JP2005346991A - Solid electrolyte fuel cell cell stack, bundle, fuel cell, and manufacturing method of fuel cell cell stack - Google Patents

Solid electrolyte fuel cell cell stack, bundle, fuel cell, and manufacturing method of fuel cell cell stack Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid electrolyte fuel cell cell stack decreasing the difference between the coefficient of thermal expansion of a support supporting a power generation element part and that of a fuel electrode and enhancing durability and reliability in the fuel cell cell stack in which a plurality of power generation element parts are installed in the axial length direction of the cell stack and connected in series. <P>SOLUTION: A fuel electrode is formed in two layers of an activated fuel electrode 3b on a solid electrolyte 4 side and a current collecting fuel electrode 3a on the support 2 side, the activated fuel electrode 3b is a mixture of Ni or a Ni oxide with ZrO<SB>2</SB>in which a rare earth element is present in the form of solid solution, the current collecting fuel electrode 3a on the support side is a mixture of Ni or a Ni oxide on the support side. Since the difference in thermal expansion between the support 2 and the collector fuel electrode 3a is made small, breakage or peeling off of the fuel electrode can be suppressed. Thickness of the collector fuel electrode 3a can be increased, and current can flow at low resistance in the axial length direction of the cell stack. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、内部に燃料の流通部を有する支持体の表面に発電素子部(セル)を設けた固体電解質形の燃料電池セルスタック、バンドル及び燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a solid electrolyte fuel cell stack, a bundle, and a fuel cell in which a power generation element portion (cell) is provided on the surface of a support body having a fuel circulation portion therein.

次世代エネルギーとして、近年、燃料電池が種々提案されている。このような燃料電池には、固体高分子形、リン酸形、溶融炭酸塩形、固体電解質形など、各種のものが知られているが、中でも固体電解質形燃料電池(SOFC;Solid Oxide Fuel Cell)は、作動温度が800〜1000℃と高いものの、発電効率が高く、また排熱利用ができるなどの利点を有しており、その研究開発が推し進められている。   In recent years, various fuel cells have been proposed as next-generation energy. Various types of fuel cells such as a solid polymer type, a phosphoric acid type, a molten carbonate type, and a solid electrolyte type are known. Among them, a solid oxide fuel cell (SOFC) is known. ) Has a high operating temperature of 800 to 1000 ° C., but has advantages such as high power generation efficiency and the ability to use exhaust heat, and its research and development is being promoted.

固体電解質形燃料電池は、燃料電池セルスタックを複数有し、これらの燃料電池セルスタックを互いに電気的に接続してバンドルとし、このバンドルを収納容器内に収容したものである。燃料電池セルスタックにおいては、その燃料電池セルスタックに発電素子部をどのように配置するかによって、いわゆる「横縞形」のタイプが知られている。
この横縞形の燃料電池セルスタックは、発電素子部を、セルスタックの軸長方向に沿って複数個配置し、それらを直列に接続したものである。発電素子部は例えば1つあたり0.7Vの起電力しか得られないが、複数直列に接続することで、1セルスタック当たり相当の起電力が得られる。
The solid oxide fuel cell has a plurality of fuel cell stacks, and these fuel cell stacks are electrically connected to each other to form a bundle, and the bundle is accommodated in a storage container. In the fuel cell stack, a so-called “horizontal stripe” type is known depending on how the power generation element portion is arranged in the fuel cell stack.
In this horizontal stripe fuel cell stack, a plurality of power generating element portions are arranged along the axial length direction of the cell stack and connected in series. For example, only one electromotive force of 0.7 V can be obtained for each power generating element portion, but by connecting a plurality of power generating elements in series, a considerable electromotive force can be obtained per cell stack.

横縞形の燃料電池セルスタックは、多孔質絶縁体である支持体の表面に、発電素子部を軸長方向に所定間隔をおいて複数配置している。それぞれの発電素子部は、燃料極、固体電解質及び空気極を順次積層した層構造となっている。互いに隣り合う発電素子部は、それぞれインターコネクタにより直列に接続されている。すなわち、一方の発電素子部の燃料極と他方の発電素子部の空気極とが、インターコネクタにより接続されている。そして、支持体の内部にはガス流路が形成されている。   In the horizontally striped fuel cell stack, a plurality of power generating element portions are arranged at predetermined intervals in the axial direction on the surface of a support that is a porous insulator. Each power generation element portion has a layer structure in which a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are sequentially stacked. The power generating element portions adjacent to each other are connected in series by an interconnector. That is, the fuel electrode of one power generation element part and the air electrode of the other power generation element part are connected by the interconnector. A gas flow path is formed inside the support.

前記構造の横縞形の燃料電池セルスタックの発電原理は、次のとおりである。
固体電解質の酸素イオン伝導性は600℃程度から高くなるため、600℃以上の温度域で、空気極に酸素を含むガスを、燃料極に水素を含むガスを各々供給することで、空気極と燃料極間の酸素濃度差が発生する。
空気極から固体電解質を通じて燃料極へ移動した酸素イオンは、燃料極で水素イオンと結合して水となる。このとき、空気極では、下記式(1)の電極反応を生じ、燃料極では、下記式(2)の電極反応を生じる。これにより電子の移動が起こり、発電する。
The power generation principle of the horizontal stripe fuel cell stack having the above structure is as follows.
Since the oxygen ion conductivity of the solid electrolyte increases from about 600 ° C., by supplying a gas containing oxygen to the air electrode and a gas containing hydrogen to the fuel electrode in a temperature range of 600 ° C. or higher, A difference in oxygen concentration occurs between the fuel electrodes.
Oxygen ions that have moved from the air electrode to the fuel electrode through the solid electrolyte are combined with hydrogen ions at the fuel electrode to become water. At this time, an electrode reaction of the following formula (1) occurs at the air electrode, and an electrode reaction of the following formula (2) occurs at the fuel electrode. As a result, electrons move and generate electricity.

空気極: 1/2O2+2e- → O2-(固体電解質) …(1)
燃料極: O2-(固体電解質)+H2 → H2O+2e- …(2)
横縞形の燃料電池セルスタックでは、以上の反応を起こす発電素子部が、支持体表面に、軸長方向に複数形成され且つ互いに直列に接続されているために、少ないセルスタック数で高い電圧を得られるという利点がある。
特開平10−003932号公報
Air electrode: 1 / 2O 2 + 2e → O 2− (solid electrolyte) (1)
Fuel electrode: O 2− (solid electrolyte) + H 2 → H 2 O + 2e (2)
In the horizontal stripe fuel cell stack, a plurality of power generating element portions that cause the above reaction are formed on the support surface in the axial direction and connected in series, so that a high voltage can be obtained with a small number of cell stacks. There is an advantage that it can be obtained.
JP 10-003932 A

前記燃料極の材料として、水素イオンの吸着能を有し、かつ電気伝導度の高い材料を用いる必要がある。そこで、例えば、もともと固体電解質の材料であるYSZ に、Niを混合した材料Ni−YSZが用いられている。
しかし、燃料極の熱膨張率は、支持体の熱膨張率と離れているので、支持体に直接取り付けると、燃料電池の作成時や、燃料電池セルスタックを発電のため加熱したり発電の終了に伴い冷却する際に、割れたり剥離したりするなどの問題があった。
As the material for the fuel electrode, it is necessary to use a material having hydrogen ion adsorption ability and high electrical conductivity. Therefore, for example, a material Ni-YSZ in which Ni is mixed with YSZ that is originally a solid electrolyte material is used.
However, the coefficient of thermal expansion of the fuel electrode is far from the coefficient of thermal expansion of the support, so attaching it directly to the support can heat the fuel cell stack for power generation or end the power generation when creating a fuel cell. When cooling, there was a problem such as cracking or peeling.

