JP2006221884A - Single chamber type solid oxide fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a single chamber type solid oxide fuel cell of which the output improvement can be achieved by preventing the internal short-circuit phenomenon, and by thinning an electrolyte. <P>SOLUTION: This is the single chamber type solid oxide fuel cell 1 in which a plurality of members of single cells 5 provided with a sheet-like electrolyte 2, a fuel electrode 3 formed on the front side of the electrolyte 2, and an air electrode 4 formed on the back side of the electrolyte 2 have been connected in series. The adjacent single cells 5 ... are aligned and arranged in the face direction faced opposed to each other, those adjacent single cells 5 are coupled to each other under the interposition of an adhesive layer 8, and the air electrode 4 of one side of the adjacent single cells 5 and the fuel electrode 3 of the other side of the single cells 5 ... have been connected by an inter connector 6 so that the adjacent single cells 5 ... will be connected in series. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、固体酸化物電解質上に燃料極及び空気極が形成され、燃料ガス及び酸化剤ガスの混合ガスによって発電する単室型固体酸化物形燃料電池に関する。   The present invention relates to a single-chamber solid oxide fuel cell in which a fuel electrode and an air electrode are formed on a solid oxide electrolyte, and power is generated by a mixed gas of fuel gas and oxidant gas.

従来、この種の単室型固体酸化物形燃料電池として、電解質基板の一方面上に空気極及び燃料極が形成したものが知られている(例えば、特許文献1、2参照)。単室型固体酸化物形燃料電池は、単セル当たりの出力が小さいため、複数の単セルを直列に接続して使用される。そのため、電解質シート上に燃料極と空気極とを交互に印刷形成し、インターコネクタによって直列接続した構成のもの(例えば、特許文献2)。   Conventionally, as this type of single-chamber solid oxide fuel cell, one in which an air electrode and a fuel electrode are formed on one surface of an electrolyte substrate is known (see, for example, Patent Documents 1 and 2). Since the single chamber type solid oxide fuel cell has a small output per unit cell, a plurality of unit cells are connected in series. Therefore, the thing of the structure which printed and formed the fuel electrode and the air electrode alternately on the electrolyte sheet, and connected in series by the interconnector (for example, patent document 2).

また、絶縁性の支持基板に複数の孔を形成し、その孔に電解質グリーンシートを挿入し、該電解質を挟むようにして両側から空気極と燃料極とを印刷形成して単セルを複数形成する際に、一方の面では空気極と燃料極とが隣り合うようにしておき、単セルを直列接続するように隣り合う空気極と燃料極とをインターコネクタによって接続したもの(例えば、特許文献3)が知られている。
特開2002−280015号公報 特開平8−264195号公報 特開2003−51319号公報
Also, when forming a plurality of single cells by forming a plurality of holes in an insulating support substrate, inserting an electrolyte green sheet into the holes, and printing the air electrode and the fuel electrode from both sides so as to sandwich the electrolyte In addition, the air electrode and the fuel electrode are adjacent to each other on one side, and the adjacent air electrode and the fuel electrode are connected by an interconnector so as to connect the single cells in series (for example, Patent Document 3). It has been known.
JP 2002-280015 A JP-A-8-264195 JP 2003-51319 A

しかしながら、上記特許文献2記載の発明では、電解質の一方面に複数の燃料極と空気極とが形成されているため、発電時に電解質表面が酸素イオンの移動経路となって、本来の単セルの起電力と、単セル間に形成される電池の起電力とが打ち消し合い、内部短絡状態となるため、燃料電池全体の起電力が下がり、電池性能が低下することがある。   However, in the invention described in Patent Document 2, since a plurality of fuel electrodes and air electrodes are formed on one surface of the electrolyte, the surface of the electrolyte becomes a movement path of oxygen ions during power generation, and the original single cell Since the electromotive force and the electromotive force of the battery formed between the single cells cancel each other and an internal short circuit occurs, the electromotive force of the entire fuel cell is lowered, and the battery performance may be lowered.

また、上記特許文献3記載の発明では、燃料極と空気極とにより電解質を挟持する構造であるため出力上昇を図るためには電解質を出来るだけ薄くする必要があるが、電解質の厚みは支持基板によって支配されており、また、基板としての強度を得るために基板を薄くするには限界があるため、出力向上が制限される。   Further, in the invention described in Patent Document 3, since the electrolyte is sandwiched between the fuel electrode and the air electrode, it is necessary to make the electrolyte as thin as possible in order to increase the output. In addition, since there is a limit to thinning the substrate in order to obtain strength as a substrate, improvement in output is limited.

さらに、上記特許文献3記載の発明では、電解質グリーンシートは焼結後に収縮するため、支持基板の通孔内壁と電解質周壁との間に隙間が生じやすく、このような隙間は、衝撃によるクラックや、隙間空間内の空気の熱膨張によるクラック、水分の侵入によるマイグレーション等、種々の問題を生じ得る。   Furthermore, in the invention described in Patent Document 3, since the electrolyte green sheet shrinks after sintering, a gap is easily generated between the inner wall of the through hole of the support substrate and the peripheral wall of the electrolyte. Various problems such as cracks due to thermal expansion of air in the gap space and migration due to moisture intrusion can occur.

そこで、本発明は、前記内部短絡現象による起電力低下を防ぎ、且つ、電解質の厚みを薄くすることが可能な単室型固体酸化物形燃料電池を提供することを主たる目的とする。   Therefore, a main object of the present invention is to provide a single-chamber solid oxide fuel cell capable of preventing a decrease in electromotive force due to the internal short-circuit phenomenon and reducing the thickness of the electrolyte.

