JPH06349516A - Stack for solid electrolyte type fuel cell - Google Patents
Stack for solid electrolyte type fuel cellInfo
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- JPH06349516A JPH06349516A JP5163171A JP16317193A JPH06349516A JP H06349516 A JPH06349516 A JP H06349516A JP 5163171 A JP5163171 A JP 5163171A JP 16317193 A JP16317193 A JP 16317193A JP H06349516 A JPH06349516 A JP H06349516A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は固体電解質型燃料電
池のスタックの構成に関わるものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a stack structure of a solid oxide fuel cell.
【０００２】[0002]
【従来の技術】固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、
電極、電解質をはじめとする単セルの全てがセラミック
ス材料で構成された燃料電池であり、電解質としてはイ
ットリアの添加によって結晶構造の安定化が図られたジ
ルコニア（ＹＳＺ）が使用されている。この材料は高い
酸素イオン導電性を示すが、温度依存性は他のセラミッ
クス材料と同様で温度が低いと導電性は低く、充分な高
温下における使用が必要である。したがって、ＳＯＦＣ
を作製した際の高導電性を得るために、運転温度は９０
０〜１０００℃という値が設定されている。このような
高い温度で使用されるため、電解質以外の電極もセラミ
ックスで構成されることになる。2. Description of the Related Art Solid oxide fuel cells (SOFC) are
A single cell including an electrode and an electrolyte is a fuel cell in which all are made of a ceramic material, and zirconia (YSZ) whose crystal structure is stabilized by adding yttria is used as the electrolyte. Although this material exhibits high oxygen ion conductivity, its temperature dependence is similar to that of other ceramic materials, and the conductivity is low when the temperature is low, and it is necessary to use it at a sufficiently high temperature. Therefore, SOFC
In order to obtain high conductivity when producing
A value of 0 to 1000 ° C. is set. Since it is used at such a high temperature, the electrodes other than the electrolyte are also made of ceramics.
【０００３】ところで、上述のＹＳＺ電解質の導電率
は、１０００℃においても高々０．１Ｓ／ｃｍであるの
で、セルを形成した際には、ＹＳＺの薄膜化が必要であ
る。従来、ＳＯＦＣにおいてはたとえば図６に示すよう
な平板型の単セルの検討が進められてきている。この図
では、ＹＳＺで薄い電解質板６１を作製し、この両面に
燃料極６２と空気極６３の２つの電極を配置させてい
る。なお、図中、６４はインタコネクタ、６５は燃料ガ
ス硫路、６６は酸化剤ガス硫路を示している。By the way, the conductivity of the above YSZ electrolyte is at most 0.1 S / cm even at 1000 ° C. Therefore, it is necessary to thin the YSZ when forming the cell. Conventionally, in SOFCs, for example, a flat type single cell as shown in FIG. 6 has been studied. In this figure, a thin electrolyte plate 61 is made of YSZ, and two electrodes, a fuel electrode 62 and an air electrode 63, are arranged on both sides of this. In the figure, 64 is an interconnector, 65 is a fuel gas sulfur passage, and 66 is an oxidant gas sulfur passage.
【０００４】この場合では、ＹＳＺが電極の支持体とな
るために、充分な機械的強度を有する必要がある。 イ
ットリアを添加したＹＳＺの中でも１０００℃における
導電率が高いという特徴を持つ、イットリアを８モル％
添加したＹＳＺは機械的強度が弱いので、支持体の厚み
を増す必要があった。この結果、電解質部でのｉＲ降下
が増大し、セルの出力が充分に得られないという問題が
あった。In this case, since YSZ serves as a support for the electrodes, it must have sufficient mechanical strength. Among YSZ with yttria added, 8 mol% yttria, which has the characteristic of having high conductivity at 1000 ° C.
Since the added YSZ has weak mechanical strength, it was necessary to increase the thickness of the support. As a result, there is a problem that the iR drop in the electrolyte portion increases, and the output of the cell cannot be sufficiently obtained.
【０００５】そこで、電極材自体がセルの支持体も兼
ね、かつ一方のガスの流路も有し、全体のガスシール性
の向きも狙った新たな方式のＳＯＦＣ単セルが提案され
た（特開平５−３６４１７号，中空薄板式固体電解質燃
料電池）。この単セルは、図７のような構造のものであ
る。すなわち、空気極材料によって、ガス流路となる貫
通口７２を有する中空状の基板（空気極基板）７１を作
製したもので、基板７１の表面に固体電解質７３、燃料
電極７４の各層を形成し、さらに燃料電極７４の反対側
の面にインタコネクタ７５を設置している。空気極基板
７１の材料には、通常用いられるＬａＳｒＭｎＯ3やＬ
ａＣｏＯ3等を使用し、空気極基板７１はたとえば押出
成形法等で作製される。固体電解質層７３と燃料電極７
４の各層は、材料にＹＳＺ、ニッケルとジルコニアを用
い、いずれも溶射法によって形成される。また、インタ
コネクタ７５は、Ｎｉ−Ａｌ2Ｏ3やＬａＣｒＯ3等の還
元雰囲気下で安定な物質の層を溶射によって形成されて
いる。また、固体電解質層７３とインタコネクタ７５が
設けられた部分以外については、ガスの透過を防止する
必要があるので、Ａｌ2Ｏ3等からなる不透過性被膜６６
で覆う。なお、各層は、溶射だけでなく、ＣＶＤ法、テ
ープキャスティング法、スラリー塗布法でも作製可能で
ある。Therefore, a new type SOFC unit cell has been proposed in which the electrode material itself also serves as a support for the cell and also has a gas flow path for one of the cells, aiming at the direction of the overall gas sealing property (special feature). Kaihei 5-36417, hollow thin plate type solid electrolyte fuel cell). This unit cell has a structure as shown in FIG. That is, a hollow substrate (air electrode substrate) 71 having a through hole 72 that serves as a gas flow path is manufactured from an air electrode material, and each layer of a solid electrolyte 73 and a fuel electrode 74 is formed on the surface of the substrate 71. Further, an interconnector 75 is installed on the surface opposite to the fuel electrode 74. As the material of the air electrode substrate 71, usually used LaSrMnO 3 or L
The air electrode substrate 71 is made of, for example, an extrusion molding method using aCoO 3 or the like. Solid electrolyte layer 73 and fuel electrode 7
Each layer of 4 is formed by a thermal spraying method using YSZ, nickel and zirconia as a material. The interconnector 75 is formed by thermal spraying a layer of a stable substance such as Ni—Al 2 O 3 or LaCrO 3 in a reducing atmosphere. Further, since it is necessary to prevent gas permeation except for the portion where the solid electrolyte layer 73 and the interconnector 75 are provided, the impermeable coating 66 made of Al 2 O 3 or the like.
