JP2006004678A - Solid electrolyte type fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid electrolyte type fuel cell in which the segregated separator and unit cell are hardly broken and which has a good gas sealing property. <P>SOLUTION: The solid electrolyte type fuel cell is equipped with a unit cell of flat plate shape laminating a fuel electrode, a solid electrolyte layer provided on one side of the fuel electrode, and an air electrode layer provided on one side of the solid electrolyte layer, and the side corner part where the two side faces of the unit cell intersect each other is chamfered. Then, the upper corner part including the flat surface to be jointed to the segregated separator of the unit cell can be chamfered. Further, the segregated separator is fixed to a frame having a through hole at the periphery part and the shortest distance W from the inner side end part of the frame to the outer edge of the through hole can be made a certain distance or more. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、セパレータの損傷を防止することで長期使用しても接合部からガスが漏れにくい単セルを備える固体電解質形燃料電池に関する。本発明は、各種の構造を備える固体電解質形燃料電池において広く利用することができる。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell including a single cell that prevents gas from leaking from a joint even when used for a long time by preventing damage to a separator. The present invention can be widely used in solid oxide fuel cells having various structures.

固体電解質形燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」と略記することもある。）は、低温で発電できるようになってきており、近年では、ステンレス鋼等を用いた隔離セパレータを用いて燃料ガスと支燃性ガスとを隔離している。また、隔離セパレータは、軽量等の要望のために、薄く形成されることが多い。   Solid electrolyte fuel cells (hereinafter sometimes abbreviated as “SOFC”) have become capable of generating power at low temperatures, and in recent years they have been supported by fuel gas using an isolation separator made of stainless steel or the like. Isolates from flammable gas. In addition, the separator is often formed thin for demands such as light weight.

しかし、薄い隔離セパレータは、固体電解質層、燃料極及び空気極等から構成されるセラミックスの単セルと接触をして破損し、破損箇所からガスが混合してしまう場合がある。このために、薄い隔離セパレータであっても破損しにくくする手段が望まれていた。また、単セルが隔離セパレータに接触した際に、単セルの一部が欠ける等の破損を起こす場合がある。
更に、図９に示すように枠体８２に配管のための貫通孔８０３を設けることがあるが、枠体８２の内側端部から貫通孔８０３の外縁までの最短距離Ｗが他の部位と比較して短いため、その周辺のガスシール性を高めることが望まれていた。
本発明は、上記問題点を解決するものであり、隔離セパレータ及び単セルが破損しにくく、ガスシール性が高い固体電解質形燃料電池を提供することを目的とする。 However, the thin separator may be damaged by contact with a ceramic single cell composed of a solid electrolyte layer, a fuel electrode, an air electrode, and the like, and gas may be mixed from the damaged part. For this reason, there has been a demand for means for making it difficult to break even a thin separator. Further, when the single cell comes into contact with the isolation separator, damage such as a part of the single cell being chipped may occur.
Furthermore, as shown in FIG. 9, a through hole 803 for piping may be provided in the frame 82, but the shortest distance W from the inner end of the frame 82 to the outer edge of the through hole 803 is compared with other parts. Therefore, it has been desired to improve the gas sealing performance in the vicinity thereof.
The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell in which the separator and the single cell are not easily damaged and the gas sealing property is high.

本発明の固体電解質形燃料電池は、以下の通りである。
１．燃料極と、該燃料極の一面側に設けられた固体電解質層と、該固体電解質層の一面側に設けられた空気極層とを積層した平板状の単セルを備え、該単セルの２つの側面が交差する側方角部は、面取りされていることを特徴とする固体電解質形燃料電池。
２．上記単セルの隔離セパレータと接合される平面を含む上方角部は、面取りされている上記１．に記載の固体電解質形燃料電池。
３．上記側方角部の面取り部分は丸められており、その半径Ｒは、０．２５ｍｍ以上である上記１．又は２．に記載の固体電解質形燃料電池。
４．上記側方角部の面取り部分は斜面で構成されており、該面取りの深さＣは、０．２５ｍｍ以上である上記１．又は２．に記載の固体電解質形燃料電池。
５．上記隔離セパレータは、その周縁部が貫通孔を具備する枠体に固定されており、該枠体の内側端部から貫通孔の外縁までの最短距離Ｗは２．４ｍｍである上記１．乃至４．のいずれかに記載の固体電解質形燃料電池。 The solid oxide fuel cell of the present invention is as follows.
1. A flat unit cell in which a fuel electrode, a solid electrolyte layer provided on one side of the fuel electrode, and an air electrode layer provided on one side of the solid electrolyte layer are laminated, A solid oxide fuel cell characterized in that a side corner where two side surfaces intersect is chamfered.
2. The upper corner including the flat surface joined to the single cell separator is chamfered. A solid oxide fuel cell according to 1.
3. The chamfered portion of the side corner portion is rounded, and the radius R thereof is 0.25 mm or more. Or 2. A solid oxide fuel cell according to 1.
4). The chamfered portion of the side corner portion is composed of a slope, and the depth C of the chamfer is 0.25 mm or more. Or 2. A solid oxide fuel cell according to 1.
5. The isolation separator has a peripheral edge fixed to a frame having a through hole, and the shortest distance W from the inner end of the frame to the outer edge of the through hole is 2.4 mm. To 4. The solid oxide fuel cell according to any one of the above.

本発明の固体電解質形燃料電池は、単セルの側方角部を面取りしたため、単セルが隔離セパレータに接触して、隔離セパレータが破損したり、単セルが欠けたりすることを防止することができる。
単セルの上方角部を面取りする場合は、隔離セパレータが破損したり、単セルが欠けたりすることを防止することができる。
丸められている面取り部分の丸め半径を所定の範囲にする場合は、隔離セパレータ及び単セルの破損を適切に防止できる面取り部分とすることができる。
斜面を形成する面取り部分の斜面の長さを所定の範囲にする場合は、隔離セパレータ及び単セルの破損を適切に防止できる面取り部分とすることができる。
枠体に貫通孔が設けられており、枠体の内側端部から貫通孔の外縁までの最短距離Ｗを一定以上にする場合は、枠体と隔離セパレータとのガスシール性を向上させることができる。 In the solid electrolyte fuel cell of the present invention, since the side corners of the single cell are chamfered, it is possible to prevent the single cell from coming into contact with the isolation separator and the isolation separator from being damaged or from being broken. .
When chamfering the upper corner of the single cell, it is possible to prevent the separator from being damaged or the single cell from being chipped.
When the rounding radius of the rounded chamfered portion is within a predetermined range, the chamfered portion can appropriately prevent damage to the isolation separator and the single cell.
When the length of the inclined surface of the chamfered portion forming the inclined surface is within a predetermined range, the chamfered portion can appropriately prevent damage to the isolation separator and the single cell.
When a through hole is provided in the frame body and the shortest distance W from the inner edge of the frame body to the outer edge of the through hole is set to a certain value or more, the gas sealability between the frame body and the separator can be improved. it can.

以下、本発明の固体電解質形燃料電池を図１〜９を用いて詳細に説明する。
１．固体電解質形燃料電池の構成
本発明の固体電解質形燃料電池１の一例を図１〜５に示す。この固体電解質形燃料電池１は燃料極支持型であり、燃料極１２、固体電解質層１１及び空気極１３がこの順に積層される平板状の単セル１００を備える。また、燃料極１２と空気極１３の間が隔離セパレータ２３で隔離される構造である。更に、例示したものは燃料極１２が固体電解質層１１及び空気極１３を支持する燃料極支持型であるが、これに限らず固体電解質層１１又は空気極１３が他の層を支持する構成としてもよい。 Hereinafter, the solid oxide fuel cell of the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
1. Configuration of Solid Electrolyte Fuel Cell An example of the solid oxide fuel cell 1 of the present invention is shown in FIGS. The solid electrolyte fuel cell 1 is a fuel electrode support type, and includes a flat unit cell 100 in which a fuel electrode 12, a solid electrolyte layer 11, and an air electrode 13 are stacked in this order. The fuel electrode 12 and the air electrode 13 are separated from each other by an isolation separator 23. Further, the illustrated fuel electrode 12 is a fuel electrode support type in which the fuel electrode 12 supports the solid electrolyte layer 11 and the air electrode 13, but not limited thereto, the solid electrolyte layer 11 or the air electrode 13 supports other layers. Also good.