上記目的を達成するため、本発明に係る単室型固体酸化物形燃料電池は、薄板状の電解質、該電解質表側に形成された燃料極、及び前記電解質裏側に形成された空気極を備える単セルの複数個が、直列接続された単室型固体酸化物形燃料電池であって、隣り合う前記単セル同士が表裏反対向きに面方向に並べて配置され、それら隣り合う単セルが接着剤層の介在下に連結され、隣り合う単セルが直列接続されるように該隣り合う一方の単セルの空気極と他方の単セルの燃料極とがインターコネクタによって接続されていることを特徴とする。   In order to achieve the above object, a single-chamber solid oxide fuel cell according to the present invention comprises a single-plate electrolyte, a fuel electrode formed on the front side of the electrolyte, and an air electrode formed on the back side of the electrolyte. A plurality of cells are single-chamber solid oxide fuel cells connected in series, and the adjacent single cells are arranged side by side in the surface direction opposite to each other, and the adjacent single cells are adhesive layers. The air electrode of one of the adjacent single cells and the fuel electrode of the other single cell are connected by an interconnector so that the adjacent single cells are connected in series. .

前記隣り合う単セルは、各々の電解質同士を接着剤層によって連結しても良い。   In the adjacent single cells, the respective electrolytes may be connected by an adhesive layer.

また、前記隣り合う単セルが支持基板によって支持され、該支持基板は、混合ガス透過性を有する多孔質体であり、前記単セルが前記接着剤層によって前記支持基板に接着されていても良い。前記複数の単セルは、前記多孔質体の支持基板に形成された複数の凹部に収容されていても良い。   The adjacent single cells may be supported by a support substrate, the support substrate may be a porous body having mixed gas permeability, and the single cells may be bonded to the support substrate by the adhesive layer. . The plurality of single cells may be accommodated in a plurality of recesses formed on the support substrate of the porous body.

また、前記隣り合う単セルが支持基板によって支持され、該支持基板は、前記燃料極又は空気極と混合ガスとを接触させるための通孔が形成されており、前記単セルが前記接着剤層によって前記支持基板に接着されていても良い。この場合、前記支持基板は、前記複数の単セルを受け入れるための複数の通孔を有し、該通孔の内壁面に段部が形成されており、該段部によって前記単セルの周縁部が支持され、前記周縁部が前記接着剤層によって前記段部に接着されていても良い。   Further, the adjacent single cells are supported by a support substrate, and the support substrate is formed with a through hole for bringing the fuel electrode or the air electrode into contact with the mixed gas, and the single cell is the adhesive layer. May be adhered to the support substrate. In this case, the support substrate has a plurality of through holes for receiving the plurality of single cells, and a step portion is formed on the inner wall surface of the through hole, and the step portion forms a peripheral portion of the single cell. May be supported, and the peripheral edge portion may be bonded to the stepped portion by the adhesive layer.

前記段部によって支持される前記単セルの周縁部が電解質であることが好ましい。   It is preferable that the peripheral part of the said single cell supported by the said step part is an electrolyte.

前記段部の深さ寸法は、前記電解質の厚み寸法と同等とされていることが好ましい。   It is preferable that the depth dimension of the step portion is equal to the thickness dimension of the electrolyte.

前記支持基板は、隣り合う単セルを互いに離隔するための隔壁部が形成されていることが好ましい。   It is preferable that the support substrate is formed with partition walls for separating adjacent single cells from each other.

本発明に係る単室型固体酸化物形燃料電池によれば、電解質の一方面に空気極を他方面に燃料極を焼結形成した単セルの複数個を面方向に並べて、接着剤層により直接連結するか又は支持基板等を介して接着剤層により間接的に連結し、インターコネクタにより直列接続する構造であるから、支持基板によって電解質の厚みが制限されないので、内部短絡現象による出力低下を防ぎ、電解質を薄くして出力向上を図ることができる。   According to the single-chamber solid oxide fuel cell according to the present invention, a plurality of single cells in which the air electrode is sintered on one side of the electrolyte and the fuel electrode is sintered on the other side are arranged in the plane direction, and the adhesive layer is used. Directly connected or indirectly connected by an adhesive layer via a support substrate, etc., and connected in series by an interconnector, so the thickness of the electrolyte is not limited by the support substrate, so output reduction due to internal short circuit phenomenon The output can be improved by reducing the thickness of the electrolyte.

以下、本発明に係る単室型固体酸化物形燃料電池(以下、単に「燃料電池」という。)の好適な実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、全図を通し、同様の構成部分には同符号を付した。   Preferred embodiments of a single-chamber solid oxide fuel cell (hereinafter simply referred to as “fuel cell”) according to the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol was attached | subjected to the same component through the whole figure.

まず、本発明に係る燃料電池の第1実施形態について、図1〜図3を参照しつつ説明する。図1は表側を示す平面図、図2は裏側を示す底面図、図3は図1のIII−III線断面図である。   First, a first embodiment of a fuel cell according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 is a plan view showing the front side, FIG. 2 is a bottom view showing the back side, and FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG.

第1実施形態の燃料電池1は、薄板状の電解質2、電解質2の表側に形成された燃料極3、及び電解質2の裏側に形成された空気極4を備える2個の単セル5、5が、インターコネクタ6によって直列に接続されている。   The fuel cell 1 of the first embodiment includes a thin plate-like electrolyte 2, a fuel electrode 3 formed on the front side of the electrolyte 2, and two unit cells 5, 5 including an air electrode 4 formed on the back side of the electrolyte 2. Are connected in series by the interconnector 6.

