JP5198799B2 - Solid electrolyte fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、燃料極及び空気極を有する固体電解質体を備えた固体電解質形燃料電池セルを積層した固体電解質形燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a solid electrolyte fuel cell in which solid electrolyte fuel cells each including a solid electrolyte body having a fuel electrode and an air electrode are stacked.

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が知られている。
この固体酸化物形燃料電池は、例えば板状の固体電解質体の各面に燃料極と空気極とを備えた燃料電池セルを、多数積層してスタックを形成し、燃料極に燃料ガスを供給するとともに、空気極に酸化剤ガス（例えば空気）を供給し、燃料及び酸素を固体電解質体を介して化学反応させることによって電力を発生させるものである。 Conventionally, a solid oxide fuel cell using a solid electrolyte (solid oxide) is known as a fuel cell.
In this solid oxide fuel cell, for example, a stack is formed by stacking a large number of fuel cells each provided with a fuel electrode and an air electrode on each surface of a plate-shaped solid electrolyte body, and fuel gas is supplied to the fuel electrode. In addition, an oxidant gas (for example, air) is supplied to the air electrode, and electric power is generated by chemically reacting fuel and oxygen through the solid electrolyte body.

上述した固体酸化物形燃料電池には、セル内にて燃料極側と空気極側とのガスの流通を分離するために、金属製の隔離セパレータが用いられており、この隔離セパレータは、例えば平板の燃料極支持形セルの固体電解質体の周縁部にて、金属ロウ材やガラスで接合されている（特許文献１参照）。   In the above-described solid oxide fuel cell, a metal separator is used to separate the gas flow between the fuel electrode side and the air electrode side in the cell. It joins with the metal brazing material and glass in the peripheral part of the solid electrolyte body of a flat fuel electrode support type cell (refer to patent documents 1).

また、これとは別に、燃料電池セルとの接合部を有する隔離セパレータを、撓ませた状態で積層して、スタック化する構造が開示されている（特許文献２参照）。
更に、隔離セパレータと燃料電池セルとの接合部において、隔離セパレータに凹部や凸部を設けて、接合部が酸化剤ガスや燃料ガスのどちらか一方と触れないようにする構造が開示されている（特許文献３参照）。
特開２０００−３３１６９２号公報 特開２００５−２０３２８３号公報 特開２００５−１７４７１４号公報 In addition to this, a structure is disclosed in which separator separators having joints with fuel cells are stacked in a bent state and stacked (see Patent Document 2).
Further, a structure is disclosed in which a concave portion or a convex portion is provided in the separator at the junction between the separator and the fuel cell so that the junction does not touch either the oxidant gas or the fuel gas. (See Patent Document 3).
JP 2000-331692 A Japanese Patent Laid-Open No. 2005-203283 JP 2005-174714 A

しかしながら、上述した特許文献１〜３の技術では、隔離セパレータと燃料電池セル（詳しくは例えば固体電解質体の空気極側の表面）の周縁部との接合部が１箇所であるため、長時間発電を継続すると、ガスの影響などによって、次第に接合部が劣化して、ガス漏れが発生する恐れがある。   However, in the techniques of Patent Documents 1 to 3 described above, since there is only one joint between the separator and the peripheral edge of the fuel cell (specifically, for example, the surface on the air electrode side of the solid electrolyte body), power generation is performed for a long time. If the operation is continued, the joint portion gradually deteriorates due to the influence of gas and the like, and there is a risk of gas leakage.

よって、燃料電池セルと隔離セパレータとの接合を強固にするために、接合代（接合部の幅）を十分に確保する必要がある。
ところが、上述した従来の構造では、接合代を大きくすると、必然的に空気極の形成面積が減少し、セルの発電可能面積が小さくなるという問題があった。 Therefore, in order to strengthen the bonding between the fuel cell and the isolation separator, it is necessary to sufficiently secure the bonding allowance (the width of the bonded portion).
However, in the conventional structure described above, there is a problem that when the joining allowance is increased, the formation area of the air electrode is inevitably reduced, and the power generation area of the cell is reduced.

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、セルの発電可能面積を低減することなく、隔離セパレータと燃料電池セルの接合部における信頼性を確保することにある。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to ensure the reliability at the junction between the isolation separator and the fuel cell without reducing the power generation possible area of the cell. is there.

（１）請求項１の発明は、固体電解質体と、該固体電解質体の一面に設けられ、燃料ガ
スに接する燃料極と、該固体電解質体の他面に設けられ、酸化剤ガスに接する空気極とを有する固体電解質形燃料電池セルを、ガスの流通を遮断するセル間セパレータを介して、複数積層した固体電解質形燃料電池であって、前記固体電解質形燃料電池セルは、前記燃料極の表面全体を、前記固体電解質体によって、前記空気極と反対側の裏側面の一部を除いて袋状に覆うとともに、前記裏側面の前記固体電解質体の表面に、ガスの流通を遮断する隔離セパレータを接合したことを特徴とする。 (1) The invention of claim 1 is a solid electrolyte body, a fuel electrode provided on one surface of the solid electrolyte body and in contact with the fuel gas, and an air provided on the other surface of the solid electrolyte body and in contact with the oxidant gas. A solid electrolyte fuel cell comprising a plurality of stacked solid electrolyte fuel cells having inter-cell separators that block gas flow, wherein the solid electrolyte fuel cell is a The whole surface is covered with the solid electrolyte body in a bag shape except for a part of the back side surface opposite to the air electrode, and is isolated to block the gas flow on the surface of the solid electrolyte body on the back side surface. The separator is bonded.

本発明では、燃料極の表面全体を、燃料極よりも緻密で強固な固体電解質体によって、燃料極の裏側面の一部を除いて袋状に覆うとともに、その裏側面にまで形成された固体電解質体（以下ではこの裏側面の部分を裏側固体電解質層とも記す）の表面に、燃料極側と空気極側とのガスの流通を遮断する隔離セパレータを接合している。   In the present invention, the entire surface of the fuel electrode is covered in a bag shape with a solid electrolyte body that is denser and stronger than the fuel electrode except for a part of the back side surface of the fuel electrode, and the solid formed up to the back side surface An isolation separator that blocks the flow of gas between the fuel electrode side and the air electrode side is joined to the surface of the electrolyte body (hereinafter, this back side surface portion is also referred to as a back side solid electrolyte layer).

従って、隔離セパレータのセル（詳しくは燃料極上に固体電解質体及び空気極が形成されたセル本体）との接合部を燃料極側に設けているため、空気極の面積は、特に制限されないので、空気極は、燃料極と略同サイズにまで拡大可能なため、高い発電出力を確保することができる。また、裏側固体電解質層による十分な接合代を確保することができるため、隔離セパレータとセルとの接合強度を高めることができる。   Therefore, the area of the air electrode is not particularly limited because the junction with the separator separator cell (specifically, the cell body in which the solid electrolyte body and the air electrode are formed on the fuel electrode) is provided on the fuel electrode side. Since the air electrode can be expanded to approximately the same size as the fuel electrode, a high power generation output can be secured. Further, since a sufficient bonding allowance by the back side solid electrolyte layer can be secured, the bonding strength between the isolation separator and the cell can be increased.

更に、本発明では、裏側固体電解質層の幅は、固体電解質形燃料電池の寿命を考慮して広めに設定することも可能であり、その点からも、接合部分の信頼性が向上するという利点がある。   Furthermore, in the present invention, the width of the back side solid electrolyte layer can be set wider in consideration of the life of the solid electrolyte fuel cell. From this point, the reliability of the joint portion is improved. There is.

また、燃料極は、固体電解質形燃料電池の作動時に還元されて組織が変化するので、燃料極の裏側にも、（固体電解質形燃料電池の作動時も含めて形状的に安定な）裏側固体電解質層を形成し、この裏側固体電解質層に隔離セパレータを接合することは、接合強度の点で好適である。   In addition, since the structure of the fuel electrode is reduced during the operation of the solid oxide fuel cell and the structure changes, the back side solid (formally stable including the operation of the solid electrolyte fuel cell) is also provided on the back side of the fuel electrode. Forming an electrolyte layer and bonding an isolation separator to this backside solid electrolyte layer is preferable in terms of bonding strength.

