JP2003051332A - Fuel cell and fuel cell power generating system - Google Patents

Fuel cell and fuel cell power generating system

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JP2003051332A
JP2003051332A JP2001238865A JP2001238865A JP2003051332A JP 2003051332 A JP2003051332 A JP 2003051332A JP 2001238865 A JP2001238865 A JP 2001238865A JP 2001238865 A JP2001238865 A JP 2001238865A JP 2003051332 A JP2003051332 A JP 2003051332A
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JP
Japan
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fuel cell
solid electrolyte
dielectric
electrode layer
fuel
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Application number
JP2001238865A
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Japanese (ja)
Inventor
Mitsugi Yamanaka
貢 山中
Masaharu Hatano
正治 秦野
Naoki Hara
直樹 原
Tatsuhiro Fukuzawa
達弘 福沢
Itaru Shibata
格 柴田
Azuma So
東 宋
Yoshiko Hishitani
佳子 菱谷
Noritoshi Sato
文紀 佐藤
Makoto Uchiyama
誠 内山
Keiko Kushibiki
圭子 櫛引
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Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell improved in startability or restartability by reducing a rising time or a thawing time, and to provide a fuel cell power generating system and a heating method for the fuel cell. SOLUTION: In this fuel cell, a plurality of single cells are connected two- dimensionally in a direction nearly perpendicular to a stacking direction and an extension direction for the integration, a solid electrolyte layer includes a dielectric, and AC voltage can be applied to an air electrode layer or a fuel electrode layer. The fuel cell power generating system uses the fuel cell and has a temperature detection means detecting temperature of a power generating portion. In the power generating system, an AC application means applying the AC voltage according to the detection temperature is connected to the fuel electrode layer or the air electrode layer. In the heating method for the fuel cell, the AC application means applies the AC voltage to the fuel electrode layer or the air electrode layer, and allows the heat generation of the dielectric included in the solid electrolyte layer to heat the power generating portion.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池、燃料電
池発電システム及び燃料電池の加熱方法に係り、更に詳
細には、電極に交流電圧を印加して始動性、再起動性を
向上させうる燃料電池、燃料電池発電システム及び燃料
電池の加熱方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell, a fuel cell power generation system, and a method for heating a fuel cell, and more specifically, an AC voltage can be applied to electrodes to improve startability and restartability. The present invention relates to a fuel cell, a fuel cell power generation system, and a fuel cell heating method.

【0002】[0002]

【従来の技術】燃料電池の1つである固体電解質型燃料
電池(以下「SOFC(SolidOxide Fue
l Cell)」と略す)は、酸素イオンあるいはプロ
トンなどのイオン導電性を有する固体電解質を多孔質の
空気極と燃料極とで挟むように構成され、空気極側に酸
素ガスを含む酸化性ガスを、燃料極側に水素や炭化水素
ガスを含む還元性ガスを供給し、これらのガスが固体電
解質を介して電気化学的に反応することにより、起電力
を生じる電池である。
2. Description of the Related Art A solid oxide fuel cell which is one of fuel cells (hereinafter referred to as "SOFC (Solid Oxide Fuel)"
abbreviated as “l Cell)” is configured to sandwich a solid electrolyte having ionic conductivity such as oxygen ions or protons between a porous air electrode and a fuel electrode, and an oxidizing gas containing oxygen gas on the air electrode side. Is a battery in which a reducing gas containing hydrogen or a hydrocarbon gas is supplied to the fuel electrode side, and these gases electrochemically react through the solid electrolyte to generate electromotive force.

【0003】SOFCは、通常、運転温度が1000℃
程度にもなるため、家庭用電源や自動車用電源として用
いる場合、運転温度よりも低温(常温など)になると、
再度、運転温度まで加熱するのに時間がかかる。このた
め、始動時や再起動時の立ち上がり時間を短縮するた
め、効率良く加熱することが要求されている。これに応
じて、従来技術としては、例えば、特開平5−8990
0号公報(図8)に示されるように、燃料電池セルの上
下を、PTC(Positive Temperatu
re Coefficient)特性を有するPTC型
ヒーターが配置された絶縁板により、挟持する方法が提
案されている。
SOFCs usually have an operating temperature of 1000 ° C.
When used as a household power supply or automobile power supply, if the temperature becomes lower than the operating temperature (normal temperature, etc.),
Again, it takes time to heat to operating temperature. Therefore, efficient heating is required in order to shorten the rising time at the time of starting or restarting. In response to this, as a conventional technique, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 5-8990
As shown in Japanese Patent Publication No. 0 (FIG. 8), PTC (Positive Temperature) is provided above and below the fuel cell.
A method of sandwiching a PTC type heater having a re-coefficient characteristic with an insulating plate is proposed.

【0004】しかしながら、従来の技術では、熱容量の
大きく熱伝導度の低い絶縁板を用いて、燃料電池セルを
挟持して、燃料電池全体を加熱するため、燃料電池の発
電部を局所的に、かつ、効率的に加熱できないため、S
OFCでは始動時や再起動時の立ち上がり時間を短縮す
るのが難しいという問題点があった。
However, in the prior art, the fuel cells are sandwiched by the insulating plates having a large heat capacity and a low thermal conductivity to heat the entire fuel cell, so that the power generation section of the fuel cell is locally And since it cannot be heated efficiently, S
The OFC has a problem that it is difficult to shorten the rising time at the time of starting or restarting.

【0005】一方、燃料電池の1つである固体高分子型
燃料電池(以下、「PEFC(Polymer Ele
ctrolyte Fuel Cell)」と略す)
は、常温でも動作するものの、自動車用電源として用い
る場合、外気温度が氷点下になると、PEFC内の水が
凍結し動作しなくなるため、PEFCでは解凍する時間
を短縮するのが難しいという問題点があった。
On the other hand, a polymer electrolyte fuel cell (hereinafter referred to as "PEFC (Polymer Ele)" which is one of the fuel cells.
abbreviated as “ctrolyte Fuel Cell)”)
Although it operates at room temperature, when it is used as a power source for automobiles, when the outside air temperature is below freezing, the water inside the PEFC freezes and does not operate, so it is difficult to reduce the thawing time with PEFC. It was

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】このように、燃料電池
を家庭用電源や自動車用電源として用いる場合、特に、
自動車用電源の場合には、起動−停止のサイクルが多
く、始動時や再起動時の立ち上がり時間を如何に短くで
きるかが大きな問題点となっている。即ち、自動車の場
合、燃料電池の立ち上がり時間が長くなると、燃料電池
の起動時間内の動力源として、例えば、二次電池などか
ら電力を供給することが必要となり、大容量の二次電池
を車載しなければならなくなる。そして、これによっ
て、自動車の重量が増大し、延いては燃費の低下を招い
てしまう。
Thus, when the fuel cell is used as a household power source or an automobile power source, in particular,
In the case of a power supply for automobiles, there are many start-stop cycles, and how to shorten the rise time at the time of starting or restarting is a major problem. That is, in the case of an automobile, if the rise time of the fuel cell is long, it is necessary to supply electric power from a secondary battery or the like as a power source within the startup time of the fuel cell, and a large capacity secondary battery is mounted on the vehicle. I have to do it. As a result, the weight of the vehicle increases, which in turn lowers fuel efficiency.

