JP2006277969A - Solid oxide fuel cell - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent the covering of a fuel electrode caused by carbon deposition or drop in activity in a solid oxide fuel cell for generating electric power by reforming mixed gas containing organic material fuel and water vapor. <P>SOLUTION: The solid oxide fuel cell generates electric power by reforming mixed gas E containing hydrocarbon fuel and water vapor. The cell is equipped with a power generation element 2 comprising a fuel electrode 5, an air electrode 4, and a solid electrolyte membrane 3, and a porous partition 10 forming reformed gas by reforming the mixed gas E. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体電解質型燃料電池(SOFC)セルに関するものである。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell (SOFC) cell.

固体電解質型燃料電池は、いわゆる平板型と円筒型とに大別される。平板型の固体電解質型燃料電池においては、いわゆるセパレータと発電層とを交互に積層することにより、発電用のスタックを構成する。即ち、固体電解質膜に燃料極と空気極とをそれぞれ形成して発電層を作製し、またインターコネクタを作製し、この発電層とインターコネクタとの間に、セラミックス粉末と有機バインダとを含有する薄膜を挟み、これを熱処理することにより、発電層とインターコネクタとを接合する。   Solid oxide fuel cells are roughly classified into so-called flat plate types and cylindrical types. In a flat type solid oxide fuel cell, a stack for power generation is configured by alternately stacking so-called separators and power generation layers. That is, a fuel electrode and an air electrode are respectively formed on a solid electrolyte membrane to produce a power generation layer, and an interconnector is prepared, and ceramic powder and an organic binder are contained between the power generation layer and the interconnector. The power generation layer and the interconnector are joined by sandwiching the thin film and heat-treating the thin film.

固体電解質型燃料電池においては、いわゆる内部改質型のものが知られている(特許文献1)。内部改質型SOFCにおいては、炭化水素燃料と水蒸気との混合ガスを燃料極近傍に流し、燃料極に使用されている触媒によってその場で改質して水素および一酸化炭素(CO)を発生させる。即ち、燃料極の構成材料としてNi−YSZを使用すると、燃料ガス中の炭化水素(例えばメタン)がNiの触媒作用により水蒸気改質され、水素とCOになり、電気化学反応に寄与する。この水素を固体電解質膜の両面に電極を設けたセルの燃料極側に供給することによって発電を行う。このようなセルを使用すれば、改質器をセルの外部に設ける必要がないので、発電装置全体を著しく簡素化することができる。
「固体酸化物燃料電池と地球環境」田川博章、アグネ承風社(1998)p65
A so-called internal reforming type is known as a solid oxide fuel cell (Patent Document 1). In the internal reforming SOFC, a mixed gas of hydrocarbon fuel and water vapor flows in the vicinity of the fuel electrode, and reformed in situ by the catalyst used in the fuel electrode to generate hydrogen and carbon monoxide (CO). Let That is, when Ni-YSZ is used as the constituent material of the fuel electrode, hydrocarbons (for example, methane) in the fuel gas are steam reformed by the catalytic action of Ni to become hydrogen and CO, contributing to the electrochemical reaction. Electricity is generated by supplying this hydrogen to the fuel electrode side of a cell provided with electrodes on both sides of the solid electrolyte membrane. If such a cell is used, it is not necessary to provide a reformer outside the cell, so that the entire power generation apparatus can be remarkably simplified.
"Solid Oxide Fuel Cell and Global Environment" Hiroaki Tagawa, Agne Jofusha (1998) p65

しかし、混合ガス中の水蒸気量が不足すると、炭素が容易に析出する。炭素が析出すると、燃料極のうち電極反応に寄与する活性部分を覆い、電気化学反応を阻害する。また、ニッケルと炭素との反応によって炭化ニッケル(Ni3C)が生成する場合がある。これによって、電極材料としての活性が消失し、また、炭化ニッケルの生成によりNi部分の体積膨張が起こり、アノード内部に大きなひずみが生ずるおそれもある。 However, when the amount of water vapor in the mixed gas is insufficient, carbon is easily deposited. When carbon is deposited, the active part contributing to the electrode reaction in the fuel electrode is covered and the electrochemical reaction is inhibited. Further, nickel carbide (Ni 3 C) may be generated by the reaction between nickel and carbon. As a result, the activity as the electrode material disappears, and the Ni portion undergoes volume expansion due to the formation of nickel carbide, which may cause a large strain inside the anode.

本発明の課題は、有機物燃料と水蒸気とを含む混合ガスを改質して発電を行うための固体電解質型燃料電池セルにおいて、炭素析出による燃料極の被覆や活性低下を防止できるようにすることである。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to prevent a fuel electrode from being covered or reduced in activity due to carbon deposition in a solid oxide fuel cell for reforming a mixed gas containing organic fuel and water vapor to generate electric power. It is.

本発明は、有機物燃料と水蒸気とを含む混合ガスを改質して発電を行うための固体電解質型燃料電池セルであって、燃料極、空気極および固体電解質膜を備えている発電素子、および混合ガスを改質して改質ガスを生成させる機能を有する多孔質隔壁を備えていることを特徴とする。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell for reforming a mixed gas containing an organic fuel and water vapor to generate electric power, and includes a fuel electrode, an air electrode, and a solid electrolyte membrane, and a power generating element, A porous partition wall having a function of generating a reformed gas by reforming the mixed gas is provided.

本発明によれば、有機物燃料と水蒸気とを含む混合ガスを多孔質隔壁に透過させ、かつ改質反応を生じさせる。このようにして得られた改質反応後の改質ガスを燃料極近傍へと供給し、発電を行う。従って、多孔質隔壁において充分に改質反応を進行させることができ、これによって水蒸気を過度に供給する必要なしに水素を効率よく発生させることができる。また、炭素析出が起こった場合には、多孔質隔壁が炭素に対するフィルターとして機能するので、発電素子の燃料極に炭素が直接接触するのを防止することができ、炭素析出による燃料極の被覆や触媒活性低下を防止することができ、燃料極の経時劣化を抑制することができる。   According to the present invention, a mixed gas containing an organic fuel and water vapor is permeated through a porous partition wall, and a reforming reaction is caused. The reformed gas obtained after the reforming reaction is supplied to the vicinity of the fuel electrode to generate power. Therefore, the reforming reaction can sufficiently proceed in the porous partition wall, and thereby hydrogen can be efficiently generated without the necessity of excessively supplying water vapor. Further, when carbon deposition occurs, the porous partition functions as a filter for carbon, so that it is possible to prevent carbon from coming into direct contact with the fuel electrode of the power generation element. A decrease in catalyst activity can be prevented, and deterioration of the fuel electrode over time can be suppressed.

好適な実施形態においては、混合ガスを供給する混合ガス室が形成されており、燃料極と多孔質隔壁との間に改質ガスを流す改質ガス室が形成されている。このように混合ガス室と改質ガス室とを明確に分離することによって、混合ガスの燃料極への接触を防止でき、また多孔質隔壁の全体から比較的一様に改質ガスを漏出させ、燃料極へと供給することができるので、発電効率が一層向上する。   In a preferred embodiment, a mixed gas chamber for supplying a mixed gas is formed, and a reformed gas chamber for flowing the reformed gas is formed between the fuel electrode and the porous partition wall. By clearly separating the mixed gas chamber and the reformed gas chamber in this way, contact of the mixed gas with the fuel electrode can be prevented, and the reformed gas can be leaked relatively uniformly from the entire porous partition wall. Since it can be supplied to the fuel electrode, the power generation efficiency is further improved.

好適な実施形態においては、混合ガス室の出口側を閉塞する。これによって、混合ガス室中に供給された混合ガスに対して圧力が印加されることになり、混合ガスの多孔質隔壁の透過と改質とが促進される。   In a preferred embodiment, the outlet side of the mixed gas chamber is closed. As a result, pressure is applied to the mixed gas supplied into the mixed gas chamber, and the permeation and reforming of the porous partition walls of the mixed gas are promoted.

好適な実施形態においては、改質ガス室の入り口側を閉塞する。これによって、いったん改質された後の改質ガスが入り口側から再排出されるのを防止できる。改質ガス室の出口側は、電気化学反応後の排ガスが排出されるので閉塞しない。   In a preferred embodiment, the inlet side of the reformed gas chamber is closed. As a result, the reformed gas once reformed can be prevented from being discharged again from the inlet side. The outlet side of the reformed gas chamber is not blocked because the exhaust gas after the electrochemical reaction is discharged.

また、好適な実施形態においては、燃料極および多孔質隔壁が一体化され、発電素子の支持基体を構成している。燃料極と多孔質隔壁とが別体であると、両者の保持機構などが必要となり、装置の構成が複雑になる。しかし、本実施形態によれば、燃料極と多孔質隔壁とを同種材質によって一体に形成できるので、セルの構造が単純となる。   In a preferred embodiment, the fuel electrode and the porous partition wall are integrated to form a support base for the power generation element. If the fuel electrode and the porous partition are separate, a holding mechanism for both is required, and the configuration of the apparatus becomes complicated. However, according to the present embodiment, the fuel electrode and the porous partition wall can be integrally formed of the same material, so that the cell structure is simplified.

好適な実施形態においては、支持基体中に混合ガス室を複数設ける。また、好適な実施形態においては、支持基体中に改質ガス室を複数設ける。特に好適な実施形態においては、支持基体がハニカム基体である。   In a preferred embodiment, a plurality of mixed gas chambers are provided in the support substrate. In a preferred embodiment, a plurality of reformed gas chambers are provided in the support base. In a particularly preferred embodiment, the support substrate is a honeycomb substrate.

以下、適宜図面を参照しつつ、本発明を更に詳細に説明する。
図1は、従来の内部改質型のSOFCを模式的に示す断面図である。発電素子2は、固体電解質膜3、空気極4および燃料極5からなっている。発電素子2の上側および下側にインターコネクタ1を設けることによって、酸化ガス室6および燃料ガス室7を形成する。酸化ガス室6には矢印Cのように酸化ガスが流れ、排出される。燃料ガス室7は改質室も兼ねている。即ち、炭化水素原料と水蒸気とを含む混合ガスを矢印Aのように燃料ガス室7内に供給すると、混合ガスは燃料ガス室7内で燃料極と接触し、例えばニッケルの触媒作用によって改質され、水素と一酸化炭素とを生成する。電気化学反応に寄与しなかった水素と一酸化炭素が矢印Bのように流れ、セルから排出される。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings as appropriate.
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a conventional internal reforming SOFC. The power generating element 2 includes a solid electrolyte membrane 3, an air electrode 4, and a fuel electrode 5. By providing the interconnector 1 on the upper side and the lower side of the power generation element 2, the oxidizing gas chamber 6 and the fuel gas chamber 7 are formed. The oxidizing gas flows into the oxidizing gas chamber 6 as shown by the arrow C and is discharged. The fuel gas chamber 7 also serves as a reforming chamber. That is, when a mixed gas containing a hydrocarbon raw material and water vapor is supplied into the fuel gas chamber 7 as shown by an arrow A, the mixed gas comes into contact with the fuel electrode in the fuel gas chamber 7 and is reformed by, for example, nickel catalytic action. To produce hydrogen and carbon monoxide. Hydrogen and carbon monoxide that did not contribute to the electrochemical reaction flow as shown by arrow B and are discharged from the cell.

