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JP2013201038A - Metal support type solid oxide fuel battery cell, and solid oxide fuel battery using the same - Google Patents

Metal support type solid oxide fuel battery cell, and solid oxide fuel battery using the same Download PDF

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JP2013201038A
JP2013201038A JP2012068798A JP2012068798A JP2013201038A JP 2013201038 A JP2013201038 A JP 2013201038A JP 2012068798 A JP2012068798 A JP 2012068798A JP 2012068798 A JP2012068798 A JP 2012068798A JP 2013201038 A JP2013201038 A JP 2013201038A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a metal support type solid oxide fuel battery cell which is excellent in cell strength, has rigidity against torsion and deflection, and can keep the flatness, and a solid oxide fuel battery which hardly causes breakage of an electrolyte or an electrode when the cells are stacked.SOLUTION: The metal support type solid oxide fuel battery cell has, on a support (A) that is formed of a metal partition and has a honeycomb structure provided with a plurality of through-holes, in which the number of the through-holes is in a range of 25-2000/inchand a thickness (t) is 0.01-0.2 cm, a fuel electrode (B), a solid electrolyte (C) and an air electrode (D) arranged in the order of (B), (C) and (D).

Description

本発明は、金属隔壁で構成され、複数の貫通孔を備えたハニカム構造を有する金属多孔質基板を支持体とする金属支持型固体酸化物形燃料電池用セルと、該セルを用いた固体酸化物形燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a metal-supported solid oxide fuel cell using a metal porous substrate having a honeycomb structure including a plurality of through-holes and having a honeycomb structure as a support, and a solid oxidation using the cell. The present invention relates to a physical fuel cell.

固体酸化物形燃料電池(SOFC)は、酸素イオン伝導性固体酸化物からなる電解質膜と、この電解質膜を間に挟んで互いに対向する状態に配置された燃料極層と空気極層との3層膜を基本構成とするセルを備えており、燃料極側に水素などの燃料ガスを供給する一方、空気極側に空気などの酸化性ガスを供給することによって、電気化学反応に基づく直流電力を得ることができる。   A solid oxide fuel cell (SOFC) is composed of an electrolyte membrane made of an oxygen ion conductive solid oxide, and a fuel electrode layer and an air electrode layer that are arranged to face each other with the electrolyte membrane interposed therebetween. DC cell based on electrochemical reaction by supplying fuel gas such as hydrogen to the fuel electrode side and supplying oxidizing gas such as air to the air electrode side. Can be obtained.

近年、従来の電解質支持型セルや電極支持型セルよりも機械的強度、急速起動性、耐レドックス特性等に優れる金属支持型セルが盛んに開発されている。該金属支持型セルは3次元多孔質構造やハニカム構造の金属支持体に3層膜が形成されている。例えば、特開平11−162483号公報(特許文献1)には、多孔質の金属基板上にNiOを含む混合導電性の薄い保護膜、固体電解質、カソード電極を形成した金属支持型のセル構造が提案されている。また、特開2005−322452号公報(特許文献2)には、セル強度に優れると共に軽量であって、セルを集積化(スタック化)した場合の容量及び重量を低減できる金属箔製ハニカム構造基板の各貫通孔に単セルを形成したセルが開示されている。さらに、特開2010−218759号公報(特許文献3)には、ガスタイトな電解質膜を得るために、電解質層と燃料極層との界面の表面粗さおよび電解質層と空気極層との界面の表面粗さを特定する技術が開示されている。   In recent years, metal-supported cells, which are superior in mechanical strength, rapid startability, redox resistance, and the like, have been actively developed compared to conventional electrolyte-supported cells and electrode-supported cells. In the metal-supported cell, a three-layer film is formed on a metal support having a three-dimensional porous structure or a honeycomb structure. For example, Japanese Patent Laid-Open No. 11-162483 (Patent Document 1) discloses a metal-supported cell structure in which a mixed conductive thin protective film containing NiO, a solid electrolyte, and a cathode electrode are formed on a porous metal substrate. Proposed. Japanese Patent Laying-Open No. 2005-322452 (Patent Document 2) describes a honeycomb structure substrate made of a metal foil that has excellent cell strength and is light in weight and can reduce the capacity and weight when the cells are integrated (stacked). A cell in which a single cell is formed in each through-hole is disclosed. Further, JP 2010-218759 A (Patent Document 3) describes the surface roughness of the interface between the electrolyte layer and the fuel electrode layer and the interface between the electrolyte layer and the air electrode layer in order to obtain a gastight electrolyte membrane. A technique for specifying the surface roughness is disclosed.

特開平11−162483号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-162483 特開2005−322452号公報JP-A-2005-322452 特開2010−218759号公報JP 2010-218759 A

しかしながら、上記特許文献1に記載された金属支持型セルは、窒素雰囲気中にさらして温度を800℃まで上昇させた後、室温まで下げる冷熱サイクルを20回程繰り返すと固体電解質にひび割れが発生する問題のあることが記載され、耐久性に課題がある。また、特許文献2の金属箔製ハニカム構造の各貫通孔内にセル構成要素の一部が充填されたセル作製は、その工程が複雑であり、また、均質なセルが得られにくく、金属箔製のハニカム構造の貫通孔表面からセル構成要素が剥離するといった問題があることが本願発明者らの検討でわかった。   However, the metal-supported cell described in the above-mentioned Patent Document 1 has a problem that cracking occurs in the solid electrolyte when it is exposed to a nitrogen atmosphere and the temperature is raised to 800 ° C. and then the cooling cycle to lower to room temperature is repeated 20 times. There is a problem in durability. In addition, the cell fabrication in which each through-hole of the honeycomb structure made of metal foil of Patent Document 2 is filled with a part of cell constituent elements is complicated, and it is difficult to obtain a uniform cell. The inventors of the present application have found that there is a problem that the cell constituent elements are peeled off from the surface of the through-hole of the honeycomb structure made of the present invention.

さらに、特許文献3の高速フレーム溶射法では、金属支持体上に特定粒径の燃料極用金属酸化物粉末を溶射して形成した燃料極層は、電解質層との密着性と比較して必ずしも金属支持体との密着は十分とは言えず、金属支持型セルを室温と発電性能評価温度との冷熱サイクルに曝すと、金属支持体と燃料極層との間で一部に剥離が起こる問題があることが本願発明者らの検討でわかった。   Furthermore, in the high-speed flame spraying method of Patent Document 3, the fuel electrode layer formed by spraying a metal oxide powder for a fuel electrode having a specific particle size on a metal support is not necessarily compared with the adhesion to the electrolyte layer. Adhesion with the metal support is not sufficient, and if the metal support cell is exposed to a thermal cycle between room temperature and power generation performance evaluation temperature, a part of the metal support and the fuel electrode layer may be separated. It has been found by the inventors' examination.

特に、近年固体酸化物形燃料電池では、燃料電池発電部を体積当たりの発電量を確保しながら小型化することが求められているが、金属支持型セルでは上記問題の他に、繰り返し発電させると金属支持体にゆがみやたわみが発生しやすくなって平坦度が顕著に悪くなるため、金属支持体の平坦度がセルの平坦度にも影響を及ぼすことが判明した。   In particular, in recent years, in solid oxide fuel cells, it is required to reduce the size of the fuel cell power generation unit while ensuring the amount of power generation per volume. In addition to the above problems, metal-supported cells repeatedly generate power. It has been found that the flatness of the metal support also affects the flatness of the cells because the metal support tends to be distorted and bent and the flatness is remarkably deteriorated.

さらに、金属支持型セルをスタック化して固体酸化物形燃料電池とするときにセルに荷重がかかるとともに、集電性を高めるために強制的にスタック上部から荷重をかけることもあるので、金属支持体上の電解質や電極が破損する問題もあることが判明した。   In addition, when a metal-supported cell is stacked to form a solid oxide fuel cell, a load is applied to the cell, and a load may be forcibly applied from the top of the stack to improve current collection. It was also found that there was a problem that the electrolyte and electrodes on the body were damaged.

