に限定されることはなく、この発明の目的を達成することができる範囲において、種々の変更が可能である。例えば、前記固体酸化物形燃料電池における単セル1は方形板状体であるが、図5に示すように、円筒状体でもよいし、図6に示すように、扁平筒状体でもよい。   The solid oxide fuel cell of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made within a range in which the object of the present invention can be achieved. For example, the single cell 1 in the solid oxide fuel cell is a rectangular plate-like body, but may be a cylindrical body as shown in FIG. 5 or a flat cylindrical body as shown in FIG.

図5に示すように、円筒状体の固体酸化物形燃料電池の単セル101は、例えば、円筒状の燃料極103の外周面に固体電解質層102、空気極104がこの順に積層されて単セル101が形成され、固体電解質層102及び空気極104によって覆われていない燃料極103の表面にインターコネクタ105が設けられている。単セル101と単セル101との間には集電部106が設けられ、この集電部106は一方の単セル101の燃料極103にインターコネクタ105を介して接合され、他方の単セル101の空気極104にこの発明の接合層107を介して接合され、これによって、隣り合う単セル101は直列に接続されて固体酸化物形燃料電池スタック110を形成する。   As shown in FIG. 5, a single cell 101 of a cylindrical solid oxide fuel cell includes, for example, a solid electrolyte layer 102 and an air electrode 104 stacked in this order on the outer peripheral surface of a cylindrical fuel electrode 103. The interconnector 105 is provided on the surface of the fuel electrode 103 in which the cell 101 is formed and is not covered with the solid electrolyte layer 102 and the air electrode 104. A current collector 106 is provided between the single cell 101 and the single cell 101. The current collector 106 is joined to the fuel electrode 103 of one single cell 101 via an interconnector 105, and the other single cell 101 is connected. The adjacent single cells 101 are connected in series to form a solid oxide fuel cell stack 110 by being bonded to the air electrode 104 via the bonding layer 107 of the present invention.

図6に示すように、扁平筒状体の固体酸化物形燃料電池における単セル201は、略楕円柱状であり、平坦部と平坦部の両側の弧状部とからなる支持基板211を備えている。平坦部の両面は互いにほぼ平行に形成され、支持基板211の平坦部における一方の面と両側の弧状部を覆うように燃料極203、固体電解質層202がこの順に積層され、平坦部の一方の面の固体電解質層202の上に空気極204が積層されて単セル201が形成されている。また、燃料極203及び固体電解質層202によって覆われていない平坦部の表面にインターコネクタ205が設けられている。単セル201と単セル201との間には集電部206が設けられ、この集電部206は支持基板211にインターコネクタ205を介して接合され、他方の単セル201の空気極204にこの発明の接合層207を介して接合され、これによって、隣り合う単セル201は直列に接続されて固体酸化物形燃料電池スタック210を形成する。   As shown in FIG. 6, the unit cell 201 in the solid oxide fuel cell having a flat cylindrical body has a substantially elliptic cylindrical shape, and includes a support substrate 211 including a flat portion and arc-shaped portions on both sides of the flat portion. . Both surfaces of the flat portion are formed substantially parallel to each other, and the fuel electrode 203 and the solid electrolyte layer 202 are laminated in this order so as to cover one surface of the flat portion of the support substrate 211 and the arc-shaped portions on both sides. A single cell 201 is formed by laminating an air electrode 204 on the solid electrolyte layer 202 on the surface. In addition, an interconnector 205 is provided on the surface of the flat portion not covered with the fuel electrode 203 and the solid electrolyte layer 202. A current collector 206 is provided between the single cell 201 and the single cell 201. The current collector 206 is joined to the support substrate 211 via the interconnector 205, and is connected to the air electrode 204 of the other single cell 201. Bonded via the inventive bonding layer 207, whereby adjacent unit cells 201 are connected in series to form a solid oxide fuel cell stack 210.

