JP2005158529A - Fuel battery cell, cell stack, and fuel battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池セル及びセルスタック並びに燃料電池に関し、特に、ガス流路を有する支持基板の一方側主面に固体電解質、電極、他方側主面にインターコネクタを設けてなる燃料電池セル及びセルスタック並びに燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell, a cell stack, and a fuel cell, and in particular, a fuel cell having a solid electrolyte on one main surface of a support substrate having a gas flow path, an electrode, and an interconnector on the other main surface, and The present invention relates to a cell stack 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.
セルスタックを構成する燃料電池セルは、従来、支持体を兼ねる空気極支持体の一方側面にインターコネクタを形成し、このインターコネクタの両端部に端部が重畳する固体電解質を、空気極支持体のインターコネクタ形成位置以外に形成し、さらに固体電解質の表面に燃料極を形成して構成されており、インターコネクタの端部と固体電解質の端部との重畳部が、一方側面に形成されている(特許文献1参照)。 Conventionally, a fuel cell constituting a cell stack has an interconnector formed on one side surface of an air electrode support that also serves as a support, and a solid electrolyte that is overlapped at both ends of the interconnector is provided with an air electrode support. In addition to the position where the interconnector is formed, a fuel electrode is formed on the surface of the solid electrolyte, and an overlapping portion between the end of the interconnector and the end of the solid electrolyte is formed on one side surface. (See Patent Document 1).
このような燃料電池セルでは、固体電解質の両端部とインターコネクタの両端部が重畳しているため、空気極支持体内の空気とセル外部の燃料ガスとを確実に封止でき、固体電解質とインターコネクタとの界面から、空気及び燃料ガスの漏れを抑制できる。 In such a fuel cell, since both ends of the solid electrolyte overlap with both ends of the interconnector, the air in the air electrode support and the fuel gas outside the cell can be reliably sealed, and the solid electrolyte and the interconnect can be sealed. Air and fuel gas leakage can be suppressed from the interface with the connector.
セルスタックは、上記複数の燃料電池セルを所定間隔を置いて配設して構成され、燃料ガスがスタック間に供給され、空気が燃料電池セルの空気極支持体のガス流路に供給されて発電する。
しかしながら、従来の燃料電池セルでは、燃料電池セル間に燃料ガスが供給されるものの、燃料ガスを、燃料極を介して固体電解質へ供給する量が未だ低く、発電に利用される燃料ガスの利用率が低いという問題があった。このため、燃料電池セルの発電性能が未だ低いという問題があった。 However, in conventional fuel cells, although fuel gas is supplied between the fuel cells, the amount of fuel gas supplied to the solid electrolyte via the fuel electrode is still low, and the use of fuel gas used for power generation is still low. There was a problem that the rate was low. For this reason, there existed a problem that the power generation performance of a fuel cell was still low.
本発明は、ガス漏出を防止できるとともに、高出力で高効率な燃料電池セル及びセルスタック並びに燃料電池を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a fuel cell, a cell stack, and a fuel cell that can prevent gas leakage and have high output and high efficiency.
本発明者は、上記課題について鋭意検討した結果、固体電解質の両端部とインターコネクタの両端部とを重畳させ、これらの重畳部を外方に突出させることにより、セルスタックを構成した際に、一方の燃料電池セルと他方の燃料電池セル間にガスが供給されると、一方の燃料電池セルの重畳部により、対向配置された燃料電池セルの電極へガスを強制的に供給でき、固体電解質へのガス供給量を向上できることを見出し、本発明に至った。 As a result of earnestly examining the above problems, the present inventor overlaps both ends of the solid electrolyte and both ends of the interconnector, and when the cell stack is configured by projecting these overlapping portions outward, When gas is supplied between one fuel battery cell and the other fuel battery cell, the gas can be forcibly supplied to the electrodes of the fuel cells arranged opposite to each other by the overlapping portion of the one fuel battery cell. The present inventors have found that the amount of gas supplied to can be improved, and have reached the present invention.