【0007】本発明は、このような従来技術の有する課
題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところ
は、立ち上がり時間や解凍時間を短縮し、始動性や再起
動性を向上させた燃料電池、燃料電池発電システム及び
燃料電池の加熱方法を提供することにある。
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art. The object of the present invention is to shorten the start-up time and the thawing time and improve the startability and restartability. A fuel cell, a fuel cell power generation system, and a fuel cell heating method.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記課題
を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、燃料電池の発電部
位に交流電圧を印加し、固体電解質を局所的、効率的に
加熱することにより、上記課題が解決できることを見出
し、本発明を完成するに至った。
As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors applied an AC voltage to the power generation site of a fuel cell to locally and efficiently heat a solid electrolyte. By doing so, they have found that the above problems can be solved, and completed the present invention.

【0009】即ち、本発明の燃料電池は、固体電解質層
を空気極層及び燃料極層で挟持して成る単セルを、延在
方向及び積層方向とほぼ垂直の方向へ2次元的に複数個
連結し一体化して成る燃料電池であって、上記固体電解
質層が、マトリックスである固体電解質より誘電損失係
数の大きい誘電体を含み、上記空気極層と燃料極層との
間に交流電圧を印加可能であることを特徴とする。
That is, in the fuel cell of the present invention, a plurality of unit cells each having a solid electrolyte layer sandwiched between an air electrode layer and a fuel electrode layer are two-dimensionally arranged in a direction substantially perpendicular to the extending direction and the stacking direction. In the fuel cell, which is connected and integrated, the solid electrolyte layer includes a dielectric having a dielectric loss coefficient larger than that of the solid electrolyte that is a matrix, and an alternating voltage is applied between the air electrode layer and the fuel electrode layer. It is characterized by being possible.

【0010】また、本発明の燃料電池の好適形態は、上
記固体電解質層に上記誘電体を分散させて成ることを特
徴とする。
A preferred form of the fuel cell of the present invention is characterized in that the dielectric is dispersed in the solid electrolyte layer.

【0011】更に、本発明の燃料電池の他の好適形態
は、上記固体電解質層に上記誘電体を配設させて成るこ
とを特徴とする。
Furthermore, another preferred embodiment of the fuel cell of the present invention is characterized in that the dielectric is disposed on the solid electrolyte layer.

【0012】更にまた、本発明の燃料電池発電システム
は、上記燃料電池を用いた燃料電池発電システムであっ
て、発電部位の温度を検出する温度検出手段を有し、こ
の検出温度に応じて交流電圧を印加する交流印加手段を
上記燃料極層及び空気極層に接続して成ることを特徴と
する。
Furthermore, the fuel cell power generation system of the present invention is a fuel cell power generation system using the above-mentioned fuel cell, and has temperature detection means for detecting the temperature of the power generation portion, and the alternating current is detected according to the detected temperature. An alternating current application means for applying a voltage is connected to the fuel electrode layer and the air electrode layer.

【0013】また、本発明の燃料電池の加熱方法は、上
記燃料電池発電システムによる燃料電池の加熱方法であ
って、上記交流印加手段が燃料極層と空気極層との間に
交流電圧を印加して、上記固体電解質層に含まれる誘電
体を発熱させ、発電部位を加熱させることを特徴とす
る。
A method of heating a fuel cell according to the present invention is a method of heating a fuel cell by the fuel cell power generation system, wherein the AC applying means applies an AC voltage between the fuel electrode layer and the air electrode layer. Then, the dielectric contained in the solid electrolyte layer is heated to heat the power generation portion.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】以下、本発明の燃料電池について
詳細に説明する。なお、本明細書において、「%」は特
記しない限り質量百分率を示す。また、本明細書におい
て「固体電解質」は、SOFCで用いられる固体酸化物
電解質、及びPEFCで用いられる固体高分子電解質の
双方を示すものとして用いる。更に、説明の便宜上、基
体や電極などの一方の面を「表面」、他の面を「裏面」
などと記載するが、これらは等価な要素であり、相互に
置換した構成も本発明の範囲に含まれるのは言うまでも
ない。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The fuel cell of the present invention will be described in detail below. In the present specification, “%” indicates a mass percentage unless otherwise specified. Further, in the present specification, the “solid electrolyte” is used to indicate both a solid oxide electrolyte used in SOFC and a solid polymer electrolyte used in PEFC. Furthermore, for convenience of explanation, one side of the substrate or electrode is the “front side” and the other side is the “back side”.
However, it is needless to say that these are equivalent elements, and configurations that are mutually replaced are also included in the scope of the present invention.

【0015】かかる燃料電池は、固体電解質層を空気極
層及び燃料極層で挟持して成る単セルを、延在方向及び
積層方向とほぼ垂直の方向へ2次元的に複数個連結し一
体化して成る。例えば、図1に示すようなスタック構成
を有する燃料電池を挙げることができる。
In such a fuel cell, a plurality of single cells each having a solid electrolyte layer sandwiched between an air electrode layer and a fuel electrode layer are two-dimensionally connected and integrated in a direction substantially perpendicular to the extending direction and the stacking direction. Consists of For example, a fuel cell having a stack structure as shown in FIG. 1 can be mentioned.

【0016】上記固体電解質層は、マトリックスである
固体電解質より誘電損失係数(tanδ)の大きい誘電
体を含む。これより、電極層(空気極層、燃料極層)に
交流電圧を印加するときは、誘電体の誘電損失による発
熱で固体電解質層が加熱される。従って、公知のヒータ
ー(PTC型ヒーターなど)を配置した絶縁板を挿入す
る場合に比較して、構造の簡素化が図れ、燃料電池の熱
容量を低減するとともに出力密度が向上する。また、固
体電解質層の誘電損失により、燃料電池を局所的且つ均
一に加熱できるので有効である。
The solid electrolyte layer contains a dielectric having a dielectric loss coefficient (tan δ) larger than that of the solid electrolyte as a matrix. Therefore, when an AC voltage is applied to the electrode layers (air electrode layer, fuel electrode layer), the solid electrolyte layer is heated by the heat generated by the dielectric loss of the dielectric. Therefore, the structure can be simplified, the heat capacity of the fuel cell can be reduced, and the output density can be improved, as compared with the case where an insulating plate in which a known heater (PTC type heater or the like) is arranged is inserted. Further, the fuel loss can be locally and uniformly heated by the dielectric loss of the solid electrolyte layer, which is effective.

【0017】また、上記固体電解質層のマトリックスと
する固体電解質としては、固体酸化物又は固体高分子を
用いることができる。具体的には、公知のNd
Sm 、Y、Gd及びScなど
を固溶した安定化ジルコニア(ZrO)、並びにCe
、Bi及びLaGaOなどを主成分とする
固体酸化物、また、Nafion(登録商標)、Fle
mion(登録商標)及びAciplex(登録商標)
等のパーフルオロスルフォン酸イオン伝導性高分子など
を主成分とする固体高分子を単独又は混合して使用でき
る。なお、固体電解質は特にこれらに限定されるもので
はなく、同様の性質を有するものであれば適宜使用でき
る。
Further, the matrix of the solid electrolyte layer
As the solid electrolyte, a solid oxide or a solid polymer is used.
Can be used. Specifically, known NdTwoOThree,
Sm TwoOThree, YTwoOThree, GdTwoOThreeAnd ScTwoOThreeSuch
Stabilized zirconia (ZrOTwo), And Ce
OTwo, BiTwoOThreeAnd LaGaOThreeIs the main component
Solid oxide, also Nafion®, Fle
mion (registered trademark) and Aciplex (registered trademark)
Perfluorosulfonic acid ion conductive polymer such as
Can be used alone or as a mixture of solid polymers containing
It The solid electrolyte is not particularly limited to these.
And can be used as appropriate as long as it has similar properties.
It

