JP4864171B1 - Solid oxide fuel cell - Google Patents

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Abstract

【課題】支持基板と発電部との界面付近におけるクラックの発生を抑制可能な固体電解質型燃料電池セルを提供する。
【解決手段】固体酸化物型燃料電池セルは、燃料ガス流路を内部に有し、少なくともMgOとY23とを含む主組成物を含有する支持基板と、支持基板上に形成され、燃料極と空気極と燃料極と空気極との間に配置される固体電解質層とを有する発電部と、を備える。主組成物は、84.5モル%以上95.5モル%以下のMgOと、4.5モル%以上9.5モル%以下のY23と、0モル%以上11.0モル%以下のNiOと、によって構成される。
【選択図】図3
A solid oxide fuel cell capable of suppressing the generation of cracks in the vicinity of an interface between a support substrate and a power generation unit is provided.
A solid oxide fuel cell is formed on a support substrate having a fuel gas flow path therein and containing a main composition containing at least MgO and Y 2 O 3 ; A power generation unit including a fuel electrode, an air electrode, and a solid electrolyte layer disposed between the fuel electrode and the air electrode. The main composition is composed of 84.5 mol% to 95.5 mol% MgO, 4.5 mol% to 9.5 mol% Y 2 O 3 , and 0 mol% to 11.0 mol% NiO.
[Selection] Figure 3

Description

本発明は、支持基板を備える固体酸化物型燃料電池セルに関する。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell including a support substrate.

近年、環境問題及びエネルギー資源の有効利用の観点から、燃料電池に注目が集まっており、燃料電池の材料及び構造について種々の提案がなされている。   In recent years, attention has been focused on fuel cells from the viewpoint of environmental problems and effective use of energy resources, and various proposals have been made for materials and structures of fuel cells.

特許文献1では、NiO、Y23及びMgOを含む支持基板と、支持基板上に形成される発電部と、を備える固体酸化物型燃料電池セルが開示されている。発電部は、支持基板上に順次積層された燃料極と固体電解質層と空気極とを有しており、燃料極と固体電解質層の一部とが支持基板に接触している。 Patent Document 1 discloses a solid oxide fuel cell including a support substrate containing NiO, Y 2 O 3 and MgO, and a power generation unit formed on the support substrate. The power generation unit includes a fuel electrode, a solid electrolyte layer, and an air electrode sequentially stacked on the support substrate, and the fuel electrode and a part of the solid electrolyte layer are in contact with the support substrate.

特開2007−095566号公報JP 2007-095566 A

しかしながら、特許文献1の固体酸化物型燃料電池セルを用いて高温発電動作を繰り返すと、支持基板と発電部との界面付近にクラックが発生する場合がある。本発明者らは、この現象が、燃料ガスの供給により作られる還元雰囲気下でNiOがNiに還元されることによって、支持基板の体積が膨張するためであることを新たに見出した。   However, when the high-temperature power generation operation is repeated using the solid oxide fuel cell of Patent Document 1, a crack may occur near the interface between the support substrate and the power generation unit. The present inventors have newly found that this phenomenon is due to the volume of the support substrate expanding by reducing NiO to Ni in a reducing atmosphere created by supplying fuel gas.

具体的には、MgOに固溶しているNiOが徐々に還元されることによって、MgOの表面だけでなくMgOの結晶粒界にも微細な粒子としてNiが析出する。これに応じて支持基板の体積が膨張することで、支持基板と発電部との界面に応力が生じるため、支持基板と発電部との界面付近にクラックが発生する。なお、MgOに固溶しているNiOの還元によるNiの析出については、「Journal of the Ceramic Society of Japan_117_(2)_2009_p166-170」に記載されているとおりである。   Specifically, NiO solid-dissolved in MgO is gradually reduced, so that Ni precipitates as fine particles not only on the surface of MgO but also on the crystal grain boundaries of MgO. In response to this, the volume of the support substrate expands, and stress is generated at the interface between the support substrate and the power generation unit, so that a crack is generated near the interface between the support substrate and the power generation unit. The precipitation of Ni by reduction of NiO dissolved in MgO is as described in "Journal of the Ceramic Society of Japan_117_ (2) _2009_p166-170".

本発明は、このような新たな知見に基づいてなされたものであり、支持基板と発電部との界面付近におけるクラックの発生を抑制可能な固体電解質型燃料電池セルを提供することを目的とする。   The present invention has been made based on such new findings, and an object thereof is to provide a solid oxide fuel cell that can suppress the occurrence of cracks in the vicinity of the interface between the support substrate and the power generation unit. .

ここに開示される固体酸化物型燃料電池セルは、燃料ガス流路を内部に有し、少なくともMgOとY23とを含む主組成物を含有する支持基板と、支持基板上に形成され、燃料極と空気極と燃料極と空気極との間に配置される固体電解質層とを有する発電部と、を備える。主組成物は、84.5モル%以上95.5モル%以下のMgOと、4.5モル%以上9.5モル%以下のY23と、0モル%以上11.0モル%以下のNiOと、によって構成される。 The solid oxide fuel cell disclosed herein is formed on a support substrate having a fuel gas flow path therein and containing a main composition containing at least MgO and Y 2 O 3. And a power generation unit including a fuel electrode, an air electrode, and a solid electrolyte layer disposed between the fuel electrode and the air electrode. The main composition is composed of 84.5 mol% to 95.5 mol% MgO, 4.5 mol% to 9.5 mol% Y 2 O 3 , and 0 mol% to 11.0 mol% NiO.