燃料極を薄い層にするほど、熱膨張率の相異に基づく剥離の問題は少なくなるが、横縞形の燃料電池セルスタックでは、電流が支持体表面を軸長方向に流れるので、燃料極を薄くすると電流が流れるのにシート抵抗が増えてしまい、発電効率が低下するという問題が生ずる。したがって、燃料極をあまり薄くできない。
また従来、隣り合う発電素子部同士を接続するインターコネクタ16は、図6に示すように、絶縁性の支持体12の上に直接形成され、燃料極13に接続される部分16aと、折れ曲がって空気極15に接続する部分16bとを備えていた。
The thinner the fuel electrode, the less the problem of delamination due to the difference in thermal expansion coefficient.However, in the horizontal stripe fuel cell stack, the current flows in the axial direction on the surface of the support. If the thickness is reduced, the sheet resistance increases while current flows, and the power generation efficiency decreases. Therefore, the fuel electrode cannot be made too thin.
Conventionally, the interconnector 16 that connects adjacent power generating element portions is formed directly on the insulating support 12 and bent with a portion 16a connected to the fuel electrode 13, as shown in FIG. And a portion 16 b connected to the air electrode 15.

しかし、このインターコネクタ16の形状では、インターコネクタ16を軸長方向に流れる電流のパスが長くなり、その分、燃料電池セルスタックの内部抵抗が大きくなり、燃料電池から発電電力を効率よく取り出せなくなる。
本発明は、セルスタックの軸長方向に沿って複数個配置された発電素子部を支持する支持体と燃料極との熱膨張係数差が低減され、耐久性、信頼性に優れた固体電解質形の燃料電池セルスタック、バンドル及び燃料電池を提供することを目的とする。
However, with this shape of the interconnector 16, the path of the current flowing through the interconnector 16 in the axial length direction becomes longer, and accordingly, the internal resistance of the fuel cell stack increases, and the generated power cannot be efficiently extracted from the fuel cell. .
The present invention provides a solid electrolyte type that is excellent in durability and reliability by reducing the difference in thermal expansion coefficient between a fuel electrode and a support that supports a plurality of power generating element portions arranged along the axial direction of the cell stack. An object of the present invention is to provide a fuel cell stack, a bundle, and a fuel cell.

また、本発明は、燃料極から流れる電流経路を短くすることによって、発電素子部の間に介在する抵抗を減少させ、発電効率を向上させることのできる固体電解質形の燃料電池セルスタック、バンドル及び燃料電池並びに燃料電池セルスタックの製造方法を提供することを目的とする。   Further, the present invention provides a solid electrolyte fuel cell stack, bundle, and the like that can reduce the resistance interposed between the power generation element portions by shortening the current path flowing from the fuel electrode and improve the power generation efficiency. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a fuel cell and a fuel cell stack.

本発明によれば、燃料極が、固体電解質側の活性燃料極と支持体側の集電燃料極とを具備して形成されており、前記固体電解質側の活性燃料極が、Ni若しくはNi酸化物と、希土類元素が固溶しているZrO2との混合体であり、前記支持体側の集電燃料極が、Ni若しくはNi酸化物と、希土類元素酸化物との混合体であることを特徴とする燃料電池セルスタックが提供される。 According to the present invention, the fuel electrode is formed to include a solid electrolyte side active fuel electrode and a support side current collector fuel electrode, and the solid electrolyte side active fuel electrode is made of Ni or Ni oxide. And ZrO 2 in which a rare earth element is dissolved, and the collector fuel electrode on the support side is a mixture of Ni or Ni oxide and rare earth element oxide. A fuel cell stack is provided.

この構造であれば、従来技術に比べて、前記集電燃料極の熱膨張率と、前記支持体の熱膨張率とを近づけることができるので、燃料電池セルスタックの作成時、加熱時、冷却時において両者の熱膨張差に起因して発生する熱応力を小さくすることができ、燃料極の割れや剥離などを抑制することができる。このため、燃料ガスを流して発電を行う場合においても、支持体との熱膨張係数の整合性は安定に維持され、燃料電池セルスタックの耐久性、信頼性を増すことができる。   With this structure, the thermal expansion coefficient of the current collecting fuel electrode and the thermal expansion coefficient of the support can be made closer to those of the prior art, so that the fuel cell stack can be created, heated, and cooled. In some cases, the thermal stress generated due to the difference in thermal expansion between the two can be reduced, and cracking or peeling of the fuel electrode can be suppressed. For this reason, even when the fuel gas is flowed to generate power, the consistency of the thermal expansion coefficient with the support is stably maintained, and the durability and reliability of the fuel cell stack can be increased.

前記集電燃料極の熱膨張率と、前記支持体の熱膨張率とを、ほぼ一致させるためには、前記Ni若しくはNi酸化物の組成比を調製すればよい。
具体的には、支持体側の集電燃料極のNi換算でのNi量あるいはNiO量を35〜60体積%の範囲内で調製することにより、支持体と支持体側の集電燃料極との熱膨張差を1×10-6/°C以下とすることができる。
In order to make the thermal expansion coefficient of the current collecting fuel electrode substantially coincide with the thermal expansion coefficient of the support, the composition ratio of the Ni or Ni oxide may be adjusted.
Specifically, by adjusting the Ni amount or NiO amount of the current collector fuel electrode on the support side within the range of 35 to 60% by volume, heat between the support and the current collector fuel electrode on the support side is obtained. The expansion difference can be set to 1 × 10 −6 / ° C. or less.

前記希土類元素が固溶しているZrO2は、Y-ZrO2で又はSc-ZrO2であることが望ましい。この理由は、固溶することによって電気伝導度が高くなり、またこの材料は固体電解質材料として用いられているので、活性燃料極を固体電解質層によく固着させることができるからである。
前記希土類元素酸化物は、Y23又はYb23であることが望ましい。この理由は、原料コストの低下である。
The ZrO 2 in which the rare earth element is dissolved is preferably Y—ZrO 2 or Sc—ZrO 2 . This is because the electric conductivity is increased by solid solution, and since this material is used as a solid electrolyte material, the active fuel electrode can be well fixed to the solid electrolyte layer.
The rare earth element oxide is preferably Y 2 O 3 or Yb 2 O 3 . The reason for this is a reduction in raw material costs.

本発明によれば、支持体と支持体側の集電燃料極との熱膨張差を小さくすることができるので、支持体側の集電燃料極の厚さを100μm以上の厚さにすることが可能になる。したがって、 横縞形の燃料電池セルスタックであっても、軸長方向に電流を低抵抗で流すことができ、ジュール損が少なくなり、発電効率を高く保つことができる。
また、本発明の燃料電池セルスタックは、発電素子部の燃料極の上にインターコネクタが層状に形成され、当該インターコネクタの軸長方向の両端辺を被覆した状態で前記固体電解質が燃料極の上に形成されている。そして、当該インターコネクタの前記固体電解質で被覆されない露出した部分と、隣り合う発電素子部の空気極との間を接続する発電素子接続部材が設けられている。
According to the present invention, since the difference in thermal expansion between the support and the collector fuel electrode on the support side can be reduced, the thickness of the collector fuel electrode on the support side can be made 100 μm or more. become. Therefore, even in a horizontally striped fuel cell stack, current can flow with low resistance in the axial length direction, joule loss can be reduced, and power generation efficiency can be kept high.
In the fuel cell stack of the present invention, the interconnector is formed in layers on the fuel electrode of the power generation element portion, and the solid electrolyte is the fuel electrode in a state where both ends of the interconnector in the axial length direction are covered. Formed on top. And the electric power generation element connection member which connects between the exposed part which is not coat | covered with the said solid electrolyte of the said interconnector, and the air electrode of an adjacent electric power generation element part is provided.

