JP4544874B2 - Fuel cell and fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、酸素含有ガスと水素含有ガスに接する緻密なインターコネクタを具備する燃料電池セル及び燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell having a dense interconnector in contact with an oxygen-containing gas and a hydrogen-containing gas, and a fuel cell.
次世代エネルギーとして、近年、燃料電池セルのスタックを収納容器内に収容した燃料電池が種々提案されている。 In recent years, various fuel cells in which a stack of fuel cells is accommodated in a storage container have been proposed as next-generation energy.
図3は、従来の固体電解質形燃料電池のセルスタックを示すもので、このセルスタックは、複数の燃料電池セル1を整列集合させ、隣り合う一方の燃料電池セル1aと他方の燃料電池セル1bとの間に金属フェルトからなる集電部材5を介在させ、一方の燃料電池セル1aの燃料極7と他方の燃料電池セル1bの酸素極(空気極)11とを電気的に接続して構成されていた。
Figure 3 is a conventional shows a cell stack of a solid electrolyte fuel cell, the cell stack is aligned set a plurality of fuel cells 1, a fuel while the adjacent battery cells 1a and the other fuel cell 1b A
燃料電池セル1(1a、1b)は、円筒状のサーメットからなる燃料極7(内部が燃料ガス通路となる)の外周面に、固体電解質9、導電性セラミックスからなる酸素極11を順次設けて構成されており、固体電解質9や酸素極11によって覆われていない燃料極7の表面には、インターコネクタ13が設けられている。図3から明らかなように、このインターコネクタ13は、酸素極11に接続しないように燃料極7と電気的に接続されている。 In the fuel cell 1 (1a, 1b), a solid electrolyte 9 and an oxygen electrode 11 made of conductive ceramics are sequentially provided on the outer peripheral surface of a fuel electrode 7 made of a cylindrical cermet (the inside becomes a fuel gas passage). An interconnector 13 is provided on the surface of the fuel electrode 7 that is configured and is not covered with the solid electrolyte 9 or the oxygen electrode 11. As apparent from FIG. 3, the interconnector 13 is electrically connected to the fuel electrode 7 so as not to be connected to the oxygen electrode 11.
インターコネクタ13は、燃料ガス及び空気等の酸素含有ガスで変質しにくい導電性セラミックスにより形成されているが、この導電性セラミックスは、燃料極7の内部を流れる燃料ガスと酸素極11の外側を流れる酸素含有ガスとを確実に遮断するために、緻密なものでなければならない。 The interconnector 13 is formed of conductive ceramics that are not easily altered by oxygen-containing gas such as fuel gas and air. The conductive ceramics are disposed between the fuel gas flowing inside the fuel electrode 7 and the outside of the oxygen electrode 11. It must be dense to ensure that it shuts off the flowing oxygen-containing gas.
また、互いに隣り合う燃料電池セル1a、1bの間に設けられる集電部材5は、インターコネクタ13を介して一方の燃料電池セル1aの燃料極7に電気的に接続され、且つ他方の燃料電池セル1bの酸素極11に接続されており、これにより、隣り合う燃料電池セルは、直列に接続されている。
The current collecting
燃料電池は、上記の構造を有するセルスタックを収納容器内に収容して構成され、燃料極7の内部に燃料ガス(水素)を流し、酸素極11に空気(酸素)を流して1000℃程度で発電される。 The fuel cell is configured by accommodating a cell stack having the above structure in a storage container, and a fuel gas (hydrogen) is allowed to flow inside the fuel electrode 7 and an air (oxygen) is allowed to flow to the oxygen electrode 11 at about 1000 ° C. It generates electricity.
上述した燃料電池を構成する燃料電池セルにおいては、一般に、燃料極7が、Niと、Y2O3を含有するZrO2(YSZ)とから形成され、固体電解質9がY2O3を含有するZrO2(YSZ)から形成され、酸素極11はランタンマンガネート系のペロブスカイト型複合酸化物から構成されている。また、インターコネクタ13は、一般にランタンクロマイト系磁器から構成され、固体電解質9を構成するYSZとの熱膨張係数差を調整するため、LaCrO3にTi、Mg、Fe、Co、Ni及びZn等の元素が少なくとも一種固溶されており、これらの熱膨張調整元素の酸化物を存在させていた(例えば、特許文献1、2参照)。
しかしながら、上記のようなインターコネクタを用いると、固体電解質との熱膨張差を調整できるものの、インターコネクタ中のMg、Ti等の熱膨張調整元素の酸化物は発電温度で水素を脱離吸着する性質があることが新たに分かった。そのため、燃料極内部を流れる水素をインターコネクタで完全にセパレートできず、燃料利用率が低いという問題があった。 However, when the interconnector as described above can be used to adjust the difference in thermal expansion from the solid electrolyte, the oxide of the thermal expansion adjusting element such as Mg and Ti in the interconnector desorbs and adsorbs hydrogen at the power generation temperature. It was newly discovered that there is a nature. For this reason, there is a problem that the hydrogen flowing inside the fuel electrode cannot be completely separated by the interconnector and the fuel utilization rate is low.
本発明は、酸素含有ガスと水素含有ガスとをインターコネクタで確実にセパレートできる燃料電池セル及び燃料電池を提供することを目的とする。 It is an object of the present invention to provide a fuel cell and a fuel cell that can reliably separate an oxygen-containing gas and a hydrogen-containing gas with an interconnector.
