JP2006019059A - Solid electrolyte fuel battery cell, cell stack, and fuel battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、 内部に燃料の流通部を有する絶縁性の絶縁支持体の表面に発電素子部を設けた固体電解質形の燃料電池セル、セルスタック及び燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a solid electrolyte fuel cell, a cell stack, and a fuel cell in which a power generation element portion is provided on the surface of an insulating insulating support having a fuel circulation portion therein.
次世代エネルギーとして、近年、燃料電池が種々提案されている。このような燃料電池には、固体高分子形、リン酸形、溶融炭酸塩形、固体電解質形など、各種のものが知られているが、中でも固体電解質形燃料電池(SOFC;Solid Oxide Fuel Cell)は、作動温度が800〜1000℃と高いものの、発電効率が高く、また排熱利用ができるなどの利点を有しており、その研究開発が推し進められている。 In recent years, various fuel cells have been proposed as next-generation energy. Various types of fuel cells such as a solid polymer type, a phosphoric acid type, a molten carbonate type, and a solid electrolyte type are known. Among them, a solid oxide fuel cell (SOFC) is known. ) Has a high operating temperature of 800 to 1000 ° C., but has advantages such as high power generation efficiency and the ability to use exhaust heat, and its research and development is being promoted.
固体電解質形燃料電池は、燃料電池セルを複数有し、これらの燃料電池セルを互いに電気的に接続してセルスタックとし、このセルスタックを収納容器内に収容したものである。燃料電池セルにおいては、その燃料電池セルに発電素子部をどのように配置するかによって、いわゆる「横縞形」のタイプが知られている。
この横縞形の燃料電池セルは、発電素子部を、セルの軸長方向に沿って複数個配置し、それらを直列に接続したものである。発電素子部は1つあたり0.7Vの起電力しか得られないが、複数直列に接続することで、1セル当たり相当の起電力が得られる。
The solid oxide fuel cell has a plurality of fuel cells, and these fuel cells are electrically connected to each other to form a cell stack, and the cell stack is accommodated in a storage container. In a fuel cell, a so-called “horizontal stripe” type is known depending on how the power generation element portion is arranged in the fuel cell.
In this horizontally striped fuel cell, a plurality of power generating element portions are arranged along the axial length direction of the cells and connected in series. Only one electromotive force of 0.7 V can be obtained for each power generating element section, but by connecting a plurality of power generating elements in series, an equivalent electromotive force can be obtained per cell.
横縞形の燃料電池セルは、多孔質絶縁体である円筒状の絶縁支持体の表面に、発電素子部を軸長方向に所定間隔をおいて複数配置している。それぞれの発電素子部は、燃料極、固体電解質及び空気極を順次積層した層構造となっている。互いに隣り合う発電素子部は、それぞれインターコネクタにより直列に接続されている。すなわち、一方の発電素子部の燃料極と他方の発電素子部の空気極とが、インターコネクタにより接続されている。そして、絶縁支持体の内部にはガス流路が形成されている。 In the horizontally striped fuel cell, a plurality of power generating element portions are arranged at predetermined intervals in the axial direction on the surface of a cylindrical insulating support that is a porous insulator. Each power generating element portion has a layer structure in which a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are sequentially stacked. The power generating element portions adjacent to each other are connected in series by an interconnector. That is, the fuel electrode of one power generation element part and the air electrode of the other power generation element part are connected by the interconnector. A gas flow path is formed inside the insulating support.
前記構造の横縞形の燃料電池セルの発電原理は、次のとおりである。
固体電解質の酸素イオン伝導性は600℃程度から高くなるため、600℃以上の温度域で、空気極に酸素を含むガスを、燃料極に水素を含むガスを各々供給することで、空気極と燃料極間の酸素濃度差が発生する。
空気極から固体電解質を通じて燃料極へ移動した酸素イオンは、燃料極で水素イオンと結合して水となる。このとき、空気極では、下記式(1)の電極反応を生じ、燃料極では、下記式(2)の電極反応を生じる。これにより電子の移動が起こり、発電する。
The power generation principle of the horizontal stripe fuel cell having the above-described structure is as follows.
Since the oxygen ion conductivity of the solid electrolyte increases from about 600 ° C., by supplying a gas containing oxygen to the air electrode and a gas containing hydrogen to the fuel electrode in a temperature range of 600 ° C. or higher, A difference in oxygen concentration occurs between the fuel electrodes.
Oxygen ions that have moved from the air electrode to the fuel electrode through the solid electrolyte are combined with hydrogen ions at the fuel electrode to become water. At this time, an electrode reaction of the following formula (1) occurs at the air electrode, and an electrode reaction of the following formula (2) occurs at the fuel electrode. As a result, electrons move and generate electricity.