この構成であれば、一般に金属に比較して電気伝導度の低いセラミックスからなるインターコネクタを燃料極の上に層状に形成し、その上に発電素子接続部材を接続しているので、インターコネクタを軸長方向に流れる電流のパスがなくなり、インターコネクタによる抵抗が減少する。
また、燃料極の上に形成される前記固体電解質は、当該インターコネクタの軸長方向の両端辺を被覆した状態で形成されているので、燃料電池セルスタックの内部と外部のガスシールも完全に行うことができる。
If it is this structure, since the interconnector which consists of ceramics with low electrical conductivity generally compared with a metal is formed in a layer form on a fuel electrode, and a power generation element connection member is connected on it, an interconnector is connected. There is no path for current flowing in the axial direction, and resistance due to the interconnector is reduced.
Further, since the solid electrolyte formed on the fuel electrode is formed so as to cover both ends in the axial length direction of the interconnector, the gas seal inside and outside the fuel cell stack is also completely It can be carried out.

さらに、本発明において、前記固体電解質がインターコネクタの軸長方向の両端辺を被覆している効果を、図5を用いて説明する。
比較例として示す図5(b)では、インターコネクタ6の両端辺の付近Bにおいて、燃料極3/固体電解質4/インターコネクタ6がこの順に層状に重なった構造となる。この図5(b)の構造では、インターコネクタ6を通して燃料極3に電流iが流れ込むときに、通常の電流の流れiに対して、符合iダッシュで示すように、発電に寄与しない局部的な回り込み回路ができる可能性がある。そのため、このような回路ができないようにする必要がある。
Furthermore, in the present invention, the effect of the solid electrolyte covering both ends of the interconnector in the axial length direction will be described with reference to FIG.
In FIG. 5B shown as a comparative example, the fuel electrode 3 / solid electrolyte 4 / interconnector 6 are stacked in this order in the vicinity of both ends B of the interconnector 6 in this order. In the structure of FIG. 5B, when current i flows into the fuel electrode 3 through the interconnector 6, the local current that does not contribute to power generation, as indicated by the symbol i-dash, with respect to the normal current flow i. There is a possibility of a wraparound circuit. Therefore, it is necessary to prevent such a circuit.

本発明の燃料電池セルスタックの構造によれば、図5(a)に示すように、インターコネクタ6の両端辺の付近Bにおいて、燃料極3/インターコネクタ6/固体電解質4がこの順に層状に重なった構造を実現できる。したがって、符合iダッシュで示した発電に寄与しない局部的な回り込み回路がなくなり、発電効率の向上を実現することができる。
前記支持体の横断面は、扁平状であることが望ましい。このような燃料電池セルスタックでは、発電素子の面積を大きくでき、発電量を大きくすることができるため、必要とする発電量を得るためのセルスタック本数を減らすことができる。したがって、セルスタック間の接続箇所を減少させることができる。そのため、構造、組み立てが簡単になるとともに、信頼性が向上する。
According to the structure of the fuel cell stack of the present invention, as shown in FIG. 5A, the fuel electrode 3 / interconnector 6 / solid electrolyte 4 are layered in this order in the vicinity B of both ends of the interconnector 6. Overlapping structure can be realized. Therefore, there is no local wraparound circuit that does not contribute to the power generation indicated by the symbol i-dash, and the power generation efficiency can be improved.
The cross section of the support is preferably flat. In such a fuel cell stack, since the area of the power generation element can be increased and the amount of power generation can be increased, the number of cell stacks for obtaining the required amount of power generation can be reduced. Therefore, the connection location between cell stacks can be reduced. Therefore, the structure and the assembly are simplified and the reliability is improved.

また、多孔質支持体の内部を、燃料ガス流路が通るように、中空の板状の形状とすることにより、燃料電池セルスタックの体積当たりの発電素子部の面積を増加し、燃料電池セルスタック当たりの発電量を大きくすることができ、必要とする発電量を得るためのセルスタック本数を減らすことができ、セルスタック間の接続箇所を減少させることができる。そのため、構造、組み立てが簡単になるとともに、信頼性が向上する。   Further, by forming the inside of the porous support body into a hollow plate shape so that the fuel gas flow path passes, the area of the power generation element unit per volume of the fuel cell stack is increased, and the fuel cell The power generation amount per stack can be increased, the number of cell stacks for obtaining the required power generation amount can be reduced, and the number of connection points between the cell stacks can be reduced. Therefore, the structure and the assembly are simplified and the reliability is improved.

また、このような燃料電池セルスタックを電気的に接続してなるバンドルを収納容器に収納して燃料電池とする場合には、円筒形の燃料電池セルスタックに比べ、燃料電池セルスタックを密に配置できることから、発電量当たりのバンドルの占める体積を小さくすることができ、小型で、熱効率の高い燃料電池を提供することができる。
また、本発明によれば、燃料電池セルスタックの片側又は両側の端部に、他の燃料電池セルスタックの発電素子と電気的に接続するためのセルスタック間接続部材を用いて、前記の燃料電池セルスタックの複数を互いに電気的に接続してなるバンドルが提供される。この構造によって、燃料電池セルスタック当たりの発電電圧を高くすることができるとともに、内部抵抗の小さな、大きな電力が取り出せる、信頼性の高いバンドルが得られる。
Further, when a bundle formed by electrically connecting such fuel cell stacks is stored in a storage container to form a fuel cell, the fuel cell stack is denser than a cylindrical fuel cell stack. Since it can arrange | position, the volume which the bundle per power generation amount occupies can be made small, and a small and highly efficient fuel cell can be provided.
Further, according to the present invention, the inter-cell stack connecting member for electrically connecting to the power generating element of another fuel cell stack is used at one or both ends of the fuel cell stack. A bundle formed by electrically connecting a plurality of battery cell stacks to each other is provided. With this structure, it is possible to increase the power generation voltage per fuel cell stack, and to obtain a highly reliable bundle with a small internal resistance and capable of extracting a large amount of power.

以上に説明したバンドルを収納容器に複数収納してなる燃料電池を構成すると、小型で熱効率の高い燃料電池を提供することができる。
また、本発明の燃料電池セルスタックの製造方法は、燃料極の成形品の所定箇所にインターコネクタの材料を形成し、前記インターコネクタの材料が形成された燃料極の成形品を仮焼成し、前記燃料極上のインターコネクタの、軸長方向の両端辺を除いた表面をマスクし、マスクした上から固体電解質の材料を塗布し、仮焼成して、前記マスクの上の固体電解質をマスクごと除去することを特徴とする。
By configuring a fuel cell in which a plurality of bundles described above are stored in a storage container, a small and highly efficient fuel cell can be provided.
Further, in the method of manufacturing a fuel cell stack according to the present invention, the interconnector material is formed at a predetermined position of the fuel electrode molded product, and the fuel electrode molded product on which the interconnector material is formed is temporarily fired, Mask the surface of the interconnector on the fuel electrode, excluding both ends in the axial length direction, apply the material of the solid electrolyte from the masked surface, pre-fire, and remove the solid electrolyte on the mask together with the mask It is characterized by doing.

この燃料電池セルスタックの製造方法によれば、図5(a)に示すように、インターコネクタ6の両端辺の付近Bにおいて、燃料極3/インターコネクタ6/固体電解質4がこの順に層状に重なった構造を実現できる。したがって、符合iダッシュで示した発電に寄与しない局部的な回り込み回路がなくなり、発電効率の向上を実現することができる。   According to this method of manufacturing a fuel cell stack, as shown in FIG. 5A, the fuel electrode 3 / interconnector 6 / solid electrolyte 4 are layered in this order in the vicinity B of both ends of the interconnector 6. Structure can be realized. Therefore, there is no local wraparound circuit that does not contribute to the power generation indicated by the symbol i-dash, and the power generation efficiency can be improved.

以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は、本発明の燃料電池セルスタックの構造を示す斜視図であり、図2はその正面図である。
この燃料電池セルスタック1は、発電素子接続部材7(図3参照)を塗布する前の状態を示している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a perspective view showing the structure of a fuel cell stack according to the present invention, and FIG. 2 is a front view thereof.
The fuel cell stack 1 shows a state before the power generation element connecting member 7 (see FIG. 3) is applied.