Cover with. Each layer can be produced not only by thermal spraying but also by a CVD method, a tape casting method, or a slurry coating method.
【０００６】このような構成のセルとすることによっ
て、もはや電解質はセルの支持体としての役割から解放
され、緻密な膜でありさえすれば限りなく薄くてよいこ
とになり、単セルの性能向上を飛躍的に増大することが
可能となる。このような方法によって、単セルの発電特
性を向上させることができる。しかし、ＳＯＦＣセルは
１枚だけで使用されることはなく、単セルを直列に、ま
た必要によっては並列に接続して所定の出力を持ったス
タックとしている。With the cell having such a structure, the electrolyte is no longer required to serve as a support for the cell, and it is possible to make the membrane as thin as possible as long as it is a dense membrane, thus improving the performance of the single cell. Can be dramatically increased. By such a method, the power generation characteristics of the single cell can be improved. However, a single SOFC cell is not used alone, and single cells are connected in series and, if necessary, in parallel to form a stack having a predetermined output.
【０００７】この方式の単セルを用いる従来の発電モジ
ュールの例は図８に示すような構造である。この図は空
気極材料で作製した基板を使用したセルの例である。８
０は固定板、８０−１は溝、８１は分離板、８１−１は
貫通口、８２は外容器、８３は酸化剤ガス供給口、８４
は燃料ガス供給口、８５は前室、８６は燃焼室、８７は
ガス排出口、８８はフェルト状導電体、８９は導線、９
０はシール材である。An example of a conventional power generation module using this type of single cell has a structure as shown in FIG. This figure is an example of a cell using a substrate made of an air electrode material. 8
0 is a fixed plate, 80-1 is a groove, 81 is a separation plate, 81-1 is a through hole, 82 is an outer container, 83 is an oxidant gas supply port, and 84.
Is a fuel gas supply port, 85 is a front chamber, 86 is a combustion chamber, 87 is a gas outlet, 88 is a felt-like conductor, 89 is a conductor, 9
0 is a sealing material.
【０００８】モジュールの構成にあたっては、発電部を
形成した基板６２を固定板８０に載せた後、分離板８１
を貫通させ、このような状態で外容器８２の内部に収納
している。固定板８０には基板７１の取付用に溝８０−
１が設けられており、基板７１はこの溝８０−１に嵌合
され、嵌合部にはガスの気密性を確保するため、この部
分にホウケイ酸ガラス等の非導電性融体からなるシール
材９０が満たされる。一方、分離板８１の貫通口８１−
１の部分にはスリットがあり、未反応の燃料ガスの排出
が行えるようになっている。In constructing the module, after the substrate 62 having the power generation portion is placed on the fixed plate 80, the separation plate 81 is placed.
And is housed inside the outer container 82 in such a state. The fixing plate 80 has a groove 80-for mounting the substrate 71.
1 is provided, the substrate 71 is fitted in the groove 80-1, and the fitting portion is provided with a seal made of a non-conductive melt such as borosilicate glass in order to ensure gas tightness. The material 90 is filled. On the other hand, the through hole 81- of the separation plate 81-
There is a slit in the portion 1 so that unreacted fuel gas can be discharged.
【０００９】発電にあたっては、この発電モジュールを
１０００℃等の温度条件下に設置し、各ガスを供給す
る。酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給口８３から供給さ
れ、各セルの内部を通過し、セル形成部で反応した後、
残ガスが燃焼室８６に達する。一方、燃料ガスは外容器
８２の側面に設けられた燃料ガス供給口８４から供給さ
れ、ここで発電する（図では、燃料ガス供給口８４が外
容器８２の左側面に表示されているが、ガスと燃料極と
の接触を向上させる観点から紙面の表側（または裏側）
の位置に設けることが可能である。）。供給された燃料
ガスは各セル間の隙間に流入して反応することになる
が、各セル間に配置された導電性スペーサ８８は多孔性
であるので、燃料ガスの電極への拡散は支障なく行われ
る。そして、ここで反応で消費されなかった燃料ガスは
燃焼室８７に導かれて、やはり反応で残った酸化剤ガス
と混合し燃焼する。そして、このような燃焼後の高温ガ
スは、ガス排出口８７から外部に排出される。In power generation, this power generation module is installed under temperature conditions such as 1000 ° C. and each gas is supplied. The oxidant gas is supplied from the oxidant gas supply port 83, passes through the inside of each cell, and reacts in the cell forming part,
The residual gas reaches the combustion chamber 86. On the other hand, the fuel gas is supplied from a fuel gas supply port 84 provided on the side surface of the outer container 82 and generates power there (in the drawing, the fuel gas supply port 84 is shown on the left side surface of the outer container 82, From the viewpoint of improving the contact between the gas and fuel electrode, the front side (or back side) of the paper
Can be provided at the position. ). The supplied fuel gas flows into the gaps between the cells and reacts therewith, but since the conductive spacers 88 arranged between the cells are porous, diffusion of the fuel gas to the electrodes does not hinder. Done. Then, the fuel gas not consumed in the reaction here is guided to the combustion chamber 87, and is mixed with the oxidant gas remaining in the reaction and burned. Then, the high temperature gas after such combustion is discharged to the outside from the gas discharge port 87.