本発明の燃料電池セルは、多孔質の支持体上に、多孔質の内側電極、緻密質の固体電解
質および多孔質の外側電極がこの順に設けられた発電部を備えるとともに、該発電部が設けられていない部位に酸素含有ガスと水素含有ガスとに接する緻密質のインターコネクタを具備する燃料電池セルであって、前記インターコネクタは、前記支持体側に配置されている、LaCrO3系酸化物と、Mg、Al、Ti、Fe、Co、SrおよびCaのうち少なくとも一種の酸化物とを含有する熱膨張調整層と、該熱膨張調整層の表面に配置されている、LaCrO3系酸化物を含有し、Mg、Al、Ti、Fe、Co、SrおよびCaの酸化物を含有していない水素非吸着層とを有することを特徴とする。このような燃料電池セルでは、インターコネクタが、Mg、Al、Ti、Fe、Co、SrおよびCaの酸化物を含有しない水素非吸着層を有するため、発電中においても、水素を脱離吸着しない水素非吸着層により水素をインターコネクタで完全にセパレートでき、燃料利用率を向上できる。また、内側電極とは別に、支持体を設けたことで、燃料電池セルの強度を保持することができる。
The fuel cell of the present invention includes a power generation unit in which a porous inner electrode, a dense solid electrolyte, and a porous outer electrode are provided in this order on a porous support, and the power generation unit is provided. A fuel cell comprising a dense interconnector that is in contact with an oxygen-containing gas and a hydrogen-containing gas at a portion that is not provided, wherein the interconnector is disposed on the support side, and a LaCrO 3 oxide. A thermal expansion adjustment layer containing at least one oxide of Mg, Al, Ti, Fe, Co, Sr and Ca, and a LaCrO 3 -based oxide disposed on the surface of the thermal expansion adjustment layer And a hydrogen non-adsorbing layer that does not contain Mg, Al, Ti, Fe, Co, Sr, and Ca oxides. In such a fuel cell interconnector is to have Mg, Al, Ti, Fe, Co, a non-hydrogen adsorption layer containing no oxide of Sr and C a, even during power generation, elimination adsorb hydrogen The non-adsorbing hydrogen layer can completely separate the hydrogen with the interconnector and improve the fuel utilization rate. Moreover, the strength of the fuel cell can be maintained by providing the support separately from the inner electrode.
また、本発明の燃料電池セルは、前記固体電解質と前記インターコネクタとにより環状体を形成しており、該環状体の内外に供給される前記酸素含有ガスと前記水素含有ガスとが遮断されていることが望ましく、さらに、前記内側電極が、前記環状体の内側で前記水素含有ガスに晒される燃料側電極であることが望ましい。このような燃料電池セルでは、固体電解質とインターコネクタによって、燃料ガスである水素含有ガスと酸素含有ガスとをセパレートすることができる。 Further, the fuel cell of the present invention forms a circular body, the said hydrogen-containing gas and the oxygen-containing gas supplied to the inside and outside of the annular member is blocked by said interconnector and the solid electrolyte Tei Rukoto is desirable, furthermore, the inner electrode, the fuel-side electrode der Rukoto exposed to the hydrogen-containing gas inside said annular body is desirable. In such fuel cells, depending on the solid electrolyte and the interconnect data, it is possible to separate a hydrogen-containing gas and oxygen-containing gas as the fuel gas.
前記固体電解質は、安定化ジルコニア又はランタンガレート系磁器であることが望ましい。また、燃料電池セルの形状が中空平板形状であることが望ましい。 The solid electrolyte is preferably a stabilized zirconia or lanthanum gallate-based porcelain. Moreover, it is desirable that the fuel cell has a hollow flat plate shape .
本発明の燃料電池は、上記燃料電池セルを収納容器内に複数収容してなることを特徴とする。上記したように、燃料電池セルの燃料利用率を向上できるため、燃料電池としても燃料利用率を向上できる。 The fuel cell according to the present invention is characterized in that a plurality of the fuel cells are accommodated in a storage container. As described above, since the fuel utilization rate of the fuel cell can be improved, the fuel utilization rate can also be improved as a fuel cell.
本発明の燃料電池セルでは、インターコネクタが、前記支持体側に配置されている、LaCrO3系酸化物と、Mg、Al、Ti、Fe、Co、SrおよびCaのうち少なくとも一種の酸化物とを含有する熱膨張調整層と、該熱膨張調整層の表面に配置されている、LaCrO3系酸化物を含有し、Mg、Al、Ti、Fe、Co、SrおよびCaの酸化物を含有していない水素非吸着層を有するため、発電中においても、水素をインターコネクタで完全にセパレートでき、燃料利用率を向上できる。また、内側電極とは別に、支持体を設けたことで、燃料電池セルの強度を保持することができる。
In the fuel battery cell of the present invention, the interconnector includes a LaCrO 3 oxide disposed on the support side and at least one oxide of Mg, Al, Ti, Fe, Co, Sr, and Ca. a thermal expansion control layer containing, disposed on the surface of the thermal expansion adjustment layer contains a LaCrO 3 type oxide, containing Mg, Al, Ti, Fe, Co, oxides of Sr and C a Since the hydrogen non-adsorbing layer is not present, hydrogen can be completely separated by the interconnector even during power generation, and the fuel utilization rate can be improved. Moreover, the strength of the fuel cell can be maintained by providing the support separately from the inner electrode.