空気極: 1/2O2+2e- → O2-(固体電解質) …(1)
燃料極: O2-(固体電解質)+H2 → H2O+2e- …(2)
横縞形の燃料電池セルでは、以上の反応を起こす発電素子部が、絶縁支持体表面に、軸長方向に複数形成され且つ互いに直列に接続されているために、少ないセル数で高い電圧を得られるという利点がある。
Fuel electrode: O 2− (solid electrolyte) + H 2 → H 2 O + 2e − (2)
In the horizontally striped fuel cell, a plurality of power generating element portions that cause the above reaction are formed in the axial direction on the surface of the insulating support and connected in series with each other, so a high voltage can be obtained with a small number of cells. There is an advantage that
前記横縞形の燃料電池セルを、他の燃料電池セルと接続する場合、セル間接続部材を用いて接続するが、接触面積が狭いと、燃料電池セル間の接続抵抗が増大し、燃料電池から発電電力を効率よく取り出せなくなる。また、接触の安定性も低下し、信頼性の高いセルスタック及び燃料電池が得られなくなる。
そこで本発明は、燃料電池セル同士の安定な接続が可能で、効率、信頼性に優れた固体電解質形の燃料電池セル、セルスタック及び燃料電池を提供することを目的とする。
When the horizontal stripe fuel cell is connected to another fuel cell, it is connected using an inter-cell connection member. However, if the contact area is small, the connection resistance between the fuel cells increases, and the fuel cell The generated power cannot be extracted efficiently. In addition, contact stability is reduced, and a highly reliable cell stack and fuel cell cannot be obtained.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a solid electrolyte fuel cell, a cell stack, and a fuel cell that are capable of stable connection between fuel cells and are excellent in efficiency and reliability.
本発明の燃料電池セルは、単一若しくは複数の燃料ガス流路が、軸長方向に形成された柱状の絶縁支持体の表面に、燃料極、固体電解質及び、空気極を順次積層してなる発電素子部を軸長方向に所定間隔をおいて複数個設け、該複数の発電素子部をインターコネクタで直列に接続してなるものであって、前記複数の発電素子部のうち、燃料ガスマニホールドに最も近い発電素子部又は燃料ガスマニホールドに最も遠い発電素子部に形成される、他の燃料電池セルとの接続用のインターコネクタの固体電解質からの露出幅が、発電素子部間を接続するために設けられたインターコネクタの固体電解質からの露出幅よりも、広く形成されていることを特徴とする。 The fuel battery cell of the present invention is formed by sequentially laminating a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode on the surface of a columnar insulating support formed with a single or a plurality of fuel gas flow paths in the axial direction. A plurality of power generation element portions are provided at predetermined intervals in the axial length direction, and the plurality of power generation element portions are connected in series by an interconnector, and a fuel gas manifold among the plurality of power generation element portions The width of exposure from the solid electrolyte of the interconnector for connection with other fuel cells formed in the power generation element part closest to the power generation element part or the power generation element part farthest from the fuel gas manifold connects the power generation element parts It is characterized in that the interconnector provided in the connector is formed wider than the exposed width from the solid electrolyte.
この構造であれば、他の燃料電池セルとの接続用のインターコネクタの幅を広く形成することによって、セル間接続部材で他の燃料電池セルと電気的に接続したときに、接触面積を広くとれる。したがって、燃料電池セル間の接続抵抗が低下するので、セルスタック及び燃料電池の集電損失を小さくすることができる。また、接触面積が広くなることによって、接続の安定性も向上するので、信頼性の高いセルスタック及び燃料電池が得られる。 With this structure, the width of the interconnector for connecting to other fuel cells is widened, so that the contact area is widened when electrically connected to other fuel cells with the inter-cell connecting member. I can take it. Therefore, since the connection resistance between the fuel cells is lowered, the current collection loss of the cell stack and the fuel cell can be reduced. Further, since the contact area is increased, the stability of the connection is also improved, so that a highly reliable cell stack and fuel cell can be obtained.
前記発電素子部間を接続するために絶縁支持体に設けられたインターコネクタの露出幅が大きければ、燃料電池セル自体の長さが長くなってしまうので、この幅は3mm以下であることが望ましい。したがって、本発明では、他の燃料電池セルとの接続用のインターコネクタの幅は3mm以上となる。
また、本発明の燃料電池セルは、絶縁支持体の横断面が扁平状であることが好ましい。このような形状の燃料電池セルでは、1セルあたりの発電量を大きくすることができるため、必要とする発電量を得るためのセル本数を減らすことができ、セル間の接続箇所を減少させることができる。そのため、構造、組み立てが簡単になるとともに、信頼性が向上する。
If the exposed width of the interconnector provided on the insulating support for connecting the power generation element portions is large, the length of the fuel cell itself becomes long. Therefore, the width is preferably 3 mm or less. . Therefore, in the present invention, the width of the interconnector for connection with other fuel cells is 3 mm or more.
In the fuel cell of the present invention, it is preferable that the insulating support has a flat cross section. In the fuel cell having such a shape, since the power generation amount per cell can be increased, the number of cells for obtaining the required power generation amount can be reduced, and the number of connection points between the cells can be reduced. Can do. Therefore, the structure and the assembly are simplified and the reliability is improved.