【００１０】[0010]
【発明が解決しようとする課題】ところで、スタックの
発電特性には各セルの電気的な接続状態の良否が大きく
影響している。すなわち、スタックにおける単セルの出
力低下の内訳は、電極過電圧、電解質のｉＲ損および接
触抵抗によるｉＲ損であるが、接続状況が不良である
と、この部分の接触抵抗が大きくなり単セルあたりの電
圧降下が大きくなってくることになる。先の中空平板式
セルを用いた発電モジュールにおいては単セルを形成し
た基板間に、Ｎｉフェルト等からなる多孔質導電体８８
を配置することとしているが、基板間の電気的接続を良
好にするためにはこのＮｉフェルトを両側の基板に充分
押しつけて接触させた状態で配置する必要がある。しか
も、各基板は固定板８０と分離板８１の溝にあわせた間
隔とする必要があり、基板６２を溝８０−１に固定した
後にＮｉフェルト８８を両側の基板に押しつけた状態で
配置することは困難であり、逆にＮｉフェルトを基板の
間隔に挟んだ状態で個々の基板を固定板８０の溝８０−
１に取り付けていくことも困難である。By the way, the power generation characteristics of the stack are greatly affected by the quality of the electrical connection of each cell. That is, the breakdown of the output of the single cell in the stack is the electrode overvoltage, the iR loss of the electrolyte, and the iR loss due to the contact resistance. However, if the connection status is poor, the contact resistance at this portion increases and The voltage drop will increase. In the power generation module using the above hollow flat plate type cell, the porous conductor 88 made of Ni felt or the like is provided between the substrates on which the single cells are formed.
However, in order to improve the electrical connection between the substrates, it is necessary to place the Ni felt in a state of being sufficiently pressed against the substrates on both sides and in contact with each other. Moreover, it is necessary to make the distances between the substrates match the grooves of the fixed plate 80 and the separation plate 81. After fixing the substrate 62 in the groove 80-1, the Ni felts 88 should be arranged in a state of being pressed against the substrates on both sides. On the contrary, each substrate is fixed to the groove 80-of the fixing plate 80 with the Ni felt sandwiched between the substrates.
It is also difficult to attach it to 1.
【００１１】また、このＮｉフェルトは多孔体であるが
故に、このような圧縮に対しては塑性変形を受けやす
く、長時間の使用によって次第に圧縮された状態に陥り
やすいという問題があった。そして、基板上のセル間に
単にＮｉフェルトを配置しただけでは、Ｎｉの変形が一
部のみにおいて過度に進む可能性もあり、こうなるとそ
の部分でのセル間の電気的な接続状況が次第に不良にな
り、スタック全体の発電特性も悪化するという問題があ
った。Further, since this Ni felt is a porous body, it has a problem that it is susceptible to plastic deformation due to such compression, and tends to gradually become compressed when used for a long time. Then, if Ni felt is simply arranged between the cells on the substrate, the Ni may be excessively deformed in only a part. In this case, the electrical connection between the cells in the part gradually becomes poor. Therefore, there is a problem that the power generation characteristics of the entire stack are deteriorated.
【００１２】[0012]
【発明の目的】本発明は、上述の課題に鑑みなされたも
のであり、中空状単セルを直列接続して所定の出力電圧
を得るスタックを構成する際のスタックの組み立て方を
具体的に示すものであり、その目的は、各セル間にＮｉ
等の材料からなる金属製フェルトを配置する際にこのフ
ェルトの良好な接触を確保し、長期に渡って良好な電気
接続を維持し得るスタックを実現することである。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and specifically shows a method of assembling a stack in which hollow single cells are connected in series to obtain a predetermined output voltage. The purpose is to provide Ni between each cell.
When arranging a metal felt made of such a material as described above, good contact of the felt is secured, and a stack capable of maintaining a good electrical connection for a long time is realized.
【００１３】[0013]
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明による固体電解質型燃料電池のスタックは、
電極材料から作製され、内部に貫通口を有する平板型基
板の片面に電解質と他の電極の層を設けて構成されるセ
ルを複数個積層する固体電解質型燃料電池のスタックに
おいて、前記単セルの隙間に金属製フェルト状物質およ
び加熱によって膨張し多孔体を形成するスペーサを配置
すると共に、スタック全体を電極面に垂直な方向から均
一に締めつけたことを特徴とする。In order to solve the above problems, the stack of the solid oxide fuel cell according to the present invention is
A stack of a solid oxide fuel cell, which is made of an electrode material, and comprises a plurality of cells configured by providing a layer of an electrolyte and another electrode on one surface of a flat plate-shaped substrate having a through hole therein, A metallic felt-like substance and a spacer that expands by heating to form a porous body are arranged in the gap, and the entire stack is uniformly tightened in a direction perpendicular to the electrode surface.