このような構造であると、混合ガス中の水蒸気量が不足すると、炭素が燃料極上に析出する。炭素が析出すると、燃料極のうち電極反応に寄与する活性部分を覆い、電気化学反応を阻害する。また、ニッケルと炭素との反応によって炭化ニッケル (Ni3C)が生成する場合がある。 With such a structure, when the amount of water vapor in the mixed gas is insufficient, carbon is deposited on the fuel electrode. When carbon is deposited, the active part contributing to the electrode reaction in the fuel electrode is covered and the electrochemical reaction is inhibited. In addition, nickel carbide (Ni 3 C) may be generated by the reaction between nickel and carbon.

図2(a)は、本発明の一実施形態に係るセル20Aを模式的に示す断面図であり、図2(b)は、図2(a)のセル20Aの斜視図である。   2A is a cross-sectional view schematically showing a cell 20A according to one embodiment of the present invention, and FIG. 2B is a perspective view of the cell 20A in FIG. 2A.

発電素子2は、固体電解質膜3、空気極4および燃料極5からなっている。発電素子2の図面において上側にインターコネクタ1を設けることによって、酸化ガス室6を形成する。酸化ガス室6には矢印Cのように酸化ガスが流れ、排出される。発電素子2の図面において下側には多孔質隔壁10が設置されており、多孔質隔壁10の下側にはインターコネクタ1が設置されている。発電素子2と多孔質隔壁10との間に改質ガス室8が形成されており、多孔質隔壁10とインターコネクタ1との間に混合ガス室9が形成されている。   The power generating element 2 includes a solid electrolyte membrane 3, an air electrode 4, and a fuel electrode 5. The oxidizing gas chamber 6 is formed by providing the interconnector 1 on the upper side in the drawing of the power generation element 2. The oxidizing gas flows into the oxidizing gas chamber 6 as shown by the arrow C and is discharged. In the drawing of the power generation element 2, a porous partition wall 10 is installed on the lower side, and an interconnector 1 is installed on the lower side of the porous partition wall 10. A reformed gas chamber 8 is formed between the power generation element 2 and the porous partition wall 10, and a mixed gas chamber 9 is formed between the porous partition wall 10 and the interconnector 1.

混合ガス室9内に、少なくとも有機物燃料と水蒸気とを含む混合ガスを矢印Eのように供給する。この混合ガスは、混合ガス室9内を流れ、矢印Dのように多孔質隔壁10を透過する。混合ガスは、多孔質隔壁10と接触する間に、また多孔質隔壁10を透過する間に改質され、水素と一酸化炭素とを含む改質ガスとして改質ガス室8内にしみ出す。そして、発電素子2で電気化学的反応が生ずる。   A mixed gas containing at least an organic fuel and water vapor is supplied into the mixed gas chamber 9 as indicated by an arrow E. This mixed gas flows in the mixed gas chamber 9 and permeates the porous partition wall 10 as indicated by an arrow D. The mixed gas is reformed while being in contact with the porous partition wall 10 and passing through the porous partition wall 10, and oozes out into the reformed gas chamber 8 as a reformed gas containing hydrogen and carbon monoxide. Then, an electrochemical reaction occurs in the power generation element 2.

更に詳しく述べると、改質前の混合ガスEは燃料と水蒸気を含むが、多孔質隔壁10と接触するうちに改質反応が進み、ほとんどは水素と一酸化炭素とを生成する。しかし、一部は未反応のまま残る。また、時には不必要な炭素が析出してしまう。これらの生成ガス、未反応のガスは多孔質隔壁10を通過していく。この間、未反応のガスは微細な多孔構造の中へ進入して通過するうち、触媒能を持った比表面積の高い材料と接触し、改質反応が十分進行して、水素や一酸化炭素を生成する。また、不必要な炭素析出物は、多孔壁の孔サイズ以上の凝集物になっているため、多孔質表面で漉し取られ、改質ガス室8へは通過しない。従って、セルの燃料極を劣化させる原因となる炭素は、燃料極まで届くことなく、セルの性能低下を防止できる。   More specifically, the mixed gas E before reforming contains fuel and water vapor, but the reforming reaction proceeds while coming into contact with the porous partition wall 10, and most of them generate hydrogen and carbon monoxide. However, some remain unreacted. Also, sometimes unnecessary carbon is deposited. These generated gas and unreacted gas pass through the porous partition wall 10. During this time, as the unreacted gas enters and passes through the fine porous structure, it comes into contact with a material with high specific surface area that has catalytic ability, and the reforming reaction proceeds sufficiently to generate hydrogen and carbon monoxide. Generate. In addition, unnecessary carbon deposits are aggregates larger than the pore size of the porous wall, so that they are scraped off on the porous surface and do not pass through the reformed gas chamber 8. Accordingly, the carbon that causes deterioration of the fuel electrode of the cell does not reach the fuel electrode, and can prevent deterioration of the cell performance.

本発明では、改質ガス室、混合ガス室の形状や形成方法は特に限定されない。例えば、図2に示すように、発電素子2と多孔質隔壁10との間の隙間に改質ガス室8を形成し、多孔質隔壁10とインターコネクタ1との間の隙間に混合ガス室9を形成できる。あるいは、燃料極5の表面側に溝を形成し、この溝を改質ガス室とすることができる。あるいは、多孔質隔壁10の発電素子側表面に溝を形成し、この溝を改質ガス室とすることができる。また、多孔質隔壁10のインターコネクタ1側の表面に溝を形成し、この溝を混合ガス室とすることができる。あるいは、インターコネクタ1の表面に溝を形成し、この溝を混合ガス室とすることができる。
多孔質隔壁の気孔率は、通気性の点から30〜70%が好ましく、また、平均気孔径は、析出した炭素のトラップ性能の点から5~100μmが好ましい。
In the present invention, the shape and forming method of the reformed gas chamber and the mixed gas chamber are not particularly limited. For example, as shown in FIG. 2, the reformed gas chamber 8 is formed in the gap between the power generation element 2 and the porous partition wall 10, and the mixed gas chamber 9 is formed in the gap between the porous partition wall 10 and the interconnector 1. Can be formed. Alternatively, a groove can be formed on the surface side of the fuel electrode 5, and this groove can be used as a reformed gas chamber. Or a groove | channel can be formed in the electric power generation element side surface of the porous partition 10, and this groove | channel can be used as a reformed gas chamber. Further, a groove can be formed on the surface of the porous partition wall 10 on the interconnector 1 side, and this groove can be used as a mixed gas chamber. Or a groove | channel can be formed in the surface of the interconnector 1, and this groove | channel can be made into a mixed gas chamber.
The porosity of the porous partition wall is preferably 30 to 70% from the viewpoint of air permeability, and the average pore diameter is preferably 5 to 100 μm from the viewpoint of the trapping performance of precipitated carbon.

このような溝を空気極、多孔質隔壁、インターコネクタに形成する場合には、溝は研削加工で設けることもできるし、セラミックスの場合には、成形体作成時に成形体内にあらかじめ溝を形成しておくこともできる。   When such a groove is formed in an air electrode, a porous partition wall, or an interconnector, the groove can be provided by grinding. In the case of ceramics, a groove is previously formed in the molded body at the time of forming the molded body. You can also keep it.

前述したように、混合ガス室はガス供給のために入り口側で開口させ、改質ガス室は排気のために出口側で開口させる。混合ガス室と改質ガス室とは多孔質隔壁を介して連通している。これら開口部と連通する多孔質壁以外の部分は、ガスがリークしないよう気密に保持される。多孔質隔壁を容器隔壁に気密に保持する方法は、セラミックスボンドなどを封止剤として塗布して固める方法がある。あるいは、気密な板を多孔質隔壁に張り合わせる方法がある。 As described above, the mixed gas chamber is opened on the inlet side for gas supply, and the reformed gas chamber is opened on the outlet side for exhaust. The mixed gas chamber and the reformed gas chamber communicate with each other through a porous partition wall. Portions other than the porous wall communicating with these openings are kept airtight so that gas does not leak. As a method for holding the porous partition wall tightly in the container partition wall, there is a method in which ceramic bond or the like is applied and hardened as a sealant. Alternatively, there is a method in which an airtight plate is bonded to a porous partition wall.

また、好適な実施形態においては、多孔質隔壁を導電性とし、インターコネクタとセルとの中間に多孔質隔壁を設置する。発電した電気は、セルの燃料極から多孔質隔壁を通り、インターコネクタから集電される。このインターコネクタも、セルと多孔質壁の作製と同様、別体として作製したものを積層して使用できる。また、インターコネクタと多孔質隔壁や発電素子とを導電性の接合材などで接合してもよい。またさらに、一体構造物として、インターコネクタと多孔質隔壁とを一体で成形し、焼成することができる。あるいは、燃料極、多孔質隔壁およびインターコネクタを一体で成形し、焼成することもできる。   In a preferred embodiment, the porous partition wall is made conductive, and the porous partition wall is installed between the interconnector and the cell. The generated electricity passes through the porous partition from the fuel electrode of the cell and is collected from the interconnector. Similarly to the production of the cell and the porous wall, this interconnector can also be used by stacking those produced separately. Further, the interconnector, the porous partition wall, and the power generation element may be joined with a conductive joining material or the like. Furthermore, as an integrated structure, the interconnector and the porous partition can be integrally molded and fired. Alternatively, the fuel electrode, the porous partition wall, and the interconnector can be integrally molded and fired.

図3のセル20Bにおいては、発電素子2は、固体電解質膜3、空気極4および燃料極5からなっている。発電素子2の図面において上側にインターコネクタ1Aが設置されており、インターコネクタ1Aには細長い溝11Aが複数形成されている。インターコネクタ1Aを発電素子2上に設置することによって,各溝11Aが酸化ガス室6として機能する。   In the cell 20 </ b> B of FIG. 3, the power generating element 2 includes a solid electrolyte membrane 3, an air electrode 4, and a fuel electrode 5. In the drawing of the power generation element 2, an interconnector 1A is installed on the upper side, and a plurality of elongated grooves 11A are formed in the interconnector 1A. By installing the interconnector 1 </ b> A on the power generation element 2, each groove 11 </ b> A functions as the oxidizing gas chamber 6.

また、発電素子2の下側には多孔質隔壁10Aが設置されており、多孔質隔壁10Aの下側にはインターコネクタ1Bが設置されている。多孔質隔壁10Aには複数の溝10aが形成されており、各溝10aが改質ガス室8として機能する。またインターコネクタ1Bには複数の溝11Bが形成されており、各溝11Bが混合ガス室9として機能する。   A porous partition wall 10A is installed below the power generation element 2, and an interconnector 1B is installed below the porous partition wall 10A. A plurality of grooves 10 a are formed in the porous partition wall 10 A, and each groove 10 a functions as the reformed gas chamber 8. A plurality of grooves 11B are formed in the interconnector 1B, and each groove 11B functions as the mixed gas chamber 9.

