JP2005174663A - Single chamber fuel cell - Google Patents

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Masaru Miyayama
勝 宮山
Yuji Noguchi
祐二 野口
Keisuke Nagasaka
圭介 永坂
Atsushi Akiyama
淳志 秋山
Kazutomo Hoshino
和友 星野
Kazuaki Takahashi
和明 高橋
Noriyuki Takahashi
憲之 高橋
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Mitsui Mining and Smelting Co Ltd
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Mitsui Mining and Smelting Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a single chamber fuel cell in which power generation characteristics are improved. <P>SOLUTION: The single chamber fuel cell 1 is capable of generating electric power by means of a mixture gas with oxidizer gas containing hydrocarbon-based fuel gas and oxygen, and is composed of a perovskite type oxide expressed by a following general formula of an air electrode 5: La<SB>1-x</SB>Sr<SB>x</SB>Co<SB>1-y</SB>Fe<SB>y</SB>O<SB>(3±δ)</SB>. The fuel cell 1 is configured for a support body, a fuel electrode, an electrolyte film, and an air electrode to be laminated in this order, and the support body is preferably composed of a porous body in which a constituting material of the fuel electrode is retracted in a pore of a metal porous body. In the formula, 0.1≤x≤0.9, 0.1≤y≤0.9, and 0≤δ<1. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、炭化水素系燃料ガスと、酸素を含む酸化剤ガスとの混合ガスによって発電が可能な単室型固体電解質燃料電池に関する。   The present invention relates to a single-chamber solid electrolyte fuel cell capable of generating electric power using a mixed gas of a hydrocarbon fuel gas and an oxidant gas containing oxygen.

燃料電池は、例えば空気と水素とをそれぞれ酸化剤ガス及び燃料ガスとして用い、燃料が酸化する際の自由エネルギー変化を直接電力として取り出す電池である。特にイットリア安定化ジルコニア等の酸化物固体電解質を用い、1000℃の高温で作動する高温型固体電解質燃料電池は、発電効率が高くまた廃熱を有効利用できることから大型の発電機として注目されている。   A fuel cell is a cell that uses, for example, air and hydrogen as an oxidant gas and a fuel gas, respectively, and directly takes out a free energy change when the fuel is oxidized as electric power. In particular, high-temperature solid electrolyte fuel cells that use oxide solid electrolytes such as yttria-stabilized zirconia and operate at a high temperature of 1000 ° C. are attracting attention as large generators because of their high power generation efficiency and effective use of waste heat. .

しかしこれらの燃料電池は、各電極に別個にガスを供給する二室型方式であることから、セパレータやガスシール材が必要となる。また、作動温度が1000℃前後という高温であること、及びセルを構成する材料が耐熱性のセラミックス材料であることから、燃料電池の信頼性、長期間の耐久性に問題があった。更に、電池の作動及び停止に時間がかかるという欠点があり、急熱、急冷に耐えることができなかった。従って高温型固体電解質燃料電池は、家庭用の小型コジェネレーションシステムや、自動車の補助電源及び電気自動車の電源等の移動用の発電器としての用途には適していなかった。   However, since these fuel cells are of a two-chamber type that supplies gas to each electrode separately, a separator and a gas seal material are required. In addition, since the operating temperature is as high as about 1000 ° C. and the material constituting the cell is a heat-resistant ceramic material, there are problems in the reliability and long-term durability of the fuel cell. Furthermore, there is a drawback that it takes time to operate and stop the battery, and it has not been able to withstand rapid heating and rapid cooling. Therefore, the high-temperature solid electrolyte fuel cell is not suitable for use as a small-sized cogeneration system for home use or a moving generator such as an auxiliary power source for automobiles and a power source for electric cars.

一方、固体電解質としてプロトン伝導体の固体高分子膜を使用し、100℃以下で作動する固体高分子型燃料電池の開発が進んでいる。しかしこの種の燃料電池は比較的低温で作動させるために燃料を外部で改質し水素として燃料電池に供給しなければならない。また、メタノールを燃料とする燃料電池も提案されているが、比較的低温で燃料を反応させるために高価な貴金属触媒を多量に使用しなければならない。   On the other hand, development of a solid polymer type fuel cell that uses a solid polymer membrane of a proton conductor as a solid electrolyte and operates at 100 ° C. or less is progressing. However, in order to operate this type of fuel cell at a relatively low temperature, the fuel must be reformed externally and supplied to the fuel cell as hydrogen. In addition, a fuel cell using methanol as a fuel has been proposed, but a large amount of an expensive noble metal catalyst must be used in order to react the fuel at a relatively low temperature.

近年、炭化水素系燃料ガスと、酸素を含む酸化剤ガスとの混合ガスにより発電が可能な単室型の高温型固体電解質燃料電池が注目されている(特許文献1及び2参照)。単室型の燃料電池は、二室型の燃料電池で必要とされてきたセパレータやガスシール材が不要であることから、二室型の燃料電池に比較して燃料電池の信頼性や長期間の耐久性が向上することが期待されている。また、固体高分子型燃料電池と異なり、燃料の改質が不要であり、貴金属触媒も必要ないという利点がある。しかし単室型の燃料電池では、燃料極及び空気極の双方に混合ガスが供給されるので、燃料極と燃料ガスとの反応、及び空気極と酸化剤ガスとの反応を選択的に行うことが容易ではない。従って発電特性を向上させることが二室型の燃料電池に比較して困難であった。   In recent years, attention has been focused on single-chamber high-temperature solid electrolyte fuel cells that can generate power using a mixed gas of a hydrocarbon-based fuel gas and an oxidant gas containing oxygen (see Patent Documents 1 and 2). A single-chamber fuel cell does not require a separator or gas seal material that has been required for a two-chamber fuel cell. This is expected to improve the durability. Further, unlike the polymer electrolyte fuel cell, there is an advantage that no reforming of the fuel is necessary and no precious metal catalyst is necessary. However, in a single-chamber fuel cell, a mixed gas is supplied to both the fuel electrode and the air electrode. Therefore, the reaction between the fuel electrode and the fuel gas and the reaction between the air electrode and the oxidant gas are selectively performed. Is not easy. Therefore, it has been difficult to improve the power generation characteristics as compared with the two-chamber fuel cell.

