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JP2008053045A - Solid electrolyte fuel cell and manufacturing method thereof - Google Patents

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JP2008053045A
JP2008053045A JP2006227976A JP2006227976A JP2008053045A JP 2008053045 A JP2008053045 A JP 2008053045A JP 2006227976 A JP2006227976 A JP 2006227976A JP 2006227976 A JP2006227976 A JP 2006227976A JP 2008053045 A JP2008053045 A JP 2008053045A
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Abstract

【課題】同時焼成が容易で、導電性の劣化が少なく、低コストを実現できる固体電解質形燃料電池及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】固体電解質形燃料電池スタック1は、固体電解質体7とインターコネクタ5のセラミック基体13と外側コネクタ6のセラミック基体21とは、同一の組成のSc安定化ジルコニア固溶体から形成されており、また、ビア19と取出電極23とは、同一組成の導電体、即ちAg−Pd(Pd:30mol%)の金属材料から構成されている。
【選択図】図1
To provide a solid oxide fuel cell that can be co-fired easily, has little deterioration in conductivity, and can be realized at a low cost, and a method for manufacturing the same.
In a solid electrolyte fuel cell stack 1, a solid electrolyte body 7, a ceramic base 13 of an interconnector 5, and a ceramic base 21 of an outer connector 6 are formed of an Sc-stabilized zirconia solid solution having the same composition. The via 19 and the extraction electrode 23 are made of a conductor having the same composition, that is, a metal material of Ag—Pd (Pd: 30 mol%).
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、固体電解質形燃料電池セル及びコネクタを備えた固体電解質形燃料電池及びその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell having a solid oxide fuel cell and a connector, and a method for manufacturing the same.

従来より、燃料電池として、固体電解質(固体酸化物)を用いた固体酸化物形燃料電池(以下SOFCとも記す)が知られている。
このSOFCでは、発電単位として、例えば固体電解質体の一方の側に燃料ガスに接する燃料極を設けるとともに、他方の側に空気と接する空気極を設けた固体酸化物形燃料電池セルが(SOFCセル)使用されており、このSOFCセルを複数積層した固体酸化物形燃料電池スタック(SOFCスタック)が開発されている。
Conventionally, a solid oxide fuel cell (hereinafter also referred to as SOFC) using a solid electrolyte (solid oxide) is known as a fuel cell.
In this SOFC, as a power generation unit, for example, a solid oxide fuel cell having a fuel electrode in contact with fuel gas on one side of a solid electrolyte body and an air electrode in contact with air on the other side is provided (SOFC cell). A solid oxide fuel cell stack (SOFC stack) in which a plurality of SOFC cells are stacked has been developed.

また、SOFCスタックでは、セル間の導通を確保したり、セル間のガス流路を分離するために、導電性を有する例えば板状のインターコネクタが使用されている。
上述したSOFCのセル形状としては、円筒形、平板形、モノリス形などが知られており、このうち、モノリス形SOFCは、セラミックグリーンシートの状態で、固体電解質体とインターコネクタとを積層して焼成する、いわゆる一体焼結型SOFCである(特許文献1参照)。
Further, in the SOFC stack, for example, a plate-like interconnector having conductivity is used in order to ensure conduction between cells or to separate gas flow paths between cells.
As the above-mentioned SOFC cell shape, a cylindrical shape, a flat plate shape, a monolith shape, and the like are known. Of these, the monolith type SOFC is a ceramic green sheet in which a solid electrolyte body and an interconnector are laminated. It is a so-called integrally sintered SOFC that is fired (see Patent Document 1).

このモノリス形SOFCは、セル間の接続信頼性が高く、かつガスシール性が高くなるので、優れたスタック構造であると考えられる。
しかし、モノリス形SOFCの場合には、SOFCセルとインターコネクタとを同時焼成せねばならず、互いの材料の焼成温度を合わせることが重要になる。そのため、使用できる材料の組み合わせが限られていた。
This monolithic SOFC is considered to have an excellent stack structure because the connection reliability between cells is high and the gas sealing property is high.
However, in the case of a monolithic SOFC, the SOFC cell and the interconnector must be fired simultaneously, and it is important to match the firing temperatures of the materials. Therefore, the combination of materials that can be used has been limited.

例えば引用文献2では、インターコネクタにランタンクロマイトを用いる手法が開示されている。また、引用文献3では、電子伝導性の無いセラミックスに導電性ビアを形成することで、インターコネクタに導電性を付与し、導電性ビアとして、ランタンマンガナイトやNiOサーメットを用いている。更に、引用文献4では、導電性ビアにPtを用いている。
特表平6−502957号公報 特開平6−68885号公報 特開平5−94828号公報 特開2003−132914号公報
For example, Patent Document 2 discloses a technique using lanthanum chromite for an interconnector. Further, in Cited Document 3, a conductive via is formed in a ceramic having no electronic conductivity to impart conductivity to the interconnector, and lanthanum manganite or NiO cermet is used as the conductive via. Further, in the cited document 4, Pt is used for the conductive via.
Japanese translation of PCT publication No. 6-502957 JP-A-6-68885 Japanese Patent Laid-Open No. 5-94828 JP 2003-132914 A

しかしながら、上述したランタンクロマイトを用いる手法は、ランタンクロマイトが難焼結性材料であるため、同時焼成が困難であるという問題がある。
また、導電性ビアに、ランタンマンガンナイトやNiOサーメットを用いる手法は、同材料が雰囲気によっては導電性が低下するため、SOFCの長期運転環境では、導電性を維持できないという問題がある。
However, the above-described method using lanthanum chromite has a problem that simultaneous firing is difficult because lanthanum chromite is a hardly sinterable material.
In addition, the method of using lanthanum manganese nitrite or NiO cermet for the conductive via has a problem that the conductivity cannot be maintained in the long-term operation environment of SOFC because the conductivity of the same material decreases depending on the atmosphere.

更に、導電性ビアを、Ptビアとした場合には、Ptは雰囲気依存性が殆どないものの、Ptは高価であるという問題があった。
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、同時焼成が容易で、導電性の劣化が少なく、低コストを実現できる固体電解質形燃料電池及びその製造方法を提供することにある。
Further, when the conductive via is a Pt via, there is a problem that Pt is expensive although Pt has almost no atmospheric dependency.
The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell that can be co-fired easily, has little deterioration in conductivity, and can realize low cost, and a method for manufacturing the same. It is to provide.

(1)請求項1の発明は、燃料ガスに接する燃料極と酸化剤ガスに接する空気極と固体電解質体(酸素イオン導電性セラミックス)とを備えた固体電解質形燃料電池セルと、前記固体電解質形燃料電池セルとの導通を確保するコネクタと、を備え、一体に焼結された固体電解質形燃料電池において、前記コネクタは、自身のセラミックス部分を貫いて前記燃料極又は空気極に電気的に接続されたビアを備え、前記ビアに充填されたビア導体は、Ag−Pd系の金属材料であることを特徴とする。   (1) The invention of claim 1 is a solid electrolyte fuel cell comprising a fuel electrode in contact with fuel gas, an air electrode in contact with oxidant gas, and a solid electrolyte body (oxygen ion conductive ceramics), and the solid electrolyte. A solid electrolyte fuel cell sintered integrally with the fuel cell, wherein the connector passes through its ceramic portion and is electrically connected to the fuel electrode or the air electrode. The via conductor provided with the connected via and filled in the via is made of an Ag—Pd-based metal material.

本発明は、一体焼結型の固体電解質形燃料電池(いわゆるモノリス形SOFC)に関するものであり、本発明では、コネクタには、絶縁性のセラミックス部分を貫いて、セル間(或いは例えばセルと外部と)の導通を確保する導電性を有するビアが形成されており、このビアに充填されたビア導体は、Ag−Pd系の金属材料である。   The present invention relates to an integrally sintered solid electrolyte fuel cell (so-called monolithic SOFC). In the present invention, a connector penetrates an insulating ceramic portion and is connected between cells (or, for example, a cell and an external device). And) vias having conductivity are secured, and the via conductor filled in the vias is an Ag-Pd-based metal material.

つまり、本発明では、ビア導体はAg−Pg系の金属であるので、導電率が雰囲気依存せず、しかも、Pt単体よりは低コストであるという利点がある。
また、本発明では、固体電解質形燃料電池は、一体焼結されて一体となっているので、高いシール性を有しており、従来の組み付け形のようなシール材が不要である。
That is, in the present invention, since the via conductor is an Ag—Pg metal, there is an advantage that the conductivity does not depend on the atmosphere, and the cost is lower than that of Pt alone.
In the present invention, since the solid oxide fuel cell is integrally sintered and integrated, it has a high sealing performance and does not require a sealing material as in the conventional assembly type.

