JP2007123004A - Fuel battery cell, cell stack as well as fuel battery - Google Patents

Fuel battery cell, cell stack as well as fuel battery Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel battery cell capable of suppressing deformation, a cell stack, and a fuel battery. <P>SOLUTION: The fuel battery cell is equipped with a power generating element 45 in which a solid electrolyte 33 is interposed between a fuel electrode layer 32 and an oxygen electrode layer 34, and a support substrate on which the power generating element 45 is installed. A recessed groove 47 is provided at the outside of the support substrate 31 in the position where the power generating element 45 is installed and the space between the recessed groove 47 and the fuel electrode layer 32 is made a gas passage 31a. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池セル及びセルスタック並びに燃料電池に関し、特に固体電解質を内側電極及び外側電極で挟持してなる発電素子を支持体に設けてなる燃料電池セル及びセルスタック並びに燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell, a cell stack, and a fuel cell, and more particularly, to a fuel cell, a cell stack, and a fuel cell in which a power generation element having a solid electrolyte sandwiched between an inner electrode and an outer electrode is provided on a support. is there.

次世代エネルギーとして、近年、燃料電池セルのスタックを収納容器内に収容した燃料電池が種々提案されている。   In recent years, various fuel cells in which a stack of fuel cells is accommodated in a storage container have been proposed as next-generation energy.

図6は従来の中空平板型の固体電解質形燃料電池セルのセルスタックを示すもので、このセルスタックは、複数の燃料電池セル13(13a、13b)を集合させ、一方の燃料電池セル13aと他方の燃料電池セル13bとの間に金属フェルトなどからなる集電部材15を介在させ、一方の燃料電池セル13aの内側電極(酸素側電極)17と他方の燃料電池セル13bの外側電極(燃料側電極)18とを電気的に接続して構成されていた。   FIG. 6 shows a cell stack of a conventional hollow plate type solid oxide fuel cell. This cell stack gathers a plurality of fuel cells 13 (13a, 13b), A current collecting member 15 made of metal felt or the like is interposed between the other fuel cell 13b, and an inner electrode (oxygen side electrode) 17 of one fuel cell 13a and an outer electrode (fuel) of the other fuel cell 13b. Side electrode) 18 is electrically connected.

燃料電池セル13(13a、13b)は、扁平状の内側電極17の外周面に、固体電解質19、外側電極18を順次設けて構成されており、固体電解質19、外側電極18から露出した内側電極17には、外側電極18に接続しないようにインターコネクタ20が設けられている。内側電極17内にはガス通路を構成する複数のガス通路22が形成されている。   The fuel cell 13 (13 a, 13 b) is configured by sequentially providing a solid electrolyte 19 and an outer electrode 18 on the outer peripheral surface of the flat inner electrode 17, and the inner electrode exposed from the solid electrolyte 19 and the outer electrode 18. 17 is provided with an interconnector 20 so as not to be connected to the outer electrode 18. A plurality of gas passages 22 constituting gas passages are formed in the inner electrode 17.

一方の燃料電池セル13aと他方の燃料電池セル13bとの電気的接続は、一方の燃料電池セル13aの内側電極17を、該内側電極17に設けられたインターコネクタ20、集電部材15を介して、他方の燃料電池セル13bの外側電極18に接続することにより行われていた(例えば特許文献1、2参照)。
特開平1−169878号公報 特開平2004−234969号公報
The electrical connection between one fuel battery cell 13a and the other fuel battery cell 13b is performed by connecting the inner electrode 17 of one fuel battery cell 13a via the interconnector 20 and the current collecting member 15 provided on the inner electrode 17. Then, it is performed by connecting to the outer electrode 18 of the other fuel battery cell 13b (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
JP-A-1-169878 Japanese Patent Laid-Open No. 2004-234969