この発明の固体酸化物形燃料電池は、逆の反応を行わせることで、水を電気分解し、水素を製造する水電解装置として使用することができる。例えば、燃料極側に水蒸気を供給し、燃料極と空気極との間に電力を供給することにより、燃料極の水蒸気が電気分解して、空気極側に酸素が発生し、燃料極側に水素が発生する。したがって、本発明の接合体を備えた固体酸化物形燃料電池は、水電解装置として使用することができる。   The solid oxide fuel cell of the present invention can be used as a water electrolysis apparatus for electrolyzing water and producing hydrogen by carrying out the reverse reaction. For example, by supplying water vapor to the fuel electrode side and supplying power between the fuel electrode and the air electrode, the water vapor of the fuel electrode is electrolyzed, oxygen is generated on the air electrode side, and oxygen is generated on the fuel electrode side. Hydrogen is generated. Therefore, the solid oxide fuel cell provided with the joined body of the present invention can be used as a water electrolysis device.

<実施例1>
[サンプルの作製]
(接合ペーストの作製)
粗粉末としてMnを20g(メジアン径8μm)と、微粉末としてCuを30g(メジアン径2.7μm)と、溶剤としてビヒクルを50gとをスパチュラで撹拌後、三本ロールで3回混合して接合ペーストを得た。ビヒクルは、エトセル 4CPSとブチルカルビトールとを1:4の割合で混合して作製した。粗粉末と微粉末とのメジアン径はレーザ回折粒度分布測定装置(HORIBA LA−750)により測定した。
<Example 1>
[Preparation of sample]
(Preparation of bonding paste)
20 g (median diameter 8 μm) of coarse powder, 30 g of Cu (median diameter 2.7 μm) as fine powder, and 50 g of vehicle as solvent were stirred with a spatula and mixed three times with three rolls. A paste was obtained. The vehicle was prepared by mixing Etocel 4CPS and butyl carbitol in a ratio of 1: 4. The median diameter of the coarse powder and the fine powder was measured with a laser diffraction particle size distribution analyzer (HORIBA LA-750).

(単セルの作製)
YSZ粉末(100重量部)に対して、ブチラール樹脂と、可塑剤であるDOPと、分散剤と、トルエンとエタノールとの混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調整した。得られたスラリーをドクターブレード法により、厚さ10μmの固体電解質層用グリーンシートを作製した。
(Production of single cell)
To the YSZ powder (100 parts by weight), a butyral resin, DOP as a plasticizer, a dispersant, and a mixed solvent of toluene and ethanol were added and mixed in a ball mill to prepare a slurry. A green sheet for a solid electrolyte layer having a thickness of 10 μm was prepared from the obtained slurry by a doctor blade method.

NiO粉末(60重量部)とYSZ粉末(40重量部)との混合粉末(100重量部)に対して、造孔材である有機ビーズ(混合粉末に対して10重量%)と、ブチラール樹脂と、可塑剤であるDOPと、分散剤と、トルエンとエタノールとの混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調整した。得られたスラリーをドクターブレード法により、厚さ250μmの燃料極用グリーンシートを作製した。   Organic beads (10% by weight with respect to the mixed powder) as a pore former, butyral resin, with respect to the mixed powder (100 parts by weight) of NiO powder (60 parts by weight) and YSZ powder (40 parts by weight) Then, DOP as a plasticizer, a dispersant, and a mixed solvent of toluene and ethanol were added and mixed by a ball mill to prepare a slurry. A green sheet for a fuel electrode having a thickness of 250 μm was prepared from the obtained slurry by a doctor blade method.

前記燃料極用グリーンシートと前記固体電解質層用グリーンシートとを積層し、これを焼結して、焼結積層体を作製した。   The fuel electrode green sheet and the solid electrolyte layer green sheet were laminated and sintered to produce a sintered laminate.

前記焼結積層体の固体電解質層の上に、LSCF微粉末と有機バインダーとしてエトセルと溶剤としてブチルカルビトールとにより調製したペーストを前記焼結積層体における固体電解質層の表面にスクリーン印刷により塗布してペースト層を形成し、このペースト層を1000℃で焼結して、厚さ30μmの空気極を形成した。このようにして単セル1を得た。   On the solid electrolyte layer of the sintered laminate, a paste prepared by LSCF fine powder, etosel as an organic binder and butyl carbitol as a solvent is applied by screen printing to the surface of the solid electrolyte layer in the sintered laminate. A paste layer was formed, and the paste layer was sintered at 1000 ° C. to form an air electrode having a thickness of 30 μm. A single cell 1 was thus obtained.