本発明は、従来の固体酸化物形燃料電池における上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、セル強度に優れると共にゆがみやたわみに対する剛性があって平坦度が保たれることができる金属支持型固体酸化物形燃料電池用セル、さらにこのようなセルをスタック化したときに電解質や電極の破損が起こりにくい固体酸化物形燃料電池を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above problems in the conventional solid oxide fuel cell, and the object of the present invention is to have excellent cell strength and rigidity against distortion and deflection, and to maintain flatness. It is an object of the present invention to provide a cell for a metal-supported solid oxide fuel cell that can be manufactured, and a solid oxide fuel cell in which damage to an electrolyte or an electrode hardly occurs when such cells are stacked.

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた。その結果、金属支持型固体酸化物形燃料電池セル用の金属支持基板の構造等について検討した結果、金属隔壁から構成され、複数の貫通孔を備え、前記貫通孔数が25〜2000/inchの範囲で、厚さ(t)が0.01〜0.2cmのハニカム構造を有する支持体とすることによって上記目的の達成が可能になることを見出し、本発明を完成するに到った。 The inventors of the present invention have made extensive studies to solve the above problems. As a result, as a result of examining the structure and the like of the metal support substrate for the metal-supported solid oxide fuel cell, it is composed of metal partition walls, and has a plurality of through holes, and the number of through holes is 25 to 2000 / inch 2. In the range described above, the inventors have found that the above object can be achieved by using a support having a honeycomb structure having a thickness (t) of 0.01 to 0.2 cm, and the present invention has been completed.

すなわち、本発明の金属支持型固体酸化物形燃料電池用セルは、金属隔壁から構成され、複数の貫通孔を備え、前記貫通孔数が25〜2000/inchの範囲で、厚さ(t)が0.01〜0.2cmのハニカム構造を有する支持体(A)上に、燃料極(B)と、固体電解質(C)および空気極(D)とが(B)、(C)、(D)の順序で配置されていることを特徴としている。 That is, the metal-supported solid oxide fuel cell according to the present invention includes a metal partition wall and includes a plurality of through holes, and the thickness (t) is within a range of 25 to 2000 / inch 2. ) On a support (A) having a honeycomb structure of 0.01 to 0.2 cm, a fuel electrode (B), a solid electrolyte (C) and an air electrode (D) are (B), (C), They are arranged in the order of (D).

また、本発明の金属支持型固体酸化物形燃料電池用セルは、金属隔壁から構成され、複数の貫通孔を備え、前記貫通孔数が25〜2000/inchの範囲で、厚さ(t)が0.01〜0.2cmで、前記支持体(A)の平面面積(s)と厚さ(t)の2乗との比(s/t)が、10,000/1〜400,000/1の範囲である支持体(A)上に、燃料極(B)と、固体電解質(C)および空気極(D)とが(B)、(C)、(D)の順序で配置されていることを特徴としている。 The cell for a metal-supported solid oxide fuel cell according to the present invention is composed of a metal partition, has a plurality of through holes, and has a thickness (t in the range of 25 to 2000 / inch 2. ) Is 0.01 to 0.2 cm, and the ratio (s / t 2 ) between the plane area (s) and the square of the thickness (t) of the support (A) is 10,000 / 1 to 400. On the support (A) in the range of 1,000,000 / 1, the fuel electrode (B), the solid electrolyte (C) and the air electrode (D) are in the order (B), (C), (D). It is characterized by being arranged.

さらに、本発明の金属支持型固体酸化物形燃料電池用セルは、金属隔壁から構成され、複数の貫通孔を備え、前記貫通孔数が25〜1000/inchの範囲で、厚さ(t)が0.01〜0.2cmで、前記支持体(A)の平面面積(s)と厚さ(t)の2乗との比(s/t)が、10,000/1〜400,000/1の範囲であり、平面面積(s)が50〜1000cmであるハニカム構造を有する支持体(A)上に、燃料極(B)と、固体電解質(C)および空気極(D)とが(B)、(C)、(D)の順序で配置されていることを特徴としている。 Furthermore, the metal-supported solid oxide fuel cell according to the present invention includes a metal partition wall and includes a plurality of through holes, and the thickness (t) is within a range of 25 to 1000 / inch 2. ) Is 0.01 to 0.2 cm, and the ratio (s / t 2 ) between the plane area (s) and the square of the thickness (t) of the support (A) is 10,000 / 1 to 400. The fuel electrode (B), the solid electrolyte (C), and the air electrode (D) on the support (A) having a honeycomb structure having a plane area (s) of 50 to 1000 cm 2 in a range of 1,000,000 / 1. ) Are arranged in the order of (B), (C), (D).

本発明は、さらに、上記金属支持型固体酸化物形燃料電池用セルを用いたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池も、使用するセル強度と平坦性が優れており、セルをスタック化して荷重をかけてもハニカム構造の金属支持体で一定の荷重を支えながらセル隔壁が折り畳まれて緩衝的作用をすることから電解質や電極の破損がおこらず高い信頼性を有する。   The present invention further provides a solid oxide fuel cell characterized by using the above-mentioned metal-supported solid oxide fuel cell, and has excellent cell strength and flatness. Even when a load is applied, since the cell partition wall is folded and acts as a buffer while supporting a certain load with the honeycomb structure metal support, the electrolyte and the electrode are not damaged, and the reliability is high.

本発明によれば、セル強度に優れると共に冷熱サイクルを繰り返してもねじれやたわみに対する剛性がありセル平坦性に優れ、ハニカム構造の金属支持体から3層膜セルの剥離が起こりにくく、かつ簡便な製法で作製することができる金属支持型固体酸化物形燃料電池用セル、さらにこのようなセルをスタック化しても電解質や電極の破損が起こらない固体酸化物形燃料電池を提供することができる。   According to the present invention, the cell strength is excellent and the cell flatness is excellent even when the cooling cycle is repeated, the cell flatness is excellent, the separation of the three-layer membrane cell from the honeycomb structure metal support is difficult, and simple. It is possible to provide a metal-supported solid oxide fuel cell that can be produced by the production method, and a solid oxide fuel cell that does not cause damage to the electrolyte or electrode even when such cells are stacked.

本発明の金属支持型固体酸化物形燃料電池用セルの模式的な断面図である。It is typical sectional drawing of the cell for metal support type solid oxide fuel cells of the present invention.

A:ハニカム構造金属支持体、B:燃料極、C:固体電解質、D:空気極、E:金属支持型固体酸化物形燃料電池用セル A: honeycomb structure metal support, B: fuel electrode, C: solid electrolyte, D: air electrode, E: cell for metal support type solid oxide fuel cell

本発明の金属支持型固体酸化物形燃料電池用セルは、金属隔壁から構成され、複数の貫通孔を備え、前記貫通孔数が25〜2000/inchの範囲で、厚さ(t)が0.01〜0.2cmのハニカム構造を有する支持体(A)上に、燃料極(B)と、固体電解質(C)および空気極(D)とが(B)、(C)、(D)の順序で配置されたことを特徴とする金属支持型固体酸化物形燃料電池用セルである。 The cell for a metal-supported solid oxide fuel cell according to the present invention is composed of a metal partition, has a plurality of through holes, the number of through holes is in the range of 25 to 2000 / inch 2 , and the thickness (t) is On the support (A) having a honeycomb structure of 0.01 to 0.2 cm, the fuel electrode (B), the solid electrolyte (C), and the air electrode (D) are (B), (C), (D The metal-supported solid oxide fuel cell is arranged in the order of

上記金属隔壁で構成され、複数の貫通孔を備えたハニカム構造をなす支持体(A)の材
質としては、特に制限されず、ニッケル、ニッケル系耐熱合金、ニッケル−クロム合金、鉄−クロム合金、オーステナイト系ステンレス鋼SUS304やフェライト系ステンレス鋼SUS430、SUS410が挙げられる。これらの中で、自動車用排ガス処理触媒の担体として使用されているフェライト系ステンレス鋼が、汎用性があり好ましい。
The material of the support (A) composed of the metal partition walls and having a honeycomb structure having a plurality of through holes is not particularly limited, and is nickel, nickel-based heat-resistant alloy, nickel-chromium alloy, iron-chromium alloy, Examples include austenitic stainless steel SUS304, ferritic stainless steel SUS430, and SUS410. Among these, ferritic stainless steel used as a carrier for an exhaust gas treatment catalyst for automobiles is preferable because of its versatility.