本発明によれば、支持基板と発電部との界面付近におけるクラックの発生を抑制可能な固体電解質型燃料電池セル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 suppress generation | occurrence | production of the crack near the interface of a support substrate and an electric power generation part can be provided.

横縞型燃料電池セルの構成を示す斜視図The perspective view which shows the structure of a horizontal stripe type fuel cell 横縞型燃料電池セルの構成を示す断面図Sectional drawing which shows the structure of a horizontal stripe type fuel cell 支持基板に含まれる主組成物のMgO-Y23-NiOの3成分系組成図である。It is a ternary composition diagram of MgO—Y 2 O 3 —NiO as the main composition contained in the support substrate. 実施例に係る支持基板のMgO-Y23-NiOの3成分系組成図である。It is a ternary composition diagram of MgO—Y 2 O 3 —NiO of the support substrate according to the example.

固体酸化物型燃料電池セル(Solid Oxide Fuel Cell:SOFC)の一例として、横縞型燃料電池セル100について説明する。   A horizontal stripe fuel cell 100 will be described as an example of a solid oxide fuel cell (SOFC).

1.横縞型燃料電池セル100の構成
図1は、横縞型燃料電池セル(以下、単に「セル」と略称する)100の概要を示す斜視図である。図2は、図1のI−I断面図である。
1. Configuration of Horizontally Striped Fuel Cell 100 FIG. 1 is a perspective view showing an outline of a horizontally striped fuel cell (hereinafter simply referred to as “cell”) 100. 2 is a cross-sectional view taken along the line II of FIG.

図1及び図2に示すように、セル100は、支持基板10と、複数の発電部20と、複数のインターコネクタ30と、集電部40と、を備える。なお、図1では、説明の便宜上、集電部40が省略されている。   As shown in FIGS. 1 and 2, the cell 100 includes a support substrate 10, a plurality of power generation units 20, a plurality of interconnectors 30, and a current collection unit 40. In FIG. 1, the current collector 40 is omitted for convenience of explanation.

1−1.支持基板10
支持基板10は、扁平かつ一方向(以下、「長手方向」という)に延びる板状部材である。支持基板10は、絶縁性を有する多孔質体によって構成されている。支持基板10の内部には、支持基板10の長手方向に沿って延びる流路10aが形成されている。発電時には、この流路10aに水素などを含む燃料ガスを流すことによって、支持基板10を介して複数の発電部20に燃料ガスが供給される。この際、支持基板10自体は、還元雰囲気に曝される。
1-1. Support substrate 10
The support substrate 10 is a plate-like member that is flat and extends in one direction (hereinafter referred to as “longitudinal direction”). The support substrate 10 is made of an insulating porous material. A flow path 10 a extending along the longitudinal direction of the support substrate 10 is formed inside the support substrate 10. At the time of power generation, a fuel gas containing hydrogen or the like is caused to flow through the flow path 10a, whereby the fuel gas is supplied to the plurality of power generation units 20 via the support substrate 10. At this time, the support substrate 10 itself is exposed to a reducing atmosphere.

支持基板10は、少なくともMgOとY23とを含む主組成物を含有する。また、支持基板10は、Fe23、SiO2、B23、Al23のうち少なくとも一つを副組成物として含有していてもよい。 The support substrate 10 contains a main composition containing at least MgO and Y 2 O 3 . Further, the support substrate 10 may contain at least one of Fe 2 O 3 , SiO 2 , B 2 O 3 , and Al 2 O 3 as a sub-composition.

支持基板10が含有する主組成物は、84.5モル%以上95.5モル%以下のMgOと、4.5モル%以上9.5モル%以下のY23と、0.0モル%以上11.0モル%以下のNiOと、によって構成される。支持基板材料がNiOを含有する場合、NiOはMgOに固溶しており、還元雰囲気下においてNiとして析出しうる。NiOはMgOに全固溶していてもよい。また、Y23は、Niの析出を抑制するために、NiOの固溶量を低減させた代わりとして添加されている。ただし、Y23の熱膨張係数はNiOの熱膨張係数よりも低いので、Y23の添加量が多すぎる、もしくは少なすぎれば、支持基板10の熱膨張係数と発電部20の熱膨張係数との差が大きくなりすぎてしまう。そこで、支持基板材料におけるY23の添加量は、4.5モル%以上9.5モル%以下の適正な範囲に規定されている。 The main composition contained in the support substrate 10 is 84.5 mol% or more and 95.5 mol% or less of MgO, 4.5 mol% or more and 9.5 mol% or less of Y 2 O 3 , 0.0 mol% or more and 11.0 mol% or less of NiO, Consists of. When the support substrate material contains NiO, NiO is dissolved in MgO and can precipitate as Ni in a reducing atmosphere. NiO may be completely dissolved in MgO. Y 2 O 3 is added as a substitute for reducing the solid solution amount of NiO in order to suppress precipitation of Ni. However, since the thermal expansion coefficient of the Y 2 O 3 is lower than the thermal expansion coefficient of NiO, Y addition amount of 2 O 3 is too large, or small too if, in the thermal expansion coefficient and the power generation portion 20 of the support substrate 10 heat The difference from the expansion coefficient becomes too large. Therefore, the amount of Y 2 O 3 added to the support substrate material is regulated within an appropriate range of 4.5 mol% or more and 9.5 mol% or less.