(集電部を備えたインターコネクタの作製)
ステンレス鋼からなる板材を切削して板材の片面に角柱状の凸部が碁盤目状に所定の間隔で整列されてなる集電部6を備えたインターコネクタ5を作製した。
(Production of interconnector with current collector)
A plate material made of stainless steel was cut to produce an interconnector 5 having a current collecting portion 6 in which prismatic projections were arranged in a grid pattern on one side of the plate material at a predetermined interval.

(接合ペーストの塗布)
インターコネクタ5の集電部6における空気極4に対向する面の全面に、スクリーン印刷により、接合ペーストを印刷した。次いで、100℃で30分間乾燥し、接合ペーストが印刷された集電部6を備えたインターコネクタ5を得た。接合ペーストの厚みをマイクロメータにより測定したところ、32μmであった。
(Application of bonding paste)
A bonding paste was printed on the entire surface of the current collector 6 of the interconnector 5 facing the air electrode 4 by screen printing. Subsequently, it was dried at 100 ° C. for 30 minutes to obtain an interconnector 5 having a current collector 6 on which a bonding paste was printed. The thickness of the bonding paste was measured with a micrometer and found to be 32 μm.

(固体酸化物形燃料電池スタックの作製)
単セル1における空気極4と接合ペーストと集電部6とインターコネクタ5とがこの順になるように積層して積層体を形成した。6体の積層体を積層して組付体とし、この組付体を積層方向に貫通している固定部材に取り付けられた締付部材により締め付けて、組付体に積層方向の圧力をかけた。この組付体を電気炉等に入れて昇温し、燃料極3に水素を、空気極4に空気を流しつつ850℃で3時間保持し、空気極4と集電部6とが接合層7で接合されたサンプルとしての固体酸化物形燃料電池スタック100を得た。
(Production of solid oxide fuel cell stack)
The air electrode 4, the bonding paste, the current collector 6, and the interconnector 5 in the single cell 1 were laminated so as to be in this order to form a laminate. Six laminates were laminated to form an assembly, and the assembly was clamped by a fastening member attached to a fixing member penetrating in the stacking direction, and pressure in the stacking direction was applied to the assembly. . This assembly is put into an electric furnace or the like and heated up, and kept at 850 ° C. for 3 hours while flowing hydrogen into the fuel electrode 3 and air into the air electrode 4, and the air electrode 4 and the current collector 6 are joined to each other. A solid oxide fuel cell stack 100 was obtained as a sample joined in Step 7.

[耐久試験]
固体酸化物形燃料電池の通常運転を想定して、雰囲気温度750℃の電気炉にサンプルを入れて、電流密度0.3〜0.6A/cmの範囲で通電処理を1000時間行う耐久試験を行った。
[An endurance test]
Assuming normal operation of the solid oxide fuel cell, put the sample in an electric furnace with an ambient temperature of 750 ° C., and conduct an energization treatment for 1000 hours in a current density range of 0.3 to 0.6 A / cm 2. Went.

[接合層の観察]
図7に示すように、耐久試験後にサンプルを積層方向の面で切断して得られた切断面をSEMにより画像撮影し(1000倍)、得られたSEM画像において、空気極4と接合層7との界面9と集電部6と接合層7との界面10との距離を任意の20箇所について測定した。これらの測定値の算術平均を接合層7の厚みとして算出したところ、30μmであった。接合層7の厚みは接合ペーストの厚みよりも2μm減少していた。この厚みの減少は、接合ペーストに含まれる溶剤の揮発による。
[Observation of bonding layer]
As shown in FIG. 7, after the endurance test, the cut surface obtained by cutting the sample along the plane in the stacking direction was photographed with an SEM (1000 times), and in the obtained SEM image, the air electrode 4 and the bonding layer 7. The distance between the interface 9 and the current collector 6 and the interface 10 between the bonding layer 7 was measured at 20 arbitrary positions. When the arithmetic average of these measured values was calculated as the thickness of the bonding layer 7, it was 30 μm. The thickness of the bonding layer 7 was 2 μm less than the thickness of the bonding paste. This reduction in thickness is due to volatilization of the solvent contained in the bonding paste.