また、固体電解質形燃料電池１は、各種の構造のものがあり、例えば複数の発電層１０が金属製のセル間セパレータ２１を介して積層され、形成されているものを挙げることができる。この燃料電池１において各々の発電層１０は単セル１００を備える。
更に、各々の単セル１００の燃料極１２及び空気極１３とセル間セパレータ２１とは、それぞれ燃料極側集電体４１及び空気極側集電体４２により電気的に接続することができる。また、各々の発電層１０は、燃料ガスの流路と、支燃性ガスの流路とを隔離するための隔離セパレータ２３を備える。更に、各発電層１０は、枠体８１〜８６によって挟さみこまれるように固定される。また、電気的に絶縁するため、セラミック等の絶縁体からなる絶縁板７等が、積層方向の所定部分に配設されることもある。 Further, the solid oxide fuel cell 1 has various structures, and examples thereof include a structure in which a plurality of power generation layers 10 are laminated and formed through metal intercell separators 21. In the fuel cell 1, each power generation layer 10 includes a single cell 100.
Furthermore, the fuel electrode 12 and air electrode 13 of each single cell 100 and the inter-cell separator 21 can be electrically connected by a fuel electrode side current collector 41 and an air electrode side current collector 42, respectively. Each power generation layer 10 includes an isolation separator 23 for isolating the flow path of the fuel gas and the flow path of the combustion-supporting gas. Further, each power generation layer 10 is fixed so as to be sandwiched between the frames 81 to 86. Moreover, in order to insulate electrically, the insulating board 7 etc. which consist of insulators, such as a ceramic, may be arrange | positioned in the predetermined part of the lamination direction.

上記「単セル」は、燃料極１２、固体電解質層１１及び空気極１３の積層体である。また、固体電解質層１１と空気極１３との間等に反応防止層等を設けることができる。
この単セルは通常四角形状の平板であるがこれに限られず、五角形、六角形等の多角形板であってもよい。また、正多角形に限られず、任意の形状に変形したものであっても良い。
この単セルが具備する「側方角部」は、面取りされている。側方角部は、単セル１００の積層方向に対して略平行の面である２つの側面が交差する位置に該当する部位である。また、上記「面取り」は、丸みを持ったもの（例えば、図５の側方角部１０１ａを参照）でもよいし、斜面（例えば、図７の角部１０１ｂを参照。）でもよい。
丸められた側方角部の面取り部分の丸め半径Ｒは、０．２５ｍｍ以上（特に好ましくは０．２８ｍｍ以上、更に好ましくは０．３ｍｍ以上）が好ましい。また、斜面で構成された側方角部の面取り部分の深さＣは、０．２５ｍｍ以上（特に好ましくは０．２８ｍｍ以上、更に好ましくは０．３ｍｍ以上）が好ましい。これらの面取りとすることで、隔離セパレータ及び単セルの破損を適切に防止できる面取り部分とすることができる。また、丸め半径Ｒ及び面取り部分の深さＣは、単セルの形状が略円形にならない任意の大きさ以下にすることができるが、通常は単セルの長さの３分の１以下とすることができる。例えば、単セルの大きさが１００ｍｍ〜２５０ｍｍ角である場合、丸め半径Ｒ及び面取り部分の深さＣは、３３〜８３ｍｍ以下が好ましいとすることができる。 The “single cell” is a laminate of the fuel electrode 12, the solid electrolyte layer 11, and the air electrode 13. Further, a reaction preventing layer or the like can be provided between the solid electrolyte layer 11 and the air electrode 13 or the like.
This single cell is usually a rectangular flat plate, but is not limited thereto, and may be a polygonal plate such as a pentagon or a hexagon. Moreover, it is not limited to a regular polygon, and it may be deformed into an arbitrary shape.
The “lateral corner” of the single cell is chamfered. The side corner is a portion corresponding to a position where two side surfaces that are substantially parallel to the stacking direction of the unit cells 100 intersect. Further, the “chamfering” may be rounded (for example, refer to the side corner portion 101a in FIG. 5) or may be inclined (for example, refer to the corner portion 101b in FIG. 7).
The rounding radius R of the chamfered portion of the rounded side corner is preferably 0.25 mm or more (particularly preferably 0.28 mm or more, more preferably 0.3 mm or more). Further, the depth C of the chamfered portion of the side corner portion constituted by the slope is preferably 0.25 mm or more (particularly preferably 0.28 mm or more, more preferably 0.3 mm or more). By setting it as these chamfering, it can be set as the chamfering part which can prevent the damage of an isolation | separation separator and a single cell appropriately. Further, the rounding radius R and the depth C of the chamfered portion can be set to be not more than an arbitrary size in which the shape of the single cell is not substantially circular, but is usually set to one third or less of the length of the single cell. be able to. For example, when the size of the single cell is 100 mm to 250 mm square, the rounding radius R and the depth C of the chamfered portion may be preferably 33 to 83 mm or less.

この単セルが具備する「上方角部」は、面取りされたものとすることができる。上方角部は、単セルの隔離セパレータと接合される面の周縁に該当する（例えば、図２、３の上方角部１０２を参照。）。また、上記面取り形状は、丸みを持ったものでもよいし、斜面でもよい。
丸められた上方角部の面取り部分の丸め半径Ｒは、０．２５ｍｍ以上（特に好ましくは０．２８ｍｍ以上、更に好ましくは０．３ｍｍ以上）が好ましい。また、斜面で構成された上方角部の面取り部分の深さＣは、０．２５ｍｍ以上（特に好ましくは０．２８ｍｍ以上、更に好ましくは０．３ｍｍ以上）が好ましい。これらの面取りとすることで、隔離セパレータ及び単セルの破損を適切に防止できる面取り部分とすることができる。また、丸め半径Ｒ及び面取り部分の深さＣは、単セルの厚さ以下の任意の大きさにすることができるが、通常は単セルの厚さの２分の１以下とすることができる。 The “upper corner” of the single cell may be chamfered. The upper corner corresponds to the periphery of the surface to be joined with the single cell separator (see, for example, the upper corner 102 in FIGS. 2 and 3). Further, the chamfered shape may be rounded or may be a slope.
The rounding radius R of the chamfered portion of the rounded upper corner is preferably 0.25 mm or more (particularly preferably 0.28 mm or more, more preferably 0.3 mm or more). Further, the depth C of the chamfered portion of the upper corner portion constituted by the slope is preferably 0.25 mm or more (particularly preferably 0.28 mm or more, more preferably 0.3 mm or more). By setting it as these chamfering, it can be set as the chamfering part which can prevent the damage of an isolation | separation separator and a single cell appropriately. Further, the rounding radius R and the depth C of the chamfered portion can be set to an arbitrary size equal to or less than the thickness of the single cell, but can usually be equal to or less than one half of the thickness of the single cell. .

固体電解質層１１は、ＺｒＯ２、ＢａＣｅＯ3系酸化物、及びＬａＧａＯ3系酸化物のうち、少なくとも一つからなることが好ましい。また、これらのうち、ＺｒＯ２系酸化物を用いた固体電解質が特に好ましい。
この固体電解質層１１は、本固体電解質形燃料電池１の動作時に燃料極１２に導入される燃料ガス又は空気極１３に導入される支燃性ガスのうち一方の少なくとも一部をイオンとして移動させることができるイオン伝導性を有する。どのようなイオンを伝導することができるかは特に限定されないが、イオンとしては、例えば、酸素イオン及び水素イオン等が挙げられる。
尚、この固体電解質層１１の厚さは電気抵抗と強度とを勘案し、５〜１００μｍ、特に５〜５０μｍ、更には５〜３０μｍとすることができる。 The solid electrolyte layer 11 is preferably made of at least one of ZrO 2 , BaCeO 3 -based oxide, and LaGaO 3 -based oxide. Of these, a solid electrolyte using a ZrO 2 oxide is particularly preferable.
The solid electrolyte layer 11 moves at least a part of one of the fuel gas introduced into the fuel electrode 12 and the combustion-supporting gas introduced into the air electrode 13 as ions when the solid electrolyte fuel cell 1 is operated. It has ionic conductivity. Although what kind of ion can be conducted is not particularly limited, examples of the ion include oxygen ion and hydrogen ion.
The thickness of the solid electrolyte layer 11 can be set to 5 to 100 μm, particularly 5 to 50 μm, and further 5 to 30 μm in consideration of electric resistance and strength.