本発明の燃料電池セルの横断面を示す図1において、全体として30で示す燃料電池セルは、断面が扁平状で、全体的に見て細長基板状の導電性支持体(以下、支持体と略す場合がある。)31を備えている。支持体31の内部には、適当な間隔で複数の燃料ガス通路31aが長さ方向に貫通して形成されており、燃料電池セル30は、この支持体31上に各種の部材が設けられた構造を有している。このような燃料電池セル30の複数を、図2に示すように、集電部材40により互いに直列に接続することにより、燃料電池を構成するセルスタックを形成することができる。
In FIG. 1 showing a cross section of the fuel battery cell of the present invention, the fuel battery cell indicated by 30 as a whole has a flat cross section, and is an elongated substrate-like conductive support (hereinafter referred to as a support). It may be omitted.) 31 is provided. Inside the
支持体31は、図1に示されている形状から理解されるように、平坦部Aと平坦部Aの両端の弧状部Bとからなっている。平坦部Aの両面は互いにほぼ平行に形成されており、平坦部Aの一方の面と両側の弧状部Bを覆うように燃料側電極32が設けられており、さらに、この燃料側電極32を覆うように、緻密質の固体電解質33が積層されており、この固体電解質33の上には、燃料側電極32と対面するように、平坦部Aの一方の表面に酸素極34が積層されている。
また、燃料側電極32及び固体電解質33が積層されていない平坦部Aの他方の表面には、インターコネクタ35が形成されている。図1から明らかな通り、燃料側電極32及び固体電解質33は、インターコネクタ35の両サイドにまで延びており、支持体31の表面が外部に露出しないように構成されている。
Further, the other surface of the flat portion A of the fuel-
上記のような構造の燃料電池セルでは、燃料側電極32の酸素極34と対面している部分が燃料極として作動して発電する。即ち、酸素極34の外側に空気等の酸素含有ガスを流し、かつ支持体31内のガス通路31aに燃料ガス(水素)を流し、所定の作動温度まで加熱することにより、酸素極34で下記式(1)の電極反応を生じ、また燃料側電極32の燃料極となる部分では例えば下記式(2)の電極反応を生じることによって発電する。
In the fuel cell having the above structure, the portion facing the
酸素極: 1/2O2+2e− → O2− (固体電解質) …(1)
燃料極: O2− (固体電解質)+H2 → H2O+2e− …(2)
かかる発電によって生成した電流は、支持体31に取り付けられているインターコネクタ35を介して集電される。
Oxygen electrode: 1 / 2O 2 + 2e − → O 2− (solid electrolyte) (1)
Fuel electrode: O 2− (solid electrolyte) + H 2 → H 2 O + 2e − (2)
Current generated by such generator is the collector through the
(支持体)
上記のような構造を有する燃料電池セル30において、支持体31は、燃料ガスを燃料極まで透過させるためにガス透過性であること、及びインターコネクタ35を介しての集電を行うために導電性であること、同時焼成時の熱膨張差による固体電解質などのクラックや剥離がないことが要求されるが、このような要求を満たす目的で、鉄属金属成分とY2O3等の希土類元素酸化物とから支持体31を構成する。
(Support)
In the
鉄族金属成分は、支持体31に導電性を付与するためのものであり、鉄族金属単体であってもよいし、また鉄族金属酸化物、鉄族金属の合金もしくは合金酸化物であってもよい。鉄族金属には、鉄、ニッケル及びコバルトがあり、本発明では、何れをも使用することができるが、安価であること及び燃料ガス中で安定であることからNi及び/またはNiOを鉄族成分として含有していることが好ましい。
Iron group metal component is intended to impart conductivity to the
また希土類元素酸化物は、支持体31の熱膨張係数を、固体電解質33を形成している安定化ジルコニアやランタンガレート系ペロブスカイト型組成物等と近似させるために使用されるものである。特に支持体31の熱膨張係数を安定化ジルコニア等の固体電解質材料と近似させるという点で、上述した鉄族成分は、支持体31中に35〜65体積%の量で含まれ、希土類元素酸化物は、支持体31中に35〜65体積%の量で含まれていることが好適である。特に、支持体31の希土類元素酸化物はY2O3が望ましい。
The rare earth oxides, the thermal expansion coefficient of the
尚、支持体31中には、要求される特性が損なわれない限りの範囲で他の金属成分や酸化物成分を含有していてもよい。
Note that in the
上記のような支持体31は、燃料ガス透過性を有していることが必要であるため、通常、開気孔率が30%以上、特に35〜50%の範囲にあることが好適である。また、支持体31の導電率は、300S/cm以上、特に440S/cm以上であることが好ましい。
Support 31 as described above, since it is necessary to have a fuel gas permeability, typically, open porosity of 30% or more, it is preferable in particular in the
また、支持体31の平坦部Aの長さは、通常、15〜35mm、弧状部Bの長さ(弧の長さ)は、3〜8mm程度であり、支持体31の厚みは(平坦部Aの両面の間隔)は2.5〜5mm程度であることが望ましい。
The length of the flat portion A of the
(燃料側電極)
本発明において、燃料側電極32は、前述した式(2)の電極反応を生じせしめるものであり、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と、Ni及び/またはNiOとから形成される。この希土類元素が固溶しているZrO2(安定化ジルコニア)としては、以下に述べる固体電解質33の形成に使用されているものと同様のものを用いるのがよい。
(Fuel side electrode)
In the present invention, the
燃料側電極32中の安定化ジルコニア含量は、35〜65体積%の範囲にあるのが好ましく、またNi或いはNiO含量は、65〜35体積%であるのがよい。さらに、この燃料側電極32の開気孔率は、15%以上、特に20〜40%の範囲にあるのがよく、その厚みは、1〜30μmであることが望ましい。