ここで、図3は、主組成物のMgO-Y23-NiOの3成分系組成図である。図3に示すように、本実施形態にかかる主組成物は、MgOがxモル%、Y23がyモル%、NiOがzモル%である点を(x、y、z)とするときに、(90.5、9.5、0.0)、(84.5、9.5、6.0)、(84.5、4.5、11.0)及び(95.5、4.5、0.0)を頂点とする四角形で囲まれた領域X内の組成を有している。領域Xは、4.5モル%のY23を示す第1ラインL1と、9.5モル%のY23を示す第2ラインL2と、84.5モル%のMgOを示す第3ラインL3と、MgOの軸と、によって囲まれた領域である。 Here, FIG. 3 is a ternary composition diagram of MgO—Y 2 O 3 —NiO as the main composition. As shown in FIG. 3, in the main composition according to this embodiment, (x, y, z) is a point in which MgO is x mol%, Y 2 O 3 is y mol%, and NiO is z mol%. Occasionally, the composition in the region X surrounded by a rectangle having vertices at (90.5, 9.5, 0.0), (84.5, 9.5, 6.0), (84.5, 4.5, 11.0) and (95.5, 4.5, 0.0) is doing. The region X includes a first line L1 indicating 4.5 mol% Y 2 O 3 , a second line L2 indicating 9.5 mol% Y 2 O 3 , a third line L3 indicating 84.5 mol% MgO, and MgO. This is an area surrounded by the axis.

なお、第3ラインL3は、MgOがxモル%、Y23がyモル%、NiOがzモル%である点を(x、y、z)とするときに、(84.5、0.0、15.5)と(84.5、15.5、0.0)とを結ぶ線分である。第3ラインL3の左側に形成される三角領域は、NiOが15.5mol%以下に規定されることによってNiの還元析出量が十分に抑制される領域である。すなわち、第3ラインL3は、Niの還元析出量を抑制可能な領域に対応して設定されている。 The third line L3 is, MgO is x mol%, Y 2 O 3 is y mol%, NiO is a point which is z mol% (x, y, z) when the (84.5,0.0,15.5 ) And (84.5, 15.5, 0.0). The triangular region formed on the left side of the third line L3 is a region where the amount of Ni reduced and precipitated is sufficiently suppressed when NiO is regulated to 15.5 mol% or less. That is, the third line L3 is set to correspond to a region where the reduction precipitation amount of Ni can be suppressed.

1−2.発電部20
発電部20は、図2に示すように、支持基板10上に形成されている。発電部20は、燃料極21と、固体電解質層22と、反応防止層23と、空気極24と、を有する。
1-2. Power generation unit 20
As shown in FIG. 2, the power generation unit 20 is formed on the support substrate 10. The power generation unit 20 includes a fuel electrode 21, a solid electrolyte layer 22, a reaction prevention layer 23, and an air electrode 24.

燃料極21は、支持基板10上に形成され、アノードとして機能する。燃料極21の材料としては、公知の燃料電池セルの燃料極を形成するための材料を用いることができ、例えば、NiO‐YSZ(酸化ニッケル‐イットリア安定化ジルコニア)及び/又はNiO‐Y23(酸化ニッケル‐イットリア)が挙げられる。燃料極21は、これらの材料のほか、Fe23やSiO2を含有していてもよい。燃料極21の厚みは、50μm〜500μmであればよい。 The fuel electrode 21 is formed on the support substrate 10 and functions as an anode. As the material of the fuel electrode 21, a material for forming a fuel electrode of a known fuel cell can be used. For example, NiO-YSZ (nickel oxide-yttria stabilized zirconia) and / or NiO-Y 2 O can be used. 3 (nickel oxide-yttria). The fuel electrode 21 may contain Fe 2 O 3 or SiO 2 in addition to these materials. The thickness of the fuel electrode 21 may be 50 μm to 500 μm.