隣り合う単セル5、5同士は、表裏反対向きに面方向に並べて配置されており、隣り合う単セル5、5が直列接続されるように一方の単セル5の空気極4と他方の単セル5の燃料極3とがインターコネクタ6によって接続されている。   Adjacent single cells 5 and 5 are arranged side by side in the surface direction opposite to each other, and the air electrode 4 of one single cell 5 and the other single cell 5 are connected in series so that the adjacent single cells 5 and 5 are connected in series. The fuel electrode 3 of the cell 5 is connected by an interconnector 6.

燃料電池1の両端には、電力を取り出すための集電部7が設けられ、集電部7は、インターコネクタ6によって接続されていない空気極4と燃料極3とに接続されている。   At both ends of the fuel cell 1, a current collector 7 for taking out electric power is provided, and the current collector 7 is connected to the air electrode 4 and the fuel electrode 3 that are not connected by the interconnector 6.

各々の電解質2、2同士は、接着剤層8によって連結されている。接着剤層8は、無機系の接着剤によって形成することができ、例えば、東亜合成株式会社製アロンセラミックスを使用することができる。   The electrolytes 2 and 2 are connected to each other by an adhesive layer 8. The adhesive layer 8 can be formed of an inorganic adhesive. For example, Aron ceramics manufactured by Toa Gosei Co., Ltd. can be used.

単セル5はこの種燃料電池の定法に従って製造することができ、予め製造された単セルを、接着剤層8によって連結し、インターコネクタ6によって直列接続することにより、複数の単セル5,5が直列接続された燃料電池を製造することができる。単セル5の数は、必要に応じて増やすことができる。図4は、4つの単セルを直列接続した例を示している。   The single cell 5 can be manufactured according to the standard method of this type of fuel cell, and a plurality of single cells 5, 5 are connected by connecting previously manufactured single cells by an adhesive layer 8 and connecting them in series by an interconnector 6. Can be manufactured in series. The number of single cells 5 can be increased as necessary. FIG. 4 shows an example in which four single cells are connected in series.

次に、本発明に係る燃料電池の第2実施形態について図5〜7を参照して説明する。   Next, a second embodiment of the fuel cell according to the present invention will be described with reference to FIGS.

第2実施形態の燃料電池は、上記第1実施形態と同様に、薄板状の電解質2、電解質2の表側に形成された燃料極3、及び電解質2の裏側に形成された空気極4を備える2個の単セル5が、インターコネクタ6によって直列に接続されている。また、隣り合う単セル5,5同士は、表裏反対向きに面方向に並べて配置されており、隣り合う単セル5,5が直列接続されるように一方の単セル5の空気極4と他方の単セル5の燃料極3とがインターコネクタ6によって接続されている。さらに、燃料電池1の両端には、電力を取り出すための集電部7が設けられ、集電部7は、インターコネクタ6によって接続されていない空気極4と燃料極3とに接続されている。   Similar to the first embodiment, the fuel cell of the second embodiment includes a thin plate-like electrolyte 2, a fuel electrode 3 formed on the front side of the electrolyte 2, and an air electrode 4 formed on the back side of the electrolyte 2. Two single cells 5 are connected in series by an interconnector 6. The adjacent single cells 5 and 5 are arranged side by side in the surface direction opposite to each other, and the air electrode 4 and the other of the single cell 5 are connected in series so that the adjacent single cells 5 and 5 are connected in series. The fuel electrode 3 of each single cell 5 is connected by an interconnector 6. Furthermore, current collectors 7 for taking out electric power are provided at both ends of the fuel cell 1, and the current collectors 7 are connected to the air electrode 4 and the fuel electrode 3 that are not connected by the interconnector 6. .

第2実施形態の燃料電池1は、隣り合う単セル5,5が支持基板10によって支持されている。   In the fuel cell 1 of the second embodiment, adjacent single cells 5 and 5 are supported by a support substrate 10.

支持基板10は、複数の通孔11を有し、通孔11を形成する内壁面に段部12が形成されている。この段部によって単セル5の周縁部が支持されている。段部によって支持される単セルの周縁部は、図示例では電解質2となっている。   The support substrate 10 has a plurality of through holes 11, and a step portion 12 is formed on an inner wall surface that forms the through holes 11. The peripheral part of the single cell 5 is supported by this step part. The peripheral part of the single cell supported by the step part is the electrolyte 2 in the illustrated example.

電解質2の周縁部は、接着剤層8によって段部に接着されている。そのような接着剤層8としては、上記第1実施形態と同様の無機系接着剤によって形成することができる。   The peripheral edge portion of the electrolyte 2 is bonded to the step portion by the adhesive layer 8. Such an adhesive layer 8 can be formed of the same inorganic adhesive as in the first embodiment.

段部12の深さ寸法は、電解質2の厚み寸法と同等とされていることが好ましい。そのようにすることで、印刷法等によって形成されるインターコネクタ6を形成し易くなる。   It is preferable that the depth dimension of the stepped portion 12 is equal to the thickness dimension of the electrolyte 2. By doing so, it becomes easy to form the interconnector 6 formed by a printing method or the like.

支持基板10は、隣り合う単セル5,5の特に電解質同士を互いに離隔するための隔壁部13を形成することが好ましい。   The support substrate 10 preferably forms a partition wall 13 for separating the electrolytes of the adjacent single cells 5 and 5 from each other.

このような第2実施形態の燃料電池は、定法に従って予め製造された複数の単セルを支持基板10の段部12に載せ、接着剤層8によって接着し、インターコネクタ6及び集電部7を印刷等により形成することにより製造される。   In such a fuel cell according to the second embodiment, a plurality of single cells manufactured in advance according to a conventional method are placed on the step 12 of the support substrate 10 and adhered by the adhesive layer 8, and the interconnector 6 and the current collector 7 are connected. Manufactured by forming by printing or the like.

