JP2005216643A - Solid electrolyte fuel cell - Google Patents

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宣男 土井
Yoshihisa Shimizu
嘉久 清水
Takeshi Miura
健 三浦
Terushi Nakamura
昭史 中村
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid electrolyte fuel cell having a module structure excellent in durability against thermal cycles. <P>SOLUTION: The fitting 11 having a flat plate portion 13 is bent in a thermal resistant substrate 10b and takes out electric current in horizontal direction. The surroundings of the fitting are not fitted closely to the thermal resistant substrate 10b and a gap 20 is formed. A fuel gas 60 circulated so as to be turned back in the module 30 is filled in this gap 20 and constructed so as to become a reducing atmosphere, and works to prevent oxidation and corrosion of the fitting 11. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、固体電解質型燃料電池に関し、詳細には、熱サイクルに対する耐久性に優れた積層構造の平板型固体電解質型燃料電池に関する。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell, and more particularly to a flat plate type solid oxide fuel cell having a laminated structure excellent in durability against thermal cycling.

固体電解質型燃料電池[固体酸化物型燃料電池(Solid Oxide Fuel
Cell)とも呼ばれる]として、平板積層型の固体電解質型燃料電池が知られている(例えば、特許文献1)。これは集電体とガスセパレータとによって電池の最小単位である単セルをユニット化し、このユニットを電気的接続可能な状態に複数積層してモジュールを形成したものである。
Solid Oxide Fuel Cell [Solid Oxide Fuel Cell
Also known as “Cell”], a flat-plate-type solid oxide fuel cell is known (for example, Patent Document 1). In this case, a single cell, which is the minimum unit of a battery, is unitized by a current collector and a gas separator, and a plurality of units are stacked in a state where they can be electrically connected to form a module.

このモジュールへの燃料ガスおよび酸化材ガスの供給は、それぞれ1箇所の導入部で行われ、各ユニットに対しては各単セルの端部でガス流れを折り返すことによって順次各単セルのガス流路にガスを流通させ、燃料ガスおよび酸化材ガスそれぞれ1箇所の排出部から排出する構成となっている。モジュールで発生した電流を取出す機構として、例えばモジュールを挟み込むように上下に金属板を接合し、この金属板を介して外部回路と接続することが行われている。   The fuel gas and the oxidant gas are supplied to the module at one introduction part, and the gas flow of each single cell is sequentially returned to each unit by turning back the gas flow at the end of each single cell. Gas is circulated through the road, and the fuel gas and the oxidant gas are each discharged from one discharge portion. As a mechanism for taking out the current generated in the module, for example, a metal plate is joined up and down so as to sandwich the module, and connected to an external circuit via the metal plate.

特開平9−129251号公報JP-A-9-129251

上記のように、従来の平板型の固体電解質型燃料電池では電流の取出しを金属板を接合させることによって行っているが、固体電解質型燃料電池は、約1000℃にも達する高温で運転されるものであり、金属酸化の問題を起こし易いため、酸素雰囲気で金属材料を使用することは、出来るだけ避けるべきである。   As described above, in the conventional flat solid electrolyte fuel cell, the current is taken out by joining the metal plates. However, the solid oxide fuel cell is operated at a high temperature of about 1000 ° C. Therefore, the use of a metal material in an oxygen atmosphere should be avoided as much as possible.

また、固体電解質型燃料電池モジュールにおいて、その主要な構成部材である単セル(固体電解質膜、燃料側電極および酸素側電極)、集電体、ガスセパレータなどは、いずれもセラミックス材料で構成されている。これらのセラミックス材料と、電流を取出すための前記金属板とは物性が異なるため、燃料電池の起動時・停止時など熱状態の大きな変化が繰返される場合(熱サイクル)に、電池性能が低下するなどの問題を起こすことがある。具体的には、セラミックスと金属板とは熱膨張係数が異なるため、温度変化を受けると熱伸び量に差異が生じ、両者の間に応力が発生する。この応力が、モジュール構成部材の接合状態を変化させると、導電性材料相互の通電性やガス封止性などに影響し、熱サイクルによる劣化を引き起こすという問題がある。   Moreover, in the solid oxide fuel cell module, the single cell (solid electrolyte membrane, fuel side electrode and oxygen side electrode), current collector, gas separator, etc., which are the main constituent members, are all made of a ceramic material. Yes. Since these ceramic materials and the metal plate for taking out current have different physical properties, the battery performance deteriorates when a large change in the thermal state is repeated (thermal cycle) such as when the fuel cell is started or stopped. May cause problems. Specifically, since the thermal expansion coefficient is different between the ceramic and the metal plate, when the temperature is changed, the amount of thermal elongation is different, and a stress is generated between the two. When this stress changes the joining state of the module constituent members, there is a problem in that the electrical conductivity between the conductive materials and the gas sealing property are affected, causing deterioration due to thermal cycling.

以上の問題を回避するためには、金属製部材を固体電解質型燃料電池モジュールに使用しなければよいが、モジュールからの電流の取出しは必須であるため、金属製の材料を全く使用しないという選択は現実的でない。   In order to avoid the above problems, it is necessary to use a metal member for the solid oxide fuel cell module. However, since current extraction from the module is indispensable, a choice that no metal material is used is used. Is not realistic.