また、燃料極21は、微粒のNiOとYSZからなる緻密な燃料極活性層と、ガス透過性に優れる多孔の燃料極集電層の2層に分かれていても良い。燃料極活性層は、固体電解質層22と燃料極集電層の間に設けられる。燃料極活性層は、燃料極21側での電極反応を促進させ、電極反応抵抗を低く抑える機能を有する。燃料極活性層の厚みは、5μm〜30μmが好ましい。   The fuel electrode 21 may be divided into two layers, a dense fuel electrode active layer made of fine particles of NiO and YSZ, and a porous fuel electrode current collecting layer excellent in gas permeability. The anode active layer is provided between the solid electrolyte layer 22 and the anode current collecting layer. The fuel electrode active layer has a function of promoting electrode reaction on the fuel electrode 21 side and suppressing electrode reaction resistance to a low level. The thickness of the anode active layer is preferably 5 μm to 30 μm.

固体電解質層22は、燃料極21と空気極24との間に配置されており、その一部は、2つの発電部20の燃料極21間において支持基板10上に形成されている。固体電解質層22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22は、ジルコニアの他に、Y23及び/又はSc23等の添加剤を含むことができる。これらの添加剤は、安定剤として機能する。固体電解質層22における添加剤の添加量は、3〜20mol%程度である。すなわち、固体電解質層22の材料としては、3YSZ、8YSZ及び10YSZ等のイットリア安定化ジルコニア;並びにScSZ(スカンジア安定化ジルコニア);等のジルコニア系材料が挙げられる。固体電解質層22の厚みは、3μm以上、50μm以下が好適である。 The solid electrolyte layer 22 is disposed between the fuel electrode 21 and the air electrode 24, and a part of the solid electrolyte layer 22 is formed on the support substrate 10 between the fuel electrodes 21 of the two power generation units 20. The solid electrolyte layer 22 can contain zirconia (ZrO 2 ) as a main component. The solid electrolyte layer 22 can contain additives such as Y 2 O 3 and / or Sc 2 O 3 in addition to zirconia. These additives function as stabilizers. The addition amount of the additive in the solid electrolyte layer 22 is about 3 to 20 mol%. That is, examples of the material for the solid electrolyte layer 22 include zirconia-based materials such as yttria-stabilized zirconia such as 3YSZ, 8YSZ, and 10YSZ; and ScSZ (scandia-stabilized zirconia). The thickness of the solid electrolyte layer 22 is preferably 3 μm or more and 50 μm or less.

反応防止層23は、固体電解質層22上に形成される。反応防止層23は、セリア(酸化セリウム)を主成分として含んでもよい。具体的に、反応防止層23の材料としては、セリア及びセリアに固溶した希土類金属酸化物を含むセリア系材料が挙げられる。セリア系材料としては、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)等が挙げられる。反応防止層23の厚みは、3μm以上、50μm以下が好適である。 The reaction preventing layer 23 is formed on the solid electrolyte layer 22. The reaction preventing layer 23 may contain ceria (cerium oxide) as a main component. Specifically, examples of the material for the reaction preventing layer 23 include ceria and a ceria-based material containing a rare earth metal oxide solid-dissolved in ceria. Examples of the ceria-based material include GDC ((Ce, Gd) O 2 : Gadolinium doped ceria), SDC ((Ce, Sm) O 2 : samarium doped ceria) and the like. The thickness of the reaction preventing layer 23 is preferably 3 μm or more and 50 μm or less.

空気極24は、反応防止層23上において反応防止層23の外縁を越えないように配置される。空気極24は、カソードとして機能する。空気極24は、例えば、ランタン含有ペロブスカイト型複合酸化物によって構成されていてもよい。ランタン含有ペロブスカイト型複合酸化物としては、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などが挙げられる。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。空気極24の厚みは、10μm以上、100μm以下が好適である。   The air electrode 24 is disposed on the reaction preventing layer 23 so as not to exceed the outer edge of the reaction preventing layer 23. The air electrode 24 functions as a cathode. The air electrode 24 may be made of, for example, a lanthanum-containing perovskite complex oxide. Examples of the lanthanum-containing perovskite complex oxide include LSCF (lanthanum strontium cobalt ferrite), lanthanum manganite, lanthanum cobaltite, and lanthanum ferrite. The lanthanum-containing perovskite complex oxide may be doped with strontium, calcium, chromium, cobalt, iron, nickel, aluminum, or the like. The thickness of the air electrode 24 is preferably 10 μm or more and 100 μm or less.

1−3.インターコネクタ30
インターコネクタ30は、燃料極21上に形成される。インターコネクタ30は、一つ目の発電部20から延長している集電部40と、2つ目の発電部20の燃料極21に接続されており、これによって2つの発電部20が電気的に直列接続されている。インターコネクタ30は、ペロブスカイト型複合酸化物を主成分として含有する。特に、インターコネクタ30に用いられるペロブスカイト型複合酸化物としては、ランタンクロマイト(LaCrO3)などのクロマイト系材料、SrTiO3などのチタネート系材料が挙げられる。インターコネクタ30の厚みは、10μm以上、100μm以下が好適である。
1-3. Interconnector 30
The interconnector 30 is formed on the fuel electrode 21. The interconnector 30 is connected to a current collector 40 extending from the first power generation unit 20 and a fuel electrode 21 of the second power generation unit 20, whereby the two power generation units 20 are electrically connected. Are connected in series. The interconnector 30 contains a perovskite complex oxide as a main component. In particular, examples of the perovskite complex oxide used for the interconnector 30 include chromite materials such as lanthanum chromite (LaCrO 3 ) and titanate materials such as SrTiO 3 . The thickness of the interconnector 30 is preferably 10 μm or more and 100 μm or less.