特開2002−151098号公報JP 2002-151098 A 特開2002−280017号公報JP 2002-280017 A

従って本発明は、前述した従来技術が有する種々の問題点を解消し得る単室型燃料電池を提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a single-chamber fuel cell that can solve the various problems of the prior art described above.

本発明は、炭化水素系燃料ガスと、酸素を含む酸化剤ガスとの混合ガスによって発電が可能な単室型燃料電池において、
空気極が以下の一般式(1)で表されるペロブスカイト型酸化物からなることを特徴とする単室型燃料電池を提供することにより前記目的を達成したものである。
La1-xSrxCo1-yFey(3±δ) (1)
(式中、0.1≦x≦0.9、0.1≦y≦0.9、0≦δ<1である。)
The present invention relates to a single-chamber fuel cell capable of generating electric power using a mixed gas of a hydrocarbon fuel gas and an oxidant gas containing oxygen.
The object is achieved by providing a single-chamber fuel cell characterized in that the air electrode is made of a perovskite oxide represented by the following general formula (1).
La 1-x Sr x Co 1-y Fe y O (3 ± δ ) (1)
(In the formula, 0.1 ≦ x ≦ 0.9, 0.1 ≦ y ≦ 0.9, and 0 ≦ δ <1.)

本発明の単室型燃料電池によれば、燃料電池の発電特性が向上する。また特定の支持体を用いることで、燃料電池の強度及び耐熱衝撃性も向上する。   According to the single-chamber fuel cell of the present invention, the power generation characteristics of the fuel cell are improved. Further, by using a specific support, the strength and thermal shock resistance of the fuel cell are also improved.

以下本発明を、その好ましい実施形態に基づき図面を参照しながら説明する。図1には本発明の単室型燃料電池の一実施形態の模式図が示されている。本実施形態の燃料電池1は、支持体2、燃料極3、電解質膜4及び空気極5がこの順で積層されてなる。燃料電池1は、炭化水素系燃料ガスと、酸素を含む酸化剤ガスとの混合ガスによって発電が可能なものである。混合ガスは、燃料極及び空気極の双方に供給される。   The present invention will be described below based on preferred embodiments with reference to the drawings. FIG. 1 shows a schematic diagram of an embodiment of a single-chamber fuel cell of the present invention. The fuel cell 1 according to this embodiment includes a support 2, a fuel electrode 3, an electrolyte membrane 4, and an air electrode 5 stacked in this order. The fuel cell 1 is capable of generating electric power using a mixed gas of a hydrocarbon fuel gas and an oxidant gas containing oxygen. The mixed gas is supplied to both the fuel electrode and the air electrode.

本発明は、空気極5として特定のペロブスカイト型酸化物を用いることを特徴としている。特定のペロブスカイト型酸化物としては以下の一般式(1)で表されるものが用いられる。後述する実施例から明らかなように、この物質は、従来単室型燃料電池の空気極として用いられてきた物質、例えばLaSrMnO3、LaSrCoO3、SmSrMnO3などに比較して燃料ガスの酸化反応に一層不活性であり、空気極へ吸着した酸素分子の還元反応に一層活性である。その結果、本実施形態の燃料電池1は従来の単室型燃料電池に比較して発電効率が非常に向上したものとなる。
La1-xSrxCo1-yFey(3±δ) (1)
(式中、0.1≦x≦0.9、0.1≦y≦0.9である。またδは一般式(1)におけるLa、Sr、Co及びFeとOとの化学量論比を整合させる数を表し、0≦δ<1である。)
The present invention is characterized by using a specific perovskite oxide as the air electrode 5. As the specific perovskite oxide, those represented by the following general formula (1) are used. As will be apparent from the examples described later, this substance is used in the oxidation reaction of fuel gas as compared with substances conventionally used as the air electrode of a single-chamber fuel cell, such as LaSrMnO 3 , LaSrCoO 3 , SmSrMnO 3, etc. It is more inert and more active in the reduction reaction of oxygen molecules adsorbed on the air electrode. As a result, the power generation efficiency of the fuel cell 1 of the present embodiment is greatly improved as compared with the conventional single-chamber fuel cell.
La 1-x Sr x Co 1-y Fe y O (3 ± δ ) (1)
(Where 0.1 ≦ x ≦ 0.9 and 0.1 ≦ y ≦ 0.9. Also, δ is the stoichiometric ratio of La, Sr, Co, and Fe and O in the general formula (1). Represents the number to match, and 0 ≦ δ <1.)

本発明者らの検討の結果、一般式(1)で表される物質はイオン伝導性及び電子伝導性を兼ね備えた混合導電体であることが判明した。燃料電池1における電極反応は、反応ガス−固体電解質(イオン伝導体)−電極材料(電子伝導体)の三相が相接する三相界面近傍で生ずると考えられる。空気極5での酸素のイオン化反応は(1/2)O2+2e-→O2-に従い進行する。この反応は一般には上記の三相界面で進行するが、前記の混合導電体ではその表面でも進行することが判明した。その結果、前記の混合導電体には、有効面積が格段に大きくなり、高電流密度まで分極が生じないという利点がある。 As a result of the study by the present inventors, it has been found that the substance represented by the general formula (1) is a mixed conductor having both ionic conductivity and electronic conductivity. The electrode reaction in the fuel cell 1 is considered to occur near the three-phase interface where the three phases of the reaction gas, the solid electrolyte (ion conductor), and the electrode material (electronic conductor) are in contact. The ionization reaction of oxygen at the air electrode 5 proceeds according to (1/2) O 2 + 2e → O 2− . This reaction generally proceeds at the above three-phase interface, but it has been found that the above mixed conductor also proceeds on the surface. As a result, the mixed conductor has the advantage that the effective area is remarkably increased and no polarization occurs up to a high current density.