しかしながら、上記燃料電池セルでは、内側電極17は、ガス通路22からガスを固体電解質9まで供給する必要があるため多孔質とされており、強度が必然的に低いため、内側電極17の対向する両主面に異なる材料からなる層を形成した場合には、焼成後や発電時に反るという問題があった。特に、近年、小型で高出力の燃料電池セルを得るべく、支持体(内側電極17)が薄層化されつつあり、支持体を薄層化すればするほど、支持体の強度が低下し、反りが発生しやすいという問題があった。   However, in the fuel cell described above, the inner electrode 17 is porous because it is necessary to supply gas from the gas passage 22 to the solid electrolyte 9, and the strength is inevitably low. When layers made of different materials are formed on both main surfaces, there is a problem of warping after firing or during power generation. In particular, in recent years, the support (inner electrode 17) is being thinned in order to obtain a small and high-power fuel cell, and the thinner the support, the lower the strength of the support, There was a problem that warpage was likely to occur.

また、内側電極17の一方側主面には、ガス通路形成方向に連続して固体電解質19が形成され、他方側主面には、固体電解質19と対向するように、ガス通路形成方向に連続してインターコネクタ20が形成されており、内側電極17の対向する両主面には異なる材料(熱膨張係数等が異なる)からなる層が形成されており、発電中に燃料電池セルが、図7に示すようにインターコネクタ20側が背となるように反るという問題があった。   Further, a solid electrolyte 19 is continuously formed on the one side main surface of the inner electrode 17 in the gas passage formation direction, and the other side main surface is continuous in the gas passage formation direction so as to face the solid electrolyte 19. The interconnector 20 is formed, and layers made of different materials (different thermal expansion coefficients and the like) are formed on the opposing main surfaces of the inner electrode 17, so that the fuel cell is shown during power generation. As shown in FIG. 7, there is a problem that the interconnector 20 side warps so as to be back.

即ち、燃料電池セルは、通常、大気中にて焼結して作製され、発電時には還元性ガスに晒されるが、通常用いられるLaCrO系からなるインターコネクタ材料は、還元雰囲気において寸法変化を起こすことが知られており、この還元雰囲気における寸法変化のために、燃料電池セルが変形するといった問題があった。 That is, the fuel cell is usually produced by sintering in the atmosphere and exposed to a reducing gas during power generation. However, the interconnector material made of LaCrO 3 system usually causes a dimensional change in a reducing atmosphere. It is known that there is a problem that the fuel cell is deformed due to the dimensional change in the reducing atmosphere.

つまり、内側電極17の一方側主面に形成された、ZrO系、CeO系、ランタンガレート系等からなる固体電解質19は還元雰囲気における寸法変化が小さいのに対し、他方側主面に設けられたインターコネクタ20は還元雰囲気において寸法変化が大きいため、図7に示すように、インターコネクタ側を背に(インターコネクタ側が凸となるように)燃料電池セルが反るという問題点があった。 That is, the solid electrolyte 19 made of ZrO 2 , CeO 2 , lanthanum gallate, or the like formed on one main surface of the inner electrode 17 has a small dimensional change in a reducing atmosphere, but is provided on the other main surface. The resulting interconnector 20 has a large dimensional change in a reducing atmosphere, and therefore, as shown in FIG. 7, there is a problem that the fuel cell warps with the interconnector side facing away (so that the interconnector side is convex). .

この燃料電池セルの反りは、図7(a−2)に示すように、長さ方向に弓なりに反る場合のみならず、図7(a−3)に示すように、幅方向においても発生し、特に、セル一本当たりの発電量を大きくするため、燃料電池セルの長さを長くすると長さ方向に弓なりに反り易く、燃料電池セルの幅を大きくすると、幅方向に反り易いという問題があった。   The warpage of the fuel battery cell occurs not only in the case of bowing in the length direction as shown in FIG. 7 (a-2) but also in the width direction as shown in FIG. 7 (a-3). In particular, in order to increase the amount of power generated per cell, the problem is that if the length of the fuel cell is increased, it tends to warp in the length direction, and if the width of the fuel cell is increased, it tends to warp in the width direction. was there.

また、セルスタックは、複数の燃料電池セルを集電部材により連結して作製されるが、上記したように燃料電池セルが反ると、複数の燃料電池セルの集電部材による電気的接続が解除され、複数の燃料電池セルから集電することができなくなるという問題があった。   In addition, the cell stack is manufactured by connecting a plurality of fuel cells with current collecting members. However, as described above, when the fuel cells are warped, electrical connection by the current collecting members of the plurality of fuel cells is performed. There was a problem that it was canceled and it was impossible to collect power from a plurality of fuel cells.