【００１４】すなわち、金属フェルトの配置の際に、電
池反応に不活性な物質からなり加熱によって膨張し多孔
体を形成するスペーサを併用しスタック全体を両端の面
方向から全体に締めつけて固定し各セル面に均等な圧力
が加わるようにし、良好なセル間の電気接続を確保する
ことを狙っている。That is, at the time of disposing the metal felt, a spacer which is made of an inactive material for the cell reaction and expands by heating to form a porous body is also used, and the whole stack is fixed by tightening the entire stack from both end face directions. The aim is to ensure a good electrical connection between the cells by applying even pressure to the cell surfaces.
【００１５】従来の方法では、セル間の接続用導体がセ
ル間の隙間に鋏み込まれていただけで、充分な電気接触
を確保することが困難であった。また、従来の構成で
は、実際にセルを固定する際の作業についても、伸縮性
のあるニッケル金属フェルトを介してセルを取り付けて
いくため、単セルを取り付ける際の作業性そのものも不
良であった。しかし本発明においては電池反応に不活性
な物質からなり加熱によって膨張し多孔体を形成するス
ペーサを併用することにより、セル間接続とセルの固定
が容易に行なえるのでモジュールの信頼性を高めること
ができる。In the conventional method, it was difficult to secure sufficient electrical contact only because the connecting conductor between the cells was scissors in the gap between the cells. Further, in the conventional configuration, even when actually fixing the cell, since the cell is attached through the stretchable nickel metal felt, the workability itself when attaching the single cell is also poor. . However, in the present invention, by using a spacer that is made of an inactive substance for the battery reaction and expands by heating to form a porous body, the connection between cells and the fixing of cells can be easily performed, so that the reliability of the module is improved. You can
【００１６】[0016]
【実施例】図１は、本発明の実施例における単セル群の
組み立て構造である。１１は空気極中空基板に形成した
単セル（図２参照）、１２は端部押さえ板、１３は組み
立て用ボルト、１４はセル間接続部で詳細は図３、図４
に示した、加熱によって膨張するスペーサ３１に金属製
フェルト３２を組み合わせて構成される。図４は図３の
単セルが加熱され、膨脹した状態を示している。また、
図１に示す５０はセル固定用の下部固定板である（図５
参照）。また、図２は、図１におけるスタックで使用す
る単セル１１の外観である。単セル１１には、図２に示
すようにガス流路となる貫通口２２を有する中空状の基
板（空気極基板）２１を作製したもので、基板２１の表
面に固体電解質２３、燃料電極２４の各層を形成し、さ
らに燃料電極２４の反対側の面にインタコネクタ２５を
設置している。さらにに固定用のボルトを通すための穴
２０を有するものを使用する。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 shows an assembly structure of a unit cell group in an embodiment of the present invention. Reference numeral 11 is a unit cell formed on the air electrode hollow substrate (see FIG. 2), 12 is an end holding plate, 13 is an assembly bolt, and 14 is an inter-cell connecting portion, which are shown in FIGS.
The metallic felt 32 is combined with the spacer 31 that expands by heating as shown in FIG. FIG. 4 shows a state where the single cell of FIG. 3 is heated and expanded. Also,
Reference numeral 50 shown in FIG. 1 is a lower fixing plate for fixing the cell (see FIG. 5).
reference). Further, FIG. 2 is an appearance of the single cell 11 used in the stack shown in FIG. In the unit cell 11, a hollow substrate (air electrode substrate) 21 having a through hole 22 serving as a gas flow path is prepared as shown in FIG. 2, and a solid electrolyte 23 and a fuel electrode 24 are formed on the surface of the substrate 21. The respective layers are formed, and the interconnector 25 is installed on the surface opposite to the fuel electrode 24. Further, one having a hole 20 for passing a fixing bolt is used.
【００１７】また、前述したように図５は金属製フェル
ト３２の取付け例である。本実施例では、セル間接続部
は金属製フェルト３２と加熱によって膨張するスペーサ
３１を併用している。この時、加熱によって膨張するス
ペーサ３１は厚みが薄く金属製フェルト３２とセル間に
は若干の隙間が生じているが、加熱によって膨張し金属
製フェルト３２はセルに押しつけられる。As described above, FIG. 5 shows an example of mounting the metal felt 32. In this embodiment, the inter-cell connecting portion uses the metal felt 32 and the spacer 31 that expands by heating. At this time, the spacer 31 that expands by heating has a small thickness and a slight gap is formed between the metal felt 32 and the cell, but the spacer 31 expands by heating and the metal felt 32 is pressed against the cell.