混合ガス室9内に、少なくとも有機物燃料と水蒸気とを含む混合ガスを矢印Eのように供給する。この混合ガスは、各混合ガス室9内を流れ、多孔質隔壁10Aを透過する。混合ガスは、多孔質隔壁10Aと接触する間に、また多孔質隔壁10Aを透過する間に改質され、水素と一酸化炭素とを含む改質ガスとして改質ガス室8内にしみ出す。そして、発電素子2内で電気化学的反応が生ずる。この後排ガスが矢印Bのように各改質ガス室8から排出される。   A mixed gas containing at least an organic fuel and water vapor is supplied into the mixed gas chamber 9 as indicated by an arrow E. This mixed gas flows through each mixed gas chamber 9 and permeates through the porous partition wall 10A. The mixed gas is reformed while being in contact with the porous partition wall 10A and permeating through the porous partition wall 10A, and oozes out into the reformed gas chamber 8 as a reformed gas containing hydrogen and carbon monoxide. An electrochemical reaction occurs in the power generation element 2. Thereafter, the exhaust gas is discharged from each reformed gas chamber 8 as indicated by arrow B.

図4のセル20Cにおいては、発電素子2Aは、固体電解質膜3、空気極4および燃料極5Aからなっている。発電素子2Aの下に多孔質隔壁10が設置されており、多孔質隔壁10の下にインターコネクタ21が設置されており、その下には発電素子2Aが設置されている。このように、本例では、発電素子2A、多孔質隔壁10、インターコネクタ21がこの順番で積層されている。   In the cell 20C of FIG. 4, the power generating element 2A is composed of the solid electrolyte membrane 3, the air electrode 4, and the fuel electrode 5A. The porous partition 10 is installed under the power generation element 2A, the interconnector 21 is installed under the porous partition 10, and the power generation element 2A is installed under the interconnector 21. Thus, in this example, the power generating element 2A, the porous partition wall 10, and the interconnector 21 are laminated in this order.

本例では多孔質隔壁10は平板状である。燃料極5Aには複数列の溝5aが互いに平行に形成されており、各溝5aが改質ガス室8として機能する。また、インターコネクタ21の両面にはそれぞれ複数列の溝21a、21bが形成されている。多孔質隔壁10側の溝21aは混合ガス室9として機能する。また、インターコネクタ21の発電素子2A側の溝21bは酸化ガス室6として機能する。   In this example, the porous partition wall 10 has a flat plate shape. A plurality of rows of grooves 5 a are formed in the fuel electrode 5 A in parallel with each other, and each groove 5 a functions as the reformed gas chamber 8. A plurality of rows of grooves 21a and 21b are formed on both surfaces of the interconnector 21, respectively. The groove 21 a on the porous partition wall 10 side functions as the mixed gas chamber 9. Further, the groove 21 b on the power generation element 2 </ b> A side of the interconnector 21 functions as the oxidizing gas chamber 6.

各混合ガス室9内に、少なくとも有機物燃料と水蒸気とを含む混合ガスを矢印Eのように供給する。この混合ガスは、各混合ガス室9内を流れ、多孔質隔壁10を透過する。混合ガスは、多孔質隔壁10と接触する間に、また多孔質隔壁10を透過する間に改質され、水素と一酸化炭素とを含む改質ガスとして改質ガス室8内にしみ出す。そして、発電素子2内で電気化学的反応が生ずる。この後排ガスが矢印Bのように各改質ガス室8から排出される。   A mixed gas containing at least organic fuel and water vapor is supplied into each mixed gas chamber 9 as shown by an arrow E. This mixed gas flows through each mixed gas chamber 9 and permeates through the porous partition walls 10. The mixed gas is reformed while being in contact with the porous partition wall 10 and passing through the porous partition wall 10, and oozes out into the reformed gas chamber 8 as a reformed gas containing hydrogen and carbon monoxide. An electrochemical reaction occurs in the power generation element 2. Thereafter, the exhaust gas is discharged from each reformed gas chamber 8 as indicated by arrow B.

図5のセル20Dにおいては、発電素子2は平板状である。発電素子2の下に平板状の多孔質隔壁10が設置されており、多孔質隔壁10の下にインターコネクタ1Bが設置されている。発電素子2と多孔質隔壁10との隙間は改質ガス室8として機能する。インターコネクタ1Bには複数列の溝11が互いに平行に形成されており、各溝11がそれぞれ混合ガス室9として機能する。   In the cell 20D of FIG. 5, the power generating element 2 has a flat plate shape. A flat porous partition wall 10 is installed under the power generation element 2, and an interconnector 1 </ b> B is installed under the porous partition wall 10. A gap between the power generation element 2 and the porous partition wall 10 functions as the reformed gas chamber 8. A plurality of rows of grooves 11 are formed in the interconnector 1 </ b> B in parallel, and each groove 11 functions as a mixed gas chamber 9.

各混合ガス室9内に、少なくとも有機物燃料と水蒸気とを含む混合ガスを矢印Eのように供給する。この混合ガスは、各混合ガス室9内を流れ、多孔質隔壁10を矢印Dのように透過する。混合ガスは、多孔質隔壁10と接触する間に、また多孔質隔壁10を透過する間に改質され、水素と一酸化炭素とを含む改質ガスとして改質ガス室8内にしみ出す。そして、発電素子2内で電気化学的反応が生ずる。この後排ガスが矢印Bのように各改質ガス室8から排出される。   A mixed gas containing at least organic fuel and water vapor is supplied into each mixed gas chamber 9 as shown by an arrow E. This mixed gas flows through each mixed gas chamber 9 and permeates through the porous partition wall 10 as indicated by an arrow D. The mixed gas is reformed while being in contact with the porous partition wall 10 and passing through the porous partition wall 10, and oozes out into the reformed gas chamber 8 as a reformed gas containing hydrogen and carbon monoxide. An electrochemical reaction occurs in the power generation element 2. Thereafter, the exhaust gas is discharged from each reformed gas chamber 8 as indicated by arrow B.

図6、図7のセル20Eでは、燃料極とインターコネクタとが一体成形されており、一体の支持基体15を形成している。図6(a)はセル20Eを混合ガスの入り口側から見た正面図であり、図6(b)はセルの側面図であり、図6(c)はセルを改質ガス室の出口側から見た正面図である。図7はセルの斜視図である。   In the cell 20E of FIGS. 6 and 7, the fuel electrode and the interconnector are integrally formed, and an integral support base 15 is formed. 6A is a front view of the cell 20E viewed from the inlet side of the mixed gas, FIG. 6B is a side view of the cell, and FIG. 6C is the outlet side of the reformed gas chamber. It is the front view seen from. FIG. 7 is a perspective view of the cell.

本例では、支持基体15に例えば一つの改質ガス室8と一つの混合ガス室9とが形成されている。支持基体15は、発電素子16を構成する燃料極15a、その支持部15d、多孔質隔壁15bおよび多孔質隔壁15bの支持部15cからなっている。燃料極15a、支持部15d、15cは連続しており、細長い筒状の基体を形成している。そして支持基体15の中央部に多孔質隔壁15bを設けることによって、改質ガス室8と混合ガス室9とを区分している。   In this example, for example, one reformed gas chamber 8 and one mixed gas chamber 9 are formed in the support base 15. The support base 15 includes a fuel electrode 15a constituting the power generation element 16, a support portion 15d thereof, a porous partition wall 15b, and a support portion 15c of the porous partition wall 15b. The fuel electrode 15a and the support portions 15d and 15c are continuous and form an elongated cylindrical base. The reformed gas chamber 8 and the mixed gas chamber 9 are separated from each other by providing a porous partition wall 15 b at the center of the support base 15.

支持基体の燃料極部分15aを被覆するように固体電解質膜3が形成されており、固体電解質膜3上に空気極4が形成され、発電素子16を構成している。支持基体15の底面は緻密質のインターコネクタ膜30によって被覆されている。支持部15c、15dの側面は緻密質膜31によって被覆されている。混合ガス室9はガス入り口側が開口しているが、出口側は閉塞部18によって閉塞されている。また、改質ガス室8は、入り口側が閉塞部17によって閉塞されているが、出口側は開口している。   The solid electrolyte membrane 3 is formed so as to cover the fuel electrode portion 15 a of the support base, and the air electrode 4 is formed on the solid electrolyte membrane 3 to constitute the power generation element 16. The bottom surface of the support base 15 is covered with a dense interconnector film 30. The side surfaces of the support portions 15 c and 15 d are covered with a dense film 31. The mixed gas chamber 9 is open on the gas inlet side but closed on the outlet side by a closing portion 18. Further, the reformed gas chamber 8 is closed at the inlet side by the closing portion 17 but is open at the outlet side.

混合ガス室9内に、少なくとも有機物燃料と水蒸気とを含む混合ガスを矢印Eのように供給する。この混合ガスは、混合ガス室9内を流れ、多孔質隔壁15bを矢印Dのように透過する。混合ガスは、多孔質隔壁15bと接触する間に、また多孔質隔壁15bを透過する間に改質され、水素と一酸化炭素とを含む改質ガスとして改質ガス室8内にしみ出す。そして、発電素子16内で電気化学的反応が生ずる。この後、排ガスが矢印Bのように各改質ガス室8から排出される。   A mixed gas containing at least an organic fuel and water vapor is supplied into the mixed gas chamber 9 as indicated by an arrow E. This mixed gas flows through the mixed gas chamber 9 and permeates through the porous partition wall 15b as indicated by an arrow D. The mixed gas is reformed while being in contact with the porous partition wall 15b and passing through the porous partition wall 15b, and oozes out into the reformed gas chamber 8 as a reformed gas containing hydrogen and carbon monoxide. An electrochemical reaction occurs in the power generation element 16. Thereafter, the exhaust gas is discharged from each reformed gas chamber 8 as indicated by an arrow B.

図8のセル20Fでは、燃料極とインターコネクタとが一体成形されており、一体の支持基体15Aを形成している。また支持基体15A内には複数の改質ガス室8と混合ガス室9とが形成されている。図8(a)はセル20Fを混合ガス室9の入り口側から見た正面図であり、図8(b)はセルの側面図であり、図8(c)はセルを改質ガス室8の出口側から見た正面図である。   In the cell 20F of FIG. 8, the fuel electrode and the interconnector are integrally formed to form an integral support base 15A. A plurality of reformed gas chambers 8 and mixed gas chambers 9 are formed in the support base 15A. FIG. 8A is a front view of the cell 20F viewed from the inlet side of the mixed gas chamber 9, FIG. 8B is a side view of the cell, and FIG. It is the front view seen from the exit side.

支持基体15Aは、発電素子16を構成する燃料極15a、その支持部15d、多孔質隔壁15b、多孔質隔壁15bの支持部15c、および隣接する改質ガス室8の隔壁15eからなっている。燃料極15aと支持部15c、15dは連続しており、板状の支持基体を形成している。そして支持基体15Aの中央部に多孔質隔壁15bを設けることによって、改質ガス室8と混合ガス室9とを区分している。   The support base 15A includes a fuel electrode 15a constituting the power generation element 16, a support portion 15d thereof, a porous partition wall 15b, a support portion 15c of the porous partition wall 15b, and a partition wall 15e of the adjacent reformed gas chamber 8. The fuel electrode 15a and the support portions 15c and 15d are continuous to form a plate-like support base. The reformed gas chamber 8 and the mixed gas chamber 9 are separated from each other by providing the porous partition wall 15b at the center of the support base 15A.