燃料極１２は水素源となる燃料ガスと接触し、単セル１００における負電極として機能する。また、燃料極１２は、Ｎｉ及びＦｅ等の金属の酸化物（ＮｉＯ、Ｆｅ2Ｏ3等）と、ジルコニア系セラミック（好ましくはイットリア等により安定化又は部分安定化されたジルコニア）、セリア及び酸化マンガン等のセラミックとの混合物などを用いることができる。更に、各種の金属、及び金属とセラミックとの混合物などを用いることもできる。
金属としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｎｉ及びＦｅ等の金属又は２種以上の金属を含有する合金が挙げられる。また、金属とセラミックとの混合物としては、これらの金属又は合金と、ジルコニア系セラミック（好ましくはイットリア等により安定化又は部分安定化されたジルコニア）、セリア及び酸化マンガン等との混合物などが挙げられる。これらのうちでは、酸化ニッケル（ＳＯＦＣの作動時には還元されてＮｉとなる。）と、ジルコニア系セラミックとの混合物が好ましく、このジルコニア系セラミックが、希土類元素の酸化物、特にＹ2Ｏ3、Ｓｃ2Ｏ3を用いて安定化又は部分安定化されたものであることがより好ましい。
また、燃料極１２の平面形状は特に限定されない。更に、燃料極１２の厚さは特に限定されないが、０．５〜５ｍｍ、特に１〜３ｍｍ、更に１．２〜２．５ｍｍとすることができる。燃料極１２の厚さが０．５〜５ｍｍであれば、固体電解質層等を支持するための十分な機械的強度等を有する支持基板とすることができる。 The fuel electrode 12 is in contact with a fuel gas serving as a hydrogen source and functions as a negative electrode in the single cell 100. The fuel electrode 12 includes a metal oxide such as Ni and Fe (NiO, Fe 2 O 3 and the like), a zirconia-based ceramic (preferably zirconia stabilized or partially stabilized by yttria or the like), ceria and oxidation. A mixture with a ceramic such as manganese can be used. Furthermore, various metals, a mixture of metal and ceramic, and the like can also be used.
Examples of the metal include metals such as Pt, Au, Ag, Pd, Ir, Ru, Rh, Ni, and Fe, or alloys containing two or more metals. Examples of the mixture of metal and ceramic include a mixture of these metals or alloys with zirconia-based ceramics (preferably zirconia stabilized or partially stabilized by yttria or the like), ceria, manganese oxide, and the like. . Of these, a mixture of nickel oxide (reduced to Ni during the operation of SOFC to Ni) and a zirconia ceramic is preferable, and the zirconia ceramic is a rare earth element oxide, particularly Y 2 O 3 , Sc. More preferably, it is stabilized or partially stabilized with 2 O 3 .
Further, the planar shape of the fuel electrode 12 is not particularly limited. Further, the thickness of the fuel electrode 12 is not particularly limited, but may be 0.5 to 5 mm, particularly 1 to 3 mm, and further 1.2 to 2.5 mm. When the thickness of the fuel electrode 12 is 0.5 to 5 mm, a support substrate having sufficient mechanical strength and the like for supporting the solid electrolyte layer and the like can be obtained.

空気極１３は、各種の金属、金属の酸化物、金属の複酸化物等を用いることができる。例えばＬａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３系複合酸化物等により形成することができる。この空気極１３は、酸素源となる支燃性ガスと接触し、単セル１００における正電極として機能する。
また、空気極１３の形成に用いる材料はＬａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３系複合酸化物に限定されず、固体電解質形燃料電池１の使用条件等により適宜選択することができる。この材料としては、例えば、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ及びＲｈ等の金属が挙げられる。これらの金属は１種のみでもよいし、２種以上の金属の合金でもよい。更に、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｍｎ及びＦｅ等の酸化物（例えば、Ｌａ２Ｏ３、ＳｒＯ、Ｃｅ２Ｏ３、Ｃｏ２Ｏ３、ＭｎＯ２及びＦｅＯ等）が挙げられる。また、Ｌａ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＭｎ等のうちの少なくとも１種を含有する各種の複合酸化物（例えば、Ｌａ１−ｘＳｒｘＦｅＯ３系複酸化物、Ｌａ１−ｘＳｒｘＣｏ１−ｙＦｅｙＯ３系複酸化物、Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３系複酸化物、Ｐｒ１−ｘＢａｘＣｏ１−ｙＦｅｙＯ３系複酸化物及びＳｍ１−ｘＳｒｘＣｏ１−ｙＦｅｙＯ３系複酸化物等）が挙げられる。
この空気極１３の厚さは特に限定されないが、１０〜１００μｍ、特に１５〜７０μｍ、更に２０〜５０μｍであることが好ましい。空気極１３の厚さが１０〜１００μｍであれば、電極として十分に機能し、且つ厚すぎて焼成時に剥離することもない。 The air electrode 13 can use various metals, metal oxides, metal double oxides, and the like. For example, it can be formed of La 1-x Sr x MnO 3 composite oxide or the like. The air electrode 13 is in contact with a combustion-supporting gas serving as an oxygen source and functions as a positive electrode in the single cell 100.
The material used for forming the air electrode 13 is not limited to the La 1-x Sr x MnO 3 -based composite oxide, and can be appropriately selected depending on the use conditions of the solid oxide fuel cell 1. Examples of this material include metals such as Pt, Au, Ag, Pd, Ir, Ru, and Rh. These metals may be used alone or in an alloy of two or more metals. Further, oxides such as La, Sr, Ce, Co, Mn, and Fe (for example, La 2 O 3 , SrO, Ce 2 O 3 , Co 2 O 3 , MnO 2, FeO, and the like) can be given. Further, various composite oxides containing at least one of La, Pr, Sm, Sr, Ba, Co, Fe, Mn, and the like (for example, La 1-x Sr x FeO 3 -based complex oxide, La 1 -X Sr x Co 1-y Fe y O 3 double oxide, La 1-x Sr x MnO 3 double oxide, Pr 1-x Ba x Co 1-y Fe y O 3 double oxide and Sm 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3 -based double oxide, etc.).
The thickness of the air electrode 13 is not particularly limited, but is preferably 10 to 100 μm, particularly 15 to 70 μm, and more preferably 20 to 50 μm. If the thickness of the air electrode 13 is 10 to 100 μm, the air electrode 13 functions sufficiently as an electrode and is too thick to be peeled off during firing.

燃料極側集電体４１の材質は、金属が好ましく、例えばＮｉ又はＮｉ基合金等により形成することができる。この燃料極側集電体４１の形態は、多孔体、発泡体及び金属繊維からなるフェルト又はメッシュ等を挙げることができる。
空気極側集電体４２の材質は、金属及び導電性セラミックを用いることができる。この金属としては、燃料極側集電体４１と同様のものを用いることができるが、非弾性の緻密な板状体であってもかまわない。 The material of the fuel electrode side current collector 41 is preferably a metal, and can be formed of, for example, Ni or a Ni-based alloy. Examples of the form of the fuel electrode side current collector 41 include felts or meshes made of a porous body, a foam, and metal fibers.
As the material of the air electrode side current collector 42, a metal and a conductive ceramic can be used. As this metal, the same material as the fuel electrode side current collector 41 can be used, but an inelastic dense plate-like body may be used.

空気極側集電体４２は一面で空気極１３と接触し、他面でセル間セパレータ２１と接触するように設けることができる。また、セル間セパレータ２１と接触する面の少なくとも一部において、空気極側集電体４２及びセル間セパレータ２１をロウ材等の導電性接合材を用いて接合することができる。このような接合材は、空気極側集電体４２とセル間セパレータ２１とを密着させ、安定して接触させ、接触抵抗が増大することを防止することができる限り特に限定されない。
尚、固体電解質形燃料電池１では、空気極側集電体４２とセル間セパレータ２１との間等、同様に接合材等により気密にシールする必要のある部分が多くあり、これらの接合操作の際に同時に接合することができる。また、ガラス接合を用いることもできる。
更に、これらの集電体４１、４２は１種の材料のみからなっていてもよく、２種以上の材料からなっていてもよい。また、異なる材料からなるブロックの集合体であってもよい。 The air electrode side current collector 42 can be provided so as to be in contact with the air electrode 13 on one surface and in contact with the inter-cell separator 21 on the other surface. In addition, the air electrode side current collector 42 and the intercell separator 21 can be bonded to each other using a conductive bonding material such as a brazing material on at least a part of the surface in contact with the intercell separator 21. Such a bonding material is not particularly limited as long as the air electrode side current collector 42 and the inter-cell separator 21 are brought into close contact with each other and can be stably contacted to prevent an increase in contact resistance.
In the solid oxide fuel cell 1, there are many portions that need to be hermetically sealed with a bonding material or the like, such as between the air electrode current collector 42 and the inter-cell separator 21. Can be joined at the same time. Glass bonding can also be used.
Furthermore, these current collectors 41 and 42 may be made of only one kind of material, or may be made of two or more kinds of materials. Moreover, the aggregate | assembly of the block which consists of a different material may be sufficient.

上記「隔離セパレータ」は、用途に合わせて任意の金属を選択することができる。例えば、固体電解質形燃料電池の隔離セパレータとして用いる場合は、使用時の温度である５００〜９００℃の範囲で劣化することなく、燃料ガス及び支燃性ガスが混合しないように隔離することができる金属を選択することができる。このような金属として、ステンレス鋼、ニッケル基合金及びクロム基合金を例示することができる。
ステンレス鋼としては、フェライト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼が挙げられる。フェライト系ステンレス鋼としては、ＳＵＳ４３０以外に、ＳＵＳ４３４及びＳＵＳ４０５等が挙げられる。マルテンサイト系ステンレス鋼としては、ＳＵＳ４０３、ＳＵＳ４１０及びＳＵＳ４３１等が挙げられる。オーステナイト系ステンレス鋼としては、ＳＵＳ２０１、ＳＵＳ３０１、ＳＵＳ３０５等が挙げられる。更に、ニッケル基合金としては、インコネル６００、インコネル７１８、インコロイ８０２等が挙げられる。クロム基合金としては、Ｄｕｃｒｌｌｏｙ ＣＲＦ（９４Ｃｒ５Ｆｅ１Ｙ２Ｏ３）等が挙げられる。これらの各種の耐熱合金は、それぞれ固体電解質形燃料電池の用途等によって選択することができる。 As the “separation separator”, any metal can be selected according to the application. For example, when used as an isolation separator of a solid oxide fuel cell, it can be isolated so that the fuel gas and the combustion-supporting gas do not mix without deteriorating in the range of 500 to 900 ° C., which is the temperature during use. A metal can be selected. Examples of such metals include stainless steel, nickel-based alloys, and chromium-based alloys.
Examples of the stainless steel include ferritic stainless steel, martensitic stainless steel, and austenitic stainless steel. Examples of ferritic stainless steel include SUS434 and SUS405 in addition to SUS430. Examples of martensitic stainless steel include SUS403, SUS410, and SUS431. Examples of austenitic stainless steel include SUS201, SUS301, and SUS305. Further, examples of the nickel-based alloy include Inconel 600, Inconel 718, Incoloy 802, and the like. Examples of the chromium-based alloy include Ducrloy CRF (94Cr5Fe1Y 2 O 3 ). These various heat-resistant alloys can be selected according to the use of the solid oxide fuel cell, respectively.