上記ハニカム構造となる複数の貫通孔の形状は三角形、四角形、六角形やコルゲート状の2つの波形が組合されたものや1つの波形と1つの直線や曲線が組み合わされたものなどが好適であり、これらのうち2種以上の形状が組み合わされていてもよい。   The shape of the plurality of through-holes forming the honeycomb structure is preferably a combination of two waveforms such as a triangle, a quadrangle, a hexagon or a corrugated shape, or a combination of one waveform and one straight line or curve. Of these, two or more kinds of shapes may be combined.

貫通孔の開孔数は、支持体上への3層膜セルの形成とハニカム構造の金属支持体は製造との観点から、1inch平方当たり100〜2000個が好ましく、150〜1600個がさらに望ましく、200〜1200個が特に望ましい。   The number of through-holes is preferably 100 to 2000, more preferably 150 to 1600 per inch square from the viewpoint of forming a three-layer film cell on the support and manufacturing a honeycomb structure metal support. 200 to 1200 is particularly desirable.

また、貫通孔を仕切る金属隔壁の厚さは、ハニカム構造を安定製造と支持体中で圧損によるセル発電性能、スタック化時の電解質や電極への緩衝作用の観点から、10〜1000μmが望ましく、15〜800μmがより望ましく、20〜500μmがさらに望ましく、30〜400μmが特に望ましい。   Further, the thickness of the metal partition wall that partitions the through hole is preferably 10 to 1000 μm from the viewpoint of stable production of the honeycomb structure and cell power generation performance due to pressure loss in the support, and buffering action on the electrolyte and the electrode at the time of stacking, 15-800 micrometers is more desirable, 20-500 micrometers is still more desirable, and 30-400 micrometers is especially desirable.

上記金属隔壁は、すべての隔壁厚さが同一である必要は無く、ある一定間隔の隔壁厚さがその他の隔壁厚さより厚くなっていることによって、金属支持体の強度が増すとともに耐たわみ強度も向上する傾向があるので好ましい。また、支持体最外周の筒部は隔壁を保持固定すると共に3層膜セルとのシール部ともなるので、その厚さは金属隔壁よりも厚い500〜3000μmが好ましい。   The above-mentioned metal partition walls do not have to have the same partition wall thickness, and because the partition wall thickness at a certain interval is thicker than other partition wall thicknesses, the strength of the metal support is increased and the deflection resistance is also improved. This is preferable because it tends to improve. Moreover, since the cylindrical part of the outermost periphery of the support body holds and fixes the partition wall and also serves as a seal part with the three-layer film cell, the thickness is preferably 500 to 3000 μm thicker than the metal partition wall.

上記支持体(A)の厚さ(高さ)は、セル容量による燃料電池装置のコンパクト性と冷熱サイクルの繰り返しによって支持体の平面度の観点から、0.01〜0.2cmが望ましく、0.012〜0.1cmがより望ましく、0.015〜0.05cmがさらに望ましく、0.018〜0.04cmが特に望ましい。   The thickness (height) of the support (A) is preferably 0.01 to 0.2 cm from the viewpoint of the flatness of the support due to the compactness of the fuel cell device depending on the cell capacity and the repetition of the cooling and heating cycle. 0.012 to 0.1 cm is more desirable, 0.015 to 0.05 cm is further desirable, and 0.018 to 0.04 cm is particularly desirable.

ここで言う平面度とは、JIS B0621に規定される平面形体の幾何学的に正しい平面からの狂いの大きさであり、これを参照して、貫通孔が開口している金属支持体の隔壁端面のうち最も高い点と最も低い点との差とした。測定方法は特に制限はされず、接触式もしくは非接触式の三次元測定器を用いて測定できる。接触式三次元測定器を用いる場合は、金属支持体を定盤上に固定後、該金属支持体に隔壁端面において、プローブ(測定端子)を用いて4点平面測定を行い仮基準点を設定し、この端面のXY軸の原点を設定し、該原点よりX軸方向およびY軸方向にプローブを走査して任意のポイントで測定し、測定した端面における最も高いポイントと最も低いポイントとの値の差から平面度を求めた。   The flatness referred to here is the magnitude of the deviation from the geometrically correct plane of the flat form defined in JIS B0621. With reference to this, the partition wall of the metal support in which the through hole is opened The difference between the highest point and the lowest point of the end face was taken. The measuring method is not particularly limited, and can be measured using a contact or non-contact type three-dimensional measuring instrument. When using a contact type three-dimensional measuring instrument, after fixing the metal support on the surface plate, set a temporary reference point by performing four-point plane measurement using a probe (measurement terminal) on the partition wall end face of the metal support. Then, the origin of the XY axis of this end face is set, the probe is scanned from the origin in the X-axis direction and the Y-axis direction, measured at an arbitrary point, and the value of the highest point and the lowest point on the measured end face Flatness was calculated from the difference between the two.

本発明で使用する金属支持体の隔壁端面の平面度は、10μm以下が好ましく、さらに好ましくは5μm以下、特に好ましくは3μm以下である。また、冷熱サイクル繰り返し後の金属支持体の平面度は、好ましくは30μm以下、さらに好ましくは20μm以下、特に好ましくは10μm以下である。なお、金属支持体上の3層膜セルの平面度は、セル電極層と支持体との界面剥離の観点から、30μm以下が好ましく、さらに好ましくは20μm以下、特に好ましくは10μm以下である。平面度は小さければ小さいほど剥離は起こりにくくなる傾向にあるため、平面度の下限値は0である。   The flatness of the partition wall end face of the metal support used in the present invention is preferably 10 μm or less, more preferably 5 μm or less, and particularly preferably 3 μm or less. Further, the flatness of the metal support after repeated cooling and heating cycles is preferably 30 μm or less, more preferably 20 μm or less, and particularly preferably 10 μm or less. The flatness of the three-layer membrane cell on the metal support is preferably 30 μm or less, more preferably 20 μm or less, and particularly preferably 10 μm or less from the viewpoint of interfacial peeling between the cell electrode layer and the support. The smaller the flatness is, the less likely peeling occurs, so the lower limit of flatness is zero.

さらに、上記支持体(A)の大きさは、その上部に形成される3層膜セルの大きさに規定され、一般にはセルの平面面積と同等かほぼ同等の大きさとなる。通常、金属支持体の平面面積としては50〜1000cm、望ましくは75〜900cm、さらに望ましくは90〜750cm、特に望ましくは100〜500cmである。 Further, the size of the support (A) is defined by the size of the three-layer film cell formed on the support (A), and is generally the same as or almost the same as the planar area of the cell. Usually, the planar area of the metal support is 50 to 1000 cm 2 , desirably 75 to 900 cm 2 , more desirably 90 to 750 cm 2 , and particularly desirably 100 to 500 cm 2 .

本発明では、上記支持体(A)は平面面積が大きく厚さが低い薄膜状であることを特徴としており、その関係は平面面積(s)と厚さ(t)の2乗との比(s/t)が、10,000/1〜400,000/1の範囲であることが望ましい。一般に、金属支持体の平面面積が大きく且つ厚さが小さいと、冷熱サイクルを繰り返えした場合に、その熱応力のために馬の鞍状のねじれやたわみ、反りが生じやすくなり支持体端面の平面度を保つのが困難となる傾向があるが、支持体の平面面積と厚さを上記関係にすることによって支持体剛性を保持することができるようになる。平面面積(s)と厚さ(t)の2乗との比(s/t)は、20,000/1〜350,000/1の範囲であることがより望ましく、30,000/1〜300,000/1の範囲であることがさらに望ましく、50,000/1〜200,000/1の範囲であることが特に望ましい。 In the present invention, the support (A) is a thin film having a large planar area and a low thickness, and the relationship is the ratio of the planar area (s) to the square of the thickness (t) ( s / t 2 ) is desirably in the range of 10,000 / 1 to 400,000 / 1. In general, if the planar area of the metal support is large and the thickness is small, when the heat cycle is repeated, the horse's saddle-like twist, deflection, and warpage are likely to occur due to the thermal stress. However, it is difficult to maintain the flatness of the support, and the rigidity of the support can be maintained by setting the planar area and thickness of the support to the above relationship. The ratio (s / t 2 ) between the plane area (s) and the square of the thickness (t) is more preferably in the range of 20,000 / 1 to 350,000 / 1, more preferably 30,000 / 1. It is more desirable to be in the range of ~ 300,000 / 1, and it is particularly desirable to be in the range of 50,000 / 1 to 200,000 / 1.