また、本発明によれば、セルの発電素子部と他の燃料電池セルの発電素子部とを電気的に接続するためのセル間接続部材を用いて、前記の燃料電池セルの複数を、セル間接続部材を介して互いに電気的に接続してなるセルスタックが提供される。この構造によれば、燃料電池セル間の接続抵抗が小さいので、内部抵抗の小さな、大きな電力が取り出せる、信頼性の高いセルスタックが得られる。 Further, according to the present invention, a plurality of the fuel battery cells can be connected to each other by using an inter-cell connecting member for electrically connecting the power generation element part of the cell and the power generation element part of another fuel battery cell. A cell stack is provided which is electrically connected to each other via an inter-connection member. According to this structure, since the connection resistance between the fuel cells is small, a highly reliable cell stack having a small internal resistance and capable of taking out large electric power can be obtained.
以上に説明したセルスタックを収納容器に複数収納してなる燃料電池を構成すると、熱効率の高い燃料電池を提供することができる。 By configuring a fuel cell in which a plurality of the cell stacks described above are stored in a storage container, a fuel cell with high thermal efficiency can be provided.
以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は、本発明の燃料電池セルの構造を示す斜視図であり、図2はその正面図である。
この燃料電池セル1は、発電素子間接続部材7(図3参照)を塗布する前の状態を示している。
この燃料電池セル1は、中空かつ扁平板状の絶縁支持体2に、複数の発電素子部をセルの軸長方向に沿って複数個配置し、それらをインターコネクタ6及び 発電素子間接続部材7を介して直列に接続した「横縞形」といわれるものである。発電素子部は、絶縁支持体2の表面及び裏面にそれぞれ形成されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a perspective view showing the structure of a fuel battery cell of the present invention, and FIG. 2 is a front view thereof.
The
In this
図1(a)は、セル表面の先端の発電素子部(図示せず)と、セル裏面の先端の発電素子部(図示せず)とが、セルを周回する金属バンド(図5参照)によって接続され、セル表面の電流の方向と、セル裏面の電流の方向とが反対になるタイプを示している。
図1(b)は、セル表面の各発電素子部と、セル裏面の各発電素子部とが、セルを周回するインターコネクタ6によりそれぞれ接続されて、全体としてみればセル表面の発電素子部と、セル裏面の発電素子部とが、並列に接続されるタイプを示している。
FIG. 1A shows a metal band (see FIG. 5) in which a power generation element portion (not shown) at the front end of the cell surface and a power generation element portion (not shown) at the front end of the cell back face the cell. A type in which the direction of the current on the cell surface is opposite to the direction of the current on the back surface of the cell is shown.
FIG. 1B shows that each power generation element portion on the cell surface and each power generation element portion on the back surface of the cell are connected to each other by an
図3は、図2のA−A線で切った、発電素子部が形成された部分を示すセルの断面図である。
燃料電池セル1は、絶縁支持体2の表面に、その軸長方向に所定間隔をおいて、複数の発電素子部を配列することにより構成されている。
それぞれの発電素子部は、集電燃料極3a、活性燃料極3b(集電燃料極3a、活性燃料極3bを総称して「燃料極3」という)、固体電解質4及び空気極5を順次積層した層構造となっている。
FIG. 3 is a cross-sectional view of the cell showing a portion where the power generation element portion is formed, taken along line AA in FIG. 2.
The
Each power generation element section is formed by sequentially laminating a current collecting
隣り合う発電素子部は、インターコネクタ6及び発電素子間接続部材7により直列に接続されている。すなわち、一方の発電素子部の燃料極3の上にインターコネクタ6が形成され、このインターコネクタ6は、軸長方向両端部が固体電解質4により被覆され、固体電解質4から帯状に露出している。このインターコネクタ6の露出した部分が発電素子間接続部材7により被覆され、この発電素子間接続部材7により、他方の発電素子部の空気極5が電気的に接続された構造となっている。
Adjacent power generation element portions are connected in series by an
絶縁支持体2は多孔質であり、さらにその内部には、内径の小さな複数の燃料ガス流路12が軸方向に形成されている。このように、絶縁支持体2の内部にガス流路12を複数形成することにより、絶縁支持体2の内部に大きなガス流路を1本形成する場合に比べて、絶縁支持体2を扁平板状とすることができ、燃料電池セル1の体積当たりの発電素子部の面積を増加し発電量を大きくすることができる。よって、必要とする発電量を得るためのセル本数を減らすことができる。また、セル間の接続箇所数を減少させることもできる。
The
この燃料ガス流路12内に燃料ガス(水素ガス)を流し、かつ空気極5を空気等の酸素含有ガスに曝すことにより、燃料極3及び空気極5間で前述した式(1),(2)に示す電極反応が生じ、両極間に電位差が発生し、発電するようになっている。
図4は、上述した燃料電池セル1の発電素子部の配列パターンをさらに詳細に示す正面図である。
By flowing a fuel gas (hydrogen gas) through the fuel
FIG. 4 is a front view showing the arrangement pattern of the power generation element portions of the
本発明の実施形態によれば、発電素子部の配列パターンとして、2つのパターンA,Bがある。
両パターンとも、軸長方向に所定間隔をおいて、複数の発電素子部を配列していることは共通しているが、パターンAは、燃料ガスマニホールドMに接続される側(矢印Mで示す)に最も近い部分がインターコネクタ6になっており、パターンBは、燃料ガスマニホールドMに接続される側に最も近い部分が空気極5になっているところが相違している。
According to the embodiment of the present invention, there are two patterns A and B as the array pattern of the power generation element portions.