この燃料電池セルスタック1は、中空かつ扁平板状の支持体2に、複数の発電素子部をセルスタックの軸長方向に沿って複数個配置し、それらをインターコネクタ6で直列に接続した「横縞形」といわれるものである。発電素子部は、支持体2の表面及び裏面にそれぞれ形成されている。
図1(a)は、セルスタック表面の先端の発電素子部(図示せず)と、セルスタック裏面の先端の発電素子部(図示せず)とが、セルスタックを周回する金属バンドによって接続され、セルスタック表面の電流の方向と、セルスタック裏面の電流の方向とが反対になるタイプを示している。
This fuel cell stack 1 has a plurality of power generating element portions arranged in a hollow and flat plate-like support 2 along the axial length direction of the cell stack, and these are connected in series by an interconnector 6. It is called “horizontal stripe”. The power generation element portions are formed on the front surface and the back surface of the support 2, respectively.
In FIG. 1A, a power generation element portion (not shown) at the front end of the cell stack and a power generation element portion (not shown) at the front end of the cell stack are connected by a metal band that goes around the cell stack. 1 shows a type in which the direction of current on the cell stack surface is opposite to the direction of current on the back surface of the cell stack.

図1(b)は、セルスタック表面の各発電素子部と、セルスタック裏面の各発電素子部とが、セルスタックを周回するインターコネクタ6によりそれぞれ接続されて、全体としてみればセルスタック表面の発電素子部と、セルスタック裏面の発電素子部とが、並列に接続されるタイプを示している。
図3は、図2のAーA線で切った、発電素子部が形成された部分を示すセルスタックの断面図である。
FIG. 1B shows that each power generation element portion on the cell stack surface and each power generation element portion on the back surface of the cell stack are connected by an interconnector 6 that circulates around the cell stack. The power generation element unit and the power generation element unit on the back surface of the cell stack are connected in parallel.
FIG. 3 is a cross-sectional view of the cell stack showing a portion where the power generation element portion is formed, taken along line AA in FIG.

燃料電池セルスタック1は、支持体2の表面に、その軸長方向に所定間隔をおいて、複数の発電素子部を配列することにより構成されている。
それぞれの発電素子部は、集電燃料極3a、活性燃料極3b(集電燃料極3a、活性燃料極3bを総称して「燃料極3」という)、固体電解質4及び空気極5を順次積層した層構造となっている。
The fuel cell stack 1 is configured by arranging a plurality of power generation element portions on the surface of a support 2 at a predetermined interval in the axial length direction.
Each power generation element section is formed by sequentially laminating a current collecting fuel electrode 3a, an active fuel electrode 3b (the current collecting fuel electrode 3a and the active fuel electrode 3b are collectively referred to as “fuel electrode 3”), a solid electrolyte 4 and an air electrode 5. It has a layered structure.

隣り合う発電素子部は、インターコネクタ6及び発電素子接続部材7により直列に接続されている。すなわち、一方の発電素子部の燃料極3の上にインターコネクタ6が形成され、このインターコネクタ6と他方の発電素子部の空気極5とが発電素子接続部材7により電気的に接続された構造となっている。
支持体2の内部には、内径の小さな複数の燃料ガス流路11が軸方向に貫通して形成されている(図1参照)。このように、支持体2の内部にガス流路11を複数形成することにより、支持体2の内部に大きなガス流路を1本形成する場合に比べて、支持体2を扁平板状とすることができ、支持体2の強度も上がる。
Adjacent power generation element portions are connected in series by an interconnector 6 and a power generation element connection member 7. That is, an interconnector 6 is formed on the fuel electrode 3 of one power generation element portion, and the interconnector 6 and the air electrode 5 of the other power generation element portion are electrically connected by a power generation element connection member 7. It has become.
A plurality of fuel gas passages 11 having a small inner diameter are formed in the support body 2 so as to penetrate in the axial direction (see FIG. 1). Thus, by forming a plurality of gas flow paths 11 inside the support body 2, the support body 2 has a flat plate shape as compared with the case where one large gas flow path is formed inside the support body 2. And the strength of the support 2 is increased.

この燃料ガス流路11内に燃料ガス(水素ガス)を流し、かつ空気極5を空気等の酸素含有ガスに曝すことにより、燃料極3及び空気極5間で前述した式(1),(2)に示す電極反応が生じ、両極間に電位差が発生し、発電するようになっている。
前記燃料電池セルスタック1を複数集合して、燃料電池セルスタック1同士をセルスタック間接続部材で接続して、バンドルを組み立てる。このバンドルの両端に、バンドルで発生した電力を燃料電池外に取り出すための導電部材(図示せず)を取り付けて、収納容器内に収容して、燃料電池を製作することができる。 この収納容器に空気等の酸素含有ガスを導入し、水素等の燃料ガスを導入管を通して燃料ガスマニホールドMに導入する。燃料ガスを燃料ガスマニホールドMを通して燃料電池セルスタック1内部に導入し、燃料電池セルスタック1を所定温度に加熱すれば、燃料電池セルスタック1によって発電することができる。使用された燃料ガス、酸素含有ガスは、収納容器外に排出される。
By flowing a fuel gas (hydrogen gas) through the fuel gas flow path 11 and exposing the air electrode 5 to an oxygen-containing gas such as air, the above-described equations (1), ( The electrode reaction shown in 2) occurs, a potential difference is generated between the two electrodes, and power is generated.
A plurality of the fuel cell stacks 1 are assembled, and the fuel cell stacks 1 are connected to each other by an inter-cell stack connecting member to assemble a bundle. A fuel cell can be manufactured by attaching conductive members (not shown) for taking out the electric power generated in the bundle to the outside of the fuel cell at both ends of the bundle and storing the conductive member in the storage container. An oxygen-containing gas such as air is introduced into the storage container, and a fuel gas such as hydrogen is introduced into the fuel gas manifold M through an introduction pipe. When the fuel gas is introduced into the fuel cell stack 1 through the fuel gas manifold M and the fuel cell stack 1 is heated to a predetermined temperature, the fuel cell stack 1 can generate electric power. The used fuel gas and oxygen-containing gas are discharged out of the storage container.

以下、セルスタックを構成する各部材の材質を詳しく説明する。
前記支持体2は、Ni若しくはNi酸化物(NiO)と、例えば希土類元素酸化物が固溶したZrO2とからなっている。なお、希土類元素酸化物を構成する希土類元素としては、Y,La,Yb,Tm,Er,Ho,Dy,Gd,Sm,Prなどを例示することができるが、好ましいものは、Yの酸化物である。Y23やYb23、特にY23が好ましい。また、支持体2として、希土類元素酸化物が固溶したZrO2に代えて、例えばスピネル、フィルステライト、ジルコン酸カルシウム等を用いることもできる。
Hereinafter, the material of each member constituting the cell stack will be described in detail.
The support 2 is made of Ni or Ni oxide (NiO) and ZrO 2 in which, for example, a rare earth element oxide is dissolved. Examples of rare earth elements constituting rare earth element oxides include Y, La, Yb, Tm, Er, Ho, Dy, Gd, Sm, and Pr. Preferred are oxides of Y It is. Y 2 O 3 and Yb 2 O 3 , particularly Y 2 O 3 are preferred. Further, as the support 2, for example, spinel, filsterite, calcium zirconate, or the like can be used instead of ZrO 2 in which a rare earth element oxide is dissolved.