図7に示すように、SEM画像において、コア部22と表面層23とを有するコア内包粒子21が複数確認された。これらのコア内包粒子21の中には、空気極4と接合層7との界面9から接合層7と集電部6との界面10まで延在するコア内包粗大粒子21aが確認された。SEM画像中に観察されるコア内包粒子21の接合層7の厚み方向の長さは、4〜32μmの範囲にあった。また、これらのコア内包粒子21の面積の合計Sの、画像内の接合層7における気孔を含んだ面積Stに対する面積割合[(S/St)×100](%)は、39面積%であった。   As shown in FIG. 7, in the SEM image, a plurality of core-encapsulated particles 21 having a core portion 22 and a surface layer 23 were confirmed. In these core-encapsulated particles 21, coarse core-encapsulated particles 21 a extending from the interface 9 between the air electrode 4 and the bonding layer 7 to the interface 10 between the bonding layer 7 and the current collector 6 were confirmed. The length in the thickness direction of the bonding layer 7 of the core-encapsulated particles 21 observed in the SEM image was in the range of 4 to 32 μm. The area ratio [(S / St) × 100] (%) of the total area S of the core-encapsulating particles 21 to the area St including pores in the bonding layer 7 in the image was 39 area%. It was.

また、SEM画像によりコア内包粒子21の周辺の領域24は多孔質であることが確認された。SEM画像において、2μm間隔で複数の線分を引き、前述したように気孔率を測定したところ、22.5%であった。   Moreover, it was confirmed from the SEM image that the region 24 around the core-encapsulated particles 21 is porous. In the SEM image, a plurality of line segments were drawn at intervals of 2 μm, and the porosity was measured as described above to be 22.5%.

[接合層の分析]
サンプルを積層方向の面で切断して得られた切断面をEPMAにて画像撮影と元素マッピング分析とを行った。図8(a)は切断面をEPMAで撮影した画像であり、図8(b)は切断面におけるCuの濃度を示す図であり、図8(c)は切断面におけるMnの濃度を示す図であり、図8(d)は切断面における酸素(O)の濃度を示す図である。図8(a)に示されるように、切断面にコア部22と表面層23とを有するコア内包粒子21が観察され、図8(b)、(c)及び(d)に示されるように、コア部22にはMnの酸化物、表面層23にはMnの酸化物及びCuの酸化物、コア内包粒子21の周辺の領域24にはCuの酸化物が検出された。
さらに、切断面における接合層7をXRD(株式会社リガク製 型式:RINT−TTRIII)により2θ=10°から80°まで分析した。その結果、CuOとスピネル型酸化物(例えば、CuMn、Mn)に相当する回折ピークが得られた。
マッピング分析により表面層23にMn、Cu及びOが検出され、XRD分析によりCuMnの回折ピークが確認されたことから、表面層23には導電性スピネル型酸化物であるCuMnが含まれると判断される。
マッピング分析によりコア部22はMn及びOが検出され、XRD分析によりMnの回折ピークが確認されたことから、コア部22にはMnが含まれると判断される。
マッピング分析によりコア内包粒子21の周辺の領域24はCu及びOが検出され、XRD分析によりCuOの回折ピークが確認されたことから、前記領域にはCuOが含まれると判断される。
[Analysis of bonding layer]
The cut surface obtained by cutting the sample along the plane in the stacking direction was subjected to image photographing and element mapping analysis with EPMA. 8A is an image obtained by photographing the cut surface with EPMA, FIG. 8B is a diagram showing the concentration of Cu on the cut surface, and FIG. 8C is a diagram showing the concentration of Mn on the cut surface. FIG. 8D is a diagram showing the concentration of oxygen (O) on the cut surface. As shown in FIG. 8 (a), core-encapsulated particles 21 having a core part 22 and a surface layer 23 on the cut surface are observed, as shown in FIGS. 8 (b), (c) and (d). Mn oxide was detected in the core portion 22, Mn oxide and Cu oxide were detected in the surface layer 23, and Cu oxide was detected in the region 24 around the core inclusion particles 21.
Further, the bonding layer 7 on the cut surface was analyzed from 2θ = 10 ° to 80 ° by XRD (manufactured by Rigaku Corporation: RINT-TTRIII). As a result, diffraction peaks corresponding to CuO and spinel oxide (for example, CuMn 2 O 4 , Mn 3 O 4 ) were obtained.
Since Mn, Cu and O were detected on the surface layer 23 by the mapping analysis and a diffraction peak of CuMn 2 O 4 was confirmed by the XRD analysis, the surface layer 23 had CuMn 2 O 4 which is a conductive spinel oxide. Is determined to be included.
Mn and O were detected in the core part 22 by the mapping analysis, and the diffraction peak of Mn 3 O 4 was confirmed by the XRD analysis. Therefore, it is determined that the core part 22 contains Mn 3 O 4 .
Cu and O were detected in the region 24 around the core-encapsulated particles 21 by the mapping analysis, and the diffraction peak of CuO was confirmed by the XRD analysis. Therefore, it is determined that the region contains CuO.