図5〜7では単セルが2つの例を示したが、必要に応じて個数を増やすことができる。図8は、4つの単セルを直列接続した例を示している。   5 to 7 show examples of two single cells, the number can be increased as necessary. FIG. 8 shows an example in which four single cells are connected in series.

図9は、本発明に係る燃料電池の第3実施形態を示している。図9に示す燃料電池は、支持基板10に混合ガスが燃料極3又は空気極4と接触させるための通孔11が形成されており、段部が形成されていない点が上記第2実施形態と相違している。単セル5,5の電解質2の周縁部が支持基板10と接着剤層8を介して接着されている。燃料極3及び空気極4は、通孔11内に収まるような寸法に形成されている。すなわち、支持基板10に形成されている通孔11は、空気極3及び燃料極4の電解質上の占有面積と同等の開口面積を有している。   FIG. 9 shows a third embodiment of the fuel cell according to the present invention. In the fuel cell shown in FIG. 9, the support substrate 10 is formed with a through hole 11 for contacting the mixed gas with the fuel electrode 3 or the air electrode 4, and the step portion is not formed. Is different. The peripheral portion of the electrolyte 2 of the single cells 5 and 5 is bonded to the support substrate 10 via the adhesive layer 8. The fuel electrode 3 and the air electrode 4 are formed so as to fit within the through hole 11. That is, the through hole 11 formed in the support substrate 10 has an opening area equivalent to the occupied area on the electrolyte of the air electrode 3 and the fuel electrode 4.

固体電解質の導電率は、りん酸型燃料電池や溶融炭酸塩型燃料電池の電解質の導電率に比較して約1桁低い値となることが知られている。一般に、電解質部分の電気抵抗は発電損失となることから、発電出力密度を向上させるためには、固体電解質を薄膜化して膜抵抗を極力低減させることが重要となる。   It is known that the conductivity of a solid electrolyte is about an order of magnitude lower than the conductivity of electrolytes of phosphoric acid fuel cells and molten carbonate fuel cells. In general, since the electric resistance of the electrolyte portion is a power generation loss, in order to improve the power generation output density, it is important to reduce the film resistance as much as possible by reducing the thickness of the solid electrolyte.

上記第1〜3実施形態では、支持基板10は、電解質の両端を支持する形態を示したが、それに限られることはなく、電解質をより薄くした方がさらに好ましいとの観点から、後述する第4、第5実施形態に示す形態とすることができる。   In the first to third embodiments, the support substrate 10 has shown a form for supporting both ends of the electrolyte. However, the support substrate 10 is not limited to this, and from the standpoint that it is more preferable to make the electrolyte thinner, the following description will be given. 4. It can be set as the form shown in the fifth embodiment.

図10は、本発明に係る燃料電池の第4実施形態を示している。図10に示す燃料電池1は、多孔質支持基板10に2つの単セル5,5が搭載され、単セル5,5は、接着剤層8によって支持基板10に接着されることにより、支持基板10を介して連結されている。単セル5,5は、電解質2の周辺部が接着剤層8を介して支持基板10に接着されている。   FIG. 10 shows a fourth embodiment of the fuel cell according to the present invention. In the fuel cell 1 shown in FIG. 10, two single cells 5, 5 are mounted on a porous support substrate 10, and the single cells 5, 5 are bonded to the support substrate 10 by an adhesive layer 8, thereby supporting the support substrate 10. 10 are connected. In the single cells 5 and 5, the periphery of the electrolyte 2 is bonded to the support substrate 10 via the adhesive layer 8.

多孔質支持基板10は、気孔率が20〜50%程度、望ましくは30〜40%程度である。混合ガスは、多孔質支持基板10の連続通孔を通り、燃料極3又は空気極4と接触することができる。支持基板10を多孔質とし、単セルの支持面を拡大することにより、単セルを薄くすることが可能となる。なお、図示しないが、多孔質支持基板に凹部を形成し、該凹部に単セルを収容する構成としても良い。   The porous support substrate 10 has a porosity of about 20 to 50%, desirably about 30 to 40%. The mixed gas can pass through the continuous through holes of the porous support substrate 10 and come into contact with the fuel electrode 3 or the air electrode 4. By making the support substrate 10 porous and enlarging the support surface of the single cell, the single cell can be made thin. Although not shown, a recess may be formed in the porous support substrate, and a single cell may be accommodated in the recess.

図11は、本発明に係る燃料電池の第5実施形態を示している。支持基板10に複数の通孔11が穿孔されている。通孔11は、少なくとも燃料極3及び空気極4が面する領域に形成されている。当該領域における支持基板10の通孔11による気孔率は、上記第4実施形態と同様の気孔率とすることができる。第5実施形態では、支持基板10は、複数の通孔11…が形成されている領域において通孔11が形成されていない部分が、単セル5,5の支持面として作用するため、電解質2の薄型化が可能となる。   FIG. 11 shows a fifth embodiment of the fuel cell according to the present invention. A plurality of through holes 11 are formed in the support substrate 10. The through hole 11 is formed at least in a region where the fuel electrode 3 and the air electrode 4 face. The porosity by the through holes 11 of the support substrate 10 in the region can be the same as that of the fourth embodiment. In the fifth embodiment, in the support substrate 10, the portion where the through holes 11 are not formed in the region where the plurality of through holes 11 are formed functions as a support surface of the single cells 5, 5. Can be made thinner.