隔離セパレータは、その周縁部を枠体によって挟持するように固定されるが、その固定幅は、５ｍｍ以上（特に好ましくは６ｍｍ以上、更に好ましくは７ｍｍ以上）が好ましい。５ｍｍ以下であると、十分なガスシール性が得られないからである。また、固定幅の最大値は特に限定されないが、通常用いられる１００〜２５０ｍｍ角の単セルの場合は、２５ｍｍ以下（特に好ましくは２０ｍｍ以下、更に好ましくは１８ｍｍ以下）が好ましい。
特に、枠体の角部に燃料ガス導入管９１、燃料ガス排気管９２、支燃性ガス導入管９３及び支燃性ガス排気管９４等を貫通させるための貫通孔を設ける場合、該枠体の内側端部から貫通孔の外縁までの最短距離Ｗが２．５ｍｍ以上（特に好ましくは２．６ｍｍ以上、更に好ましくは２．７ｍｍ以上）となるように枠体の内側の角部を面取りにするのが好ましい（図４、５に例示する枠体角部８０１ａ、図６、７に例示する枠体角部８０１ｂを参照）。この枠体角部の面取り形状は、丸みを持ったものでもよいし、斜面でもよい。また、最短距離Ｗの最大値は特に限定されないが、通常用いられる１００〜２５０ｍｍ角の単セルの場合は、１０ｍｍ以下（特に好ましくは９ｍｍ以下、更に好ましくは７ｍｍ以下）が好ましい。
この枠体の材質は特に限定されず、金属及びセラミックス等を用いることができる。これらのうち、通常は金属、特に、ステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金等の耐熱合金が用いられる。
更に、枠体の角部以外に燃料ガス導入管９１等が設けられている場合は、燃料ガス導入管９１等の周縁に該枠体の内側端部から貫通孔の外縁までの最短距離Ｗが２．５ｍｍ以上（特に好ましくは２．６ｍｍ以上、更に好ましくは２．７ｍｍ以上）となる延伸部を設けることが好ましい（図８に例示する延伸部８０２を参照）。 The isolation separator is fixed so that the peripheral edge is sandwiched between the frames, and the fixing width is preferably 5 mm or more (particularly preferably 6 mm or more, more preferably 7 mm or more). This is because if it is 5 mm or less, sufficient gas sealability cannot be obtained. Further, the maximum value of the fixed width is not particularly limited, but is preferably 25 mm or less (particularly preferably 20 mm or less, more preferably 18 mm or less) in the case of a commonly used 100-250 mm square unit cell.
In particular, when a through-hole for penetrating the fuel gas introduction pipe 91, the fuel gas exhaust pipe 92, the combustion-supporting gas introduction pipe 93, the combustion-supporting gas exhaust pipe 94 and the like is provided at the corner of the frame, the frame body Chamfer the inner corner of the frame so that the shortest distance W from the inner edge of the through hole to the outer edge of the through hole is 2.5 mm or more (particularly preferably 2.6 mm or more, more preferably 2.7 mm or more). (Refer to the frame corner portion 801a illustrated in FIGS. 4 and 5 and the frame corner portion 801b illustrated in FIGS. 6 and 7). The chamfered shape of the corners of the frame body may be round or may be a slope. The maximum value of the shortest distance W is not particularly limited, but in the case of a commonly used 100-250 mm square single cell, it is preferably 10 mm or less (particularly preferably 9 mm or less, more preferably 7 mm or less).
The material of this frame is not particularly limited, and metals, ceramics, and the like can be used. Of these, metals, particularly heat-resistant alloys such as stainless steel, nickel-base alloys, and chromium-base alloys, are usually used.
Further, when the fuel gas introduction pipe 91 or the like is provided in addition to the corner of the frame body, the shortest distance W from the inner end of the frame body to the outer edge of the through hole is provided on the periphery of the fuel gas introduction pipe 91 or the like. It is preferable to provide an extending portion that is 2.5 mm or more (particularly preferably 2.6 mm or more, more preferably 2.7 mm or more) (see the extending portion 802 illustrated in FIG. 8).

セル間セパレータ２１の材質は金属、特に、ステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金等の耐熱合金により形成される。尚、セル間セパレータ２１の上面に更に他の発電層が積層されない場合は、蓋部材２２として機能し、セル間セパレータ２１の下面に更に他の発電層が積層されない場合は底部材２６として機能する。
更に、固体電解質形燃料電池１の構造によっては、燃料ガス又は支燃性ガスの流路が形成されたセル間セパレータ２１を用いることができる。
上記枠体８１〜８６の材質は特に限定されないが、金属、特に、ステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金等の耐熱合金により形成される。 The material of the inter-cell separator 21 is formed of a metal, in particular, a heat-resistant alloy such as stainless steel, a nickel base alloy, or a chromium base alloy. When no other power generation layer is stacked on the upper surface of the inter-cell separator 21, the lid member 22 functions. When no other power generation layer is stacked on the lower surface of the inter-cell separator 21, the bottom member 26 functions. .
Furthermore, depending on the structure of the solid oxide fuel cell 1, an inter-cell separator 21 in which a flow path of fuel gas or combustion-supporting gas is formed can be used.
Although the material of the said frames 81-86 is not specifically limited, It forms with metals, especially heat resistant alloys, such as stainless steel, a nickel base alloy, and a chromium base alloy.

燃料ガスは、水素、水素源となる炭化水素、水素と炭化水素との混合ガス、及びこれらのガスを所定温度の水中を通過させ加湿した燃料ガス、これらのガスに水蒸気を混合させた燃料ガス等が挙げられる。炭化水素は特に限定されず、例えば、天然ガス、ナフサ、石炭ガス化ガス等が挙げられる。更に、メタン、エタン、プロパン、ブタン及びペンタン等の炭素数が１〜１０、好ましくは１〜７、より好ましくは１〜４の飽和炭化水素、並びにエチレン及びプロピレン等の不飽和炭化水素を主成分とするものが好ましく、飽和炭化水素を主成分とするものが更に好ましい。これらの燃料ガスは１種のみを用いてもよいし、２種以上を併用することもできる。また、５０体積％以下の窒素及びアルゴン等の不活性ガスを含有していてもよい。   Fuel gas is hydrogen, hydrocarbon as a hydrogen source, mixed gas of hydrogen and hydrocarbon, fuel gas obtained by passing these gases through water at a predetermined temperature and humidified, and fuel gas obtained by mixing these gases with water vapor Etc. The hydrocarbon is not particularly limited, and examples thereof include natural gas, naphtha, and coal gasification gas. Further, the main components are saturated hydrocarbons having 1 to 10, preferably 1 to 7, more preferably 1 to 4 carbon atoms such as methane, ethane, propane, butane and pentane, and unsaturated hydrocarbons such as ethylene and propylene. Those having a saturated hydrocarbon as a main component are more preferable. These fuel gas may use only 1 type and can also use 2 or more types together. Moreover, you may contain inert gas, such as nitrogen and argon of 50 volume% or less.

支燃性ガスは、酸素と他の気体との混合ガス等が挙げられる。また、この混合ガスには８０体積％以下の窒素及びアルゴン等の不活性ガスが含有されていてもよい。これらの支燃性ガスのうちでは安全であって、且つ安価であるため空気（約８０体積％の窒素が含まれている。）が好ましい。   Examples of the combustion-supporting gas include a mixed gas of oxygen and another gas. The mixed gas may contain 80% by volume or less of an inert gas such as nitrogen and argon. Among these combustion-supporting gases, air (containing about 80% by volume of nitrogen) is preferable because it is safe and inexpensive.