尚、一体焼結されて一体になっていることは、固体電解質体とコネクタのセラミックス部分(セラミックス基体)とにおいて、互いのセラミックス組織が連続して一体となっていることから分かる。特に、固体電解質体とコネクタのセラミックス部分とが同種のものの場合、通常は、互いにセラミックス組織は完全に同一になり、界面は消失する。   In addition, it is understood from the fact that the respective ceramic structures are continuously integrated in the solid electrolyte body and the ceramic portion (ceramic base) of the connector. In particular, when the solid electrolyte body and the ceramic portion of the connector are of the same type, the ceramic structures are usually completely the same and the interface disappears.

・前記燃料極や空気極の材料としては、公知のものを使用できるが、特に、金属材料又は金属材料とセラミックスとの複合体であることが望ましい。これは、金属材料とすることで、焼成時の割れや反りを抑制できるからである。   A known material can be used as the material for the fuel electrode and the air electrode, but a metal material or a composite of a metal material and ceramics is particularly desirable. This is because cracks and warpage during firing can be suppressed by using a metal material.

金属材料としては、Pt、Pd、Ag、Au、Cu、Ni、W、Mo、Fe、Co、及びこれらの合金などを用いることができる。このうち、特にPtが好ましい。Ptは融点が高く、セラミックスとの同時焼成が容易だからである。   As the metal material, Pt, Pd, Ag, Au, Cu, Ni, W, Mo, Fe, Co, and alloys thereof can be used. Of these, Pt is particularly preferable. This is because Pt has a high melting point and can be easily co-fired with ceramics.

金属材料とセラミックスとの複合体とする場合、セラミックスとしては公知のもの、例えばアルミナ、シリカ、ジルコニア、セリア、カルシア、マグネシア、スピネル等が使用できる。特に、固体電解質体と同じものであると、同時焼成が容易に行えるようになり、また電極性能が向上するので望ましい。   When a composite of a metal material and ceramics is used, known ceramics such as alumina, silica, zirconia, ceria, calcia, magnesia, spinel and the like can be used. In particular, it is desirable that the same as the solid electrolyte body, since simultaneous firing can be easily performed and the electrode performance is improved.

・ビア導体としては、Ag−Pd金属単体でもよく、セラミックスとの複合体でもよい。セラミックスとの複合体とする場合、セラミックスとしては公知のもの、例えばアルミナ、シリカ、ジルコニア、スピネル等が使用できる。特に、固体電解質体と同じものであると、同時焼成が容易に行えるようになり望ましい。   The via conductor may be a single Ag—Pd metal or a composite with ceramics. In the case of a composite with ceramics, known ceramics such as alumina, silica, zirconia, spinel and the like can be used. In particular, it is desirable that the same as the solid electrolyte body, since simultaneous firing can be easily performed.

尚、固体電解質形燃料電池としては、通常は、前記固体電解質形燃料電池セルが複数積層された固体電解質形燃料電池スタックが用いられる。
(2)請求項2の発明では、前記Ag−Pd系の組成は、Ag−Pdの金属全体を100mol%とした場合、Pdが20〜40mol%の範囲であることを特徴とする。
In general, a solid oxide fuel cell stack in which a plurality of the solid electrolyte fuel cells are stacked is used as the solid electrolyte fuel cell.
(2) In the invention of claim 2, the Ag-Pd composition is characterized in that Pd is in the range of 20 to 40 mol% when the total metal of Ag-Pd is 100 mol%.

本発明は、Ag−Pd系金属材料の好ましい組成を例示したものである。
この様に規定したのは、Pd含有量が20mol%より少ないと、融点が低く、固体電解質体の材料と一体焼結する際に、金属が溶融して電極が形成できないことがあるからである。一方、Pd含有量が40mol%より多いと、合金が高価になってしまうからである。
The present invention exemplifies a preferred composition of the Ag—Pd metal material.
The reason for this is that if the Pd content is less than 20 mol%, the melting point is low, and the metal may melt to form an electrode when integrally sintered with the material of the solid electrolyte body. . On the other hand, if the Pd content is more than 40 mol%, the alloy becomes expensive.

(3)請求項3の発明では、前記固体電解質体が、Sc安定化ジルコニアを主成分とすることを特徴とする。
Sc安定化ジルコニアは、焼結温度が低く、導電性が高く、他材料との反応性が低いので、固体電解質体として好適である。このSc安定化ジルコニアは、ジルコニアにScを固溶させて酸素イオン導電性を付与したものである。
(3) The invention of claim 3 is characterized in that the solid electrolyte body is mainly composed of Sc-stabilized zirconia.
Sc-stabilized zirconia is suitable as a solid electrolyte because it has a low sintering temperature, high conductivity, and low reactivity with other materials. This Sc-stabilized zirconia is obtained by adding oxygen ion conductivity by dissolving Sc in zirconia.

Sc安定化ジルコニアのSc固溶量は、3〜12mol%のものを使用できるが、特に10mol%のものは、酸素イオン導電性が高く望ましい。また、Sc以外の他の元素(例えばCe、Al、Gd等公知のもの)を含有していてもよく、特にCeを含有していると、酸素イオン導電性が安定するため望ましい。   The Sc solid solution amount of Sc-stabilized zirconia can be 3 to 12 mol%, but 10 mol% is particularly preferable because of high oxygen ion conductivity. Moreover, elements other than Sc (for example, known elements such as Ce, Al, Gd) may be contained, and in particular, containing Ce is desirable because oxygen ion conductivity is stabilized.

(4)請求項4の発明では、前記固体電解質体が、1050〜1250℃で焼結可能なセラミックスであることを特徴とする。
これにより、従来より低温での一体焼結が可能となる。この1050〜1250℃で焼結可能なセラミックス(酸素イオン導電性セラミックス)としては、GaやAlなどの焼結助剤を添加した、YSZ(Y安定化ジルコニア)、ScSZ(Sc安定化ジルコニア)、GDC(GdをドープしたCe)、SDC(SmをドープしたCe)、ペロブスカイト酸化物などが挙げられる。
(4) The invention of claim 4 is characterized in that the solid electrolyte body is a ceramic that can be sintered at 1050 to 1250 ° C.
As a result, it is possible to perform integrated sintering at a lower temperature than in the past. As the ceramics (oxygen ion conductive ceramics) that can be sintered at 1050 to 1250 ° C., YSZ (Y-stabilized zirconia), ScSZ (Sc-stabilized zirconia), added with a sintering aid such as Ga and Al, Examples thereof include GDC (Gd-doped Ce), SDC (Sm-doped Ce), and perovskite oxide.

(5)請求項5の発明では、前記コネクタが、1050〜1250℃で焼結可能なセラミックスであることを特徴とする。
これにより、従来より低温での一体焼結が可能となる。このコネクタとしては、焼結助剤を添加した、アルミナ、シリカ、スピネル、ジルコニア、ガラスセラミックスなどが使用できる。特に、固体電解質体と同種の材料であると、焼結温度のほか熱膨張係数も同じになるため望ましい。
(5) The invention of claim 5 is characterized in that the connector is a ceramic that can be sintered at 1050 to 1250 ° C.
As a result, it is possible to perform integrated sintering at a lower temperature than in the past. As this connector, alumina, silica, spinel, zirconia, glass ceramics or the like to which a sintering aid is added can be used. In particular, a material of the same kind as the solid electrolyte body is desirable because the thermal expansion coefficient is the same as the sintering temperature.

(6)請求項6の発明では、前記コネクタは、前記固体電解質形燃料電池セル同士を電気的に接続するインターコネクタであることを特徴とする。
本発明は、コネクタを例示したものである。このインターコネクタとは、例えばセルに交互に積層して、セルに酸化剤ガス及び燃料ガスを分離供給する機能と、セルにて発電した電気をセル間で接続する機能を有するものである。このインターコネクタのセラミックス部分にてガスの流路を構成でき、ビアに充填した導体(ビア導体)にて電気的導電性を付与する。
(6) The invention of claim 6 is characterized in that the connector is an interconnector for electrically connecting the solid oxide fuel cells.
The present invention illustrates a connector. The interconnector has, for example, a function of alternately stacking cells and separating and supplying oxidant gas and fuel gas to the cells and a function of connecting electricity generated by the cells between the cells. A gas flow path can be formed by the ceramic portion of the interconnector, and electrical conductivity is imparted by a conductor filled in the via (via conductor).

(7)請求項7の発明では、前記コネクタは、前記固体電解質形燃料電池の端部に配置された固体電解質形燃料電池セルと外部とを電気的に接続する外側コネクタであることを特徴とする。   (7) In the invention of claim 7, the connector is an outer connector for electrically connecting a solid oxide fuel cell disposed at an end of the solid oxide fuel cell and the outside. To do.