前記NiあるいはNiO(NiOは、発電時には、通常、水素ガスにより還元されてNiとして存在する)は、Ni換算で5〜25体積%、特に5〜10体積%の範囲で支持体2中に含有されているのがよい。
この支持体2の熱膨張係数は、通常、10.5〜11.5×10-6(1/K)程度である。
Ni or NiO (NiO is usually reduced by hydrogen gas and exists as Ni during power generation) is contained in the support 2 in a range of 5 to 25% by volume, particularly 5 to 10% by volume in terms of Ni. It is good to be.
The thermal expansion coefficient of the support 2 is usually about 10.5 to 11.5 × 10 −6 (1 / K).

支持体2は、発電素子部間の電気的ショートを防ぐために電気絶縁性であることが必要であり、Ni等の含量を前記範囲として、10Ω・cm以上の抵抗率を持たせることが好ましい。
また、Ni等以外の残量の全ては、通常、希土類元素酸化物が固溶しているZrO2である。しかし、少量、例えば5重量%以下の範囲で、MgOやSiO2などの他の酸化物、若しくは複合酸化物例えばジルコン酸カルシウムなどを含有していてもよい。
The support 2 needs to be electrically insulative in order to prevent an electrical short circuit between the power generating element portions, and preferably has a resistivity of 10 Ω · cm or more with the content of Ni or the like being in the above range.
Further, the remaining amount other than Ni or the like is usually ZrO 2 in which a rare earth element oxide is dissolved. However, other oxides such as MgO and SiO 2 or composite oxides such as calcium zirconate may be contained in a small amount, for example, in the range of 5% by weight or less.

なお、前記支持体2は、燃料ガス流路11内の燃料ガスを燃料極3の表面まで導入可能でなければならず、このため、多孔質であることが必要である。一般に、その開気孔率は25%以上、特に30〜40%の範囲にあるのがよい。
燃料極3は、前記式(2)の電極反応を生じせしめるものであり、本実施形態においては、固体電解質側の活性燃料極3bと、支持体2側の集電燃料極3aとの二層構造に形成されている。
The support 2 must be able to introduce the fuel gas in the fuel gas flow path 11 up to the surface of the fuel electrode 3, and therefore needs to be porous. In general, the open porosity should be 25% or more, especially in the range of 30-40%.
The fuel electrode 3 causes an electrode reaction of the above formula (2). In the present embodiment, the fuel electrode 3 has two layers of an active fuel electrode 3b on the solid electrolyte side and a collecting fuel electrode 3a on the support 2 side. Formed in the structure.

前記固体電解質側の活性燃料極3bは、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(安定化ジルコニア)と、Ni及び/又はNi酸化物NiO(以下、Ni等と呼ぶ)とからなる。この希土類元素が固溶した安定化ジルコニアとしては、後述する固体電解質4に使用されているものと同様のものを用いることができる。 The active fuel electrode 3b on the solid electrolyte side is formed of porous conductive ceramics. For example, it is composed of ZrO 2 (stabilized zirconia) in which a rare earth element is dissolved, and Ni and / or Ni oxide NiO (hereinafter referred to as Ni or the like). As the stabilized zirconia in which the rare earth element is dissolved, the same one used for the solid electrolyte 4 described later can be used.

活性燃料極3b中の安定化ジルコニア含量は、35〜65体積%の範囲にあることが好ましく、またNi等の含量は、良好な集電性能を発揮させるため、Ni換算で65〜35体積%の範囲にあるのがよい。
さらに活性燃料極3bの開気孔率は、20%以上、特に25〜40%の範囲にあるのがよい。
The stabilized zirconia content in the active fuel electrode 3b is preferably in the range of 35 to 65% by volume, and the content of Ni or the like is 65 to 35% by volume in terms of Ni in order to exhibit good current collecting performance. It is good to be in the range.
Further, the open porosity of the active fuel electrode 3b is preferably 20% or more, particularly 25 to 40%.

この活性燃料極3bの熱膨張係数は、通常、12.3×10-6(1/K)程度である。
また、活性燃料極3bの厚みは、3μm以上、10μm未満の範囲にあることが望ましい。厚み10μm以上であれば、固体電解質4との熱膨張差に起因して発生する熱応力を吸収できないようになり、活性燃料極の割れや剥離などを生じるおそれがある。
活性燃料極3bは、導電性であることが好ましく、Ni等の含量が前記範囲として、400S/cm以上の導電率を持たせることができる。
The thermal expansion coefficient of the active fuel electrode 3b is usually about 12.3 × 10 −6 (1 / K).
The thickness of the active fuel electrode 3b is desirably in the range of 3 μm or more and less than 10 μm. If the thickness is 10 μm or more, the thermal stress generated due to the difference in thermal expansion from the solid electrolyte 4 cannot be absorbed, and the active fuel electrode may be cracked or peeled off.
The active fuel electrode 3b is preferably conductive, and the content of Ni or the like is within the above range, and can have a conductivity of 400 S / cm or more.

一方、燃料極3のうち前記支持体2側の集電燃料極3aは、Ni若しくはNi酸化物と、希土類元素酸化物との混合体である。希土類元素酸化物を構成する希土類元素としては、Y,La,Yb,Tm,Er,Ho,Dy,Gd,Sm,Prなどを例示することができるが、好ましいものは、Yの酸化物である。Y23やYb23、特にY23が好ましい。また、希土類元素酸化物が固溶したZrO2に代えて、例えばスピネル、フィルステライト、ジルコン酸カルシウム等を用いることもできる。 On the other hand, the current collecting fuel electrode 3a on the support 2 side of the fuel electrode 3 is a mixture of Ni or Ni oxide and rare earth element oxide. Examples of the rare earth element constituting the rare earth element oxide include Y, La, Yb, Tm, Er, Ho, Dy, Gd, Sm, and Pr. Preferred is an oxide of Y. . Y 2 O 3 and Yb 2 O 3 , particularly Y 2 O 3 are preferred. Further, for example, spinel, filsterite, calcium zirconate, or the like can be used in place of ZrO 2 in which the rare earth element oxide is dissolved.

前記NiあるいはNi酸化物(NiOは、発電時には、通常、水素ガスにより還元されてNiとして存在する)は、Ni換算で35体積%〜60体積%の範囲で希土類元素酸化物中に含有されているのがよい。この範囲で調製することにより、集電燃料極3aの熱膨張係数は、通常、11.5×10-6(1/K)程度となる。したがって、支持体2と集電燃料極3aとの熱膨張差を1.0×10-6/°C以下とすることができる。 The Ni or Ni oxide (NiO is usually reduced by hydrogen gas and present as Ni during power generation) is contained in the rare earth element oxide in a range of 35 vol% to 60 vol% in terms of Ni. It is good to be. By preparing in this range, the thermal expansion coefficient of the current collecting fuel electrode 3a is usually about 11.5 × 10 −6 (1 / K). Therefore, the thermal expansion difference between the support 2 and the current collecting fuel electrode 3a can be set to 1.0 × 10 −6 / ° C. or less.

集電燃料極3aも、活性燃料極3bと同様、電流の流れを損なわないように、導電性であることが好ましく、Ni等の含量が前記範囲として、400S/cm以上の導電率をもたせることができる。
また、この集電燃料極3aの厚みは、100μm以上であることが望ましい。100μm未満であれば、軸長方向に電流が流れるときの抵抗が増加して、燃料電池セルスタック1内部に無視できない電圧降下が発生してしまう。
The current collecting fuel electrode 3a is also preferably conductive so as not to impair the flow of current, like the active fuel electrode 3b, and the content of Ni or the like is within the above range and has a conductivity of 400 S / cm or more. Can do.
Moreover, it is desirable that the current collecting fuel electrode 3a has a thickness of 100 μm or more. If it is less than 100 μm, the resistance when current flows in the axial direction increases, and a voltage drop that cannot be ignored occurs in the fuel cell stack 1.