さらに、上記支持体(A)の端面形状は、円形、楕円形、角形、R(アール)を持った角形、角丸長方形、あるいはこれら形状の筒型など何れでもよい。なお、上記支持体端面とは、支持体最外周筒部の側面以外の支持体表面のことであり、隔壁面、貫通孔面、および最外周筒部面から構成される面を言う。   Further, the end face shape of the support (A) may be any of a circular shape, an elliptical shape, a rectangular shape, a rectangular shape having R (R), a rounded rectangular shape, or a cylindrical shape having these shapes. In addition, the said support body end surface is a support body surface other than the side surface of a support body outermost periphery cylinder part, and says the surface comprised from a partition surface, a through-hole surface, and an outermost periphery cylinder part surface.

本発明では、上記のように特定された寸法の薄膜状支持体において、金属隔壁表面に針状、棒状、ウィスカー状等の直線状や曲線状の高さが1μm以上の突起が形成されたハニカム構造であることが望ましい。この突起を金属隔壁表面に該表面1cm当たり平均10個以上存在し、且つ突起の高さを1μm以上とすることによって、3層膜セルを支持体上に簡便に形成でき、しかも、冷熱サイクルの繰り返しによっても支持体とその上に形成された電極層と密着性に優れるので燃料電池用セルとして安定した発電性能を発揮できることになる。 In the present invention, in the thin film-like support having the dimensions specified as described above, a honeycomb having protrusions having a linear or curved height of 1 μm or more such as a needle shape, a rod shape, or a whisker shape formed on the surface of the metal partition wall A structure is desirable. The projections present surface 1 cm 2 per average 10 or more on the metal surface of the partition wall, and by a more 1μm height of the protrusions can easily form a three-layered film cells on a support, moreover, thermal cycle By repeating the above, since the adhesion to the support and the electrode layer formed thereon is excellent, stable power generation performance can be exhibited as a fuel cell.

あるいは、本発明では、前記のように特定された寸法の薄膜状支持体において、金属隔壁表面に凹凸が形成されてハニカム構造であることも望ましい。なお、ここで言う凹凸とは、金属隔壁の表裏面に対向する位置に形成されたディンプル状の凹形状箇所と凸形状箇所のことである。つまり、金属隔壁の一方の表面に複数の凹形状箇所と複数の凸形状箇所とが存在し、他方の表面にも、一方の表面に凹形状箇所と凸形状箇所とが存在した箇所のほぼ同じ位置に、凸形状箇所と凹形状箇所とが存在する。   Alternatively, in the present invention, it is also desirable that the thin film-like support having the dimensions specified as described above has a honeycomb structure in which irregularities are formed on the surface of the metal partition walls. In addition, the unevenness | corrugation said here is the dimple-shaped concave-shaped part and convex-shaped part formed in the position facing the front and back of a metal partition. That is, there are a plurality of concave-shaped portions and a plurality of convex-shaped portions on one surface of the metal partition wall, and the other surface is substantially the same as the portion where the concave-shaped portions and the convex-shaped portions are present on one surface. The position has a convex portion and a concave portion.

この凹凸を金属隔壁表面に該表面1cm当たり平均5個以上の高さが2μm以上とすることによって、3層膜セルを支持体上に簡便に形成でき、しかも、冷熱サイクルの繰り返しによっても支持体とその上に形成された電極層と密着性に優れるので燃料電池用セル
として安定した発電性能を発揮できることになる。
By forming these irregularities on the metal partition surface with an average height of 5 or more per 1 cm 2 of the surface being 2 μm or more, a three-layer film cell can be easily formed on the support, and also supported by repeated cooling and heating cycles. Since the body and the electrode layer formed thereon are excellent in adhesion, stable power generation performance can be exhibited as a fuel cell.

さらに、本発明では、前記のように特定された寸法の薄膜状支持体において、該支持体の貫通孔の少なくとも一方の口に多孔質層を有するハニカム構造であることも望ましい。貫通孔の一方の口に多孔質層を有する支持体端面側に電極を形成しても、貫通孔端面に相当する貫通孔の口での電極層のへこみが抑制され均質な電極層が形成されるとともに3層膜セルを支持体上に簡便に形成でき、しかも、冷熱サイクルの繰り返しによっても支持体とその上に形成された電極層と密着性に優れるので燃料電池用セルとして安定した発電性能を発揮できることになる。   Furthermore, in the present invention, it is also desirable that the thin film-like support having the dimensions specified as described above has a honeycomb structure having a porous layer in at least one of the through holes of the support. Even if an electrode is formed on the end face side of the support having a porous layer at one end of the through hole, the dent of the electrode layer at the end of the through hole corresponding to the end face of the through hole is suppressed, and a homogeneous electrode layer is formed. In addition, a three-layer membrane cell can be easily formed on a support, and also has excellent adhesion to the support and the electrode layer formed thereon by repeated cooling and heating cycles. Can be demonstrated.

上記電解質層(C)は、固体酸化物形燃料電池の固体電解質用の酸素イオン伝導性金属酸化物で形成されておれば、特に制限はされない。該金属酸化物としては、安定化ジルコニア、ドープセリア、安定化ビスマスやランタンガレートなどが挙げられ、これらを単独であるいは二種以上混合したものでもよい。   The electrolyte layer (C) is not particularly limited as long as it is formed of an oxygen ion conductive metal oxide for a solid electrolyte of a solid oxide fuel cell. Examples of the metal oxide include stabilized zirconia, doped ceria, stabilized bismuth and lanthanum gallate, and these may be used alone or in combination of two or more.

安定化ジルコニアとしては、例えば、MgO、CaO、SrO、BaOなどのアルカリ土類金属の酸化物、Sc、Y、La、CeO、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Ybなど希土類元素の酸化物、Bi、Inなどその他の金属の酸化物などが一種または二種以上、安定化剤として固溶しているジルコニア、さらには、該安定化ジルコニアに、Al、TiO、Ta、Nbなどが分散強化剤として添加されたジルコニアなどを例示することができる。上記の中でも、より高度な熱的特性、機械的特性、化学的特性および酸素イオン導電特性を有するジルコニアとして、スカンジア、イットリア、セリアから選択される少なくとも一種の酸化物で安定化されたものであり、結晶構造が正方晶の部分安定化ジルコニアや立方晶の完全安定化ジルコニアがさらに好ましく、4〜12モル%のスカンジア粉末、8〜11モル%のスカンジアと0.5〜2モル%のセリア、または3〜10モル%のイットリアで安定化されたジルコニアが特に好ましい。 Examples of the stabilized zirconia include oxides of alkaline earth metals such as MgO, CaO, SrO, and BaO, Sc 2 O 3 , Y 2 O 3 , La 2 O 3 , CeO 2 , Pr 2 O 3 , and Nd 2. Oxides of rare earth elements such as O 3 , Sm 2 O 3 , Eu 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Tb 2 O 3 , Dy 2 O 3 , Ho 2 O 3 , Er 2 O 3 , Yb 2 O 3 , Bi Zirconia in which one or more oxides of other metals such as 2 O 3 and In 2 O 3 are solid-dissolved as a stabilizer, and further to the stabilized zirconia, Al 2 O 3 , TiO 2 Examples thereof include zirconia to which Ta 2 O 5 , Nb 2 O 5 and the like are added as a dispersion strengthening agent. Among the above, zirconia having higher thermal characteristics, mechanical characteristics, chemical characteristics, and oxygen ion conductivity characteristics is stabilized by at least one oxide selected from scandia, yttria, and ceria. Further, partially stabilized zirconia having a tetragonal crystal structure or fully stabilized zirconia having cubic crystal structure is more preferable, 4 to 12 mol% scandia powder, 8 to 11 mol% scandia and 0.5 to 2 mol% ceria, Or zirconia stabilized with 3 to 10 mol% yttria is particularly preferred.