即ち、本発明の燃料電池セルは、ガス流路を有する支持基板の一方側主面に固体電解質、電極、他方側主面にインターコネクタを設け、前記固体電解質の両端部が一方側主面から側面を介して他方側主面まで延設され、前記インターコネクタの両端部とそれぞれ重畳し、該端部が外方に突出していることを特徴とする。 That is, the fuel cell of the present invention is provided with a solid electrolyte on one side main surface of the support substrate having a gas flow path, an electrode, and an interconnector on the other side main surface, and both ends of the solid electrolyte from the one side main surface. It extends to the other side main surface through the side surface, overlaps with both end portions of the interconnector, and the end portions protrude outward.
このような複数の燃料電池セルは、主面が対向するように所定間隔をおいて整列してセルスタックが構成される。 A plurality of such fuel cells are aligned at a predetermined interval so that the main surfaces face each other to form a cell stack.
このような燃料電池セルでは、固体電解質の両端部とインターコネクタの両端部が重畳しているため、この緻密な固体電解質とインターコネクタにより、燃料電池セルの内外を確実に封止でき、支持基板のガス通路を通るガスがセル外側へ漏れること、及びセル外部を通るガスのセル内部への侵入を防止できる。 In such a fuel cell, since both ends of the solid electrolyte overlap with both ends of the interconnector, the inside and outside of the fuel cell can be reliably sealed by this dense solid electrolyte and interconnector, and the support substrate The gas that passes through the gas passage leaks to the outside of the cell, and the gas passing through the outside of the cell can be prevented from entering the inside of the cell.
また、従来の燃料電池セルでは、固体電解質の両端部とインターコネクタの両端部を重畳させるため、空気極支持体内の空気とセル外部の燃料ガスとを封止できるものの、燃料極が重畳部が形成された面にまで形成されており、燃料極表面と重畳部面がほぼ同一であり、重畳部によるガスの強制的供給という機能がないため、ガス利用率が低かったが、本発明の燃料電池セルでは、インターコネクタと固体電解質との重畳部が外方に突出していることにより、セルスタックを構成した際に、燃料電池セル間に向けて供給されたガスを、一方の燃料電池セルの重畳部により、対向配置された燃料電池セルの電極へ強制的に、かつガス流を乱して供給でき、電極を介して固体電解質へ供給されるガス量を向上でき、発電に利用されるガスの利用率を高め、燃料電池セルの発電性能を向上できる。 Moreover, in the conventional fuel cell, since both ends of the solid electrolyte and both ends of the interconnector are overlapped, the air in the air electrode support and the fuel gas outside the cell can be sealed, but the fuel electrode has the overlapping portion. Since the surface of the fuel electrode is substantially the same as the surface of the overlapping portion and there is no function of forced gas supply by the overlapping portion, the gas utilization rate is low. In the battery cell, the overlapping portion of the interconnector and the solid electrolyte protrudes outward, so that when the cell stack is configured, the gas supplied between the fuel cells is transferred to one of the fuel cells. A gas used for power generation can be supplied to the electrodes of the fuel cells arranged opposite to each other forcibly and disturbing the gas flow, and the amount of gas supplied to the solid electrolyte via the electrodes can be improved by the superimposing unit. Usage rate Enhanced, thereby improving the power generation performance of the fuel cell.
本発明の燃料電池セルは、インターコネクタの端部上に固体電解質の端部が積層されていることを特徴とする。また、固体電解質の端部上にインターコネクタの端部が積層されていることを特徴とする。さらに、インターコネクタ上にP型半導体が形成されていることを特徴とする。 The fuel cell according to the present invention is characterized in that the end portion of the solid electrolyte is laminated on the end portion of the interconnector. Further, the end of the interconnector is laminated on the end of the solid electrolyte. Furthermore, a P-type semiconductor is formed on the interconnector.