一方、焼成時においても、固体電解質材料とインターコネクタ材料の熱膨張係数差により変形するという問題があった。   On the other hand, even during firing, there is a problem of deformation due to a difference in thermal expansion coefficient between the solid electrolyte material and the interconnector material.

本発明は、変形を抑制できる燃料電池セル及びセルスタック並びに燃料電池を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a fuel cell, a cell stack, and a fuel cell that can suppress deformation.

本発明の燃料電池セルは、固体電解質を内側電極及び外側電極で挟持してなる発電素子と、該発電素子の内側電極側が設けられる支持体とを具備するとともに、前記発電素子が設けられる位置の前記支持体の外面に凹溝を設け、該凹溝と前記内側電極との間の空間をガス通路としてなることを特徴とする。   The fuel cell of the present invention includes a power generation element in which a solid electrolyte is sandwiched between an inner electrode and an outer electrode, and a support on which the inner electrode side of the power generation element is provided, and at a position where the power generation element is provided. A concave groove is provided on the outer surface of the support, and a space between the concave groove and the inner electrode serves as a gas passage.

このような燃料電池セルでは、凹溝と内側電極との間の空間からなるガス通路をガスが流れ、しかもガス通路に内側電極が面しているため、ガス通路を流れるガスが多孔質の内側電極を介して固体電解質まで拡散できる。従って、従来のように支持体をガスが透過できるように多孔質とする必要がないため、より緻密質とすることができ、支持体強度を向上できる。   In such a fuel cell, since the gas flows through the gas passage formed by the space between the concave groove and the inner electrode, and the inner electrode faces the gas passage, the gas flowing through the gas passage is porous inside. It can diffuse to the solid electrolyte through the electrode. Therefore, since it is not necessary to make the support porous so that gas can permeate unlike the conventional case, the support can be made denser and the support strength can be improved.

これにより、支持体の外周面に焼成収縮率や熱膨張係数が異なる層を形成した場合でも、燃料電池セルの反りを防止できる。 Thereby, even when layers having different firing shrinkage rates and thermal expansion coefficients are formed on the outer peripheral surface of the support, it is possible to prevent the fuel cell from warping.

また、支持体のヤング率を大きくすることができ、しかも従来のように支持体中心部にガス通路を別個に形成する必要がないため、支持体が基板状である場合にはその厚みを小さくできるとともに、支持体材料の使用量を減少することができ、コストを低減でき、支持体が導電性である場合にはその抵抗を小さくできる。   Further, since the Young's modulus of the support can be increased and it is not necessary to separately form a gas passage at the center of the support as in the prior art, the thickness of the support is reduced when it is in the form of a substrate. In addition, the amount of the support material used can be reduced, the cost can be reduced, and the resistance can be reduced when the support is conductive.

また、本発明の燃料電池セルは、前記支持体は板状であり、前記支持体の主面に前記発電素子が設けられていることを特徴とする。このような燃料電池セルでは、支持体にガス拡散機能を付与する必要がないため、その気孔率を気にせずに強度向上を図ることができ、支持体の厚みを薄くでき、小型化を達成できるとともに、支持体が導電性である場合には、対向する位置に形成された発電素子とインターコネクタとの間の電気抵抗を小さくすることができ、発電性能を向上できる。   In the fuel cell according to the present invention, the support is plate-shaped, and the power generation element is provided on a main surface of the support. In such a fuel cell, since it is not necessary to give the support a gas diffusion function, the strength can be improved without worrying about the porosity, the thickness of the support can be reduced, and the size can be reduced. In addition, when the support is conductive, the electrical resistance between the power generation element formed at the opposing position and the interconnector can be reduced, and the power generation performance can be improved.