ドープドセリアとしては、例えば、Y、Sm、Gd、Nd、Pr、Sc、Ga、Alからなる群より選択される1種または2種以上の金属がドープされたセリア、より具体的には、Ce1−X2−Y(式中、MはY、Sm、Gd、Nd、Pr、Sc、Ga、Alからなる群より選択される1種または2種以上の金属を示し;0.05≦x≦0.4であり且つ0≦y<0.5である)で表されるセリアを挙げることができる。ドープセリアとしては、特にY、Smおよび/またはGdに10〜30モル%ドープされたセリア、即ち、上記式においてMがY、Smおよび/またはGdであり且つ0.10≦x≦0.30であるセリアが好ましく、Smおよび/またはGdに15〜25モル%ドープされたセリアがより好ましい。 As the doped ceria, for example, ceria doped with one or more metals selected from the group consisting of Y, Sm, Gd, Nd, Pr, Sc, Ga, and Al, more specifically, Ce 1 -X M X O 2-Y (wherein M represents one or more metals selected from the group consisting of Y, Sm, Gd, Nd, Pr, Sc, Ga, Al; 0.05 ≦ x ≦ 0.4 and 0 ≦ y <0.5). As the doped ceria, in particular, ceria doped with 10 to 30 mol% in Y, Sm and / or Gd, that is, in the above formula, M is Y, Sm and / or Gd and 0.10 ≦ x ≦ 0.30 Certain ceria is preferred, and ceria doped with 15 to 25 mol% of Sm and / or Gd is more preferred.

なお、上記式におけるyの値は、ドーパントであるMの量や酸素分圧に依存する。即ち、Mの価数は2価であることもあるが通常は3価であり、その酸化物の化学式はM23となるので、ドーパント量が増えるほどyの値は小さくなる。また、Ceの価数は酸素分圧などの影響により2価または3価となるので、セリア中にはCeOとCeO1.5が混在する。よって、yの値は一義的に定まるものではない。しかしこのことは、当業者にとり技術的常識である。 Note that the value of y in the above formula depends on the amount of dopant M 2 O 3 and the oxygen partial pressure. That is, although the valence of M may be bivalent, it is usually trivalent, and the chemical formula of the oxide is M 2 O 3 , so the value of y decreases as the amount of dopant increases. Further, since the valence of Ce becomes divalent or trivalent due to the influence of oxygen partial pressure or the like, CeO 2 and CeO 1.5 are mixed in the ceria. Therefore, the value of y is not uniquely determined. However, this is technical common sense for those skilled in the art.

安定化ビスマスとしては、例えば、MgO、CaO、SrO、BaOなどのアルカリ土類金属の酸化物、など希土類元素の酸化物などが一種または二種以上、安定化剤として固溶している酸化ビスマスが挙げられる。   Examples of stabilized bismuth include bismuth oxide in which one or more rare earth element oxides such as alkaline earth metal oxides such as MgO, CaO, SrO, and BaO are solid-dissolved as a stabilizer. Is mentioned.

ランタンガレートとしては、LaGaOペロブスカイトを基本構造とし、そのLaやGaの一部が、Sr、Ca、Ba、Mg、In、Co、Fe、Ni、Cuなどで置換された、La1−xSrGa1−yMg3−δ、La1−xSrGa1−yMgCo3−δ、La1−xSrGa1−yMgFe3−δ、La1−xSrGa1−yMgNi3−δ(式中、0<x≦0.2、0<y≦0.2、0<z≦0.1であり;δは酸素欠損量を示す)で表されるランタンガレートが、高い酸素イオン伝導性を示すことから好ましい。 As the lanthanum gallate, La 1-x Sr having a basic structure of LaGaO 3 perovskite, in which a part of La or Ga is substituted with Sr, Ca, Ba, Mg, In, Co, Fe, Ni, Cu or the like. x Ga 1-y Mg y O 3-δ, La 1-x Sr x Ga 1-y Mg y Co z O 3-δ, La 1-x Sr x Ga 1-y Mg y Fe z O 3-δ, La 1-x Sr x Ga 1-y Mg y Ni z O 3-δ (where 0 <x ≦ 0.2, 0 <y ≦ 0.2, 0 <z ≦ 0.1; δ is The lanthanum gallate represented by (showing the amount of oxygen deficiency) is preferable because it shows high oxygen ion conductivity.

上記燃料極層(B)は、固体酸化物形燃料電池の燃料極用の金属酸化物で形成されておれば、特に制限はされない。なお、本発明において、燃料極用の金属酸化物とは、発電時には還元されて、アノード触媒活性を有する金属となるような金属酸化物、このような金属酸化物と酸素イオン伝導性金属酸化物との混合物、このような金属酸化物と酸素イオンと電子との混合導電性金属酸化物、あるいは、このような金属酸化物と酸素イオン伝導性金属酸化物と混合導電性金属酸化物との混合物を指す。アノード触媒活性を有する金属となるような金属酸化物としては、酸化ニッケル、酸化コバルト、酸化銅、酸化鉄、酸化ルテニウムのうちの1種以上が挙げられる。また酸素イオン伝導性金属酸化物や混合導電性金属酸化物としては、上記安定化ジルコニア、ドープドセリア、安定化ビスマスやランタンガレートなどが挙げられる。これらのうち、該燃料極用の金属酸化物としては、低温での高い電極活性を有するNiOとドープドセリアの混合物が好ましい。   The fuel electrode layer (B) is not particularly limited as long as it is formed of a metal oxide for a fuel electrode of a solid oxide fuel cell. In the present invention, the metal oxide for the fuel electrode is a metal oxide that is reduced during power generation to become a metal having an anode catalytic activity, such a metal oxide and an oxygen ion conductive metal oxide. A mixture of such metal oxides, oxygen ions and electrons, or a mixture of such metal oxides, oxygen ion conductive metal oxides and mixed conductive metal oxides Point to. Examples of the metal oxide that becomes a metal having anode catalytic activity include one or more of nickel oxide, cobalt oxide, copper oxide, iron oxide, and ruthenium oxide. Examples of the oxygen ion conductive metal oxide and mixed conductive metal oxide include the above-mentioned stabilized zirconia, doped ceria, stabilized bismuth and lanthanum gallate. Among these, the metal oxide for the fuel electrode is preferably a mixture of NiO and doped ceria having high electrode activity at low temperatures.

上記空気極層(D)は、固体酸化物形燃料電池の空気極用の金属酸化物で形成されておれば、特に制限はされない。なお、本発明において、空気極用の金属酸化物とは、発電時にカソード触媒活性を有する金属酸化物、このような金属酸化物と酸素イオン伝導性金属酸化物との混合物、このような金属酸化物と酸素イオンと電子との混合導電性金属酸化物、あるいは、このような金属酸化物と酸素イオン伝導性金属酸化物と混合導電性金属酸化物との混合物を指す。   The air electrode layer (D) is not particularly limited as long as it is formed of a metal oxide for an air electrode of a solid oxide fuel cell. In the present invention, the metal oxide for the air electrode is a metal oxide having a cathode catalytic activity during power generation, a mixture of such a metal oxide and an oxygen ion conductive metal oxide, such a metal oxide. It refers to a mixed conductive metal oxide of a substance, oxygen ions, and electrons, or a mixture of such a metal oxide, an oxygen ion conductive metal oxide, and a mixed conductive metal oxide.