このような燃料電池セルでは、重畳部間のインターコネクタが凹状になるため、この部分にスクリーン印刷等の手法によりP型半導体を容易に形成することができる。P型半導体は空気極材料からなることを特徴とする。 In such a fuel cell, since the interconnector between the overlapping portions is concave, a P-type semiconductor can be easily formed in this portion by a technique such as screen printing. The P-type semiconductor is made of an air electrode material.
本発明の燃料電池は、セルスタックを、複数収納容器内に収容するとともに、セルスタック間にガスが供給されることを特徴とする。このような燃料電池では、上記したように、重畳部からのガス漏出を防止できるとともに、高出力で高効率な燃料電池セルを提供できるため、信頼性の高い優れたい性能の燃料電池を提供できる。 The fuel cell of the present invention is characterized in that a cell stack is accommodated in a plurality of storage containers, and gas is supplied between the cell stacks. In such a fuel cell, as described above, gas leakage from the overlapping portion can be prevented, and a high-output and high-efficiency fuel cell can be provided. Therefore, a highly reliable fuel cell with excellent performance can be provided. .
本発明の燃料電池セルは、緻密な固体電解質とインターコネクタにより、燃料電池セルの内外を確実に封止でき、支持基板のガス通路を通るガスがセル外側へ漏れること、及びセル外部を通るガスのセル内部への侵入を防止できるとともに、セルスタックを構成した際に、燃料電池セル間に向けて供給されたガスを、一方の燃料電池セルの重畳部により、対向配置された燃料電池セルの電極へ強制的に、かつガス流を乱して供給でき、電極を介して固体電解質へ供給されるガス量を向上でき、発電に利用されるガスの利用率を高め、燃料電池セルの発電性能を向上できる。 The fuel cell of the present invention can reliably seal the inside and outside of the fuel cell by the dense solid electrolyte and the interconnector, and the gas passing through the gas passage of the support substrate leaks to the outside of the cell, and the gas passing through the outside of the cell. Can be prevented from entering the inside of the cell, and when the cell stack is configured, the gas supplied toward the fuel cell is made to flow between the fuel cells arranged opposite to each other by the overlapping portion of one fuel cell. The gas flow can be forcibly and turbulently supplied to the electrode, the amount of gas supplied to the solid electrolyte via the electrode can be improved, the utilization rate of the gas used for power generation is increased, and the power generation performance of the fuel cell Can be improved.
本発明の燃料電池セルを図1に基づき説明する。図1において、燃料電池セル30は板状でかつ柱状であり、その内部には断面が扁平状の支持基板31を備えている。支持基板31の内部には、適当な間隔で複数の燃料ガス通路31aが貫通して形成されており、燃料電池セル30は、この支持基板31上に各種の部材が設けられた構造を有している。
The fuel cell of the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 1, the
即ち、燃料電池セル30は、支持基板31の一方側主面に、燃料極32、固体電解質33、酸素極34を形成し、他方側主面にインターコネクタ35を形成して構成されており、固体電解質33の両端部が一方側主面から側面を介して他方側主面まで延設され、インターコネクタ35の両端部とそれぞれ重畳しており、これらの重畳部A、Bが外方に突出している。
That is, the
固体電解質33の両端部とインターコネクタ35の両端部とが重畳しているため、セル内外を有効に封止でき、セル内部の燃料ガスが外部に漏出したり、セル外部の酸素含有ガスがセル内部に漏出することを防止できる。
Since both ends of the
重畳部A,Bは、固体電解質33の端部上にインターコネクタ35の端部を積層して構成され、燃料電池セル30に軸長方向に、かつ平行に形成されている。重畳部A,B間の外面は凹とされ、この重畳部A,B間の中央部に位置する凹面には、P型半導体36が形成されている。重畳部A,Bの端部は、研磨等により面取りすることもできる。この場合は、酸素含有ガスを対向するセルに向けてガス流れをより滑らかに変えることができる。
The overlapping portions A and B are configured by stacking the end portion of the
また、支持基板31とインターコネクタ35の間には接合層37が形成され、固体電解質33と酸素極34との間には拡散防止層38が形成されている。
A