【００１８】発電用スタックの構造例は図５のようなも
のである。本実施例では、各単セルは加熱によって膨張
するスペーサ３１と金属製フェルト３２を介して配置さ
れ、このような状態でボルト１３によって締めつけられ
ている。このスペーサ３１は、パーミュキュライトを膨
張材とし、これにアルミナ・シリカ系のセラミックスを
有機系結合材で固定したものである。また、ボルト１３
の材料としては、セルとの熱膨張率の整合性や耐熱性の
観点からジルコニアを主成分とするものを使用してい
る。このようにセル全体を一体化させることにより、セ
ルの固定も容易になる。この時に使用する、加熱によっ
て膨張するスペーサ３１の厚みは、加熱前の状態におい
ては、セル固定用の基板取り付け用の溝５０−１の間隔
よりも小さくてよい。このようなスペーサの使用によっ
て、昇温させるとスペーサが膨張し、これによって金属
製フェルト３２がセルに押しつけられ各セル間の電気的
な接続が達成される。そして、各セルは下部固定板の溝
５０−１に嵌合して固定される。なお、スペーサとして
は、単セル間に挿入されるガスの流れを妨害しないこと
が必要であるが、ここで使用するスペーサは加熱によっ
て膨張すると多孔性物体になり、ガスの流通に関しては
何の支障もない。なお、スペーサの形状はその目的が達
成されればよいので所定の厚みを持った平板状のものを
金属製フェルトと組み合わせて使用すればよい。An example of the structure of the power generation stack is as shown in FIG. In this embodiment, each unit cell is arranged via a spacer 31 and a metal felt 32 that expand by heating, and is tightened by the bolt 13 in this state. The spacer 31 is made of permiculite as an expansive material, and alumina / silica ceramics fixed thereto by an organic binder. Also, the bolt 13
As the material of (1), a material containing zirconia as a main component is used from the viewpoint of matching the coefficient of thermal expansion with the cell and heat resistance. By thus integrating the entire cell, the cell can be fixed easily. The thickness of the spacer 31, which is used at this time and expands by heating, may be smaller than the interval between the substrate mounting grooves 50-1 for cell fixing in a state before heating. The use of such spacers causes the spacers to expand when the temperature is raised, whereby the metal felt 32 is pressed against the cells and electrical connection between the cells is achieved. Then, each cell is fitted and fixed in the groove 50-1 of the lower fixing plate. As the spacer, it is necessary not to interfere with the flow of gas inserted between the single cells, but the spacer used here becomes a porous body when expanded by heating, and there is no obstacle to the flow of gas. Nor. The spacer may have any shape as long as its purpose can be achieved. Therefore, a flat plate having a predetermined thickness may be used in combination with the metal felt.
【００１９】本発明では、単セルとして固定用のボルト
を通すための穴２０をセル本体に有するものを使用する
が、このような単セルは押し出し成形やシート成形体の
積層物の焼結によって中空基板を作製した後、溶射やＥ
ＶＤ法によって表面に電解質を形成することで基本的に
作製した。また、電極シートと電解質シートの共焼結に
よっても作製した。したがって、ボルトを通すための穴
は、焼結前の状態において加工を施しておくだけで容易
に得ることができる。本発明でセルに設けるボルトを通
すための穴の数については、金属製フェルトが各セルの
面に均一に押しつけられればよいので特にこだわらない
が、おおよそセルの大きさにより２〜６個程度で充分で
ある。In the present invention, a unit cell having a hole 20 for passing a fixing bolt is used as a unit cell. Such a unit cell is formed by extrusion molding or sintering a laminate of sheet molded bodies. After making a hollow substrate, spraying or E
It was basically prepared by forming an electrolyte on the surface by the VD method. It was also produced by co-sintering the electrode sheet and the electrolyte sheet. Therefore, the holes for passing the bolts can be easily obtained only by processing in the state before sintering. Regarding the number of holes for passing the bolts provided in the cells in the present invention, it does not particularly matter because the metal felt may be uniformly pressed against the surface of each cell, but it is about 2 to 6 depending on the size of the cells. Is enough.
【００２０】本発明で使用する単セルの作製例を、空気
極材料を中空基板に使用した単セルを例に以下に示す。
空気極材料としては、一般的に使用されているＬａ0.8
Ｓｒ0 .2ＭｎＯ3（粒径１〜３μｍ）粉末を使用した。そ
して、中空平板は、シート成形体を熱融着させる方法と
押し出し成形法による方法によって作製した。An example of producing a single cell used in the present invention will be described below by taking a single cell using an air electrode material as a hollow substrate as an example.
La 0.8, which is generally used as the air electrode material
Sr 0 .2 MnO 3 was used (particle size 1 to 3 [mu] m) powder. Then, the hollow flat plate was produced by a method of heat-sealing the sheet molded body and a method of extrusion molding.
【００２１】シート成形体はドクターブレード法によっ
て作製し、このようなシート成形体を所定の大きさに切
断した後、加熱・加圧し中空状の融着体を作製した。な
お、この時の加熱・加圧条件はシートの軟さによって変
える必要があるが、概ね７０〜８０℃、３０〜７０ｋｇ
／ｃｍ2の条件内で行なった。そして、この融着体の周
辺部にセルを固定するための穴を設けた。このように融
着した中空平板を約４００℃において脱脂し、この後１
２５０〜１３５０℃で２〜５時間焼成することで空気極
中空平板を作製した。中空平板の大きさとしては、寸法
で１００×１５０ｍｍ角、厚みは５ｍｍ程度である。な
お、焼結の進行は、使用した原料粉末の粒径と結合剤・
可塑剤の添加量によって影響されるので、これらの影響
を考慮し使用原料に応じて温度と時間を適宜選定した。
このように、焼成条件を原料粉末や結合剤等の添加量に
応じて焼成することで、原料粉末が変わっても多孔度２
０〜３０％の焼結体を得ることができた。なお、空気極
の導電率は多孔度によってもある程度左右されるが、こ
の焼結体の導電率は１０００℃において、約８０Ｓ／ｃ
ｍであった。A sheet molded body was prepared by a doctor blade method, and after cutting such a sheet molded body into a predetermined size, it was heated and pressed to prepare a hollow fused body. The heating / pressurizing conditions at this time must be changed depending on the softness of the sheet, but are generally 70 to 80 ° C. and 30 to 70 kg.