さらに、本発明の燃料電池セルは、前記支持体の前記発電素子と対向する位置にインターコネクタが形成されていることを特徴とする。このような場合には、支持体の対向する位置に異なる材料層が形成されているため、反りが発生しやすいが、本発明によれば、支持体に多孔性が要求されないため、支持体のヤング率を向上でき、支持体の発電素子と対向する位置にインターコネクタが形成されている場合であっても、燃料電池セルの反り発生を抑制できる。   Furthermore, the fuel battery cell of the present invention is characterized in that an interconnector is formed at a position of the support body facing the power generation element. In such a case, since different material layers are formed at opposite positions of the support, warping is likely to occur. However, according to the present invention, the support is not required to be porous. Even if the Young's modulus can be improved and the interconnector is formed at a position facing the power generation element of the support, the warpage of the fuel cell can be suppressed.

また、本発明の燃料電池セルは、前記支持体は導電性であることを特徴とする。このような燃料電池セルでは、支持体を緻密化し支持体強度を向上でき、また支持体厚みを薄くできるため、例えば、支持体の発電素子と対向する位置にインターコネクタが形成されている場合には、発電素子の内側電極とインターコネクタ間の電気抵抗を小さくすることができ、集電特性を向上し発電性能を向上できる。   Moreover, the fuel cell of the present invention is characterized in that the support is conductive. In such a fuel cell, the support can be made dense to improve the support strength, and the support thickness can be reduced. For example, when an interconnector is formed at a position facing the power generation element of the support. Can reduce the electrical resistance between the inner electrode of the power generation element and the interconnector, improve the current collection characteristics, and improve the power generation performance.

さらに、本発明の燃料電池セルは、前記支持体の前記発電素子と対向する位置にインターコネクタが形成されており、前記支持体が絶縁性であり、かつ、前記支持体に設けられたビアホール導体により前記発電素子の内側電極と前記インターコネクタが電気的に接続されていることを特徴とする。   Furthermore, in the fuel cell of the present invention, an interconnector is formed at a position facing the power generating element of the support, the support is insulative, and a via-hole conductor provided on the support Thus, the inner electrode of the power generation element and the interconnector are electrically connected.

このような燃料電池セルでは、支持体を絶縁体材料から構成することができるため、安価に燃料電池セルを作製することができ、支持体を介して対向する位置に設けられた発電素子の内側電極とインターコネクタをビアホール導体で電気的に接続することができる。   In such a fuel battery cell, since the support body can be made of an insulator material, the fuel battery cell can be manufactured at low cost, and the inside of the power generation element provided at a position facing through the support body. The electrode and the interconnector can be electrically connected by a via hole conductor.

また、本発明の燃料電池セルは、前記支持体は緻密質であることを特徴とする。このような燃料電池セルでは、支持体が緻密質であるため、ガス通路を通過するガスが支持体を透過し、支持体表面からのガス漏出を防止できる。   In the fuel cell of the present invention, the support is dense. In such a fuel cell, since the support is dense, the gas passing through the gas passage permeates the support and can prevent gas leakage from the support surface.

さらに、本発明の燃料電池セルは、前記支持体は多孔質であるとともに、前記支持体の発電素子以外の部分が緻密質層により被覆されていることを特徴とする。このような燃料電池セルでは、支持体の多孔度を気にすることがないため適当な多孔質とすることができ、そのような支持体であっても、発電素子以外の支持体外面が緻密質層により被覆されているので、ガス通路を通過するガスが支持体を拡散して漏出することを防止できる。   Furthermore, the fuel battery cell of the present invention is characterized in that the support is porous and a portion other than the power generation element of the support is covered with a dense layer. In such a fuel battery cell, since the porosity of the support is not concerned, it can be made suitable, and even in such a support, the outer surface of the support other than the power generation element is dense. Since it is covered with the material layer, the gas passing through the gas passage can be prevented from diffusing and leaking from the support.