支持基板31は、図1に示したように、平坦状の主面と両側面の弧状部とからなっている。主面の両面は互いにほぼ平行に形成されており、主面の一方の面と両側の弧状部を覆うように燃料極層32が形成されており、さらに、この燃料極層32を覆うように、緻密質な固体電解質33が積層されており、この固体電解質層33の上には、燃料極層32と対面するように、主面の一方の表面に酸素極34が積層されている。また、燃料極層32及び固体電極層33が積層されていない他方の主面には、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、支持基板31の表面が外部に露出しないように構成されている。
As shown in FIG. 1, the
上記のような構造の燃料電池セルでは、燃料極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、且つ支持基板31内のガス通路31a内に燃料ガス(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 of 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、支持基板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)
The current generated by the power generation is collected through the
(支持基板31)
上記のような構造を有する本発明の燃料電池セル30において、支持基板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が要求されるが、このような要求を満たすと同時に、同時焼成により生じる不都合を回避するために、Ni金属成分とY2O3、Yb2O3などの希土類酸化物とから支持基板31を構成する。
(Support substrate 31)
In the
Ni金属成分は、支持基板31に導電性を付与するためのものであり、Ni金属単体であってもよいし、またNi金属酸化物、Ni金属の合金もしくは合金酸化物であってもよい。本発明では、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を使用しているが、鉄族金属成分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の何れをも使用することができる。
The Ni metal component is for imparting electrical conductivity to the
また希土類酸化物成分は、支持基板31の熱膨張係数を、固体電解質層33を形成している安定化ジルコニアと近似させるために使用されるものであり、高い導電率を維持し且つ固体電解質層33等への拡散を防止するために、特に安価であるという点で、Y2O3,Yb2O3を使用している。固体電解質層33等への拡散を防止することができるのであれば、Y,Lu,Yb,Tm,Er,Ho,Dy,Gd,Sm,Prからなる群より選ばれた少なくとも1種の希土類元素を含む酸化物の何れをも使用することができる。
The rare earth oxide component is used to approximate the thermal expansion coefficient of the
本発明においては、特に支持基板31の熱膨張係数を安定化ジルコニアと近似させるという点で、上述した鉄族成分は、支持基板31中に35〜65体積%の量で含まれ、希土類酸化物は、支持基板31中に35〜65体積%の量で含まれていることが好適である。
In the present invention, the iron group component described above is contained in the
上記のような鉄族金属成分と希土類酸化物とから構成される支持基板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乃至50%の範囲にあることが好適である。また、支持基板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。
Since the
(燃料極層32)
本発明において、燃料極層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層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 electrode layer 32)
In the present invention, the
燃料極層32中の安定化ジルコニア含量は、35乃至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乃至35体積%であるのがよい。さらに、この燃料極層32の開気孔率は、15%以上、特に20乃至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。例えば、燃料極層32の厚みがあまり薄いと、性能が低下するおそれがあり、またあまり厚いと、固体電解質層33と燃料極層32との間で熱膨張差による剥離等を生じるおそれがある。
The stabilized zirconia content in the
また、図1の例では、燃料極層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主面にのみ燃料極32が形成されていてもよい。さらには、支持基板31の全周にわたって燃料極32を形成することも可能である。
Further, in the example of FIG. 1, the
(固体電解質層33)
この燃料極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)と呼ばれる緻密質な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、安価であるという点からY、Yb、Scが望ましい。
(Solid electrolyte layer 33)
The
この固体電解質層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。
The stabilized zirconia ceramics forming the
(酸素極34)
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 34)
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乃至50%の範囲にあることが望ましい。
Further, 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