支持基体の燃料極部分15aを被覆するように固体電解質膜3が形成されており、固体電解質膜3上に空気極4が形成され、発電素子16を構成している。支持基体15の底面は緻密質膜30によって被覆されている。支持部15c、15dの側面も緻密質膜31によって被覆されている。各混合ガス室9はガス入り口側が開口しているが、出口側は閉塞部18によって閉塞されている。また、各改質ガス室8は、入り口側が閉塞部17によって閉塞されているが、出口側は開口している。   The solid electrolyte membrane 3 is formed so as to cover the fuel electrode portion 15 a of the support base, and the air electrode 4 is formed on the solid electrolyte membrane 3 to constitute the power generation element 16. The bottom surface of the support base 15 is covered with a dense film 30. The side surfaces of the support portions 15 c and 15 d are also covered with the dense film 31. Each mixed gas chamber 9 is open on the gas inlet side, but is closed on the outlet side by a closing portion 18. In addition, each reformed gas chamber 8 is closed on the inlet side by the closing portion 17, but is open on the outlet side.

各混合ガス室9内に、少なくとも有機物燃料と水蒸気とを含む混合ガスを矢印Eのように供給する。この混合ガスは、各混合ガス室9内を流れ、多孔質隔壁15bを矢印Dのように透過する。混合ガスは、多孔質隔壁15bと接触する間に、また多孔質隔壁15bを透過する間に改質され、水素と一酸化炭素とを含む改質ガスとして改質ガス室8内にしみ出す。そして、発電素子2内で電気化学的反応が生ずる。この後、排ガスが矢印Bのように各改質ガス室8から排出される。   A mixed gas containing at least organic fuel and water vapor is supplied into each mixed gas chamber 9 as shown by an arrow E. This mixed gas flows through each mixed gas chamber 9 and permeates through the porous partition wall 15b as indicated by an arrow D. The mixed gas is reformed while being in contact with the porous partition wall 15b and passing through the porous partition wall 15b, and oozes out into the reformed gas chamber 8 as a reformed gas containing hydrogen and carbon monoxide. An electrochemical reaction occurs in the power generation element 2. Thereafter, the exhaust gas is discharged from each reformed gas chamber 8 as indicated by an arrow B.

なお、図9は本発明外の参考例に係るセルを示す。本例では、支持基体には複数の改質ガス室8が形成されており、各改質ガス室8内で混合ガスの改質と、改質ガスによる発電との両方を行っている。   FIG. 9 shows a cell according to a reference example outside the present invention. In this example, a plurality of reformed gas chambers 8 are formed on the support base, and both reforming of the mixed gas and power generation by the reformed gas are performed in each reformed gas chamber 8.

図10は、図8と同様のセル20Gを示す斜視図である。セル20Gの内部構造は図8と同様である。ただし、本例においては、各混合ガス室9の長手方向(混合ガス流Eの方向)と、各改質ガス室8の長手方向(改質ガス流Bの方向)とが互いに交差しており、特に好ましくは略直交している。   FIG. 10 is a perspective view showing a cell 20G similar to FIG. The internal structure of the cell 20G is the same as that shown in FIG. However, in this example, the longitudinal direction of each mixed gas chamber 9 (direction of the mixed gas flow E) and the longitudinal direction of each reformed gas chamber 8 (direction of the reformed gas flow B) intersect each other. Particularly preferably, they are substantially orthogonal.

図11、図12の例では、燃料極とインターコネクタとが一体成形されており、一体の円筒状支持基体25を形成している。また支持基体25A内には複数の改質ガス室8と一つの混合ガス室9とが形成されている。図11(a)はセルを混合ガス室の入り口側から見た正面図であり、図11(b)はセルの側面図であり、図11(c)はセルを改質ガス室の出口側から見た正面図である。図12はセルの斜視図である。   In the example of FIGS. 11 and 12, the fuel electrode and the interconnector are integrally formed, and an integral cylindrical support base 25 is formed. A plurality of reformed gas chambers 8 and one mixed gas chamber 9 are formed in the support base 25A. FIG. 11 (a) is a front view of the cell as viewed from the inlet side of the mixed gas chamber, FIG. 11 (b) is a side view of the cell, and FIG. 11 (c) is the outlet side of the reformed gas chamber. It is the front view seen from. FIG. 12 is a perspective view of the cell.

支持基体25は、発電素子16Bを構成する円筒状の燃料極25a、円筒状の多孔質隔壁25b、および燃料極25aと多孔質隔壁25bとを連結する放射状の複数のスポーク状連結部25cからなっている。燃料極25aと連結部25cとは連続している。混合ガス室9は多孔質隔壁25bの内側に形成されており、各改質ガス室8は、燃料極25a、多孔質隔壁25bおよび複数の連結部25cによって形成されている。   The support base 25 includes a cylindrical fuel electrode 25a that constitutes the power generation element 16B, a cylindrical porous partition wall 25b, and a plurality of radial spoke connection portions 25c that connect the fuel electrode 25a and the porous partition wall 25b. ing. The fuel electrode 25a and the connecting portion 25c are continuous. The mixed gas chamber 9 is formed inside the porous partition wall 25b, and each reformed gas chamber 8 is formed by the fuel electrode 25a, the porous partition wall 25b, and a plurality of connecting portions 25c.

支持基体の燃料極25a上に固体電解質膜3が形成されており、固体電解質膜3上に空気極4が形成され、発電素子16Bを構成している。各混合ガス室9はガス入り口側が開口しているが、出口側は閉塞部18によって閉塞されている。また、各改質ガス室8は、入り口側が閉塞部17によって閉塞されているが、出口側は開口している。   The solid electrolyte membrane 3 is formed on the fuel electrode 25a of the support base, and the air electrode 4 is formed on the solid electrolyte membrane 3 to constitute the power generation element 16B. Each mixed gas chamber 9 is open on the gas inlet side, but is closed on the outlet side by a closing portion 18. In addition, each reformed gas chamber 8 is closed on the inlet side by the closing portion 17, but is open on the outlet side.

各混合ガス室9内に、少なくとも有機物燃料と水蒸気とを含む混合ガスを矢印Eのように供給する。この混合ガスは、各混合ガス室9内を流れ、多孔質隔壁25bを矢印Dのように透過する。混合ガスは、多孔質隔壁25bと接触する間に、また多孔質隔壁25bを透過する間に改質され、水素と一酸化炭素とを含む改質ガスとして改質ガス室8内にしみ出す。そして、発電素子16B内で電気化学的反応が生ずる。この後、排ガスが矢印Bのように各改質ガス室8から排出される。   A mixed gas containing at least organic fuel and water vapor is supplied into each mixed gas chamber 9 as shown by an arrow E. The mixed gas flows in each mixed gas chamber 9 and permeates through the porous partition wall 25b as shown by an arrow D. The mixed gas is reformed while being in contact with the porous partition wall 25b and passing through the porous partition wall 25b, and oozes out into the reformed gas chamber 8 as a reformed gas containing hydrogen and carbon monoxide. An electrochemical reaction occurs in the power generation element 16B. Thereafter, the exhaust gas is discharged from each reformed gas chamber 8 as indicated by an arrow B.

固体電解質として使用することのできる材料は、イオン導電性を有するものであれば特に限定されるものではないが、以下を例示できる。
酸化ネオジム(Nd)、酸化サマリウム(Sm)、イットリア(Y)、酸化ガドリニウム(Gd)、酸化カルシウム(CaO)、酸化スカンジウム(Sc2O3)などを固溶した安定化ジルコニアおよび部分安定化安定化ジルコニア。
酸化ネオジム(Nd)、酸化サマリウム(Sm)、イットリア(Y)、酸化ガドリニウム(Gd)などを固溶したセリア(CeO)。Sr、Mg、Co、などを固溶したランタンガレート(LaGaO)。
Although the material which can be used as a solid electrolyte will not be specifically limited if it has ionic conductivity, The following can be illustrated.
Solid solution of neodymium oxide (Nd 2 O 3 ), samarium oxide (Sm 2 O 3 ), yttria (Y 2 O 3 ), gadolinium oxide (Gd 2 O 3 ), calcium oxide (CaO), scandium oxide (Sc 2 O 3 ), etc. Stabilized zirconia and partially stabilized zirconia.
Ceria (CeO 2 ) in which neodymium oxide (Nd 2 O 3 ), samarium oxide (Sm 2 O 3 ), yttria (Y 2 O 3 ), gadolinium oxide (Gd 2 O 3 ) and the like are dissolved. Lanthanum gallate (LaGaO 3 ) in which Sr, Mg, Co, etc. are dissolved.

空気極の材質は、ランタンを含有するペロブスカイト型複合酸化物であることが好ましく、ランタンマンガナイト又はランタンコバルタイトであることが更に好ましく、ランタンマンガナイトが一層好ましい。さらに好ましくは、ランタンマンガナイトとジルコニアとの混合物がよい。ランタンマンガナイトは、ストロンチウム、カルシウム、クロム、コバルト、鉄、ニッケル、アルミニウム等をドープしたものであってよい。   The material of the air electrode is preferably a perovskite complex oxide containing lanthanum, more preferably lanthanum manganite or lanthanum cobaltite, and even more preferably lanthanum manganite. More preferably, a mixture of lanthanum manganite and zirconia is preferable. Lanthanum manganite may be doped with strontium, calcium, chromium, cobalt, iron, nickel, aluminum or the like.

また、空気極材料として、パラジウム、白金、ルテニウム、白金−ジルコニアサーメット、パラジウム−ジルコニアサーメット、ルテニウム−ジルコニアサーメット、白金−酸化セリウムサーメット、パラジウム−酸化セリウムサーメット、ルテニウム−酸化セリウムサーメットなどを使うこともある。   In addition, palladium, platinum, ruthenium, platinum-zirconia cermet, palladium-zirconia cermet, ruthenium-zirconia cermet, platinum-cerium oxide cermet, palladium-cerium oxide cermet, ruthenium-cerium oxide cermet, etc. may be used as the air electrode material. is there.

燃料極の材料としては、ニッケル、パラジウム、白金、ルテニウム、およびこれらの合金があげられる。好ましくは、電解質材料の熱膨張率との適合性や耐久性の点から、これら金属粒子と固体電解質粒子との混合粉末の焼結体を使用することが特に好ましい。固体電解質粒子としては、ジルコニア、セリアを例示できる。特に好ましくは金属粒子がニッケルからなり、固体電解質粒子が安定化または部分安定化ジルコニアからなる。   Examples of the material for the fuel electrode include nickel, palladium, platinum, ruthenium, and alloys thereof. Preferably, from the viewpoint of compatibility with the thermal expansion coefficient of the electrolyte material and durability, it is particularly preferable to use a sintered body of a mixed powder of these metal particles and solid electrolyte particles. Examples of solid electrolyte particles include zirconia and ceria. Particularly preferably, the metal particles are made of nickel, and the solid electrolyte particles are made of stabilized or partially stabilized zirconia.