更に、燃料極の裏側面に裏側固体電解質層を設けることにより、セル（詳しくは燃料極上に固体電解質体及び空気極が形成されたセル本体）の断面形状がより対称に近くなるので、セルのそりによる変形を抑制できるという利点もある。   Furthermore, by providing a back side solid electrolyte layer on the back side surface of the fuel electrode, the cross-sectional shape of the cell (specifically, the cell body in which the solid electrolyte body and the air electrode are formed on the fuel electrode) becomes closer to symmetry. There is also an advantage that deformation due to warping can be suppressed.

なお、以下では、固体電解質材料から構成された部分を、（酸素極側の）表側だけでなく、裏側の例えば裏側固体電解質層や後述する内側固体電解質層も含めて、固体電解質体と総称する。   In the following, the portion made of the solid electrolyte material is collectively referred to as a solid electrolyte body including not only the front side (on the oxygen electrode side) but also the back side solid electrolyte layer and the inner solid electrolyte layer described later. .

（２）請求項２の発明では、前記固体電解質形燃料電池セルの積層方向における前記空気極の面積が、前記積層方向における前記燃料極の面積の７０〜１００％であることを特徴とする。   (2) The invention of claim 2 is characterized in that the area of the air electrode in the stacking direction of the solid oxide fuel cells is 70 to 100% of the area of the fuel electrode in the stacking direction.

本発明は、空気極と燃料極との面積の割合の好ましい範囲を示したものである。この範囲であれば、高い発電出力が得られるので好適である。
（３）請求項３の発明では、前記裏側面の前記固体電解質体（例えば裏側固体電解質層）は、前記裏面側の周縁部（外縁部）を覆う枠状であり、該枠状の固体電解質体に前記隔離セパレータを接合したことを特徴とする。 The present invention shows a preferable range of the ratio of the area of the air electrode and the fuel electrode. If it is this range, since a high electric power generation output is obtained, it is suitable.
(3) In the invention of claim 3, the solid electrolyte body (for example, the back-side solid electrolyte layer) on the back side surface has a frame shape that covers a peripheral edge portion (outer edge portion) on the back side, and the frame-shaped solid electrolyte The isolation separator is joined to a body.

本発明は、隔離セパレータの接合される部分の構成を例示したものである。
（４）請求項４の発明では、前記燃料極の裏側面において、前記枠状に形成された固体電解質体（例えば裏側固体電解質層）の内側に、部分的に固体電解質体（例えば内側固体
電解質層）を形成したことを特徴とする。 The present invention exemplifies the configuration of the part to be joined of the isolation separator.
(4) In the invention of claim 4, on the back side surface of the fuel electrode, a solid electrolyte body (for example, an inner solid electrolyte) is partially disposed inside the solid electrolyte body (for example, a back side solid electrolyte layer) formed in the frame shape. Layer).

本発明により、セル（詳しくは前記セル本体）の断面形状がより対称に近くなるので、セルのそりによる変形を一層抑制できるという利点がある。
（５）請求項５の発明では、前記燃料極の裏側面のうち、前記固体電解質体の形成されていない露出部分に穴部を形成したことを特徴とする。 According to the present invention, since the cross-sectional shape of the cell (specifically, the cell main body) becomes more symmetrical, there is an advantage that deformation due to warping of the cell can be further suppressed.
(5) The invention of claim 5 is characterized in that a hole is formed in an exposed portion of the back side surface of the fuel electrode where the solid electrolyte body is not formed.

これにより、燃料ガスが効率的に反応場である燃料極と固体電解質体との界面に到達するため、燃料利用率が高い条件でも、十分に燃料ガスの供給が可能になり、出力低下を低減できる。   As a result, the fuel gas efficiently reaches the interface between the fuel electrode, which is the reaction field, and the solid electrolyte body. This makes it possible to sufficiently supply the fuel gas even under conditions where the fuel utilization rate is high, thereby reducing output reduction. it can.

（６）請求項６の発明では、前記燃料極の周囲に配置される枠状のスペーサである燃料極フレームと、前記空気極の周囲に配置される枠状のスペーサである空気極フレームとを備えるとともに、前記燃料極フレームの前記積層方向における開口面積を、前記空気極フレームの前記積層方向における開口面積より小さくしたことを特徴とする。   (6) In the invention of claim 6, a fuel electrode frame that is a frame-shaped spacer disposed around the fuel electrode, and an air electrode frame that is a frame-shaped spacer disposed around the air electrode. And the opening area of the fuel electrode frame in the stacking direction is smaller than the opening area of the air electrode frame in the stacking direction.

これにより、燃料極側の空間（例えば燃料極に接触する燃料極側集電体の周囲の空間）が狭くなるので、燃料ガスが燃料極を素通りする部分が少なくなる。よって、燃料ガスが有効利用されるので、発電効率が向上する。また、ガス通過を邪魔する空間充填材の必要が無くなる。   As a result, the space on the fuel electrode side (for example, the space around the fuel electrode side current collector in contact with the fuel electrode) is narrowed, so that the portion through which the fuel gas passes through the fuel electrode is reduced. Therefore, since fuel gas is used effectively, power generation efficiency is improved. In addition, the need for a space filler that obstructs gas passage is eliminated.

（７）請求項７の発明では、前記燃料極の裏側面に、前記燃料極と接触する燃料極側集電体を配置するとともに、前記燃料極側のセル間セパレータに、前記積層方向の外側に張り出すように凹部を設け、該凹部に前記燃料極側集電体の一部を収容したことを特徴とする。   (7) In the invention of claim 7, a fuel electrode-side current collector that contacts the fuel electrode is disposed on the back side surface of the fuel electrode, and the inter-cell separator on the fuel electrode side is disposed outside the stacking direction. A concave portion is provided so as to overhang, and a part of the fuel electrode side current collector is accommodated in the concave portion.

これにより、セル間セパレータの剛性が高くなるので、セル間セパレータで、強固にセル内部の構造物を密着させることができる。よって、（電気的な）接触抵抗が低減するとともに、気密性も向上する。   Thereby, since the rigidity of the separator between cells becomes high, the structure inside a cell can be firmly stuck by the separator between cells. Therefore, the (electrical) contact resistance is reduced and the airtightness is also improved.

・ここで、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。   Here, the solid electrolyte body is capable of ionic conductivity that can move a part of one of the fuel gas introduced into the fuel electrode or the oxidant gas introduced into the air electrode during operation of the battery as ions. 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.

・固体電解質体の材料としては、例えばＺｒＯ2系セラミック、ＬａＧａＯ3系セラミック、ＢａＣｅＯ3系セラミック、ＳｒＣｅＯ3系セラミック、ＳｒＺｒＯ3系セラミック、及びＣａＺｒＯ3系セラミック等が挙げられる。 Examples of the material of the solid electrolyte body include ZrO 2 ceramics, LaGaO 3 ceramics, BaCeO 3 ceramics, SrCeO 3 ceramics, SrZrO 3 ceramics, and CaZrO 3 ceramics.

・燃料極の材料としては、例えば、Ｎｉ及びＦｅ等の金属と、Ｓｃ、Ｙ等の希土類元素のうちの少なくとも１種により安定化されたジルコニア等のＺｒＯ2系セラミック、ＣｅＯ2系セラミック等のセラミックのうちの少なくとも１種との混合物などが挙げられる。また、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｎｉ及びＦｅ等の金属が挙げられる。これらの金属は１種のみでもよいし、２種以上の金属の合金でもよい。更に、これらの金属及び／又は合金と、上記セラミックの各々の少なくとも１種との混合物（サーメットを含む）が挙げられる。また、Ｎｉ及びＦｅ等の金属の酸化物と、上記セラミックの各々の少なくとも１種との混合物などが挙げられる。 As the material of the fuel electrode, for example, ZrO 2 ceramics such as zirconia stabilized by at least one of metals such as Ni and Fe and rare earth elements such as Sc and Y, CeO 2 ceramics, etc. The mixture with at least 1 sort (s) of ceramics etc. are mentioned. Moreover, metals, such as Pt, Au, Ag, Pd, Ir, Ru, Rh, Ni, and Fe, are mentioned. These metals may be used alone or in an alloy of two or more metals. Further, a mixture (including cermet) of these metals and / or alloys and at least one of each of the above ceramics may be mentioned. Moreover, the mixture of metal oxides, such as Ni and Fe, and at least 1 type of each of the said ceramic etc. are mentioned.