特に、一般式(1)におけるxが0.2≦x≦0.8であり、yが0.2≦y≦0.8である場合にはイオン伝導性が極めて高くなる。例えばx=0.8、y=0.2の場合には、800℃でのイオン伝導度が1.1Scm-2となり、この値はイオン伝導体として良く知られている酸化ジルコニウムや酸化セリウムのイオン伝導度の数十倍〜数百倍である。その結果、表面でイオン化された酸素イオンは結晶中を十分に高速で移動できるようになる。従って一般式(1)で表される物質は効率の高い酸素極材料として極めて適したものとなる。 In particular, when x in the general formula (1) is 0.2 ≦ x ≦ 0.8 and y is 0.2 ≦ y ≦ 0.8, the ion conductivity is extremely high. For example, when x = 0.8 and y = 0.2, the ionic conductivity at 800 ° C. is 1.1 Scm −2 , which is a value of zirconium oxide or cerium oxide well known as an ionic conductor. It is several tens to several hundred times the ionic conductivity. As a result, oxygen ions ionized on the surface can move through the crystal at a sufficiently high speed. Therefore, the substance represented by the general formula (1) is extremely suitable as a highly efficient oxygen electrode material.

一般式(1)で表される物質は、La23、SrCoO3、CoO及びFeOの各粉末を混合し、焼成することで得られる。各粉末の配合量は、最終的に得られる物質におけるLa、Sr、Co及びFeの量が、一般式(1)で表される組成となるような量とする。 The substance represented by the general formula (1) can be obtained by mixing and firing each powder of La 2 O 3 , SrCoO 3 , CoO and FeO. The amount of each powder is such that the amounts of La, Sr, Co, and Fe in the finally obtained substance have a composition represented by the general formula (1).

空気極5の厚みは本発明において臨界的ではないが、5〜300μm、特に10〜100μmであることが好ましい。   The thickness of the air electrode 5 is not critical in the present invention, but is preferably 5 to 300 μm, particularly preferably 10 to 100 μm.

燃料電池1における支持体2は金属多孔質体を有している。支持体2は燃料電池1の強度を高める役割を有している。また支持体2は集電体としても作用する。金属多孔質体の気孔内には燃料極3の構成材料が入り込んだ状態となっている。つまり支持体2は、金属多孔質体と燃料極3の構成材料との複合体、即ち複合多孔質体となっている。支持体2をこのような複合多孔質体とすることで、金属多孔質体を単体で用いる場合に比較して、燃料電池1の強度及び耐熱衝撃性を向上させることができる。   The support 2 in the fuel cell 1 has a metal porous body. The support 2 has a role of increasing the strength of the fuel cell 1. The support 2 also acts as a current collector. The constituent material of the fuel electrode 3 enters the pores of the metal porous body. That is, the support 2 is a composite of the metal porous body and the constituent material of the fuel electrode 3, that is, a composite porous body. By using such a composite porous body as the support 2, the strength and thermal shock resistance of the fuel cell 1 can be improved as compared with the case where the metal porous body is used alone.

金属多孔質体は、炭化水素系ガスに対して触媒活性作用を有することが好ましい。また金属多孔質体は耐熱性を有することが好ましい。これらの観点から、金属多孔質体としてニッケル、ニッケル合金、ハステロイ又はステンレス鋼を用いることが好ましい。これらの材料からなる金属多孔質体を用いることで、発電特性を向上させつつ、燃料電池1の強度及び耐熱衝撃性を向上させることができる。   The metal porous body preferably has a catalytic activity for hydrocarbon gases. The metal porous body preferably has heat resistance. From these viewpoints, it is preferable to use nickel, nickel alloy, hastelloy or stainless steel as the metal porous body. By using a porous metal body made of these materials, the strength and thermal shock resistance of the fuel cell 1 can be improved while improving the power generation characteristics.

金属多孔質体はその多孔度が20〜97体積%、特に50〜80体積%であることが、燃料電池1の強度及び耐熱衝撃性の向上の点、及び発電特性の向上の点から好ましい。同様の理由により、金属多孔質体はその厚さが数十μm〜数mmであることが好ましい。また金属多孔質体の厚さをこの程度にすることで、後述する電解質膜を薄膜化でき、燃料電池1の内部抵抗を低減させることができる。内部抵抗の低減は燃料電池1を高効率化させる点から極めて有利である。   The porosity of the metal porous body is preferably 20 to 97% by volume, particularly 50 to 80% by volume, from the viewpoint of improving the strength and thermal shock resistance of the fuel cell 1 and improving the power generation characteristics. For the same reason, the metal porous body preferably has a thickness of several tens of μm to several mm. In addition, by setting the thickness of the metal porous body to this level, an electrolyte membrane described later can be thinned, and the internal resistance of the fuel cell 1 can be reduced. Reduction of internal resistance is extremely advantageous from the viewpoint of increasing the efficiency of the fuel cell 1.

金属多孔質体の気孔は連通孔(オープンセル)であることが燃料ガスの良好な流通の点から好ましい。同様の理由により、気孔径は10μm〜数百μmであることが好ましい。   The pores of the metal porous body are preferably communication holes (open cells) from the viewpoint of good flow of fuel gas. For the same reason, the pore diameter is preferably 10 μm to several hundred μm.

燃料電池1の強度及び耐熱衝撃性を一層高める観点並びに発電特性を一層高める観点から、複合多孔質体からなる支持体2は、燃料極3の構成材料の粉末を、例えばペーストの状態で金属多孔質体の充填して形成されたものであることが好ましい。効果的な複合化の観点から、燃料極3の構成材料の粉末は、例えばペーストの状態で金属多孔質体に塗布されることが好ましい。更に支持体2は、燃料極3の構成材料の粉末の充填後、金属多孔質体をプレス加工又はロール加工して圧縮変形させて得られたものであることが好ましい。プレス加工やロール加工による金属多孔質体の圧縮の程度は、圧縮前の厚みの10〜90%、特に30〜70%であることが効果的である。   From the viewpoint of further increasing the strength and thermal shock resistance of the fuel cell 1 and further improving the power generation characteristics, the support 2 made of a composite porous body is made of a metal porous material in the form of a paste, for example, in the form of paste. It is preferably formed by filling a material. From the viewpoint of effective compounding, the constituent material powder of the fuel electrode 3 is preferably applied to the metal porous body in a paste state, for example. Furthermore, it is preferable that the support 2 is obtained by compressing and deforming a metal porous body by pressing or rolling after filling the powder of the constituent material of the fuel electrode 3. It is effective that the degree of compression of the metal porous body by pressing or roll processing is 10 to 90%, particularly 30 to 70% of the thickness before compression.

金属多孔質体には、炭化水素系ガスに対する触媒活性物質であるCu、Zn、Ru、Pt、Rhなどを坦持させてもよい。   The metal porous body may carry Cu, Zn, Ru, Pt, Rh, etc., which are catalytically active substances for hydrocarbon gases.