酸素極34は、支持基板31の一方側主面にのみ形成されているが、弧状部にまで形成されていても良い。また、重畳部A、Bが酸素極34よりも突出するようであれば、酸素極34が他側主面にまで形成されていても良いが、支持基板31内の電流経路、製造上の観点から、酸素極34は一方側主面にのみ形成することが望ましい。
The
(インターコネクタ35)
上記の酸素極34に対面する位置において、支持基板31上に接合層37を介して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系酸化物)が使用される。また、支持基板31の内部を通る燃料ガス及び支持基板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 35)
The
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。即ち、この範囲よりも厚みが薄いと、ガスのリークを生じやすく、またこの範囲よりも厚みが大きいと、電気抵抗が大きく、電位降下により集電機能が低下してしまうおそれがあるからである。
The
(P型半導体36)
インターコネクタ35の外面(上面)には、P型半導体36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)では、インターコネクタ35には、導電性の集電部材(図示せず)が接続されるが、集電部材をインターコネクタ35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。
(P-type semiconductor 36)
A P-
しかるに、集電部材を、P型半導体36を介してインターコネクタ35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の支持基板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 member to the
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36の厚みは、一般に、30乃至100μmの範囲にあることが好ましい。P型半導体としては、酸素極材料から形成することが望ましい。
Specifically, those having higher electronic conductivity than LaCrO 3 oxides constituting the
(接合層37)
接合層37は支持基板31とインターコネクタ35を接着させる層であり、Ni金属及び/又はNi金属の酸化物と希土類で安定化したジルコニアからなり、接合層37中の安定化ジルコニア含量は、35乃至45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乃至55体積%であるのがよい。燃料極層32の熱膨張係数より接合層37の熱膨張係数の方が大きくすることで、インターコネクタ35と接合層37との熱膨張差を小さくすることができるため、インターコネクタ35のクラック発生、インターコネクタ35の支持基板31からの剥離を抑えることができるからである。
(Junction layer 37)
The
(拡散防止層38)
固体電解質33と、酸素極34との間に拡散防止層38を有する。拡散防止層38は、(CeO2)1−x(SmO1.5)x(0<x≦0.3)の一般式で表わされるSmが固溶したCeO2からなる複合酸化物であることが好ましい。特に、電気抵抗を低減するという点から、一般式中のxが、0.1≦x≦0.2で表される組成のSm2O3が固溶したCeO2からなることが望ましい。さらに、これに拡散を遮断または抑制する効果を高くするために、他の希土類元素の酸化物を含有するものであっても良い。
(Diffusion prevention layer 38)
A
また、拡散防止層38はSm2O3が固溶したCeO2の凝集度を5〜35に調整していることが好ましい。これにより、焼成収縮を制御でき、固体電解質33の剥離やクラック発生を防止することができる。特に、発電性能が低下を防止できるという点で、凝集度を5〜15に調整することが望ましい。
Moreover, it is preferable that 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。先ず、La、Ce、Pr、Ndの元素を除く希土類元素酸化物粉末とNi及び/又はNiO粉末を混合し、この混合粉末に、有機バインダーと、溶媒とを混合した支持基板材料を押出成形して支持基板成形体を作製する。
(Manufacture of fuel cells)
The fuel battery cell having the above structure is manufactured as follows. First, a rare earth element oxide powder excluding La, Ce, Pr, and Nd elements and Ni and / or NiO powder are mixed, and a support substrate material in which an organic binder and a solvent are mixed is extruded into the mixed powder. To produce a support substrate molded body.
次に、Ni及び/又はNiO粉末と希土類元素が固溶したZrO2粉末と有機バインダーと溶媒とを混合し、燃料側電極成形体となるスラリーを作製する。 Next, Ni and / or NiO powder, ZrO 2 powder in which a rare earth element is dissolved, an organic binder, and a solvent are mixed to produce a slurry that becomes a fuel-side electrode molded body.
次に、前記支持基板成形体の一方側主面に燃料側電極となるスラリーをメッシュ製版を用いて2〜10μm厚みになるように塗布し、80〜150℃の温度で乾燥する。 Next, the slurry used as a fuel side electrode is apply | coated to the thickness of 2-10 micrometers using the mesh platemaking on the one side main surface of the said support substrate molded object, and it dries at the temperature of 80-150 degreeC.