Both patterns have a common arrangement in which a plurality of power generation element portions are arranged at a predetermined interval in the axial direction, but the pattern A is connected to the fuel gas manifold M (indicated by an arrow M). ) Is the
図1(a)の、セル表面の電流の方向とセル裏面の電流の方向とが反対になるタイプは、セル表面にパターンA(又はB)を搭載し、セル裏面にパターンB(又はA)を搭載している。
図1(b)の、セル表面の電流の方向とセル裏面の電流の方向とが同一になるタイプでは、セル表面及び裏面ともにパターンA(又はB)を搭載している。
In the type of FIG. 1A in which the current direction on the cell surface and the current direction on the cell back surface are opposite, the pattern A (or B) is mounted on the cell surface and the pattern B (or A) is mounted on the cell back surface. It is equipped with.
In the type of FIG. 1B in which the current direction on the cell surface and the current direction on the cell back surface are the same, the pattern A (or B) is mounted on both the cell front surface and the back surface.
なお、図4で、燃料ガスマニホールドMに最も近い発電素子部に形成されるインターコネクタ6の幅、及び燃料ガスマニホールドMに最も遠い発電素子部に形成される他の燃料電池セル1との接続用のインターコネクタ6の幅(セル軸長方向に沿った幅)をDで表している。また、前記以外の発電素子部間を接続するために設けられたインターコネクタ6の幅(セル軸長方向に沿った幅)をdで表している。
In FIG. 4, the width of the
本発明によれば、不等式D>dが成り立つように設定されている。
インターコネクタ6の幅dは、一般に、3mm以下であることが望ましい。インターコネクタ6の幅dの部分は、発電に寄与しない部分であり、この幅dが3mmより長くなると、燃料電池セル1の全長が伸びて、セルスタックの容積が大きくなるだけである。絶縁支持体2の幅bは、一般に、15mm以上であり、好ましくは30〜50mmである。その厚み(紙面垂直方向)は、一般に、2〜5mmであることが望ましい。空気極5の幅aは、一般に、8mm以上であり、より好ましくは24〜44mmである。
According to the present invention, the inequality D> d is established.
In general, the width d of the
図5及び図6は、 本発明の燃料電池セル1の接続構造を、タイプ別に示す斜視図である。
図5は、図1(a)のセル表面の電流の方向とセル裏面の電流の方向とが反対になるタイプのセル間接続構造を示す。
燃料電池セル1の燃料ガスマニホールドM側の発電素子部には、隣の燃料電池セル1との電気的接続を図るためのセル間接続部材8が配置されている。このセル間接続部材8は、一方のセルの燃料ガスマニホールドMに最も近い発電素子部の空気極5と、他方のセルの燃料ガスマニホールドMに最も近い発電素子部のインターコネクタ6とを接続する。インターコネクタ6は、図3に示すように、燃料極3に接続しているので、これにより、一方のセルの燃料ガスマニホールドMに最も近い発電素子部の空気極5と、他方のセルの燃料ガスマニホールドMに最も近い発電素子部の燃料極3とが接続されることになる。すなわち、一方のセルの正極と他方のセルの負極とが接続された形になり、セルスタックを構成するすべてのセルに形成された発電素子部が直列に接続され、高電圧が取り出せる。
FIG.5 and FIG.6 is a perspective view which shows the connection structure of the
FIG. 5 shows an inter-cell connection structure of the type in which the direction of the current on the cell surface and the direction of the current on the back surface of the cell in FIG.
An inter-cell connecting
図6は、図1(b)のセル表面の電流の方向とセル裏面の電流の方向とが同一になるタイプのセル間接続構造を示す。
この場合、セル間接続部材8は、一対のセル間の燃料ガスマニホールドM側の発電素子部を接続し、次の対となるセル間の先端側の発電素子部を接続し、さらに次の対となるセル間の燃料ガスマニホールドM側の発電素子部を接続するという具合に、セル間ごとに交互に配置される。この接続により、セルスタックを構成する全てのセルが直列に接続される。ただし、セル内では、表裏の発電素子部は並列に接続されていることは、前述したとおりである。
FIG. 6 shows an inter-cell connection structure of the type in which the direction of current on the cell surface and the direction of current on the back surface of the cell in FIG.