また、インターコネクタ30と集電層40の間に両材料間の接続を確実なものにするための層を設けても良い。同じく、インターコネクタ30と燃料極21の間に両材料間の接続を確実なものにするための層を設けても良い。   Further, a layer may be provided between the interconnector 30 and the current collecting layer 40 for ensuring the connection between the two materials. Similarly, a layer may be provided between the interconnector 30 and the fuel electrode 21 to ensure the connection between both materials.

1−4.集電部40
集電部40は、空気極24から、その空気極24を備える発電部20に隣接する発電部20上のインターコネクタ30までを覆うように形成され、インターコネクタ30と発電部20とを電気的に直列接続している。集電部40は、導電性を有すればよく、例えばインターコネクタ30や空気極24と同様の材料で構成することができる。集電部40の厚みは、50μm以上、500μm以下が好適である。
1-4. Current collector 40
The current collector 40 is formed so as to cover from the air electrode 24 to the interconnector 30 on the power generator 20 adjacent to the power generator 20 including the air electrode 24, and electrically connects the interconnector 30 and the power generator 20. Are connected in series. The current collector 40 only needs to have conductivity, and can be made of the same material as the interconnector 30 and the air electrode 24, for example. The thickness of the current collector 40 is preferably 50 μm or more and 500 μm or less.

2.セル100の製造方法
2−1.支持基板10の形成
支持基板10は、圧粉成形によって形成可能である。すなわち、支持基板10は、支持基板10の材料が混合された粉末を型に入れ、圧縮することで圧粉体を成形する工程を含む。
2. 2. Manufacturing method of cell 100 2-1. Formation of Support Substrate 10 The support substrate 10 can be formed by compacting. That is, the support substrate 10 includes a step of forming a green compact by putting powder mixed with the material of the support substrate 10 into a mold and compressing the powder.

支持基板10の材料としては、上述のとおり、84.5モル%以上95.5モル%以下のMgOと、4.5モル%以上9.5モル%以下のY23と、0モル%以上11.0モル%以下のNiOとを主成分として含有する材料を用いることができる。このような材料には、Fe23、SiO2、B23、Al23などが副成分として含まれていてもよい。圧粉成形時に粉末にかけられる圧力は、支持基板10が充分な剛性を有するように設定されればよい。 As described above, the material of the support substrate 10 is 84.5 mol% or more and 95.5 mol% or less of MgO, 4.5 mol% or more and 9.5 mol% or less of Y 2 O 3 , and 0 mol% or more and 11.0 mol% or less of NiO. Can be used as a main component. Such a material may contain Fe 2 O 3 , SiO 2 , B 2 O 3 , Al 2 O 3 and the like as subcomponents. The pressure applied to the powder at the time of compacting may be set so that the support substrate 10 has sufficient rigidity.

また、ガス流路10aは、焼成によって消失するセルロースシートなどを粉体の内部に埋設した状態で圧粉成形を行い、その後に焼成を行うことによって形成される。   Moreover, the gas flow path 10a is formed by performing compaction molding in a state where a cellulose sheet or the like that disappears by firing is embedded in the powder, and then performing firing.

2−2.燃料極21の形成
燃料極21は、圧粉成形によって形成可能である。すなわち、燃料極21は、燃料極21の材料が混合された粉末を型に入れ、圧縮して、圧粉体を成形することを含んでもよい。また、燃料極21は印刷法により形成可能である。すなわち、燃料極21の材料を含むペーストを用い、支持基板10の上へスクリーン印刷法で燃料極21を形成しても良い。燃料極21の材料としては、上述のとおり、例えば、酸化ニッケル、ジルコニア、及び必要に応じて造孔材が用いられる。造孔材とは、燃料極中に空孔を設けるための添加剤である。造孔材としては、後の工程で消失する材料が用いられる。このような材料として、例えばセルロース粉末が挙げられる。
2-2. Formation of Fuel Electrode 21 The fuel electrode 21 can be formed by compacting. That is, the fuel electrode 21 may include forming a green compact by putting powder mixed with the material of the fuel electrode 21 into a mold and compressing the powder. The fuel electrode 21 can be formed by a printing method. That is, the fuel electrode 21 may be formed on the support substrate 10 by screen printing using a paste containing the material of the fuel electrode 21. As the material of the fuel electrode 21, as described above, for example, nickel oxide, zirconia, and, if necessary, a pore former are used. The pore former is an additive for providing pores in the fuel electrode. As the pore former, a material that disappears in a later step is used. An example of such a material is cellulose powder.