燃料電池1における燃料極3としては、従来この種の燃料電池に用いられてきた材料を特に制限なく用いることができる。例えばニッケルとCe0.8Gd0.21.9との混合体を用いることができる。特に好ましい材料はニッケル又は酸化ニッケルと、希土類酸化物をドープした酸化セリウムとの混合体である。この材料においては、酸化セリウムによるイオン伝導と電子伝導との混合伝導、及びニッケル(又は酸化ニッケルが還元されたもの)の電子伝導によって電極反応が促進されると考えられる。特に図1に示す燃料電池1では、炭化水素系ガスに対して触媒活性作用を有する金属多孔質体の気孔内に、燃料極3の構成材料が入り込んで複合多孔質体を形成しているので、燃料極3における電極反応が一層促進される。燃料極3の厚みは本発明において臨界的ではないが、5〜300μm、特に10〜100μmであることが好ましい。 As the fuel electrode 3 in the fuel cell 1, materials conventionally used for this type of fuel cell can be used without particular limitation. For example, a mixture of nickel and Ce 0.8 Gd 0.2 O 1.9 can be used. A particularly preferred material is a mixture of nickel or nickel oxide and cerium oxide doped with a rare earth oxide. In this material, it is considered that the electrode reaction is promoted by mixed conduction of ion conduction and electron conduction by cerium oxide and electron conduction of nickel (or nickel oxide reduced). In particular, in the fuel cell 1 shown in FIG. 1, the constituent material of the fuel electrode 3 enters the pores of the metal porous body that has a catalytic activity for the hydrocarbon-based gas, thereby forming a composite porous body. The electrode reaction at the fuel electrode 3 is further promoted. The thickness of the fuel electrode 3 is not critical in the present invention, but is preferably 5 to 300 μm, particularly preferably 10 to 100 μm.

燃料電池1における電解質膜4としては、従来この種の燃料電池に用いられてきた材料を特に制限なく用いることができる。例えばサマリウムなどの希土類酸化物をドープした酸化セリウムや酸化ジルコニウムなどが挙げられる。特に酸化サマリウムや酸化ガドリニウムをドープした酸化セリウムは比較的低温でもイオン伝導度が大きく、固体電解質として好適である。電解質膜4の厚みは本発明において臨界的ではないが、5〜300μm、特に10〜100μmであることが内部抵抗の低減化の点から好ましい。   As the electrolyte membrane 4 in the fuel cell 1, materials that have been conventionally used in this type of fuel cell can be used without particular limitation. Examples thereof include cerium oxide and zirconium oxide doped with rare earth oxides such as samarium. In particular, cerium oxide doped with samarium oxide or gadolinium oxide has high ionic conductivity even at a relatively low temperature, and is suitable as a solid electrolyte. The thickness of the electrolyte membrane 4 is not critical in the present invention, but is preferably 5 to 300 μm, particularly 10 to 100 μm from the viewpoint of reducing internal resistance.

次に図1に示す燃料電池1の好ましい製造方法について説明する。先ず前述した複合多孔質体からなる支持体2を製造する。支持体2は、燃料極3の構成材料の粉末を含むペースト(以下このペーストを複合体用ペーストという)を金属多孔質体に塗工して該金属多孔質体の気孔中に充填した後、該金属多孔質体をプレス加工又はロール加工して圧縮変形させることで得られる。   Next, a preferred method for manufacturing the fuel cell 1 shown in FIG. 1 will be described. First, the support 2 made of the composite porous body described above is manufactured. The support 2 is coated with a paste containing a powder of the constituent material of the fuel electrode 3 (hereinafter, this paste is referred to as a composite paste) on the metal porous body and filled in the pores of the metal porous body. It can be obtained by compressing and deforming the metal porous body by pressing or rolling.

複合体用ペーストは例えば、燃料極3の構成材料の粉末と各種バインダとを混練したものからなる。バインダとしては、例えばポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、メチルセルロース、ポリエチレン、アクリル系樹脂、アラビアゴム、テレピネオール、ポリエチレングリコールなどが用いられる。これらのバインダは、後述する各種ペーストにも含まれる。   The composite paste is made of, for example, a mixture of the constituent material powder of the fuel electrode 3 and various binders. As the binder, for example, polyvinyl alcohol, polyvinyl butyral, methyl cellulose, polyethylene, acrylic resin, gum arabic, terpineol, polyethylene glycol and the like are used. These binders are also included in various pastes described later.

複合体用ペースト中には気孔形成剤を含有させておくことが好ましい。この理由は、複合多孔質体を、ガスが透過できる程度の多孔質体とすることが、ガス流通性を確保する点から有利だからである。気孔形成剤としては、カーボンの粉末などを用いることができる。   It is preferable that a pore forming agent is contained in the composite paste. This is because it is advantageous from the viewpoint of ensuring gas flowability that the composite porous body is a porous body that allows gas to permeate. As the pore forming agent, carbon powder or the like can be used.

複合体用ペーストは例えばディップコート法、スプレーコート法、ドクターブレード法、テープキャスティング法、スクリーン印刷などを用いて塗工することができる(後述する各種ペーストに関しても同じ)。   The composite paste can be applied by using, for example, a dip coating method, a spray coating method, a doctor blade method, a tape casting method, screen printing, or the like (the same applies to various pastes described later).

次いで、金属多孔質体の面のうち、複合体用ペーストを塗布した面に燃料極の構成材料の粉末のペースト(以下このペーストを燃料極用ペーストという)を塗工し、乾燥させる。この塗工膜は、後述する焼結によって燃料極3となる。金属多孔質体に直接燃料極用ペーストを塗工して、金属多孔質体の気孔中に充填すると共に金属多孔質体の表面に燃料極用の塗工膜を形成することも可能であるが、金属多孔質体の気孔が大きい場合には、燃料極用ペーストが気孔内に過度に入り込みやすく、その結果、燃料極用の塗工膜の表面を平滑にしづらくなる。そこで、本実施形態では先ず複合体用ペーストを塗工した後に燃料極用ペーストを塗工するという二段階の操作を行っている。この操作を行うことで、燃料極用の塗工膜の表面は平滑となる。   Next, a powder paste of the constituent material of the fuel electrode (hereinafter, this paste is referred to as a fuel electrode paste) is applied to the surface of the metal porous body on which the composite paste is applied and dried. This coating film becomes the fuel electrode 3 by sintering described later. It is possible to directly apply the fuel electrode paste to the metal porous body, fill the pores of the metal porous body, and form the fuel electrode coating film on the surface of the metal porous body. When the pores of the metal porous body are large, the fuel electrode paste tends to excessively enter the pores, and as a result, it becomes difficult to smooth the surface of the coating film for the fuel electrode. Therefore, in this embodiment, a two-step operation is performed in which the composite paste is first applied and then the fuel electrode paste is applied. By performing this operation, the surface of the coating film for the fuel electrode becomes smooth.