多孔質隔壁の材料は、メタンやプロパンなどの炭化水素系燃料を水蒸気改質できる触媒能をもった材料から構成され、かつ、気孔率は、通気性の点から30〜70%が好ましい。多孔質隔壁の材料は、燃料極材料と同様な材料で構成することができる。また、アルミナ、ジルコニア、シリカ、ムライト、コージェライトなどのセラミックス、鉄―クロム系の合金、ステンレスといった触媒能を持たない材質で多孔体を形成し、それに、触媒を担じて使用することもできる。触媒としては、ニッケル、鉄、銅、白金、パラジウム、ルテニウムなどを含む材料である。   The material of the porous partition wall is composed of a material having catalytic ability capable of steam reforming hydrocarbon fuels such as methane and propane, and the porosity is preferably 30 to 70% from the viewpoint of air permeability. The material of the porous partition wall can be composed of the same material as the fuel electrode material. It is also possible to form porous bodies with non-catalytic materials such as alumina, zirconia, silica, mullite, cordierite and other ceramics, iron-chromium alloys, and stainless steel, and use it as a catalyst. . The catalyst is a material containing nickel, iron, copper, platinum, palladium, ruthenium or the like.

インターコネクタの材料は、Fe-Cr系の合金、ステンレスのほか、インコネルなどの耐熱合金も使用できる。セラミックスでは、ランタンクロマイトおよびカルシウムやストロンチウムを添加したランタンクロマイトを上げることができる。いずれの場合も、気密であることが要求される。   The interconnector material can be Fe-Cr alloy, stainless steel, and heat-resistant alloys such as Inconel. In ceramics, lanthanum chromite and lanthanum chromite added with calcium or strontium can be raised. In either case, it is required to be airtight.

有機物燃料としてはメタン、エタン、プロパン、ブタン等の石油等に由来のアルカン燃料、ガソリン、経由、ナフサなどの石油系燃料、メタノール、エタノールなどのアルコール系燃料を例示できる。
混合ガス中における水蒸気濃度は特に限定されないが、例えばメタンを使う場合、水蒸気/メタン比(Steam/Carbon比,S/C)で2~5程度とすることができ、2〜3とすることが更に好ましい。
Examples of organic fuels include alkane fuels derived from petroleum such as methane, ethane, propane, and butane, petroleum fuels such as gasoline, via and naphtha, and alcohol fuels such as methanol and ethanol.
The water vapor concentration in the mixed gas is not particularly limited. For example, when methane is used, the water vapor / methane ratio (Steam / Carbon ratio, S / C) can be about 2 to 5, and it should be 2 to 3. Further preferred.

発電素子および多孔質隔壁の組み立て方法は特に限定されない。
(1) 例えば、発電素子を作製し、別に多孔質隔壁を作製し、発電素子と多孔質隔壁とを積層して電池を組み立てることができる。
(2) 発電素子を作製し、別に多孔質隔壁を作製し、発電素子と多孔質隔壁とを接合部材などで接合して一体化して使用する。
(3) 発電素子を作製する際に、前述のように燃料極と多孔質隔壁とを一体成形することが可能である。
The method for assembling the power generation element and the porous partition wall is not particularly limited.
(1) For example, a battery can be assembled by producing a power generation element, separately producing a porous partition, and laminating the power generation element and the porous partition.
(2) A power generation element is manufactured, and a porous partition is manufactured separately, and the power generation element and the porous partition are joined and joined together with a bonding member or the like.
(3) When producing the power generation element, the fuel electrode and the porous partition wall can be integrally formed as described above.

本発明のSOFCの製造方法は限定されない。例えば、燃料極用グリーン成形体の成形方法は限定されず、ドクターブレード法、ディップ法、押出法、金型プレス成形法など、通常のセラミック成型技術であってよい。燃料極用塗布層の形成方法は限定されず,スクリーン印刷法、ディップコート、キャスティングなど公知の膜形成方法が好ましい。   The method for producing the SOFC of the present invention is not limited. For example, the method for forming the green molded body for the fuel electrode is not limited, and may be an ordinary ceramic molding technique such as a doctor blade method, a dip method, an extrusion method, or a die press molding method. The method for forming the fuel electrode coating layer is not limited, and a known film forming method such as screen printing, dip coating, or casting is preferable.

固体電解質膜のグリーン成形体の成形方法は限定されず、ドクターブレード法、ディップ法、押出法など、通常のセラミック成形技術であってよい。ドクターブレード法で成形した場合は上記バインダーの他可塑剤としてポリエチレングリコール、ポリアルキレングリコール、ジブチルフタレート等、解膠剤としてグリセリン、オレイン酸、ソルビタントリオール等、溶媒としてトルエン、エタノール、ブタノール等を用いると好ましい。   The method for forming the green molded body of the solid electrolyte membrane is not limited, and may be a normal ceramic forming technique such as a doctor blade method, a dip method, or an extrusion method. When molded by the doctor blade method, polyethylene glycol, polyalkylene glycol, dibutyl phthalate, etc. as plasticizers other than the above binder, glycerin, oleic acid, sorbitan triol, etc. as peptizers, toluene, ethanol, butanol etc. as solvents preferable.

固体電解質膜のグリーン成形体は、固体電解質膜の主原料に、有機バインダーと水(溶媒)とを混合した混合物を成形した成形体が好ましい。この有機バインダーとしては、前述のものを使用できる。この主原料の重量を100重量部としたとき、有機バインダーの添加量は0.5〜20重量部とすることが好ましい。   The green molded body of the solid electrolyte membrane is preferably a molded body obtained by molding a mixture obtained by mixing an organic binder and water (solvent) with the main raw material of the solid electrolyte membrane. As the organic binder, those described above can be used. When the weight of the main raw material is 100 parts by weight, the amount of the organic binder added is preferably 0.5 to 20 parts by weight.

多孔質隔壁の成形方法は限定されず、ドクターブレード法、ディップ法、押出法など、通常のセラミック成形技術であってよい。ドクターブレード法で成形したの場合は上記バインダーの他可塑剤としてポリエチレングリコール、ポリアルキレングリコール、ジブチルフタレート等、解膠剤としてグリセリン、オレイン酸、ソルビタントリオール等、溶媒としてトルエン、エタノール、ブタノール等を用いると好ましい。   The method for forming the porous partition wall is not limited, and may be an ordinary ceramic forming technique such as a doctor blade method, a dip method, or an extrusion method. In the case of molding by the doctor blade method, polyethylene glycol, polyalkylene glycol, dibutyl phthalate, etc. as plasticizers other than the above binder, glycerin, oleic acid, sorbitan triol, etc. as peptizers, toluene, ethanol, butanol etc. as solvents And preferred.

また、多孔質壁は、より高いフイルター性能および改質性能を有するためには、気孔径を制御することが好ましい、たとえば、多孔質壁の混合ガス室側は、通気性の観点から粗大な気孔とし、改質ガス室側は改質性能の観点から微細な気孔とすることが好ましい。このような二層構造の壁とすると、いっそう効果的である。こうした実施形態においては、多孔質壁の混合ガス室側の気孔径は20μm〜100μmとすることが好ましく、改質ガス室側の気孔径は5μm 〜20μmとすることが好ましく、両者の差異は20μm以上とすることが好ましい。
こうした二重構造の多孔質隔壁の作製法は、たとえば、焼結後に粗大な気孔を形成するドクターブレード法によるシートと、焼結後に微細な気孔を形成するシートとを圧接して、同時焼成する方法がある。
Further, in order that the porous wall has higher filter performance and reforming performance, it is preferable to control the pore diameter. For example, the mixed gas chamber side of the porous wall has coarse pores from the viewpoint of air permeability. From the viewpoint of reforming performance, it is preferable that the reformed gas chamber side has fine pores. Such a double-layered wall is more effective. In such an embodiment, the pore diameter on the mixed gas chamber side of the porous wall is preferably 20 μm to 100 μm, the pore diameter on the reformed gas chamber side is preferably 5 μm to 20 μm, and the difference between the two is 20 μm. The above is preferable.
Such a double-structured porous partition wall is prepared by, for example, pressing a sheet by a doctor blade method, which forms coarse pores after sintering, and a sheet, which forms fine pores after sintering, and firing them simultaneously. There is a way.

また、原料に触媒となる原料をあらかじめ混合したものを成形する上記の方法以外に、多孔体を形成したのち、触媒物質のスラリーにこの多孔体を浸漬することで、触媒物質を担持する方法も可能である。   In addition to the above-described method of forming a raw material that is a catalyst mixed with a raw material in advance, there is also a method for supporting a catalytic material by forming a porous material and then immersing the porous material in a slurry of the catalytic material. Is possible.

[実施例1]
図3を参照しつつ説明したSOFCセルを作製した。
(固体電解質板3の作製)
ナイロン製容器に直径10mmのアルミナボールを入れ、3モルイットリア添加ジルコニア(3YSZ)100重量部と溶媒としてトルエン20重量部、エタノール11重量部、ブタノール2重量部を添加してミルの回転数60rpmでボールミル混合をした。その後、この混合物にポリビニルブチラール8重量部、ジブチルフタレート3重量部、トルエン26重量部とエタノール15重量部を加え、ボールミル混合をした。得られたスラリーをドクターブレード法によりポリエチレンテレフタレート製のシート(厚さ100μm)上にシート成形を行い、幅50mm厚さ400μmの3mol%イットリア添加ジルコニア(3YSZ)の緻密体のグリーン成形体(固体電解質膜の成形体)を作製した。
これを縦130mm、横130mmの正方形の平板に切断し、1400℃で1時間焼成して厚み約200μmの緻密な固体電解質板3を得た。
[Example 1]
The SOFC cell described with reference to FIG. 3 was produced.
(Preparation of solid electrolyte plate 3)
Put an alumina ball with a diameter of 10 mm in a nylon container, add 100 parts by weight of 3 mol yttria-added zirconia (3YSZ) and 20 parts by weight of toluene, 11 parts by weight of ethanol, and 2 parts by weight of butanol at a rotational speed of the mill of 60 rpm. Ball mill mixed. Thereafter, 8 parts by weight of polyvinyl butyral, 3 parts by weight of dibutyl phthalate, 26 parts by weight of toluene and 15 parts by weight of ethanol were added to this mixture, followed by ball mill mixing. The obtained slurry was formed into a sheet on a polyethylene terephthalate sheet (thickness 100 μm) by the doctor blade method, and a green compact (solid electrolyte) of 3 mol% yttria-added zirconia (3YSZ) having a width of 50 mm and a thickness of 400 μm. Membrane compacts) were prepared.
This was cut into a square flat plate having a length of 130 mm and a width of 130 mm and fired at 1400 ° C. for 1 hour to obtain a dense solid electrolyte plate 3 having a thickness of about 200 μm.