本発明は、コネクタを例示したものである。これにより、例えばスタックの積層方向の端部から外部に容易に電気を取り出すことができる。
(8)請求項8の発明では、前記外側コネクタの取出電極(電気を電池外に取り出すための電極)は、Ag−Pd系の金属材料を主成分とすることを特徴とする。
The present invention illustrates a connector. Thereby, for example, electricity can be easily taken out from the end of the stacking direction of the stack.
(8) The invention according to claim 8 is characterized in that the takeout electrode (electrode for taking out electricity from the battery) of the outer connector contains an Ag—Pd-based metal material as a main component.

本発明では、外側コネクタの取出電極として、Ag−Pd系の金属材料を用いているので、導電性が低下し難く、低コストである。
(9)請求項9の発明(固体電解質形燃料電池の製造方法)は、1050〜1250℃で焼結可能な固体電解質体用のセラミックグリーンシートの表裏に、電極用ペーストを印刷して未焼成の固体電解質形燃料電池セルを形成するとともに、1050〜1250℃で焼結可能なコネクタ用のセラミックグリーンシートに設けた貫通孔に、Ag−Pd系のビア導体用ペーストを穴埋めして未焼成のコネクタを形成し、前記未焼成の固体電解質形燃料電池セルと前記未焼成のコネクタとを積層圧着して積層体を形成した後に、前記積層体を1050〜1250℃で焼成することを特徴とする。
In the present invention, since the Ag—Pd-based metal material is used as the extraction electrode of the outer connector, the conductivity is hardly lowered and the cost is low.
(9) The invention of claim 9 (a method for producing a solid electrolyte fuel cell) prints an electrode paste on the front and back of a ceramic green sheet for a solid electrolyte body that can be sintered at 1050 to 1250 ° C. and is not fired A solid electrolyte fuel cell is formed, and an Ag-Pd via conductor paste is filled in a through hole provided in a ceramic green sheet for a connector that can be sintered at 1050 to 1250 ° C. A connector is formed, the unfired solid electrolyte fuel cell and the unfired connector are laminated and pressure-bonded to form a laminate, and then the laminate is fired at 1050 to 1250 ° C. .

固体電解質体とコネクタとを同時焼成するモノリス形SOFCの場合、通常、1300℃以上(例えば1400℃程度)で焼成するのが一般的である。この焼成温度に耐え、且つ、酸化雰囲気でも酸化しない金属はPtしか存在しない。Pt以外でモノリス形SOFCを製造する場合には、焼成温度を下げる必要があるが、焼成温度を下げると、緻密な固体電解質体やコネクタが得られにくく、SOFCとして機能が得ることが難しい。   In the case of a monolithic SOFC in which the solid electrolyte body and the connector are fired simultaneously, it is generally fired at 1300 ° C. or higher (for example, about 1400 ° C.). Only Pt is a metal that can withstand this firing temperature and does not oxidize even in an oxidizing atmosphere. In the case of producing a monolithic SOFC other than Pt, it is necessary to lower the firing temperature. However, if the firing temperature is lowered, it is difficult to obtain a dense solid electrolyte body or connector, and it is difficult to obtain a function as SOFC.

本発明では、固体電解質体及びコネクタの材料として、従来よりも低い温度で焼成可能な材料を用いる。例えばY安定化ジルコニアより焼結性が高いSc安定化ジルコニアなどを用いたり、原料粉末の比表面積を大きくすることで、焼成温度を低めることが可能なので、1050〜1250℃程度でも焼結可能な材料を用いている。これにより、同時焼成の際に、融点が低いAg−Pd系の金属材料を使用可能としている。   In the present invention, as a material for the solid electrolyte body and the connector, a material that can be fired at a temperature lower than the conventional one is used. For example, by using Sc-stabilized zirconia, which has higher sinterability than Y-stabilized zirconia, or by increasing the specific surface area of the raw material powder, the firing temperature can be lowered. Material is used. This makes it possible to use an Ag—Pd-based metal material having a low melting point during simultaneous firing.

ここで、焼成温度は、1050〜1250℃(望ましくは1100〜1200℃)であるが、それは、1050℃より低いと固体電解質体やコネクタの焼結が困難であり、1250℃以上であるとAg−Pd系金属の融点以上となり、ビア形状の維持ができないからである。   Here, the firing temperature is 1050 to 1250 ° C. (preferably 1100 to 1200 ° C.), but if it is lower than 1050 ° C., it is difficult to sinter the solid electrolyte body and the connector, and Ag is 1250 ° C. or higher. This is because the melting point of the —Pd-based metal is exceeded and the via shape cannot be maintained.

本発明の製造方法によって、前記請求項1〜8のいずれかに記載の固体電解質形燃料電池などを、低コストで、低い焼成温度にて容易に製造することができる。
尚、固体電解質体用のセラミックグリーンシートを、粉末を原料として製造する際に、Sc安定化ジルコニアを用いる場合には、Sc安定化ジルコニアの粉末は、その比表面積(BET)が5〜20m2/g(特に8〜12m2/g)のものが望ましい。これは、比表面積が小さ過ぎる粉末であると焼結が進みにくく、逆に比表面積が大きすぎるとグリーンシートが作製し難いからである。
By the production method of the present invention, the solid electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 8 can be easily produced at a low firing temperature at a low cost.
When the ceramic green sheet for a solid electrolyte body is manufactured using powder as a raw material, when using Sc-stabilized zirconia, the powder of Sc-stabilized zirconia has a specific surface area (BET) of 5 to 20 m 2. / G (particularly 8 to 12 m 2 / g) is desirable. This is because if the powder has a specific surface area that is too small, sintering is difficult to proceed, and conversely if the specific surface area is too large, it is difficult to produce a green sheet.

・尚、前記固体電解質体は、電池の作動時に燃料極に導入される燃料ガス又は空気極に導入される酸化剤ガスのうちの一方の一部をイオンとして移動させることができるイオン伝導性を有する。このイオンとしては、例えば酸素イオン及び水素イオン等が挙げられる。また、燃料極は、還元剤となる燃料ガスと接触し、セルにおける負電極として機能する。空気極は、酸化剤となる酸化剤ガスと接触し、セルにおける正電極として機能する。   In addition, the solid electrolyte body has ion conductivity that can move one part of the fuel gas introduced into the fuel electrode or the oxidant gas introduced into the air electrode as ions when the battery is operated. Have. Examples of the ions include oxygen ions and hydrogen ions. Further, the fuel electrode comes into contact with the fuel gas that becomes the reducing agent and functions as a negative electrode in the cell. The air electrode is in contact with an oxidant gas serving as an oxidant and functions as a positive electrode in the cell.

・そして、前記固体電解質形燃料電池を用いて発電を行う場合、燃料極側には燃料ガスを導入し、空気極側には酸化剤ガスを導入する。
燃料ガスとしては、水素、還元剤となる炭化水素、水素と炭化水素との混合ガス、及びこれらのガスを所定温度の水中を通過させ加湿した燃料ガス、これらのガスに水蒸気を混合させた燃料ガス等が挙げられる。炭化水素は特に限定されず、例えば、天然ガス、ナフサ、石炭ガス化ガス等が挙げられる。この燃料ガスとしては水素が好ましい。これらの燃料ガスは1種のみを用いてもよいし、2種以上を併用することもできる。また、50体積%以下の窒素及びアルゴン等の不活性ガスを含有していてもよい。
In the case where power generation is performed using the solid oxide fuel cell, a fuel gas is introduced to the fuel electrode side and an oxidant gas is introduced to the air electrode side.
As fuel gas, hydrogen, hydrocarbon as a reducing agent, mixed gas of hydrogen and hydrocarbon, fuel gas obtained by passing these gases through water at a predetermined temperature and humidified, and fuel obtained by mixing these gases with water vapor Gas etc. are mentioned. The hydrocarbon is not particularly limited, and examples thereof include natural gas, naphtha, and coal gasification gas. The fuel gas is preferably hydrogen. These fuel gas may use only 1 type and can also use 2 or more types together. Moreover, you may contain inert gas, such as nitrogen and argon of 50 volume% or less.

酸化剤ガスとしては、酸素と他の気体との混合ガス等が挙げられる。更に、この混合ガスには80体積%以下の窒素及びアルゴン等の不活性ガスが含有されていてもよい。これらの酸化剤ガスのうちでは安全であって、且つ安価であるため、空気(約80体積%の窒素が含まれている。)が好ましい。   Examples of the oxidizing gas include a mixed gas of oxygen and another gas. Further, the mixed gas may contain 80% by volume or less of an inert gas such as nitrogen and argon. Of these oxidant gases, air (containing about 80% by volume of nitrogen) is preferred because it is safe and inexpensive.