以下、実施例により本発明の固体電解質形燃料電池１を具体的に説明する。
１．固体電解質形燃料電池１の構造
（１）単セル１００及び各種セパレータ等
本実施例１の固体電解質形燃料電池は図１〜３に示すように、３個の発電層１０（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）が積層されている。また、隔離セパレータ２３は撓みのない水平の状態で配設されている。尚、発電層１０の数は３に限られず、１以上の任意の数で構成することができる。
この固体電解質形燃料電池１では、３個の発電層１０ａ〜１０ｃがセル間セパレータ２１を介して積層されている。各々の発電層１０が備える単セル１００は、燃料極１２を基体とし、その上に固体電解質層１１及び空気極１３が積層されている。
また、単セル１００は、図５に示すように略四角形状で１５０ｍｍ角の平板であり、側方角部１０１ａが丸めによる面取りがされている。また、図２、３に示すように、上方角部１０２が丸めによる面取りがされている。これらの丸め半径Ｒは、側方角部１０１ａでは３ｍｍ、上方角部１０２では０．５ｍｍである。 Hereinafter, the solid oxide fuel cell 1 of the present invention will be specifically described by way of examples.
1. Structure of solid electrolyte fuel cell 1 (1) Single cell 100, various separators, etc. As shown in FIGS. 1 to 3, the solid electrolyte fuel cell of Example 1 has three power generation layers 10 (10a, 10b, 10c). ) Are stacked. Further, the isolation separator 23 is arranged in a horizontal state without bending. Note that the number of the power generation layers 10 is not limited to three, and can be configured by an arbitrary number of one or more.
In the solid oxide fuel cell 1, three power generation layers 10 a to 10 c are stacked via an intercell separator 21. The single cell 100 provided in each power generation layer 10 has a fuel electrode 12 as a base, and a solid electrolyte layer 11 and an air electrode 13 are laminated thereon.
Further, the single cell 100 is a substantially rectangular and 150 mm square plate as shown in FIG. 5, and the side corner portion 101a is chamfered by rounding. Further, as shown in FIGS. 2 and 3, the upper corner portion 102 is chamfered by rounding. These rounding radii R are 3 mm at the side corner portion 101 a and 0.5 mm at the upper corner portion 102.

固体電解質層１１は、８ＹＳＺからなり、平面形状が正方形であり、厚さが３０μｍである。
燃料極１２は、Ｎｉ及び８ＹＳＺとからなり、平面方向の形状、寸法が固体電解質層１１と同じであり、厚さが２ｍｍである。
空気極１３は、ＬＳＭ（Ｌａ0.8Ｓｒ0.2ＭｎＯ3）からなり、平面方向の形状が固体電解質層１１と同じであり、寸法が固体電解質層１１より小さく、厚さが３０μｍである。 The solid electrolyte layer 11 is made of 8YSZ, has a square planar shape, and a thickness of 30 μm.
The fuel electrode 12 is made of Ni and 8YSZ, has the same shape and size in the planar direction as the solid electrolyte layer 11, and has a thickness of 2 mm.
The air electrode 13 is made of LSM (La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 ), has the same planar shape as the solid electrolyte layer 11, is smaller than the solid electrolyte layer 11, and has a thickness of 30 μm.

上部の発電層１０ａは、セル間セパレータ２１の上面に配設されたニッケルフェルトからなる燃料極側集電体４１、単セル１００、インコネル繊維メッシュからなる空気極側集電体４２及び蓋部材２２をこの順に備える。この空気極側集電体４２と蓋部材２２とは、これらが接触する面の全面において、ロウ付けがされており、接合部６が形成されている。
また、上部発電層１０ａは、それぞれ接合部６を介して下面が固体電解質層１１及び金属製枠体８２と接合され、上面が絶縁性セラミックであるＭｇＯ−ＭｇＡｌ２Ｏ４焼結体からなる絶縁板７及び金属製枠体８１を介して蓋部材２２と接合されている隔離セパレータ２３を更に有する。 The upper power generation layer 10 a includes a fuel electrode side current collector 41 made of nickel felt disposed on the upper surface of the inter-cell separator 21, a single cell 100, an air electrode side current collector 42 made of Inconel fiber mesh, and a lid member 22. Are provided in this order. The air electrode side current collector 42 and the lid member 22 are brazed over the entire surface in contact with the air electrode side current collector 42 and the lid member 22, and the joint portion 6 is formed.
The upper power generation layer 10a has an insulating surface made of a MgO—MgAl 2 O 4 sintered body whose lower surface is bonded to the solid electrolyte layer 11 and the metal frame body 82 through the bonding portion 6 and whose upper surface is an insulating ceramic. It further has an isolation separator 23 joined to the lid member 22 via the plate 7 and the metal frame 81.

中間部の発電層１０ｂは、セル間セパレータ２１の上面に配設された燃料極側集電体４１、単セル１００及び空気極側集電体４２をこの順に備える。この空気極側集電体４２は、セル間セパレータ２１の下面と上部発電層１０ａの場合と同様にしてロウ付けされ、接合部６が形成されている。
また、中間部発電層１０ｂは、それぞれ接合部６を介して下面が固体電解質層１１及び金属製枠体８４と接合され、上面が絶縁板７及び金属製枠体８３を介してセル間セパレータ２１と接合されている隔離セパレータ２３を更に有する。 The intermediate power generation layer 10b includes a fuel electrode side current collector 41, a single cell 100, and an air electrode side current collector 42 arranged in this order on the upper surface of the inter-cell separator 21. The air electrode side current collector 42 is brazed in the same manner as in the case of the lower surface of the inter-cell separator 21 and the upper power generation layer 10a to form the joint 6.
Further, the intermediate power generation layer 10 b has a lower surface bonded to the solid electrolyte layer 11 and the metal frame 84 via the bonding portion 6, and an upper surface connected to the inter-cell separator 21 via the insulating plate 7 and the metal frame 83. And an isolating separator 23 joined to each other.

下部の発電層１０ｃは、底部材２６の上面に配設された燃料極側集電体４１、単セル１００及び空気極側集電体４２をこの順に備える。この空気極側集電体４２は、セル間セパレータ２１の下面と上部発電層１０ａの場合と同様にしてロウ付けされ、接合部６が形成されている。
また、下部発電層１０ｃは、それぞれ接合部６を介して下面が固体電解質層１１及び金属製枠体８６と接合され、上面が絶縁板７及び金属製枠体８５を介してセル間セパレータ２１と接合されている隔離セパレータ２３を更に有する。 The lower power generation layer 10 c includes a fuel electrode side current collector 41, a single cell 100, and an air electrode side current collector 42 arranged in this order on the upper surface of the bottom member 26. The air electrode side current collector 42 is brazed in the same manner as in the case of the lower surface of the inter-cell separator 21 and the upper power generation layer 10a to form the joint 6.
The lower power generation layer 10c has a lower surface joined to the solid electrolyte layer 11 and the metal frame 86 via the joint 6 and an upper surface connected to the inter-cell separator 21 via the insulating plate 7 and the metal frame 85, respectively. It further has the isolation | separation separator 23 joined.

セル間セパレータ２１、蓋部材２２、隔離セパレータ２３、底部材２６及び金属製枠体８１〜８６は、いずれもＳＵＳ４３０によって形成されている。単セルと、それぞれ熱膨張率が略一致する耐熱合金であるからである。更に、隔離セパレータ２３の大きさは２５０ｍｍ角、厚さは０．２ｍｍである。
更に、蓋部材２２と金属製枠体８１、上部発電層用隔離セパレータ２３と金属製枠体８２、金属製枠体８２とセル間セパレータ２１、セル間セパレータ２１と金属製枠体８３、中間発電層用隔離セパレータ２３と金属製枠体８４、金属製枠体８４とセル間セパレータ２１、セル間セパレータ２１と金属製枠体８５、下部発電層用隔離セパレータ２３と金属製枠体８６、金属製枠体８６と底部材２６はそれぞれ接合材により接合され、接合部６が形成されている。また、各金属製枠体と絶縁板７、隔離セパレータ２３と絶縁板７もそれぞれ接合材により接合され、接合部６が形成されている。
隔離セパレータ２３と単セル１００との接合代の幅は１０ｍｍである。また、隔離セパレータ２３の端から１６ｍｍの幅の周縁部を金属製枠体８１〜８６によって挟持されている。更に、金属製枠体８１〜８６の四隅には図４、５に示すように、燃料ガス導入管９１、燃料ガス排気管９２、支燃性ガス導入管９３及び支燃性ガス排気管９４を貫通させるための貫通孔８０３が設けられているが、内側端部の枠体角部８０１ａを丸めによる面取りがされているため、貫通孔の外縁までの最短距離Ｗを２．４ｍｍ以上として、十分なガスシール性を備えることができる。 The inter-cell separator 21, the lid member 22, the isolation separator 23, the bottom member 26, and the metal frame bodies 81 to 86 are all formed of SUS430. This is because it is a heat-resistant alloy having substantially the same thermal expansion coefficient as the single cell. Further, the separator 23 has a size of 250 mm square and a thickness of 0.2 mm.
Further, the lid member 22 and the metal frame 81, the upper power generation layer isolation separator 23 and the metal frame 82, the metal frame 82 and the inter-cell separator 21, the inter-cell separator 21 and the metal frame 83, the intermediate power generation Layer separator 23 and metal frame 84, metal frame 84 and inter-cell separator 21, inter-cell separator 21 and metal frame 85, lower power generation layer separator 23 and metal frame 86, metal The frame body 86 and the bottom member 26 are each joined by a joining material, and the joining part 6 is formed. In addition, each metal frame and the insulating plate 7, the separator 23 and the insulating plate 7 are also bonded by a bonding material, and a bonded portion 6 is formed.
The width of the joining margin between the isolation separator 23 and the single cell 100 is 10 mm. In addition, a peripheral portion having a width of 16 mm from the end of the separator 23 is sandwiched between metal frames 81 to 86. Further, as shown in FIGS. 4 and 5, a fuel gas introduction pipe 91, a fuel gas exhaust pipe 92, a combustion supporting gas introduction pipe 93 and a combustion supporting gas exhaust pipe 94 are provided at the four corners of the metal frame bodies 81 to 86. A through-hole 803 for penetrating is provided, but the frame corner 801a at the inner end is chamfered by rounding, so that the shortest distance W to the outer edge of the through-hole is 2.4 mm or more. Gas sealing performance can be provided.