燃料極用の塗工膜上に、電解質膜4の構成材料の粉末を含むペースト(以下このペーストを電解質用ペーストという)を塗工し、乾燥させる。これによって電解質用の塗工膜を形成する。この塗工膜は、後述する焼結によって電解質膜4となる。この塗工膜上に、空気極5の構成材料の粉末を含むペースト(以下このペーストを空気極用ペーストという)を塗工し、乾燥させる。これによって空気極用の塗工膜を形成する。この塗工膜は、後述する焼結によって空気極5となる。然る後、全体を一体焼結することで、燃料極3、電解質膜4及び空気極4が形成され、燃料電池1が得られる。焼結温度は1100℃〜1400℃程度である。金属多孔質体の酸化による劣化を防止するため、焼結は窒素雰囲気等の不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。   On the coating film for the fuel electrode, a paste containing powder of the constituent material of the electrolyte membrane 4 (hereinafter, this paste is referred to as an electrolyte paste) is applied and dried. As a result, a coating film for the electrolyte is formed. This coating film becomes the electrolyte film 4 by sintering described later. On this coating film, a paste containing powder of the constituent material of the air electrode 5 (hereinafter, this paste is referred to as an air electrode paste) is applied and dried. Thereby, a coating film for the air electrode is formed. This coating film becomes the air electrode 5 by sintering described later. Thereafter, the fuel electrode 3, the electrolyte membrane 4, and the air electrode 4 are formed by integrally sintering the whole, and the fuel cell 1 is obtained. The sintering temperature is about 1100 ° C to 1400 ° C. In order to prevent deterioration of the metal porous body due to oxidation, the sintering is preferably performed in an inert gas atmosphere such as a nitrogen atmosphere.

本実施形態の燃料電池1の製造方法の別法として次に述べる方法も採用できる。先ずドクターブレード法、テープキャスティング法、押出成形法などによって電解質膜4の生シートを得る。これとは別に、複合多孔質体からなる支持体2上に燃料極用の塗工膜を形成しておく。生シート又は生シートを焼結したもの(以下、生シート等という)を、燃料極用の塗工膜上に積層する。次に、生シート等の上に空気極5の構成材料の粉末を含むペーストを塗工する。最後に全体を一体焼結することで燃料電池1が得られる。或いは、生シート等を、燃料極用の塗工膜上に積層した後に一旦焼結を行い、焼結後に空気極5の構成材料の粉末を含むペーストを塗工し、再び焼結を行ってもよい。何れの場合においても、燃料極用の塗工膜を支持体上に形成することに代えて、生シート等の上に形成してもよい。また空気極5に関しては、生シート等を燃料極用の塗工膜上に積層するに先立ち、空気極用の塗工膜を生シート等の上に予め形成しておいてもよい。本法の場合も、焼結は窒素雰囲気等の不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。   As another method of manufacturing the fuel cell 1 of the present embodiment, the following method can also be employed. First, a raw sheet of the electrolyte membrane 4 is obtained by a doctor blade method, a tape casting method, an extrusion method, or the like. Separately, a coating film for the fuel electrode is formed on the support 2 made of a composite porous body. A raw sheet or a sintered raw sheet (hereinafter referred to as a raw sheet or the like) is laminated on a coating film for a fuel electrode. Next, a paste containing powder of the constituent material of the air electrode 5 is applied onto a raw sheet or the like. Finally, the fuel cell 1 is obtained by integrally sintering the whole. Alternatively, a green sheet or the like is laminated on the coating film for the fuel electrode, and then sintered once. After the sintering, a paste containing the powder of the constituent material of the air electrode 5 is applied, and then sintered again. Also good. In any case, instead of forming the coating film for the fuel electrode on the support, it may be formed on a raw sheet or the like. Regarding the air electrode 5, an air electrode coating film may be formed in advance on a raw sheet or the like prior to laminating a raw sheet or the like on a fuel electrode coating film. Also in the case of this method, the sintering is preferably performed in an inert gas atmosphere such as a nitrogen atmosphere.

本実施形態の燃料電池1は、単一セルを複数個用いてスタック化して用いることが実用的である。スタック化には積層スタックと平面状のスタックとがある。図2には燃料電池1の単一セルを積層スタック化した状態が示されている。図2に示すように、各単一セル間にはスペーサ6によって空隙が設けられている。空隙を設ける理由は次の通りである。第1に、単室型燃料電池は、燃料極と空気極における燃料ガス及び酸化剤ガスとの反応活性度(化学ポテンシャル)の相違を利用して発電するため、燃料極の活性を促進させる金属多孔質体が空気極に接していると、反応の化学ポテンシャルが低下し、反応に悪影響を与えると考えられるからである。第2に、空気極を混合ガスとを十分に接触させるためには、積層スタック化する単一セル間に、混合ガスを流通させる空間を設けることが望ましいからである。単一セル間の間隔は、混合ガスが十分に流通し得る程度であればよく、具体的には0.1mm〜数mmであれば十分である。なお、単一セルを積層スタック化せず、平板状に並べてスタック化する場合には、このような手当は不要である。   The fuel cell 1 of this embodiment is practically used by stacking a plurality of single cells. Stacking includes a stacked stack and a planar stack. FIG. 2 shows a state in which a single cell of the fuel cell 1 is stacked. As shown in FIG. 2, a gap is provided by a spacer 6 between each single cell. The reason for providing the gap is as follows. First, since the single-chamber fuel cell generates power by utilizing the difference in reaction activity (chemical potential) between the fuel gas and the oxidant gas in the fuel electrode and the air electrode, the metal that promotes the activity of the fuel electrode This is because if the porous body is in contact with the air electrode, the chemical potential of the reaction is lowered, which is considered to adversely affect the reaction. Second, in order to sufficiently bring the air electrode into contact with the mixed gas, it is desirable to provide a space for circulating the mixed gas between single cells that are stacked and stacked. The interval between the single cells may be such that the mixed gas can sufficiently flow, and specifically, 0.1 mm to several mm is sufficient. In the case where a single cell is not stacked and stacked, but stacked in a flat plate shape, such an allowance is unnecessary.