In this case, the
なお、図6に"S"で示したように、セル間接続部材8が挿入されないセル間には、絶縁物からなるダミーのセル間接続部材を挿入することが好ましい。これによって、セル同士の間隔が一定に保たれるので、セル間接続部材8が、セルの間から落下するのを防ぐことができる。
図7は、セル間接続部材8の形状の一例を示す斜視図である。セル間接続部材8は、弾力性を有する平櫛の歯81を1本ずつ、交互に反対方向に折り曲げた形状をしている。さらに詳しく言えば、セル間接続部材8は、バックボーンとなる1本のまっすぐに伸びた背板部80と、この背板部80から互いに異なる2方向に交互に分岐する櫛歯部81とからなり、前記分岐した櫛歯部81同士は、途中で折れ曲がって互いに平行になる。この平行な部分を「接触部82」という。
As indicated by “S” in FIG. 6, it is preferable to insert a dummy inter-cell connecting member made of an insulating material between cells in which the
FIG. 7 is a perspective view showing an example of the shape of the
この接触部82が、発電素子部Bのインターコネクタ6又は発電素子部の空気極5に接触して、両者の電気的導通を実現する。
図8は、セル間接続部材8により、図1(a)のセル表面の電流の方向とセル裏面の電流の方向とが反対になるタイプのセル間を接続する状態を示す断面図である。
セル間接続部材8の接触部82は、一方のセルの、燃料ガスマニホールドMに最も近い発電素子部のインターコネクタ6に接続すると同時に、他方のセルの、燃料ガスマニホールドMに最も近い発電素子部の空気極5に接触している。
This
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a state in which cells of a type in which the direction of the current on the cell surface and the direction of the current on the back surface of the cell in FIG.
The
本実施形態の特徴は、セルの、燃料ガスマニホールドMに最も近い発電素子部のインターコネクタ6の幅Dが、他の発電素子部のインターコネクタ6の幅dよりも広くなっていることである。このため、セル間接続部材8の接触部82と、前記燃料ガスマニホールドMに最も近い発電素子部のインターコネクタ6との接触面積を広げることができ、セル間接続部材8とインターコネクタ6との電気的な接触を安定化させ、その接触抵抗を下げることができる。したがって、燃料電池の内部抵抗を減らすことができ、セルで発生した電力を、燃料電池外に効率よく取り出すことができる。
The feature of this embodiment is that the width D of the
図9は、セル間接続部材8により、図1(b)のセル表面の電流の方向とセル裏面の電流の方向とが同一になるタイプのセル間を接続する状態を示す断面図である。
セル間接続部材8の接触部は、両方のセルの、燃料ガスマニホールドMに最も近い発電素子部のインターコネクタ6に接触している。
本実施形態の特徴は、セルの、燃料ガスマニホールドMに最も近い発電素子部のインターコネクタ6の幅Dが、他の発電素子部のインターコネクタ6の幅dよりも広くなっている。このため、セル間接続部材8の接触部82と、前記燃料ガスマニホールドMに最も近い発電素子部のインターコネクタ6との接触面積を広げることができ、セル間接続部材8とインターコネクタ6との電気的な接触を安定化させ、その接触抵抗を下げることができる。このため、燃料電池の内部抵抗を減らすことができ、セルで発生した電力を、燃料電池外に効率よく取り出すことができる。
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a state in which cells of the type in which the direction of the current on the cell surface and the direction of the current on the back surface of the cell in FIG.
The contact portion of the inter-cell connecting
The feature of this embodiment is that the width D of the
前記燃料電池セル1が複数集合して、図5、図6に示すようなセルスタックを組み立てる。このセルスタックの両端に、セルスタックで発生した電力を燃料電池外に取り出すための導電部材(図示せず)を取り付けて、収納容器内に収容して、燃料電池を製作することができる。 この収納容器に空気等の酸素含有ガスを導入し、水素等の燃料ガスを導入管を通して燃料ガスマニホールドMに導入する。燃料ガスを燃料ガスマニホールドMを通して燃料電池セル1内部に導入し、燃料電池セル1を所定温度に加熱すれば、燃料電池セル1によって発電することができる。使用された燃料ガス、酸素含有ガスは、収納容器外に排出される。
A plurality of the
以下、セルを構成する各部材の材質を詳しく説明する。
前記絶縁支持体2は、Ni若しくはNi酸化物(NiO)と、希土類元素酸化物とからなっている。なお、希土類元素酸化物を構成する希土類元素としては、Y,La,Yb,Tm,Er,Ho,Dy,Gd,Sm,Prなどを例示することができるが、好ましいものは、Y2O3やYb2O3、特にY2O3である。
Hereinafter, the material of each member constituting the cell will be described in detail.