【0018】更に、上記固体電解質層は、上記誘電体を
該固体電解質層の全体積に対して0.1〜50%の割合
で含むことが好適である。上記誘電体の含有量が0.1
%以上であれば、誘電損失による発熱の効率を高めるこ
とができ、一方、50%以下であれば、固体電解質層の
急激なイオン伝導度の低下を抑え、燃料電池の著しい出
力低下を抑制することができる。かかる誘電体として
は、例えば、アルミナ(Al)、フォルストライ
ト磁器(2MgO・SiO)、チタン酸バリウムスト
ロンチウム[(Ba,Sr)TiO]、及びルチル
(TiO)などを主成分とする物質を使用することが
できるが、特にこれらに限定されるものではない。
Further, it is preferable that the solid electrolyte layer contains the dielectric in a proportion of 0.1 to 50% with respect to the total volume of the solid electrolyte layer. The dielectric content is 0.1
%, It is possible to increase the efficiency of heat generation due to dielectric loss. On the other hand, if it is 50% or less, a rapid decrease in ionic conductivity of the solid electrolyte layer is suppressed, and a marked decrease in output of the fuel cell is suppressed. be able to. As such a dielectric, for example, alumina (Al 2 O 3 ), forsterite porcelain (2MgO · SiO 2 ), barium strontium titanate [(Ba, Sr) TiO 3 ], rutile (TiO 2 ) and the like are main components. However, the substance is not particularly limited thereto.

【0019】また、上記誘電体は、上記固体電解質層に
分散させたり、配設したりして、該固体電解質層に含ま
せることができる。具体的には、誘電体を分散する例と
しては、図3に示すように、固体電解質層の全体に誘電
体を分散することができる。また、固体電解質に上記誘
電体を分散させた誘電体分散膜の積層体を固体電解質層
とすることができる。更に、図4に示すように、上記誘
電体分散膜と固体電解質から成る膜とを交互に積層して
固体電解質層とすることができる。一方、誘電体を配設
する例としては、図5に示すように、上記固体電解質に
誘電体を配設させることができる。また、固体電解質に
上記誘電体を配設させた誘電体配設膜の積層体を固体電
解質層とすることができる。更に、図6に示すように、
上記誘電体配設膜と固体電解質から成る膜とを交互に積
層して固体電解質層とすることができる。
Further, the dielectric can be contained in the solid electrolyte layer by being dispersed or arranged in the solid electrolyte layer. Specifically, as an example of dispersing the dielectric, as shown in FIG. 3, the dielectric can be dispersed throughout the solid electrolyte layer. Further, a laminated body of dielectric dispersion films in which the above-mentioned dielectric is dispersed in a solid electrolyte can be used as the solid electrolyte layer. Further, as shown in FIG. 4, the dielectric dispersion film and the film made of a solid electrolyte can be alternately laminated to form a solid electrolyte layer. On the other hand, as an example of disposing the dielectric, as shown in FIG. 5, the dielectric can be disposed in the solid electrolyte. Further, a laminated body of the dielectric-arranged film in which the above-mentioned dielectric is arranged in the solid electrolyte can be used as the solid electrolyte layer. Further, as shown in FIG.
The dielectric-arranged film and the film made of a solid electrolyte can be alternately laminated to form a solid electrolyte layer.

【0020】なお、上記誘電体分散膜、誘電体配設膜及
び固体電解質膜は、任意の形状やレイアウトに応じて分
散・配設でき、これらを適宜選択し所望の順序で積層す
ることなどができる。例えば、上記誘電体分散膜と上記
誘電体配設膜とを併用したSOFCなどを作製すること
ができる。また、誘電体分散膜や誘電体配設膜を固体電
解質層の一部に分散・配設してもよい。また、上記誘電
体分散膜又は上記誘電体配設膜は、固体電解質層の表面
及び/又は裏面に配置することが、燃料電池を局所的且
つ均一に加熱する面から好適である。更に、固体電解質
層及び各電極層は、PVD法、CVD法、溶射法、スク
リーン印刷法、スプレーコート法、メッキ法、電気泳動
法及びゾル・ゲル法などの各種成膜方法を採用して被覆
できる。
The dielectric dispersion film, the dielectric-arranged film, and the solid electrolyte film can be dispersed / arranged according to an arbitrary shape and layout, and these can be appropriately selected and laminated in a desired order. it can. For example, an SOFC or the like using the dielectric dispersion film and the dielectric-arranged film in combination can be manufactured. Further, the dielectric dispersion film or the dielectric-arranged film may be dispersed and arranged in a part of the solid electrolyte layer. Further, it is preferable to dispose the dielectric dispersion film or the dielectric-arranged film on the front surface and / or the back surface of the solid electrolyte layer from the viewpoint of heating the fuel cell locally and uniformly. Further, the solid electrolyte layer and each electrode layer are coated by various film forming methods such as PVD method, CVD method, thermal spraying method, screen printing method, spray coating method, plating method, electrophoresis method and sol-gel method. it can.

【0021】また、本発明の燃料電池は、上記空気極層
と燃料極層との間に交流電圧を印加可能とする。これよ
り、上述した誘電体が効率良く発熱し、SOFCの立ち
上げやPEFC内に生じた凍結部の解凍処理が短縮され
る。特に、起動−停止のサイクルが多い自動車用電源に
使用するときは、自動車の利便性、経済性を確保できる
ので有効である。
The fuel cell of the present invention can apply an alternating voltage between the air electrode layer and the fuel electrode layer. As a result, the above-mentioned dielectric efficiently generates heat, and the start-up of the SOFC and the thawing process of the frozen portion generated in the PEFC are shortened. In particular, when it is used as a power source for automobiles having many start-stop cycles, it is effective because the convenience and economy of the automobile can be secured.

【0022】なお、固体電解質型燃料電池においては、
単セルやセル板の支持体として、多孔性の金属材料や無
機材料に固体電解質層及び電極層を被覆することなどが
可能であり、特に上述した構成に限定されるものではな
い。
In the solid oxide fuel cell,
As a support for a single cell or a cell plate, a porous metal material or inorganic material can be coated with a solid electrolyte layer and an electrode layer, and the like, and is not particularly limited to the above-mentioned configuration.

【0023】次に、本発明の燃料電池発電システムにつ
いて、詳細に説明する。かかる燃料電池発電システム
は、上述の燃料電池を用い、発電部位の温度を検出する
温度検出手段を有し、この検出温度に応じて交流電圧を
印加する交流印加手段を上記燃料極層及び空気極層に接
続して成る。これより、起動時に発電部位を所望温度に
制御することができ、燃料電池による発電の始動性が向
上する。また、ヒーターなどを配置した絶縁板を挿入す
る場合と比較すると、燃料電池発電システムの構成が簡
易化できるので有効である。なお、ここで、上記「発電
部位」とは、主として固体電解質と電極との挟持体のこ
とを示す。
Next, the fuel cell power generation system of the present invention will be described in detail. Such a fuel cell power generation system uses the above-mentioned fuel cell and has a temperature detection means for detecting the temperature of the power generation portion. The fuel electrode layer and the air electrode are provided with an AC application means for applying an AC voltage according to the detected temperature. Composed of connecting layers. As a result, the power generation part can be controlled to a desired temperature at startup, and the startability of power generation by the fuel cell is improved. Further, compared with the case of inserting an insulating plate in which a heater or the like is arranged, the configuration of the fuel cell power generation system can be simplified, which is effective. Here, the above-mentioned "power generation part" mainly refers to a sandwiching body between the solid electrolyte and the electrode.