（２）ガス導入管及び排出管等
上部発電層１０ａにおいて図２に示すように、上部発電層１０ａの隔離セパレータ２３とセル間セパレータ２１との間に形成された空間には、上部発電層１０ａの燃料極１２に燃料ガスを導入するための燃料ガス導入管９１が開口している。また、この空間の燃料ガス導入管９１の開口部と対向する側には、上部発電層１０ａの燃料極１２から燃料ガスを排出するための燃料ガス排出管９２が開口している。更に、図３に示すように、蓋部材２２と隔離セパレータ２３との間に形成された空間には、上部発電層１０ａの空気極１３に支燃性ガスを導入するための支燃性ガス導入管９３が開口している。また、この空間の支燃性ガス導入管９３の開口部と対向する側には、上部発電層１０ａの空気極１３から支燃性ガスを排出するための支燃性ガス排出管９４が開口している。 (2) Gas introduction pipe, exhaust pipe, etc. As shown in FIG. 2 in the upper power generation layer 10a, the space formed between the isolation separator 23 and the inter-cell separator 21 of the upper power generation layer 10a includes the upper power generation layer 10a. A fuel gas introduction pipe 91 for introducing fuel gas into the fuel electrode 12 is opened. A fuel gas discharge pipe 92 for discharging fuel gas from the fuel electrode 12 of the upper power generation layer 10a is opened on the side of the space facing the opening of the fuel gas introduction pipe 91. Further, as shown in FIG. 3, in the space formed between the lid member 22 and the isolation separator 23, the combustion-supporting gas for introducing the combustion-supporting gas into the air electrode 13 of the upper power generation layer 10a is introduced. A tube 93 is open. In addition, a combustion-supporting gas discharge pipe 94 for discharging combustion-supporting gas from the air electrode 13 of the upper power generation layer 10a is opened on the side of the space facing the opening of the combustion-supporting gas introduction pipe 93. ing.

また、中間部発電層１０ｂにおいて図２に示すように、隔離セパレータ２３とセル間セパレータ２１との間に形成された空間には、中間部発電層１０ｂの燃料極１２に燃料ガスを導入するための燃料ガス導入管９１が開口している。更に、この空間の燃料ガス導入管９１の開口部と対向する側には、中間部発電層１０ｂの燃料極１２から燃料ガスを排出するための燃料ガス排出管９２が開口している。また、図３に示すように、セル間セパレータ２１と隔離セパレータ２３との間に形成された空間には、中間部発電層１０ｂの空気極１３に支燃性ガスを導入するための支燃性ガス導入管９３が開口している。更に、この空間の支燃性ガス導入管９３の開口部と対向する側には、中間部発電層１０ｂの空気極１３から支燃性ガスを排出するための支燃性ガス排出管９４が開口している。   Further, as shown in FIG. 2 in the intermediate power generation layer 10b, a fuel gas is introduced into the fuel electrode 12 of the intermediate power generation layer 10b in the space formed between the isolation separator 23 and the inter-cell separator 21. The fuel gas introduction pipe 91 is opened. Further, a fuel gas discharge pipe 92 for discharging the fuel gas from the fuel electrode 12 of the intermediate power generation layer 10b is opened on the side of the space facing the opening of the fuel gas introduction pipe 91. In addition, as shown in FIG. 3, in the space formed between the inter-cell separator 21 and the isolation separator 23, the combustion support property for introducing the support gas into the air electrode 13 of the intermediate power generation layer 10 b. A gas introduction pipe 93 is opened. Further, a combustion-supporting gas discharge pipe 94 for discharging combustion-supporting gas from the air electrode 13 of the intermediate power generation layer 10b is opened on the side of the space facing the opening of the combustion-supporting gas introduction pipe 93. is doing.

更に、下部発電層１０ｃにおいて図２に示すように、隔離セパレータ２３と底部材２６との間に形成された空間には、下部発電層１０ｃの燃料極１２に燃料ガスを導入するための燃料ガス導入管９１が開口している。また、この空間の燃料ガス導入管９１の開口部と対向する側には、下部発電層１０ｃの燃料極１２から燃料ガスを排出するための燃料ガス排出管９２が開口している。更に、図３に示すように、セル間セパレータ２１と隔離セパレータ２３との間に形成された空間には、下部発電層の空気極１３に支燃性ガスを導入するための支燃性ガス導入管９３が開口している。また、この空間の支燃性ガス導入管９３の開口部と対向する側には、下部発電層１０ｃの空気極１３から支燃性ガスを排出するための支燃性ガス排出管９４が開口している。   Further, as shown in FIG. 2 in the lower power generation layer 10c, a fuel gas for introducing fuel gas into the fuel electrode 12 of the lower power generation layer 10c is formed in a space formed between the isolation separator 23 and the bottom member 26. The introduction pipe 91 is open. A fuel gas discharge pipe 92 for discharging the fuel gas from the fuel electrode 12 of the lower power generation layer 10c is opened on the side of the space facing the opening of the fuel gas introduction pipe 91. Further, as shown in FIG. 3, in the space formed between the inter-cell separator 21 and the isolation separator 23, a support gas is introduced to introduce a support gas into the air electrode 13 of the lower power generation layer. A tube 93 is open. Further, a combustion-supporting gas discharge pipe 94 for discharging combustion-supporting gas from the air electrode 13 of the lower power generation layer 10c opens on the side of the space facing the opening of the combustion-supporting gas introduction pipe 93. ing.

また、各発電層１０ａ〜１０ｃの各々に燃料ガス又は支燃性ガスを導入し、又は排出するためのそれぞれの管は、本管に側管が取り付けられた構造であり、各発電層１０ａ〜１０ｃの各々の単セルに燃料ガス及び支燃性ガスが同時に導入され、且つ排出される。更に、燃料ガス導入管と燃料ガス排出管、及び支燃性ガス導入管と支燃性ガス排出管は、この実施例１の場合は、燃料ガス及び支燃性ガスがそれぞれ対向方向に流通するような位置に取り付けられている。これにより、各発電層１０ａ〜１０ｃのそれぞれの単セル１００の各々の燃料極と燃料ガス、及び空気極と支燃性ガスをそれぞれ効率よく接触させることができる。   In addition, each pipe for introducing or discharging fuel gas or combustion-supporting gas to each of the power generation layers 10a to 10c has a structure in which a side pipe is attached to the main pipe. Fuel gas and combustion-supporting gas are simultaneously introduced into and discharged from each single cell 10c. Further, in the case of the first embodiment, the fuel gas introduction pipe and the fuel gas discharge pipe, and the fuel support gas introduction pipe and the combustion support gas discharge pipe are respectively circulated in the opposing direction. It is attached to such a position. Thereby, each fuel electrode of each unit cell 100 of each electric power generation layer 10a-10c and fuel gas, and an air electrode and combustion-supporting gas can be made to contact each efficiently.

２．燃料ガス及び支燃性ガス
実施例１の固体電解質形燃料電池を用いて発電させる場合、燃料極側には燃料ガスを導入し、空気極側には支燃性ガスを導入する。 2. Fuel Gas and Combustion Gas When generating power using the solid oxide fuel cell of Example 1, the fuel gas is introduced to the fuel electrode side and the combustion support gas is introduced to the air electrode side.