The insulating
前記NiあるいはNiO(NiOは、発電時には、通常、水素ガスにより還元されてNiとして存在する)は、10〜25体積%、特に15〜20体積%の範囲で絶縁支持体2中に含有されているのがよい。
この絶縁支持体2の熱膨張係数は、通常、10.5〜11.0×10-6(1/K)程度である。
Ni or NiO (NiO is usually reduced by hydrogen gas and present as Ni during power generation) is contained in the insulating
The thermal expansion coefficient of the insulating
絶縁支持体2は、発電素子部間の電気的ショートを防ぐために電気絶縁性であることが必要であり、通常、10Ω・cm以上の抵抗率を有していなければならない。Ni等の含量が前記範囲を超えると、電気抵抗値が低下し、電気絶縁性が損なわれてしまう。また、Ni等の含量が前記範囲よりも少ないと、希土類元素酸化物(例えばY2O3)を単独で用いた場合と変わらなくなってしまい、発電素子部との熱膨張係数の調整が困難となってしまうからである。
The insulating
また、Ni等以外の残量の全ては、通常、希土類元素酸化物の少なくとも1種である。しかし、少量、例えば5重量%以下の範囲で、MgOやSiO2などの他の酸化物、若しくは複合酸化物例えばジルコン酸カルシウムなどを含有していてもよい。
なお、前記絶縁支持体2は、燃料ガス流路12内の燃料ガスを燃料極3の表面まで導入可能でなければならず、このため、多孔質であることが必要である。一般に、その開気孔率は25%以上、特に30乃至40%の範囲にあるのがよい。
Further, the remaining amount other than Ni or the like is usually at least one kind of rare earth element oxide. However, other oxides such as MgO and SiO 2 or composite oxides such as calcium zirconate may be contained in a small amount, for example, in the range of 5% by weight or less.
The insulating
燃料極3は、前記式(2)の電極反応を生じせしめるものであり、本実施形態においては、固体電解質側の活性燃料極3bと、絶縁支持体2側の集電燃料極3aとの二層構造に形成されている。
前記固体電解質側の活性燃料極3bは、それ自体公知の多孔質の導電性セラミックスから形成される。例えば、希土類元素が固溶しているZrO2(安定化ジルコニア)と、Ni及び/又はNi酸化物NiO(以下、Ni等と呼ぶ)とからなる。この希土類元素が固溶した安定化ジルコニアとしては、後述する固体電解質4に使用されているものと同様のものを用いるのがよい。
The fuel electrode 3 causes an electrode reaction of the above formula (2). In this embodiment, the fuel electrode 3 includes an
The
活性燃料極3b中の安定化ジルコニア含量は、35〜65体積%の範囲にあることが好ましく、またNi等の含量は、良好な集電性能を発揮させるため、65〜35体積%の範囲にあるのがよい。
さらに活性燃料極3bの開気孔率は、15%以上、特に20〜40%の範囲にあるのがよい。
The stabilized zirconia content in the
Furthermore, the open porosity of the
この活性燃料極3bの熱膨張係数は、通常、12.3×10-6(1/K)程度である。
また、活性燃料極3bの厚みは、5μm以上15μm未満の範囲にあることが望ましい。厚み15μm以上であれば、固体電解質4との熱膨張差に起因して発生する熱応力を吸収できないようになり、活性燃料極の割れや剥離などを生じるおそれがある。
燃料極3のうち、前記絶縁支持体2側の集電燃料極3aは、絶縁支持体2と同様、Ni若しくはNi酸化物と、希土類元素酸化物との混合体である。
The thermal expansion coefficient of the
The thickness of the
In the fuel electrode 3, the current collecting
前記Ni或いはNi酸化物(NiOは、発電時には、通常、水素ガスにより還元されてNiとして存在する)は、30〜60体積%の範囲で希土類元素酸化物中に含有されているのがよい。この範囲で調整することにより、絶縁支持体2と集電燃料極3aとの熱膨張差を2×10-5/°C以下とすることができる。
集電燃料極3aは、電流の流れを損なわないように、導電性であることが必要であり、通常、400S/cm以上の導電率を有していなければならない。Ni等の含量が前記範囲を下回ると、電気抵抗値が上昇し、電気伝導度が損なわれてしまう。
The Ni or Ni oxide (NiO is usually reduced by hydrogen gas and exists as Ni during power generation) is preferably contained in the rare earth element oxide in a range of 30 to 60% by volume. By adjusting within this range, the difference in thermal expansion between the insulating
The current
この集電燃料極3aの熱膨張係数は、通常、11.5×10-6(1/K)程度である。
また、この集電燃料極3aの厚みは、80μm以上であることが望ましい。80μm未満であれば、軸長方向に電流が流れるときの抵抗が増加して、燃料電池セル1内部に無視できない電圧降下が発生してしまう。
以上のように、燃料極3を固体電解質側の活性燃料極3bと、絶縁支持体側の集電燃料極3aと二層に形成した構造であれば、絶縁支持体側の集電燃料極のNi換算でのNi量或いはNiO量を40〜70体積%の範囲内で調整することにより、発電素子部との接合性を損なうことなく、その熱膨張係数を、後述する固体電解質の熱膨張係数に近づけることができ、例えば両者の熱膨張差を、2×10-6/℃未満とすることができ、
したがって、燃料電池セル1の作製時、加熱時、冷却時において両者の熱膨張差に起因して発生する熱応力を小さくすることができるため、燃料極の割れや剥離などを抑制することができる。このため、燃料ガス(水素ガス)を流して発電を行う場合においても、絶縁支持体2との熱膨張係数の整合性は安定に維持され、熱膨張差による割れを有効に回避することができる。