【0024】次に、本発明の燃料電池の加熱方法につい
て、詳細に説明する。かかる加熱方法は、上記燃料電池
発電システムにより、上記交流印加手段が燃料極層と空
気極層との間に交流電圧を印加して、上記固体電解質層
に含まれる誘電体を発熱させ、発電部位を加熱させる方
法である。これより、所望の部位のみを当該燃料電池が
発電に必要な温度まで均一に加熱しうる。なお、代表的
には、SOFCであれば10〜100V程度の交流電圧
を印加して300〜800℃間で加熱することが望まし
く、PEFCであれば0.5〜1.5V程度の交流電圧
を印加して0〜90℃間で加熱することが望ましい。ま
た、当該燃料電池を利用して交流電圧を印加することも
できる。
Next, the method for heating the fuel cell of the present invention will be described in detail. In such a heating method, in the fuel cell power generation system, the AC applying means applies an AC voltage between the fuel electrode layer and the air electrode layer to heat the dielectric contained in the solid electrolyte layer to generate power. Is a method of heating. As a result, only the desired portion can be uniformly heated to the temperature required for the fuel cell to generate electricity. In addition, typically, in the case of SOFC, it is desirable to apply an alternating voltage of about 10 to 100 V to heat at 300 to 800 ° C., and in the case of PEFC, an alternating voltage of about 0.5 to 1.5 V is used. It is desirable to apply and heat between 0-90 degreeC. Alternatively, an AC voltage can be applied using the fuel cell.

【0025】[0025]

【実施例】以下、本発明を実施例及び比較例により更に
詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定される
ものではない。
EXAMPLES The present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited to these Examples.

【0026】(実施例1)図1に、この実施例での燃料
電池発電システムの燃料電池スタック1と交流電源2の
構成を示す。また、図2に、図1に示す燃料電池スタッ
クのセル板(単電池板)と交流電源2の構成を示す。こ
の燃料電池発電システムは、100mm角のSi基板3
に2mm角程度の開口部7を持つ単セルが10個×10
個形成された内の、隣接する2個のセルを示したもので
ある。電気絶縁層が形成された基板3には、開口部7が
形成されており、開口部を覆うように燃料極層4、固体
電解質層5、空気極層6が形成され、交流電圧が印加で
きるように、隣接するセルの燃料極層4と空気極層6が
電気的に接続されている。
(Embodiment 1) FIG. 1 shows a configuration of a fuel cell stack 1 and an AC power source 2 of a fuel cell power generation system according to this embodiment. 2 shows the configurations of the cell plate (single cell plate) and the AC power supply 2 of the fuel cell stack shown in FIG. This fuel cell power generation system uses a 100 mm square Si substrate 3
10 single cells with 2 mm square openings 7 in each
This is a view showing two adjacent cells among the individually formed cells. An opening 7 is formed in the substrate 3 on which the electric insulating layer is formed, and a fuel electrode layer 4, a solid electrolyte layer 5, and an air electrode layer 6 are formed so as to cover the opening, and an AC voltage can be applied. As described above, the fuel electrode layer 4 and the air electrode layer 6 of the adjacent cells are electrically connected.

【0027】単電池板の製造方法として、先ず、Si基
板3の両面に電気絶縁層としてシリコン窒化膜を減圧C
VD法により200nm厚程度形成した。次に、このS
i基板裏面のシリコン窒化膜の所望の領域をフォトリソ
グラフィー法、及びCFガスを用いたケミカルドライ
エッチングにより除去し、シリコンエッチング口を形成
した。更に、シリコンエッチング液であるヒドラジンを
用いて80℃程度の温度でエッチングを行ない、Si基
板3の表面に開口部7を形成するとともに、シリコン窒
化膜のダイアフラムを形成した。
As a method for manufacturing a unit cell plate, first, a silicon nitride film is formed on both surfaces of the Si substrate 3 as an electrically insulating layer under reduced pressure C.
It was formed to a thickness of about 200 nm by the VD method. Next, this S
A desired region of the silicon nitride film on the back surface of the i substrate was removed by photolithography and chemical dry etching using CF 4 gas to form a silicon etching port. Further, hydrazine, which is a silicon etching solution, was used to perform etching at a temperature of about 80 ° C. to form an opening 7 on the surface of the Si substrate 3 and a diaphragm of a silicon nitride film.

【0028】次に、Niの燃料極層4を蒸着マスクを用
いて電子ビーム蒸着法で500nm厚程度、ダイアフラ
ムを覆うように形成し、イットリア安定化ジルコニア
(YSZ)の固体電解質層5を高周波スパッタ法により
蒸着マスクを用いて、燃料極層4の一部が露出するよう
に形成し、更に、La1−xSrMnOの空気極層
を高周波スパッタ法により蒸着マスクを用いて、電解質
層5を覆い、燃料極層4との接続部が重なるように形成
した。そして、再度、CFガスを用いたケミカルドラ
イエッチングによりSi基板裏面よりエッチングを行な
い、燃料極層4の裏面にあるシリコン窒化膜ダイアフラ
ムを除去し、燃料極層4を表出させた。
Next, a Ni fuel electrode layer 4 is formed by an electron beam evaporation method using an evaporation mask to a thickness of about 500 nm so as to cover the diaphragm, and a solid electrolyte layer 5 of yttria-stabilized zirconia (YSZ) is subjected to high frequency sputtering. By a vapor deposition mask so that a part of the fuel electrode layer 4 is exposed, and further, an air cathode layer of La 1-x Sr x MnO 3 is formed by an RF mask using a vapor deposition mask to form an electrolyte layer. 5 was formed so that the connection portion with the fuel electrode layer 4 overlaps. Then, etching was performed again from the back surface of the Si substrate by chemical dry etching using CF 4 gas to remove the silicon nitride film diaphragm on the back surface of the fuel electrode layer 4 to expose the fuel electrode layer 4.

【0029】以上のように形成したセルから作製された
単電池板を、燃料電池スタック1として積層するため、
図1に示すように、セパレーター8を別途用意した。こ
のセパレータ8には、100mm角のSi基板の両面に
ダイシングソーを用いてガス流路を加工形成した。上記
単電池板の両面にセパレーター8を公知の方法で積層
し、二枚のセパレータ8とその間に積層された単電池板
からなる燃料電池スタックを断熱材で覆って、本例の燃
料電池発電システムを得た。
Since the unit cell plates produced from the cells formed as described above are stacked as the fuel cell stack 1,
As shown in FIG. 1, a separator 8 was separately prepared. In this separator 8, gas channels were processed and formed using a dicing saw on both sides of a 100 mm square Si substrate. A separator 8 is laminated on both sides of the unit cell plate by a known method, and a fuel cell stack composed of two separators 8 and unit cell plates laminated between them is covered with a heat insulating material to form a fuel cell power generation system of this example. Got

【0030】上記燃料電池発電システムにより、燃料極
層4と空気極層6を介して、交流電源2から電圧を印加
したところ、燃料電池スタックが300℃まで加熱され
た。また、単電池板上面に形成されたセパレータ流路に
空気を、単電池板下面に積層したセパレーター流路に水
素ガスを流し、発電特性を評価した。その結果、100
個のセルが直列に接続されている燃料電池から、開放電
圧として75Vの出力が得られた。
When a voltage was applied from the AC power source 2 through the fuel electrode layer 4 and the air electrode layer 6 by the above fuel cell power generation system, the fuel cell stack was heated to 300 ° C. In addition, air was passed through a separator channel formed on the upper surface of the unit cell plate and hydrogen gas was passed through a separator channel formed on the lower side of the unit cell plate to evaluate the power generation characteristics. As a result, 100
An output of 75 V as an open circuit voltage was obtained from the fuel cell in which the cells were connected in series.