・空気極の材料としては、例えば、各種の金属、金属の酸化物、金属の複酸化物等を用いることができる。金属としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ及びＲｈ等の金属又は２種以上の金属を含有する合金が挙げられる。更に、金属の酸化物としては、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｍｎ及びＦｅ等の酸化物（Ｌａ2Ｏ3、ＳｒＯ、Ｃｅ2Ｏ3、Ｃｏ2Ｏ3、ＭｎＯ2及びＦｅＯ等）が挙げられる。また、複酸化物としては、少なくともＬａ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＭｎ等を含有する複酸化物（Ｌａ1-XＳｒXＣｏＯ3系複酸化物、Ｌａ1-XＳｒXＦｅＯ3系複酸化物、Ｌａ1-XＳｒXＣｏ1-YＦｅYＯ3系複酸化物、Ｌａ1-XＳｒXＭｎＯ3系複酸化物、Ｐｒ1-XＢａXＣｏＯ3系複酸化物及びＳｍ1-XＳｒXＣｏＯ3系複酸化物等）が挙げられる。 As the material for the air electrode, for example, various metals, metal oxides, metal double oxides, and the like can be used. Examples of the metal include metals such as Pt, Au, Ag, Pd, Ir, Ru, and Rh, or alloys containing two or more metals. Furthermore, examples of the metal oxide include oxides such as La, Sr, Ce, Co, Mn and Fe (La 2 O 3 , SrO, Ce 2 O 3 , Co 2 O 3 , MnO 2 and FeO). It is done. In addition, as the double oxide, a double oxide containing at least La, Pr, Sm, Sr, Ba, Co, Fe, Mn, etc. (La 1-X Sr X CoO 3 -based double oxide, La 1-X Sr X FeO 3 -based double oxide, La 1-X Sr X Co 1-Y Fe Y O 3 -based double oxide, La 1-X Sr X MnO 3 -based double oxide, Pr 1-X Ba X CoO 3 -based double oxide Oxides and Sm 1-X Sr X CoO 3 -based double oxides).

・隔離セパレータやセル間セパレータの材料としては、耐熱性、化学的安定性、強度等の優れた材料を使用でき、例えばステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金等の耐熱合金等の金属材料が挙げられる。   ・ As the material for the separator and inter-cell separator, materials having excellent heat resistance, chemical stability, strength, etc. can be used. For example, metal materials such as heat-resistant alloys such as stainless steel, nickel-base alloys, and chromium-base alloys are used. Can be mentioned.

具体的には、ステンレス鋼としては、フェライト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼が挙げられる。フェライト系ステンレス鋼としては、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ４３４、ＳＵＳ４０５等が挙げられる。マルテンサイト系ステンレス鋼としては、ＳＵＳ４０３、ＳＵＳ４１０、ＳＵＳ４３１等が挙げられる。オーステナイト系ステンレス鋼としては、ＳＵＳ２０１、ＳＵＳ３０１、ＳＵＳ３０５等が挙げられる。更に、ニッケル基合金としては、インコネル６００、インコネル７１８、インコロイ８０２等が挙げられる。クロム基合金としては、Ｄｕｃｒｌｌｏｙ ＣＲＦ（９４Ｃｒ５Ｆｅ１Ｙ2Ｏ3）等が挙げられる。 Specifically, examples of stainless steel include ferritic stainless steel, martensitic stainless steel, and austenitic stainless steel. Examples of ferritic stainless steel include SUS430, SUS434, and SUS405. Examples of martensitic stainless steel include SUS403, SUS410, and SUS431. Examples of austenitic stainless steel include SUS201, SUS301, and SUS305. Further, examples of the nickel-based alloy include Inconel 600, Inconel 718, Incoloy 802, and the like. Examples of the chromium-based alloy include Ducrloy CRF (94Cr5Fe1Y 2 O 3 ).

・隔離セパレータを接合する材料としては、金属ロウ材やガラスなど、各種の接合材を使用でき、燃料電池の作動温度や寿命特性を勘案し、種々の材料を選択できる。
・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。 As a material for joining the separator, various joining materials such as metal brazing material and glass can be used, and various materials can be selected in consideration of the operating temperature and life characteristics of the fuel cell.
When performing power generation using a 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.

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。   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（実施例）について、すなわち、固体電解質形燃料電池スタックの実施例について説明する。   Next, an example (example) of the best mode of the present invention, that is, an example of a solid oxide fuel cell stack will be described.

ａ）まず、固体電解質形燃料電池モジュール（以下単に固体電解質形燃料電池と記す）の構成について説明する。
・図１に示す様に、本実施例の固体電解質形燃料電池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り、図示しない断熱容器に収容されている。 a) First, the configuration of a solid oxide fuel cell module (hereinafter simply referred to as a solid oxide fuel cell) will be described.
As shown in FIG. 1, the solid oxide fuel cell 1 of this 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 an apparatus to perform and is accommodated in the heat insulation container which is not shown in figure.

この固体電解質形燃料電池１は、層状の固体電解質形燃料電池セル３が複数個（例えば８個）積層された固体電解質形燃料電池スタック４と、固体電解質形燃料電池スタック４の下側に配置された層状のガス予熱部５とが、僅かな間隙を介して積層されて、ボルト７〜２１により一体化された積層体である。   This solid oxide fuel cell 1 is disposed under a solid electrolyte fuel cell stack 4 in which a plurality of (for example, eight) layered solid electrolyte fuel cell cells 3 are stacked, and below the solid electrolyte fuel cell stack 4. The layered gas preheating part 5 is laminated with a slight gap and integrated with bolts 7 to 21.

尚、本実施例では、空気の入口と出口は、異なるボルト７、９により、固体電解質形燃料電池１の上部に設定されている。また、同様なボルト１１によって、燃料ガスの入口は、固体電解質形燃料電池１の下部に設定されるとともに、燃料ガスの出口は、固体電解質形燃料電池１の上部に設定されている。   In this embodiment, the air inlet and outlet are set at the upper part of the solid oxide fuel cell 1 by different bolts 7 and 9. Further, by the same bolt 11, the fuel gas inlet is set at the lower part of the solid oxide fuel cell 1, and the fuel gas outlet is set at the upper part of the solid oxide fuel cell 1.

このうち、固体電解質形燃料電池セル３は、図２に分解して示す様に、いわゆる燃料極支持膜タイプのセルであり、燃料ガス流路２３側には、燃料極（アノード）２５が配置されるとともに、燃料極２５の表面には薄膜の固体電解質体２７が形成され、その固体電解質体２７の空気流路３１側の表面には、空気極（カソード）２９が形成されている。ここでは、積層方向における空気極２９の面積は、積層方向における燃料極２５の面積の７０〜１００％である。尚、以下では、この燃料極２５と固体電解質体２７と空気極２９とをセル本体３９と称する。   Among these, the solid electrolyte fuel cell 3 is a so-called fuel electrode supporting membrane type cell as shown in an exploded view in FIG. 2, and a fuel electrode (anode) 25 is disposed on the fuel gas flow path 23 side. In addition, a thin-film solid electrolyte body 27 is formed on the surface of the fuel electrode 25, and an air electrode (cathode) 29 is formed on the surface of the solid electrolyte body 27 on the air flow path 31 side. Here, the area of the air electrode 29 in the stacking direction is 70 to 100% of the area of the fuel electrode 25 in the stacking direction. Hereinafter, the fuel electrode 25, the solid electrolyte body 27, and the air electrode 29 are referred to as a cell body 39.