It was performed under the condition of / cm 2 . Then, a hole for fixing the cell was provided in the peripheral portion of this fused body. The hollow flat plate thus fused was degreased at about 400 ° C., and then 1
An air electrode hollow flat plate was prepared by firing at 250 to 1350 ° C. for 2 to 5 hours. The size of the hollow flat plate is 100 × 150 mm square and the thickness is about 5 mm. The progress of sintering depends on the particle size of the raw material powder used, the binder,
Since it is affected by the amount of plasticizer added, these effects were taken into consideration and the temperature and time were appropriately selected according to the raw materials used.
As described above, the porosity is 2 even if the raw material powder is changed by firing the firing conditions according to the addition amount of the raw material powder and the binder.
It was possible to obtain a sintered body of 0 to 30%. The conductivity of the air electrode depends to some extent on the porosity, but the conductivity of this sintered body is about 80 S / c at 1000 ° C.
It was m.
【００２２】一方、押し出し成形にあたっては粘度状の
材料を必要とする。このような材料は原料粉末１００に
バインダ〜５、溶媒１０〜１５（混合比（重量ベー
ス））を添加して作製した。バインダとしては、メチル
セルロース系の水溶性高分子を用いた。押し出し成形の
場合、原料の粘性によって成形体の仕上がり状況が大き
く影響され、たとえば水が少ないと押し出し圧力が高く
なって成形が困難となったり、成形中にクラックが生じ
たり、逆に多すぎると中空構造の維持が難しくなる。そ
こで、水分の調整とともに必要に応じて可塑剤を２〜５
（混合比（重量ベース））加えた。なお、押し出し成形
体の焼成にあたっても水分を乾燥させた後、やはり脱脂
を行なう必要がある。脱脂温度は、使用したバインダに
よって異なるがここで使用したメチルセルロース系の水
溶性高分子ではおおむね４００℃程度で熱分解すること
が可能であった。焼成温度としては、ドクターブレード
シートの積層体と同様の条件とした。On the other hand, the extrusion molding requires a viscous material. Such a material was produced by adding binder to 5 and solvent 10 to 15 (mixing ratio (weight basis)) to the raw material powder 100. A methylcellulose-based water-soluble polymer was used as the binder. In the case of extrusion molding, the viscosity of the raw material greatly affects the finished state of the molded body.For example, if the amount of water is low, the extrusion pressure will be high and molding will be difficult, or cracks will occur during molding. Maintaining a hollow structure becomes difficult. Therefore, a plasticizer may be added in an amount of 2 to 5 as necessary together with the adjustment of water content.
(Mixing ratio (weight basis)) was added. When firing the extruded body, it is also necessary to degrease it after drying the water content. The degreasing temperature varies depending on the binder used, but the methylcellulose-based water-soluble polymer used here could be thermally decomposed at about 400 ° C. The firing temperature was the same as that for the doctor blade sheet laminate.
【００２３】このように作製した電極基板上に電解質と
燃料極の薄膜を形成した。この実施例では、いずれも膜
形成にあたっては溶射法によった。使用した溶射機は大
気溶射法によるものであり、電解質材料には８モル安定
化ＹＳＺ（粒径：１０〜５０μｍ）を使用した。電解質
の厚みとしては、１００μｍを目標に作製し、この膜の
ガス透過率は１〜５×１０-6（ｃｃ・ｃｍ／ｓｅｃ・
（ｇ／ｃｍ2）ｃｍ2）であった。また、燃料極として
は、酸化ニッケル粉末（粒径：１０〜５０μｍ）と８モ
ル安定化ＹＳＺを使用した。燃料極はそもそも多孔質体
が望ましいので、電解質よりも膜形成は容易に行なうこ
とができた。電極は２００〜３００μｍ程度の厚みで作
製した。この膜のガス透過率は１０-4（ｃｃ・ｃｍ／ｓ
ｅｃ・（ｇ／ｃｍ2）ｃｍ2）オーダーであった。A thin film of an electrolyte and a fuel electrode was formed on the thus-prepared electrode substrate. In all of the examples, the thermal spraying method was used to form the film. The thermal spraying machine used was an atmospheric thermal spraying method, and 8 mol-stabilized YSZ (particle size: 10 to 50 μm) was used as the electrolyte material. The thickness of the electrolyte is 100 μm, and the gas permeability of this film is 1 to 5 × 10 −6 (cc · cm / sec ·
(G / cm 2 ) cm 2 ). As the fuel electrode, nickel oxide powder (particle size: 10 to 50 μm) and 8 mol-stabilized YSZ were used. Since the fuel electrode is preferably a porous body in the first place, the membrane could be formed more easily than the electrolyte. The electrode was produced with a thickness of about 200 to 300 μm. The gas permeability of this membrane is 10 −4 (cc · cm / s)
It was on the order of ec · (g / cm 2 ) cm 2 ).