次に、本発明の最良の形態の例について説明する。
[実施形態]
a)本実施形態であるモノリス形固体電解質形燃料電池(詳しくはモノリス形固体電解質形燃料電池スタック:モノリス形SOFCスタック)の構成について、図1に基づいて説明する。
Next, an example of the best mode of the present invention will be described.
[Embodiment]
a) A configuration of a monolithic solid electrolyte fuel cell (specifically, a monolithic solid electrolyte fuel cell stack: monolithic SOFC stack) according to the present embodiment will be described with reference to FIG.

尚、図1は固体電解質形燃料電池スタックの一部を破断して模式的に示したものであり、ここでは、説明の簡易化のために、燃料ガスの流路と空気の流路とを平行に示してある。   FIG. 1 schematically shows a part of a solid oxide fuel cell stack in a cut-away state. Here, for simplification of explanation, a fuel gas flow path and an air flow path are provided. Shown in parallel.

同図に示す様に、本実施形態の固体電解質形燃料電池スタック1は、燃料ガス(例えば水素)と酸化剤ガス(例えば空気(詳しくは空気中の酸素))との供給を受けて発電を行う装置である。   As shown in the figure, the solid oxide fuel cell stack 1 of the present embodiment receives power from a fuel gas (for example, hydrogen) and an oxidant gas (for example, air (specifically, oxygen in the air)) to generate power. It is a device to perform.

この固体電解質形燃料電池スタック1は、発電単位である板状の固体電解質形燃料電池セル3と、セル3間の導通を確保するとともにガス流路を遮断する板状のインターコネクタ5とが交互に積層され、更に積層方向の両外側に板状の外側コネクタ6が積層され、一体焼結されたものである。   In this solid oxide fuel cell stack 1, plate-like solid electrolyte fuel cell 3 as a power generation unit and plate-like interconnectors 5 that ensure conduction between cells 3 and block gas flow paths are alternately arranged. Further, the plate-like outer connectors 6 are laminated on both outer sides in the laminating direction and integrally sintered.

このうち、固体電解質形燃料電池セル3は、板状の固体電解質体7の一方の側(同図上側:表側)に、空気極(カソード)9が形成され、他方の側(同図下側:裏側)に、燃料極(アノード)11が形成されている。   Among them, the solid electrolyte fuel cell 3 has an air electrode (cathode) 9 formed on one side (upper side of the figure: front side) of the plate-like solid electrolyte body 7 and the other side (lower side of the figure). : On the back side) a fuel electrode (anode) 11 is formed.

また、インターコネクタ5は、板状のセラミック基体13の表側に、燃料極11を覆うように凹状の燃料ガス流路15が設けられ、裏側に、空気極9を覆うように凹状の空気流路17が設けられている。このインターコネクタ5には、セラミック基体13を(燃料ガス流路15と空気流路17の両脇にて)板厚方向に貫くように、ビア導体が充填されたビア19が形成されており、このビア19により、上方の固体電解質形燃料電池セル3の燃料極11と下方の固体電解質形燃料電池セル3の空気極9とが電気的に接続されている。   The interconnector 5 is provided with a concave fuel gas flow path 15 on the front side of the plate-shaped ceramic base 13 so as to cover the fuel electrode 11, and on the back side, a concave air flow path so as to cover the air electrode 9. 17 is provided. In this interconnector 5, a via 19 filled with a via conductor is formed so as to penetrate the ceramic base 13 (on both sides of the fuel gas passage 15 and the air passage 17) in the plate thickness direction. The via 19 electrically connects the fuel electrode 11 of the upper solid oxide fuel cell 3 and the air electrode 9 of the lower solid oxide fuel cell 3.

また、外側コネクタ6のうち、同図上方の外側コネクタ6Aは、板状のセラミック基体21Aの下側(セル側)に、空気極9を覆うように凹状の空気流路17が設けられ、上側(積層方向外側)に、外部と電気接続される取出電極23Aが設けられている。この外側コネクタ6Aには、セラミック基体21Aを板厚方向に貫くように、ビア導体が充填されたビア19が形成されており、このビア19により、下方の固体電解質形燃料電池セル3の空気極9と取出電極23Aとが電気的に接続されている。   Of the outer connectors 6, the upper outer connector 6 </ b> A is provided with a concave air flow path 17 on the lower side (cell side) of the plate-shaped ceramic base 21 </ b> A so as to cover the air electrode 9. An extraction electrode 23A that is electrically connected to the outside is provided (outside in the stacking direction). The outer connector 6A is formed with a via 19 filled with a via conductor so as to penetrate the ceramic base 21A in the plate thickness direction. By the via 19, the air electrode of the lower solid oxide fuel cell 3 is formed. 9 and the extraction electrode 23A are electrically connected.

一方、同図下方の外側コネクタ6Bは、板状のセラミック基体21Bの上側(セル側)に、燃料極11を覆うように凹状の燃料ガス流路15が設けられ、下側(積層方向外側)に、取出電極23Bが設けられている。この外側コネクタ6Bにも、同様なビア19が形成されており、このビア19により、上方の固体電解質形燃料電池セル3の燃料極11と取出電極23Bとが電気的に接続されている。   On the other hand, the outer connector 6B on the lower side of the figure is provided with a concave fuel gas channel 15 on the upper side (cell side) of the plate-like ceramic base 21B so as to cover the fuel electrode 11, and on the lower side (outside in the stacking direction). In addition, an extraction electrode 23B is provided. A similar via 19 is also formed in the outer connector 6B. The via 19 electrically connects the fuel electrode 11 of the upper solid oxide fuel cell 3 and the extraction electrode 23B.

特に、本実施形態では、固体電解質体7とインターコネクタ5のセラミック基体13と外側コネクタ6のセラミック基体21A、21B(21と総称する)とは、同一の組成のSc安定化ジルコニア固溶体から形成されており、また、ビア19と取出電極23A、23B(23と総称する)とは、同一組成の導電体、即ちAg−Pd(Pd:30mol%)の金属材料から構成されている。   In particular, in the present embodiment, the solid electrolyte body 7, the ceramic base 13 of the interconnector 5, and the ceramic bases 21A and 21B (generally referred to as 21) of the outer connector 6 are formed of Sc-stabilized zirconia solid solution having the same composition. In addition, the via 19 and the extraction electrodes 23A and 23B (collectively referred to as 23) are made of a conductor having the same composition, that is, a metal material of Ag—Pd (Pd: 30 mol%).

また、本実施形態では、固体電解質形燃料電池スタック1は、一体焼結されたものであるので、固体電解質体7とインターコネクタ5のセラミックス基体13と外側コネクタ6のセラミック基体21とは、互いのセラミックス組織が連続して一体となっている。   In this embodiment, since the solid electrolyte fuel cell stack 1 is integrally sintered, the solid electrolyte body 7, the ceramic base 13 of the interconnector 5, and the ceramic base 21 of the outer connector 6 are mutually connected. The ceramic structure is continuously integrated.

b)上述した固体電解質形燃料電池スタック1を製造する場合には、後に実施例にて詳述する様に、1050〜1250℃で焼結可能な固体電解質体用のセラミックグリーンシートの表裏に、電極用ペーストを印刷して未焼成の固体電解質形燃料電池セルを形成するとともに、1050〜1250℃で焼結可能なコネクタ用のセラミックグリーンシートに設けた貫通孔に、Ag−Pd系のビア導体用ペーストを穴埋めして未焼成のコネクタを形成する。   b) When manufacturing the above-described solid electrolyte fuel cell stack 1, as described in detail later in the examples, on the front and back of the ceramic green sheet for the solid electrolyte body that can be sintered at 1050 to 1250 ° C., An electrode paste is printed to form an unfired solid oxide fuel cell, and an Ag-Pd-based via conductor is formed in a through hole provided in a ceramic green sheet for a connector that can be sintered at 1050 to 1250 ° C. A paste is filled in to form a green connector.

そして、この未焼成の固体電解質形燃料電池セルと未焼成のコネクタとを積層圧着して積層体を形成した後に、この積層体を1050〜1250℃で焼成する。
c)この様にして得られた本実施形態の固体電解質形燃料電池スタック1では、固体電解質体3とインターコネクタ5のセラミックス基体13と外側コネクタ6のセラミックス基体21とは、1050〜1250℃で焼結可能なセラミックスであるSc安定化ジルコニアから構成されている。
Then, the unfired solid electrolyte fuel cell and the unfired connector are laminated and pressed to form a laminate, and then the laminate is fired at 1050 to 1250 ° C.
c) In the solid electrolyte fuel cell stack 1 of the present embodiment thus obtained, the solid electrolyte body 3, the ceramic substrate 13 of the interconnector 5, and the ceramic substrate 21 of the outer connector 6 are at 1050 to 1250 ° C. It is composed of Sc-stabilized zirconia, which is a ceramic that can be sintered.