2−3.固体電解質層22の形成
固体電解質層22は、例えば、CIP(cold isostatic pressing)、熱圧着、又はスラリーディップ法によって形成可能である。固体電解質層22の材料は、上述のとおり、3YSZ、8YSZ及び10YSZ等のイットリア安定化ジルコニア;並びにScSZ(スカンジア安定化ジルコニア);等のジルコニア系材料が挙げられる。なお、CIP法におけるシートの圧着時の圧力は、好ましくは50〜300MPaである。
2-3. Formation of Solid Electrolyte Layer 22 The solid electrolyte layer 22 can be formed by, for example, CIP (cold isostatic pressing), thermocompression bonding, or slurry dip method. Examples of the material of the solid electrolyte layer 22 include zirconia-based materials such as yttria-stabilized zirconia such as 3YSZ, 8YSZ, and 10YSZ; and ScSZ (scandia-stabilized zirconia). In addition, the pressure at the time of pressure bonding of the sheet in the CIP method is preferably 50 to 300 MPa.

2−4.反応防止層23の形成
反応防止層23は、スラリーディップ法などによって形成可能である。反応防止層23の材料としては、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)等が挙げられる。
2-4. Formation of Reaction Prevention Layer 23 The reaction prevention layer 23 can be formed by a slurry dip method or the like. Examples of the material of the reaction preventing layer 23 include GDC ((Ce, Gd) O 2 : Gadolinium doped ceria), SDC ((Ce, Sm) O 2 : Samarium doped ceria) and the like.

2−5.焼成
圧粉成形された支持基板10、燃料極21、固体電解質層22及び反応防止層23の共焼成(共焼結)を含む。焼成の温度及び時間は、セルの材料等に応じて設定される。
2-5. Firing includes co-firing (co-sintering) of the support substrate 10, the fuel electrode 21, the solid electrolyte layer 22, and the reaction prevention layer 23 that have been compacted. The firing temperature and time are set according to the cell material and the like.

2−6.空気極24の形成
空気極24は、例えば、燃料極21、電解質層22、及び反応防止層23の積層体(焼成体)上に、印刷法等によって空気極24の材料の層を形成した後、焼成することで形成される。
2-6. Formation of the air electrode 24 After the air electrode 24 is formed, for example, on the laminate (fired body) of the fuel electrode 21, the electrolyte layer 22, and the reaction prevention layer 23, a material layer of the air electrode 24 is formed by a printing method or the like. It is formed by firing.

2−7.集電部40の形成
集電部40は、例えば、燃料極21、電解質層22、及び反応防止層23の積層体(焼成体)上に、印刷法、スラリーディップ法によって集電部40の材料の層を形成した後、焼成することで形成される。なお、空気極24と集電層40とは、個別に焼成することによって形成しても良いが、順次積層して一括で焼成することによって形成しても良い。
2-7. Formation of Current Collector 40 The current collector 40 is made of, for example, a material of the current collector 40 by a printing method or a slurry dip method on a laminate (fired body) of the fuel electrode 21, the electrolyte layer 22, and the reaction preventing layer 23. After the layer is formed, it is formed by firing. The air electrode 24 and the current collecting layer 40 may be formed by firing separately, or may be formed by sequentially stacking and firing together.

3.作用及び効果
本発明者らは、従来のセルを用いて高温発電動作を繰り返した場合に支持基板と発電部との界面付近に発生するクラックが、支持基板中のNiOがNiに還元されることに応じて支持基板の体積が膨張するためであることを新たに見出した。
3. Actions and Effects When the high temperature power generation operation is repeated using a conventional cell, the inventors have confirmed that NiO in the support substrate is reduced to Ni due to cracks generated near the interface between the support substrate and the power generation unit. It was newly found out that the volume of the support substrate expands accordingly.

そこで、本実施形態に係るセル100において、支持基板10が含有する主組成物は、84.5モル%以上95.5モル%以下のMgOと、4.5モル%以上9.5モル%以下のY23と、0モル%以上11.0モル%以下のNiOと、によって構成されることとされている。 Therefore, in the cell 100 according to the present embodiment, the main composition contained in the support substrate 10 is 84.5 mol% to 95.5 mol% MgO, 4.5 mol% to 9.5 mol% Y 2 O 3 , and 0 It is supposed that it is comprised by NiO of mol%-11.0 mol%.

このように、MgOへのNiOの固溶量が制限されているので、MgOの結晶粒界に微細な粒子としてNiが析出する量を抑制できる。そのため、支持基板10と発電部20との界面付近にクラックが発生することを抑制することができる。   Thus, since the solid solution amount of NiO in MgO is limited, the amount of Ni precipitated as fine particles at the MgO crystal grain boundary can be suppressed. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of cracks near the interface between the support substrate 10 and the power generation unit 20.

また、NiOの固溶量を低減させる代わりに添加されるY23の添加量は、4.5モル%以上9.5モル%以下の適正な範囲に規定されている。 Moreover, the addition amount of Y 2 O 3 added instead of reducing the solid solution amount of NiO is defined in an appropriate range of 4.5 mol% or more and 9.5 mol% or less.

従って、支持基板10の熱膨張係数と発電部20の熱膨張係数との差が大きくなりすぎることを抑制できる。   Therefore, it can be suppressed that the difference between the thermal expansion coefficient of the support substrate 10 and the thermal expansion coefficient of the power generation unit 20 becomes too large.