従って本発明の課題は、熱サイクル劣化を防止し、耐久性に優れたモジュール構造の固体電解質型燃料電池を提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell having a module structure that prevents thermal cycle deterioration and has excellent durability.

本発明の第1の態様は、固体電解質膜を介して燃料側電極および酸素側電極を配置してなる単セルと、集電体と、ガスセパレータと、を含むように単位ユニットが構成され、該単位ユニットを電気的接続可能に複数積層してモジュールを構成した固体電解質型燃料電池であって、導通部を組み込んだ一対の耐熱性基板を、前記モジュールの外側から積層配備したことを特徴とする、固体電解質型燃料電池である。   In the first aspect of the present invention, the unit unit is configured to include a single cell in which a fuel-side electrode and an oxygen-side electrode are arranged via a solid electrolyte membrane, a current collector, and a gas separator. A solid oxide fuel cell in which a plurality of unit units are stacked so as to be electrically connectable to form a module, wherein a pair of heat-resistant substrates incorporating a conduction portion are stacked from the outside of the module. It is a solid oxide fuel cell.

この第1の態様の固体電解質型燃料電池によれば、導通部を組み込んだ耐熱性基板を採用することによって、モジュールの構成部材との熱膨張係数の差を縮小もしくは解消し、熱サイクルへの耐久性を大幅に向上させることができる。また、モジュールからの電流の取出し機能は導通部によって確保される。   According to the solid oxide fuel cell of the first aspect, by adopting a heat-resistant substrate incorporating a conducting portion, the difference in coefficient of thermal expansion from the component members of the module is reduced or eliminated, and the heat cycle is reduced. Durability can be greatly improved. The function of taking out current from the module is ensured by the conduction part.

本発明の第2の態様は、第1の態様において、前記導通部は、前記モジュールの単位セルの面積に比較して小さな面積で前記耐熱性基板から露出し、前記モジュールに当接する接触面を有することを特徴とする、固体電解質型燃料電池である。   According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the conductive portion has a contact surface that is exposed from the heat-resistant substrate in a small area as compared with the area of the unit cell of the module and contacts the module. It is a solid oxide fuel cell characterized by having.

この第2の態様によれば、モジュール等との当接面となる導通部の接触面を、単位セルの面積に比較して小さな面積とすることによって、例えば金属とセラミックスとの熱サイクル時の熱膨張率の差による応力を小さく抑え、熱サイクルに対する耐久性を高めることができる。   According to this second aspect, by making the contact surface of the conducting portion that becomes the contact surface with the module or the like smaller than the area of the unit cell, for example, during the thermal cycle of metal and ceramics The stress due to the difference in thermal expansion coefficient can be kept small, and the durability against thermal cycling can be enhanced.

本発明の第3の態様は、第1または第2の態様において、前記導通部は、前記耐熱性基板との間に空隙をもって配備されていることを特徴とする、固体電解質型燃料電池である。   According to a third aspect of the present invention, there is provided the solid oxide fuel cell according to the first or second aspect, wherein the conducting part is provided with a gap between the conductive part and the heat resistant substrate. .

この第3の態様では、導通部と耐熱性基板との間に空隙を設けたので、両部材の熱膨張率が異なっていても、空隙が遊びとなって局所的な応力の発生を回避できる。   In the third aspect, since the gap is provided between the conductive portion and the heat resistant substrate, even if the thermal expansion coefficients of the two members are different, the gap becomes play and the generation of local stress can be avoided. .

本発明の第4の態様は、第3の態様において、前記空隙を燃料ガス雰囲気に保持するようにしたことを特徴とする、固体電解質型燃料電池である。   According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the solid oxide fuel cell according to the third aspect, wherein the gap is maintained in a fuel gas atmosphere.

この第4の態様では、導通部と耐熱性基板との間(空隙)に、水素などの燃料ガスを存在させる。これによって、導通部の周囲を還元雰囲気におくことが可能となり、高温で運転を行っても、導通部を構成する金属等の酸化、腐食などを回避できる。   In the fourth aspect, a fuel gas such as hydrogen is present between the conducting portion and the heat resistant substrate (gap). As a result, it becomes possible to place the periphery of the conducting part in a reducing atmosphere, and even when the operation is performed at a high temperature, it is possible to avoid oxidation, corrosion, or the like of the metal constituting the conducting part.

本発明の第5の態様は、第4の態様において、前記導通部は、前記耐熱性基板の外部に配備されたガスシール部によって前記空隙内の燃料ガスを封止した状態で配備されていることを特徴とする、固体電解質型燃料電池である。   According to a fifth aspect of the present invention, in the fourth aspect, the conducting portion is disposed in a state where the fuel gas in the gap is sealed by a gas seal portion disposed outside the heat resistant substrate. This is a solid oxide fuel cell.