本発明のセルスタックは、上記燃料電池セルを複数ガスマニホールドに立設してなり、該ガスマニホールド内のガスが前記燃料電池セルのガス通路を通過するとともに、前記複数の燃料電池セルが電気的に直列に接続されていることを特徴とする。このようなセルスタックでは、立設した燃料電池セルの反りが抑制されるため、例えば、セル間に集電部材を配置し、セル同士を電気的に接続する場合であっても、セル同士の電気的接続信頼性を向上できる。さらにセルの強度を向上できるため、セルのマニホールドに固定した部分での折損を防止することができる。   In the cell stack of the present invention, the fuel battery cells are erected on a plurality of gas manifolds, the gas in the gas manifold passes through the gas passages of the fuel battery cells, and the plurality of fuel battery cells are electrically connected. Are connected in series. In such a cell stack, since the warpage of the standing fuel cell is suppressed, for example, even when a current collecting member is arranged between the cells and the cells are electrically connected to each other, Electrical connection reliability can be improved. Furthermore, since the strength of the cell can be improved, breakage at the portion fixed to the manifold of the cell can be prevented.

本発明の燃料電池は、上記セルスタックを収納容器内に収容してなることを特徴とする。このような燃料電池では、反りを抑制してセル同士の接続信頼性を向上できるため、長期信頼性を向上できる。   The fuel cell of the present invention is characterized in that the cell stack is accommodated in a storage container. In such a fuel cell, warpage can be suppressed and the connection reliability between cells can be improved, so that long-term reliability can be improved.

本発明の燃料電池セルでは、凹溝と内側電極との間の空間からなるガス通路をガスが流れ、しかもガス通路に内側電極が面しているため、ガス通路を流れるガスが多孔質の内側電極を介して固体電解質まで拡散できる。これにより、従来のように支持体をガスが透過できるように多孔質とする必要がないため、より緻密質とすることができ、支持体の強度及びヤング率を向上でき、燃料電池セルの反りを抑制できる。   In the fuel cell of the present invention, gas flows through the gas passage formed by the space between the concave groove and the inner electrode, and the inner electrode faces the gas passage, so that the gas flowing through the gas passage is porous inside. It can diffuse to the solid electrolyte through the electrode. As a result, it is not necessary to make the support porous so that gas can permeate as in the conventional case, so that the support can be made denser, the strength and Young's modulus of the support can be improved, and the warpage of the fuel cell is improved. Can be suppressed.

また、支持体強度を大きくすることができ、しかも従来のように支持体中心部にガス通路を別個に形成する必要がないため、支持体が基板状である場合にはその厚みを小さくできるとともに、支持体材料の使用量を減少することができ、コストを低減でき、支持体が導電性である場合にはその抵抗を小さくできる。   In addition, the strength of the support can be increased, and since it is not necessary to separately form a gas passage in the center of the support as in the prior art, when the support is in the form of a substrate, its thickness can be reduced. The amount of the support material used can be reduced, the cost can be reduced, and the resistance can be reduced when the support is conductive.

本発明の燃料電池セルの断面を示す図1、斜視図を示す図2において、全体として30で示す燃料電池セルは中空平板状であり、断面が扁平状で、全体的に見て細長基板状の支持基板(支持体)31を備えている。支持基板31の外面には、適当な間隔で複数の燃料ガス通路31a(ガス流路を形成する)が長さ方向(軸長方向)に貫通して形成されており、燃料電池セル30は、この支持基板31の主面上に各種の部材が設けられた構造を有している。このような燃料電池セル30の複数を、図3に示すように、集電部材40により互いに直列に接続することにより、燃料電池を構成するセルスタックを形成することができる。   In FIG. 1 showing a cross section of the fuel battery cell of the present invention, and in FIG. 2 showing a perspective view, the fuel battery cell shown as 30 as a whole is in the shape of a hollow flat plate, the cross section is flat, and the overall shape is an elongated substrate. Support substrate (support) 31 is provided. On the outer surface of the support substrate 31, a plurality of fuel gas passages 31 a (forming gas passages) are formed penetrating in the length direction (axial length direction) at appropriate intervals. The support substrate 31 has a structure in which various members are provided on the main surface. A plurality of such fuel cells 30 are connected to each other in series by a current collecting member 40 as shown in FIG. 3, thereby forming a cell stack constituting the fuel cell.