The stabilized zirconia content in the
また、図1の例では、この燃料側電極32は、インターコネクタ35の両サイドにまで延びているが、酸素極34に対面する位置に存在して燃料極が形成されていればよいため、例えば酸素極34が設けられている側の平坦部Aにのみ燃料側電極32が形成されていてもよい。さらには、支持体31の全周にわたって燃料側電極32を形成することも可能である。本発明においては、固体電解質33と支持体31との接合強度を高めるために、固体電解質33の全体が燃料側電極32上に形成されていることが好適である。
Further, in the example of FIG. 1, the
(固体電解質)
この燃料側電極32上に設けられている固体電解質33は、一般に3〜15モル%の希土類元素が固溶したZrO2(通常、安定化ジルコニア)と呼ばれる緻密質のセラミックスから形成されている。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、高イオン伝導性を有するという点からY、Yb、Scが望ましい。なお、固体電解質33が、Yを固溶したZrO 2 から形成されている場合に、本発明の燃料電池セル30は、インターコネクタ35がLaCrO 3 系酸化物と、Mg、Al、Ti、Fe、Co、SrおよびCaのうち少なくとも一種の酸化物とを含有する熱膨張調整層を有することから、インターコネクタ35の接合側の熱膨張係数を固体電解質33に近づけることができ、発電中における燃料電池セル30の破損をさらに抑制できる。
(Solid electrolyte )
The solid electrolyte 3 3 provided on the fuel-
この固体電解質33を形成する安定化ジルコニアセラミックスは、ガス透過を防止するという点から、相対密度(アルキメデス法による)が93%以上、特に95%以上の緻密質であることが望ましく、且つその厚みが10〜100μmであることが望ましい。固体電解質33としては、安定化ジルコニア以外に、ランタンガレート系ペロブスカイト型組成物から構成されていても良い。
The stabilized zirconia ceramic forming the
(酸素極)
酸素極34は、所謂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。かかるペロブスカイト型酸化物としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物、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1種が好適であり、600〜1000℃程度の作動温度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。尚、上記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などが存在していてもよいし、さらにBサイトには、FeとともにCoやMnが存在していてもよい。
(Oxygen electrode)
The
また、酸素極34は、ガス透過性を有していなければならず、従って、酸素極34を形成する導電性セラミックス(ペロブスカイト型酸化物)は、開気孔率が20%以上、特に30〜50%の範囲にあることが望ましい。
The
このような酸素極34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。
The thickness of the
(インターコネクタ)
上記の酸素極34に対面する位置において、支持体31上に設けられているインターコネクタ35は、導電性セラミックスからなるが、燃料ガス(水素)及び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)が使用される。また、支持体31の内部を通る燃料ガス及び支持体31の外部を通る酸素含有ガス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%以上の相対密度を有していることが好適である。
(Interconnector)
In a position facing the
さらに、本発明では、インターコネクタ35は、支持体との接合側に形成された熱膨張調整層35aと、該熱膨張調整層35aの表面に形成された水素吸着元素酸化物を含有しない水素非吸着層35bとから構成されている。
Furthermore, in the present invention, the
燃料電池セルを構成する支持体等は固体電解質の熱膨張係数に近づけるように制御されており、従来、LaCrO3に、Mg、Al、Ti、Fe、Co、SrおよびCaのうち少なくとも一種の熱膨張調整元素を固溶させ、かつLaCrO3の粒界にMg、Al、Ti、Fe、Co、SrおよびCaのうち少なくとも一種の酸化物を存在させることが行われているが、本発明の熱膨張調整層35aも、同様な構成とされている。
Support or the like of the fuel cell is controlled to be close to the thermal expansion coefficient of the solid electrolyte, at least one of the past, LaCrO 3, Mg, Al, Ti , Fe, Co, Sr and Ca is dissolved the thermal expansion adjustment element, and Mg in the grain boundary of LaCrO 3, Al, Ti, Fe , Co, has been conducted to the presence of oxide of at least one of Sr and Ca, The thermal
一方、Mg、Al、Ti、Fe、Co、SrおよびCaの酸化物は、熱膨張係数を調整できるものの、水素を吸着する性質をも有するため、本発明では、これらの水素吸着元素酸化物(熱膨張調整元素酸化物)を含有しない水素非吸着層35bを有する。
On the other hand, the oxides of Mg, Al, Ti, Fe, Co, Sr, and Ca can adjust the thermal expansion coefficient, but also have the property of adsorbing hydrogen. It has a
熱膨張調整層35aの厚みは薄い方が望ましいが、水素非吸着層35bよりも厚いことが望ましい。上記したように水素非吸着層35bは熱膨張調整元素酸化物を含有していないため、固体電解質との熱膨張係数差が大きいが、熱膨張調整層35aの厚みを水素非吸着層35bよりも厚くすることにより、インターコネクタの剥離等を抑制できる。水素非吸着層35bの厚みは、10〜50μmであることが望ましい。この厚みとすることにより、燃料ガス利用率を向上し、インターコネクタの剥離等を抑制できる。
The thickness of the thermal
かかるインターコネクタ35は、ガスのリーク防止と電気抵抗という点から、10〜200μmであることが望ましい。
The