また、空気極２９と上方の金属製のインターコネクタ（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プレート：セル間セパレータ）３３との間には、その導通を確保するために、（例えば空気極２９と同様なＬＳＣＦ、ＬＳＭ等からなる）空気極側集電体３５が配置されている。同様に、燃料極２５と下方の金属製のセル間セパレータ３３との間には、その導通を確保するために、通気性を有する例えばＮｉフェルトからなる燃料極側集電体３７が配置されている。   In addition, in order to ensure the electrical connection between the air electrode 29 and the upper metal interconnector (a plate that ensures electrical conduction between the cells 3 and blocks the gas flow path) 33, An air electrode side current collector 35 (for example, made of LSCF, LSM, etc. similar to the air electrode 29) is disposed. Similarly, a fuel electrode-side current collector 37 made of, for example, Ni felt having air permeability is disposed between the fuel electrode 25 and the lower metal inter-cell separator 33 to ensure electrical connection. Yes.

更に詳しくは、この固体電解質形燃料電池セル３は、上下一対のセル間セパレータ３３、３３の間に、空気流路３１側の金属製の空気極フレーム４１と、セラミックス製の絶縁フレーム４３と、金属製の中間フレーム４５と、セル本体３９を接合して配置するとともにガス流路を遮断する金属製の隔離セパレータ４７と、燃料ガス流路２３側の金属製の燃料極フレーム４９とを備えている。   More specifically, this solid oxide fuel cell 3 includes a metal air electrode frame 41 on the air flow path 31 side, a ceramic insulating frame 43, between a pair of upper and lower cell separators 33, 33, A metal intermediate frame 45, a metal isolation separator 47 that is arranged by joining the cell body 39 and shuts off the gas flow path, and a metal fuel electrode frame 49 on the fuel gas flow path 23 side are provided. Yes.

従って、空気極フレーム４１と絶縁フレーム４３と中間フレーム４５と隔離セパレータ（その外周縁部）４７と燃料極フレーム４９等により、ボルト７〜２１が貫く貫通孔５１が形成された固体電解質形燃料電池セル３の枠部５３が構成されている。   Therefore, the solid electrolyte fuel cell in which the through holes 51 through which the bolts 7 to 21 pass are formed by the air electrode frame 41, the insulating frame 43, the intermediate frame 45, the isolation separator (the outer peripheral edge portion) 47, the fuel electrode frame 49, and the like. A frame 53 of the cell 3 is configured.

特に本実施例では、固体電解質体２７は、燃料極２５の空気極２９側（同図上方：表側面）の全表面だけでなく、積層方向（同図上下方向）に対して垂直方向である側方の全面、及び同図下方の裏側面にも形成されており、これにより、固体電解質体２７は袋状になっている。   In particular, in the present embodiment, the solid electrolyte body 27 is not only on the entire surface of the fuel electrode 25 on the air electrode 29 side (upper side of the figure: front side surface) but also in the direction perpendicular to the stacking direction (upper and lower direction of the figure). It is also formed on the entire side surface and the back side surface in the lower part of the figure, whereby the solid electrolyte body 27 has a bag shape.

詳しくは、図３に裏側面を示す様に、燃料極２５の裏側面の外縁部の全周にわたって、固体電解質体２７の延長部分である裏側固体電解質層５５が、四角枠状に形成されており、この裏側固体電解質層５５の表面に、隔離セパレータ４７の開口部５７の内縁部がロウ付け接合されている。   Specifically, as shown in FIG. 3, a back side solid electrolyte layer 55 that is an extension of the solid electrolyte body 27 is formed in a square frame shape over the entire circumference of the outer edge portion of the back side surface of the fuel electrode 25. The inner edge of the opening 57 of the separator 47 is brazed to the surface of the backside solid electrolyte layer 55.

ここでは、裏側固体電解質層５５の開口部５９（燃料極２５が露出する部分）と隔離セ
パレータ４７の開口部５７は、燃料極２５と燃料極側集電体３７との密着を妨げないように、燃料極側集電体３７の外径寸法（積層方向から見た寸法）より、十分に大きく設定してある。 Here, the opening 59 (the part where the fuel electrode 25 is exposed) of the back side solid electrolyte layer 55 and the opening 57 of the separator 47 are not disturbed so as not to prevent the fuel electrode 25 and the fuel electrode side current collector 37 from being in close contact with each other. The outer diameter of the fuel electrode side current collector 37 (dimension viewed from the stacking direction) is set sufficiently larger.

尚、固体電解質体２７（従って裏側固体電解質層５５）は、燃料極２５に比べて緻密で硬質であるので、隔離セパレータ４７は、この裏側固体電解質層５５に強固に接合することにより、空気極２９側と燃料極２５側とを気密している。   Since the solid electrolyte body 27 (and hence the back side solid electrolyte layer 55) is denser and harder than the fuel electrode 25, the isolation separator 47 is firmly bonded to the back side solid electrolyte layer 55, so that the air electrode The 29 side and the fuel electrode 25 side are hermetically sealed.

・また、図４に示す様に、（尚、図４では説明の簡易化のためにセルの数は少なくしてある）、前記燃料ガス予熱部５は、一対の遮蔽プレート６１、６３及び枠体６５に囲まれた層状の内部空間６７を有し、その空間６７に外部から導入された燃料ガスを通過させる際に、（周囲からの熱を受けて）燃料ガスを予熱し、暖められた燃料ガスを固体電解質形燃料電池スタック４側に供給する層状の装置である。   As shown in FIG. 4 (in FIG. 4, the number of cells is reduced for simplification of description), the fuel gas preheating unit 5 includes a pair of shielding plates 61 and 63 and a frame. It has a layered internal space 67 surrounded by a body 65, and when the fuel gas introduced from the outside is passed through the space 67, the fuel gas is preheated and heated (by receiving heat from the surroundings). This is a layered device that supplies fuel gas to the solid oxide fuel cell stack 4 side.

この燃料ガス予熱部５は、固体電解質形燃料電池スタック４の下面側にて、スペーサ６９を介して、ボルト７〜２１にて一体に積層固定されている。
前記ボルト７〜２１は、上述した様に、固体電解質形燃料電池１を積層方向に押圧して固体電解質形燃料電池セル３及び燃料ガス予熱部５を拘束するために用いる部材であり、その構造から２種類のボルト７〜２１が使用されている。 The fuel gas preheating part 5 is integrally laminated and fixed by bolts 7 to 21 via a spacer 69 on the lower surface side of the solid oxide fuel cell stack 4.
As described above, the bolts 7 to 21 are members used to restrain the solid oxide fuel cell 3 and the fuel gas preheating portion 5 by pressing the solid oxide fuel cell 1 in the stacking direction. Two types of bolts 7 to 21 are used.

即ち、前記図１に示す様に、単に固体電解質形燃料電池１を押圧するための第１のボルト１３〜２１と、内部に燃料ガス又は空気が流通するガス流路を備えた第２のボルト７〜１１である。   That is, as shown in FIG. 1, the first bolts 13 to 21 for simply pressing the solid oxide fuel cell 1 and the second bolt provided with a gas flow path through which fuel gas or air flows. 7-11.

このうち、第２のボルト７〜１１には、図４に示す様に、空気のガス流路を備えた空気用のボルト（中空ボルト）７、９と燃料ガスのガス流路を備えた燃料用のボルト（中空ボルト）１１がある。尚、使用する第２のボルト７〜１１の本数は、固体電解質形燃料電池１の構造や定格等に応じて適宜選択できる。   Among these, the second bolts 7 to 11 include air bolts (hollow bolts) 7 and 9 each having an air gas flow path, and a fuel having a gas flow path for fuel gas, as shown in FIG. There is a bolt (hollow bolt) 11 for use. The number of second bolts 7 to 11 to be used can be appropriately selected according to the structure and rating of the solid oxide fuel cell 1.

尚、各ボルト７〜２１と固体電解質形燃料電池スタック４とは、絶縁リング等の絶縁板（図示しない）により電気的に絶縁されている（以下各実施例も同様）。
ｂ）次に、固体電解質形燃料電池１のガス流路について説明する。 The bolts 7 to 21 and the solid oxide fuel cell stack 4 are electrically insulated by an insulating plate (not shown) such as an insulating ring (the same applies to the following embodiments).
b) Next, the gas flow path of the solid oxide fuel cell 1 will be described.