(燃料極5の作製)
平均粒径0.6μmの酸化ニッケル粉末と平均粒径0.5μmの8mol%イットリア安定化ジルコニア(8YSZ)粉末を重量比で1:1になるように秤量後、混合した粉末100重量部と、アルキルアセタート化ポリビニールアルコール3重量部と、テレビネオール30重量部とをアルミナ乳鉢で混合し、ペースト化した。こうして得た混練物を#80のスクリーンで固体電解質板上に印刷し、乾燥し、温度1350℃で1時間焼成した。このときの燃料極厚さは30μmであった。
(Fabrication of fuel electrode 5)
Nickel oxide powder having an average particle diameter of 0.6 μm and 8 mol% yttria-stabilized zirconia (8YSZ) powder having an average particle diameter of 0.5 μm were weighed to a weight ratio of 1: 1, and then 100 parts by weight of the mixed powder and alkyl Acetated polyvinyl alcohol (3 parts by weight) and TVneol (30 parts by weight) were mixed in an alumina mortar to form a paste. The kneaded material thus obtained was printed on a solid electrolyte plate with a # 80 screen, dried, and baked at a temperature of 1350 ° C. for 1 hour. The fuel electrode thickness at this time was 30 μm.

(空気極4の作製)
平均粒径1μmのランタンマンガナイト粉末50重量部と、平均粒形0.3μmの3YSZ粉末50重量部との混合粉末を準備し、これに対し、アルキルアセタート化ポリビニールアルコール3重量部と、テレビネオール30重量部とをアルミナ乳鉢で混合し、ペースト化した。こうして得た混練物を#80のスクリーンで印刷し、乾燥し、温度1200℃で1時間焼成した。このときの成膜厚さは50μmであった。
(Production of air electrode 4)
A mixed powder of 50 parts by weight of lanthanum manganite powder having an average particle size of 1 μm and 50 parts by weight of 3YSZ powder having an average particle size of 0.3 μm was prepared. 30 parts by weight of neol was mixed with an alumina mortar to form a paste. The kneaded material thus obtained was printed on a # 80 screen, dried, and baked at a temperature of 1200 ° C. for 1 hour. The film thickness at this time was 50 μm.

(多孔質隔壁10Aの作製)
平均粒径1μmの酸化ニッケル粉末と平均粒径1μmの8YSZ粉末を重量比で1:1となるように秤量後、有機バインダーおよび水を添加してボールミル中で湿式混合し、混合物を乾燥し、造粒した。この造粒粉末を金型内で成形し、CIPによって2t/cm2で加圧して厚さ3mmの多孔質壁の成形体を製造した。これを1400℃で2時間焼成し、縦100mm、横100mm×厚さ1mmに加工するとともに、片面に研削加工により溝10aを形成し、これを多孔質隔壁とした。
(Preparation of porous partition wall 10A)
After weighing nickel oxide powder having an average particle diameter of 1 μm and 8YSZ powder having an average particle diameter of 1 μm to a weight ratio of 1: 1, an organic binder and water are added and wet-mixed in a ball mill, and the mixture is dried. Granulated. This granulated powder was molded in a mold and pressed at 2 t / cm 2 by CIP to produce a porous wall molded body having a thickness of 3 mm. This was baked at 1400 ° C. for 2 hours and processed into a length of 100 mm, a width of 100 mm and a thickness of 1 mm, and a groove 10a was formed on one side by grinding to form a porous partition.

(インターコネクタ板1Bの作製)
平均粒径0.5μmのカルシウム添加ランタンクロマイト粉末に、有機バインダーおよび水を添加してボールミル中で湿式混合し、混合物を乾燥し、造粒した。この造粒粉末を金型内で成形し、CIPによって2t/cm2で加圧して厚さ3mmの多孔質壁の成形体を製造した。これを1600℃で4時間焼成して緻密な焼結体を得た。これを縦100mm、横100mm、厚さ1mmに加工するとともに、片面に研削加工により溝11を形成し、これをインターコネクタ板1Bとした。
(Preparation of interconnector plate 1B)
An organic binder and water were added to a calcium-added lanthanum chromite powder having an average particle size of 0.5 μm and wet-mixed in a ball mill, and the mixture was dried and granulated. This granulated powder was molded in a mold and pressed at 2 t / cm 2 by CIP to produce a porous wall molded body having a thickness of 3 mm. This was fired at 1600 ° C. for 4 hours to obtain a dense sintered body. This was processed into a length of 100 mm, a width of 100 mm, and a thickness of 1 mm, and a groove 11 was formed on one side by grinding to form an interconnector plate 1B.

[実施例2]
図4を参照しつつ説明したSOFCセルを作製した。
(固体電解質3用成形体の製造)
ナイロン製ポリ容器に直径10mmのアルミナボールを入れ、3モルイットリア添加ジルコニア(3YSZ)100重量部と溶媒としてトルエン20重量部、エタノール11重量部、ブタノール2重量部を添加してミルの回転数60rpmでボールミル混合をした。その後、この混合物にポリビニルブチラール8重量部、ジブチルフタレート3重量部、トルエン26重量部とエタノール15重量部を加え、ボールミル混合をした。得られたスラリーをドクターブレード法によりポリエチレンテレフタレート製のシート(厚さ100μm)上にシート成形を行い、幅50mm厚さ20μmの3mol%イットリア添加ジルコニア(3YSZ)の緻密体のグリーン成形体(固体電解質膜3用の成形体)を作製した。
[Example 2]
The SOFC cell described with reference to FIG. 4 was produced.
(Manufacture of molded body for solid electrolyte 3)
Put an alumina ball with a diameter of 10 mm in a nylon plastic container, add 100 parts by weight of 3 mol yttria-added zirconia (3YSZ) and 20 parts by weight of toluene, 11 parts by weight of ethanol, and 2 parts by weight of butanol as the solvent. And ball mill mixing. Thereafter, 8 parts by weight of polyvinyl butyral, 3 parts by weight of dibutyl phthalate, 26 parts by weight of toluene and 15 parts by weight of ethanol were added to this mixture, followed by ball mill mixing. The obtained slurry was formed into a sheet on a polyethylene terephthalate sheet (100 μm thick) by the doctor blade method, and a green compact (solid electrolyte) of 3 mol% yttria-added zirconia (3YSZ) with a width of 50 mm and a thickness of 20 μm. A molded body for film 3) was prepared.

燃料極は、電気化学反応に寄与する高い活性をもった微細な粒子からなる部分と基材としての構造強度をもった部分とに分けて形成した。前者を第一の燃料極とし薄膜で形成する。後者を第二の燃料極とし、多孔質壁と一体化したハニカム形状に構成する。   The fuel electrode was divided into a part made of fine particles having high activity contributing to the electrochemical reaction and a part having a structural strength as a substrate. The former is the first fuel electrode and is formed of a thin film. The latter is used as the second fuel electrode, and is formed into a honeycomb shape integrated with the porous wall.

(第一の燃料極層用塗布層の製造)
平均粒径0.6μmの酸化ニッケル粉末と平均粒径0.5μmの8mol%イットリア安定化ジルコニア(8YSZ)粉末を重量比で1:1になるように秤量後、混合した粉末に有機バインダーおよび溶媒を添加してアルミナ乳鉢で混合し、ペースト化した。その後、固体電解質膜用成形体上にスクリーン印刷をし、第一の燃料極層用塗布層を形成した。このときのスクリーン印刷の成膜厚さは15μmであった。
(Manufacture of first fuel electrode layer coating layer)
A nickel oxide powder having an average particle diameter of 0.6 μm and an 8 mol% yttria-stabilized zirconia (8YSZ) powder having an average particle diameter of 0.5 μm are weighed to a weight ratio of 1: 1, and an organic binder and a solvent are added to the mixed powder. The mixture was added and mixed in an alumina mortar to form a paste. Thereafter, screen printing was performed on the solid electrolyte membrane molded body to form a first fuel electrode layer coating layer. The film thickness of screen printing at this time was 15 μm.

(第二の燃料極層用成形体の成形)
平均粒径1μmの酸化ニッケル粉末と平均粒径1μmの8YSZ粉末を重量比で1:1となるように秤量後、有機バインダーおよび水を添加してボールミル中で湿式混合し、混合物を乾燥し、造粒した。この造粒粉末を金型内で成形し、厚さ3mmの第二の燃料極層用成形体を製造した。
(Formation of second molded product for fuel electrode layer)
After weighing nickel oxide powder having an average particle diameter of 1 μm and 8YSZ powder having an average particle diameter of 1 μm to a weight ratio of 1: 1, an organic binder and water are added and wet-mixed in a ball mill, and the mixture is dried. Granulated. This granulated powder was molded in a mold to produce a second molded body for the fuel electrode layer having a thickness of 3 mm.

なお、燃料極用グリーン成形体や燃料極層用塗布層は、各原料に、有機バインダーと造孔材と水とを混合した混合物からなることが好ましい。この有機バインダーとしては、ポリメチルアクリレート、ニトロセルロース、ポリビニルアルコール、ポリビニールブチラール、メチルセルロース、エチルセルロース、スターチ、ワックス、アクリル酸ポリマー、メタクリル酸ポリマー等を例示することができる。主原料の重量を100重量部としたとき、有機バインダーの添加量は0.5〜5重量部とすることが好ましい。   In addition, it is preferable that the green molded object for fuel electrodes and the coating layer for fuel electrode layers consist of the mixture which mixed the organic binder, the pore former, and water with each raw material. Examples of the organic binder include polymethyl acrylate, nitrocellulose, polyvinyl alcohol, polyvinyl butyral, methyl cellulose, ethyl cellulose, starch, wax, acrylic acid polymer, and methacrylic acid polymer. When the weight of the main raw material is 100 parts by weight, the addition amount of the organic binder is preferably 0.5 to 5 parts by weight.

(固体電解質/第一の燃料極層/第二の燃料極層の一体化)
前記作製した固体電解質用成形体、第一の燃料極層用塗布層および第二の燃料極層用成形体を積層した。この積層体を真空パック用フィルム袋によって被覆し、コールドアイソスタティックプレスした(圧力:2ton/cm2 保持時間:1分間)。得られた加圧成形体を型から取り出し、フィルムを剥離させ、加圧成形体を得た。
(Integration of solid electrolyte / first fuel electrode layer / second fuel electrode layer)
The produced solid electrolyte molded body, the first fuel electrode layer coating layer, and the second fuel electrode layer molded body were laminated. This laminate was covered with a vacuum bag film bag and cold isostatic pressed (pressure: 2 ton / cm 2 holding time: 1 minute). The obtained press-molded body was taken out from the mold and the film was peeled off to obtain a press-molded body.

積層体をコールドアイソスタティックプレスする際の圧力は、積層体の各グリーン成形体の密着性を高めるという観点から、500kgf/cm以上、更には1000kgf/cm以上とすることが好ましく、加圧力の上限は、実用的には10tf/cm以下とすることができる。焼成温度は、通常は1200℃〜1700℃とする。 The pressure at the time of cold isostatic pressing the stack, from the viewpoint of enhancing the adhesion of each green body of the laminate, 500 kgf / cm 2 or more, more preferably to 1000 kgf / cm 2 or more, pressure Is practically 10 tf / cm 2 or less. The firing temperature is usually 1200 ° C to 1700 ° C.