以上のように、燃料極3を、固体電解質側の活性燃料極3bと支持体側の集電燃料極3aとの二層に形成した構造であれば、支持体側の集電燃料極3aのNi換算でのNi量あるいはNiO量を35〜60体積%の範囲内で調製することにより、活性燃料極3b部との接合性を損なうことなく、その熱膨張係数を、支持体2の熱膨張係数に近づけることができ、例えば両者の熱膨張差を、1.0×10-6/℃未満とすることができ、
したがって、燃料電池セルスタック1の作成時、加熱時、冷却時などにおいて燃料極3と支持体2との熱膨張差に起因して発生する熱応力を小さくすることができるため、燃料極3の割れや剥離などを抑制することができる。そして、燃料ガス(水素ガス)を流して発電を行う場合においても、支持体2との熱膨張係数の整合性は安定に維持される。
As described above, if the fuel electrode 3 is formed in two layers of the active electrolyte electrode 3b on the solid electrolyte side and the current collecting fuel electrode 3a on the support side, the Ni conversion of the current collecting fuel electrode 3a on the support side is performed. By adjusting the amount of Ni or NiO in the range of 35 to 60% by volume, the thermal expansion coefficient of the support 2 is changed to the thermal expansion coefficient without impairing the bonding property with the active fuel electrode 3b. For example, the difference in thermal expansion between the two can be less than 1.0 × 10 −6 / ° C.
Therefore, since the thermal stress generated due to the difference in thermal expansion between the fuel electrode 3 and the support 2 can be reduced when the fuel cell stack 1 is formed, heated, cooled, etc. Cracks and peeling can be suppressed. Even when power generation is performed by flowing fuel gas (hydrogen gas), the consistency of the thermal expansion coefficient with the support 2 is stably maintained.

前記固体電解質4は、電極間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有すると同時に、燃料ガスと空気等の酸素含有ガスとのリークを防止するためにガス遮断性を有していることが必要である。従って、固体電解質4としては、このような特性を備えている緻密質なセラミックス、例えば、3〜15モル%の希土類元素が固溶した安定化ZrO2を用いるのが好ましい。この安定化ZrO2中の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で、Y,Ybが好適である。また、8YSZ(8モル%のYが固溶している安定化ZrO2)と熱膨張係数がほぼ等しいランタンガレート系固体電解質なども好適に用いることができる。 The solid electrolyte 4 has a function as an electrolyte for bridging electrons between the electrodes, and at the same time has gas barrier properties to prevent leakage of fuel gas and oxygen-containing gas such as air. is necessary. Therefore, as the solid electrolyte 4, it is preferable to use dense ceramics having such characteristics, for example, stabilized ZrO 2 in which 3 to 15 mol% of a rare earth element is dissolved. Examples of rare earth elements in the stabilized ZrO 2 include Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu. However, Y and Yb are preferable because they are inexpensive. A lanthanum gallate solid electrolyte having a thermal expansion coefficient substantially equal to that of 8YSZ (stabilized ZrO 2 in which 8 mol% of Y is dissolved) can also be suitably used.

前記の固体電解質4は、ガス透過を防止するという点から10〜100μmの厚みを有し、さらに相対密度(アルキメデス法による)が93%以上、特に95%以上であることが望ましい。
固体電解質4上に形成される空気極5は、前述した式(1)の電極反応を生じさせるものであり、いわゆる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。このようなペロブスカイト型酸化物としては、遷移金属型ペロブスカイト酸化物、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一種が好適であり、600〜1000℃程度の比較的低温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。
It is desirable that the solid electrolyte 4 has a thickness of 10 to 100 μm from the viewpoint of preventing gas permeation, and has a relative density (according to Archimedes method) of 93% or more, particularly 95% or more.
The air electrode 5 formed on the solid electrolyte 4 causes the above-described electrode reaction of the formula (1), and is formed of a conductive ceramic made of a so-called ABO 3 type perovskite oxide. As such a perovskite type oxide, at least one of transition metal type perovskite oxides, particularly LaMnO 3 oxides, LaFeO 3 oxides, and LaCoO 3 oxides having La at the A site is preferable. 600 LaFeO 3 -based oxides are particularly suitable because they have high electrical conductivity at a relatively low temperature of about ˜1000 ° C.

なお、前記の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が存在していてもよいし、さらにBサイトには、Fe,Co,Mnが共存していてもよい。
また、前記の空気極5は、ガス透過性を有していなければならず、その開気孔率は20%以上、特に30〜50%の範囲にあるのがよい。さらに、その厚みは、集電性という点から30〜100μmであることが望ましい。
In the perovskite oxide, Sr may exist together with La at the A site, and Fe, Co, and Mn may coexist at the B site.
The air electrode 5 must have gas permeability, and its open porosity is preferably 20% or more, particularly 30 to 50%. Furthermore, the thickness is preferably 30 to 100 μm from the viewpoint of current collection.

隣り合う発電素子部同士を直列に接続するために使用されるインターコネクタ6は、一方の発電素子部の燃料極3と他方の発電素子部の空気極5とを接続するものであり、導電性セラミックスから形成されるが、燃料ガス(水素ガス)及び空気等の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。
インターコネクタ6は、厚み10μmから100μm程度の導電体である。インターコネクタ6は、一方の発電素子部の活性燃料極3bと他方の発電素子部の空気極5とを、発電素子接続部材7を介して接続するものであり、導電性セラミックスから形成される。燃料ガス(水素ガス)及び空気等の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、ガス流路11を通る燃料ガスと空気極5の外部を通る空気等の酸素含有ガスと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(アルキメデス法)を有していることが好適である。なお、このインターコネクタ6の端面と、固体電解質4の端面との間には、適当な接合層(例えばY23)を介在させることにより、シール性を向上させることもできる。
The interconnector 6 used for connecting adjacent power generation element portions in series connects the fuel electrode 3 of one power generation element portion and the air electrode 5 of the other power generation element portion, and is electrically conductive. Although it is formed from ceramics, it needs to have reduction resistance and oxidation resistance because it comes into contact with a fuel gas (hydrogen gas) and an oxygen-containing gas such as air.
The interconnector 6 is a conductor having a thickness of about 10 μm to 100 μm. The interconnector 6 connects the active fuel electrode 3b of one power generation element part and the air electrode 5 of the other power generation element part via a power generation element connection member 7, and is formed of conductive ceramics. In order to come into contact with fuel gas (hydrogen gas) and oxygen-containing gas such as air, it is necessary to have reduction resistance and oxidation resistance. For this reason, lanthanum chromite perovskite oxides (LaCrO 3 oxides) are generally used as the conductive ceramics. Further, in order to prevent leakage of fuel gas passing through the gas flow path 11 and oxygen-containing gas such as air passing outside the air electrode 5, such conductive ceramics must be dense, for example, 93% or more, In particular, it is preferable to have a relative density (Archimedes method) of 95% or more. In addition, a sealing property can also be improved by interposing an appropriate bonding layer (for example, Y 2 O 3 ) between the end face of the interconnector 6 and the end face of the solid electrolyte 4.

発電素子接続部材7は、一方の発電素子部のインターコネクタ6と他方の発電素子部の空気極5とを接続するものであり、インターコネクタ6と同様、導電性、耐酸化性を有する材料で形成される。ただし、ガスの遮断性は要求されないので、インターコネクタ6のように緻密でなくてもよい。
セルスタック間接続部材は、1つの燃料電池セルスタックのインターコネクタ6と、他の燃料電池セルスタックの空気極5とを接続する部材である。セルスタック間接続部材は、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。このセルスタック間接続部材とインターコネクタ6、セルスタック間接続部材と空気極5の接続部に、AgやPt等の貴金属やNi等の金属を含有するペーストを導電性接着剤として用いて、接続信頼性を向上させることもできる。
The power generation element connecting member 7 connects the interconnector 6 of one power generation element part and the air electrode 5 of the other power generation element part. Like the interconnector 6, the power generation element connection member 7 is made of a material having conductivity and oxidation resistance. It is formed. However, since the gas barrier property is not required, it may not be as dense as the interconnector 6.
The inter-cell stack connecting member is a member that connects the interconnector 6 of one fuel cell stack and the air electrode 5 of another fuel cell stack. The inter-cell stack connecting 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. Using the paste containing a noble metal such as Ag or Pt or a metal such as Ni as a conductive adhesive at the connection part between the cell stack connection member and the interconnector 6 and between the cell stack connection member and the air electrode 5 Reliability can also be improved.