また、図1から明らかな通り、ガスのリークを防止するために、インターコネクタ35の両サイドには、緻密質の固体電解質33が密着しているが、シール性を高めるために、例えば、Ni及び/又はNiとYSZからなる接合層(図示せず)をインターコネクタ35の両側面と固体電解質33との間に設けることもできる。
Further, as it is apparent from FIG. 1, in order to prevent leakage of gas, on both sides of the
水素非吸着層35bの外面(上面)には、P型半導体層39を設けることが好ましい。即ち、この燃料電池セルから組み立てられるセルスタック(図2参照)では、インターコネクタには、導電性の集電部材40が接続されるが、集電部材40を直接インターコネクタに直接接続すると、非オーム接触により、電位降下が大きくなってしまい、集電性能が低下してしまう。
A P-
しかるに、集電部材40を、P型半導体層39を介して水素非吸着層35bに接続させることにより、両者の接触がオーム接触となり、電位降下を少なくし、集電性能の低下を有効に回避することが可能となり、例えば、一方の燃料電池セル30の酸素極34からの電流を、他方の燃料電池セル30の支持体31に効率良く伝達できる。このようなP型半導体としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物を例示することができる。
However, by connecting the current collecting
具体的には、インターコネクタ35を構成するLaCrO3系酸化物よりも電子伝導性が大きいもの、例えば、BサイトにMn、Fe、Coなどが存在するLaMnO3系酸化物、LaFeO3系酸化物、LaCoO3系酸化物などの少なくとも一種からなるP型半導体セラミックスを使用することができる。このようなP型半導体層39の厚みは、一般に、30〜100μmの範囲にあることが好ましい。
Specifically, those having higher electronic conductivity than LaCrO 3 oxides constituting the
また、インターコネクタ35は、固体電解質33が設けられていない側の支持体31の平坦部分A上に直接設けることもできるが、この部分にも燃料側電極32を設け、この燃料側電極32上にインターコネクタ35を設けることもできる。即ち、燃料側電極32を支持体31の全周にわたって設け、この燃料側電極32上にインターコネクタ35を設けることができる。即ち、燃料側電極32を介してインターコネクタを支持体31上に設けた場合には、支持体31とインターコネクタ35との間の界面での電位降下を抑制することができる上で有利である。
Further, the
(燃料電池セルの製造)
以上のような構造を有する燃料電池セルは、以下のようにして製造される。
(Manufacture of fuel cells)
The fuel battery cell having the above structure is manufactured as follows.
先ず、Ni等の鉄族金属或いはその酸化物粉末と、Y2O3粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合してスラリーを調製し、このスラリーを用いて押出成形により、支持体成形体を作製し、これを乾燥する。 First, an iron group metal or its oxide powder such as Ni, and Y 2 O 3 powder, an organic binder and a solvent were mixed to prepare a slurry, a press-molded by using this slurry, the support shaping Make a body and dry it.
次に、燃料側電極形成用材料(Ni或いはNiO粉末と安定化ジルコニア粉末)、有機バインダー及び溶媒を混合してスラリーを調製し、このスラリーを用いて燃料側電極用のシートを作製する。また、燃料側電極用のシートを作製する代りに、燃料極形成用材料を溶媒中に分散したペーストを、上記で形成された支持体成形体の所定位置に塗布し乾燥して、燃料側電極用のコーティング層を形成してもよい。 Next, a fuel-side electrode forming material (Ni or NiO powder and stabilized zirconia powder), an organic binder and a solvent are mixed to prepare a slurry, and a sheet for the fuel-side electrode is prepared using this slurry. Further, instead of preparing a sheet for the fuel side electrode, a paste in which a fuel electrode forming material is dispersed in a solvent is applied to a predetermined position of the formed support body and dried, and then the fuel side electrode is formed. A coating layer may be formed.
さらに、安定化ジルコニア粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合してスラリーを調製し、このスラリーを用いて固体電解質用シートを作製する。 Furthermore, a stabilized zirconia powder, an organic binder, a slurry is prepared by mixing a solvent, to prepare a sheet for solid electrolyte with the slurry.
上記のようにして形成された支持体成形体、燃料側電極用シート及び固体電解質用シートを、例えば図1に示すような層構造となるように積層し、乾燥する。この場合、支持体成形体の表面に燃料側電極用のコーティング層が形成されている場合には、固体電解質用シートのみを支持体成形体に積層し、乾燥すればよい。 Support molded body formed as described above, the sheet for fuel side electrodes sheet and solid electrolyte, are stacked so that the layer structure as shown in FIG. 1, for example, be dried. In this case, when the coating layer for fuel-side electrode is formed on the surface of the support compacts, only sheet for the solid electrolyte laminated to a support shaped body may be dried.