[導電性の評価]
耐久試験前後において、サンプルを700℃の雰囲気温度で、燃料極3側に室温(25℃)で加湿3%の水を含む水素1L/min、空気極4側に空気2L/minを供給して、電流遮断法によって、空気極4側の集電部6と燃料極3側の集電部との間に電流を通電したときの電圧と、電流を切ったときの電圧との差を測定した。電流遮断法計測機は、KIKUSUI FC IMPEDANCE METER KFM2150を用いた。負荷を差し引くために、同じくKIKUSUI PLZ 1004Wの負荷器を用いた。負荷器で20Aの負荷をサンプルから差し引きながら、電流遮断法によって電圧を計測し、6つの積層体の測定値の平均値を平均電圧として求めた。電圧が大きいことは電気抵抗が小さいことを意味する。耐久試験前のサンプルの平均電圧は802mV、耐久試験後のサンプルの平均電圧は800mVであり、平均電圧劣化率は0.25%であった。
[Evaluation of conductivity]
Before and after the endurance test, the sample was supplied with 1 L / min of hydrogen containing 3% water at room temperature (25 ° C.) on the fuel electrode 3 side and 2 L / min of air on the air electrode 4 side at an ambient temperature of 700 ° C. The difference between the voltage when the current was passed between the current collector 6 on the air electrode 4 side and the current collector on the fuel electrode 3 side and the voltage when the current was turned off was measured by the current interruption method. . As the current interruption method measuring instrument, KIKUSUI FC IMPEDANCE METER KFM2150 was used. In order to subtract the load, a loader of KIKUSUI PLZ 1004W was also used. While subtracting a 20 A load from the sample with a loader, the voltage was measured by the current interruption method, and the average value of the measured values of the six laminates was determined as the average voltage. A high voltage means a low electrical resistance. The average voltage of the sample before the durability test was 802 mV, the average voltage of the sample after the durability test was 800 mV, and the average voltage deterioration rate was 0.25%.

<比較例1>
前記「接合ペーストの作製」において、出発原料としてMnの微粉末(メジアン径:3.2μm)とCuの微粉末(メジアン径:2.7μm)を用いたこと以外は、実施例1と同様にしてサンプルを作製した。
実施例1と同様にして接合ペーストの厚みを測定した結果、29μmであった。
<Comparative Example 1>
In the above-mentioned “Preparation of bonding paste”, the same procedure as in Example 1 was used except that Mn fine powder (median diameter: 3.2 μm) and Cu fine powder (median diameter: 2.7 μm) were used as starting materials. A sample was prepared.
As a result of measuring the thickness of the bonding paste in the same manner as in Example 1, it was 29 μm.