1.実験例No.1〜No.10の作製
以下のようにして、支持基板を備える実験例No.1〜No.10に係る共焼成体を作製した。本実施例では、支持基板と発電部との界面におけるクラックの発生状況を確認できればよいため、支持基板と電解質層との共焼成体を作製した。
1. Production of Experimental Examples No. 1 to No. 10 Co-fired bodies according to Experimental Examples No. 1 to No. 10 including a support substrate were produced as follows. In this example, since it is only necessary to confirm the occurrence of cracks at the interface between the support substrate and the power generation unit, a co-fired body of the support substrate and the electrolyte layer was produced.

まず、下表1に記載の割合で実験例No.1〜No.10ごとに材料を秤量し、ポットミルで5時間混合した。その後、バインダーとしてポリビニルアルコール(PVA)を添加してさらに1時間混合することによってスラリーを作製した。なお、図4は、実験例No.1〜No.10のMgO-Y23-NiOの3成分系組成図である。 First, the materials were weighed for each of Experimental Examples No. 1 to No. 10 at the ratios shown in Table 1 below, and mixed in a pot mill for 5 hours. Then, a slurry was prepared by adding polyvinyl alcohol (PVA) as a binder and mixing for another hour. 4 is a ternary composition diagram of MgO—Y 2 O 3 —NiO in Experimental Examples No. 1 to No. 10.

次に、スラリーを乾燥機で乾燥させた後、目開き150μmの篩を通して造粒した。   Next, the slurry was dried with a dryer and granulated through a sieve having an opening of 150 μm.

次に、造粒された粉末を一軸プレス(成形圧:0.4tf/cm2)によって圧縮することによって、縦横20mm×20mm・厚さ3mmの板状圧粉体(支持基板)を成形した。 Next, the granulated powder was compressed by a uniaxial press (forming pressure: 0.4 tf / cm 2 ) to form a plate-like green compact (supporting substrate) having a length and width of 20 mm × 20 mm and a thickness of 3 mm.

次に、TZ-8Y(東ソー製)の粉末にバインダーとしてのポリビニルブチラール(PVB)と溶剤としてのテルピネオールとを添加してペーストを作製した。   Next, polyvinyl butyral (PVB) as a binder and terpineol as a solvent were added to a powder of TZ-8Y (manufactured by Tosoh) to prepare a paste.

次に、スクリーン印刷法を用いて支持基板上にペーストを塗布することによって、縦横15mm×15mm・厚さ20μmの電解質層を形成した。これによって、支持基板と電解質層との積層体が形成された。   Next, an electrolyte layer having a length and width of 15 mm × 15 mm and a thickness of 20 μm was formed by applying a paste on the support substrate using a screen printing method. As a result, a laminate of the support substrate and the electrolyte layer was formed.

次に、積層体を800℃で5hr脱脂した後、1500℃で2hrの本焼工程を経て支持基板と電解質層との共焼成体を得た。   Next, the laminate was degreased at 800 ° C. for 5 hours, and then subjected to a firing process at 1500 ° C. for 2 hours to obtain a co-fired body of the support substrate and the electrolyte layer.

2.還元処理の実施
実験例No.1〜No.10に係る共焼成体を炉に入れて、30℃の加湿H2を供給しながら800℃で2000時間の還元処理を行った。
2. Implementation of Reduction Treatment The co-fired bodies according to Experimental Examples No. 1 to No. 10 were placed in a furnace, and reduction treatment was performed at 800 ° C. for 2000 hours while supplying humidified H 2 at 30 ° C.

2000時間の還元処理後、実験例No.1〜No.10の電解質表面におけるクラックの発生状況を確認した。確認結果を下表1に示す。   After the reduction treatment for 2000 hours, the occurrence of cracks on the electrolyte surfaces of Experimental Examples No. 1 to No. 10 was confirmed. The confirmation results are shown in Table 1 below.

3.熱サイクル試験の実施
続いて、還元処理後の共焼成体を用いて、30℃で4%に加湿したH2を供給しながら熱サイクル試験を行った。熱サイクル試験は、室温〜800℃を300℃/hrで往復させることを1サイクルとして20サイクル実施した。
3. Next, a thermal cycle test was performed using the co-fired body after the reduction treatment while supplying H 2 humidified to 4% at 30 ° C. The thermal cycle test was performed 20 cycles, with one cycle consisting of reciprocating from room temperature to 800 ° C at 300 ° C / hr.

2000時間の還元処理及び熱サイクル試験の後、実験例No.1〜No.10の電解質表面におけるクラックの発生状況を確認した。確認結果を下表1に示す。   After 2000 hours of reduction treatment and thermal cycle test, the occurrence of cracks on the electrolyte surfaces of Experimental Examples No. 1 to No. 10 was confirmed. The confirmation results are shown in Table 1 below.