The current
The thickness of the current collecting
As described above, if the fuel electrode 3 is formed in two layers with the
Therefore, since the thermal stress generated due to the difference in thermal expansion between the two during the production, heating, and cooling of the
固体電解質4は、電極間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有すると同時に、燃料ガスと空気等の酸素含有ガスとのリークを防止するためにガス遮断性を有していることが必要である。従って、固体電解質4としては、このような特性を備えている緻密質なセラミックス、例えば、3〜15モル%の希土類元素が固溶した安定化ZrO2を用いるのが好ましい。この安定化ZrO2中の希土類元素としては、Sc,Y,La,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Luを例示することができるが、安価であるという点で、Y,Ybが好適である。また、8YSZ(8モル%のYが固溶している安定化ZrO2)と熱膨張係数がほぼ等しいランタンガレート系固体電解質なども好適に用いることができる。
The
前記の固体電解質4は、ガス透過を防止するという点から10〜100μmの厚みを有し、さらに相対密度(アルキメデス法による)が93%以上、特に95%以上であることが望ましい。
固体電解質4上に形成される空気極5は、前述した式(1)の電極反応を生じせしめるものであり、いわゆるABO3型のペロブスカイト型酸化物からなる導電性セラミックスから形成される。このようなペロブスカイト型酸化物としては、遷移金属型ペロブスカイト酸化物、特にAサイトにLaを有するLaMnO3系酸化物、LaFeO3系酸化物、LaCoO3系酸化物の少なくとも一種が好適であり、600〜1000℃程度の比較的低温での電気伝導性が高いという点から、LaFeO3系酸化物が特に好適である。
It is desirable that the
The
なお、前記のペロブスカイト型酸化物においては、AサイトにLaと共にSrが存在していてもよいし、さらにBサイトには、Fe,Co,Mnが共存していてもよい。
また、前記の空気極5は、ガス透過性を有していなければならず、その開気孔率は20%以上、特に30乃至50%の範囲にあるのがよい。さらに、その厚みは、集電性という点から30〜100μmであることが望ましい。
In the perovskite oxide, Sr may exist together with La at the A site, and Fe, Co, and Mn may coexist at the B site.
The
隣り合う発電素子部同士を直列に接続するために使用されるインターコネクタ6は、一方の発電素子部の燃料極3と他方の発電素子部の空気極5とを接続するものであり、導電性セラミックスから形成されるが、燃料ガス(水素ガス)及び空気等の酸素含有ガスと接触するため、耐還元性、耐酸化性を有していることが必要である。
このため、かかる導電性セラミックスとしては、一般に、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物(LaCrO3系酸化物)が使用される。また、絶縁支持体2内のガス流路12を通る燃料ガスと空気極5の外部を通る空気等の酸素含有ガスとのリークを防止するため、かかる導電性セラミックスは緻密質でなければならず、例えば93%以上、特に95%以上の相対密度(アルキメデス法)を有していることが好適である。なお、このインターコネクタ6の端面と、固体電解質4の端面との間には、適当な接合層(例えばY2O3)を介在させることにより、シール性を向上させることもできる。
The
For this reason, lanthanum chromite perovskite oxides (LaCrO 3 oxides) are generally used as the conductive ceramics. In order to prevent leakage of fuel gas passing through the
なお、上述した例においては、絶縁支持体2上に形成される発電素子部は、内側電極が燃料極3であり、外側電極が空気極5となった層構造を有しているが、両電極の位置関係を逆とすることも勿論可能である。すなわち、絶縁支持体2上に、空気極5,固体電解質4、燃料極3をこの順に積層して発電素子部を形成することもできる。この場合、絶縁支持体2のガス流路12内には、空気等の酸素含有ガスが導入され、燃料ガスは外側電極である燃料極3の外面に供給されることとなる。
In the above-described example, the power generating element portion formed on the insulating
セル間接続部材8は、耐熱性、耐酸化性、電気伝導性という点から、Pt、Ag、Ni基合金、Fe−Cr鋼合金の少なくとも一種以上からなることが望ましい。このセル間接続部材8とインターコネクタ6、セル間接続部材8と空気極5の接続部に、AgやPt等の貴金属やNi等の金属を含有するペーストを導電性接着剤として用いて、接続信頼性を向上させることもできる。
The
前述した燃料電池セル1は、例えば以下のようにして製造することができる。
先ず、絶縁支持体2の材料として、平均粒径が0.1〜10μmのY2O3粉末などの希土類元素酸化物粉末と、Ni粉末(NiO粉末でもよい)とを用意し、これらの粉末を、所定の比率で混合し、混合後の熱膨張係数が固体電解質4とほぼ一致するようにする。この混合粉末に、ポアー剤と、セルロース系有機バインダーと、水とからなる溶媒とを混合し、押し出し成形して、内部に燃料ガス流路52を有する中空の板状形状、扁平状の絶縁支持体成形体2を作成する。
The
First, as the material for the insulating
以下、燃料電池セルスタックの製造工程図である図10を参照して説明する。
まず、絶縁支持体2側の集電燃料極を作製する。例えば、NiO粉末、Ni粉末と、Y2O3等の希土類元素酸化物が固溶したZrO2粉末とを混合し、これにポアー剤を添加し、アクリル系バインダーとトルエンを加えてスラリーとし、ドクターブレード法にて、厚み50〜60μmの集電燃料極テープ3aを作製する。集電燃料極テープ3aを発電素子部単位に切断する。
Hereinafter, the fuel cell stack manufacturing process will be described with reference to FIG.