実施例1と同様にして耐久試験を行い、耐久試験後の接合層の厚みを測定した結果、16μmであった。耐久試験後の接合層の切断面をSEMで観察したところ、実施例1の接合層で観察されたコア内包粒子を確認することができず、緻密な構造になっていた。   The durability test was conducted in the same manner as in Example 1, and the thickness of the bonding layer after the durability test was measured. As a result, it was 16 μm. When the cut surface of the bonding layer after the durability test was observed with an SEM, the core-encapsulated particles observed in the bonding layer of Example 1 could not be confirmed and had a dense structure.

実施例1と同様にして耐久試験前後のサンプルについて導電性の評価を行った。耐久試験前のサンプルの平均電圧は802mV、耐久試験後のサンプルの平均電圧は777mVであり、平均電圧劣化率は3.11%であった。   The conductivity of the samples before and after the durability test was evaluated in the same manner as in Example 1. The average voltage of the sample before the durability test was 802 mV, the average voltage of the sample after the durability test was 777 mV, and the average voltage deterioration rate was 3.11%.

実施例1のサンプルは、金属の粗粉末と金属の微粉末とを含む接合ペーストを用いて接合層7を形成し、接合層7がコア部22と表面層23とを有するコア内包粒子21を含んでいるので、接合ペーストと接合層7との厚みの減少量が小さかった。前記コア内包粒子21は比較的大きく、接合層7の厚さ方向と同等の大きさを有するコア内包粒子21も存在し、これらのコア内包粒子21が支柱のような役割を果たすことにより、接合層7の厚さの減少量が小さくなっている。また、前記コア内包粒子21はコア部22を有し、焼結し難いので耐久試験後においてもコア内包粒子21の外形が維持され、厚さの減少量が小さくなっている。
一方、比較例1のサンプルは、金属の微粉末のみで金属の粗粉末を含まない接合ペーストを用いて接合層を形成しているので、接合ペーストが焼結により緻密化し、接合ペーストと接合層との厚みの減少量が実施例1に比べて大きかった。
実施例1のサンプルは、耐久試験前後の平均電圧劣化率が小さく、導電性が維持されているのに対し、比較例1のサンプルは、実施例1のサンプルに比べて平均電圧劣化率が大きく、導電性が低下している。
これらの結果から、耐久試験前後において接合層の厚みの減少量の大きい比較例1のサンプルに比べて、接合層の厚みの減少量の小さい実施例1のサンプルは、平均電圧劣化率が小さく、導電性が維持されることが分る。
In the sample of Example 1, the bonding layer 7 is formed using a bonding paste including a metal coarse powder and a metal fine powder, and the bonding layer 7 includes core-encapsulated particles 21 each having a core portion 22 and a surface layer 23. As a result, the amount of decrease in thickness between the bonding paste and the bonding layer 7 was small. The core-encapsulated particles 21 are relatively large, and there are also core-encapsulated particles 21 having a size equivalent to the thickness direction of the bonding layer 7. The amount of decrease in the thickness of the layer 7 is small. Moreover, since the core inclusion particle 21 has the core part 22 and is difficult to sinter, the outer shape of the core inclusion particle 21 is maintained even after the endurance test, and the reduction in thickness is small.
On the other hand, in the sample of Comparative Example 1, since the joining layer is formed using a joining paste that contains only fine metal powder and does not contain coarse metal powder, the joining paste is densified by sintering. The amount of decrease in thickness was larger than that in Example 1.
The sample of Example 1 has a low average voltage deterioration rate before and after the durability test and maintains conductivity, whereas the sample of Comparative Example 1 has a higher average voltage deterioration rate than the sample of Example 1. , Conductivity is reduced.
From these results, compared with the sample of Comparative Example 1 in which the amount of decrease in the thickness of the bonding layer is large before and after the durability test, the sample of Example 1 in which the amount of decrease in the thickness of the bonding layer is small, the average voltage deterioration rate is small. It can be seen that conductivity is maintained.