この後、インターコネクタのシート状成形体を作製する。先ず、Mg、Al、Ti、Fe、Co、SrおよびCaのうち少なくとも一種が固溶した市販のLaCrO3粉末を準備し、これに有機バインダー及び溶媒を混合しスラリーを調製して、水素非吸着層シートを作製し、一方、上記Mg等が固溶した市販のLaCrO3粉末に、Mg、Al、Ti、Fe、Co、SrおよびCaのうち少なくとも一種の酸化物粉末、有機バインダー及び溶媒を混合しスラリーを調製して、熱膨張調整層シートを作製し、水素非吸着層シートと熱膨張調整層シートを積層し、インターコネクタのシート状成形体を作製した。 Thereafter, a sheet-like molded body of the interconnector is produced. First, Mg, Al, Ti, Fe, Co, prepared commercial LaCrO 3 powder least one is solid-solved among Sr and Ca, which in an organic binder and a solvent were mixed to prepare a slurry, hydrogen to prepare a non-adsorbed layer sheet, while the commercial LaCrO 3 powder the Mg and the like in a solid solution, Mg, Al, Ti, Fe, Co, at least one oxide powder of Sr and Ca, an organic binder And the solvent was mixed and slurry was prepared, the thermal expansion adjustment layer sheet was produced, the hydrogen non-adsorption layer sheet and the thermal expansion adjustment layer sheet were laminated | stacked, and the sheet-like molded object of the interconnector was produced.
水素非吸着層シートを形成する市販のLaCrO3粉末には、不可避不純物として、Fe、Ca等を含有する可能性もあるが、これらの不可避不純物は、焼成時にLaCrO3中に固溶し、LaCrO3の粒界には存在しない。一方、LaCrO3粉末に添加されたMg等の酸化物は、一部は、LaCrO3に固溶するが、殆どが粒界に酸化物として存在する。 The commercially available LaCrO 3 powder forming the hydrogen non-adsorbing layer sheet may contain Fe, Ca, etc. as unavoidable impurities, but these unavoidable impurities are dissolved in LaCrO 3 during firing, and LaCrO 3 It does not exist at the grain boundary 3 . On the other hand, an oxide such as Mg added to the LaCrO 3 powder partially dissolves in LaCrO 3 , but most of it exists as an oxide at the grain boundary.
このインターコネクタ用シートを、熱膨張調整層シートが積層体の所定位置に当接するように積層し、焼成用積層体を作製する。 The interconnector sheet is laminated so that the thermal expansion adjusting layer sheet is in contact with a predetermined position of the laminated body to produce a fired laminated body.
次いで、上記の焼成用積層体を脱バインダー処理し、酸素含有雰囲気中、1300〜1600℃で同時焼成し、得られた焼結体の所定の位置に、酸素極形成用材料(例えば、LaFeO3系酸化物粉末)と溶媒を含有するペースト、及び必要により、P型半導体層形成用材料(例えば、LaFeO3系酸化物粉末)と溶媒を含むペーストを、ディッピング等により塗布し、1000〜1300℃で焼き付けることにより、図1に示す構造の本発明の燃料電池セル30を製造することができる。
Next, the above-mentioned fired laminate is subjected to binder removal treatment, and co-fired at 1300 to 1600 ° C. in an oxygen-containing atmosphere, and an oxygen electrode forming material (for example, LaFeO 3) is placed at a predetermined position of the obtained sintered body. And paste containing a P-type semiconductor layer forming material (for example, LaFeO 3 -based oxide powder) and a solvent by dipping or the like, if necessary. The
尚、支持体31や燃料側電極32の形成にNi単体を用いた場合には、酸素含有雰囲気での焼成により、Niが酸化されてNiOとなっているが、必要により、還元処理することにより、Niに戻すことができる。
Incidentally, in the case of using Ni alone in the formation of the
(セルスタック)
セルスタックは、図2に示すように、上述した燃料電池セル30が複数集合して、上下に隣接する一方の燃料電池セル30と他方の燃料電池セル30との間に、金属フェルト及び/又は金属板からなる集電部材40を介在させ、両者を互いに直列に接続することにより構成されている。即ち、一方の燃料電池セル30の支持体31は、熱膨張調整層35a、水素非吸着層35b、P型半導体層39、集電部材40を介して、他方の燃料電池セル30の酸素極34に電気的に接続されている。また、このようなセルスタックは、図2に示すように、サイドバイサイドに配置されており、隣接するセルスタック同士は、導電部材42によって直列に接続されている。
(Cell stack)
As shown in FIG. 2, the cell stack includes a plurality of the
本発明の燃料電池は、図2のセルスタックを、収納容器内に収容して構成される。この収納容器には、外部から水素等の燃料ガスを燃料電池セル30に導入する導入管、及び空気等の酸素含有ガスを燃料電池セル30の外部空間に導入するための導入管が設けられており、燃料電池セルが所定温度(例えば、600〜900℃)に加熱されることにより発電し、余剰の燃料ガス、酸素含有ガスは燃焼して、収納容器外に排出される。
The fuel cell of the present invention is configured by accommodating the cell stack of FIG. 2 in a storage container. The storage container is provided with an introduction pipe for introducing a fuel gas such as hydrogen into the
尚、本発明は上記形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、支持体の形状を円筒状とすることも可能であるし、酸素極と固体電解質との間に、適当な導電性を有する中間層を形成することも可能である。また、固体電解質の内側に酸素極を形成しても良い。 In addition, this invention is not limited to the said form, A various change is possible in the range which does not change the summary of invention. For example, it is also possible to the shape of the support cylindrical, between the oxygen electrode and the solid electrolyte, it is possible to form an intermediate layer having a suitable conductivity. Further, an oxygen electrode may be formed inside the solid electrolyte.