First, a current collecting fuel electrode on the insulating
切断した集電燃料極テープ3aにおいて、絶縁体を形成する部分を打ち抜く(図10(a))。
次に、この集電燃料極テープ3a上のインターコネクタ形成部分に、活性燃料極3bを印刷する(図10(b))。このとき前述したように、燃料ガスマニホールドMに最も近い発電素子部においては、活性燃料極の幅Dを、他の活性燃料極の幅dよりも広くとる。
In the cut current collecting
Next, the
さらに、活性燃料極3b上に、インターコネクタ6を印刷する(図10(c))。
そしてもう一度、インターコネクタ6の中央部分を除いて活性燃料極3bを全体に印刷する(図10(d))。
次に、この状態で、燃料極テープ3aを、支持体成形体2に横縞状に貼り付ける。その際の燃料極テープ3aと他の燃料極テープ3aとは、3mm程度の間隔をあけて配置する。そして、この積層体を乾燥し、900〜1100℃の温度範囲で仮焼する。(図10(e))。
Further, the
Then, once again, the
Next, in this state, the
インターコネクタ6の、前記活性燃料極3bを印刷しなかった中央部分に、有機物シート(マスキングテープ)10を貼り付ける(図10(f))。
次に、この積層体を、8YSZ(8モル%のYが固溶したZrO2粉末)にアクリル系バインダーとトルエンを加えてスラリーとした固体電解質溶液に漬けて、固体電解質溶液から取り出す。このディップにより、積層体の一面に固体電解質4の層が塗布されるとともに、前記(a)で打ち抜いた空間に絶縁体である固体電解質4が充填される。
An organic sheet (masking tape) 10 is attached to the central portion of the
Next, this laminate is immersed in a solid electrolyte solution obtained by adding an acrylic binder and toluene to 8YSZ (ZrO 2 powder in which 8 mol% of Y is solid-dissolved), and is taken out from the solid electrolyte solution. By this dipping, a layer of the
この状態で、800°C、1時間仮焼きする。この仮焼き中に、有機物シート10とその上に塗布された固体電解質4の層を除去することができる(図10(g))。
次に空気極の形成部分に反応防止層11を塗布して1480°C、2時間焼成する(図10(h))。その反応防止層11の上から、空気極5を印刷し1050°C、2時間焼き付ける(図10(i))。
In this state, calcining is performed at 800 ° C. for 1 hour. During this calcination, the
Next, the
最後に、1つの発電素子部のインターコネクタ6と、これに隣接する発電素子部の空気極5とを接続するための発電素子接続部材7を貼り付けて(図10(j))、燃料電池セルスタックが完成する。
以上で、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の実施は、前記の形態に限定されるものではない。例えば、前記の例では絶縁支持体2は、中空の板状で内部に複数のガス流路12を有するものとして説明したが、絶縁支持体2は、円筒状でもよく、ガス流路12の数は一つでもよく、さらに絶縁体であればその材質も問わない。その他、本発明の範囲内で種々の変更を施すことが可能である。
Finally, a power generation
Although the embodiments of the present invention have been described above, the embodiments of the present invention are not limited to the above-described embodiments. For example, in the above example, the insulating
1 燃料電池セル
2 絶縁支持体
3 燃料極
4 固体電解質
5 空気極
6 インターコネクタ
7 発電素子間接続部材
8 セル間接続部材
12 燃料ガス流路
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記複数の発電素子部のうち、燃料ガスマニホールドに最も近い発電素子部又は燃料ガスマニホールドに最も遠い発電素子部に形成される、他の燃料電池セルとの接続用のインターコネクタの固体電解質からの露出幅が、発電素子部間を接続するために設けられたインターコネクタの固体電解質からの露出幅よりも、広く形成されていることを特徴とする燃料電池セル。 A single or multiple fuel gas flow passages are provided in the axial direction with a power generation element portion in which a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are sequentially laminated on the surface of a columnar insulating support formed in the axial direction. A plurality of fuel cells formed by connecting a plurality of power generating element portions in series with an interconnector, provided at a predetermined interval,
Among the plurality of power generation element portions, the power generation element portion closest to the fuel gas manifold or the power generation element portion farthest from the fuel gas manifold is formed from the solid electrolyte of the interconnector for connection with other fuel cells. A fuel cell, wherein an exposed width is formed wider than an exposed width from a solid electrolyte of an interconnector provided to connect power generating element portions.
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