【0031】以上のように、燃料電池の空気極層と燃料
極層に交流電圧を印加する手段を有する燃料電池発電シ
ステムとしたことにより、燃料電池スタックを加熱する
ことが可能となり、発電することが確認できた。
As described above, the fuel cell power generation system having the means for applying an AC voltage to the air electrode layer and the fuel electrode layer of the fuel cell makes it possible to heat the fuel cell stack and generate power. Was confirmed.

【0032】(実施例2)図3に、この実施例での燃料
電池発電システムの単セルとこの単セルに用いられてい
る固体電解質層5の構造を示す。この燃料電池発電シス
テムは、固体電解質層5が、固体電解質よりも誘電損失
係数の大きい誘電体を分散した層である以外は、実施例
1とほぼ同様の構成を有する。
(Embodiment 2) FIG. 3 shows the structure of a unit cell of the fuel cell power generation system of this embodiment and the solid electrolyte layer 5 used in this unit cell. This fuel cell power generation system has substantially the same configuration as that of the first embodiment except that the solid electrolyte layer 5 is a layer in which a dielectric material having a larger dielectric loss coefficient than the solid electrolyte is dispersed.

【0033】実施例1と同様な方法で、シリコン窒化膜
のダイアフラムまで形成し、Niの燃料極層を蒸着マス
クを用いて電子ビーム蒸着法で500nm厚程度、ダイ
アフラムを覆うように形成し、YSZとYSZよりも誘
電損失係数の大きい(Ba,Sr)TiOからなる層
を高周波スパッタ法により蒸着マスクを用いて、燃料極
層の一部が露出するように同時に形成した。このとき、
YSZターゲットと(Ba,Sr)TiOターゲット
に印加する高周波電力をコントロールすることにより、
体積分率として、10%(Ba,Sr)TiO−90
%YSZとした。更に、La1−xSrMnOの空
気極層を高周波スパッタ法により蒸着マスクを用いて、
電解質層を覆い、燃料極層との接続部が重なるように形
成した。そして、再度、CFガスを用いたケミカルド
ライエッチングによりSi基板裏面よりエッチングを行
ない、燃料極層の裏面にあるシリコン窒化膜ダイアフラ
ムを除去し、燃料極層を表出させた単電池板を形成した
後にこれをスタック化し、本例の燃料電池発電システム
を得た。
In the same manner as in Example 1, a diaphragm of a silicon nitride film was formed, and a Ni fuel electrode layer was formed by an electron beam evaporation method using an evaporation mask to a thickness of about 500 nm so as to cover the diaphragm. And a layer made of (Ba, Sr) TiO 3 having a larger dielectric loss coefficient than YSZ were simultaneously formed by a high frequency sputtering method using a vapor deposition mask so that a part of the fuel electrode layer was exposed. At this time,
By controlling the high frequency power applied to the YSZ target and the (Ba, Sr) TiO 3 target,
As a volume fraction, 10% (Ba, Sr) TiO 3 -90
% YSZ. Further, an air electrode layer of La 1-x Sr x MnO 3 was formed by a high frequency sputtering method using a vapor deposition mask,
It was formed so as to cover the electrolyte layer and overlap the connection portion with the fuel electrode layer. Then, etching is performed again from the back surface of the Si substrate by chemical dry etching using CF 4 gas to remove the silicon nitride film diaphragm on the back surface of the fuel electrode layer to form a unit cell plate exposing the fuel electrode layer. After that, this was stacked to obtain a fuel cell power generation system of this example.

【0034】得られた燃料電池発電システムにより、空
気極層と燃料極層を介して、交流電源から電圧を印加し
て、燃料電池スタックが300℃まで加熱された後、発
電特性を評価したところ、100個のセルが直列に接続
されている燃料電池から、開放電圧として75Vの出力
が得られた。
With the obtained fuel cell power generation system, a voltage was applied from an AC power source through the air electrode layer and the fuel electrode layer, the fuel cell stack was heated to 300 ° C., and then the power generation characteristics were evaluated. An output voltage of 75 V was obtained from a fuel cell in which 100 cells were connected in series.

【0035】(実施例3)図4に、この実施例での燃料
電池発電システムの単セルとこの単セルに用いられてい
る固体電解質層5の構造を示す。この燃料電池発電シス
テムは、固体電解質層5が、固体電解質よりも誘電損失
係数の大きい物質を分散した膜Aと固体電解質膜Cが複
数層積層されている以外は、実施例1とほぼ同様の構成
を有する。
(Embodiment 3) FIG. 4 shows the structure of the unit cell of the fuel cell power generation system of this embodiment and the solid electrolyte layer 5 used in this unit cell. This fuel cell power generation system is substantially the same as Example 1 except that the solid electrolyte layer 5 has a plurality of laminated layers of a membrane A and a solid electrolyte membrane C in which a substance having a dielectric loss coefficient larger than that of the solid electrolyte is dispersed. Have a configuration.

【0036】実施例1と同様な方法で、単電池板を作製
した後にこれをスタック化し、本例の燃料電池発電シス
テムを得た。このとき、固体電解質層は、YSZと(B
a,Sr)TiOからなる層とYSZ層を交互に高周
波スパッタ法により蒸着マスクを用いてパターン形成し
た。
In the same manner as in Example 1, single cell plates were prepared and then stacked to obtain a fuel cell power generation system of this example. At this time, the solid electrolyte layer is formed of YSZ and (B
A layer of a, Sr) TiO 3 and a YSZ layer were alternately formed by a high frequency sputtering method using a vapor deposition mask.

【0037】得られた燃料電池発電システムにより、空
気極層と燃料極層を介して、交流電源から電圧を印加し
て、燃料電池スタックが300℃まで加熱された後、発
電特性を評価したところ、100個のセルが直列に接続
されている燃料電池から、開放電圧として75Vの出力
が得られた。
With the obtained fuel cell power generation system, a voltage was applied from an AC power source through the air electrode layer and the fuel electrode layer, and the fuel cell stack was heated to 300 ° C., and then the power generation characteristics were evaluated. An output voltage of 75 V was obtained from a fuel cell in which 100 cells were connected in series.

【0038】(実施例4)図5に、この実施例での燃料
電池発電システムの単セルとこの単セルに用いられてい
る固体電解質層5の構造を示す。この燃料電池発電シス
テムは、固体電解質層5が、固体電解質よりも誘電損失
係数の大きい誘電体を固体電解質に配設して成る以外
は、実施例1とほぼ同様の構成を有する。
(Embodiment 4) FIG. 5 shows the structure of a unit cell of the fuel cell power generation system of this embodiment and the solid electrolyte layer 5 used in this unit cell. This fuel cell power generation system has substantially the same configuration as that of the first embodiment except that the solid electrolyte layer 5 is formed by disposing a dielectric material having a larger dielectric loss coefficient than the solid electrolyte in the solid electrolyte.