図４では、図面の大きさの関係で、各ボルトの中心孔から連通路などに至る横穴等の構成は省略して流路を模式的に示してある（以下同様）。
(1)空気の流路（空気の流れを実線の矢印で示す）
図４（ａ）に示す様に、空気用のボルト７の上方から供給された空気は、そのボルト７の軸中心に形成された中心孔７１に導入され、各固体電解質形燃料電池セル３の側方にあけられた連通路７３等を介してセル内の空気流路３１側に導入される。 In FIG. 4, due to the size of the drawing, the configuration of the horizontal holes from the center hole of each bolt to the communication path and the like is omitted, and the flow paths are schematically shown (the same applies hereinafter).
(1) Air flow path (Indicated by solid arrows)
As shown in FIG. 4 (a), the air supplied from above the bolt 7 for air is introduced into a center hole 71 formed at the axial center of the bolt 7, and each solid electrolyte fuel cell 3 It is introduced into the air flow path 31 in the cell via a communication path 73 or the like opened laterally.

次に、セル内の空気流路３１の空気は、他の連通路７５から、前記と同様な図示しない横穴等を介して、他の空気用（排出用）のボルト９の中心孔７７に排出され、その上方よりスタック外に排出される。   Next, the air in the air flow path 31 in the cell is discharged from the other communication passage 75 to the center hole 77 of the bolt 9 for other air (for discharge) through a lateral hole (not shown) similar to the above. And is discharged out of the stack from above.

(2)燃料の流路（燃料の流れを破線の矢印で示す）
図４（ｂ）に示す様に、燃料用のボルト１１の下方から供給された燃料ガスは、そのボルト１１の軸中心に形成された中心孔８１Ａに導入され、燃料ガス予熱部５の連通路８３
から内部空間６７に供給される。尚、燃料用のボルト１１の中心孔８１は、下方の中心孔８１Ａと上方の中心孔８１Ｂとからなり、燃料ガス予熱部５と固体電解質形燃料電池スタック４との間にて閉塞されている。 (2) Fuel flow path (shown by broken arrows)
As shown in FIG. 4B, the fuel gas supplied from below the fuel bolt 11 is introduced into a center hole 81 </ b> A formed at the axial center of the bolt 11, and the communication path of the fuel gas preheating unit 5. 83
To the internal space 67. The center hole 81 of the fuel bolt 11 is composed of a lower center hole 81A and an upper center hole 81B, and is closed between the fuel gas preheating portion 5 and the solid oxide fuel cell stack 4. .

次に、燃料ガス予熱部５の内部空間６７に供給された燃料ガスは、周囲からの熱を受けて予熱され、予熱後の燃料ガスは、同様な他の連通路８５から、他の燃料用のボルト１３の中心孔８７に導入される。   Next, the fuel gas supplied to the internal space 67 of the fuel gas preheating unit 5 is preheated by receiving heat from the surroundings, and the preheated fuel gas is supplied from another similar communication passage 85 to another fuel. Are introduced into the center hole 87 of the bolt 13.

次に、燃料ガスは、固体電解質形燃料電池スタック４の各連通路８９から、各セル内の燃料ガス流路２３に供給される。
次に、各セル内の燃料ガス流路２３の燃料ガスは、同様な他の連通路９１を介して、燃料用のボルト１１の中心孔８１Ｂに排出され、その上方よりスタック外に排出される。 Next, the fuel gas is supplied from each communication path 89 of the solid oxide fuel cell stack 4 to the fuel gas flow path 23 in each cell.
Next, the fuel gas in the fuel gas flow path 23 in each cell is discharged to the center hole 81B of the fuel bolt 11 through another similar communication path 91, and is discharged from above the stack. .

ｃ）次に、固体電解質形燃料電池１の製造方法について、簡単に説明する。
まず、例えばＳＵＳ４３０からなる板材を打ち抜いて、セル間セパレータ３３、空気極フレーム４１、中間フレーム４５、隔離セパレータ４７、燃料極フレーム４９、遮蔽プレート６１、６３、枠体６５、スペーサ６９を製造した。 c) Next, a method for manufacturing the solid oxide fuel cell 1 will be briefly described.
First, for example, a plate material made of SUS430 was punched out, and the inter-cell separator 33, the air electrode frame 41, the intermediate frame 45, the separator 47, the fuel electrode frame 49, the shielding plates 61 and 63, the frame body 65, and the spacer 69 were manufactured.

また、定法により、ＭｇＯとスピネルを主成分とするグリーンシートを所定形状に形成し、焼成して、絶縁フレーム４３を製造した。
更に、固体電解質形燃料電池セル３のセル本体３９を製造した。具体的には、燃料極２５のグリーンシートの一方の表面（表面側）に、表面側全体を覆うように、固体電解質体２７の材料を印刷し、また、グリーンシートの他方の表面（裏面側）に、その外縁部の全周を覆うように、所定幅（例えば１５０ｍｍ×１５０ｍｍのグリーンシートに所定幅１５ｍｍ（焼成後には□１２０ｍｍのセル本体に、幅１２ｍｍで裏面にも固体電解質材が形成される））にて、固体電解質体２７の材料を印刷し、一旦焼成する。その後空気極２９の材料を印刷し、焼成してセル本体３９を製造した。 In addition, an insulating frame 43 was manufactured by forming a green sheet having MgO and spinel as main components into a predetermined shape and firing it by a conventional method.
Furthermore, the cell main body 39 of the solid oxide fuel cell 3 was manufactured. Specifically, the material of the solid electrolyte body 27 is printed on one surface (front surface side) of the green sheet of the fuel electrode 25 so as to cover the entire surface side, and the other surface (back surface side) of the green sheet. ) To a predetermined width (for example, 150 mm × 150 mm green sheet, a predetermined width of 15 mm on a green sheet of 120 mm (after firing), a solid electrolyte material is formed on the back surface with a width of 12 mm and a width of 12 mm) )), The material of the solid electrolyte body 27 is printed and fired once. Thereafter, the material of the air electrode 29 was printed and fired to manufacture the cell body 39.

尚、グリーンシートの両面に固体電解質体２７の材料を印刷することにより、グリーンシートの側方へも固体電解質体２７の材料が塗布されることになり、結果として、（焼成後の）燃料極２５の裏面側の露出部分以外の全てが覆われるように、グリーンシートの表面は、袋状に固体電解質体２７の材料が塗布されることになる。   In addition, by printing the material of the solid electrolyte body 27 on both surfaces of the green sheet, the material of the solid electrolyte body 27 is applied also to the side of the green sheet. As a result, the fuel electrode (after firing) is obtained. The surface of the green sheet is coated with the material of the solid electrolyte body 27 in a bag shape so that everything except the exposed portion on the back surface side of 25 is covered.

また、燃料極２５の厚さによっては、別途燃料極グリーンシートの側面に固体電解質材を塗布する工程を設けても良い。
その後、セル本体３９の裏側面の周縁部（外縁部）、即ち裏側固体電解質層５５の表面に、隔離セパレータ４７の内縁部が接するように配置するとともに、枠部５３を形成するように、空気極フレーム４１、絶縁フレーム４３、中間フレーム４５、隔離セパレータ４７、燃料極フレーム４９の順で、ボルト１１〜２１を通す貫通孔５１が一致するように重ね合わせ、治具を用いて組み付けて、その接触部分をロウ材により接合一体化した。 Further, depending on the thickness of the fuel electrode 25, a step of separately applying a solid electrolyte material to the side surface of the fuel electrode green sheet may be provided.
Thereafter, air is arranged so that the inner edge of the separator 47 is in contact with the peripheral edge (outer edge) of the back side surface of the cell body 39, that is, the surface of the back solid electrolyte layer 55, and the frame 53 is formed. The pole frame 41, the insulating frame 43, the intermediate frame 45, the separator 47, and the fuel electrode frame 49 are stacked in this order so that the through holes 51 through which the bolts 11 to 21 pass are aligned and assembled using a jig. The contact portion was joined and integrated with a brazing material.

尚、ロウ材としては、例えばＡｇを主成分とする合金（Ａｇ９５質量％−Ｐｄ５質量％）を用いることができ、ロウ付け方法としては、例えばロウ材箔を接合する部材間に配置して加熱するなど、周知の方法を採用できる。   As the brazing material, for example, an alloy containing Ag as a main component (Ag 95% by mass—Pd 5% by mass) can be used. As the brazing method, for example, a brazing material foil is disposed between the members to be joined and heated. For example, a known method can be adopted.