この第5の態様では、ガスシール部を設けることによって、空隙内の燃料ガス雰囲気を維持し、第4の態様の効果を確実なものとすることができる。また、ガスシール部を装置外(耐熱性基板の外側)に配することにより、この部分の熱変化を小さく出来るので、ガスシールの耐久性を充分に確保できる。   In the fifth aspect, by providing the gas seal portion, the fuel gas atmosphere in the gap can be maintained, and the effect of the fourth aspect can be ensured. Further, by arranging the gas seal portion outside the apparatus (outside the heat-resistant substrate), the heat change in this portion can be reduced, so that the durability of the gas seal can be sufficiently ensured.

本発明の第6の態様は、第1から第5のいずれか1つの態様において、前記耐熱性基板と前記モジュールの間に、通電促進部材を配備したことを特徴とする、固体電解質型燃料電池である。   According to a sixth aspect of the present invention, in any one of the first to fifth aspects, a current-carrying promoting member is disposed between the heat resistant substrate and the module. It is.

この第6の態様によれば、通電促進部材を配備することによって、モジュールから導通部への電流の取出しを促して、モジュール構造による大出力の電池性能を充分に引出すことができる。   According to the sixth aspect, by providing the energization promoting member, it is possible to promptly take out current from the module to the conducting portion, and sufficiently draw out the high-power battery performance by the module structure.

本発明の第7の態様は、第6の態様において、前記通電促進部材が導電性セラミックス板と、導電性緩衝材からなることを特徴とする、固体電解質型燃料電池である。   A seventh aspect of the present invention is the solid oxide fuel cell according to the sixth aspect, wherein the energization promoting member is made of a conductive ceramic plate and a conductive buffer material.

この第7の態様では、導電性セラミックスと導電性緩衝材とによって、モジュールと導通部との通電を確保するとともに、密着性、クッション性を付与することができる。   In the seventh aspect, the conductive ceramic and the conductive cushioning material can ensure the energization between the module and the conductive portion, and can provide adhesion and cushioning properties.

本発明の第8の態様は、第1から第7のいずれか1つの態様において、前記耐熱性基板に、ガスの供給または排出を行うガス供給部またはガス排出部を形成したことを特徴とする、固体電解質型燃料電池である。   According to an eighth aspect of the present invention, in any one of the first to seventh aspects, a gas supply part or a gas discharge part for supplying or discharging a gas is formed on the heat resistant substrate. It is a solid oxide fuel cell.

この第8の態様では、耐熱性基板に、ガス供給部またはガス排出部を設けることによって、ガスの連通路としての機能を持たせることが可能となる。   In the eighth aspect, it is possible to provide a function as a gas communication path by providing the heat-resistant substrate with the gas supply unit or the gas discharge unit.

本発明により、モジュール構造の固体電解質型燃料電池において、熱サイクル劣化を防止し、耐久性を向上させることが可能になる。   According to the present invention, in a solid oxide fuel cell having a module structure, it is possible to prevent thermal cycle deterioration and improve durability.

以下、図面に基き本発明の実施の形態について説明する。図1は、本発明の第1実施形態に係る固体電解質型燃料電池100の概要を模式的に示すものである。この固体電解質型燃料電池100は、燃料側集電体301と、セル305と、酸素側集電体306と、ガスセパレータ307と、から構成されたユニット31が5段に積層され、一つのモジュール30を構成している。このようにモジュール構造を採用することによって、大きな電気的出力を生み出すことができる。なお、図1においては、説明の便宜上、積層された各部材間に隙間を空けて表現している。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 schematically shows an outline of a solid oxide fuel cell 100 according to a first embodiment of the present invention. In this solid oxide fuel cell 100, a unit 31 composed of a fuel-side current collector 301, a cell 305, an oxygen-side current collector 306, and a gas separator 307 is laminated in five stages, and one module 30. By adopting the module structure in this way, a large electrical output can be generated. In FIG. 1, for convenience of explanation, a space is provided between the stacked members.

モジュール30は、一対の耐熱性基板10a,10bによって上下からサンドイッチ構造で挟み込まれ、固体電解質型燃料電池100を構成している。モジュール30からの電流の取出しは、耐熱性基板10a,10bにそれぞれ組み込まれた「導通部」としての金具11,11によって行われる。金具11,11は耐熱性基板10a、10bを貫通して外部に突出し、図示しない外部回路と接続している。   The module 30 is sandwiched from above and below by a pair of heat-resistant substrates 10a and 10b to constitute a solid oxide fuel cell 100. The extraction of the current from the module 30 is performed by the metal fittings 11 and 11 as “conduction portions” incorporated in the heat resistant substrates 10a and 10b, respectively. The metal fittings 11 and 11 project outside through the heat-resistant substrates 10a and 10b, and are connected to an external circuit (not shown).