【００２４】本発明では次に、このようにセルを形成し
た電極基板を組み合わせて所定の出力を持った発電モジ
ュールを構成する。図５は、本発明における発電モジュ
ールの組み立て例であり、断面構造を示している。５０
は下部固定板、５０−１は基板取付け用の溝、５１−１
はガス排出用スリット、５２は外容器、５３は酸化剤ガ
ス供給口、５４は燃料ガス供給口、５５は発電室、５６
は燃焼室、５７は排気口、５９は導線である。モジュー
ルの構成にあたっては、発電セルを形成した基板８を、
上部固定板５１と下部固定板５０を貫通させた状態で外
容器５２の内部に収納する。一方、各基板８が下部固定
板５０に嵌合する部分には、基板取付け用の溝５０−１
があり、基板はこの部分でホウケイ酸ガラス等の非導電
性融体からなるシール材９０によってガスシールされ
る。In the present invention, next, the electrode substrates thus formed with cells are combined to form a power generation module having a predetermined output. FIG. 5 shows an example of assembly of the power generation module according to the present invention, showing a sectional structure. Fifty
Is a lower fixing plate, 50-1 is a groove for mounting a board, 51-1
Is a gas discharge slit, 52 is an outer container, 53 is an oxidant gas supply port, 54 is a fuel gas supply port, 55 is a power generation chamber, 56
Is a combustion chamber, 57 is an exhaust port, and 59 is a conducting wire. In constructing the module, the substrate 8 on which the power generation cell is formed is
The upper fixing plate 51 and the lower fixing plate 50 are housed inside the outer container 52 while being penetrated. On the other hand, in a portion where each board 8 is fitted to the lower fixing plate 50, a board mounting groove 50-1 is provided.
The substrate is gas-sealed at this portion by the sealing material 90 made of a non-conductive melt such as borosilicate glass.
【００２５】なお、各セル間の電気接続は、加熱によっ
て膨張するスペーサ３１と金属製フェルト３２を併用し
た結果、このように組み立てた状態でスタック全体を加
熱するだけでスペーサの膨張によりフェルトが押しつけ
られて達成することができる。このような方法による電
気接続の利点は、各セルは常に強く接触された状態を保
っているため、各セルに温度分布が生じ熱膨張差による
変形があっても電気接続を維持できることである。As for the electrical connection between the cells, the spacer 31 which expands by heating and the metal felt 32 are used together. As a result, the felt is pressed by the expansion of the spacer only by heating the entire stack in the assembled state. Can be achieved. The advantage of the electrical connection by such a method is that the cells are always kept in strong contact with each other, so that the electrical connection can be maintained even if a temperature distribution occurs in each cell and the cell is deformed due to a difference in thermal expansion.
【００２６】本発明のＳＯＦＣの動作にあたっては、従
来のＳＯＦＣのモジュールと全く同様であり、発電モジ
ュールを１０００℃等の温度条件下に設置し、各ガスを
供給するだけである。酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給口
５３から供給され、各セルの内部を通過し、セル形成部
で反応した後、残ガスが燃焼室５６に達する。一方、燃
料ガスは外容器５２の側面に設けられた燃料ガス供給口
５４から供給され、基板表面において発電する。供給さ
れた燃料ガスは各セル間の隙間に流入して反応すること
になるが、各セル間に配置されたスペーサ３１は多孔性
に富んでいるので燃料ガスの電極表面への拡散は支障な
く行なわれる。そして、各セルの電気接触は金属製フェ
ルト３２によって確保されているので、発電された電力
は損失を抑えたまま外部に取り出すことができる。The operation of the SOFC of the present invention is exactly the same as that of the conventional SOFC module, in which the power generation module is installed under temperature conditions such as 1000 ° C. and each gas is supplied. The oxidant gas is supplied from the oxidant gas supply port 53, passes through the inside of each cell, reacts in the cell forming portion, and then the residual gas reaches the combustion chamber 56. On the other hand, the fuel gas is supplied from the fuel gas supply port 54 provided on the side surface of the outer container 52, and power is generated on the substrate surface. The supplied fuel gas flows into the gaps between the cells and reacts therewith, but since the spacers 31 arranged between the cells are rich in porosity, diffusion of the fuel gas to the electrode surface does not hinder. Done. Since the electric contact of each cell is secured by the metal felt 32, the generated electric power can be taken out to the outside while suppressing the loss.
【００２７】[0027]
【発明の効果】以上説明したように、本発明のＳＯＦＣ
では、ガスを通過させるための貫通口を有する中空状平
板構造の電極基板上に電解質と基板材料と異なる他の電
極を形成して作製したセルを電気的に接続してモジュー
ルを組み立て、この時、各セル間には加熱によって膨張
し多孔体となるスペーサと金属製フェルトを使用しこれ
を固定しておき、加熱することでスペーサの膨張を起こ
しセル間の電気接続を確保している。As described above, the SOFC of the present invention
Then, assembling the module by electrically connecting the cells prepared by forming another electrode different from the electrolyte and the substrate material on the electrode substrate of the hollow flat plate structure having the through hole for passing the gas, Between the cells, spacers that are expanded by heating to become a porous body and metal felt are used and fixed, and the spacers are expanded by heating to secure electrical connection between the cells.
【００２８】本発明以前にも類似のモジュール構成があ
ったが、この従来方式はセル間に導電用の金属フェルト
を配置しているだけにすぎず、セル間の電気的な接続状
況が必ずしも良好ではなかった。このためモジュールの
発電特性が不良になった。また、セルを組み立てる際に
も伸縮性のある金属フェルトを挟みつつセルを固定板の
溝に取り付けていくことになるが、この作業性も良好で
はなかった。これに対し、本発明の方式では、セル間接
続とセルの固定が容易に行なえるのでモジュールの信頼
性を高めることができる。Although there was a similar module structure before the present invention, this conventional method merely arranges metal felt for conduction between cells, and the electrical connection between cells is not always good. Was not. As a result, the power generation characteristics of the module became poor. Also, when assembling the cell, the cell is attached to the groove of the fixing plate while sandwiching the elastic metal felt, but this workability is also not good. On the other hand, according to the method of the present invention, the connection between cells and the fixing of cells can be easily performed, so that the reliability of the module can be improved.