また、インターコネクタ5のセラミックス基体13と外側コネクタ6のセラミックス基体21とには、それぞれのセラミックス基体13、21を貫いて、セル間又はセルと外部との導通を確保するビア19が形成されている。そして、このビア19にAg−Pd金属が充填されているとともに、取出電極23もAg−Pd金属で構成されている。   In addition, vias 19 are formed in the ceramic substrate 13 of the interconnector 5 and the ceramic substrate 21 of the outer connector 6 so as to pass through the ceramic substrates 13 and 21 and to ensure electrical connection between cells or between the cells and the outside. Yes. The via 19 is filled with Ag—Pd metal, and the extraction electrode 23 is also composed of Ag—Pd metal.

従って、ビア19や取出金属23に高価なPtを使用しなくてもよく、低い温度で十分に一体焼結することができる。また、Ag−Pd金属は、導電率が雰囲気依存しないという利点がある。
[実験例]
次に、固体電解質形燃料電池の実験例について説明する。
Therefore, it is not necessary to use expensive Pt for the via 19 or the extracted metal 23, and the integrated sintering can be sufficiently performed at a low temperature. Further, Ag—Pd metal has an advantage that the conductivity does not depend on the atmosphere.
[Experimental example]
Next, experimental examples of solid oxide fuel cells will be described.

本実験例は、1250℃以下で焼結可能な酸素イオン導電性セラミックス(固体電解質体)を調査するに当たり、以下の試験を行ったものである。
(1)焼結性評価サンプルの作製及び評価
下記表1に示す組成及び比表面積(BET)の粉末を、φ15mm、高さ3mmの円柱状にプレスした。
In this experimental example, the following tests were conducted in order to investigate oxygen ion conductive ceramics (solid electrolyte bodies) that can be sintered at 1250 ° C. or lower.
(1) Preparation and Evaluation of Sinterability Evaluation Sample Powders having compositions and specific surface areas (BET) shown in Table 1 below were pressed into a cylindrical shape having a diameter of 15 mm and a height of 3 mm.

このプレス体を、1250℃にて焼成して、焼結性評価サンプルを作製した。得られたサンプルの吸水率及び相対密度{=(かさ密度/理論密度)×100}を測定した。その結果を、下記表1に記す。   This press body was fired at 1250 ° C. to prepare a sinterability evaluation sample. The water absorption and relative density {= (bulk density / theoretical density) × 100} of the obtained sample were measured. The results are shown in Table 1 below.

Figure 2008053045
Figure 2008053045

この表1より、実験例A〜Cの粉末では、1250℃にて緻密になったが、実験例D、Eの粉末では、緻密な焼結体が得られなかった。実験例Dで緻密な焼結体が得られなかった理由は、この材料では焼成温度が低いことが考えられ、実験例Eで緻密な焼結体が得られなかった理由は、BETが小さいことが考えられる。   From Table 1, the powders of Experimental Examples A to C became dense at 1250 ° C., but the powders of Experimental Examples D and E could not obtain a dense sintered body. The reason why a dense sintered body could not be obtained in Experimental Example D is considered that the firing temperature is low with this material, and the reason why a dense sintered body was not obtained in Experimental Example E is that the BET is small. Can be considered.

次に、固体電解質形燃料電池の実施例について、図2及び図3に基づいて説明する。
本実施例は、固体電解質形燃料電池セル(発電セル)の固体電解質体とインターコネクタとの材料を同じジルコニア固溶体としたモノリス形SOFC(但し簡易サンプル)である。
Next, an example of a solid oxide fuel cell will be described with reference to FIGS.
This embodiment is a monolithic SOFC (however, a simple sample) in which the solid electrolyte body of the solid electrolyte fuel cell (power generation cell) and the interconnector are made of the same zirconia solid solution.

本実施例では、以下の手順でモノリス形SOFCの簡易サンプルを作成し、その発電試験を行った。尚、この簡易サンプルでは、空気や燃料ガスの流路はインターコネクタにより分離されていないが、実際にセルを積層する場合には、インターコネクタによって流路が分離される。   In this example, a simple sample of a monolithic SOFC was prepared by the following procedure, and the power generation test was performed. In this simple sample, the flow paths of air and fuel gas are not separated by the interconnector, but when the cells are actually stacked, the flow paths are separated by the interconnector.

(1)グリーンシートの作成
Ce添加Sc安定化ジルコニア(固溶体)粉末(10Sc1CeSZ)とブチラール樹脂と可塑剤と有機溶剤とを混合して、スラリーを調整し、そのスラリーをドクターブレード法でキャスティングし、200μm厚の10Sc1CeSZグリーンシートを作製した。
(1) Preparation of green sheet Ce-added Sc-stabilized zirconia (solid solution) powder (10Sc1CeSZ), butyral resin, plasticizer and organic solvent are mixed to prepare a slurry, and the slurry is cast by a doctor blade method. A 10Sc1CeSZ green sheet having a thickness of 200 μm was produced.

(2)電極及びビアペーストの作製
Pt粉末と10Sc1CeSZ粉末とエチルセルロースと有機溶剤とを混合して、Ptペーストを作製した。また、Ag−Pd(Pd:30mol%)粉末と10Sc1CeSZ粉末とエチルセルロースと有機溶剤とを混合して、Ag−Pdペーストを作製した。
(2) Preparation of electrodes and via paste Pt powder, 10Sc1CeSZ powder, ethylcellulose, and an organic solvent were mixed to prepare a Pt paste. Moreover, Ag-Pd (Pd: 30 mol%) powder, 10Sc1CeSZ powder, ethyl cellulose, and an organic solvent were mixed to prepare an Ag-Pd paste.

(3)未焼成発電セルの作製
図2に示す様に、10Sc1CeSZグリーンシート24の表裏に、燃料極及び空気極となる電極パターン25を形成するために、Ptペーストを12cm角形状に印刷して、未焼成発電セル26を作製した。
(3) Production of unsintered power generation cell As shown in FIG. 2, in order to form electrode patterns 25 to be the fuel electrode and the air electrode on the front and back of the 10Sc1CeSZ green sheet 24, Pt paste was printed in a 12 cm square shape. An unfired power generation cell 26 was produced.

(4)未焼成インターコネクタの作製
10Sc1CeSZグリーンシート27、29に、ガス流路となる10cm角のガス貫通孔31、33を形成し、その周囲にビアとなるφ0.25mmの貫通孔(ビアホール)35を複数形成した。その後、ビアホール35は(ビア導体となる)Ag−Pdペーストで穴埋め印刷して未焼成ビア37を作製した。
(4) Production of unsintered interconnector 10 cm square gas through holes 31 and 33 that serve as gas flow paths are formed in 10Sc1CeSZ green sheets 27 and 29, and a φ0.25 mm through hole (via hole) that serves as a via around them. A plurality of 35 were formed. After that, the via hole 35 was filled and printed with an Ag—Pd paste (which becomes a via conductor) to produce an unfired via 37.

更に、ガス貫通孔31、33の周囲のシート表面をAg−Pdペーストで印刷して枠状パターン39を形成し、その枠状パターン39によって、ビア導体同士を電気的に接続するようにして、未焼成インターコネクタ41、43を作製した。   Further, the sheet surface around the gas through holes 31 and 33 is printed with Ag-Pd paste to form a frame-shaped pattern 39, and via conductors are electrically connected to each other by the frame-shaped pattern 39, Unfired interconnectors 41 and 43 were produced.

(5)積層及び焼成
前記未焼成発電セル25の表裏に、前記未焼成インターコネクタ41、43を積層圧着して一体とした。このとき、未焼成発電セル25の電極パターン23と未焼成インターコネクタ41、43のガス貫通孔31、33及び未焼成ビア37とが、投影方向(同図上下方向)に重なるように、且つ、ガス貫通孔31、33の周囲に印刷したAg−Pdペーストが、サンプル表面に露出するようにして積層した。
(5) Lamination and firing The unsintered interconnectors 41 and 43 are laminated and bonded to the front and back of the unsintered power generation cell 25 to be integrated. At this time, the electrode pattern 23 of the unfired power generation cell 25, the gas through holes 31 and 33 of the unfired interconnectors 41 and 43, and the unfired via 37 are overlapped in the projection direction (the vertical direction in the figure), and The Ag—Pd paste printed around the gas through holes 31 and 33 was laminated so as to be exposed on the sample surface.