支持基板31は、図1、2に示されている形状から理解されるように、平坦部Aと平坦部Aの両端の弧状部Bとからなっており、平坦部Aは主面を構成する。平坦部Aの両主面は互いにほぼ平行に形成されており、平坦部Aの一方の主面と両側の弧状部Bを覆うように燃料極層(内側電極)32が設けられており、さらに、この燃料極層32を覆うように、緻密質な固体電解質層33が積層されており、この固体電解質層33の上には、燃料極層32と対面するように、平坦部Aの一方の主面に酸素極層(外側電極)34が積層されている。燃料極層32及び固体電解質層33は、平坦部Aの一方の主面に、ガス流路形成方向に連続して形成されている。   As can be understood from the shape shown in FIGS. 1 and 2, the support substrate 31 includes a flat portion A and arcuate portions B at both ends of the flat portion A, and the flat portion A constitutes a main surface. . Both main surfaces of the flat portion A are formed substantially parallel to each other, and a fuel electrode layer (inner electrode) 32 is provided so as to cover one main surface of the flat portion A and the arc-shaped portions B on both sides, A dense solid electrolyte layer 33 is laminated so as to cover the fuel electrode layer 32, and one of the flat portions A is disposed on the solid electrolyte layer 33 so as to face the fuel electrode layer 32. An oxygen electrode layer (outer electrode) 34 is laminated on the main surface. The fuel electrode layer 32 and the solid electrolyte layer 33 are continuously formed on one main surface of the flat portion A in the gas flow path forming direction.

そして、本発明の燃料電池セルでは、燃料極層32と酸素極層34で挟持される部分が実質的に発電する部分、即ち発電素子45とされており、この発電素子45が設けられる位置の支持基板31の外面(一方側主面、言い換えれば一方側平坦部A)に7条の凹溝47が設けられ、これら凹溝47と燃料極層32との間の空間が燃料ガス通路31aとされている。支持基板31の発電素子45と対向する位置(他方側主面、言い換えれば他方側平坦部A)には、インターコネクタ35が形成されている。   In the fuel cell of the present invention, the portion sandwiched between the fuel electrode layer 32 and the oxygen electrode layer 34 is a portion that substantially generates power, that is, a power generation element 45, and the position where the power generation element 45 is provided. Seven concave grooves 47 are provided on the outer surface (one main surface, in other words, one flat portion A) of the support substrate 31, and the space between the concave grooves 47 and the fuel electrode layer 32 is defined as the fuel gas passage 31a. Has been. An interconnector 35 is formed at a position of the support substrate 31 facing the power generation element 45 (the other main surface, in other words, the other flat portion A).

即ち、支持基板31の一方側主面には、その幅方向に所定間隔を置いて長さ方向に伸びる直線状の凹溝47が7本形成されており、これらの凹溝47とこれらの凹溝47を塞ぐように、発電素子45を支持基板31の一方側主面に設け、発電素子45の燃料極層32と凹溝47との間が燃料ガス通路31aとされている。   That is, seven linear concave grooves 47 extending in the length direction at predetermined intervals in the width direction are formed on the one side main surface of the support substrate 31. The power generation element 45 is provided on one main surface of the support substrate 31 so as to close the groove 47, and a fuel gas passage 31a is formed between the fuel electrode layer 32 of the power generation element 45 and the concave groove 47.

これにより、燃料ガス通路31aは7本形成されており、燃料電池セルの長さ方向(軸長方向)に形成されており、燃料ガス通路31aを通過する燃料ガスが燃料極層32を介して固体電解質層33まで拡散可能とされている。尚、燃料極層32を介して固体電解質層33まで燃料ガスの拡散を十分に行うという点からは、燃料極層32の厚みは、従来よりも厚い0.5〜2mmとすることが望ましい。   Thus, seven fuel gas passages 31a are formed, which are formed in the length direction (axial length direction) of the fuel cell, and the fuel gas passing through the fuel gas passage 31a passes through the fuel electrode layer 32. The solid electrolyte layer 33 can be diffused. Note that the thickness of the fuel electrode layer 32 is desirably 0.5 to 2 mm, which is thicker than before, from the viewpoint of sufficiently diffusing the fuel gas through the fuel electrode layer 32 to the solid electrolyte layer 33.