耐熱性基板10a,10bは、中実に構成されており、好ましくは複数の板を貼り合せた積層構造が採用される。耐熱性基板10a,10bの材質としては、耐熱性を有し、熱膨張係数がモジュール30を構成する各部材(主としてセラミックス)と近似した材質であればよいが、好ましくは、絶縁性セラミックス材料が用いられる。そのような性質を持つ絶縁性セラミックスとして、例えばマグネシア(MgO)とスピネル(MgAl)を主成分とするものが挙げられる。ここで、マグネシアとスピネルの混合比を、重量比で30:70〜70:30(好ましくは40:60〜50:50)にすることによって、モジュールを構成するセル305、燃料側集電体301、酸素側集電体306等の部材の熱膨張係数との整合性をとることができる。 The heat-resistant substrates 10a and 10b are solid, and preferably have a laminated structure in which a plurality of plates are bonded together. The material of the heat resistant substrates 10a and 10b may be any material that has heat resistance and a thermal expansion coefficient that is similar to each member (mainly ceramics) constituting the module 30. Preferably, an insulating ceramic material is used. Used. As insulating ceramics having such properties, for example, those having magnesia (MgO) and spinel (MgAl 2 O 4 ) as main components can be cited. Here, the mixing ratio of magnesia and spinel is 30:70 to 70:30 (preferably 40:60 to 50:50) in weight ratio, so that the cell 305 and the fuel-side current collector 301 constituting the module are used. In addition, consistency with the coefficient of thermal expansion of a member such as the oxygen-side current collector 306 can be obtained.

耐熱性基板10a,10bに組み込まれた金具11,11は、例えばSUSなどの金属によって形成されるとともに、平板部13,13を備えており、この平板部13,13の表面が「接触面」として耐熱性基板10a,10bから露出している。平板部13,13の表面はモジュール30に圧接され、電気的接続を可能にしている。平板部13の面積(露出した接触面の面積)は、平板状をしたセル305の片面の面積に対し、好ましくは10〜30%程度、より好ましくは15〜25%程度とすることができる。平板部13の面積が大きすぎると、モジュール30との接触部分で熱サイクル時の応力が生じ、劣化の問題が解消されないことがある。逆に平板部13の面積が小さすぎると、通電性が低下して電流の取出しが不十分になり、電池性能が低下する場合がある。   The metal fittings 11, 11 incorporated in the heat-resistant substrates 10 a, 10 b are formed of a metal such as SUS, for example, and include flat plate portions 13, 13. The surfaces of the flat plate portions 13, 13 are “contact surfaces”. As exposed from the heat resistant substrates 10a and 10b. The surfaces of the flat plate portions 13 and 13 are pressed against the module 30 to enable electrical connection. The area of the flat plate portion 13 (the area of the exposed contact surface) is preferably about 10 to 30%, more preferably about 15 to 25% with respect to the area of one side of the flat cell 305. If the area of the flat plate portion 13 is too large, stress at the time of thermal cycling occurs at the contact portion with the module 30 and the problem of deterioration may not be solved. On the contrary, if the area of the flat plate portion 13 is too small, the conductivity is lowered, current extraction becomes insufficient, and the battery performance may be lowered.

また、金具11と耐熱性基板10との間は、熱サイクル時の伸縮を考慮して、後述するように「遊び」となる空隙を設けておくことが好ましい。   In addition, it is preferable to provide a gap for “play” between the metal fitting 11 and the heat-resistant substrate 10 in consideration of expansion and contraction during a thermal cycle, as will be described later.

ユニット31aは、燃料側集電体301と、セル305と、酸素側集電体306と、ガスセパレータ307と、から構成されている。   The unit 31a includes a fuel side current collector 301, a cell 305, an oxygen side current collector 306, and a gas separator 307.

燃料側集電体301は、片側(セル305に対向する面)に櫛歯状の溝が形成された導電性セラミックスにより構成され、該溝に、例えば水素などの燃料ガスを流通させ得る構造になっている。燃料側集電体301の材質は、例えば、ニッケルとイットリア安定化ジルコニア(YSZ)や、ニッケルとアルミナとYSZなどからなる多孔質セラミックスが好ましく用いられる。   The fuel-side current collector 301 is made of conductive ceramics having a comb-like groove formed on one side (the surface facing the cell 305), and has a structure in which a fuel gas such as hydrogen can flow through the groove. It has become. As the material of the fuel-side current collector 301, for example, porous ceramics made of nickel, yttria-stabilized zirconia (YSZ), nickel, alumina, YSZ, or the like is preferably used.

酸素側集電体306も同様に、片側(セル305に対向する面)に櫛歯状の溝が形成された導電性セラミックスにより構成され、該溝に例えば空気などの酸化材ガスを流通させ得る構造になっている。酸素側集電体306の材質としては、例えばランタン−ストロンチウム−マンガナイトなどの多孔質セラミックスが好ましく用いられる。   Similarly, the oxygen-side current collector 306 is made of conductive ceramics having a comb-like groove formed on one side (the surface facing the cell 305), and an oxidizing gas such as air can be circulated through the groove. It has a structure. As a material of the oxygen-side current collector 306, for example, porous ceramics such as lanthanum-strontium-manganite are preferably used.