次に、上述のように接合一体化した部材を用い、前記図４の固体電解質形燃料電池１の
構成となるように、セル間セパレータ３３、空気極側集電体３５、燃料極側集電体３７、スペーサ６９、遮蔽プレート６１、６３、枠体６５などを、積層して一体にして、固体電解質形燃料電池１を組み付けた。 Next, the inter-cell separator 33, the air electrode side current collector 35, and the fuel electrode side current collector are used so as to obtain the configuration of the solid electrolyte fuel cell 1 of FIG. The solid electrolyte fuel cell 1 was assembled by laminating the body 37, the spacer 69, the shielding plates 61 and 63, the frame body 65, and the like.

そして、この固体電解質形燃料電池１の枠部５３に形成した貫通孔５３にボルト７〜２１を嵌め込むとともに、それらの両端からナット９３を螺合させて締め付け、固体電解質形燃料電池１を押圧して一体化した。   Then, the bolts 7 to 21 are fitted into the through holes 53 formed in the frame portion 53 of the solid oxide fuel cell 1, and nuts 93 are screwed and tightened from both ends to press the solid oxide fuel cell 1. And integrated.

尚、燃料ガスや空気をモジュール外に排出（又はモジュール内に導入）しないボルトには、有底のナットを使用して開口部を封鎖する。
ｃ）次に、本実施例の効果について説明する。 For bolts that do not discharge fuel gas or air out of the module (or are introduced into the module), a bottomed nut is used to seal the opening.
c) Next, the effect of the present embodiment will be described.

本実施例では、図５に要部を示す様に、燃料極２５の表面は、固体電解質体２７により、裏側の露出部分を除いて袋状に覆われており、緻密で強固な裏側固体電解質層５５に隔離セパレータ４７が接合されている。   In this embodiment, as shown in FIG. 5, the surface of the fuel electrode 25 is covered with a solid electrolyte body 27 in a bag shape except for the exposed portion on the back side, and a dense and strong back side solid electrolyte is obtained. An isolation separator 47 is bonded to the layer 55.

つまり、隔離セパレータ４７は、空気極２９が形成された表側ではなく、その反対側に形成された裏側固体電解質層５５に接合されている。
従って、隔離セパレータ４７のセル本体３９との接合代を燃料極２５側に設けているため、空気極２９の面積は、特に制限されないので、空気極２９は、燃料極２５と略同サイズにまで拡大可能なため、高い発電出力を確保することができる。また、裏側固体電解質層５５による十分な接合部を確保することができるため、隔離セパレータ４７とセル本体３９との接合強度を高めることができる。 That is, the isolation separator 47 is joined to the back side solid electrolyte layer 55 formed on the opposite side rather than the front side where the air electrode 29 is formed.
Therefore, since the joining margin of the separator 47 with the cell main body 39 is provided on the fuel electrode 25 side, the area of the air electrode 29 is not particularly limited, so that the air electrode 29 is approximately the same size as the fuel electrode 25. Since it can be expanded, high power generation output can be secured. In addition, since a sufficient joint portion by the back side solid electrolyte layer 55 can be ensured, the joint strength between the isolation separator 47 and the cell body 39 can be increased.

更に、本実施例では、裏側固体電解質層５５の幅は、固体電解質形燃料電池１の寿命を考慮して広めに設定することも可能であり、その点からも、接合部分の信頼性が向上するという利点がある。   Furthermore, in the present embodiment, the width of the back side solid electrolyte layer 55 can be set wider in consideration of the life of the solid oxide fuel cell 1, and the reliability of the joint portion is also improved in this respect. There is an advantage of doing.

また、燃料極２５は、固体電解質形燃料電池１の作動時に還元されて組織が変化するので、燃料極２５の裏側にも、固体電解質形燃料電池１の作動時も含めて形状的に安定な固体電解質体（即ち裏側固体電解質層５５）を形成し、この裏側固体電解質層５５に隔離セパレータ４７を接合することは好適である。   Further, the fuel electrode 25 is reduced when the solid electrolyte fuel cell 1 is operated, and its structure is changed. Therefore, the shape of the fuel electrode 25 is stable on the back side of the fuel electrode 25, including when the solid oxide fuel cell 1 is operated. It is preferable to form a solid electrolyte body (that is, the back side solid electrolyte layer 55) and to bond the isolation separator 47 to the back side solid electrolyte layer 55.

更に、裏側面に裏側固体電解質層５５を設けることにより、セル本体３９の断面形状がより対称に近くなるので、セル本体３９のそりによる変形を抑制できるという利点もある。   Further, by providing the back side solid electrolyte layer 55 on the back side surface, the cross-sectional shape of the cell body 39 becomes more symmetrical, so there is also an advantage that deformation due to warping of the cell body 39 can be suppressed.

その上、本実施例では、積層方向における空気極２９の面積は、積層方向における燃料極２５の面積の７０〜１００％であるので、高い発電出力が得られる。   In addition, in this embodiment, the area of the air electrode 29 in the stacking direction is 70 to 100% of the area of the fuel electrode 25 in the stacking direction, so that a high power output can be obtained.

次に、実施例２について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
本実施例は、燃料極の裏側固体電解質層の枠内にも、部分的に固体電解質層を設けたものである。 Next, the second embodiment will be described, but the description of the same contents as the first embodiment will be omitted.
In this embodiment, the solid electrolyte layer is partially provided also in the frame of the back side solid electrolyte layer of the fuel electrode.

図６（ａ）、（ｂ）に要部を示す様に、本実施例の固体電解質形燃料電池１０１では、前記実施例１と同様に、燃料極１０３と（裏側固体電解質層１０９を含む）固体電解質体
１０５と空気極１０７からなるセル本体１１１を備えている。また、裏側固体電解質層１０９に隔離セパレータ１１３が接合されている。 As shown in FIGS. 6A and 6B, in the solid electrolyte fuel cell 101 of the present embodiment, as in the first embodiment, the fuel electrode 103 and the back solid electrolyte layer 109 are included. A cell main body 111 including a solid electrolyte body 105 and an air electrode 107 is provided. An isolation separator 113 is bonded to the back side solid electrolyte layer 109.

特に本実施例では、枠状の裏側固体電解質層１０９の内側（枠内）における燃料極１０３表面にて、燃料極側集電体１１５と接触する露出部分があるように、固体電解質体１０５と同様な材料からなる内側固体電解質層１１７を、（積層方向から見て）メッシュ状に形成している。   In particular, in the present embodiment, the solid electrolyte body 105 and the surface of the fuel electrode 103 on the inner side (inside the frame) of the frame-like back side solid electrolyte layer 109 are exposed to contact with the fuel electrode side current collector 115. An inner solid electrolyte layer 117 made of a similar material is formed in a mesh shape (as viewed from the stacking direction).

これによって、更にセル本体１１１の断面形状がより対称に近くなるので、セル本体１１７のそりによる変形を一層抑制できるという利点もある。   As a result, the cross-sectional shape of the cell body 111 becomes more symmetrical, and there is an advantage that deformation due to warping of the cell body 117 can be further suppressed.

次に、実施例３について説明するが、前記実施例２と同様な内容の説明は省略する。
本実施例は、燃料極の裏面側の穴部（凹部）を形成したものである。
図６（ｃ）、（ｄ）に要部を示す様に、本実施例の固体電解質形燃料電池１２１では、前記実施例２と同様に、燃料極１２３と（裏側固体電解質層１２９を含む）固体電解質体１２５と空気極１２７からなるセル本体１３１を備えるとともに、内側固体電解質層１３３を備えている。また、裏側固体電解質層１２９に隔離セパレータ１３５が接合されている。 Next, the third embodiment will be described, but the description of the same contents as the second embodiment will be omitted.
In this embodiment, a hole (recess) on the back side of the fuel electrode is formed.
As shown in FIGS. 6C and 6D, in the solid electrolyte fuel cell 121 of this example, the fuel electrode 123 and the backside solid electrolyte layer 129 are included as in Example 2. A cell body 131 including a solid electrolyte body 125 and an air electrode 127 is provided, and an inner solid electrolyte layer 133 is provided. An isolation separator 135 is bonded to the back solid electrolyte layer 129.