３．固体電解質形燃料電池の発電及び電力の取り出し
この固体電解質形燃料電池１は、上部発電層１０ａの空気極１３が、空気極側集電体４２を介して蓋部材２２に電気的に接続されている。上部発電層１０ａの燃料極１２は、燃料極側集電体４１を介してセル間セパレータ２１と電気的に接続されている。また、このセル間セパレータ２１は、空気極側集電体４２を介して中間部発電層１０ｂの空気極１３と接続されている。更に、中間部発電層１０ｂの燃料極１２は、燃料極側集電体４１を介してセル間セパレータ２１と電気的に接続されている。また、このセル間セパレータ２１は、空気極側集電体４２を介して下部発電層１０ｃの空気極１３と電気的に接続されている。更に、下部発電層１０ｃの燃料極１２は、燃料極側集電体４１を介して底部材２６に電気的に接続されている。このように発電層１０ａ〜１０ｃは各々直列に接続されており、蓋部材２２及び底部材２６から電力を取り出すことができる。
また、本固体電解質形燃料電池１を所定の動作温度に昇温させ、燃料ガス導入管９１に水素等の燃料ガスを導入して燃料極１２と接触させ、支燃性ガス導入管９３に空気等の支燃性ガスを導入して空気極１３と接触させることにより、燃料電池として機能することができる。
本固体電解質形燃料電池１は、３個の単セルがそれぞれ燃料極支持型であり、この構造の場合、５００℃以上の動作温度でも電流を取り出すことができる。 3. Power generation and extraction of power of the solid oxide fuel cell In this solid oxide fuel cell 1, the air electrode 13 of the upper power generation layer 10a is electrically connected to the lid member 22 via the air electrode side current collector 42. Yes. The fuel electrode 12 of the upper power generation layer 10 a is electrically connected to the inter-cell separator 21 via the fuel electrode side current collector 41. The inter-cell separator 21 is connected to the air electrode 13 of the intermediate power generation layer 10b through the air electrode side current collector 42. Further, the fuel electrode 12 of the intermediate power generation layer 10 b is electrically connected to the inter-cell separator 21 via the fuel electrode side current collector 41. The inter-cell separator 21 is electrically connected to the air electrode 13 of the lower power generation layer 10c through the air electrode side current collector 42. Further, the fuel electrode 12 of the lower power generation layer 10 c is electrically connected to the bottom member 26 through the fuel electrode side current collector 41. As described above, the power generation layers 10 a to 10 c are connected in series, and power can be taken out from the lid member 22 and the bottom member 26.
The solid electrolyte fuel cell 1 is heated to a predetermined operating temperature, a fuel gas such as hydrogen is introduced into the fuel gas introduction pipe 91 and brought into contact with the fuel electrode 12, and air is introduced into the combustion supporting gas introduction pipe 93. It is possible to function as a fuel cell by introducing a combustion-supporting gas such as the above and bringing it into contact with the air electrode 13.
In the solid electrolyte fuel cell 1, three single cells are each supported by a fuel electrode. In this structure, current can be taken out even at an operating temperature of 500 ° C. or higher.

４．破損性の評価
面取りの有無による固体電解質形燃料電池の隔離セパレータ２３及び単セル１００の破損しやすさの違いを評価するために、隔離セパレータ２３、単セル１００及び金属枠体８４等を接合したセラミックス接合体の作製時の破損数によって評価した。
このセラミックス接合体は、図４、５に示すように、金属製枠体８３、絶縁板７、単セル１００が接合された隔離セパレータ２３、及び金属製枠体８４を積層し、接合部６を介して接合して作製されたものである。また、比較例として、図９に示す面取りがされていないセラミックス接合体を同様に作製した。尚、単セル１００等の形状及び材質は、上記「１．固体電解質形燃料電池１の構造」で説明したものと同じである。 4). Evaluation of breakability In order to evaluate the difference in fragility between the separator 23 and the single cell 100 of the solid oxide fuel cell depending on the presence or absence of chamfering, the separator 23, the single cell 100, the metal frame 84, etc. were joined. The evaluation was based on the number of breaks during the production of the ceramic joined body.
As shown in FIGS. 4 and 5, this ceramic joined body is formed by laminating a metal frame 83, an insulating plate 7, an isolation separator 23 to which a single cell 100 is joined, and a metal frame 84, and joining the joint 6. It is produced by joining via the contact. Further, as a comparative example, a ceramic joined body not chamfered as shown in FIG. 9 was similarly produced. The shape and material of the unit cell 100 and the like are the same as those described in “1. Structure of the solid electrolyte fuel cell 1”.

このようなセラミックス接合体を面取りの形状（丸め又は斜面）及び面取りの大きさを変えた実施例と、比較例とをそれぞれ１００個作製し、隔離セパレータ２３にガス漏れにつながる孔等が生じた破損品が何個あるかどうかを調べた。また、面取りは、側方角部及び上方角部を、同じ形状及び同じ大きさ（丸め半径Ｒ、深さＣ）で行った。更に、面取りの大きさは、側方角部及び上方角部の面取り大きさの平均値が、０．２５〜０．２７ｍｍ、０．２８〜０．２９ｍｍ、０．３〜０．４ｍｍの３つの範囲のものを用いた。
破損品かどうかの判断は、ヘリウムリークディテクタ（ライボルト株式会社製ＵＬ５００）を用い、リーク量が１×１０−９Ｐａ・ｍ３/sec以上の場合を破損品とすることで行った。この結果を表１に示す。 100 examples of such a ceramic joined body in which the shape of chamfering (rounding or slope) and the size of chamfering were changed and a comparative example were each produced, and a hole or the like leading to gas leakage occurred in the separator 23. We examined how many damaged items there were. Further, the chamfering was performed with the same shape and the same size (rounding radius R, depth C) at the side corner and the upper corner. In addition, the chamfering size has three average values of chamfering sizes of the side corners and the upper corners: 0.25 to 0.27 mm, 0.28 to 0.29 mm, and 0.3 to 0.4 mm. Ranges were used.
Judgment of whether or not it was a damaged product was performed by using a helium leak detector (UL500 manufactured by Leibold Co., Ltd.) and determining that the leak amount was 1 × 10 −9 Pa · m 3 / sec or more as a damaged product. The results are shown in Table 1.

Figure 2006004678
Figure 2006004678

表１に示すように、面取りを行わなかった比較例では、１００個のうち６２個破損していたが、０．２５〜０．２７ｍｍの丸めの面取りを行ったところ１６個まで破損品が何個を大幅に減らすことができた。また、０．２８〜０．２９ｍｍでは９個となり、０．３〜０．４ｍｍでは破損品が見られなかった。更に、斜面の面取りでは、０．２５〜０．２７ｍｍでは１３個、０．２８〜０．２９ｍｍでは１０個、０．３〜０．４ｍｍでは２個と、丸めの面取りと同様の効果が得られた。
以上より、側方角部１０１ａ及び上方角部１０２の面取りを行うことで、隔離セパレータ２３が破損したり、単セル１００が欠けたりすることを防止することができることが分かった。
また、枠体角部８０１ａを備え、金属製枠体８１〜８６の内側端部から貫通孔８０３の外縁までの最短距離Ｗを一定以上にすることで、十分なガスシール性を得られることが分かった。 As shown in Table 1, in the comparative example in which chamfering was not performed, 62 pieces were broken out of 100 pieces. However, when chamfering of rounding of 0.25 to 0.27 mm was carried out, what was broken up to 16 pieces? I was able to greatly reduce the number. Moreover, it became nine in 0.28-0.29 mm, and the damaged goods were not seen in 0.3-0.4 mm. Furthermore, in the chamfering of the slope, 13 pieces are obtained for 0.25 to 0.27 mm, 10 pieces are provided for 0.28 to 0.29 mm, and 2 pieces are provided for 0.3 to 0.4 mm, and the same effect as the rounded chamfering is obtained. It was.
From the above, it was found that the chamfering of the side corner portion 101a and the upper corner portion 102 can prevent the separation separator 23 from being damaged or the single cell 100 from being chipped.
Further, it is possible to obtain sufficient gas sealing performance by providing the frame corner portion 801a and setting the shortest distance W from the inner end of the metal frame 81 to 86 to the outer edge of the through-hole 803 to a certain value or more. I understood.

尚、本発明では上記の実施例に限られず、目的、用途等によって本発明の範囲内において種々変更した実施例とすることができる。例えば、本実施例では、丸みを持った面取りを備える側方角部１０１ａ及び上方角部１０２としたが、これに限られず、斜面を備えた面取りを備える側方角部１０１ｂ（図７を参照）及び上方角部（図示せず）とすることができる。また、枠体角部も、丸みを持った面取りを備える枠体角部８０１ａに限られず、図６、７に示す斜面を枠体角部８０１ｂとすることができる。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope of the present invention depending on the purpose, application, and the like. For example, in the present embodiment, the side corner portion 101a and the upper corner portion 102 are provided with rounded chamfers, but are not limited thereto, and the side corner portion 101b (see FIG. 7) having chamfers with slopes is included. It can be an upper corner (not shown). Further, the frame body corner is not limited to the frame body corner 801a having a rounded chamfer, and the slope shown in FIGS. 6 and 7 can be used as the frame body corner 801b.