(加圧成形体の焼成)
この加圧成形体を、空気中、最高温度1400℃で2時間焼成し、積層焼結体を得た。その後、加工によって、縦100mm、横100mmに加工し、総厚みを2mmとするとともに、第二の燃料極基板表面に、幅2mm,深さ0.5mmの流路を研削加工によって設けた。
(Baking of pressure-molded body)
This pressure-molded body was fired in air at a maximum temperature of 1400 ° C. for 2 hours to obtain a laminated sintered body. After that, it was processed into a length of 100 mm and a width of 100 mm to a total thickness of 2 mm, and a flow path with a width of 2 mm and a depth of 0.5 mm was provided on the second fuel electrode substrate surface by grinding.

(空気極4の作製)
平均粒径1μmのランタンマンガナイト粉末100重量部と、アルキルアセタート化ポリビニールアルコール3重量部と、テレビネオール30重量部とをアルミナ乳鉢で混合し、ペースト化した。こうして得た混練物を#80のスクリーンで印刷し、乾燥し、温度1200℃で1時間焼成した。
(Production of air electrode 4)
100 parts by weight of lanthanum manganite powder having an average particle size of 1 μm, 3 parts by weight of alkyl acetate polyvinyl alcohol, and 30 parts by weight of TVneol were mixed in an alumina mortar to form a paste. The kneaded material thus obtained was printed on a # 80 screen, dried, and baked at a temperature of 1200 ° C. for 1 hour.

(多孔質隔壁10の作製)
ナイロン製ポリ容器に直径10mmのアルミナボールを入れ、平均粒径1μmの酸化ニッケル粉末と平均粒径1μmの8YSZ粉末を重量比で1:1の混合粉末100重量部と溶媒としてトルエン20重量部、エタノール11重量部、ブタノール2重量部を添加してミルの回転数60rpmでボールミル混合をした。その後、この混合物にポリビニルブチラール8重量部、ジブチルフタレート3重量部、トルエン26重量部とエタノール15重量部を加え、さらに、気孔率を調整するための増孔剤として、カーボン粉末を加えてボールミル混合をした。得られたスラリーをドクターブレード法によりポリエチレンテレフタレート製のシート(厚さ100μm)上にシート成形を行い、幅200mmの3mol%イットリア添加ジルコニア(3YSZ)−酸化ニッケルのグリーン成形体を作製した。
(Preparation of porous partition wall 10)
An alumina ball having a diameter of 10 mm is placed in a nylon plastic container, nickel oxide powder having an average particle diameter of 1 μm and 8 YSZ powder having an average particle diameter of 1 μm are mixed in a weight ratio of 100 parts by weight and 20 parts by weight of toluene as a solvent. 11 parts by weight of ethanol and 2 parts by weight of butanol were added, and ball mill mixing was performed at a mill rotation speed of 60 rpm. Thereafter, 8 parts by weight of polyvinyl butyral, 3 parts by weight of dibutyl phthalate, 26 parts by weight of toluene and 15 parts by weight of ethanol were added to this mixture, and carbon powder was added as a pore-forming agent for adjusting the porosity, followed by ball mill mixing. Did. The obtained slurry was subjected to sheet molding on a polyethylene terephthalate sheet (thickness: 100 μm) by a doctor blade method to prepare a green molded body of 3 mol% yttria-added zirconia (3YSZ) -nickel oxide having a width of 200 mm.

これを四角形状に切断し、1400℃×1h焼成して厚み約200μm、縦100mm、横100mmの多孔質隔壁を得た。   This was cut into a square shape and fired at 1400 ° C. for 1 h to obtain a porous partition wall having a thickness of about 200 μm, a length of 100 mm, and a width of 100 mm.

(インターコネクタ板21の作製)
平均粒径0.5μmのカルシウム添加ランタンクロマイト粉末に、有機バインダーおよび水を添加してボールミル中で湿式混合し、混合物を乾燥し、造粒した。この造粒粉末を金型内で成形し、CIPによって2t/cm2で加圧して厚さ3mmの多孔質隔壁の成形体を製造した。これを1600℃×4hで焼成して緻密な焼結体を得た。これを縦100mm、横100mm、×2mm厚さに加工するとともに、両面に研削加工により溝を形成し、これを多孔質隔壁とした。
(Preparation of interconnector plate 21)
An organic binder and water were added to a calcium-added lanthanum chromite powder having an average particle size of 0.5 μm and wet-mixed in a ball mill, and the mixture was dried and granulated. This granulated powder was molded in a mold and pressed with CIP at 2 t / cm 2 to produce a molded product having a porous partition wall thickness of 3 mm. This was fired at 1600 ° C. for 4 hours to obtain a dense sintered body. This was processed to a length of 100 mm, a width of 100 mm, and a thickness of × 2 mm, and grooves were formed on both sides by grinding to form a porous partition wall.

[実施例3:発電試験]
実施例2で示した構造と同様な製法で図5に示す発電素子2、多孔質隔壁10、インターコネクタ板1Bを作製し、積層して発電試験を実施した。サイズは、単セル試験用に20mm×50mm×
4.2mmのセルを準備し、発電試験装置にセットし、メタンによる内部改質発電試験を実施した。空気極部分とインターコネクタ部分に白金メッシュを接触させて集電体とし、空気極側に空気を流し、燃料極側供給孔に窒素を流しながら昇温した。800℃に到達後、燃料極側のガスは窒素を止めて水素を流した。これによって燃料極および多孔質隔壁部分に含まれる酸化ニッケルを金属ニッケルへと還元処理した。開放端電圧がほぼ安定した4時間後に、0.3A/cm2の定電流で24時間発電し、その後、電流を切ったのち、水蒸気を添加したアルゴン希釈のメタンの供給に切り替えた。電圧が安定したのち、0.3A/cm2の定電流放電を行い、発電出力を測定した。メタンを供給して5時間後の出力と、100時間経過後の出力を測定した。水蒸気/メタン比(S/C)を表1に示すように変えて上記手順と同様に試験を行った。
[Example 3: Power generation test]
A power generation element 2, a porous partition wall 10 and an interconnector plate 1B shown in FIG. 5 were produced by the same manufacturing method as the structure shown in Example 2, and a power generation test was conducted by stacking them. Size is 20mm x 50mm x for single cell test
A 4.2mm cell was prepared, set in a power generation test device, and an internal reforming power generation test using methane was conducted. A platinum mesh was brought into contact with the air electrode portion and the interconnector portion to form a current collector. The temperature was raised while flowing air to the air electrode side and flowing nitrogen to the fuel electrode side supply hole. After reaching 800 ° C., the gas on the fuel electrode side stopped nitrogen and allowed hydrogen to flow. As a result, the nickel oxide contained in the fuel electrode and the porous partition wall was reduced to metallic nickel. After 4 hours when the open-circuit voltage was almost stabilized, power generation was performed at a constant current of 0.3 A / cm 2 for 24 hours. After that, the current was turned off, and then switched to supply of argon-diluted methane to which water vapor was added. After the voltage stabilized, a constant current discharge of 0.3 A / cm 2 was performed, and the power generation output was measured. The output after 5 hours from the supply of methane and the output after 100 hours were measured. The test was performed in the same manner as the above procedure with the steam / methane ratio (S / C) changed as shown in Table 1.

(比較例1)
同様にして多孔質壁をもたない構造のセルを使って発電試験を実施した。
(Comparative Example 1)
Similarly, a power generation test was conducted using a cell having a structure without a porous wall.

Figure 2006277969
Figure 2006277969

実施例(1-1〜1-3)の出力変化率は、いずれもゼロであるのに対し、比較例(1-(1)〜1-(2))は、10%以上の大きな変化率で、劣化が認められる。発電試験後、セルを解体して観察した結果、比較例では、燃料極表面に炭素の析出が認められ、黒色化しているのに対し、実施例では、燃料極表面に炭素の析出は認められなかった。実施例では、第二の空間の多孔質壁の表面には、炭素の析出が認められるものの、発電性能には影響しなかった。   While the output change rates of the examples (1-1 to 1-3) are all zero, the comparative examples (1- (1) to 1- (2)) have a large change rate of 10% or more. Deterioration is recognized. As a result of disassembling and observing the cell after the power generation test, in the comparative example, carbon deposition was observed on the surface of the fuel electrode and blackened, whereas in the example, carbon deposition was observed on the surface of the fuel electrode. There wasn't. In the examples, although carbon deposition was observed on the surface of the porous wall in the second space, the power generation performance was not affected.

[実施例4]
図8を参照しつつ説明したSOFCセル20Fを作製し、発電試験を行った。
(1) 原料調合
平均粒径3μmの8YSZ粉末と平均粒径1μmの酸化ニッケル粉末を重量比で1:1に混合した粉末100wt%に対し、メチルセルロース 3wt%,セルロース 7wt%、ポリビニルアルコール 3wt%、および水 18wt%を混合した。
[Example 4]
The SOFC cell 20F described with reference to FIG. 8 was produced and a power generation test was performed.
(1) Raw material preparation 3 wt% of methylcellulose, 7 wt% of cellulose, 3 wt% of polyvinyl alcohol, and 100 wt% of powder mixed with 8 YSZ powder with an average particle diameter of 3 μm and nickel oxide powder with an average particle diameter of 1 μm in a weight ratio of 1: 1. And 18 wt% water was mixed.

上記の調合組成に従って作製した混合物を加圧混練機によって3時間混練し、混練物を得た。混練物を真空土練機によってφ50mm×300mmの円柱状に成形し、坏土を作る。   The mixture prepared according to the above composition was kneaded for 3 hours with a pressure kneader to obtain a kneaded product. The kneaded material is formed into a cylindrical shape of φ50mm x 300mm with a vacuum kneader to make clay.

(押し出し成形)
押し出し成形機のシリンダーに坏土を充填し、ピッチ3mm、壁厚200μm、縦3mm、横18mm、長さ300mmで、貫通孔2×6個のハニカム成形体を作製する。これを恒温恒湿乾燥機内に収容し、80℃で10時間、湿度を適当に調整しながら乾燥した。
(Extruded molding)
The cylinder of the extrusion molding machine is filled with clay, and a honeycomb molded body having a pitch of 3 mm, a wall thickness of 200 μm, a length of 3 mm, a width of 18 mm, and a length of 300 mm and 2 × 6 through holes is produced. This was stored in a constant temperature and humidity dryer, and dried at 80 ° C. for 10 hours while appropriately adjusting the humidity.