セル305は、電池の最小構成単位であって、燃料側電極302と、酸素側電極304との間に平板状の固体電解質膜303が挟み込まれた構造である。そして、燃料側電極302は燃料側集電体301と接合し、酸素側電極304は酸素側集電体306と接合するように配置される。固体電解質膜303の材質としては、例えばYSZを主成分とする材料などが用いられる。燃料側電極302の材質は、例えばニッケル−ジルコニアサーメットの多孔質セラミックスを用いることが可能であり、酸素側電極304の材質としては、例えば、ランタンマンガナイト(LaMnO)系の多孔質セラミックスを用いることができる。 The cell 305 is the minimum structural unit of the battery and has a structure in which a flat solid electrolyte membrane 303 is sandwiched between a fuel side electrode 302 and an oxygen side electrode 304. The fuel side electrode 302 is joined to the fuel side current collector 301, and the oxygen side electrode 304 is joined to the oxygen side current collector 306. As a material of the solid electrolyte membrane 303, for example, a material mainly containing YSZ is used. The material of the fuel side electrode 302 can be, for example, nickel-zirconia cermet porous ceramics, and the material of the oxygen side electrode 304 is, for example, lanthanum manganite (LaMnO 3 ) based porous ceramics. be able to.

ガスセパレータ307は、絶縁性セラミックス板を積層した構造であり(ここでは、3枚のセラミックス板が積層されている)、部分的に電子流路材308と、導電性セラミックスからなる接続部309が配備されている。ガスセパレータ307を構成する絶縁性セラミックスとしては、例えばマグネシア(MgO)とスピネル(MgAl)を主成分とするものが挙げられる。ここで、マグネシアとスピネルの混合比を、重量比で30:70〜70:30(好ましくは40:60〜50:50)にすることによって、セル305や、燃料側集電体301、酸素側集電体306等の部材の熱膨張係数との整合性をとることができる。 The gas separator 307 has a structure in which insulating ceramic plates are stacked (here, three ceramic plates are stacked), and an electron flow path material 308 and a connection portion 309 made of conductive ceramics are partially provided. Has been deployed. As the insulating ceramics constituting the gas separator 307, for example, those containing magnesia (MgO) and spinel (MgAl 2 O 4 ) as main components can be cited. Here, the mixing ratio of magnesia and spinel is set to 30:70 to 70:30 (preferably 40:60 to 50:50) by weight, so that the cell 305, the fuel-side current collector 301, the oxygen side Consistency with the coefficient of thermal expansion of a member such as the current collector 306 can be obtained.

電子流路材308の材質としては、ランタンクロマイト(LaCrO)系導電性セラミックスを用いることが好ましい。また、接続部309としては、前記と同様の材質の導電性セラミックスを用いることができる。 As the material of the electron channel material 308, it is preferable to use lanthanum chromite (LaCrO 3 ) -based conductive ceramics. Further, as the connection portion 309, conductive ceramics of the same material as described above can be used.

ガスセパレータ307を介在させることによって、ユニット31同士の酸化還元性を遮断しつつ、電子流路材308と接続部309によってユニット間の電気的接続が可能になる。   By interposing the gas separator 307, the electronic flow path material 308 and the connection portion 309 enable electrical connection between the units while blocking the redox property between the units 31.

ユニット31aと同様に、ユニット31b〜31eについても、燃料側集電体301と、セル305と、酸素側集電体306と、ガスセパレータ307と、が積層された構成である。ここでは5段のユニット31a〜31eが積層されて、一つのモジュール30が形成される。   Similarly to the unit 31a, the units 31b to 31e also have a structure in which a fuel-side current collector 301, a cell 305, an oxygen-side current collector 306, and a gas separator 307 are stacked. Here, five modules 31 a to 31 e are stacked to form one module 30.

モジュール30のガス入口よりガス流れ方向上流側の流路には、流量制御手段としてのマスフロー制御器(図示せず)が配備されている。このマスフロー制御器によって所定流量に制御されたガスが、モジュール30へ供給される。   A mass flow controller (not shown) as a flow rate control means is disposed in the flow path upstream of the gas inlet of the module 30 in the gas flow direction. A gas controlled to a predetermined flow rate by the mass flow controller is supplied to the module 30.

上記の構成によるモジュール30における燃料ガス60の流れは、例えば、図1中破線で示す経路であり、酸化材ガス70の流れは、同図中、実線で示す経路である。ユニット31間のガスの流通は、例えばユニット31を構成する部材の枠部に貫通孔などを形成することによって実施できる。なお、燃料ガス60は、燃料側集電体301に形成された溝を通過するため、図1の紙面に対して垂直な方向へ流れる。また、酸化材ガス70についても同様に、酸素側集電体306に形成された溝を通過するため、図1の紙面に対して垂直な方向に流れる。   The flow of the fuel gas 60 in the module 30 having the above configuration is, for example, a path indicated by a broken line in FIG. 1, and the flow of the oxidant gas 70 is a path indicated by a solid line in FIG. The gas flow between the units 31 can be carried out, for example, by forming a through hole or the like in a frame portion of a member constituting the unit 31. Since the fuel gas 60 passes through the groove formed in the fuel-side current collector 301, it flows in a direction perpendicular to the paper surface of FIG. Similarly, the oxidant gas 70 passes through the groove formed in the oxygen-side current collector 306, and therefore flows in a direction perpendicular to the paper surface of FIG.