カソード触媒活性を有する金属酸化物としては、ドープドランタンマンガナイト、ドープドランタンフェライト、ドープドランタンコバルトフェライト、ドープドストロンチウムコバルタイトなどのペロブスカイト構造が挙げられる。これらのうち、低温での高い電極活性を有するドープドランタンコバルトフェライト、ドープドストロンチウムコバルタイトが好ましい。また酸素イオン伝導性金属酸化物や混合導電性金属酸化物としては、上記安定化ジルコニア、ドープドセリア、安定化ビスマスやランタンガレートなどが挙げられる。これらのうち、該燃料極用の金属酸化物としては、低温での高い電極活性を有するドープドランタンコバルトフェライト、ドープドストロンチウムコバルタイトとドープドセリアの混合物が好ましい。   Examples of the metal oxide having cathode catalytic activity include perovskite structures such as doped lanthanum manganite, doped lanthanum ferrite, doped lanthanum cobalt ferrite, and doped strontium cobaltite. Of these, doped lanthanum cobalt ferrite and doped strontium cobaltite having high electrode activity at low temperatures are preferred. Examples of the oxygen ion conductive metal oxide and mixed conductive metal oxide include the above-mentioned stabilized zirconia, doped ceria, stabilized bismuth and lanthanum gallate. Among these, as the metal oxide for the fuel electrode, a mixture of doped lanthanum cobalt ferrite, doped strontium cobaltite and doped ceria having high electrode activity at a low temperature is preferable.

上記電解質層(C)の厚みは、5〜30μm、好ましくは10〜20μmであり、上記燃料極層(B)の厚さは、好ましくは10〜100μm、特に好ましくは20〜80μmであり、上記空気極層(D)の厚さは、好ましくは10〜50μm、特に好ましくは20〜40μmである。   The thickness of the electrolyte layer (C) is 5 to 30 μm, preferably 10 to 20 μm. The thickness of the fuel electrode layer (B) is preferably 10 to 100 μm, particularly preferably 20 to 80 μm. The thickness of the air electrode layer (D) is preferably 10 to 50 μm, particularly preferably 20 to 40 μm.

上記形態の金属支持型固体酸化物形燃料電池用セルでは、ハニカム構造をなす上記基材の貫通孔内には水素や炭化水素等の燃料ガスが供給されるので、隔壁は還元性雰囲気にされることになるので、金属隔壁が還元性雰囲気に曝されたときに隔壁材質が変質するのを防ぐために、また、3層膜セル形成時の熱処理雰囲気の影響を避けるために、その表面を酸化物で被覆することも可能である。この場合、必ずしも隔壁の全面にわたって被覆されている必要はなく、上記変質を防げる被覆割合でも問題はない。好ましい被覆割合は、隔壁の合計表面積に対して少なくとも50%以上の割合で被覆されている場合であり、さらに隔壁材質が変質するのを防ぐためは、80%以上の割合がより好ましくは、特に好ましくは90%以上である。   In the metal-supported solid oxide fuel cell of the above embodiment, since the fuel gas such as hydrogen or hydrocarbon is supplied into the through-holes of the base material having the honeycomb structure, the partition walls are made a reducing atmosphere. Therefore, the surface of the metal barrier is oxidized in order to prevent the barrier rib from being altered when exposed to a reducing atmosphere and to avoid the influence of the heat treatment atmosphere during the formation of the three-layer film cell. It is also possible to coat with an object. In this case, it is not always necessary to cover the entire surface of the partition wall, and there is no problem with the coating ratio that can prevent the above-mentioned alteration. A preferable covering ratio is a case where it is coated at a ratio of at least 50% or more with respect to the total surface area of the partition walls, and more preferably a ratio of 80% or more in order to prevent the partition wall material from being altered. Preferably it is 90% or more.

被覆酸化物の材質としては、アルミナ、チタニア、ジルコニア、セリア、酸化ニッケル等の酸化物が好ましい。   As the material of the coating oxide, oxides such as alumina, titania, zirconia, ceria, nickel oxide are preferable.

上記酸化物の被覆方法は、特に制限は無く、通常の蒸着法やスパッタ法などの気相法やスラリーコート法や含浸法などの液相法が用いられ、また、効果的に隔壁材質の変質を防ぐとともに熱処理雰囲気の影響を避けるための被覆厚さは、1〜10μm、好ましくは2〜8μmである。   The oxide coating method is not particularly limited, and a normal vapor phase method such as vapor deposition or sputtering, or a liquid phase method such as slurry coating or impregnation, can be used. The coating thickness for preventing the influence of the heat treatment atmosphere is 1 to 10 μm, preferably 2 to 8 μm.

上記金属支持型固体酸化物形燃料電池用セルの各層の形成方法は特に制限されず、ハニカム構造を有する支持体(A)上に、燃料極(B)と、固体電解質(C)および空気極(D)とが(B)、(C)、(D)の順序で配置できれば公知の乾式法や湿式法を用いることができる。乾式法では、例えば、直流加熱蒸着法、イオンビーム蒸着法、反応性イオンビーム蒸着法、2極スパッタ法、マグネトロンスパッタ法、反応性スパッタ法、3極スパッタ法、イオンビームスパッタ法、イオンプレーティング法、ホローカソードビーム法、イオンビーム注入法、プラズマCVD法または、高速フレーム溶射法を用いることができる。また、湿式法では、塗布法、コーティング法、浸漬法、または含浸法等を用いることができる。さらには、上記湿式法と乾式法を組み合わせて用いることも可能である。   The method for forming each layer of the metal-supported solid oxide fuel cell is not particularly limited, and a fuel electrode (B), a solid electrolyte (C), and an air electrode are formed on a support (A) having a honeycomb structure. If (D) can be arranged in the order of (B), (C), and (D), a known dry method or wet method can be used. In the dry method, for example, direct current heating deposition method, ion beam deposition method, reactive ion beam deposition method, bipolar sputtering method, magnetron sputtering method, reactive sputtering method, tripolar sputtering method, ion beam sputtering method, ion plating Method, hollow cathode beam method, ion beam implantation method, plasma CVD method or high-speed flame spraying method can be used. In the wet method, a coating method, a coating method, a dipping method, an impregnation method, or the like can be used. Furthermore, the above wet method and dry method can be used in combination.

以下に実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明は、下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更して実施することも可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。   The present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the present invention is not limited by the following examples, and is implemented with appropriate modifications within a range that can meet the purpose described above and below. All of which are within the scope of the present invention.

(実施例1)
(金属支持型固体酸化物形燃料電池用セルの製造)
<金属支持体>
材質がAlとTiを含むフェライト系ステンレス鋼で、開孔数が1600/inch、支持体直径が120mmφ、支持体厚さが0.025cm、隔壁厚さが50μmの市販のメタルハニカムを、金属支持体として用意した。平面面積(s)と厚さ(t)の2乗との比(s/t)は181,000である。
Example 1
(Manufacture of cells for metal-supported solid oxide fuel cells)
<Metal support>
A commercially available metal honeycomb made of ferritic stainless steel containing Al and Ti, having a number of holes of 1600 / inch 2 , a support diameter of 120 mmφ, a support thickness of 0.025 cm, and a partition wall thickness of 50 μm, Prepared as a support. The ratio (s / t 2 ) between the plane area (s) and the square of the thickness (t) is 181,000.

また、金属支持体の平面度は、定盤の上に上記金属支持体を載置して、三次元測定機(ミツトヨ社製、型式:FALCIO916、プローブはTP2)を用いて5回測定し、その平均値を平面度とした。平面度は9μmであった。   Further, the flatness of the metal support is measured 5 times using a three-dimensional measuring machine (Mitutoyo, model: FALCIO916, probe is TP2) by placing the metal support on a surface plate. The average value was defined as flatness. The flatness was 9 μm.