上記のようにガス透過が可能な支持基板上に燃料極、電解質、空気極の順で積層させているセルが配置され、少なくとも該セルが複数に分割された状態に配置され、支持基板が電極を兼ねることなく別体となすことで、電極層や電解質層との熱膨張係数差を考慮した材料の最適化を図ることができ、耐熱性、耐熱衝撃性を向上させることができる。   As described above, a cell in which a fuel electrode, an electrolyte, and an air electrode are stacked in this order is disposed on a support substrate capable of gas permeation, and at least the cell is divided into a plurality of cells, and the support substrate is an electrode. By making it a separate body without serving as both, it is possible to optimize the material in consideration of the difference in thermal expansion coefficient from the electrode layer and the electrolyte layer, and to improve heat resistance and thermal shock resistance.

次に、上記第1、第2実施形態のように構成された燃料電池の材質について説明する。電解質2の材料としては、固体酸化物形燃料電池の電解質として公知のものを使用することができ、例えば、サマリウムやガドリニウム等をドープしたセリア系酸化物、ストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・ガレード系酸化物、スカンジウムやイットリウムを含むジルコニア系酸化物などの酸素イオン伝導性セラミックス材料を用いることができる。   Next, the material of the fuel cell configured as in the first and second embodiments will be described. As the material of the electrolyte 2, those known as electrolytes for solid oxide fuel cells can be used. For example, ceria oxide doped with samarium or gadolinium, lanthanum galade doped with strontium or magnesium, etc. Oxygen ion conductive ceramic materials such as oxides, zirconia-based oxides containing scandium and yttrium can be used.

燃料極3及び空気極4は、セラミックス粉末材料により形成することができる。このとき用いられる粉末の平均粒径は、好ましくは10nm〜100μmであり、さらに好ましくは50nm〜50μmであり、特に好ましくは100nm〜10μmである。なお、平均粒径は、例えば、JISZ8901にしたがって計測することができる。   The fuel electrode 3 and the air electrode 4 can be formed of a ceramic powder material. The average particle size of the powder used at this time is preferably 10 nm to 100 μm, more preferably 50 nm to 50 μm, and particularly preferably 100 nm to 10 μm. In addition, an average particle diameter can be measured according to JISZ8901, for example.

燃料極3は、例えば、金属触媒と酸化物イオン導電体からなるセラミックス粉末材料との混合物を用いることができる。このとき用いられる金属触媒としては、ニッケル、鉄、コバルトや、貴金属(白金、ルテニウム、パラジウム等)等の還元性雰囲気中で安定で、水素酸化活性を有する材料を用いることができる。また、酸化物イオン導電体としては、蛍石型構造又はペロブスカイト型構造を有するものを好ましく用いることができる。蛍石型構造を有するものとしては、例えばサマリウムやガドリニウム等をドープしたセリア系酸化物、スカンジウムやイットリウムを含むジルコニア系酸化物などを挙げることができる。また、ペロブスカイト型構造を有するものとしてはストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・ガレード系酸化物を挙げることができる。上記材料の中では、酸化物イオン導電体とニッケルとの混合物で、燃料極3を形成することが好ましい。なお、酸化物イオン導電体からなるセラミックス材料とニッケルとの混合形態は、物理的な混合形態であってもよいし、ニッケルへの粉末修飾などの形態であってもよい。また、上述したセラミックス材料は、1種類を単独で、或いは2種類以上を混合して使用することができる。また、燃料極3は、金属触媒を単体で用いて構成することもできる。   As the fuel electrode 3, for example, a mixture of a metal catalyst and a ceramic powder material made of an oxide ion conductor can be used. As the metal catalyst used at this time, a material that is stable in a reducing atmosphere, such as nickel, iron, cobalt, or a noble metal (platinum, ruthenium, palladium, etc.) and has hydrogen oxidation activity can be used. In addition, as the oxide ion conductor, one having a fluorite structure or a perovskite structure can be preferably used. Examples of those having a fluorite structure include ceria-based oxides doped with samarium, gadolinium, and the like, and zirconia-based oxides containing scandium and yttrium. In addition, examples of those having a perovskite structure include lanthanum galide oxides doped with strontium and magnesium. Among the above materials, it is preferable to form the fuel electrode 3 with a mixture of an oxide ion conductor and nickel. The mixed form of the ceramic material made of the oxide ion conductor and nickel may be a physical mixed form or a form of powder modification to nickel. Moreover, the ceramic material mentioned above can be used individually by 1 type or in mixture of 2 or more types. Moreover, the fuel electrode 3 can also be comprised using a metal catalyst alone.

空気極4を形成するセラミックス粉末材料としては、例えば、ペロブスカイト型構造等を有するCo,Fe,Ni,Cr又はMn等からなる金属酸化物を用いることができる。具体的には(Sm,Sr)CoO,(La,Sr)MnO,(La,Sr)CoO,(La,Sr)(Fe,Co)O,(La,Sr)(Fe,Co,Ni)Oなどをの酸化物が挙げられ、好ましくは、(La,Sr)MnOである。上述したセラミックス材料は、1種を単独で、或いは2種以上を混合して使用することができる。 As the ceramic powder material forming the air electrode 4, for example, a metal oxide made of Co, Fe, Ni, Cr, Mn or the like having a perovskite structure or the like can be used. Specifically, (Sm, Sr) CoO 3 , (La, Sr) MnO 3 , (La, Sr) CoO 3 , (La, Sr) (Fe, Co) O 3 , (La, Sr) (Fe, Co , Ni) O 3 and the like, and (La, Sr) MnO 3 is preferable. The ceramic material mentioned above can be used individually by 1 type or in mixture of 2 or more types.