本実施形態の固体電解質型燃料電池100では、ユニット31eと下部の耐熱性基板10bとの間に、導電性セラミックスからなる集電体300が配備されている。この集電体300は、燃料側集電体301と同様の材質のものを用いることができる。集電体300を配備する意義は以下のとおりである。
本実施形態においては、上部の耐熱性基板10aは、燃料側集電体301が介在した状態ではあるが、燃料ガス60の流路(破線)に近接している。この燃料ガス60は水素などの還元性ガスであるため、燃料側集電体301を超えて耐熱性基板10a側に漏出しても、金具11の周囲は還元雰囲気となって、これが酸化したり腐食したりする心配は少ない。これに対して、下部の耐熱性基板10bは、通常の折り返しガス流れの場合、ユニット31eの酸素側集電体306およびセパレータ307により遮断されているものの、酸化材ガス70の流路に近接した状態になっている。このため、万一、酸化材ガス70が酸素側集電体306およびセパレータ307を超えて漏出した場合、下部耐熱性基板10bに組み込まれた金具11が酸化したり、腐食したりして、電池性能を損なうおそれがある。このため、本実施形態では、ユニット31a〜31eとは別に集電体300を配備し、ここで燃料ガス60の折り返し流路を付加することにより、下部耐熱性基板10bの金具11の周囲を燃料ガス雰囲気(還元雰囲気)になるようにしている。
In the solid oxide fuel cell 100 of the present embodiment, a current collector 300 made of conductive ceramics is disposed between the unit 31e and the lower heat resistant substrate 10b. The current collector 300 can be made of the same material as the fuel-side current collector 301. The significance of arranging the current collector 300 is as follows.
In the present embodiment, the upper heat-resistant substrate 10a is in the state where the fuel-side current collector 301 is interposed, but is close to the flow path (broken line) of the fuel gas 60. Since the fuel gas 60 is a reducing gas such as hydrogen, even if the fuel gas 60 leaks beyond the fuel-side current collector 301 to the heat-resistant substrate 10a side, the periphery of the metal fitting 11 becomes a reducing atmosphere and is oxidized. There is little worry about corrosion. On the other hand, the lower heat-resistant substrate 10b is close to the flow path of the oxidant gas 70 although it is blocked by the oxygen-side current collector 306 and the separator 307 of the unit 31e in the case of a normal folded gas flow. It is in a state. For this reason, if the oxidant gas 70 leaks beyond the oxygen-side current collector 306 and the separator 307, the metal fitting 11 incorporated in the lower heat-resistant substrate 10b is oxidized or corroded, and the battery There is a risk of impairing performance. For this reason, in the present embodiment, a current collector 300 is provided separately from the units 31a to 31e, and a return flow path of the fuel gas 60 is added here, so that the periphery of the metal fitting 11 of the lower heat resistant substrate 10b is fueled. A gas atmosphere (reducing atmosphere) is set.

図2は、本発明の別の実施形態(第2実施形態)に係る固体電解質型燃料電池200の要部を示す模式図である。この固体電解質型燃料電池200におけるセル305、これを含むユニット31、さらにこれを含むモジュール30の基本的構成は、第1実施形態(図1)と同様であるので、ここでは下部の耐熱性基板10bを中心に説明を行う。なお、上部のセラックス基板10aについてもほぼ同様の構成である。   FIG. 2 is a schematic view showing a main part of a solid oxide fuel cell 200 according to another embodiment (second embodiment) of the present invention. The basic configuration of the cell 305, the unit 31 including the cell 305, and the module 30 including the cell 305 in the solid oxide fuel cell 200 is the same as that of the first embodiment (FIG. 1). The explanation will be focused on 10b. The upper ceramic substrate 10a has a substantially similar configuration.

耐熱性基板10bは、中実に構成されており、複数の絶縁性セラミックス板を貼り合せて構成される。絶縁性セラミックス材料としては、第1実施形態(図1)と同様のものを使用できる。耐熱性基板10bに組み込まれた金具11は、例えばSUSなどの導電性金属によって形成されるとともに、平板部13を備えており、この平板部13が耐熱性基板10から露出し、モジュール30に圧接され、電気的接続を可能にしている。本実施形態においては、平板部13を有する金具11が、耐熱性基板10b内で折曲し、横方向に延設されて外部回路(図示せず)と接続しており、電流を取出す構成となっている。金具11の周囲は、耐熱性基板10bに密着しておらず、空隙20が形成されている。この空隙20には、モジュール30内を折り返すようにして流通してきた燃料ガス60が充満し、還元雰囲気となるように構成され、前記したように金具11の酸化や腐食を防ぐように作用する。   The heat resistant substrate 10b is solidly configured and is formed by bonding a plurality of insulating ceramic plates. As the insulating ceramic material, the same material as in the first embodiment (FIG. 1) can be used. The metal fitting 11 incorporated in the heat resistant substrate 10b is formed of a conductive metal such as SUS, and includes a flat plate portion 13. The flat plate portion 13 is exposed from the heat resistant substrate 10 and is pressed against the module 30. And allows electrical connection. In the present embodiment, the metal fitting 11 having the flat plate portion 13 is bent in the heat-resistant substrate 10b, is extended in the lateral direction, and is connected to an external circuit (not shown), and takes out current. It has become. The periphery of the metal fitting 11 is not in close contact with the heat-resistant substrate 10b, and a gap 20 is formed. The air gap 20 is filled with the fuel gas 60 that has circulated in the module 30 so as to form a reducing atmosphere, and acts to prevent oxidation and corrosion of the metal fitting 11 as described above.