蓋部材、各セパレータ、底部材を形成するステンレス鋼としては、フェライト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼が挙げられる。フェライト系ステンレス鋼としては、ＳＵＳ４３０以外に、ＳＵＳ４３４、ＳＵＳ４０５等が挙げられる。マルテンサイト系ステンレス鋼としては、ＳＵＳ４０３、ＳＵＳ４１０及びＳＵＳ４３１等が挙げられる。オーステナイト系ステンレス鋼としては、ＳＵＳ２０１、ＳＵＳ３０１、ＳＵＳ３０５等が挙げられる。更に、ニッケル基合金としては、インコネル６００、インコネル７１８、インコロイ８０２等が挙げられる。クロム基合金としては、Ｄｕｃｒｌｌｏｙ ＣＲＦ（９４Ｃｒ５Ｆｅ１Ｙ２Ｏ３）等が挙げられる。これらの各種の耐熱合金は、それぞれ積層体の用途等によって選択することができる。 Examples of the stainless steel forming the lid member, each separator, and the bottom member include ferritic stainless steel, martensitic stainless steel, and austenitic stainless steel. Examples of ferritic stainless steel include SUS434, SUS405, and the like in addition to SUS430. Examples of martensitic stainless steel include SUS403, SUS410, and SUS431. Examples of austenitic stainless steel include SUS201, SUS301, and SUS305. Further, examples of the nickel-based alloy include Inconel 600, Inconel 718, Incoloy 802, and the like. Examples of the chromium-based alloy include Ducrloy CRF (94Cr5Fe1Y 2 O 3 ). These various heat-resistant alloys can be selected depending on the use of the laminate.

空気極は、単セルの強度を支持する基板として形成することもできる。空気極支持型である場合は、空気極の厚さは固体電解質層の２０倍以上の厚さであることが好ましい。２０倍未満であると単セルの機械的強度が不十分となる傾向にある。この空気極の厚さは２００〜３０００μｍ、特に５００〜２０００μｍであることが好ましい。２００μｍ未満であると基板として有効に機能せず、３０００μｍを越えると、体積当たりの発電効率が低下する傾向にある。一方、燃料極支持型である場合は、空気極の厚さは１０〜１００μｍ、特に２０〜５０μｍであることが好ましい。１０μｍ未満であると電極として十分に機能しないことがあり、１００μｍを越えると固体電解質層から剥離することがある。   The air electrode can also be formed as a substrate that supports the strength of the single cell. In the case of the air electrode support type, the thickness of the air electrode is preferably 20 times or more that of the solid electrolyte layer. If it is less than 20 times, the mechanical strength of the single cell tends to be insufficient. The thickness of the air electrode is preferably 200 to 3000 μm, particularly 500 to 2000 μm. If it is less than 200 μm, it will not function effectively as a substrate, and if it exceeds 3000 μm, the power generation efficiency per volume tends to decrease. On the other hand, in the case of the fuel electrode support type, the thickness of the air electrode is preferably 10 to 100 μm, particularly preferably 20 to 50 μm. When the thickness is less than 10 μm, the electrode may not function sufficiently, and when the thickness exceeds 100 μm, the solid electrolyte layer may be peeled off.

本セラミックス接合体を用いた固体電解質形燃料電池の構成を説明するための模式斜視図である。It is a model perspective view for demonstrating the structure of the solid electrolyte form fuel cell using this ceramic joined body. 本セラミックス接合体を用いた固体電解質形燃料電池の構成を説明するための図１におけるＡ−Ａ断面図である。It is AA sectional drawing in FIG. 1 for demonstrating the structure of the solid oxide fuel cell using this ceramic joined body. 本セラミックス接合体を用いた固体電解質形燃料電池の構成を説明するための図１におけるＢ−Ｂ断面図である。It is BB sectional drawing in FIG. 1 for demonstrating the structure of the solid oxide fuel cell using this ceramic joined body. 金属製枠体、隔離セパレータ及び単セルが接合され、丸めの面取りがされた接合体の外観を示す模式斜視図である。It is a model perspective view which shows the external appearance of the joining body by which the metal frame, the isolation separator, and the single cell were joined and the chamfering of the rounding was carried out. 金属製枠体、隔離セパレータ及び単セルが接合され、丸めの面取りがされた接合体の外観を示す模式底面図である。It is a model bottom view which shows the external appearance of the joined body by which the metal frame, the isolation separator, and the single cell were joined, and the chamfering of the rounding was carried out. 金属製枠体、隔離セパレータ及び単セルが接合され、斜面状の面取りがされた接合体の外観を示す模式斜視図である。It is a model perspective view which shows the external appearance of the joined body by which the metal frame, the isolation separator, and the single cell were joined, and the beveled chamfer was carried out. 金属製枠体、隔離セパレータ及び単セルが接合され、斜面状の面取りがされた接合体の外観を示す模式底面図である。It is a model bottom view which shows the external appearance of the joined body by which the metal-made frame body, the isolation separator, and the single cell were joined, and the chamfering of the inclined surface was carried out. 金属製枠体、隔離セパレータ及び単セルが接合され、延伸部が設けられた接合体の外観を示す模式底面図である。It is a model bottom view which shows the external appearance of the joined body to which the metal frame, the isolation separator, and the single cell were joined, and the extending | stretching part was provided. 従来の金属製枠体、隔離セパレータ及び単セルが接合された接合体の外観を示す模式底面図である。It is a model bottom view which shows the external appearance of the joined body to which the conventional metal frame, the isolation separator, and the single cell were joined.

符号の説明Explanation of symbols

１；固体電解質形燃料電池、１０；発電層、１００；単セル、１０１ａ、１０１ｂ；側方角部、１０２；上方角部、１１；固体電解質層、１２；燃料極、１３；空気極、２１；セル間セパレータ、２２；蓋部材（セル間セパレータ）、２３；隔離セパレータ、２６；底部材（セル間セパレータ）、３１；燃料ガスの流路、３２；支燃性ガスの流路、３３；枠取り付け位置、３４；単セル接触位置、４１；燃料極側集電体、４２；空気極側集電体、６；接合部、７；絶縁板、８１、８２、８３、８４、８５、８６；金属製枠体、８０１ａ、８０１ｂ；枠体角部、８０２；延伸部、８０３；貫通孔、９１；燃料ガス導入管、９２；燃料ガス排気管、９３；支燃性ガス導入管、９４；支燃性ガス排気管。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1; Solid electrolyte fuel cell, 10; Electric power generation layer, 100; Single cell, 101a, 101b; Side corner part, 102; Upper corner part, 11: Solid electrolyte layer, 12; Fuel electrode, 13; Inter-cell separator, 22; Lid member (inter-cell separator), 23; Isolation separator, 26; Bottom member (inter-cell separator), 31; Fuel gas channel, 32; Combustion gas channel, 33; Mounting position 34; Single cell contact position 41; Fuel electrode side current collector 42: Air electrode side current collector 6; Junction 7; Insulating plate 81, 82, 83, 84, 85, 86; Metal frame, 801a, 801b; frame corner, 802; extension, 803; through hole, 91; fuel gas introduction pipe, 92; fuel gas exhaust pipe, 93; combustion-supporting gas introduction pipe, 94; Flammable gas exhaust pipe.

Claims (5)

燃料極１２と、該燃料極１２の一面側に設けられた固体電解質層１１と、該固体電解質層１１の一面側に設けられた空気極層１３とを積層した平板状の単セル１００を備え、
該単セル１００の２つの側面が交差する側方角部は、面取りされていることを特徴とする固体電解質形燃料電池。 A flat unit cell 100 in which a fuel electrode 12, a solid electrolyte layer 11 provided on one surface side of the fuel electrode 12, and an air electrode layer 13 provided on one surface side of the solid electrolyte layer 11 are stacked is provided. ,
A solid oxide fuel cell, wherein a side corner where two side surfaces of the unit cell 100 intersect is chamfered. 上記単セル１００の隔離セパレータ２３と接合される平面を含む上方角部１０２は、面取りされている請求項１に記載の固体電解質形燃料電池。   2. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein an upper corner portion including a plane joined to the isolation separator of the single cell is chamfered. 上記側方角部１０１ａの面取り部分は丸められており、その半径Ｒは、０．２５ｍｍ以上である請求項１又は２に記載の固体電解質形燃料電池。   The solid oxide fuel cell according to claim 1 or 2, wherein a chamfered portion of the side corner portion 101a is rounded and a radius R thereof is 0.25 mm or more. 上記側方角部１０１ｂの面取り部分は斜面で構成されており、該面取りの深さＣは、０．２５ｍｍ以上である請求項１又は２に記載の固体電解質形燃料電池。   3. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein a chamfered portion of the side corner portion 101 b is formed of a slope, and the chamfering depth C is 0.25 mm or more. 上記隔離セパレータ２３は、その周縁部が貫通孔８０３を具備する枠体に固定されており、該枠体の内側端部から貫通孔８０３の外縁までの最短距離Ｗは２．４ｍｍ以上である請求項１乃至４のいずれか一項に記載の固体電解質形燃料電池。   The isolation separator 23 has a peripheral edge fixed to a frame having a through hole 803, and the shortest distance W from the inner end of the frame to the outer edge of the through hole 803 is 2.4 mm or more. Item 5. The solid oxide fuel cell according to any one of Items 1 to 4.
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