この積層体を250℃にて脱脂し、その後1150℃にて焼成して、図3に示すモノリス形SOFC51の簡易サンプルを作製した。得られたサンプルは緻密化しており、割れなどは確認できなかった。   This laminate was degreased at 250 ° C. and then fired at 1150 ° C. to prepare a simple sample of the monolithic SOFC 51 shown in FIG. The obtained sample was densified and no cracks could be confirmed.

この様にして製造されたモノリス形SOFC51は、図3に破断して示す様に、空気極53及び燃料極55を有する固体電解質体57からなるSOFCセル58の両側に、インターコネクタ59、61を備えたものである。また、インターコネクタ59、61には、その中央に、空気極53に接する空気流路63と燃料極55に接する燃料ガス流路65とを備えるとともに、空気流路63及び燃料極55の周囲をそれぞれ囲むようにビア67、67を備えている。   The monolithic SOFC 51 manufactured in this way has interconnectors 59 and 61 on both sides of a SOFC cell 58 comprising a solid electrolyte body 57 having an air electrode 53 and a fuel electrode 55, as shown in a broken view in FIG. It is provided. In addition, the interconnectors 59 and 61 are provided with an air flow path 63 in contact with the air electrode 53 and a fuel gas flow path 65 in contact with the fuel electrode 55 at the center, and around the air flow path 63 and the fuel electrode 55. Vias 67 and 67 are provided so as to surround each.

このうち、上側のビア67は、空気極53と上側のインターコネクタ59上面の端子71とを接続するものであり、下側のビア69は、燃料極55と下側のインターコネクタ61下面の端子73とを接続するものである。   Of these, the upper via 67 connects the air electrode 53 and the terminal 71 on the upper surface of the upper interconnector 59, and the lower via 69 is the terminal on the lower surface of the fuel electrode 55 and the lower interconnector 61. 73 is connected.

(6)発電評価
得られたモノリス形SOFC51の簡易サンプルを、その表面(空気流路63側)には酸化剤ガスである空気、裏面(燃料ガス流路65)には、燃料ガスである露点30℃のH2ガスに曝すことができるように、発電評価装置(図示せず)にセットした。
(6) Power generation evaluation A simple sample of the obtained monolithic SOFC 51 is obtained by using air as an oxidant gas on the front surface (air channel 63 side) and a dew point as a fuel gas on the back surface (fuel gas channel 65). It was set in a power generation evaluation apparatus (not shown) so that it could be exposed to 30 ° C. H 2 gas.

また、上下のインターコネクタ59、61の表裏の端子71、73から電気を取り出せるように端子接続した。
この結果、800℃において、0.7Vにて0.3W/cm2の発電ができたことが確認された。
The terminals were connected so that electricity could be taken out from the terminals 71 and 73 on the front and back of the upper and lower interconnectors 59 and 61.
As a result, it was confirmed that a power generation of 0.3 W / cm 2 at 0.7 V was possible at 800 ° C.

尚、モノリス形SOFC51の簡易サンプルの固体電解質体57とインターコネクタ59、61のセラミックス部分との接合断面を、走査型電子顕微鏡(倍率2000倍)で観察したところ、互いのセラミックス組織が連続して一体となっていた。   In addition, when the cross section of the solid electrolyte body 57 of the simple sample of the monolithic SOFC 51 and the ceramic portion of the interconnectors 59 and 61 was observed with a scanning electron microscope (magnification 2000 times), the ceramic structures of each other were continuous. It was united.

[比較例1]
本比較例は、前記実施例1の10Sc1CeSZを、すべてY安定化ジルコニア(8YSZ)に置き換えたものであり、それ以外は、前記実施例1と同様にして、比較例のモノリス形SOFCの簡易サンプル(図示せず)を作製した。
[Comparative Example 1]
In this comparative example, 10Sc1CeSZ in Example 1 was all replaced with Y-stabilized zirconia (8YSZ). Except that, in the same manner as in Example 1, a simple sample of the monolithic SOFC of Comparative Example (Not shown) was prepared.

得られたサンプルは緻密化しておらず、発電特性を評価できなかった。
[比較例2]
本比較例は、前記比較例1と同様にして生加工したものを、1400℃で焼成してサンプルを作製した。尚、焼成温度以外は、前記比較例1と同様である。
The obtained sample was not densified, and the power generation characteristics could not be evaluated.
[Comparative Example 2]
In this comparative example, a sample was prepared by firing at 1400 ° C. the raw material processed in the same manner as in the comparative example 1. In addition, it is the same as that of the said comparative example 1 except baking temperature.

得られたサンプルは緻密化していたが、ビア及びインターコネクタの電極部分が断線していたので、発電特性を評価できなかった。   Although the obtained sample was densified, the power generation characteristics could not be evaluated because the electrode portions of the via and the interconnector were disconnected.

本実施例は、SOFCセルが多層に積層されたモノリス形SOFCスタック(多層モノリス形SOFC)である。
この多層モノリス形SOFCは、下記の手順で製造することができる。
This embodiment is a monolithic SOFC stack (multilayer monolithic SOFC) in which SOFC cells are stacked in multiple layers.
This multilayer monolithic SOFC can be manufactured by the following procedure.

(1)グリーンシートの作成
前記実施例1と同様に、200μm厚の10Sc1CeSZグリーンシートを作製した。
(1) Preparation of Green Sheet As in Example 1, a 10 Sc1CeSZ green sheet having a thickness of 200 μm was prepared.

(2)電極及びビアペーストの作製
前記実施例1と同様に、Ptペースト及びAg−Pdペーストを作製した。
(3)未焼成発電セルの作製
図4(a)に示す様に、前記実施例1と同様に、10Sc1CeSZグリーンシート81の表裏に、Ptペーストを印刷して電極パターン83を形成し、未焼成発電セル84を作製した。尚、破線が切断部分である。
(2) Production of electrode and via paste Pt paste and Ag-Pd paste were produced in the same manner as in Example 1.
(3) Fabrication of unsintered power generation cell As shown in FIG. 4A, as in Example 1, the Pt paste was printed on the front and back of the 10Sc1CeSZ green sheet 81 to form the electrode pattern 83, and the unsintered A power generation cell 84 was produced. A broken line is a cut portion.

(4)未焼成インターコネクタの作製
図4(b)〜(d)に示す様に、10Sc1CeSZグリーンシートに、ガス流路となる10cm角のガス貫通孔91、93と、その周囲にビアとなるφ0.25mmの貫通孔(ビアホール)95、99を成した10Sc1CeSZグリーンシート85、89を2枚作製するとともに、ビアホール97だけ形成した10Sc1CeSZグリーンシート87を1枚作製した。
(4) Fabrication of an unfired interconnector As shown in FIGS. 4B to 4D, a 10Sc1CeSZ green sheet has 10 cm square gas through-holes 91 and 93 serving as gas flow paths, and vias around them. Two 10Sc1CeSZ green sheets 85 and 89 having through-holes (via holes) 95 and 99 each having a diameter of 0.25 mm were produced, and one 10Sc1CeSZ green sheet 87 having only via holes 97 was produced.

その後、全てのグリーンシート85〜89のビアホール95〜99はAg−Pdペーストで穴埋め印刷して未焼成ビア101〜105を作製した。
次に、未焼成ビア103だけからなるグリーンシート87の表裏に、未焼成ビア101〜105の位置を一致させるようにして、前記ガス貫通孔91、93と未焼成ビア101、105を形成したグリーンシート85、89を積層圧着して、未焼成インターコネクタ107(図4(e)参照)を作製した。
Thereafter, via holes 95 to 99 of all the green sheets 85 to 89 were filled and printed with an Ag—Pd paste to produce unfired vias 101 to 105.
Next, the green through holes 91 and 93 and the unfired vias 101 and 105 are formed so that the positions of the unfired vias 101 to 105 coincide with the front and back of the green sheet 87 made of only the unfired vias 103. The sheets 85 and 89 were laminated and pressure-bonded to produce an unfired interconnector 107 (see FIG. 4E).

(5)積層及び焼成
前記未焼成発電セル25の表裏に、前記未焼成インターコネクタ41、43を積層圧着して一体とした。このとき、未焼成発電セル25の電極パターン23と未焼成インターコネクタ41、43のガス貫通孔31、33及び未焼成ビア37とが、投影方向(同図上下方向)に重なるように、且つ、ガス貫通孔31、33の周囲に印刷したAg−Pdペーストが、サンプル表面に露出するようにして積層した。
(5) Lamination and firing The unsintered interconnectors 41 and 43 are laminated and bonded to the front and back of the unsintered power generation cell 25 to be integrated. At this time, the electrode pattern 23 of the unfired power generation cell 25, the gas through holes 31 and 33 of the unfired interconnectors 41 and 43, and the unfired via 37 are overlapped in the projection direction (the vertical direction in the figure), and The Ag—Pd paste printed around the gas through holes 31 and 33 was laminated so as to be exposed on the sample surface.