1、101、201 単セル
2、102、202 固体電解質層
3、103、203 燃料極
4、104、204 空気極
5、105、205 インターコネクタ
6、8、106、206 集電部
7、107、207 接合層
9、10 界面
11 接合体
12、13、14、15 固定部材
16 燃料ガス導入管
17 燃料ガス導出管
18 酸化剤ガス導入管
19 酸化剤ガス導出管
21、21a、21b コア内包粒子
22 コア部
23 表面層
24 領域
31 燃料ガス室
41 酸化剤ガス室
51 セパレータ
52、53 エンドプレート
100、110、210 固体酸化物形燃料電池スタック
211 支持基板
1, 101, 201 Single cell 2, 102, 202 Solid electrolyte layer 3, 103, 203 Fuel electrode 4, 104, 204 Air electrode 5, 105, 205 Interconnector 6, 8, 106, 206 Current collector 7, 107 207 Bonding layer 9, 10 Interface 11 Bonded body 12, 13, 14, 15 Fixing member 16 Fuel gas introduction pipe 17 Fuel gas outlet pipe 18 Oxidant gas inlet pipe 19 Oxidant gas outlet pipe 21, 21a, 21b Core inclusion particle 22 Core portion 23 Surface layer 24 Region 31 Fuel gas chamber 41 Oxidant gas chamber 51 Separator 52, 53 End plates 100, 110, 210 Solid oxide fuel cell stack 211 Support substrate

Claims (6)

固体電解質層と燃料極と空気極とを有し、前記空気極と集電部とが接合層で接合された接合体であって、
前記接合層は、コア部と導電性スピネル型酸化物を含む表面層とを有するコア内包粒子を含み、前記コア内包粒子が前記空気極と前記集電部とを導通可能に配置されていることを特徴とする接合体。
A joined body having a solid electrolyte layer, a fuel electrode, and an air electrode, wherein the air electrode and the current collector are joined by a joining layer,
The bonding layer includes a core inclusion particle having a core portion and a surface layer containing a conductive spinel oxide, and the core inclusion particle is disposed so as to allow conduction between the air electrode and the current collector. A joined body characterized by.
前記コア内包粒子は、前記接合層と前記空気極との界面から前記接合層と前記集電部との界面まで延在するコア内包粗大粒子を含む請求項1に記載の接合体。   2. The joined body according to claim 1, wherein the core-encapsulated particles include coarse core-encapsulated particles that extend from an interface between the joining layer and the air electrode to an interface between the joining layer and the current collector. 前記接合層は、前記コア内包粒子同士の間の領域が多孔質である請求項1又は2に記載の接合体。   The joined body according to claim 1 or 2, wherein the joining layer has a porous region between the core-containing particles. 固体電解質層と燃料極と空気極とを有し、前記空気極と集電部とが接合層で接合された接合体の製造方法であって、
金属の粗粉末と金属の微粉末とを含む接合ペーストを前記空気極と前記集電部との間に配置して加熱する接合工程を含み、
前記粗粉末の金属及び前記微粉末の金属は酸素と反応して導電性スピネル型酸化物を形成可能な金属であり、前記粗粉末のメジアン径が前記微粉末のメジアン径よりも大きいことを特徴とする接合体の製造方法。
A method for producing a joined body having a solid electrolyte layer, a fuel electrode, and an air electrode, wherein the air electrode and the current collector are joined by a joining layer,
Including a joining step of placing and heating a joining paste containing a coarse metal powder and a fine metal powder between the air electrode and the current collector,
The coarse powder metal and the fine powder metal are metals that can react with oxygen to form a conductive spinel oxide, and the median diameter of the coarse powder is larger than the median diameter of the fine powder. A method for manufacturing a joined body.
請求項1〜3のいずれか一項に記載の接合体を備えた固体酸化物形燃料電池。   A solid oxide fuel cell comprising the joined body according to claim 1. 請求項1〜3のいずれか一項に記載の接合体を備えた水電解装置。   The water electrolysis apparatus provided with the joined body as described in any one of Claims 1-3.
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