特に本実施例では、燃料極１２３の裏側の露出部分、即ち裏側固体電解質層１２９や内側固体電解質層１３３が形成されていない部分には、凹状に形成された小径の穴部１３７が形成されている。尚、穴部１３７の底は、燃料極１２３の表面側には達していない。   In particular, in the present embodiment, a small-diameter hole 137 formed in a concave shape is formed in the exposed portion on the back side of the fuel electrode 123, that is, the portion where the back-side solid electrolyte layer 129 and the inner solid electrolyte layer 133 are not formed. Yes. The bottom of the hole 137 does not reach the surface side of the fuel electrode 123.

この穴部１３７は、燃料極１２３と燃料極側集電体１３９との接触を妨げないように、燃料極１２３の裏側の露出部分の一部に、分散して多数形成されている。
これにより、燃料ガスが効率的に反応場に到達するため、燃料利用率が高い条件でも、十分に燃料ガスの供給が可能になり、出力低下を低減できる。 A large number of holes 137 are dispersed and formed in a part of the exposed portion on the back side of the fuel electrode 123 so as not to prevent the contact between the fuel electrode 123 and the fuel electrode side current collector 139.
As a result, since the fuel gas efficiently reaches the reaction field, the fuel gas can be sufficiently supplied even under a high fuel utilization rate, and a reduction in output can be reduced.

次に、実施例４について説明するが、前記実施例３と同様な内容の説明は省略する。
本実施例は、燃料極フレームの開口部分を小さくしたものである。
図７（ａ）、（ｂ）に要部を示す様に、本実施例の固体電解質形燃料電池１４１では、前記実施例３と同様に、燃料極１４３と（裏側固体電解質層１４９を含む）固体電解質体１４５と空気極１４７からなるセル本体１５１を備えるとともに、内側固体電解質層１５３や穴部１５５を備えている。また、裏側固体電解質層１４９に隔離セパレータ１５７が接合されている。 Next, the fourth embodiment will be described, but the description of the same contents as the third embodiment will be omitted.
In this embodiment, the opening portion of the fuel electrode frame is reduced.
As shown in FIGS. 7A and 7B, in the solid electrolyte fuel cell 141 of this example, the fuel electrode 143 and the backside solid electrolyte layer 149 are included as in the third example. A cell body 151 including a solid electrolyte body 145 and an air electrode 147 is provided, and an inner solid electrolyte layer 153 and a hole 155 are provided. An isolation separator 157 is bonded to the back solid electrolyte layer 149.

特に本実施例では、燃料極フレーム１５９の開口部１６１の開口面積が（実施例３より）小さく、燃料極フレーム１５９の内縁部は、隔離セパレータ１５７の開口部１６３の内縁部近くまで迫っている。   In particular, in this embodiment, the opening area of the opening 161 of the fuel electrode frame 159 is smaller (than that of the third embodiment), and the inner edge of the fuel electrode frame 159 approaches to the vicinity of the inner edge of the opening 163 of the isolation separator 157. .

これにより、燃料極側集電体１６３の周囲の空間が狭くなるので、燃料ガスが燃料極１４３を素通りする部分が少なくなる。よって、ガス通過を邪魔する空間充填材の必要が無くなり、また、燃料ガスが有効利用されるので、発電効率が向上する。   As a result, the space around the fuel electrode side current collector 163 is narrowed, and the portion through which the fuel gas passes through the fuel electrode 143 is reduced. Therefore, the need for a space filler that obstructs gas passage is eliminated, and fuel gas is effectively used, so that power generation efficiency is improved.

尚、燃料極フレーム１５９の開口部１６１は、燃料極側集電体１６５より僅かに大きいサイズまで小さくすると、一層効果的で好ましい。   Note that it is more effective and preferable that the opening 161 of the fuel electrode frame 159 is made smaller to a size slightly larger than the fuel electrode side current collector 165.

次に、実施例５について説明するが、前記実施例４と同様な内容の説明は省略する。
本実施例は、セル間セパレータに凹部を設けて燃料極側集電体の一部を収容したものである。 Next, the fifth embodiment will be described, but the description of the same contents as the fourth embodiment will be omitted.
In this embodiment, the inter-cell separator is provided with a recess to accommodate a part of the fuel electrode side current collector.

図７（ｃ）、（ｄ）に要部を示す様に、本実施例の固体電解質形燃料電池１７１では、前記実施例４と同様に、燃料極１７３と（裏側固体電解質層１７９を含む）固体電解質体１７５と空気極１７７からなるセル本体１８１を備えるとともに、内側固体電解質層１８３や穴部１８５を備えている。また、裏側固体電解質層１７９に隔離セパレータ１８７が接合されている。   As shown in FIGS. 7C and 7D, in the solid electrolyte fuel cell 171 of this example, the fuel electrode 173 and the backside solid electrolyte layer 179 are included, as in Example 4. A cell main body 181 including a solid electrolyte body 175 and an air electrode 177 is provided, and an inner solid electrolyte layer 183 and a hole 185 are provided. An isolation separator 187 is joined to the back side solid electrolyte layer 179.

特に本実施例では、セル間セパレータ１８９に、同図の下側に張り出す凹部１９１が形成されており、この凹部１９１に燃料極側集電体１９３の底部が収容されている。
また、隔離セパレータ１８７とセル間セパレータ１８９との間には、燃料極プレートの代わりにマイカシート１９５が配置されている。尚、マイカシート１９５は省略可能である。ここでは、燃料極プレートとセル間セパレータ１８９を一体化した構造としてもよいが、別体でもよい。 Particularly, in this embodiment, the inter-cell separator 189 is formed with a recess 191 that protrudes downward in the figure, and the bottom of the fuel electrode side current collector 193 is accommodated in the recess 191.
Further, a mica sheet 195 is disposed between the isolation separator 187 and the inter-cell separator 189 instead of the fuel electrode plate. The mica sheet 195 can be omitted. Here, the fuel electrode plate and the inter-cell separator 189 may be integrated, but may be separate.

これにより、セル間セパレータ１８９の剛性が高くなるので、セル間セパレータ１８９で、強固にセル内部の構造物（セル本体１８１や空気極側集電体１９７や燃料極側集電体１８３等）を密着させることができる。よって、（電気的な）接触抵抗が低減するとともに、気密性も向上する。   As a result, the rigidity of the inter-cell separator 189 is increased, and the inter-cell separator 189 is used to firmly fix the structure inside the cell (cell main body 181, air electrode side current collector 197, fuel electrode side current collector 183, etc.). It can be adhered. Therefore, the (electrical) contact resistance is reduced and the airtightness is also improved.

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。
例えば、固体酸化物燃料電池としては、上述した様な中空ボルトを用いて、ガスの流通とスタックの固定を行うもの以外に、例えば特願２００６−１９４２４５号の図１〜図８等に記載の様に、ロウ材等によってセル等を接合し、そのセルの枠部を貫通するように設けたガス流路を利用して、空気や燃料を供給したり排出する構成の（帯状のマニホールドタイプの）固体電解質形燃料電池にも、本発明を適用できる。 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.
For example, as a solid oxide fuel cell, in addition to the above-described hollow bolts used for gas circulation and stack fixation, for example, as described in Japanese Patent Application No. 2006-194245, FIGS. In the same manner, cells and the like are joined by brazing material and the like, and a gas flow path provided so as to penetrate the frame of the cell is used to supply and discharge air and fuel (for a strip-shaped manifold type). ) The present invention can also be applied to a solid oxide fuel cell.