本発明は前記実施形態に制限されない。例えば前記実施形態においては、支持体が、金属多孔質体と燃料極の構成材料との複合多孔質体となっていたが、これに代えて、金属多孔質体を燃料極の構成材料と複合化させず、金属多孔質体のみからなる支持体を用い、その表面に燃料極を直接形成してもよい。また支持体自体を用いなくてもよい場合もある。   The present invention is not limited to the embodiment. For example, in the above-described embodiment, the support body is a composite porous body of the metal porous body and the constituent material of the fuel electrode. Instead, the metal porous body is combined with the constituent material of the fuel electrode. The fuel electrode may be directly formed on the surface of a support made of only a metal porous body without using a metal porous body. In some cases, the support itself may not be used.

以下実施例により本発明を更に詳細に説明する。しかしながら本発明の範囲はかかる実施例に制限されない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the scope of the present invention is not limited to such examples.

〔実施例1〕
(1)電解質用ペーストの作製
酸化セリウム(平均粒径約1μm)80モル%及び酸化サマリウム(平均粒径約1μm)20モル%を秤量し、ボールミルで12時間混合した。次いで1250℃で10時間仮焼した。仮焼により得られた粉末を、ボールミルを用いて2時間粉砕した。これによって酸化サマリウムをドープした酸化セリウム(平均粒径約0.7μm)からなる固体電解質を得た。この固体電解質にバインダとしてアクリル系樹脂、ポリビニルブチラール、テレピネオール、ポリエチレングリコールを加え、真空脱気混練機を用いて10分間混練した。これによって電解質用ペーストを得た。
[Example 1]
(1) Preparation of Electrolyte Paste 80 mol% of cerium oxide (average particle diameter of about 1 μm) and 20 mol% of samarium oxide (average particle diameter of about 1 μm) were weighed and mixed with a ball mill for 12 hours. Next, it was calcined at 1250 ° C. for 10 hours. The powder obtained by calcination was pulverized for 2 hours using a ball mill. As a result, a solid electrolyte made of cerium oxide doped with samarium oxide (average particle size of about 0.7 μm) was obtained. To this solid electrolyte, an acrylic resin, polyvinyl butyral, terpineol, and polyethylene glycol were added as a binder, and kneaded for 10 minutes using a vacuum degassing kneader. Thus, an electrolyte paste was obtained.

(2)燃料極用ペーストの作製
(1)で得られた固体電解質35重量部に、NiO(平均粒径約1μm)65重量部を加え、ビーズミルで2時間混合粉砕した。これによってNiOと酸化サマリウムをドープした酸化セリウムとの混合体を得た。この混合体に、(1)で用いたバインダと同様のバインダを加え、真空脱気混練機を用いて10分間混練した。これによって燃料極用ペーストを得た。
(2) Preparation of fuel electrode paste To 35 parts by weight of the solid electrolyte obtained in (1), 65 parts by weight of NiO (average particle size of about 1 μm) was added and mixed and pulverized in a bead mill for 2 hours. As a result, a mixture of NiO and cerium oxide doped with samarium oxide was obtained. A binder similar to the binder used in (1) was added to this mixture, and kneaded for 10 minutes using a vacuum degassing kneader. Thus, a fuel electrode paste was obtained.

(3)複合体用ペーストの作製
(2)で得られたNiOと酸化サマリウムをドープした酸化セリウムとの混合体90重量部に、カーボン粉末(気孔形成剤)10重量部を加え、ビーズミルで2時間混合粉砕した。その後は(2)と同様にして複合体用ペーストを得た。
(3) Preparation of composite paste 10 parts by weight of carbon powder (pore forming agent) was added to 90 parts by weight of the mixture of NiO obtained in (2) and cerium oxide doped with samarium oxide, Mix and grind for hours. Thereafter, a composite paste was obtained in the same manner as in (2).

(4)空気極用ペーストの作製
La23、SrCoO3、CoO及びFeOの各粉末(平均粒径約1μm)をボールミルで12時間混合した。次いで1250℃で10時間仮焼した。各粉末の混合比は、最終的得られる粉末の組成がLa0.2Sr0.8Co0.8Fe0.2(3-δ)となるようにした。仮焼により得られた粉末を、ボールミルを用いて2時間粉砕した。これによって上記の組成を有する粉末を得た。その後は(1)と同様にして空気極用ペーストを得た。
(4) Preparation of paste for air electrode Each powder of La 2 O 3 , SrCoO 3 , CoO and FeO (average particle diameter of about 1 μm) was mixed for 12 hours by a ball mill. Next, it was calcined at 1250 ° C. for 10 hours. The mixing ratio of each powder was such that the final composition of the powder was La 0.2 Sr 0.8 Co 0.8 Fe 0.2 O (3- δ ) . The powder obtained by calcination was pulverized for 2 hours using a ball mill. As a result, a powder having the above composition was obtained. Thereafter, an air electrode paste was obtained in the same manner as in (1).

(5)複合多孔質体の作製
金属多孔質体として、厚さ1.6mm、多孔度90体積%、気孔径0.5mmのオープンセル型ニッケル多孔質体(住友電工製のセルメット(商品名))を用いた。ニッケル多孔質体の一面に複合体用ペーストを塗工し、該ペーストをニッケル多孔質体の気孔内に充填した。次いでニッケル多孔質体をプレス加工し厚みを0.5mmとした。これによって複合多孔質体を得た。
(5) Production of composite porous body As a metal porous body, an open cell type nickel porous body having a thickness of 1.6 mm, a porosity of 90% by volume and a pore diameter of 0.5 mm (Celmet (trade name) manufactured by Sumitomo Electric) ) Was used. The composite paste was applied to one surface of the nickel porous body, and the paste was filled in the pores of the nickel porous body. Next, the nickel porous body was pressed to a thickness of 0.5 mm. Thus, a composite porous body was obtained.