【0039】実施例1と同様な方法で、シリコン窒化膜
のダイアフラムまで形成し、Niなどの燃料極層を蒸着
マスクを用いて電子ビーム蒸着法で500nm厚程度、
ダイアフラムを覆うように形成し、YSZを高周波スパ
ッタ法により蒸着マスクを用いて、燃料極層の一部が露
出するように同時に形成した。更に、公知のフォトリソ
グラフィー技術を用いて、YSZ層をパターンニング
し、YSZが除去され、燃料極層の一部が露出された部
分に(Ba,Sr)TiOを高周波スパッタ法によ
り、YSZと同じ膜厚になるように形成した。ここで
は、(Ba,Sr)TiOのYSZに対する体積分率
が10%となるようにパターン形成した。なお、パター
ン形状は、図5に示す格子状である必要はなく、任意の
形状とすることもできる。次に、La1−xSrMn
の空気極層を高周波スパッタ法により蒸着マスクを
用いて、電解質層を覆い、燃料極層との接続部が重なる
ように形成した。そして、再度、CFガスを用いたケ
ミカルドライエッチングによりSi基板裏面よりエッチ
ングを行ない、燃料極層の裏面にあるシリコン窒化膜ダ
イアフラムを除去し、燃料極層を表出させ単電池板を形
成した後にこれをスタック化し、本例の燃料電池発電シ
ステムを得た。
In the same manner as in Example 1, a diaphragm of a silicon nitride film was formed, and a fuel electrode layer of Ni or the like was formed by an electron beam evaporation method using an evaporation mask to a thickness of about 500 nm.
It was formed so as to cover the diaphragm, and YSZ was simultaneously formed by a high frequency sputtering method using a vapor deposition mask so that a part of the fuel electrode layer was exposed. Further, the YSZ layer is patterned by using a known photolithography technique, YSZ is removed, and (Ba, Sr) TiO 3 is formed on the exposed portion of the fuel electrode layer by high-frequency sputtering to form YSZ. It was formed so as to have the same film thickness. Here, the pattern was formed such that the volume fraction of (Ba, Sr) TiO 3 with respect to YSZ was 10%. The pattern shape does not have to be the lattice shape shown in FIG. 5, and may be any shape. Next, La 1-x Sr x Mn
The air electrode layer of O 3 was formed by a high frequency sputtering method using a vapor deposition mask so as to cover the electrolyte layer and overlap the connection portion with the fuel electrode layer. Then, the dry etching is performed again from the back surface of the Si substrate by chemical dry etching using CF 4 gas to remove the silicon nitride film diaphragm on the back surface of the fuel electrode layer and expose the fuel electrode layer to form a unit cell plate. Later, this was stacked to obtain a fuel cell power generation system of this example.

【0040】得られた燃料電池発電システムにより、空
気極層と燃料極層を介して、交流電源から電圧を印加し
て、燃料電池スタックが300℃まで加熱された後、発
電性を評価したところ、100個のセルが直列に接続さ
れている燃料電池から、開放電圧として75Vの出力が
得られた。
With the obtained fuel cell power generation system, a voltage was applied from an AC power source through the air electrode layer and the fuel electrode layer to heat the fuel cell stack to 300 ° C., and then the power generation property was evaluated. An output voltage of 75 V was obtained from a fuel cell in which 100 cells were connected in series.

【0041】(実施例5)図6に、燃料電池発電システ
ムの単セルとこの単セルに用いられている固体電解質層
5の構造を示す。この燃料電池発電システムは、固体電
解質層5が、固体電解質よりも誘電損失係数の大きい誘
電体を固体電解質に配設した膜と固体電解質膜を複数層
積層して成る以外は、実施例1とほぼ同様の構成を有す
る。
(Embodiment 5) FIG. 6 shows the structure of a unit cell of a fuel cell power generation system and a solid electrolyte layer 5 used in this unit cell. This fuel cell power generation system is the same as that of Example 1 except that the solid electrolyte layer 5 is formed by laminating a plurality of layers of a film in which a dielectric having a dielectric loss coefficient larger than that of the solid electrolyte is arranged in the solid electrolyte and a solid electrolyte film. It has almost the same configuration.

【0042】実施例1と同様な方法で、単電池板を作製
した後にこれをスタック化し、本例の燃料電池発電シス
テムを得た。このとき、固体電解質層は、実施例5の方
法で形成したYSZと(Ba,Sr)TiOからなる
層とYSZ層を配置した層と、YSZ層を交互に形成し
た。
In the same manner as in Example 1, single cell plates were prepared and then stacked to obtain a fuel cell power generation system of this example. At this time, as the solid electrolyte layer, layers of YSZ and (Ba, Sr) TiO 3 formed by the method of Example 5 and layers in which the YSZ layers were arranged, and YSZ layers were alternately formed.

【0043】得られた燃料電池発電システムにより、空
気極層と燃料極層を介して、交流電源から電圧を印加し
て、燃料電池スタックが300℃まで加熱された後、発
電特性を評価したところ、100個のセルが直列に接続
されている燃料電池から、開放電圧として75Vの出力
が得られた。
With the obtained fuel cell power generation system, a voltage was applied from an AC power source through the air electrode layer and the fuel electrode layer, the fuel cell stack was heated to 300 ° C., and then the power generation characteristics were evaluated. An output voltage of 75 V was obtained from a fuel cell in which 100 cells were connected in series.

【0044】(実施例6)図7に、この実施例での燃料
電池発電システムの単セルの構造を示す。この単セル
は、PEFCスタックの1セルの断面を拡大表示したも
である。ここで、固体電解質層5に、燃料極層4と空気
極層6を形成して作製された電解質−電極接合体をカー
ボン製セパレーター8で挟持することにより、上記単セ
ルを構成した。
(Embodiment 6) FIG. 7 shows the structure of a single cell of a fuel cell power generation system in this embodiment. This single cell is an enlarged view of the cross section of one cell of the PEFC stack. Here, by sandwiching the electrolyte-electrode assembly produced by forming the fuel electrode layer 4 and the air electrode layer 6 in the solid electrolyte layer 5 with the carbon separator 8, the unit cell was constructed.

【0045】固体電解質層として、市販の5wt%Na
fion溶液(Aldrich製)と(Ba,Sr)T
iO粒子を分散したDMF(NN−ジメチルホルムア
ミド)を(Ba,Sr)TiO粒子の体積分率が1%
となるように攪拌混合し、段階的に溶媒を蒸発させて、
(Ba,Sr)TiO粒子を分散したNafion膜
を膜厚100mmで作製した。次に、燃料極層に50w
t%Pt−Ru担持カーボン触媒を、燃料極層に50w
t%Pt担持カーボン触媒を使用し、ホットプレス機で
125℃、10MPaで2分間処理して、電解質−電極
接合体を作製した。
As a solid electrolyte layer, commercially available 5 wt% Na
fion solution (manufactured by Aldrich) and (Ba, Sr) T
The volume fraction of (Ba, Sr) TiO 3 particles of DMF (NN-dimethylformamide) in which iO 3 particles were dispersed was 1%.
Stir and mix so that the solvent is evaporated in stages,
A Nafion film having (Ba, Sr) TiO 3 particles dispersed therein was formed to a film thickness of 100 mm. Next, 50w for the fuel electrode layer
50% t% Pt-Ru supported carbon catalyst in the fuel electrode layer
Using a t% Pt-supported carbon catalyst, the mixture was treated with a hot press at 125 ° C. and 10 MPa for 2 minutes to prepare an electrolyte-electrode assembly.