この積層体を205℃にて脱脂し、その後1150℃にて焼成して、図3に示すモノリス形SOFC51の簡易サンプルを作製した。得られたサンプルは緻密化しており、割れなどは確認できなかった。   This laminate was degreased at 205 ° C. and then fired at 1150 ° C. to prepare a simple sample of the monolithic SOFC 51 shown in FIG. The obtained sample was densified and no cracks could be confirmed.

この様にして製造されたモノリス形SOFC51は、図3に破断して示す様に、空気極53及び燃料極55を有する固体電解質体57からなるSOFCセル58の両側に、インターコネクタ59、61を備えたものである。また、インターコネクタ59、61には、その中央に、空気極53に接する空気流路63と燃料極55に接する燃料ガス流路65とを備えるとともに、空気流路63及び燃料極55の周囲をそれぞれ囲むようにビア67、67を備えている。   The monolithic SOFC 51 manufactured in this way has interconnectors 59 and 61 on both sides of a SOFC cell 58 comprising a solid electrolyte body 57 having an air electrode 53 and a fuel electrode 55, as shown in a broken view in FIG. It is provided. In addition, the interconnectors 59 and 61 are provided with an air flow path 63 in contact with the air electrode 53 and a fuel gas flow path 65 in contact with the fuel electrode 55 at the center, and around the air flow path 63 and the fuel electrode 55. Vias 67 and 67 are provided so as to surround each.

このうち、上側のビア67は、空気極53と上側のインターコネクタ59上面の端子71とを接続するものであり、下側のビア69は、燃料極55と下側のインターコネクタ61下面の端子73とを接続するものである。   Of these, the upper via 67 connects the air electrode 53 and the terminal 71 on the upper surface of the upper interconnector 59, and the lower via 69 is the terminal on the lower surface of the fuel electrode 55 and the lower interconnector 61. 73 is connected.

(6)発電評価
得られたモノリス形SOFC51の簡易サンプルを、その表面(空気流路63側)には酸化剤ガスである空気、裏面(燃料ガス流路65)には、燃料ガスである露点30℃のH2ガスに曝すことができるように、発電評価装置(図示せず)にセットした。
(6) Power generation evaluation A simple sample of the obtained monolithic SOFC 51 is obtained by using air as an oxidant gas on the front surface (air channel 63 side) and a dew point as a fuel gas on the back surface (fuel gas channel 65). It was set in a power generation evaluation apparatus (not shown) so that it could be exposed to 30 ° C. H 2 gas.

また、上下のインターコネクタ59、61の表裏の端子71、73から電気を取り出せるように端子接続した。
この結果、800℃において、0.7Vにて0.3W/cm2の発電ができたことが確認された。
The terminals were connected so that electricity could be taken out from the terminals 71 and 73 on the front and back of the upper and lower interconnectors 59 and 61.
As a result, it was confirmed that a power generation of 0.3 W / cm 2 at 0.7 V was possible at 800 ° C.

尚、モノリス形SOFC51の簡易サンプルの固体電解質体57とインターコネクタ59、61のセラミックス部分との接合断面を、走査型電子顕微鏡(倍率2000)で観察したところ、互いのセラミックス組織が連続して一体となっていた。   In addition, when the cross section of the solid electrolyte body 57 of the simple sample of the monolithic SOFC 51 and the ceramic portion of the interconnectors 59 and 61 was observed with a scanning electron microscope (magnification 2000), the ceramic structures of each were continuously integrated. It was.

[比較例1]
本比較例は、前記実施例1の10Sc1CeSZを、すべてY安定化ジルコニア(8YSZ)に置き換えたものであり、それ以外は、前記実施例1と同様にして、比較例のモノリス形SOFCの簡易サンプル(図示せず)を作製した。
[Comparative Example 1]
In this comparative example, 10Sc1CeSZ in Example 1 was all replaced with Y-stabilized zirconia (8YSZ). Except that, in the same manner as in Example 1, a simple sample of the monolithic SOFC of Comparative Example (Not shown) was prepared.

得られたサンプルは緻密化しておらず、発電特性を評価できなかった。
[比較例2]
本比較例は、前記比較例1と同様にして生加工したものを、1400℃で焼成してサンプルを作製した。尚、焼成温度以外は、前記比較例1と同様である。
The obtained sample was not densified, and the power generation characteristics could not be evaluated.
[Comparative Example 2]
In this comparative example, a sample was prepared by firing at 1400 ° C. the raw material processed in the same manner as in the comparative example 1. In addition, it is the same as that of the said comparative example 1 except baking temperature.

得られたサンプルは緻密化していたが、ビア及びインターコネクタの電極部分が断線していたので、発電特性を評価できなかった。   Although the obtained sample was densified, the power generation characteristics could not be evaluated because the electrode portions of the via and the interconnector were disconnected.

本実施例は、SOFCセルが多層に積層されたモノリス形SOFCスタック(多層モノリス形SOFC)である。
この多層モノリス形SOFCは、下記の手順で製造することができる。
This embodiment is a monolithic SOFC stack (multilayer monolithic SOFC) in which SOFC cells are stacked in multiple layers.
This multilayer monolithic SOFC can be manufactured by the following procedure.

(1)グリーンシートの作成
前記実施例1と同様に、200μm厚の10Sc1CeSZグリーンシートを作製した。
(1) Preparation of Green Sheet As in Example 1, a 10 Sc1CeSZ green sheet having a thickness of 200 μm was prepared.

(2)電極及びビアペーストの作製
前記実施例1と同様に、Ptペースト及びAg−Pdペーストを作製した。
(3)未焼成発電セルの作製
図4(a)に示す様に、前記実施例1と同様に、10Sc1CeSZグリーンシート81の表裏に、Ptペーストを印刷して電極パターン83を形成し、未焼成発電セル84を作製した。尚、破線が切断部分である。
(2) Production of electrode and via paste Pt paste and Ag-Pd paste were produced in the same manner as in Example 1.
(3) Fabrication of unsintered power generation cell As shown in FIG. 4A, as in Example 1, the Pt paste was printed on the front and back of the 10Sc1CeSZ green sheet 81 to form the electrode pattern 83, and the unsintered A power generation cell 84 was produced. A broken line is a cut portion.

(4)未焼成インターコネクタの作製
図4(b)〜(d)に示す様に、10Sc1CeSZグリーンシートに、ガス流路となる10cm角のガス貫通孔91、93と、その周囲にビアとなるφ0.25mmの貫通孔(ビアホール)95、99を成した10Sc1CeSZグリーンシート85、89を2枚作製するとともに、ビアホール97だけ形成した10Sc1CeSZグリーンシート87を1枚作製した。
(4) Fabrication of an unfired interconnector As shown in FIGS. 4B to 4D, a 10Sc1CeSZ green sheet has 10 cm square gas through-holes 91 and 93 serving as gas flow paths, and vias around them. Two 10Sc1CeSZ green sheets 85 and 89 having through-holes (via holes) 95 and 99 each having a diameter of 0.25 mm were produced, and one 10Sc1CeSZ green sheet 87 having only via holes 97 was produced.

その後、全てのグリーンシート85〜89のビアホール95〜99はAg−Pdペーストで穴埋め印刷して未焼成ビア101〜105を作製した。
次に、未焼成ビア103だけからなるグリーンシート87の表裏に、未焼成ビア101〜105の位置を一致させるようにして、前記ガス貫通孔91、93と未焼成ビア101、105を形成したグリーンシート85、89を積層圧着して、未焼成インターコネクタ107(図4(e)参照)を作製した。
Thereafter, via holes 95 to 99 of all the green sheets 85 to 89 were filled and printed with an Ag—Pd paste to produce unfired vias 101 to 105.
Next, the green through holes 91 and 93 and the unfired vias 101 and 105 are formed so that the positions of the unfired vias 101 to 105 coincide with the front and back of the green sheet 87 made of only the unfired vias 103. The sheets 85 and 89 were laminated and pressure-bonded to produce an unfired interconnector 107 (see FIG. 4E).