また、空隙20は「遊び」として機能し、熱サイクル時に、金属製の金具11と耐熱性基板10bとの伸縮の差をこの空隙20で吸収することが可能になる。   In addition, the gap 20 functions as “play”, and the gap 20 can absorb the expansion / contraction difference between the metal fitting 11 and the heat-resistant substrate 10b during the thermal cycle.

金具11が耐熱性基板10bから突出した部分には、シール部材15が設けられて封止されており、空隙20中の燃料ガス60が装置外へ漏出することが防止される。このように、シール部材15による封止箇所を装置外に設けることによって熱サイクルに伴う熱変化の影響を回避し、耐久性を高めることができる。なお、金具11の他の構成は、第1実施形態(図1)と同様である。   A seal member 15 is provided and sealed at a portion where the metal fitting 11 protrudes from the heat resistant substrate 10b, and the fuel gas 60 in the gap 20 is prevented from leaking out of the apparatus. Thus, by providing the sealing portion by the seal member 15 outside the apparatus, it is possible to avoid the influence of the thermal change accompanying the thermal cycle and to improve the durability. In addition, the other structure of the metal fitting 11 is the same as that of 1st Embodiment (FIG. 1).

図2において、符号311は導電性緩衝材としてのニッケルフェルトであり、符号313は、前記と同様の材質からなる導電性セラミックス板である。第1実施形態(図1)と同様に、金具11の平板部13の面積は、熱サイクル時の応力を抑制する観点から、モジュール30を構成する部材(例えば、セル305)の面積に比較して小さく設定されている。このため、金具11の平板部13と集電体300との接触面積(通電部分の面積)も小さくなる。従って、この部分に接触不良が生じると、通電が不十分になり電池性能を低下させる要因となる。本実施形態では、導電性セラミックス板313の両面に導電性緩衝材としてのニッケルフェルト311,311を積層した通電促進部材315を配備することによって、モジュール30の全面から電流を受け、金具11に伝えるように作用させ、充分な電流取出し効率を確保している。なお、集電体300とモジュール30(最下部のセパレータ307)との間にも、導電性緩衝材としてのニッケルフェルト311を配備し、通電性をより高めている。   In FIG. 2, reference numeral 311 denotes nickel felt as a conductive buffer material, and reference numeral 313 denotes a conductive ceramic plate made of the same material as described above. Similarly to the first embodiment (FIG. 1), the area of the flat plate portion 13 of the metal fitting 11 is compared with the area of the member (for example, the cell 305) constituting the module 30 from the viewpoint of suppressing the stress during the thermal cycle. Is set to be small. For this reason, the contact area (area of the current-carrying portion) between the flat plate portion 13 of the metal fitting 11 and the current collector 300 is also reduced. Therefore, if a contact failure occurs in this portion, the energization becomes insufficient, which causes a decrease in battery performance. In the present embodiment, by providing a current-carrying promotion member 315 in which nickel felts 311 and 311 as conductive buffer materials are laminated on both surfaces of the conductive ceramic plate 313, current is received from the entire surface of the module 30 and transmitted to the metal fitting 11. Thus, sufficient current extraction efficiency is secured. In addition, between the current collector 300 and the module 30 (the lowermost separator 307), a nickel felt 311 as a conductive buffer material is provided to further enhance the conductivity.

耐熱性基板10b(図示しない10aも同様である)には、ガス供給(もしくは排出)のための流路81,83が形成されている。これらの流路81,83は、モジュール30を構成する各部材の枠体部などに形成された流路(ここでは図示せず)と連通して、燃料ガス60または酸化材ガス70の供給・排出を行う。流路81,83は、例えば、耐熱性基板10bを構成する絶縁性セラミックス板(積層構造の一部)を部分的に切り欠き、溝を形成した後、ガスシールすることによって作製できる。   The heat-resistant substrate 10b (the same applies to the unillustrated 10a) is formed with flow paths 81 and 83 for gas supply (or discharge). These flow paths 81, 83 communicate with flow paths (not shown here) formed in the frame portions of the members constituting the module 30 to supply the fuel gas 60 or the oxidant gas 70. Discharge. The flow paths 81 and 83 can be produced, for example, by partially cutting out an insulating ceramic plate (part of the laminated structure) constituting the heat resistant substrate 10b, forming a groove, and then performing gas sealing.

以上、本発明を種々の実施形態に関して述べたが、本発明は上記実施形態に制約されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で、他の実施形態についても適用可能である。   The present invention has been described above with reference to various embodiments. However, the present invention is not limited to the above embodiments, and can be applied to other embodiments within the scope of the invention described in the claims. It is.