【0046】上記の電解質−電極接合体を公知のカーボ
ンセパレーターで挟持して、燃料電池スタックとし、こ
れを断熱材で覆い、本例の燃料電池発電システムを形成
した。また、このシステムを−20℃に保持された恒温
槽に設置した。
The above electrolyte-electrode assembly was sandwiched between known carbon separators to form a fuel cell stack, which was covered with a heat insulating material to form the fuel cell power generation system of this example. Further, this system was installed in a constant temperature bath maintained at -20 ° C.

【0047】得られた燃料電池発電システムを、カーボ
ンセパレーターを介して、すなわち、燃料極層と空気極
層を介して、交流電源から電圧を印加したところ、燃料
電池スタックの温度が0℃を越え、燃料極側に水素、空
気極側に空気を導入して、発電特性を評価した。燃料電
池セル当たりの出力として、0.4W/cm(0.5
V−0.8A/cm)の出力が得られた。
When a voltage was applied to the obtained fuel cell power generation system from an AC power source through a carbon separator, that is, a fuel electrode layer and an air electrode layer, the temperature of the fuel cell stack exceeded 0 ° C. Then, hydrogen was introduced to the fuel electrode side and air was introduced to the air electrode side to evaluate the power generation characteristics. The output per fuel cell is 0.4 W / cm 2 (0.5
An output of V-0.8 A / cm 2 ) was obtained.

【0048】以上のように、燃料電池の燃料極層と空気
極層に交流電圧を印加する手段を有する燃料電池発電シ
ステムとしたことにより、氷点下においても、PEFC
スタックを効率的に加熱でき、発電することが確認でき
た。
As described above, by using the fuel cell power generation system having means for applying an AC voltage to the fuel electrode layer and the air electrode layer of the fuel cell, the PEFC can be used even at a freezing point.
It was confirmed that the stack could be efficiently heated and that power was generated.

【0049】(実施例7)実施例6と同じ構成の燃料電
池において、電解質として、電気化学会第67回講演会
(講演番号2J22)で報告されている、ポリテトラメ
チレンオキシドを高分子成分、ゾルゲル反応によるシリ
カ架橋を酸化物成分とした混合物を用い、更に、実施例
6と同様に(Ba,Sr)TiO粒子を分散し、燃料
極に50wt%Pt−Ru担持カーボン触媒を、空気極
に50wt%Pt担持カーボン触媒を使用し、ホットプ
レス機で125℃、10MPaで2分間処理して、電解
質−電極接合体を作製した。この電解質−電極接合体を
用いて、実施例6と同様に、燃料電池スタックとした
後、本例の燃料電池発電システムを形成した。
(Example 7) In a fuel cell having the same structure as in Example 6, polytetramethylene oxide as a polymer component, which was reported at the 67th lecture meeting (lecture number 2J22) of the Institute of Electrochemistry, was used as an electrolyte. Using a mixture having silica crosslinks as an oxide component by a sol-gel reaction, (Ba, Sr) TiO 3 particles were dispersed in the same manner as in Example 6, and 50 wt% Pt-Ru-supported carbon catalyst was added to the fuel electrode and the air electrode. 50 wt% Pt-supported carbon catalyst was used and treated with a hot press machine at 125 ° C. and 10 MPa for 2 minutes to prepare an electrolyte-electrode assembly. Using this electrolyte-electrode assembly, a fuel cell stack was formed in the same manner as in Example 6, and then the fuel cell power generation system of this example was formed.

【0050】得られた燃料電池発電システムにより、実
施例6と同様に評価したところ、氷点下雰囲気において
も、交流電圧を印加することにより、燃料電池の温度が
0℃を越え、燃料極側に水素、空気極側に空気を導入し
て、発電特性を評価した。燃料電池セル当たりの出力と
して、0.1W/cm(0.5V−0.2A/c
)の出力が得られた。
With the obtained fuel cell power generation system,
When evaluated in the same manner as in Example 6, in an atmosphere below freezing
Also, by applying an AC voltage, the temperature of the fuel cell
When the temperature exceeds 0 ° C, hydrogen is introduced to the fuel electrode side and air is introduced to the air electrode side.
Then, the power generation characteristics were evaluated. Output per fuel cell and
And then 0.1 W / cmTwo(0.5V-0.2A / c
m Two) Output was obtained.

【0051】以上、本発明を実施例により詳細に説明し
たが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発
明の要旨の範囲内において種々の変形が可能である。例
えば、本発明において、燃料電池の形状等は任意に選択
でき、目的の出力に応じて作製できる。また、誘電体分
散膜や誘電体配設膜は、燃料電池の出力などに応じて、
使用量を調整したり、所望の位置に配置できる。
Although the present invention has been described in detail with reference to the embodiments, the present invention is not limited to these and various modifications can be made within the scope of the gist of the present invention. For example, in the present invention, the shape and the like of the fuel cell can be arbitrarily selected, and the fuel cell can be manufactured according to the target output. In addition, the dielectric dispersion film and the dielectric-arranged film are, depending on the output of the fuel cell,
You can adjust the amount used and place it in the desired position.

【0052】[0052]

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、燃料電池の発電部位に交流電圧を印加し、固体電解
質を局所的、効率的に加熱することとしたため、立ち上
がり時間や解凍時間を短縮し、始動性や再起動性を向上
させた燃料電池、燃料電池発電システム及び燃料電池の
加熱方法を提供することができる。
As described above, according to the present invention, since the alternating voltage is applied to the power generation portion of the fuel cell to locally and efficiently heat the solid electrolyte, the rising time and the thawing time are increased. It is possible to provide a fuel cell, a fuel cell power generation system, and a fuel cell heating method, in which the fuel cell power consumption is shortened and the startability and restartability are improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】燃料電池発電システムのスタック構成及び交流
電源の接続の一例を示す概略図である。
FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a stack configuration of a fuel cell power generation system and an AC power supply connection.

【図2】セル板構造及び交流電源の接続の一例を示す概
略図である。
FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of connection of a cell plate structure and an AC power source.

【図3】単セルと固体電解質層の構成の一例を示す概略
図である。
FIG. 3 is a schematic diagram showing an example of the configuration of a single cell and a solid electrolyte layer.

【図4】単セルと固体電解質層の構成の他の例を示す概
略図である。
FIG. 4 is a schematic diagram showing another example of the configuration of a single cell and a solid electrolyte layer.

【図5】単セルと固体電解質層の構成の更に他の例を示
す概略図である。
FIG. 5 is a schematic view showing still another example of the configurations of the single cell and the solid electrolyte layer.

【図6】単セルと固体電解質層の構成の他の例を示す概
略図である。
FIG. 6 is a schematic diagram showing another example of the configuration of a single cell and a solid electrolyte layer.

【図7】単セルの一例を示す断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view showing an example of a single cell.