また、インターコネクタ6及び集電部7は、Pt,Au,Ag,Ni,Cu,SUS等の導電性金属、或いは金属系材料,又はLa(Cr,Mg)O,(La,Ca)CrO,(La,Sr)CrOなどのランタン・クロマイト系等の導電性セラミックス材料によって形成することができ、これらのうちの1種を単独で使用してもよいし、2種以上を混合して使用してもよい。 The interconnector 6 and the current collector 7 are made of conductive metal such as Pt, Au, Ag, Ni, Cu, and SUS, or a metal-based material, or La (Cr, Mg) O 3 , (La, Ca) CrO. 3 , (La, Sr) CrO 3 and other conductive ceramic materials such as lanthanum and chromite. One of these may be used alone, or two or more may be mixed. May be used.

上記燃料極3、及び空気極4は、上述した材料を主成分として、さらにバインダー樹脂、有機溶媒などが適量加えられることにより形成される。より詳細には、上記主成分とバインダー樹脂との混合において、上記主成分が50〜95重量%となるように、バインダー樹脂等を加えることが好ましい。また、インターコネクタ6及び集電部7も、上述した材料に上記添加物を加えることにより形成される。なお、集電部7は導電性金属、或いは金属系材料からなるワイヤーやメッシュ状のもの等から形成されていてもよい。   The fuel electrode 3 and the air electrode 4 are formed by adding appropriate amounts of a binder resin, an organic solvent, and the like with the above-described materials as main components. More specifically, it is preferable to add a binder resin or the like so that the main component is 50 to 95% by weight in the mixing of the main component and the binder resin. Further, the interconnector 6 and the current collector 7 are also formed by adding the above additives to the above-described materials. The current collector 7 may be formed of a conductive metal, a wire made of a metal-based material, a mesh-like material, or the like.

支持基板10の材質としては、石英ガラスやバイコールガラスなど一般的な耐熱性ガラスやアルミナ、シリコン窒化物、シリコン炭化物などのセラミックス板を使用することができる。また、支持基板10は、燃料極、空気極と接することなく電解質及び接着剤層とのみ接する場合は、燃料電池動作温度域で電池伝導性を示すシリコンウエハやニッケルや鉄を主成分とする金属やSUSなどの金属板なども使用でき、集電効果も付与することが出来る。   As a material of the support substrate 10, a general heat-resistant glass such as quartz glass or Vycor glass, or a ceramic plate such as alumina, silicon nitride, or silicon carbide can be used. In addition, when the support substrate 10 is in contact with only the electrolyte and the adhesive layer without being in contact with the fuel electrode and the air electrode, a silicon wafer or a metal having nickel or iron as a main component that exhibits cell conductivity in the fuel cell operating temperature range. Also, a metal plate such as SUS can be used, and a current collecting effect can also be imparted.

実施例1
単セルの作製方法
図1に示す構造を有する固体酸化物形燃料電池を作製した。電解質材料として、GDC(Ce0.9Gd0.11.9)粉末(平均粒径0.5μm)を使用した。先ず、電解質粉末を耐圧容器に入れ、一軸プレス機にて1t/cm2の圧力で成形後、それを真空パックで包装し、静水圧プレス機にて2t/cm2の圧力で再度成形した。その後、焼結(1450℃、10時間)を行い、電解質板を作製した。寸法と厚みは、セラミックスカッターにて0.9mm□×0.4mm厚となるように成形した。
Example 1
Single Cell Fabrication Method A solid oxide fuel cell having the structure shown in FIG. 1 was fabricated. As an electrolyte material, GDC (Ce 0.9 Gd 0.1 O 1.9 ) powder (average particle size 0.5 μm) was used. First, the electrolyte powder was placed in a pressure vessel, molded with a uniaxial press at a pressure of 1 t / cm 2 , packaged in a vacuum pack, and molded again with a hydrostatic pressure press at a pressure of 2 t / cm 2 . Then, sintering (1450 degreeC, 10 hours) was performed, and the electrolyte plate was produced. The dimensions and thickness were formed to be 0.9 mm □ × 0.4 mm with a ceramic cutter.

燃料極材料には、酸化ニッケル(NiO)粉末(平均粒径0.5μm)、SDC(Ce0.8Sm0.21.9)粉末(平均粒径1μm)を使用した。 Nickel oxide (NiO) powder (average particle size 0.5 μm) and SDC (Ce 0.8 Sm 0.2 O 1.9 ) powder (average particle size 1 μm) were used as the fuel electrode material.

また、空気極材料には、Sm0.5Sr0.5CoO3(平均粒径3μm)を使用した。 Sm 0.5 Sr 0.5 CoO 3 (average particle size 3 μm) was used as the air electrode material.

上記燃料極及び空気極粉末のペーストの作製を行った。   The fuel electrode and air electrode powder pastes were prepared.

燃料極のペーストとしては、NiOとSDCの粉末を重量比7:3となるように混合し、バインダーとして、エチルセルロース、溶剤としてエチルカルピトールを使用し、これらをボールミルで混合、分散することで、ペーストの粘度を5×105 mPa・sとした。 As the fuel electrode paste, NiO and SDC powder are mixed so that the weight ratio is 7: 3, ethyl cellulose is used as a binder, ethyl carbitol is used as a solvent, and these are mixed and dispersed by a ball mill. The viscosity of the paste was 5 × 10 5 mPa · s.

空気極のペーストとしては、Sm0.5Sr0.5CoO3粉末とバインダーとして、エチルセルロース、溶剤としてエチルカルピトールを混合し、これらをボールミルで混合、分散することで、ペーストの粘度を5×105 mPa・sとした。 As an air electrode paste, Sm 0.5 Sr 0.5 CoO 3 powder, ethyl cellulose as a binder, and ethyl carbitol as a solvent are mixed, and these are mixed and dispersed by a ball mill, so that the viscosity of the paste is 5 × 10 5 mPa · s.