また、上記例では、直線状の凹溝47を形成して直線状の燃料ガス通路31aを形成したが、凹溝47の形状は、例えば蛇行形状(ミアンダ形状)とすることもでき、どのような形状にも対応できる。さらに、7本の凹溝47を形成したが、例えば、燃料電池セルに1本の凹溝47を蛇行状に形成し、一本の燃料ガス通路31aを形成することもできる。   In the above example, the linear groove 47 is formed to form the linear fuel gas passage 31a. However, the shape of the groove 47 may be, for example, a meandering shape. It can correspond to any shape. Further, although the seven concave grooves 47 are formed, for example, one concave groove 47 can be formed in a meandering manner in the fuel cell, and one fuel gas passage 31a can be formed.

さらに、7本の直線状の凹溝47に交差するように凹溝を形成する、即ち、7本の燃料ガス通路31aを連結する通路を形成することもできる。この場合には、発電素子45に燃料ガスを十分に供給することができる。   Furthermore, a groove can be formed so as to intersect the seven linear grooves 47, that is, a passage connecting the seven fuel gas passages 31a can be formed. In this case, the fuel gas can be sufficiently supplied to the power generation element 45.

本発明では、支持基板31の一方側主面に7本の凹溝47を設け、これら凹溝47と燃料極層32との間の空間を燃料ガス通路31aとしているため、支持基板31自体に、燃料ガスを供給拡散させる機能を与えることがなく、これにより、支持基板31の気孔率を気にすることがなく、さらに言えば、支持基板31を緻密質とすることができ、支持基板31の強度及びヤング率を向上することができ、仮に支持基板31の対向する両主面に異なる材料からなる層を形成したとしても、燃料電池セル30の反り量、特に燃料電池セルの長さ方向における反り量を減少することができる。   In the present invention, seven concave grooves 47 are provided on one main surface of the support substrate 31 and the space between the concave grooves 47 and the fuel electrode layer 32 is used as the fuel gas passage 31a. In addition, the function of supplying and diffusing the fuel gas is not provided, and thus the porosity of the support substrate 31 is not considered, and more specifically, the support substrate 31 can be dense, and the support substrate 31 can be made dense. Even if a layer made of a different material is formed on both opposing main surfaces of the support substrate 31, the warpage amount of the fuel battery cell 30, particularly the length direction of the fuel battery cell, can be improved. The amount of warpage in can be reduced.

また、本発明の燃料電池セルは、支持基板31の長さが120mm以上、支持基板31の厚み(平坦部A−A間距離)が8mm以下、幅(弧状部B−B間距離)が20mm以上である場合に好適に用いることができる。即ち、中空平板型燃料電池セルでは、長さが長い場合、図7(a−2)に示すように、セルを長さ方向に見た場合に、インターコネクタ側を背にして弓なりに反り易くなるため、本発明を有効に用いることができ、また、幅が広くなると、図7(a−3)に示すように、セルの幅方向に、即ち、燃料電池セルを幅方向に見た場合に、インターコネクタ側を背にして三日月状に反り易くなるため、本発明を有効に用いることができる。   In the fuel cell of the present invention, the length of the support substrate 31 is 120 mm or more, the thickness of the support substrate 31 (the distance between the flat portions A and A) is 8 mm or less, and the width (the distance between the arc-shaped portions BB) is 20 mm. It can be used suitably when it is above. That is, in a hollow flat plate type fuel cell, when the length is long, as shown in FIG. 7 (a-2), when the cell is viewed in the length direction, it is easy to warp like a bow with the interconnector side as the back. Therefore, the present invention can be used effectively, and when the width is widened, as shown in FIG. 7 (a-3), when the fuel cell is viewed in the width direction, that is, in the width direction. In addition, the present invention can be used effectively because it tends to warp in a crescent shape with the interconnector side as the back.

また、燃料電池セルの支持基板厚みが8mm以下である場合には、対向する主面間の距離が薄いため、長さ方向や幅方向に反り易くなるため、本発明を有効に用いることができる。   Further, when the thickness of the support substrate of the fuel cell is 8 mm or less, the distance between the main surfaces facing each other is small, so that the fuel cell tends to warp in the length direction and the width direction, so that the present invention can be used effectively. .