(6)燃料極用の塗工膜の形成
複合多孔質体の面のうち、複合体用ペーストを塗工した面に、スクリーン印刷によって燃料極用ペーストを塗工した。塗工膜の厚さは約50μmとした。次いで塗工膜を100℃で2時間乾燥させた。
(6) Formation of coating film for fuel electrode The fuel electrode paste was applied by screen printing to the surface of the composite porous body on which the composite paste was applied. The thickness of the coating film was about 50 μm. Next, the coated film was dried at 100 ° C. for 2 hours.

(7)電解質用の塗工膜の形成
燃料極用の塗工膜上に、スクリーン印刷によって電解質用ペーストを塗工した。塗工膜の厚さは約50μmとした。次いで塗工膜を100℃で2時間乾燥させた。
(7) Formation of Coating Film for Electrolyte An electrolyte paste was applied on the coating film for the fuel electrode by screen printing. The thickness of the coating film was about 50 μm. Next, the coated film was dried at 100 ° C. for 2 hours.

(8)空気極用の塗工膜の形成
電解質用の塗工膜上に、スクリーン印刷によって空気極用ペーストを塗工した。塗工膜の厚さは約50μmとした。次いで塗工膜を100℃で2時間乾燥させた。
(8) Formation of coating film for air electrode On the coating film for electrolyte, the paste for air electrodes was applied by screen printing. The thickness of the coating film was about 50 μm. Next, the coated film was dried at 100 ° C. for 2 hours.

(9)燃料電池の作製
塗工膜全体を500℃で1時間焼成し、脱バインダーを行った。続いて窒素雰囲気中、1300℃で4時間一体焼結させた。これによって図1に示す燃料電池を得た。
(9) Fabrication of fuel cell The entire coating film was baked at 500 ° C. for 1 hour to remove the binder. Subsequently, it was integrally sintered at 1300 ° C. for 4 hours in a nitrogen atmosphere. Thus, the fuel cell shown in FIG. 1 was obtained.

〔実施例2〕
酸化セリウム(平均粒径約1μm)80モル%及び酸化サマリウム(平均粒径約1.5μm)20モル%を秤量し、ボールミルで12時間混合した。次いで1250℃で10時間仮焼した。仮焼により得られた粉末を、ビーズミルを用いて2時間粉砕した。これによって酸化サマリウムをドープした酸化セリウム(平均粒径約0.7μm)からなる固体電解質を得た。この固体電解質100重量部に、メチルセルロース4重量部、グリセリン3重量部、潤滑剤5重量部、水12重量部を加えて高速ミキサーで30分間混練した。真空押出成形機を用いて混練物をシート状に押し出し、100℃で12時間乾燥させ生シートを得た。生シートの厚さは約0.3mmであった。この生シートを1400℃で4時間焼結させて、酸化サマリウムをドープした酸化セリウムからなる固体電解質を得た。
[Example 2]
80 mol% of cerium oxide (average particle diameter of about 1 μm) and 20 mol% of samarium oxide (average particle diameter of about 1.5 μm) were weighed and mixed in a ball mill for 12 hours. Next, it was calcined at 1250 ° C. for 10 hours. The powder obtained by calcination was pulverized for 2 hours using a bead mill. As a result, a solid electrolyte made of cerium oxide doped with samarium oxide (average particle size of about 0.7 μm) was obtained. To 100 parts by weight of this solid electrolyte, 4 parts by weight of methylcellulose, 3 parts by weight of glycerin, 5 parts by weight of lubricant and 12 parts by weight of water were added and kneaded for 30 minutes with a high-speed mixer. The kneaded product was extruded into a sheet using a vacuum extruder and dried at 100 ° C. for 12 hours to obtain a raw sheet. The thickness of the raw sheet was about 0.3 mm. This green sheet was sintered at 1400 ° C. for 4 hours to obtain a solid electrolyte made of cerium oxide doped with samarium oxide.

固体電解質の形成とは別に、実施例1で用いたニッケル多孔質体と同様のものを用意し、該多孔質体の一面に、実施例1で用いた複合体用ペーストと同様のものをスクリーン印刷によって塗工し、該ペーストをニッケル多孔質体の気孔内に充填した。次いでニッケル多孔質体をプレス加工し厚みを0.5mmとした。これによって複合多孔質体を得た。次に、複合多孔質体の面のうち、複合体用ペーストを塗工した面に、実施例1で用いた燃料極用ペーストと同様のものをスクリーン印刷によって塗工した。塗工膜の厚さは約50μmとした。燃料極用の塗工膜上に、先に作製した固体電解質を載置し、全体を100℃で2時間乾燥させた。然る後、全体を1350℃で2時間焼結させた。焼結後、固体電解質上に、実施例1で用いた空気極用ペーストと同様のものをスクリーン印刷によって塗工した。塗工膜の厚さは約50μmとした。この塗工膜を100℃で2時間乾燥させた後、全体を1300℃で4時間焼結させて、図1に示す燃料電池を得た。各焼結工程は何れも窒素雰囲気下で行った。   Apart from the formation of the solid electrolyte, a nickel porous material similar to that used in Example 1 was prepared, and a screen similar to the composite paste used in Example 1 was applied to one surface of the porous material. The paste was applied by printing and filled in the pores of the nickel porous body. Next, the nickel porous body was pressed to a thickness of 0.5 mm. Thus, a composite porous body was obtained. Next, the same thing as the fuel electrode paste used in Example 1 was applied by screen printing to the surface of the composite porous body on which the composite paste was applied. The thickness of the coating film was about 50 μm. The previously prepared solid electrolyte was placed on the coating film for the fuel electrode, and the whole was dried at 100 ° C. for 2 hours. Thereafter, the whole was sintered at 1350 ° C. for 2 hours. After sintering, the same paste as the air electrode paste used in Example 1 was applied on the solid electrolyte by screen printing. The thickness of the coating film was about 50 μm. The coated film was dried at 100 ° C. for 2 hours, and then the whole was sintered at 1300 ° C. for 4 hours to obtain the fuel cell shown in FIG. Each sintering process was performed in a nitrogen atmosphere.