先ず、平均粒径0.5μmのNiO粉末と、Y2O3粉末(平均粒径は0.6〜0.9μm)を、焼成後におけるNiOがNi換算で48体積%、Y2O3が52体積%になるようにして混合し、有機バインダーと溶媒にて作製した杯土を押出成形法にて成形を行い、これを乾燥、脱脂して支持体成形体を作製した。 First, NiO powder having an average particle size of 0.5 μm and Y 2 O 3 powder (average particle size is 0.6 to 0.9 μm), NiO after firing is 48% by volume in terms of Ni, and Y 2 O 3 is were mixed so as to become 52% by volume, the cup soil prepared with an organic binder and a solvent subjected to molding at an extrusion forming shape method, which drying was degreased and to prepare a support green body.
次に平均粒径0.5μmのNi粉末と希土類元素が固溶したZrO2粉と有機バインダーと溶媒を混合した燃料側電極用のスラリーを作製し、前記支持体成形体に、スクリーン印刷法にて塗布、乾燥し積層体とする。 Then produce an average particle size 0.5 [mu] m Ni powder and slurry for ZrO 2 powder and an organic binder and a fuel side electrodes of the solvent mixture of a rare earth element in solid solution in, the support body formed body, a screen printing method And dried to obtain a laminate.
次に10mol%のスカンジアが固溶したZrO2粉末と有機バインダーと溶媒とを混合して得られたスラリーをドクターブレード法にて40μmのシートを作製し、支持体成形体に密着液にて貼り付け、乾燥を行う。乾燥後、積層体を作製した。 Next, a slurry obtained by mixing ZrO 2 powder in which 10 mol% of scandia is dissolved, an organic binder, and a solvent is used to prepare a 40 μm sheet by the doctor blade method, and is adhered to the support molded body with an adhesion liquid. Apply and dry. After drying, a laminate was produced.
次に、支持体成形体、および燃料側電極成形体、固体電解質成形体を積層した積層成形体を1000℃にて仮焼処理した。得られた仮焼体の固体電解質側には拡散防止層として、Ce、Smを含む複合酸化物と有機バインダーを混合して作製したスラリーをスクリーン印刷法にて、焼き上げ時の厚みが10μmになるように塗布し、乾燥した。 Next, supporting bearing member molded body, and the fuel-side electrode formed body, solid electrolyte molded body molded laminate obtained by laminating a was calcined at 1000 ° C.. On the solid electrolyte side of the obtained calcined body, a slurry prepared by mixing a composite oxide containing Ce and Sm and an organic binder as a diffusion preventing layer is baked to a thickness of 10 μm by screen printing. And then dried.
次に固体電解質成形体と反対側の面には集電およびガスセパレートを目的とし、インターコネクタのシート状成形体を積層した。インターコネクタ成形体は、Mg、Al、Ti、Fe、Co、SrおよびCaのうち少なくとも一種(Mと記す)により、表1に示すy量だけ置換された市販のLa(MyCr1−y)0.96O3粉末を準備し、これにアクリルバインダー及び溶媒を混合しスラリーを調製して、ドクターブレード法にて水素非吸着層シートを作製し、Mg、Al、Ti、Fe、Co、SrおよびCaのうち少なくとも一種(Mと記す)が、0.3モルだけ置換された市販のLa(M0.3Cr0.7)0.96O3粉末に、この粉末100質量部に対してMg、Al、Ti、Fe、Co、SrおよびCaのうち少なくとも一種の酸化物粉末を10質量部だけ添加し、アクリルバインダー及び溶媒を混合しスラリーを調製して、ドクターブレード法にて熱膨張調整層シートを作製し、水素非吸着層シートと熱膨張調整層シートを積層し、インターコネクタのシート状成形体を作製した。 Then the surface opposite to the solid electrolyte green body and the current collecting and purpose of gas separation, were laminated sheet materials of the interconnector. Interconnector molded article, Mg, Al, Ti, Fe , Co, Sr Oyo by at least one of the beauty Ca (referred to as M), commercially available substituted by y amount shown in Table 1 La (M y Cr 1 -y) prepare 0.96 O 3 powder, to which to prepare a slurry by mixing an acrylic binder and a solvent, to prepare a non-hydrogen adsorption layer sheet by a doctor blade method, Mg, Al, Ti, Fe, Co, (referred to as M) of at least one of Sr and Ca is a commercially available La (M 0.3 Cr 0.7) 0.96 O 3 powder was replaced by 0.3 mole, the powder 100 Mg, Al, Ti, Fe, Co, at least one oxide powder of Sr and Ca was added by 10 parts by mass per part by mass, to prepare a slurry by mixing an acrylic binder and a solvent, Dr. Bray The thermal expansion control layer sheet was produced in the law, by laminating a non-hydrogen adsorption layer sheet and the thermal expansion control layer sheet, to prepare a sheet-shaped molded bodies of the interconnector.