実施例１の固体電解質形燃料電池を示す斜視図である。1 is a perspective view showing a solid oxide fuel cell of Example 1. FIG. 固体電解質形燃料電池セルを分解した状態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the state which decomposed | disassembled the solid electrolyte form fuel cell. 燃料極及び隔離プレートを分解し裏側から見た状態を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the state which decomposed | disassembled the fuel electrode and the isolation plate, and was seen from the back side. （ａ）図１のＡ−Ａ断面において空気の流路を示す説明図、（ｂ）図１のＢ−Ｂ断面において燃料ガスの流路を示す説明図である。(A) Explanatory drawing which shows the flow path of air in the AA cross section of FIG. 1, (b) Explanatory drawing which shows the flow path of fuel gas in the BB cross section of FIG. （ａ）図１のＡ−Ａ断面の固体電解質形燃料電池セルを示す説明図、（ｂ）図１のＢ−Ｂ断面の燃料ガスの流路を示す説明図である。(A) Explanatory drawing which shows the solid oxide fuel cell of the AA cross section of FIG. 1, (b) Explanatory drawing which shows the flow path of the fuel gas of the BB cross section of FIG. （ａ）実施例２における固体電解質形燃料電池セルを示す（図１のＡ−Ａ断面の）説明図、（ｂ）実施例２における固体電解質形燃料電池セルを示す（図１のＢ−Ｂ断面の）説明図、（ｃ）実施例３における固体電解質形燃料電池セルを示す（図１のＡ−Ａ断面の）説明図、（ｄ）実施例３における固体電解質形燃料電池セルを示す（図１のＢ−Ｂ断面の）説明図である。(A) Explanatory drawing which shows the solid electrolyte form fuel cell in Example 2 (AA cross section of FIG. 1), (b) The solid electrolyte form fuel cell in Example 2 is shown (BB of FIG. 1) Explanatory drawing (of a cross section), (c) An explanatory diagram showing the solid electrolyte fuel cell in Example 3 (in the AA cross section in FIG. 1), (d) A solid electrolyte fuel cell in Example 3 ( It is explanatory drawing of the BB cross section of FIG. （ａ）実施例４における固体電解質形燃料電池セルを示す（図１のＡ−Ａ断面の）説明図、（ｂ）実施例４における固体電解質形燃料電池セルを示す（図１のＢ−Ｂ断面の）説明図、（ｃ）実施例５における固体電解質形燃料電池セルを示す（図１のＡ−Ａ断面の）説明図、（ｄ）実施例５における固体電解質形燃料電池セルを示す（図１のＢ−Ｂ断面の）説明図である。(A) Explanatory drawing which shows the solid electrolyte fuel cell in Example 4 (AA cross section of FIG. 1), (b) The solid electrolyte fuel cell in Example 4 is shown (BB of FIG. 1) Explanatory drawing of a cross section, (c) A solid electrolyte fuel cell in Example 5 is shown (in the AA cross section in FIG. 1), (d) A solid electrolyte fuel cell in Example 5 is shown ( It is explanatory drawing of the BB cross section of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

１、１０１、１２１、１４１、１７１…固体電解質形燃料電池モジュール
３…固体電解質形燃料電池セル
４…固体電解質形燃料電池スタック
７、９、１１、１３、１５、１７、１９、２１…ボルト
２３…燃料ガス流路
２５、１０３、１２３、１４３、１７３…燃料極
２７、１０５、１２５、１４５、１７５…固体電解質体
２９、１０７、１２７、１４７、１７７…空気極
３１…空気流路
３３…セル間セパレータ
３９、１１１、１３１、１５１、１７１…セル本体
４７、１１３、１３５、１４１、１５７、１８７…隔離セパレータ
５５、１０９、１２９、１４９、１７９…裏側固体電解質層
１１７、１３３、１５３、１８１…内側固体電解質層
１３７、１５５、１８３…穴部
１９１…凹部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,101,121,141,171 ... Solid electrolyte fuel cell module 3 ... Solid electrolyte fuel cell 4 ... Solid electrolyte fuel cell stack 7, 9, 11, 13, 15, 17, 19, 21 ... Bolt 23 ... Fuel gas flow path 25, 103, 123, 143, 173 ... Fuel electrode 27, 105, 125, 145, 175 ... Solid electrolyte body 29, 107, 127, 147, 177 ... Air electrode 31 ... Air flow path 33 ... Cell Between separators 39, 111, 131, 151, 171 ... Cell body 47, 113, 135, 141, 157, 187 ... Isolation separators 55, 109, 129, 149, 179 ... Back side solid electrolyte layer 117, 133, 153, 181 ... Inner solid electrolyte layer 137, 155, 183 ... hole 191 ... recess

Claims (7)

固体電解質体と、該固体電解質体の一面に設けられ、燃料ガスに接する燃料極と、該固体電解質体の他面に設けられ、酸化剤ガスに接する空気極とを有する固体電解質形燃料電池セルを、ガスの流通を遮断するセル間セパレータを介して、複数積層した固体電解質形燃料電池であって、
前記固体電解質形燃料電池セルは、
前記燃料極の表面全体を、前記固体電解質体によって、前記空気極と反対側の裏側面の一部を除いて袋状に覆うとともに、
前記裏側面の前記固体電解質体の表面に、ガスの流通を遮断する隔離セパレータを接合したことを特徴とする固体電解質形燃料電池。 A solid electrolyte fuel cell having a solid electrolyte body, a fuel electrode provided on one surface of the solid electrolyte body and in contact with a fuel gas, and an air electrode provided on the other surface of the solid electrolyte body and in contact with an oxidant gas A solid oxide fuel cell in which a plurality of layers are stacked via an inter-cell separator that blocks gas flow,
The solid electrolyte fuel cell is
The entire surface of the fuel electrode is covered with the solid electrolyte body in a bag shape except for a part of the back side surface opposite to the air electrode,
A solid electrolyte fuel cell, wherein an isolation separator for blocking gas flow is joined to the surface of the solid electrolyte body on the back side surface. 前記固体電解質形燃料電池セルの積層方向における前記空気極の面積が、前記積層方向における前記燃料極の面積の７０〜１００％であることを特徴とする請求項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 an area of the air electrode in the stacking direction of the solid electrolyte fuel cell is 70 to 100% of an area of the fuel electrode in the stacking direction. . 前記裏側面の前記固体電解質体は、前記裏面側の周縁部を覆う枠状であり、該枠状の固体電解質体に前記隔離セパレータを接合したことを特徴とする請求項１又は２に記載の固体電解質形燃料電池。   The said solid electrolyte body of the said back side surface is a frame shape which covers the peripheral part of the said back surface side, The said isolation | separation separator was joined to this frame-shaped solid electrolyte body of Claim 1 or 2 characterized by the above-mentioned. Solid electrolyte fuel cell. 前記燃料極の裏側面において、前記枠状に形成された固体電解質体の内側に、部分的に固体電解質体を形成したことを特徴とする請求項３に記載の固体電解質形燃料電池。   4. The solid electrolyte fuel cell according to claim 3, wherein a solid electrolyte body is partially formed inside the solid electrolyte body formed in the frame shape on the back side surface of the fuel electrode. 前記燃料極の裏側面のうち、前記固体電解質体の形成されていない露出部分に穴部を形成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の固体電解質形燃料電池。   The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein a hole is formed in an exposed portion of the back surface of the fuel electrode where the solid electrolyte body is not formed. 前記燃料極の周囲に配置される枠状のスペーサである燃料極フレームと、前記空気極の周囲に配置される枠状のスペーサである空気極フレームとを備えるとともに、
前記燃料極フレームの前記積層方向における開口面積を、前記空気極フレームの前記積層方向における開口面積より小さくしたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の固体電解質形燃料電池。 A fuel electrode frame that is a frame-shaped spacer disposed around the fuel electrode, and an air electrode frame that is a frame-shaped spacer disposed around the air electrode;
6. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein an opening area of the fuel electrode frame in the stacking direction is smaller than an opening area of the air electrode frame in the stacking direction. 前記燃料極の裏側面に、前記燃料極と接触する燃料極側集電体を配置するとともに、前記燃料極側のセル間セパレータに、前記積層方向の外側に張り出すように凹部を設け、該凹部に前記燃料極側集電体の一部を収容したことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の固体電解質形燃料電池。   A fuel electrode side current collector in contact with the fuel electrode is disposed on the back side surface of the fuel electrode, and a recess is provided in the inter-cell separator on the fuel electrode side so as to protrude outward in the stacking direction. The solid electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein a part of the fuel electrode side current collector is accommodated in the recess.
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