(5)積層及び焼成
前記未焼成発電セル84と前記未焼成インターコネクタ107とを交互に配置し、積層圧着して一体とした。このとき、未焼成発電セル84の電極パターン83と未焼成インターコネクタ107のガス貫通孔91、93及び未焼成ビア101〜105とが重なるようにした。
(5) Lamination and firing The unfired power generation cells 84 and the unfired interconnector 107 were alternately arranged and laminated and pressure-bonded to be integrated. At this time, the electrode pattern 83 of the unfired power generation cell 84 overlaps the gas through holes 91 and 93 and the unfired vias 101 to 105 of the unfired interconnector 107.

その後、積層体を図の破線に沿って必要な大きさに切断して、未焼成の多層モノリス形SOFCとし、この積層体を205℃にて脱脂し、その後1150℃にて焼成して、図5及び図6に示す多層モノリス形SOFC111を作製した。   Thereafter, the laminate is cut to a required size along the broken line in the figure to obtain an unfired multilayer monolithic SOFC, this laminate is degreased at 205 ° C., and then fired at 1150 ° C. 5 and the multilayer monolith type SOFC111 shown in FIG. 6 were produced.

この様にして製造された多層モノリス形SOFC111は、空気極113及び燃料極115を有する固体電解質体117からなるSOFCセル119と、インターコネクタ121とを交互に積層したものである。   The multilayer monolithic SOFC 111 manufactured in this way is obtained by alternately stacking SOFC cells 119 made of a solid electrolyte body 117 having air electrodes 113 and fuel electrodes 115 and interconnectors 121.

このインターコネクタ121は、中央のプレート状の部材123の両側に一対の長方形の部材125〜131を備えたものであり、これらの部材123〜131によって、空気極113に接する空気流路133と燃料極115に接する燃料ガス流路135が形成されている。また、空気流路133及び燃料極135の周囲をそれぞれ囲むようにビア137が形成されている。   The interconnector 121 includes a pair of rectangular members 125 to 131 on both sides of a central plate-like member 123, and the air flow path 133 and fuel that are in contact with the air electrode 113 by these members 123 to 131. A fuel gas flow path 135 in contact with the electrode 115 is formed. A via 137 is formed so as to surround the air flow path 133 and the fuel electrode 135.

尚、図6に示す様に、多層モノリス形SOFC111の積層方向の両側には、各セル119にて発電した電力を外部に取り出すための外側コネクタ139が配置されており、その外側コネクタ139の外側表面には、ビア137と接続された電流取出端子141が形成されている。   As shown in FIG. 6, on both sides of the multilayer monolithic SOFC 111 in the stacking direction, outer connectors 139 for taking out the electric power generated in each cell 119 are arranged. A current extraction terminal 141 connected to the via 137 is formed on the surface.

尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。   Needless to say, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the scope of the present invention.

実施形態の固体電解質形燃料電池スタックの一部を破断して模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which fractures | ruptures a part of solid oxide fuel cell stack of embodiment, and is shown typically. 実施例1の固体電解質形燃料電池セルの製造手順を示す説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram showing a manufacturing procedure for the solid oxide fuel cell of Example 1. 実施例1の固体電解質形燃料電池セルを破断して示す説明図である。FIG. 3 is an explanatory view showing the solid electrolyte fuel cell of Example 1 in a broken state. 実施例2の固体電解質形燃料電池スタックの製造手順を示す説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram showing a manufacturing procedure of the solid oxide fuel cell stack of Example 2. 実施例2の固体電解質形燃料電池スタックの一部を分解して示す斜視図である。3 is an exploded perspective view showing a part of a solid oxide fuel cell stack of Example 2. FIG. 実施例2の固体電解質形燃料電池スタックの一部を破断して示す説明図である。FIG. 4 is an explanatory view showing a part of the solid oxide fuel cell stack of Example 2 in a broken state.

符号の説明Explanation of symbols

1、111…固体電解質形燃料電池スタック
3、58、119…固体電解質形燃料電池セル
5、59、61、121、121…インターコネクタ
7、57、117…固体電解質体
9、53、113…空気極
11、55、115…燃料極
15、65、135…燃料ガス流路
17、63、133…空気流路
19、67、69…ビア
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,111 ... Solid electrolyte fuel cell stack 3, 58, 119 ... Solid electrolyte fuel cell 5, 59, 61, 121, 121 ... Interconnector 7, 57, 117 ... Solid electrolyte body 9, 53, 113 ... Air Electrode 11, 55, 115 ... Fuel electrode 15, 65, 135 ... Fuel gas flow path 17, 63, 133 ... Air flow path 19, 67, 69 ... Via

Claims (9)

燃料ガスに接する燃料極と酸化剤ガスに接する空気極と固体電解質体とを備えた固体電解質形燃料電池セルと、
前記固体電解質形燃料電池セルとの導通を確保するコネクタと、
を備え、一体に焼結された固体電解質形燃料電池において、
前記コネクタは、自身のセラミックス部分を貫いて前記燃料極又は空気極に電気的に接続されたビアを備え、
前記ビアに充填されたビア導体は、Ag−Pd系の金属材料であることを特徴とする固体電解質形燃料電池。
A solid electrolyte fuel cell comprising a fuel electrode in contact with the fuel gas, an air electrode in contact with the oxidant gas, and a solid electrolyte body;
A connector for ensuring conduction with the solid electrolyte fuel cell;
In a solid oxide fuel cell sintered integrally,
The connector includes a via that is electrically connected to the fuel electrode or the air electrode through its ceramic portion.
The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the via conductor filled in the via is an Ag-Pd metal material.
前記Ag−Pd系の組成は、Ag−Pdの金属全体を100mol%とした場合、Pdが20〜40mol%の範囲であることを特徴とする前記請求項1に記載の固体電解質形燃料電池。   2. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the composition of the Ag—Pd series is such that Pd is in a range of 20 to 40 mol% when the total metal of Ag—Pd is 100 mol%. 前記固体電解質体が、Sc安定化ジルコニアを主成分とすることを特徴とする前記請求項1又は2に記載の固体電解質形燃料電池。   The solid electrolyte fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the solid electrolyte body contains Sc-stabilized zirconia as a main component. 前記固体電解質体が、1050〜1250℃で焼結可能なセラミックスであることを特徴とする前記請求項1〜3のいずれかに記載の固体電解質形燃料電池。   The solid electrolyte fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the solid electrolyte body is a ceramic that can be sintered at 1050 to 1250 ° C. 前記コネクタが、1050〜1250℃で焼結可能なセラミックスであることを特徴とする前記請求項1〜4のいずれかに記載の固体電解質形燃料電池。   5. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the connector is a ceramic that can be sintered at 1050 to 1250 ° C. 6. 前記コネクタは、前記固体電解質形燃料電池セル同士を電気的に接続するインターコネクタであることを特徴とする前記請求項1〜5のいずれかに記載の固体電解質形燃料電池。   6. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the connector is an interconnector that electrically connects the solid oxide fuel cells. 前記コネクタは、前記固体電解質形燃料電池の端部に配置された固体電解質形燃料電池セルと外部とを電気的に接続する外側コネクタであることを特徴とする前記請求項1〜5のいずれかに記載の固体電解質形燃料電池。   6. The connector according to claim 1, wherein the connector is an outer connector that electrically connects a solid oxide fuel cell arranged at an end of the solid oxide fuel cell and the outside. A solid oxide fuel cell according to 1. 前記外側コネクタの取出電極は、Ag−Pd系の金属材料を主成分とすることを特徴とする前記請求項7に記載の固体電解質形燃料電池。   8. The solid oxide fuel cell according to claim 7, wherein the extraction electrode of the outer connector is mainly composed of an Ag-Pd metal material. 1050〜1250℃で焼結可能な固体電解質体用のセラミックグリーンシートの表裏に、電極用ペーストを印刷して未焼成の固体電解質形燃料電池セルを形成するとともに、1050〜1250℃で焼結可能なコネクタ用のセラミックグリーンシートに設けた貫通孔に、Ag−Pd系のビア導体用ペーストを穴埋めして未焼成のコネクタを形成し、前記未焼成の固体電解質形燃料電池セルと前記未焼成のコネクタとを積層圧着して積層体を形成した後に、前記積層体を1050〜1250℃で焼成することを特徴とする固体電解質形燃料電池の製造方法。   An electrode paste is printed on the front and back of the ceramic green sheet for a solid electrolyte body that can be sintered at 1050 to 1250 ° C. to form an unfired solid electrolyte fuel cell, and can be sintered at 1050 to 1250 ° C. A through-hole provided in a ceramic green sheet for a connector is filled with an Ag-Pd-based via conductor paste to form an unfired connector, and the unfired solid electrolyte fuel cell and the unfired connector are formed. A method for producing a solid oxide fuel cell, comprising: laminating and pressing a connector to form a laminate, and firing the laminate at 1050 to 1250 ° C.
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