<燃料極層の形成>
次いで、市販の平均粒径2.5μmのNiOと、市販の平均粒径0.6μmの10モル%スカンジア1モル%セリア安定化ジルコニア微粉末(10Sc1CeSZ)と平均粒径37μmの10Sc1CeSZ粗粉末との混合粉末(組成比:NiO/微10Sc1CeSZ/粗10Sc1CeSZ=60/20/20質量%)を、イソプロパノールに混合し、撹拌して、粉末濃度が25%の溶射材粉末スラリーを作製した。
<Formation of fuel electrode layer>
Next, a commercially available NiO having an average particle diameter of 2.5 μm, a commercially available 10 mol% scandia 1 mol% ceria-stabilized zirconia powder (10 Sc1CeSZ) having an average particle diameter of 0.6 μm, and a 10 Sc1CeSZ coarse powder having an average particle diameter of 37 μm. The mixed powder (composition ratio: NiO / fine 10Sc1CeSZ / crude 10Sc1CeSZ = 60/20/20% by mass) was mixed with isopropanol and stirred to prepare a thermal spray powder slurry having a powder concentration of 25%.

次いで、高速フレーム溶射装置(溶射ガン型番:AXZ−Gun、ウィティコジャパン社製、微粉末供給装置型番:WSPF−1、ウィティコジャパン社製)に、上記で得た溶射材粉末スラリーを、アフターバーナー用補助燃料を兼ねるキャリアーガスを用いて供給し、上記金属支持体上に高速フレーム溶射し、燃料極層を形成させた。形成された燃料極層の厚みは40μmであった。   Subsequently, the thermal spray powder slurry obtained above was applied to a high-speed flame spraying apparatus (spraying gun model number: AXZ-Gun, manufactured by Witco Japan Co., Ltd., fine powder supply apparatus model number: WSPF-1, manufactured by Witco Japan Co., Ltd.). A carrier gas that also serves as an auxiliary fuel was supplied, and high-speed flame spraying was performed on the metal support to form a fuel electrode layer. The thickness of the formed fuel electrode layer was 40 μm.

<電解質層の形成>
次いで、上記微10Sc1CeSZ粉末100質量部に、メタクリレート系共重合体(分子量:85000、ガラス転位温度:−8℃)からなるバインダーを固形分で15質量部を加えて、混練することにより電解質スラリーを調製した。該スラリーを上記燃料極層にスクリーン印刷したのち、支持体側は窒素ガスを流通させながら1400℃において3時間焼成することによって、上記燃料極層の上部に電解質層を形成した。形成された電解質層の厚みは15μmであった。
<Formation of electrolyte layer>
Next, an electrolyte slurry is prepared by adding 15 parts by mass of a solid binder to a binder composed of a methacrylate copolymer (molecular weight: 85000, glass transition temperature: −8 ° C.) to 100 parts by mass of the fine 10Sc1CeSZ powder. Prepared. After the slurry was screen-printed on the fuel electrode layer, the support side was fired at 1400 ° C. for 3 hours while flowing nitrogen gas, thereby forming an electrolyte layer on the fuel electrode layer. The thickness of the formed electrolyte layer was 15 μm.

<空気極層の形成>
次いで、平均粒径0.5μmのランタンコバルトフェライト粉末(組成:La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.83−x)を、10質量%のエチルセルロースを添加したα−テルピネオールに混合し、撹拌して、空気極ペーストを作製した。このとき、得られたペースト中のランタンコバルトフェライト粉末の含有量は、65質量%であった。次いで、スクリーン印刷法を用いて電解質層の表面に空気極層を成膜して、窒素ガス雰囲気中900℃で焼成して空気極を形成し、金属支持型固体酸化物形燃料電池用セルXを得た。
<Formation of air electrode layer>
Subsequently, lanthanum cobalt ferrite powder (composition: La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3-x ) having an average particle diameter of 0.5 μm was added to 10% by mass of ethyl cellulose and α-terpineol. And stirred to prepare an air electrode paste. At this time, the content of the lanthanum cobalt ferrite powder in the obtained paste was 65% by mass. Next, an air electrode layer is formed on the surface of the electrolyte layer using a screen printing method, and fired at 900 ° C. in a nitrogen gas atmosphere to form an air electrode. A cell X for a metal-supported solid oxide fuel cell Got.

(金属支持型固体酸化物形燃料電池用セルの冷熱サイクル評価)
作製した金属支持型固体酸化物形燃料電池用セルXおよび金属支持体のみを、窒素ガス雰囲気の焼成炉に載置し、室温から800℃までの昇温・降温を20回繰り返した。800までの昇温時間は2時間に、800℃から室温までの降温時間は5時間に設定した。冷熱サイクルに曝した後のセルXおよび金属支持体を定盤の上に載置して、その平面度を上記と同様にして平面度を算出した。また、目視で支持体と燃料極層との界面状態を観察した。
結果を表1に記す。
(Cooling cycle evaluation of metal-supported solid oxide fuel cell)
Only the produced metal-supported solid oxide fuel cell X and the metal support were placed in a firing furnace in a nitrogen gas atmosphere, and the temperature increase / decrease from room temperature to 800 ° C. was repeated 20 times. The temperature rising time to 800 was set to 2 hours, and the temperature falling time from 800 ° C. to room temperature was set to 5 hours. The cell X and the metal support after exposure to the cooling cycle were placed on a surface plate, and the flatness was calculated in the same manner as described above. Moreover, the interface state of a support body and a fuel electrode layer was observed visually.
The results are shown in Table 1.

(金属支持型固体酸化物形燃料電池用セルの5セルスタック荷重試験)
上記のように作製した作製した金属支持型固体酸化物形燃料電池用セルXを5枚と、直径が120mmφ、厚さが0.2cmの金属セパレータ5枚を、各セルの間とセル最上部に金属セパレータが位置するように配置して積層体とした。次いで、万能材料試験機(インストロン・ジャパン(株)製、4301型)を用いて、当該積層体に、1kg/cm2を負荷した状態になるまででクロスヘッド速度0.5mm/分の条件で荷重をかけ、1分間保持した。積層体を解放後、5枚のセルXの破損状態を目視で観察した。
結果を表1に記す。
(5-cell stack load test of metal-supported solid oxide fuel cell)
Five metal-supported solid oxide fuel cell cells X produced as described above and five metal separators having a diameter of 120 mmφ and a thickness of 0.2 cm were placed between each cell and at the top of the cell. The laminated body was arranged so that the metal separator was positioned on. Next, using a universal material testing machine (Instron Japan Co., Ltd. model 4301), the laminate was loaded with 1 kg / cm 2 under the condition of a crosshead speed of 0.5 mm / min. And then held for 1 minute. After releasing the laminate, the damaged state of the five cells X was visually observed.
The results are shown in Table 1.

(実施例2)
(金属支持型固体酸化物形燃料電池用セルの製造)
<金属支持体>
実施例1と同様の材質で、開孔数が900/inch、支持体直径が120mmφ、支持体厚さが0.03cm、隔壁厚さが50μmのメタルハニカムを、金属支持体として用意した。平面面積(s)と厚さ(t)の2乗との比(s/t)は126,000である。また、実施例1と同様にして平面度を測定すると14μmであった。
(Example 2)
(Manufacture of cells for metal-supported solid oxide fuel cells)
<Metal support>
A metal honeycomb having the same material as that of Example 1 and having an opening number of 900 / inch 2 , a support diameter of 120 mmφ, a support thickness of 0.03 cm, and a partition wall thickness of 50 μm was prepared as a metal support. The ratio (s / t 2 ) between the planar area (s) and the square of the thickness (t) is 126,000. Further, when the flatness was measured in the same manner as in Example 1, it was 14 μm.

<燃料極層の形成>
実施例1と同様の方法で、燃料極層を形成させた。
<電解質層の形成>
実施例1と同様の方法で、燃料極層を形成させた。
<Formation of fuel electrode layer>
A fuel electrode layer was formed in the same manner as in Example 1.
<Formation of electrolyte layer>
A fuel electrode layer was formed in the same manner as in Example 1.