【図１】本発明の実施例における単セル群の組み立て構
造を示す概略図。FIG. 1 is a schematic view showing an assembly structure of a unit cell group in an embodiment of the present invention.
【図２】本発明の実施例における単セルの概略図。FIG. 2 is a schematic diagram of a single cell according to an embodiment of the present invention.
【図３】本発明の実施例におけるセル間接続部の斜視
図。FIG. 3 is a perspective view of an inter-cell connecting portion in the embodiment of the present invention.
【図４】本発明の実施例におけるセル間接続部の斜視
図。FIG. 4 is a perspective view of an inter-cell connecting portion in the embodiment of the present invention.
【図５】本発明の発電用スタックの構造例を示す断面
図。FIG. 5 is a cross-sectional view showing a structural example of a power generation stack of the present invention.
【図６】従来の平板型燃料電池単セルの概略図。FIG. 6 is a schematic view of a conventional flat plate type fuel cell single cell.
【図７】従来の中空状電極基板を使用する燃料電池単セ
ルの概略図。FIG. 7 is a schematic view of a fuel cell single cell using a conventional hollow electrode substrate.
【図８】従来の中空状電極基板を使用する燃料電池単セ
ルで構成した発電モジュールの断面図。FIG. 8 is a cross-sectional view of a power generation module configured by a fuel cell single cell using a conventional hollow electrode substrate.
１１ 単セル １２ 端部押さえ板 １３ 組み立て用ボルト １４ セル間接続部 ２０ セル固定用の穴 ２１ 空気極基板 ２２ 貫通口 ２３ 固体電解質 ２４ 燃料電極 ２５ インタコネクタ ２６ ガス不透過性層 ３１ 加熱によって膨張するスペーサ ３２ 金属製フェルト ３１−１ 気孔 ５０ 下部固定板 ５０−１ 基板取付け用溝 ５１ 上部固定板 ５２ 外容器 ５３ 酸化剤ガス供給口 ５４ 燃料ガス供給口 ５５ 発電室 ５６ 燃焼室 ５７ 排気口 ５９ 導線 ６１ 電解質板 ６２ 燃料極 ６３ 空気極 ６４ インタコネクタ ６６ 酸化剤ガス流路 ８０ 固定板 ８０−１ 溝 ８１ 分離板 ８１−１ 貫通口 ８２ 外容器 ８３ 酸化剤ガス供給口 ８４ 燃料ガス供給口 ８５ 前室 ８６ 燃焼室 ８７ ガス排出口 ８８ フェルト状導電体 ８９ 導線 ９０ シール材 11 Single Cell 12 End Pressing Plate 13 Assembly Bolt 14 Inter-Cell Connection 20 Cell Fixing Hole 21 Air Electrode Substrate 22 Through Port 23 Solid Electrolyte 24 Fuel Electrode 25 Interconnector 26 Gas Impermeable Layer 31 Expands by Heating Spacer 32 Metal felt 31-1 Pore 50 Lower fixing plate 50-1 Board mounting groove 51 Upper fixing plate 52 Outer container 53 Oxidant gas supply port 54 Fuel gas supply port 55 Power generation chamber 56 Combustion chamber 57 Exhaust port 59 Conductor wire 61 Electrolyte plate 62 Fuel electrode 63 Air electrode 64 Interconnector 66 Oxidant gas flow channel 80 Fixed plate 80-1 Groove 81 Separation plate 81-1 Through port 82 Outer container 83 Oxidant gas supply port 84 Fuel gas supply port 85 Front chamber 86 Combustion chamber 87 Gas outlet 88 Felt conductor 89 Conductor 90 Sealing material
Claims (1)
する平板型基板の片面に電解質と他の電極の層を設けて
構成されるセルを複数個積層する固体電解質型燃料電池
のスタックにおいて、前記単セルの隙間に金属製フェル
ト状物質および加熱によって膨張し多孔体を形成するス
ペーサを配置すると共に、スタック全体を電極面に垂直
な方向から均一に締めつけたことを特徴とする固体電解
質型燃料電池のスタック。1. A stack of a solid oxide fuel cell in which a plurality of cells, each made of an electrode material and having a layer of an electrolyte and another electrode provided on one surface of a flat plate type substrate having a through hole therein, are laminated. A solid electrolyte type characterized in that a metallic felt-like substance and a spacer that expands by heating to form a porous body are arranged in the gap between the unit cells, and the entire stack is uniformly tightened from a direction perpendicular to the electrode surface. Fuel cell stack.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5163171A JPH06349516A (en) | 1993-06-07 | 1993-06-07 | Stack for solid electrolyte type fuel cell |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5163171A JPH06349516A (en) | 1993-06-07 | 1993-06-07 | Stack for solid electrolyte type fuel cell |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06349516A true JPH06349516A (en) | 1994-12-22 |
Family
ID=15768595
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5163171A Pending JPH06349516A (en) | 1993-06-07 | 1993-06-07 | Stack for solid electrolyte type fuel cell |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06349516A (en) |
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- 1993-06-07 JP JP5163171A patent/JPH06349516A/en active Pending
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