次に、希土類元素が固溶したZrO2粉末と、有機バインダーと、溶媒を混合した固体電解質材料を用いてシート状の固体電解質成形体を作製する。次に、前記固体電解質成形体の一方側に前記燃料側電極となるスラリーを塗布し、前記支持基板成形体の一方側主面に形成された燃料側電極となる塗布膜に、固体電解質成形体の燃料側電極となる塗布膜が当接するように、かつ、固体電解質成形体の両端面が、他方側主面で所定間隔をおいて離間するように覆い巻き付け、80〜150℃の温度で乾燥する。 Next, a sheet-like solid electrolyte molded body is prepared using a solid electrolyte material in which a rare earth element is solid-solved ZrO 2 powder, an organic binder, and a solvent. Next, a slurry to be the fuel side electrode is applied to one side of the solid electrolyte molded body, and the solid electrolyte molded body is applied to the coating film to be the fuel side electrode formed on the one main surface of the support substrate molded body. Wrapped so that the coating film serving as the fuel-side electrode contacts and the both end surfaces of the solid electrolyte molded body are spaced apart from each other at a predetermined interval on the other main surface, and dried at a temperature of 80 to 150 ° C. To do.
次に、ランタン−クロム系酸化物粉末と、有機バインダーと、溶媒を混合したインターコネクタ材料を用いてシート状のインターコネクタ成形体を作製する。 Next, a sheet-like interconnector molded body is prepared using an interconnector material in which a lanthanum-chromium oxide powder, an organic binder, and a solvent are mixed.
次に、Ni及び/又はNiO粉末、希土類元素が固溶したZrO2粉末、有機バインダー、溶媒を混合した中間膜成形体となるスラリーを作製し、前記インターコネクタ成形体の片方の面に塗布する。 Next, a slurry to be an intermediate film molded body in which Ni and / or NiO powder, ZrO 2 powder in which a rare earth element is dissolved, an organic binder, and a solvent is mixed is prepared and applied to one side of the interconnector molded body .
次に、このシート状のインターコネクタ成形体にスラリーを塗布した面が、露出した支持基板成形体に当接するように、かつ、インターコネクタ成形体の両端部が固体電解質成形体の両端部に当接するように積層する。 Next, the surface on which the slurry is applied to the sheet-like interconnector molded body is in contact with the exposed support substrate molded body, and both ends of the interconnector molded body abut both ends of the solid electrolyte molded body. Laminate to touch.
これにより、支持基板成形体の一方側主面に、燃料側電極成形体、固体電解質成形体を順次積層するとともに、他方側主面に中間膜成形体、インターコネクタ成形体が積層され、インターコネクタ成形体の両端部が固体電解質成形体の両端部に積層された積層成形体を作製する。なお、各成形体はドクターブレードによるシート成形や印刷、スラリーディップ、スプレーによる吹き付けなどにより作製することができ、または、これらの組み合わせにより作製してもよい。 As a result, the fuel-side electrode molded body and the solid electrolyte molded body are sequentially laminated on one side main surface of the support substrate molded body, and the intermediate film molded body and the interconnector molded body are laminated on the other main surface. A laminated molded body is produced in which both ends of the molded body are laminated on both ends of the solid electrolyte molded body. In addition, each molded object can be produced by sheet | seat shaping | molding by a doctor blade, printing, slurry dip, spraying by spraying, etc., or may be produced by a combination thereof.
次に、積層成形体を脱脂処理し、酸素含有雰囲気中で1300〜1600℃で同時焼成する。 Next, the multilayer molded body is degreased and cofired at 1300 to 1600 ° C. in an oxygen-containing atmosphere.