次に上記電解質基板0.9mm□に燃料極のペーストを、電解質基板の中央部に0.7mm□になるように、スクリーン印刷法を用い印刷した。印刷後は、オーブンにて130℃、15分間、乾燥後に塗布厚み50μmとなるように調整した。その後、1450℃で1時間の焼成を行った。   Next, the fuel electrode paste was printed on the electrolyte substrate 0.9 mm □, and the screen was printed at 0.7 mm □ in the center of the electrolyte substrate. After printing, the coating thickness was adjusted to be 50 μm after drying in an oven at 130 ° C. for 15 minutes. Thereafter, baking was performed at 1450 ° C. for 1 hour.

続いて、上記電解質基板0.9mm□の燃料極層を形成した反対面に、上記燃料極と同様に、電解質基板の中央部に0.7mm□になるように、スクリーン印刷法を用い印刷した。印刷後は、オーブンにて130℃、15分間、乾燥後に塗布厚み50μmとなるように調整した。その後、1200℃で1時間の焼成を行った。   Subsequently, similarly to the fuel electrode, printing was performed on the opposite surface on which the electrolyte electrode layer of 0.9 mm □ was formed using a screen printing method so that the central portion of the electrolyte substrate was 0.7 mm □. After printing, the coating thickness was adjusted to be 50 μm after drying in an oven at 130 ° C. for 15 minutes. Thereafter, baking was performed at 1200 ° C. for 1 hour.

上記工程にて、燃料極/電解質基板/空気極からなる固体酸化物形燃料電池単セルを作製した。   A solid oxide fuel cell single cell composed of a fuel electrode / electrolyte substrate / air electrode was produced by the above-described process.

2セルの作製方法
上記単セルを2枚用意した。2枚の平板セルの壁面にアルミナ系接着剤(東亜合成株式会社製アロンセラミックスD)を刷毛で塗布し、室温で16時間放置後、90℃で1時間加熱した後、150℃で1時間加熱し、(東亞合成の取説から)2枚の単セルを連結した。
Two-cell production method Two single cells were prepared. Alumina-based adhesive (Aron Ceramics D manufactured by Toa Gosei Co., Ltd.) is applied to the walls of the two flat cells with a brush, left at room temperature for 16 hours, heated at 90 ° C for 1 hour, and then heated at 150 ° C for 1 hour. Then, two single cells were connected (from the Toagosei manual).

一方で、インターコネクタ用の材料としてAu粉末(平均粒径2.5μm)を使用した。これを、上記燃料極や空気極のペーストと同様の方法でペースト化した。   On the other hand, Au powder (average particle size 2.5 μm) was used as a material for the interconnector. This was made into a paste by the same method as the paste for the fuel electrode and the air electrode.

このインターコネクタ用ペーストを、図1〜3に示すように一方のセルの燃料極ともう一方のセルの空気極を連結するようにスクリーン印刷を用い、印刷した。印刷後は、オーブンにて130℃、15分間、乾燥後に塗布厚み10μmとなるように調整した。その後、1000℃1時間の焼成を行った。   The interconnector paste was printed using screen printing so as to connect the fuel electrode of one cell and the air electrode of the other cell as shown in FIGS. After printing, the coating thickness was adjusted to 10 μm after drying in an oven at 130 ° C. for 15 minutes. Thereafter, firing was performed at 1000 ° C. for 1 hour.

また、インターコネクタを印刷していない側の電極にも、電流取り出し口として、インターコネクタ用ペーストを上記と同様の方法で形成させた。   Further, an interconnector paste was formed on the electrode on the side where the interconnector was not printed as a current outlet by the same method as described above.

以上の工程により、図1〜3に示すような、2つの単セルが直列に連結した構造の固体酸化物形燃料電池が作製された。   Through the above steps, a solid oxide fuel cell having a structure in which two single cells are connected in series as shown in FIGS.

実施例2
単セルは、上記実施例1と同様にして製作する。
Example 2
The single cell is manufactured in the same manner as in the first embodiment.

アルミナ板(厚み0.8mm)を加工して、図5〜7に示すような支持基板を作製した。アルミナ基板への加工にはブラスト加工法を用いた。研削材(ジルコニア粉体)を準備し、マスクを用い、アルミナの加工表面のみに研削材を噴出することで形成した。   An alumina plate (thickness 0.8 mm) was processed to produce a support substrate as shown in FIGS. A blasting method was used for processing the alumina substrate. An abrasive (zirconia powder) was prepared, and a mask was used to form the abrasive by jetting the abrasive only on the processed surface of alumina.

次に、アルミナ板の段部(L字部分)に接着剤を刷毛で塗布後、単セルを置き、基板と単セルを接着した。   Next, an adhesive was applied to the step portion (L-shaped portion) of the alumina plate with a brush, and then a single cell was placed to bond the substrate and the single cell.

続いて上記のように、インターコネクタを形成し、図5〜7に示すような、2つの単セルが直列に連結した構造の固体酸化物形燃料電池を作製した。   Subsequently, an interconnector was formed as described above, and a solid oxide fuel cell having a structure in which two single cells were connected in series as shown in FIGS.