前述した燃料電池セルスタック1は、例えば以下のようにして製造することができる。
先ず、支持体2の材料として、平均粒径が0.1〜10μmのY23等の希土類元素酸化物が固溶したZrO2粉末と、Ni粉末(NiO粉末でもよい)とを用意し、これらの粉末を、所定の比率で混合する。この混合粉末に、ポアー剤と、セルロース系有機バインダーと、水とからなる溶媒とを混合し、押し出し成形して、内部に燃料ガス流路52を有する中空形状、扁平状の支持体成形体を作成する。
The fuel cell stack 1 described above can be manufactured, for example, as follows.
First, as a material for the support 2, a ZrO 2 powder in which a rare earth element oxide such as Y 2 O 3 having an average particle diameter of 0.1 to 10 μm is dissolved, and Ni powder (NiO powder may be used) are prepared. These powders are mixed at a predetermined ratio. To this mixed powder, a pore agent, a cellulose organic binder, and a solvent composed of water are mixed and extruded to form a hollow and flat support molded body having a fuel gas channel 52 inside. create.

次に、集電燃料極の材料を作成する。例えば、NiO粉末、Ni粉末と、Y23等の希土類元素酸化物粉末とを混合し、これにポアー剤を添加し、アクリル系バインダーとトルエンを加えてスラリーとし、ドクターブレード法にて、厚み100〜150μmの集電燃料極テープを作成する。
以下、燃料電池セルスタックの製造工程図である図4を参照して説明する。
Next, a material for the current collecting fuel electrode is prepared. For example, NiO powder, Ni powder, and rare earth element oxide powder such as Y 2 O 3 are mixed, a pore agent is added thereto, an acrylic binder and toluene are added to form a slurry, and a doctor blade method is used. A current collecting fuel electrode tape having a thickness of 100 to 150 μm is prepared.
Hereinafter, the fuel cell stack manufacturing process will be described with reference to FIG.

切断した集電燃料極テープ3aにおいて、絶縁体を形成する部分を打ち抜く(図4(a))。
次に、この集電燃料極テープ3a上のインターコネクタ形成部分に、活性燃料極3bを印刷する(図4(b))。
さらに、活性燃料極3b上に、インターコネクタ6を印刷する(図4(c))。
In the cut current collecting fuel electrode tape 3a, a portion for forming an insulator is punched out (FIG. 4A).
Next, the active fuel electrode 3b is printed on the interconnector forming portion on the current collecting fuel electrode tape 3a (FIG. 4B).
Further, the interconnector 6 is printed on the active fuel electrode 3b (FIG. 4C).

そしてもう一度、インターコネクタ6の中央部分を除いて活性燃料極3bを全体に印刷する(図4(d))。
次に、この状態で、燃料極テープ3aを、支持体成形体2に横縞状に貼り付ける。その際の燃料極テープ3aと他の燃料極テープ3aとは、3mm程度の間隔をあけて配置する。そして、この積層体を乾燥し、900〜1100℃の温度範囲で仮焼する。(図4(e))。
Then, once again, the active fuel electrode 3b is printed on the entire surface except for the central portion of the interconnector 6 (FIG. 4D).
Next, in this state, the fuel electrode tape 3a is affixed to the support body 2 in a horizontal stripe pattern. In this case, the fuel electrode tape 3a and the other fuel electrode tape 3a are arranged with an interval of about 3 mm. And this laminated body is dried and calcined in the temperature range of 900-1100 degreeC. (FIG. 4 (e)).

インターコネクタ6の、前記活性燃料極3bを印刷しなかった中央部分に、有機物シート(マスキングテープ)10を貼り付ける(図4(f))。
次に、この積層体を、8YSZ(8モル%のYが固溶したZrO2粉末)にアクリル系バインダーとトルエンを加えてスラリーとした固体電解質溶液に漬けて、固体電解質溶液から取り出す。このディップにより、積層体の一面に固体電解質4の層が塗布されるとともに、前記(a)で打ち抜いた空間に絶縁体である固体電解質4が充填される。
An organic material sheet (masking tape) 10 is attached to the central portion of the interconnector 6 where the active fuel electrode 3b is not printed (FIG. 4 (f)).
Next, this laminate is immersed in a solid electrolyte solution obtained by adding an acrylic binder and toluene to 8YSZ (ZrO 2 powder in which 8 mol% of Y is solid-dissolved), and is taken out from the solid electrolyte solution. By this dipping, a layer of the solid electrolyte 4 is applied to one surface of the multilayer body, and the space punched in (a) is filled with the solid electrolyte 4 that is an insulator.

この状態で、800°C、1時間仮焼きする。この仮焼き中に、有機物シート10とその上に塗布された固体電解質4の層を除去することができる(図4(g))。
次に空気極の形成部分に反応防止層11を塗布して1480°C、2時間焼成する(図4(h))。その反応防止層11の上から、空気極5を印刷し1050°C、2時間焼き付ける(図4(i))。
In this state, calcining is performed at 800 ° C. for 1 hour. During the calcination, the organic material sheet 10 and the layer of the solid electrolyte 4 applied thereon can be removed (FIG. 4G).
Next, the reaction preventing layer 11 is applied to the portion where the air electrode is formed and baked at 1480 ° C. for 2 hours (FIG. 4H). From above the reaction preventing layer 11, the air electrode 5 is printed and baked at 1050 ° C. for 2 hours (FIG. 4 (i)).

最後に、1つの発電素子部のインターコネクタ6と、これに隣接する発電素子部の空気極5とを接続するための発電素子接続部材7を貼り付けて(図4(j))、燃料電池セルスタックが完成する。
以上で、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の実施は、前記の形態に限定されるものではない。例えば、前記の例では支持体2は、中空の板状で内部に複数のガス流路11を有するものとして説明したが、支持体2は、円筒状でもよく、ガス流路11の数は一つでもよいことはいうまでもない。その他、本発明の範囲内で種々の変更を施すことが可能である。
Finally, a power generation element connecting member 7 for connecting the interconnector 6 of one power generation element section and the air electrode 5 of the power generation element section adjacent thereto is pasted (FIG. 4 (j)), and the fuel cell The cell stack is completed.
Although the embodiments of the present invention have been described above, the embodiments of the present invention are not limited to the above-described embodiments. For example, in the above example, the support 2 is described as a hollow plate having a plurality of gas flow paths 11 inside, but the support 2 may be cylindrical and the number of the gas flow paths 11 is one. Needless to say, it may be one. In addition, various modifications can be made within the scope of the present invention.