(片端の封じ)
その後、電気炉内に収容し、100℃/hの速度で1200℃まで昇温し、1時間保持し、その後、200℃/hの速度で降温した。このようにして得た仮焼体について、その端部の開口部を改質ガス室8の片端、および、混合ガス室9の片端にゴム栓で封をしたのち、8mol%イットリア安定化ジルコニアと酸化ニッケルの混合物のスラリーに端部のみ浸すことによって、ゴム栓で封をした以外の開口部に壁17、18を形成する。これを恒温恒湿乾燥機内に収容し、80℃で乾燥したあと、ゴム栓を外した。
(Sealed at one end)
Then, it was housed in an electric furnace, heated to 1200 ° C. at a rate of 100 ° C./h, held for 1 hour, and then cooled at a rate of 200 ° C./h. The calcined body thus obtained was sealed with a rubber stopper at one end of the reformed gas chamber 8 and one end of the mixed gas chamber 9 at the end, and 8 mol% yttria-stabilized zirconia and Walls 17 and 18 are formed in openings other than those sealed with rubber stoppers by immersing only the ends in a nickel oxide mixture slurry. This was stored in a constant temperature and humidity dryer, dried at 80 ° C., and then the rubber stopper was removed.

(焼成)
電気炉内に収容し、100℃/hの速度で1600℃まで昇温し、3時間保持し、その後、200℃/hの速度で降温した。こうして、端部が封じられた基体が形成可能である。こうして得たハニカム構造体をセルの支持基体15Aとして使用した。
(Baking)
It was housed in an electric furnace, heated to 1600 ° C. at a rate of 100 ° C./h, held for 3 hours, and then cooled at a rate of 200 ° C./h. In this way, it is possible to form a substrate whose end is sealed. The honeycomb structure thus obtained was used as a cell support base 15A.

(インターコネクター膜30の作製)
平均粒径1μmのCaドープのランタンクロマイト粉末にエチルセルロースを3wt%添加し、溶剤を添加し、印刷用ペーストを得た。このペーストを使って、ハニカム基材の片面上にスクリーン印刷で塗布した。120℃の乾燥機内で溶剤を蒸発させたのち、これを1600℃で焼成し、インターコネクタ膜30とした。
(Preparation of interconnector film 30)
3 wt% of ethylcellulose was added to Ca-doped lanthanum chromite powder having an average particle diameter of 1 μm, and a solvent was added to obtain a printing paste. Using this paste, it was applied to one side of the honeycomb substrate by screen printing. After evaporating the solvent in a dryer at 120 ° C., this was baked at 1600 ° C. to obtain an interconnector film 30.

(固体電解質膜3の作製)
平均粒径0.5μmの8YSZ粉末100重量部と、アルキルアセタート化ポリビニールアルコール3重量部と、テレビネオール30重量部とをアルミナ乳鉢で混合し、ペースト化した。こうして得た混練物を#200のスクリーンで、上記基体の片面に印刷した。その後、乾燥し、1400℃で2h焼成した。
(Preparation of solid electrolyte membrane 3)
100 parts by weight of 8YSZ powder having an average particle diameter of 0.5 μm, 3 parts by weight of alkyl acetate polyvinyl alcohol, and 30 parts by weight of TVneol were mixed in an alumina mortar to form a paste. The kneaded material thus obtained was printed on one side of the substrate with a # 200 screen. Then, it dried and baked at 1400 degreeC for 2 hours.

(空気極4の作製)
粒径1μmのLa0.7Sr0.3MnO3粉末に、エチルセルロースを2wt%添加し、溶剤を添加し、印刷用ペーストを得た。このペーストを使って、長方形状に電解質上に塗布した。120℃の乾燥機内で溶剤を蒸発させたのち、これを1200℃で焼成し、空気極4とした。
(Production of air electrode 4)
To a La0.7Sr0.3MnO3 powder having a particle size of 1 μm, 2 wt% of ethylcellulose was added and a solvent was added to obtain a printing paste. Using this paste, a rectangular shape was applied on the electrolyte. After evaporating the solvent in a dryer at 120 ° C., the solvent was baked at 1200 ° C. to form the air electrode 4.

(側面の気密性確保)
側面は、ジルコニアベースのセラミックスペーストを塗布し、緻密質膜31を形成し、気密性を確保した。
(Ensuring airtightness on the side)
On the side surfaces, a zirconia-based ceramic paste was applied to form a dense film 31 to ensure airtightness.

(比較例2のセル)
比較例として、貫通孔が1列×6個を持ったハニカム基体を作製し、両端開放の多孔質壁無しの構造を作製した(図9参照)。坏土は上記実施例で示した坏土と同様な組成を採用して作製した。乾燥や焼成も上記実施例と同様に実施し、固体電解質膜3、空気極4、インターコネクタ膜30、緻密質膜30も同様に形成した。
(Cell of Comparative Example 2)
As a comparative example, a honeycomb substrate having 1 row × 6 through-holes was prepared, and a structure without open porous walls with both ends open was prepared (see FIG. 9). The clay was produced by adopting the same composition as the clay shown in the above examples. Drying and firing were performed in the same manner as in the above example, and the solid electrolyte membrane 3, the air electrode 4, the interconnector membrane 30, and the dense membrane 30 were formed in the same manner.

(発電試験)
こうして作製したセルを使用し、上記と同様にして発電試験を実施した。この結果を表2に示す。
(Power generation test)
Using the cell thus prepared, a power generation test was performed in the same manner as described above. The results are shown in Table 2.

Figure 2006277969
Figure 2006277969

実施例(2-1〜2-3)の出力変化率は、いずれもゼロであるのに対し、比較例(2-(1)〜2-(2))は大きな変化率を示した。発電試験後、セルを解体して観察した結果、比較例では、燃料極表面に炭素の析出が認められ、黒色化しているのに対し、実施例では、燃料極表面に炭素の析出は認められなかった。実施例では、混合ガス室の多孔質隔壁表面には、炭素の析出が認められるものの、発電性能には影響しなかった。   The output change rates of the examples (2-1 to 2-3) were all zero, while the comparative examples (2- (1) to 2- (2)) showed a large change rate. As a result of disassembling and observing the cell after the power generation test, in the comparative example, carbon deposition was observed on the surface of the fuel electrode and blackened, whereas in the example, carbon deposition was observed on the surface of the fuel electrode. There wasn't. In the examples, although carbon deposition was observed on the porous partition wall surface of the mixed gas chamber, the power generation performance was not affected.

従来の内部改質型のSOFCを模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows the conventional internal reforming type SOFC typically. (a)は、本発明の一実施形態に係るセル20Aを模式的に示す断面図であり、(b)は、図2(a)のセル20Aの斜視図である。(A) is sectional drawing which shows typically the cell 20A which concerns on one Embodiment of this invention, (b) is a perspective view of the cell 20A of Fig.2 (a). 本発明の実施形態に係るセル20Bを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the cell 20B which concerns on embodiment of this invention. 本発明の他の実施形態に係るセル20Cを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the cell 20C which concerns on other embodiment of this invention. 本発明の更に他の実施形態に係るセル20Dを示す斜視図である。It is a perspective view which shows cell 20D which concerns on other embodiment of this invention. (a)はセル20Eを混合ガスの入り口側から見た正面図であり、図6(b)はセルの側面図であり、図6(c)はセルを改質ガス室の出口側から見た正面図である。FIG. 6A is a front view of the cell 20E viewed from the inlet side of the mixed gas, FIG. 6B is a side view of the cell, and FIG. 6C is a view of the cell viewed from the outlet side of the reformed gas chamber. FIG. セル20Eの斜視図である。It is a perspective view of the cell 20E. (a)はセル20Fを混合ガス室9の入り口側から見た正面図であり、(b)はセルの側面図であり、(c)はセルを改質ガス室8の出口側から見た正面図である。(A) is the front view which looked at the cell 20F from the entrance side of the mixed gas chamber 9, (b) is the side view of the cell, (c) looked at the cell from the exit side of the reformed gas chamber 8. It is a front view. 本発明外の参考例に係るセルを示す横断面図である。It is a cross-sectional view which shows the cell which concerns on the reference example outside this invention. 図8と同様のセル20Gを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the same cell 20G as FIG. (a)はセル20Hを混合ガス室の入り口側から見た正面図であり、図11(b)はセルの側面図であり、図11(c)はセルを改質ガス室の出口側から見た正面図である。(A) is the front view which looked at the cell 20H from the entrance side of the mixed gas chamber, FIG.11 (b) is a side view of a cell, FIG.11 (c) is a cell from the exit side of a reformed gas chamber FIG. セル20Hの斜視図である。It is a perspective view of the cell 20H.

符号の説明Explanation of symbols

1、1A、1B、21 インターコネクタ 2、2A、16 発電素子 3 固体電解質膜 4 空気極 5、5A 燃料極 6 酸化ガス室 8 改質ガス室 9 混合ガス室 10、10A 多孔質隔壁 20A、20B、20C、20D、20E、20F セル   1, 1A, 1B, 21 Interconnector 2, 2A, 16 Power generation element 3 Solid electrolyte membrane 4 Air electrode 5, 5A Fuel electrode 6 Oxidizing gas chamber 8 Reformed gas chamber 9 Mixed gas chamber 10, 10A Porous partition walls 20A, 20B , 20C, 20D, 20E, 20F cells

Claims (9)

有機物燃料と水蒸気とを含む混合ガスを改質して発電を行うための固体電解質型燃料電池セルであって、
燃料極、空気極および固体電解質膜を備えている発電素子、および前記混合ガスを改質して改質ガスを生成させる機能を有する多孔質隔壁を備えていることを特徴とする、固体電解質型燃料電池セル。
A solid oxide fuel cell for reforming a mixed gas containing organic fuel and water vapor to generate electric power,
A solid electrolyte type comprising a power generation element including a fuel electrode, an air electrode and a solid electrolyte membrane, and a porous partition wall having a function of reforming the mixed gas to generate a reformed gas Fuel cell.
前記混合ガスを供給する混合ガス室、および前記燃料極と前記多孔質隔壁との間の改質ガス室が形成されていることを特徴とする、請求項1記載のセル。   The cell according to claim 1, wherein a mixed gas chamber for supplying the mixed gas and a reformed gas chamber between the fuel electrode and the porous partition wall are formed. 前記混合ガス室の出口側が閉塞されていることを特徴とする、請求項2記載のセル。   The cell according to claim 2, wherein an outlet side of the mixed gas chamber is closed. 前記改質ガス室の入り口側が閉塞されていることを特徴とする、請求項2または3記載のセル。   The cell according to claim 2 or 3, wherein an inlet side of the reformed gas chamber is closed. 前記燃料極および前記多孔質隔壁が一体化され、前記発電素子の支持基体を構成していることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか一つの請求項に記載のセル。   The cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the fuel electrode and the porous partition wall are integrated to form a support base of the power generation element. 前記支持基体中に前記混合ガス室が複数設けられていることを特徴とする、請求項5記載のセル。   The cell according to claim 5, wherein a plurality of the mixed gas chambers are provided in the support base. 前記支持基体中に前記改質ガス室が複数設けられていることを特徴とする、請求項5または6記載のセル。   The cell according to claim 5 or 6, wherein a plurality of the reformed gas chambers are provided in the support substrate. 前記支持基体が板状をなしていることを特徴とする、請求項5〜7のいずれか一つの請求項に記載のセル。   The cell according to any one of claims 5 to 7, wherein the support base has a plate shape. 前記支持基体が筒状をなしていることを特徴とする、請求項5〜7のいずれか一つの請求項に記載のセル。   The cell according to any one of claims 5 to 7, wherein the support base has a cylindrical shape.
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