〔比較例1〕
実施例1において、(5)の工程を行わず、ニッケル多孔質体の表面に直接燃料極用の塗工膜を形成し、且つ実施例1で用いた空気極用ペーストにおいて、La0.2Sr0.8Co0.8Fe0.2(3-δ)に代えてLaSrMnO3を用いる以外は実施例1と同様にして燃料電池を得た。この燃料電池における支持体は、ニッケル多孔質体と燃料極の構成材料との複合体となっていなかった。
[Comparative Example 1]
In Example 1, the coating film for the fuel electrode was directly formed on the surface of the nickel porous body without performing the step (5), and in the air electrode paste used in Example 1, La 0.2 Sr 0.8 A fuel cell was obtained in the same manner as in Example 1 except that LaSrMnO 3 was used instead of Co 0.8 Fe 0.2 O (3- δ ) . The support in this fuel cell was not a composite of the nickel porous body and the constituent material of the fuel electrode.

〔性能評価〕
実施例及び比較例で得られた電極について、以下の方法で発電特性及び耐熱衝撃性を測定した。その結果を以下の表1に示す。
[Performance evaluation]
About the electrode obtained by the Example and the comparative example, the electric power generation characteristic and the thermal shock resistance were measured with the following method. The results are shown in Table 1 below.

〔発電特性〕
燃料ガスとしてメタンと酸素の混合ガスを用い、600℃で燃料電池の発電特性を評価した。発電特性は単位面積当たりの最大出力で表した。混合ガスはメタン22vol%、酸素22vol%、及び窒素56vol%であり、混合ガスの流量は300ml/minであった。
[Power generation characteristics]
Using a mixed gas of methane and oxygen as the fuel gas, the power generation characteristics of the fuel cell were evaluated at 600 ° C. The power generation characteristics are expressed as the maximum output per unit area. The mixed gas was methane 22 vol%, oxygen 22 vol%, and nitrogen 56 vol%, and the flow rate of the mixed gas was 300 ml / min.

〔耐熱衝撃性〕
30×30mmの燃料電池を600℃の電気炉に入れて30分保持した後、炉から室温の大気中に取り出し、亀裂の有無を調べた。
[Thermal shock resistance]
A 30 × 30 mm fuel cell was placed in an electric furnace at 600 ° C. and held for 30 minutes, and then taken out from the furnace into the atmosphere at room temperature and examined for cracks.

Figure 2005174663
Figure 2005174663

表1に示す結果から明らかなように、実施例の燃料電池は比較例の燃料電池に比べて発電特性が高いことが判る。   As is apparent from the results shown in Table 1, it can be seen that the fuel cell of the example has higher power generation characteristics than the fuel cell of the comparative example.

本発明の単室型燃料電池の一実施形態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows one Embodiment of the single chamber type fuel cell of this invention. 図1に示す単室型燃料電池の単一セルを積層スタック化した状態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the state which laminated | stacked the single cell of the single chamber type fuel cell shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 単室型燃料電池
2 支持体
3 燃料極
4 電解質膜
5 空気極
6 スペーサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Single chamber type fuel cell 2 Support body 3 Fuel electrode 4 Electrolyte membrane 5 Air electrode 6 Spacer

Claims (7)

炭化水素系燃料ガスと、酸素を含む酸化剤ガスとの混合ガスによって発電が可能な単室型燃料電池において、
空気極が以下の一般式(1)で表されるペロブスカイト型酸化物からなることを特徴とする単室型燃料電池。
La1-xSrxCo1-yFey(3±δ) (1)
(式中、0.1≦x≦0.9、0.1≦y≦0.9、0≦δ<1である。)
In a single-chamber fuel cell capable of generating electricity with a mixed gas of a hydrocarbon fuel gas and an oxidant gas containing oxygen,
A single-chamber fuel cell, wherein the air electrode is made of a perovskite oxide represented by the following general formula (1).
La 1-x Sr x Co 1-y Fe y O (3 ± δ ) (1)
(In the formula, 0.1 ≦ x ≦ 0.9, 0.1 ≦ y ≦ 0.9, and 0 ≦ δ <1.)
支持体、燃料極、電解質膜及び前記空気極がこの順で積層されてなり、
前記支持体が、金属多孔質体の気孔中に前記燃料極の構成材料が入り込んだ複合多孔質体からなる請求項1記載の単室型燃料電池。
A support, a fuel electrode, an electrolyte membrane, and the air electrode are laminated in this order,
The single-chamber fuel cell according to claim 1, wherein the support is made of a composite porous body in which the constituent material of the fuel electrode enters the pores of the metal porous body.
前記燃料極が、ニッケル又は酸化ニッケルと、希土類酸化物をドープした酸化セリウムとの混合体からなる請求項2記載の単室型燃料電池。   The single-chamber fuel cell according to claim 2, wherein the fuel electrode is made of nickel or nickel oxide and a mixture of cerium oxide doped with rare earth oxide. 前記金属多孔質体が、ニッケル、ニッケル合金、ハステロイ又はステンレス鋼からなる請求項2又は3記載の単室型燃料電池。   The single-chamber fuel cell according to claim 2 or 3, wherein the metal porous body is made of nickel, nickel alloy, hastelloy, or stainless steel. 前記燃料極の構成材料の粉末を前記金属多孔質体の気孔中に塗布により充填して、前記支持体が形成されている請求項1〜4の何れかに記載の固体電解質型燃料電池。   The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the support is formed by filling a powder of a constituent material of the fuel electrode into pores of the metal porous body by coating. 前記燃料極の構成材料の粉末を前記金属多孔質体の気孔中に充填した後、該金属多孔質体をプレス加工又はロール加工して圧縮変形させて、前記支持体が形成されている請求項2〜5の何れかに記載の単室型燃料電池。   2. The support body is formed by filling a powder of a constituent material of the fuel electrode into pores of the metal porous body and then compressing or deforming the metal porous body by pressing or rolling. The single-chamber fuel cell in any one of 2-5. 前記単室型燃料電池の単一セルが複数個積層スタック化されており、単一セル間に空隙が設けられている請求項1〜6の何れかに記載の単室型燃料電池。
The single-chamber fuel cell according to any one of claims 1 to 6, wherein a plurality of single cells of the single-chamber fuel cell are stacked and stacked, and a gap is provided between the single cells.
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