このインターコネクタのシート状成形体を、熱膨張調整層シートが積層体の所定位置に当接するように積層した後、乾燥後、酸素含有雰囲気中、1470℃で同時焼成した。 The interconnector sheet-like molded body was laminated so that the thermal expansion adjusting layer sheet was in contact with a predetermined position of the laminated body, and then dried and co-fired at 1470 ° C. in an oxygen-containing atmosphere.
次に、平均粒径0.7μmのLa0.6Sr0.4Co0.6Fe0.4O3粉末と、イソプロピルアルコールからなる混合液を作製し、前記積層体の固体電解質の表面に噴霧塗布し、酸素極成形体を形成し、1050℃で焼き付け、酸素極を形成し、燃料電池セルを作製した。 Next, a mixed liquid composed of La 0.6 Sr 0.4 Co 0.6 Fe 0.4 O 3 powder having an average particle diameter of 0.7 μm and isopropyl alcohol was prepared, and the surface of the solid electrolyte of the laminate was formed. spray applied to form an acid Motokyoku moldings, baked at 1050 ° C. to form an acid Motokyoku to prepare a fuel cell.
なお、作製した燃料電池セルの寸法は25mm×150mmで、導電性支持体の厚みは3mm、燃料側電極の厚みは10μm、酸素極の厚みは50μm、面積は25cm2であった。 In the dimensions of the fuel cell is 25 mm × 150 mm were prepared, Thickness of the conductive support is 3 mm, Thickness is 10μm fuel side electrode, Thickness acid Motokyoku is 50 [mu] m, the area was 25 cm 2 .
次に、この燃料電池セルの内部に、水素ガスを流し、850℃で、導電性支持体および燃料極の還元処理を施した。 Next, hydrogen gas was allowed to flow inside the fuel cell, and the conductive support and the fuel electrode were reduced at 850 ° C.
得られた燃料電池セルの燃料ガス流路に燃料ガスを流通させ、セルの外側に酸素含有ガスを流通させ、燃料電池セルを管状炉を用いて750℃まで加熱し、0.44A/cm2の電流密度にて発電した際の燃料利用率を、燃料供給量を絞りながら電圧を測定し、急激な電圧低下が発生する直前のガス量を求めて算出した。尚、熱膨張調整層は、MgO、Fe2O3、CoO、CaO、SrO、Al2O3、TiOとして10質量部添加した。
この表1から、熱膨張調整層だけ有する比較例の試料No.6,8,10,12,14,16,18,20では、燃料利用率が72%以下であり、水素非吸着層が形成されていない比較例の試料No.21では、熱膨張の不一致により焼成時にインターコネクタが剥離してしまった。 From Table 1, a sample No. of a comparative example having only a thermal expansion adjusting layer was obtained. In samples 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, and 20, the fuel utilization rate was 72% or less, and sample Nos. Of comparative examples in which no hydrogen non-adsorbing layer was formed. In No. 21, the interconnector peeled off during firing due to a mismatch in thermal expansion.
これに対して、熱膨張調整層と水素非吸着層を有する本発明の試料では、熱膨張調整層を拡散移動してきた水素を水素非吸着層で遮断するために水素の漏れを防ぐことができ、結果として燃料利用率90%以上が達成できる。 In contrast, in the sample of the present invention having the thermal expansion adjusting layer and the hydrogen non-adsorbing layer, it is possible to prevent hydrogen leakage because the hydrogen that has diffused and moved in the thermal expansion adjusting layer is blocked by the hydrogen non-adsorbing layer. As a result, a fuel utilization rate of 90% or more can be achieved.
31・・・導電性支持体
31a・・・燃料ガス通路
32・・・燃料側電極
33・・・固体電解質
34・・・酸素極
35・・・インターコネクタ
35a・・・熱膨張調整層
35b・・・水素非吸着層
31 ...
Claims (6)
前記インターコネクタは、前記支持体側に配置されている、LaCrO3系酸化物と、Mg、Al、Ti、Fe、Co、SrおよびCaのうち少なくとも一種の酸化物とを含有する熱膨張調整層と、該熱膨張調整層の表面に配置されている、LaCrO3系酸化物を含有し、Mg、Al、Ti、Fe、Co、SrおよびCaの酸化物を含有していない水素非吸着層とを有することを特徴とする燃料電池セル。 Provided with a power generation unit in which a porous inner electrode, a dense solid electrolyte, and a porous outer electrode are provided in this order on a porous support, and an oxygen-containing gas at a site where the power generation unit is not provided A fuel cell comprising a dense interconnector in contact with the hydrogen-containing gas,
The interconnector is disposed on the support side, and includes a LaCrO 3 oxide and a thermal expansion adjustment layer containing at least one oxide of Mg, Al, Ti, Fe, Co, Sr, and Ca. A hydrogen non-adsorbing layer that contains a LaCrO 3 -based oxide and that does not contain Mg, Al, Ti, Fe, Co, Sr, and Ca oxides, disposed on the surface of the thermal expansion adjustment layer; A fuel battery cell comprising:
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