【図8】従来の燃料電池の一例を示す概略図である。FIG. 8 is a schematic view showing an example of a conventional fuel cell.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 燃料電池スタック 2 交流電源 3 基板 4 燃料極層 5 固体電解質層 5A 分散層(誘電体分散膜) 5B 配設層(誘電体配設膜) 5C 固体電解質 6 空気極層 7 開口部 8 セパレーター 9 端板 10 シール 20 燃料電池 21 絶縁板 21a PTCヒータ 21b 端子 22 冷却板 23 カーボンシート 24 セパレータ 25 空気極側電極 26 燃料極側電極 27 セパレータ 1 Fuel cell stack 2 AC power supply 3 substrates 4 Fuel pole layer 5 Solid electrolyte layer 5A dispersion layer (dielectric dispersion film) 5B disposition layer (dielectric disposition film) 5C solid electrolyte 6 Air electrode layer 7 openings 8 separator 9 end plates 10 seals 20 fuel cells 21 Insulation plate 21a PTC heater 21b terminal 22 Cooling plate 23 carbon sheet 24 separator 25 Air electrode side electrode 26 Fuel electrode side 27 separator

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01M 8/24 H01M 8/24 E (72)発明者 原 直樹 神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 福沢 達弘 神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 柴田 格 神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 宋 東 神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 菱谷 佳子 神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 佐藤 文紀 神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 内山 誠 神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 櫛引 圭子 神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地 日産 自動車株式会社内 Fターム(参考) 5H026 AA06 CC03 CV06 EE12 EE18 HH05 5H027 AA06 KK46 MM16 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) H01M 8/24 H01M 8/24 E (72) Inventor Naoki Hara 2 Takaracho, Kanagawa-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Nissan Motor Co., Ltd. Incorporated (72) Inventor Tatsuhiro Fukuzawa 2 Takaracho, Kanagawa-ku, Yokohama, Kanagawa Nissan Motor Co., Ltd. (72) Inventor Takashi Shibata 2 Takaracho, Kanagawa-ku, Yokohama, Kanagawa (72) Inventor Song East 2 Takaracho, Kanagawa-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Nissan Motor Co., Ltd. (72) Inventor Keiko Nishitani 2nd Takara-cho, Kanagawa-ku, Yokohama, Kanagawa Nissan Motor Co., Ltd. (72) Fumiki Sato Kanagawa-ku, Yokohama, Kanagawa No. 2 Takaramachi Nissan Motor Co., Ltd. (72) Inventor Makoto Uchiyama 2 Takaracho, Kanagawa-ku, Yokohama-shi, Kanagawa Earth Nissan Automobile Co., Ltd. in the (72) inventor Keiko Kushibiki, Kanagawa Prefecture, Kanagawa-ku, Yokohama-shi Takaracho address 2 Nissan Automobile Co., Ltd. in the F-term (reference) 5H026 AA06 CC03 CV06 EE12 EE18 HH05 5H027 AA06 KK46 MM16

Claims (13)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 固体電解質層を空気極層及び燃料極層で
挟持して成る単セルを、延在方向及び積層方向とほぼ垂
直の方向へ2次元的に複数個連結し一体化して成る燃料
電池であって、 上記固体電解質層が、マトリックスである固体電解質よ
り誘電損失係数の大きい誘電体を含み、 上記空気極層と燃料極層との間に交流電圧を印加可能で
あることを特徴とする燃料電池。
1. A fuel comprising a plurality of unit cells each having a solid electrolyte layer sandwiched between an air electrode layer and a fuel electrode layer, which are two-dimensionally connected and integrated in a direction substantially perpendicular to the extending direction and the stacking direction. A battery, wherein the solid electrolyte layer includes a dielectric material having a larger dielectric loss coefficient than the solid electrolyte that is a matrix, and an alternating voltage can be applied between the air electrode layer and the fuel electrode layer. Fuel cell to do.
【請求項2】 上記固体電解質層が、固体酸化物及び/
又は固体高分子をマトリックスとして成ることを特徴と
する請求項1に記載の燃料電池。
2. The solid electrolyte layer is a solid oxide and / or
Alternatively, the fuel cell according to claim 1, wherein the solid polymer is used as a matrix.
【請求項3】 上記誘電体を、該固体電解質層の全体積
に対して0.1〜50%の割合で含むことを特徴とする
請求項1又は2に記載の燃料電池。
3. The fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the dielectric is contained in a proportion of 0.1 to 50% with respect to the total volume of the solid electrolyte layer.
【請求項4】 上記固体電解質層に上記誘電体を分散さ
せて成ることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つ
の項に記載の燃料電池。
4. The fuel cell according to claim 1, wherein the dielectric is dispersed in the solid electrolyte layer.
【請求項5】 上記固体電解質層が、固体電解質に上記
誘電体を分散させた誘電体分散膜の積層体であることを
特徴とする請求項4に記載の燃料電池。
5. The fuel cell according to claim 4, wherein the solid electrolyte layer is a laminated body of dielectric dispersion films in which the dielectric is dispersed in a solid electrolyte.
【請求項6】 上記固体電解質層が、固体電解質に誘電
体を分散させた誘電体分散膜と固体電解質膜とを交互に
積層して成ることを特徴とする請求項4に記載の燃料電
池。
6. The fuel cell according to claim 4, wherein the solid electrolyte layer is formed by alternately stacking a dielectric dispersion film in which a dielectric is dispersed in a solid electrolyte and a solid electrolyte film.
【請求項7】 上記誘電体分散膜を上記固体電解質層の
表面及び/又は裏面に配置して成ることを特徴とする請
求項5又は6に記載の燃料電池。
7. The fuel cell according to claim 5, wherein the dielectric dispersion film is arranged on the front surface and / or the back surface of the solid electrolyte layer.
【請求項8】 上記固体電解質層に上記誘電体を配設さ
せて成ることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つ
の項に記載の燃料電池。
8. The fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the solid electrolyte layer is provided with the dielectric.
【請求項9】 上記固体電解質層が、固体電解質に上記
誘電体を配設させた誘電体配設膜の積層体であることを
特徴とする請求項8に記載の燃料電池。
9. The fuel cell according to claim 8, wherein the solid electrolyte layer is a laminate of dielectric-arranged films in which the dielectric is arranged in a solid electrolyte.
【請求項10】 上記固体電解質層が、固体電解質に上
記誘電体を配設させた誘電体配設膜と固体電解質膜とを
交互に積層して成ることを特徴とする請求項8に記載の
燃料電池。
10. The solid electrolyte layer according to claim 8, wherein the solid electrolyte membrane is formed by alternately stacking a dielectric-arranged film in which the dielectric is arranged in a solid electrolyte. Fuel cell.
【請求項11】 上記誘電体配設膜を上記固体電解質層
の表面及び/又は裏面に配置して成ることを特徴とする
請求項9又は10に記載の燃料電池。
11. The fuel cell according to claim 9, wherein the dielectric-arranged film is arranged on the front surface and / or the back surface of the solid electrolyte layer.
【請求項12】 請求項1〜11のいずれか1つの項に
記載の燃料電池を用いた燃料電池発電システムであっ
て、 発電部位の温度を検出する温度検出手段を有し、この検
出温度に応じて交流電圧を印加する交流印加手段を上記
燃料極層及び空気極層に接続して成ることを特徴とする
燃料電池発電システム。
12. A fuel cell power generation system using the fuel cell according to any one of claims 1 to 11, further comprising temperature detection means for detecting a temperature of a power generation portion, wherein the detected temperature is A fuel cell power generation system, characterized in that an AC applying means for applying an AC voltage is connected to the fuel electrode layer and the air electrode layer.
【請求項13】 請求項12記載の燃料電池発電システ
ムによる燃料電池の加熱方法であって、 上記交流印加手段が燃料極層と空気極層との間に交流電
圧を印加して、上記固体電解質層に含まれる誘電体を発
熱させ、発電部位を加熱させることを特徴とする燃料電
池の加熱方法。
13. The method for heating a fuel cell by the fuel cell power generation system according to claim 12, wherein the alternating current applying means applies an alternating current voltage between the fuel electrode layer and the air electrode layer to obtain the solid electrolyte. A method for heating a fuel cell, comprising: heating a power generation portion by causing a dielectric contained in the layer to generate heat.
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