<空気極層の形成>
平均粒径3.0μmのランタンコバルトフェライト粉末(組成:La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.83−x)をイソプロパノールに混合し、撹拌して、粉末濃度が25%の溶射材粉末スラリーを作製した。次いで、実施例1の燃料極層形成用スラリーに代えて、空気極層形成用溶射材粉末スラリーとすること以外は、燃料極層の形成と同様の方法で、高速フレーム溶射を行い、電解質層の表面に空気極層を形成させ、金属支持型固体酸化物形燃料電池用セルYを得た。
<Formation of air electrode layer>
Lanthanum cobalt ferrite powder (composition: La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3-x ) having an average particle size of 3.0 μm was mixed with isopropanol and stirred to obtain a powder concentration of 25%. A thermal spray material powder slurry was prepared. Next, high-speed flame spraying is performed in the same manner as in the formation of the fuel electrode layer except that the slurry for forming the air electrode layer is used as the slurry for forming the air electrode layer instead of the slurry for forming the fuel electrode layer in Example 1, and the electrolyte layer An air electrode layer was formed on the surface of the obtained metal-supported solid oxide fuel cell Y.

(金属支持型固体酸化物形燃料電池用セルの冷熱サイクル評価)
金属支持型固体酸化物形燃料電池用セルXに代えて、金属支持型固体酸化物形燃料電池用セルYを用いること以外は、実施例1と同様の方法で行った。また金属支持体も同様に冷熱サイクル評価をおこない、平面度を算出した。
結果を表1に記す。
(Cooling cycle evaluation of metal-supported solid oxide fuel cell)
The same procedure as in Example 1 was performed except that the metal-supported solid oxide fuel cell Y was used instead of the metal-supported solid oxide fuel cell X. In addition, the metal support was similarly subjected to a thermal cycle evaluation, and the flatness was calculated.
The results are shown in Table 1.

(金属支持型固体酸化物形燃料電池用セルの5セルスタック荷重試験)
金属支持型固体酸化物形燃料電池用セルXに代えて、金属支持型固体酸化物形燃料電池用セルYを用いること以外は、実施例1と同様の方法で行った。
結果を表1に記す。
(5-cell stack load test of metal-supported solid oxide fuel cell)
The same procedure as in Example 1 was performed except that the metal-supported solid oxide fuel cell Y was used instead of the metal-supported solid oxide fuel cell X.
The results are shown in Table 1.

(比較例1)
<金属支持体>
材質がAlとTiを含むフェライト系ステンレス鋼で、開孔数が60/inch、支持体直径が100mmφ、支持体厚さが0.1cm、隔壁厚さが300μmのメタルハニカムを、金属支持体として用意した。平面面積(s)と厚さ(t)の2乗との比(s/t)は7,900である。また、実施例1と同様にして平面度を測定すると5μmであった。
(Comparative Example 1)
<Metal support>
A metal support made of ferritic stainless steel containing Al and Ti, having a number of holes of 60 / inch 2 , a support diameter of 100 mmφ, a support thickness of 0.1 cm, and a partition wall thickness of 300 μm. Prepared as. The ratio (s / t 2 ) between the plane area (s) and the square of the thickness (t) is 7,900. The flatness measured in the same manner as in Example 1 was 5 μm.

<燃料極層の形成>
実施例1と同様の方法で、燃料極層を形成させた。
<電解質層の形成>
実施例1と同様の方法で、燃料極層を形成させた。
<空気極層の形成>
実施例1と同様の方法で、燃料極層を形成させ、金属支持型固体酸化物形燃料電池用セルZを得た。
<Formation of fuel electrode layer>
A fuel electrode layer was formed in the same manner as in Example 1.
<Formation of electrolyte layer>
A fuel electrode layer was formed in the same manner as in Example 1.
<Formation of air electrode layer>
A fuel electrode layer was formed in the same manner as in Example 1 to obtain a metal-supported solid oxide fuel cell Z.

(金属支持型固体酸化物形燃料電池用セルの冷熱サイクル評価)
金属支持型固体酸化物形燃料電池用セルXに代えて、金属支持型固体酸化物形燃料電池用セルZを用いること以外は、実施例1と同様の方法で行った。
結果を表1に記す。
(Cooling cycle evaluation of metal-supported solid oxide fuel cell)
It replaced with the metal support type solid oxide fuel cell X, and it carried out by the same method as Example 1 except using the cell Z for metal support type solid oxide fuel cells.
The results are shown in Table 1.

(金属支持型固体酸化物形燃料電池用セルの5セルスタック荷重試験)
金属支持型固体酸化物形燃料電池用セルXに代えて、金属支持型固体酸化物形燃料電池用セルZを用いること以外は、実施例1と同様の方法で行った。
結果を表1に記す。
(5-cell stack load test of metal-supported solid oxide fuel cell)
It replaced with the metal support type solid oxide fuel cell X, and it carried out by the same method as Example 1 except using the cell Z for metal support type solid oxide fuel cells.
The results are shown in Table 1.

Figure 2013201038
Figure 2013201038

上記表1から、本発明の金属支持型固体酸化物形燃料電池用セルは平面度はとも30μm以下であるが、金属支持体の平坦度に比較すると3倍にはなっていない。また、5セルスタックの荷重試験でも破損は認められていない。   From Table 1 above, the flatness of the metal-supported solid oxide fuel cell of the present invention is 30 μm or less, but it is not tripled compared to the flatness of the metal support. Also, no damage was observed in the load test of the 5-cell stack.

一方、本発明ではないセルの平面度20μm以下で優れているが、金属支持体の平坦度に比較すると3倍以上になっており、ねじれやたわみ比率が大きくなっていることが判る。また、5セルスタックの荷重試験でも破損が認められていることから、ハニカム構造の金属支持体の緩衝作用が十分でないと言える。   On the other hand, although it is excellent when the flatness of the cell which is not the present invention is 20 μm or less, it is 3 times or more as compared with the flatness of the metal support, and it can be seen that the ratio of twist and deflection is large. Moreover, since damage was recognized in the load test of the 5-cell stack, it can be said that the buffering action of the metal support having a honeycomb structure is not sufficient.

本発明の金属支持型固体酸化物形燃料電池用セルによれば、セル強度に優れると共に冷熱サイクルを繰り返してもねじれやたわみに対する剛性があり、ハニカム構造の金属支持体の緩衝作用によって3層膜セルの破損が起こりにくいことから、優れた金属支持型固体酸化物形燃料電池用セル、さらにこのようなセルを使用した固体酸化物形燃料電池を提供することができる。   According to the metal-supported solid oxide fuel cell of the present invention, the three-layer membrane is excellent in cell strength and has rigidity against torsion and deflection even after repeated cooling and heating cycles, and the buffering action of the honeycomb-structured metal support. Since breakage of the cell is unlikely to occur, an excellent metal-supported solid oxide fuel cell and a solid oxide fuel cell using such a cell can be provided.

Claims (4)

金属隔壁から構成され、複数の貫通孔を備え、前記貫通孔数が25〜2000/inchの範囲で、厚さ(t)が0.01〜0.2cmのハニカム構造を有する支持体(A)上に、燃料極(B)と、固体電解質(C)および空気極(D)とが(B)、(C)、(D)の順序で配置されたことを特徴とする金属支持型固体酸化物形燃料電池用セル。 A support body (A) comprising a metal partition, comprising a plurality of through holes, having a honeycomb structure with a number of through holes in the range of 25 to 2000 / inch 2 and a thickness (t) of 0.01 to 0.2 cm. ), A fuel electrode (B), a solid electrolyte (C), and an air electrode (D) are arranged in the order of (B), (C), (D). Oxide fuel cell. 前記支持体(A)の平面面積(s)と厚さ(t)の2乗との比(s/t)が、10000/1〜400000/1の範囲である請求項1記載の金属支持型固体酸化物形燃料電池用セル。 2. The metal support according to claim 1, wherein a ratio (s / t 2 ) between a planar area (s) of the support (A) and a square of the thickness (t) is in a range of 10,000 / 1 to 400,000 / 1. Type solid oxide fuel cell. 前記支持体(A)の平面面積(s)が50〜1000cmである請求項1または2に記載の金属支持型固体酸化物形燃料電池用セル。 3. The metal-supported solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the support (A) has a planar area (s) of 50 to 1000 cm 2 . 請求項1〜3いずれかの項に記載の金属支持型固体酸化物形燃料電池用セルを用いることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。   A solid oxide fuel cell comprising the metal-supported solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 3.
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