本発明に係る単室型固体酸化物形燃料電池の第1実施形態の表側を示す平面図である。It is a top view which shows the front side of 1st Embodiment of the single chamber type solid oxide fuel cell which concerns on this invention. 図1の燃料電池の裏側を示す平面図である。It is a top view which shows the back side of the fuel cell of FIG. 図1のIII−III線縦断面図である。It is the III-III line longitudinal cross-sectional view of FIG. 図1の燃料電池の変更態様を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the change aspect of the fuel cell of FIG. 本発明に係る単室型固体酸化物形燃料電池の第2実施形態の表側を示す平面図である。It is a top view which shows the front side of 2nd Embodiment of the single chamber type solid oxide fuel cell which concerns on this invention. 図5の燃料電池の裏側を示す平面図である。It is a top view which shows the back side of the fuel cell of FIG. 図5のVII−VII線断面図である。It is the VII-VII sectional view taken on the line of FIG. 図5の燃料電池の変更態様を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the change aspect of the fuel cell of FIG. 本発明に係る燃料電池の第3実施形態を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows 3rd Embodiment of the fuel cell which concerns on this invention. 本発明に係る燃料電池の第4実施形態を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows 4th Embodiment of the fuel cell which concerns on this invention. 本発明に係る燃料電池の第5実施形態を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows 5th Embodiment of the fuel cell which concerns on this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 単室型固体酸化物形燃料電池
2 電解質
3 燃料極
4 空気極
5 単セル
6 インターコネクタ
7 集電部
8 接着剤層
10 支持基板
11 通孔
12 段部
13 隔壁部


DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Single-chamber solid oxide fuel cell 2 Electrolyte 3 Fuel electrode 4 Air electrode 5 Single cell 6 Interconnector 7 Current collecting part 8 Adhesive layer 10 Support substrate 11 Through-hole 12 Step part 13 Partition part


Claims (9)

薄板状の電解質、該電解質表側に形成された燃料極、及び前記電解質裏側に形成された空気極を備える単セルの複数個が、直列接続された単室型固体酸化物形燃料電池であって、
隣り合う前記単セル同士が表裏反対向きに面方向に並べて配置され、それら隣り合う単セルが接着剤層の介在下に連結され、隣り合う単セルが直列接続されるように該隣り合う一方の単セルの空気極と他方の単セルの燃料極とがインターコネクタによって接続されていることを特徴とする単室型固体酸化物形燃料電池。
A single-chamber solid oxide fuel cell in which a plurality of unit cells each including a thin plate-shaped electrolyte, a fuel electrode formed on the front surface of the electrolyte, and an air electrode formed on the back side of the electrolyte are connected in series. ,
The adjacent single cells are arranged side by side in the surface direction opposite to each other, the adjacent single cells are connected under the adhesive layer, and the adjacent one cells are connected in series so that the adjacent single cells are connected in series. A single-chamber solid oxide fuel cell, wherein an air electrode of a single cell and a fuel electrode of the other single cell are connected by an interconnector.
前記隣り合う単セルは、各々の電解質同士が接着剤層によって連結されていることを特徴とする請求項1記載の単室型固体酸化物形燃料電池。 2. The single-chamber solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the electrolytes of the adjacent unit cells are connected to each other by an adhesive layer. 前記隣り合う単セルが支持基板によって支持され、該支持基板は、混合ガス透過性を有する多孔質体であり、前記単セルが前記接着剤層によって前記支持基板に接着されていることを特徴とする請求項1記載の単室型固体酸化物形燃料電池。 The adjacent single cells are supported by a support substrate, the support substrate is a porous body having mixed gas permeability, and the single cells are bonded to the support substrate by the adhesive layer. The single-chamber solid oxide fuel cell according to claim 1. 前記複数の単セルが、前記多孔質体の支持基板に形成された複数の凹部に収容されていることを特徴とする請求項3記載の単室型固体酸化物形燃料電池。 4. The single-chamber solid oxide fuel cell according to claim 3, wherein the plurality of single cells are accommodated in a plurality of recesses formed in a support substrate of the porous body. 前記隣り合う単セルが支持基板によって支持され、該支持基板は、前記燃料極又は空気極と混合ガスとを接触させるための通孔が形成されており、前記単セルが前記接着剤層によって前記支持基板に接着されていることを特徴とする請求項1記載の単室型固体酸化物形燃料電池。 The adjacent single cells are supported by a support substrate, and the support substrate is formed with through holes for bringing the fuel electrode or air electrode into contact with the mixed gas, and the single cells are formed by the adhesive layer. The single-chamber solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the single-chamber solid oxide fuel cell is bonded to a support substrate. 前記支持基板は、前記複数の単セルを受け入れるための複数の通孔を有し、該通孔の内壁面に段部が形成されており、該段部によって前記単セルの周縁部が支持され、前記周縁部が前記接着剤層によって前記段部に接着されていることを特徴とする請求項5記載の単室型固体酸化物形燃料電池。 The support substrate has a plurality of through holes for receiving the plurality of single cells, and a step portion is formed on an inner wall surface of the through hole, and a peripheral portion of the single cell is supported by the step portions. 6. The single-chamber solid oxide fuel cell according to claim 5, wherein the peripheral edge portion is bonded to the step portion by the adhesive layer. 前記段部によって支持される前記単セルの周縁部が電解質であることを特徴とする請求項6に記載の単室型固体酸化物形燃料電池。 The single-chamber solid oxide fuel cell according to claim 6, wherein a peripheral portion of the single cell supported by the step portion is an electrolyte. 前記段部の深さ寸法は、前記電解質の厚み寸法と同等とされていることを特徴とする請求項6に記載の単室型固体酸化物形燃料電池。 The single chamber type solid oxide fuel cell according to claim 6, wherein a depth dimension of the stepped portion is equal to a thickness dimension of the electrolyte. 前記支持基板は、隣り合う単セルを互いに離隔するための隔壁部が形成されていることを特徴とする請求項4又は6に記載の単室型固体酸化物形燃料電池。


The single-chamber solid oxide fuel cell according to claim 4 or 6, wherein the support substrate is formed with partition walls for separating adjacent single cells from each other.


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