次に、P型半導体である遷移金属ペロブスカイト型酸化物粉末と、溶媒とを混合し、ペーストを作製し、前記積層体をこのペースト中に浸漬し、固体電解質33、インターコネクタ35の表面に酸素側電極成形体、P型半導体成形体をディッピングにより形成するか、または、スクリーン印刷したり、直接スプレー塗布し、1000〜1300℃で焼き付けることにより、本発明の燃料電池セル30を作製できる。インターコネクタの両端部と固体電解質の両端部の重畳部は外部に突出しており、その間には凹部が形成されているため、その凹部にディッピング、スクリーン印刷することにより容易に形成できる。
Next, a transition metal perovskite oxide powder, which is a P-type semiconductor, and a solvent are mixed to prepare a paste. The laminate is immersed in the paste, and oxygen is deposited on the surfaces of the
なお、燃料電池セル30は、酸素含有雰囲気での焼成により、支持基板31、燃料側電極32、接合層37中のNi成分が、NiOとなっているため、その後、支持基板31側から還元性の燃料ガスを流し、NiOを800〜1000℃で還元処理する。また、この還元処理は発電時に行ってもよい。
In addition, since the Ni component in the
セルスタックは、図2に示すように、複数の燃料電池セル30を、その主面が対向するように所定間隔を置いて配置されており、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(図示せず)を介在させ、一方の燃料電池セル30の支持基板31を、該支持基板31に設けられた接合層37、インターコネクタ35、P型半導体36、集電部材を介して他方の燃料電池セル30の酸素側電極34に電気的に直列接続して構成されている。
As shown in FIG. 2, the cell stack has a plurality of
集電部材は、耐熱性、耐酸化性、電気伝導性という点から、Pt、Ag、Ni基合金、Fe−Cr鋼合金の少なくとも一種からなることが望ましい。 The current collecting member is preferably made of at least one of Pt, Ag, Ni-base alloy, and Fe—Cr steel alloy from the viewpoint of heat resistance, oxidation resistance, and electrical conductivity.
本発明の燃料電池は、図2のセルスタックを、収納容器内に複数整列収納して構成されており、複数のセルスタック間には酸素含有ガス供給管22が設けられている。この収納容器には、外部から水素等の燃料ガス及び空気等の酸素含有ガスを燃料電池セル30に導入する導入管が設けられており、燃料電池セル30が所定温度に加熱されることにより発電し、使用された燃料ガス、酸素含有ガスは混合されて燃焼され、収納容器外に排出される。
The fuel cell of the present invention is configured by arranging and storing a plurality of the cell stacks of FIG. 2 in a storage container, and an oxygen-containing
図3は、本発明の他の形態を示すもので、この形態では、インターコネクタ35の端部上に固体電解質33の端部が積層され、外部に突出する重畳部A,Bを形成している。このような燃料電池セルでも、重畳部A,Bが外部に突出しており、その間には凹部が形成されている。従って、図1に示す燃料電池セルと同様の作用効果を得ることができる。さらに、この図3の場合には、セルスタック間からの酸素含有ガスを、重畳部A,Bにより滑らかに対向するセルの酸素極に供給できるため、より望ましい。
FIG. 3 shows another embodiment of the present invention. In this embodiment, the end portion of the
なお、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、内側電極を酸素極から形成してもよい。 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, the inner electrode may be formed from an oxygen electrode.
また、支持基板と内側電極を同じ組成で形成してもよく、例えば、NiとY2O3を固溶したZrO2を用いてもよい。この場合には、支持基板と内側電極とが、支持体を兼ねる内側電極に置き換えられることになる。 Further, the support substrate and the inner electrode may be formed with the same composition. For example, ZrO 2 in which Ni and Y 2 O 3 are dissolved may be used. In this case, the support substrate and the inner electrode are replaced with an inner electrode that also serves as a support.
22・・・酸素含有ガス供給管
30・・・燃料電池セル
31・・・支持基板
31a・・・ガス流路
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
36・・・P型半導体
A、B・・・重畳部
22 ... Oxygen-containing
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