Figure 0004864171
Figure 0004864171

4.結果
上表1に示すように、2000時間の還元処理および熱サイクル試験の後、実験例No.8〜No.10において支持基板と電解質との界面にクラックが確認された。
4). Results As shown in Table 1 above, after 2000 hours of reduction treatment and thermal cycle test, cracks were confirmed at the interface between the support substrate and the electrolyte in Experimental Examples No. 8 to No. 10.

従って、図4に示すように、支持基板の材料の組成が、MgO-Y23-NiOの3成分系組成図上において、MgOがxモル%、Y23がyモル%、NiOがzモル%である点を(x、y、z)とするときに、(90.5、9.5、0.0)、(84.5、9.5、6.0)、(84.5、4.5、11.0)及び(95.5、4.5、0.0)を頂点とする四角形によって囲まれた領域内に入っていればよいことが確認された。 Therefore, as shown in FIG. 4, the composition of the material of the supporting substrate is MgO—Y 2 O 3 —NiO on the ternary composition diagram, MgO is x mol%, Y 2 O 3 is y mol%, NiO (X, y, z), (90.5, 9.5, 0.0), (84.5, 9.5, 6.0), (84.5, 4.5, 11.0) and (95.5, 4.5, 0.0) It has been confirmed that it suffices to be within an area surrounded by a rectangle with) as a vertex.

ここに開示される固体酸化物型燃料電池セルによれば、支持基板と発電部との界面付近におけるクラックの発生を抑制できるので、燃料電池分野において有用である。   The solid oxide fuel cell disclosed herein is useful in the field of fuel cells because the occurrence of cracks in the vicinity of the interface between the support substrate and the power generation unit can be suppressed.

100 横縞型燃料電池セル
10 支持基板
20 発電部
21 燃料極
22 固体電解質層
23 反応防止層
24 空気極
30 インターコネクタ
40 集電部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Horizontal stripe type fuel cell 10 Support substrate 20 Power generation part 21 Fuel electrode 22 Solid electrolyte layer 23 Reaction prevention layer 24 Air electrode 30 Interconnector 40 Current collection part

Claims (4)

燃料ガス流路を内部に有し、少なくともMgOとY23とを含む主組成物を含有する支持基板と、
前記支持基板上に形成され、燃料極と空気極と前記燃料極と前記空気極との間に配置される固体電解質層とを有する発電部と、
を備え、
前記主組成物は、
84.5モル%以上95.5モル%以下のMgOと、
4.5モル%以上9.5モル%以下のY23と、
0モル%以上11.0モル%以下のNiOと、
によって構成される、
固体酸化物型燃料電池セル。
A support substrate having a fuel gas flow path therein and containing a main composition containing at least MgO and Y 2 O 3 ;
A power generation unit formed on the support substrate and having a fuel electrode, an air electrode, and a solid electrolyte layer disposed between the fuel electrode and the air electrode;
With
The main composition is:
84.5 mol% or more and 95.5 mol% or less of MgO,
4.5 mol% or more and 9.5 mol% or less of Y 2 O 3 ,
0 to 11.0 mol% NiO,
Composed of,
Solid oxide fuel cell.
前記支持基板材料がNiOを含有する場合、NiOはMgOに固溶している、
請求項1に記載の固体酸化物型燃料電池セル。
When the support substrate material contains NiO, NiO is dissolved in MgO.
The solid oxide fuel cell according to claim 1.
前記支持基板材料は、Fe23、SiO2、B23、Al23のうち少なくとも一つを副組成物として含有する、
請求項1又は2に記載の固体酸化物型燃料電池セル。
The support substrate material contains at least one of Fe 2 O 3 , SiO 2 , B 2 O 3 , and Al 2 O 3 as a sub-composition.
The solid oxide fuel cell according to claim 1 or 2.
燃料ガス流路を内部に有し、少なくともMgOとY23とを含む主組成物を含有する支持基板と、
前記支持基板上に形成され、燃料極と空気極と前記燃料極と前記空気極との間に配置される固体電解質層とを有する発電部と、
を備え、
前記主組成物は、MgO-Y23-NiOの3成分系組成図上において、MgOがxモル%、Y23がyモル%、NiOがzモル%である点を(x、y、z)とするときに、(90.5、9.5、0.0)、(84.5、9.5、6.0)、(84.5、4.5、11.0)及び(95.5、4.5、0.0)を頂点とする四角形によって囲まれた領域内の組成を有する、
固体酸化物型燃料電池セル。
A support substrate having a fuel gas flow path therein and containing a main composition containing at least MgO and Y 2 O 3 ;
A power generation unit formed on the support substrate and having a fuel electrode, an air electrode, and a solid electrolyte layer disposed between the fuel electrode and the air electrode;
With
On the ternary composition diagram of MgO—Y 2 O 3 —NiO, the main composition is such that MgO is x mol%, Y 2 O 3 is y mol%, and NiO is z mol% (x, (y, z), a region surrounded by a rectangle with (90.5, 9.5, 0.0), (84.5, 9.5, 6.0), (84.5, 4.5, 11.0) and (95.5, 4.5, 0.0) as vertices Having a composition within,
Solid oxide fuel cell.
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