例えば、第1実施形態(図1)および第2実施形態(図2)においては、いずれも上下各一つずつの金具11により電流の取出しを行う構成であるが、片面に複数の金具11を配備することも可能である。また、一つの金具11に複数の接触面(平板部13の露出面)を形成することもできる。   For example, in both the first embodiment (FIG. 1) and the second embodiment (FIG. 2), the current is taken out by one metal fitting 11 on each of the upper and lower sides, but a plurality of metal fittings 11 are provided on one side. It is also possible to deploy. Further, a plurality of contact surfaces (exposed surfaces of the flat plate portion 13) can be formed on one metal fitting 11.

本発明は、固体電解質型燃料電池として、各種の用途、例えば、産業用発電機やコージェネレーションシステムなどにおいて利用が可能である。   The present invention can be used as a solid oxide fuel cell in various applications such as industrial generators and cogeneration systems.

本発明の固体電解質型燃料電池100の概要を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the outline | summary of the solid oxide fuel cell 100 of this invention. 本発明の別の実施形態の固体電解質型燃料電池200の要部を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the principal part of the solid oxide fuel cell 200 of another embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10a、10b 耐熱性基板
11 金具
13 平板部
15 シール部材
20 空隙
30 モジュール
31a、31b、31c、31d、31e ユニット
60 燃料ガス
70 酸化材ガス
100 固体電解質型燃料電池
200 固体電解質型燃料電池
300 集電体
301 燃料側集電体
302 燃料側電極
303 固体電解質膜
304 酸素側電極
305 セル
306 酸素側集電体
307 セパレータ
308 電子流路材
309 接続部
311 ニッケルフェルト
313 導電性セラミックス板
315 通電促進部材
10a, 10b Heat-resistant substrate 11 Metal fitting 13 Flat plate portion 15 Seal member 20 Air gap 30 Module 31a, 31b, 31c, 31d, 31e Unit 60 Fuel gas 70 Oxidant gas 100 Solid electrolyte fuel cell 200 Solid electrolyte fuel cell 300 Current collector Body 301 Fuel-side current collector 302 Fuel-side electrode 303 Solid electrolyte membrane 304 Oxygen-side electrode 305 Cell 306 Oxygen-side current collector 307 Separator 308 Electron flow channel material 309 Connection portion 311 Nickel felt 313 Conductive ceramic plate 315 Conduction promoting member

Claims (8)

固体電解質膜を介して燃料側電極および酸素側電極を配置してなる単セルと、集電体と、ガスセパレータと、を含むように単位ユニットが構成され、
該単位ユニットを電気的接続可能に複数積層してモジュールを構成した固体電解質型燃料電池であって、
導通部を組み込んだ一対の耐熱性基板を、前記モジュールの外側から積層配備したことを特徴とする、固体電解質型燃料電池。
A unit unit is configured to include a single cell in which a fuel side electrode and an oxygen side electrode are disposed via a solid electrolyte membrane, a current collector, and a gas separator.
A solid oxide fuel cell in which a plurality of unit units are stacked so as to be electrically connected to form a module,
A solid oxide fuel cell characterized in that a pair of heat-resistant substrates incorporating conductive portions are stacked from the outside of the module.
請求項1において、前記導通部は、前記モジュールの単位セルの面積に比較して小さな面積で前記耐熱性基板から露出し前記モジュールに当接する接触面を有することを特徴とする、固体電解質型燃料電池。   2. The solid electrolyte fuel according to claim 1, wherein the conducting portion has a contact surface that is exposed from the heat-resistant substrate and abuts against the module with an area smaller than an area of a unit cell of the module. battery. 請求項1または請求項2において、前記導通部は、前記耐熱性基板との間に空隙をもって配備されていることを特徴とする、固体電解質型燃料電池。   3. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the conducting portion is provided with a gap between the conductive portion and the heat resistant substrate. 請求項3において、前記空隙を燃料ガス雰囲気に保持するようにしたことを特徴とする、固体電解質型燃料電池。   4. The solid oxide fuel cell according to claim 3, wherein the gap is maintained in a fuel gas atmosphere. 請求項4において、前記導通部は、前記耐熱性基板の外部に配備されたガスシール部によって前記空隙内の燃料ガスを封止した状態で配備されていることを特徴とする、固体電解質型燃料電池。   5. The solid electrolyte fuel according to claim 4, wherein the conducting portion is provided in a state where the fuel gas in the gap is sealed by a gas seal portion provided outside the heat resistant substrate. battery. 請求項1から請求項5のいずれか1項において、前記耐熱性基板と前記モジュールの間に、通電促進部材を配備したことを特徴とする、固体電解質型燃料電池。   6. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein an energization promoting member is disposed between the heat resistant substrate and the module. 請求項6において、前記通電促進部材が導電性セラミックス板と、導電性緩衝材からなることを特徴とする、固体電解質型燃料電池。   7. The solid oxide fuel cell according to claim 6, wherein the energization promoting member is made of a conductive ceramic plate and a conductive buffer material. 請求項1から請求項7のいずれか1項において、前記耐熱性基板に、ガスの供給または排出を行うガス供給部またはガス排出部を形成したことを特徴とする、固体電解質型燃料電池。   8. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein a gas supply part or a gas discharge part for supplying or discharging a gas is formed on the heat resistant substrate.
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JP2011181291A (en) * 2010-02-26 2011-09-15 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Solid electrolyte fuel cell

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