本発明の燃料電池セルスタックの形状を示す斜視図である。(a)はセルスタック表面の電流の方向とセルスタック裏面の電流の方向とが反対になるタイプを示し、(b)はセルスタック表面の電流の方向とセルスタック裏面の電流の方向とが同一になるタイプを示す。It is a perspective view which shows the shape of the fuel cell stack of this invention. (A) shows a type in which the direction of current on the cell stack surface is opposite to the direction of current on the cell stack back surface, and (b) shows the same direction of current on the cell stack surface and current direction on the cell stack back surface. Indicates the type to be. 燃料電池セルスタックの正面図である。It is a front view of a fuel cell stack. 燃料電池セルスタックの接続構造を拡大して示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which expands and shows the connection structure of a fuel cell stack. 燃料電池セルスタックの製造工程図である。It is a manufacturing-process figure of a fuel cell stack. インターコネクタの両端辺付近Bにおいて、燃料極3とインターコネクタ6と固体電解質4とが層状に重なった構造を示す縦断面図である。(a)は本発明の構造を示し、(b)は比較例を示す。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the structure where the fuel electrode 3, the interconnector 6, and the solid electrolyte 4 were piled up in the vicinity of both ends B of the interconnector. (A) shows the structure of the present invention, and (b) shows a comparative example. 従来の、隣り合う発電素子部同士をインターコネクタ16で接続した構造を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the conventional structure which connected the adjacent electric power generation element parts by the interconnector 16. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池セルスタック
2 支持体
3 燃料極
3a 集電燃料極
3b 活性燃料極
4 固体電解質
5 空気極
6 インターコネクタ
7 発電素子接続部材
10 有機物シート
11 反応防止層
11 燃料ガス流路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell stack 2 Support body 3 Fuel electrode 3a Current collecting fuel electrode 3b Active fuel electrode 4 Solid electrolyte 5 Air electrode 6 Interconnector 7 Power generation element connection member 10 Organic substance sheet 11 Reaction prevention layer 11 Fuel gas flow path

Claims (12)

単一若しくは複数の燃料ガス流路が、軸長方向に形成された柱状の支持体の表面に、燃料極、固体電解質及び、空気極を順次積層してなる発電素子部を軸長方向に所定間隔をおいて複数個設け、該複数の発電素子部をインターコネクタで直列に接続してなる燃料電池セルスタックであって、
前記燃料極が、固体電解質側の活性燃料極と支持体側の集電燃料極とを具備して形成されており、
前記活性燃料極が、Ni若しくはNi酸化物と、希土類元素が固溶しているZrO2との混合体であり、
前記集電燃料極が、Ni若しくはNi酸化物と、希土類元素酸化物との混合体であることを特徴とする燃料電池セルスタック。
A single or multiple fuel gas flow paths are provided in the axial length direction with a power generation element section formed by sequentially laminating a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode on the surface of a columnar support formed in the axial length direction. A fuel cell stack in which a plurality of power generating element portions are connected in series with an interconnector at a plurality of intervals,
The fuel electrode includes an active fuel electrode on a solid electrolyte side and a current collecting fuel electrode on a support side,
The active fuel electrode is a mixture of Ni or Ni oxide and ZrO 2 in which a rare earth element is dissolved,
The fuel cell stack, wherein the current collecting fuel electrode is a mixture of Ni or a Ni oxide and a rare earth element oxide.
前記集電燃料極の熱膨張率と、前記支持体の熱膨張率とが、ほぼ一致するように、集電燃料極中のNi若しくはNi酸化物と希土類元素酸化物との組成比が調製されている請求項1記載の燃料電池セルスタック。   The composition ratio of Ni or Ni oxide and rare earth element oxide in the current collecting fuel electrode is adjusted so that the coefficient of thermal expansion of the current collecting fuel electrode and the coefficient of thermal expansion of the support are substantially the same. The fuel cell stack according to claim 1. 支持体側の集電燃料極のNi換算でのNi量あるいはNiO量は、35体積%〜60体積%の範囲内である請求項2記載の燃料電池セルスタック。   The fuel cell stack according to claim 2, wherein the Ni amount or NiO amount in terms of Ni of the collector fuel electrode on the support side is in the range of 35 vol% to 60 vol%. 前記希土類元素が固溶しているZrO2は、Y-ZrO2又はSc-ZrO2である請求項1から請求項3のいずれかに記載の燃料電池セルスタック。 The fuel cell stack according to any one of claims 1 to 3, wherein ZrO 2 in which the rare earth element is dissolved is Y-ZrO 2 or Sc-ZrO 2 . 前記希土類元素酸化物は、Y23又はYb23である請求項1から請求項5のいずれかに記載の燃料電池セルスタック。 The fuel cell stack according to any one of claims 1 to 5, wherein the rare earth element oxide is Y 2 O 3 or Yb 2 O 3 . 前記支持体側の集電燃料極の厚さが100μm以上であることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれかに記載の燃料電池セルスタック。   The fuel cell stack according to any one of claims 1 to 5, wherein a thickness of the current collecting fuel electrode on the support side is 100 µm or more. 単一若しくは複数の燃料ガス流路が、軸長方向に形成された柱状の支持体の表面に、燃料極、固体電解質及び、空気極を順次積層してなる発電素子部を軸長方向に所定間隔をおいて複数個設け、該複数の発電素子部を直列に接続してなる燃料電池セルスタックであって、
発電素子部の燃料極の上にインターコネクタが層状に形成され、当該インターコネクタの軸長方向の両端辺を被覆した状態で前記固体電解質が燃料極の上に形成され、
当該インターコネクタの前記固体電解質で被覆されない露出した部分と、隣り合う発電素子部の空気極との間を接続する発電素子接続部材がさらに設けられていることを特徴とする燃料電池セルスタック。
A single or multiple fuel gas flow paths are provided in the axial length direction with a power generation element section formed by sequentially laminating a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode on the surface of a columnar support formed in the axial length direction. A plurality of fuel cell stacks provided with a plurality of intervals and connected in series with the plurality of power generation element units,
An interconnector is formed in layers on the fuel electrode of the power generation element portion, and the solid electrolyte is formed on the fuel electrode in a state of covering both ends in the axial length direction of the interconnector,
A fuel cell stack, further comprising a power generation element connection member that connects an exposed portion of the interconnector that is not covered with the solid electrolyte and an air electrode of an adjacent power generation element section.
前記支持体の横断面が扁平状である請求項1から請求項7のいずれかに記載の燃料電池セルスタック。   The fuel cell stack according to any one of claims 1 to 7, wherein the support has a flat cross section. 前記多孔質支持体の内部を、燃料ガス流路が通るように、中空板状の形状とした請求項1から請求項8のいずれかに記載の燃料電池セルスタック。   The fuel cell stack according to any one of claims 1 to 8, wherein the porous support has a hollow plate shape so that a fuel gas flow path passes through the inside of the porous support. 請求項1から請求項9のいずれかに記載の燃料電池セルスタックの複数を、セルスタック間接続部材で電気的に接続してなるバンドル。   A bundle formed by electrically connecting a plurality of the fuel cell stacks according to any one of claims 1 to 9 using a connection member between cell stacks. 請求項10記載のバンドルを収納容器内に複数収納してなる燃料電池。   A fuel cell comprising a plurality of bundles according to claim 10 stored in a storage container. 単一若しくは複数の燃料ガス流路が、軸長方向に形成された柱状の支持体の表面に、燃料極、固体電解質及び、空気極を順次積層してなる発電素子部を軸長方向に所定間隔をおいて複数個設け、該複数の発電素子部を直列に接続してなる燃料電池セルスタックの製造方法において、
前記燃料極の成形品の所定箇所にインターコネクタ成形体を形成し、
前記インターコネクタ成形体が形成された燃料極の成形品を仮焼成し、
前記燃料極上のインターコネクタの、軸長方向の両端辺を除いた表面をマスクし、
マスクした上から固体電解質の材料を塗布し、
仮焼成して、前記マスクの上の固体電解質をマスクごと除去することを特徴とする燃料電池セルスタックの製造方法。
A single or multiple fuel gas flow paths are provided in the axial length direction with a power generation element section formed by sequentially laminating a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode on the surface of a columnar support formed in the axial length direction. In the manufacturing method of the fuel cell stack formed by providing a plurality at intervals and connecting the plurality of power generation element portions in series,
Forming an interconnector molded body at a predetermined position of the molded article of the fuel electrode;
Temporarily firing the molded article of the fuel electrode formed with the interconnector molded body,
Mask the surface of the interconnector on the fuel electrode, excluding both ends in the axial direction,
Apply the solid electrolyte material from above the mask,
A method for producing a fuel cell stack, comprising pre-baking and removing the solid electrolyte on the mask together with the mask.
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