上記のような構造の燃料電池セルでは、燃料極層32の酸素極層34と対面している部分が燃料極として作動して発電する。即ち、酸素極層34の外側に空気等の酸素含有ガスを流し、且つ支持基板31のガス通路31aに燃料ガス(水素)を流し、所定の作動温度まで加熱することにより、酸素極層34で下記式(1)の電極反応を生じ、また燃料極層32の燃料極となる部分では例えば下記式(2)の電極反応を生じることによって発電する。   In the fuel cell having the above structure, the portion of the fuel electrode layer 32 facing the oxygen electrode layer 34 operates as a fuel electrode to generate electric power. That is, an oxygen-containing gas such as air is allowed to flow outside the oxygen electrode layer 34, and a fuel gas (hydrogen) is supplied to the gas passage 31a of the support substrate 31 and heated to a predetermined operating temperature. Electricity is generated by generating an electrode reaction of the following formula (1) and generating an electrode reaction of the following formula (2), for example, at the portion of the fuel electrode layer 32 that becomes the fuel electrode.

酸素極: 1/2O+2e → O2− (固体電解質) …(1)
燃料極: O2− (固体電解質)+ H → HO+2e…(2)
かかる発電によって生成した電流は、支持基板31に取り付けられているインターコネクタ35を介して集電される。
Oxygen electrode: 1 / 2O 2 + 2e → O 2− (solid electrolyte) (1)
Fuel electrode: O 2− (solid electrolyte) + H 2 → H 2 O + 2e (2)
The current generated by the power generation is collected through the interconnector 35 attached to the support substrate 31.

このような燃料電池セルは、支持基板31が導電性を有するとともに、該導電性支持基板31の一方側主面に燃料極層32を介して固体電解質層33を形成することにより、ガス透過性が要求される支持基板31、及びガスとの反応性が要求される燃料極層32を、別個に形成するため、それぞれの機能に対応した材料、組織等とすることができ、また集電も容易に行うことができ、最適な燃料電池セルを作製できる。   In such a fuel battery cell, the support substrate 31 has conductivity, and the solid electrolyte layer 33 is formed on one main surface of the conductive support substrate 31 with the fuel electrode layer 32 interposed therebetween. Since the support substrate 31 required for the gas and the fuel electrode layer 32 required for the reactivity with the gas are separately formed, the material, the structure and the like corresponding to each function can be used. This can be easily performed, and an optimal fuel cell can be produced.

また、燃料極層32及び固体電極層33が積層されていない平坦部Aの他方の主面には、インターコネクタ35が形成されている。図1から明らかな通り、燃料極層32及び固体電解質層33は、インターコネクタ35の両サイドにまで延びており、支持基板31の表面が外部に露出しないように構成されている。   An interconnector 35 is formed on the other main surface of the flat portion A where the fuel electrode layer 32 and the solid electrode layer 33 are not stacked. As is clear from FIG. 1, the fuel electrode layer 32 and the solid electrolyte layer 33 extend to both sides of the interconnector 35 and are configured so that the surface of the support substrate 31 is not exposed to the outside.

(支持基板31)
上記のような構造を有する燃料電池セル30において、支持基板31は、インターコネクタ35を介しての集電を行うために導電性とされ、同時焼成時の熱膨張差による固体電解質などのクラックや剥離がないことが要求されるが、このような要求を満たすと同時に、還元・酸化サイクルにおける支持基板31の体積膨張に起因した固体電解質などのクラックを抑制する目的で、触媒活性金属及びその酸化物のいずれかと、触媒金属及びその酸化物との反応物を生成しない無機骨材、例えば、金属酸化物である固体電解質又は少なくとも一種の希土類元素を含有する希土類元素酸化物とを含有せしめて構成する。
(Support substrate 31)
In the fuel cell 30 having the above-described structure, the support substrate 31 is made conductive to collect current via the interconnector 35, and cracks such as solid electrolyte due to thermal expansion difference during simultaneous firing Although it is required that there is no exfoliation, the catalytically active metal and its oxidation are satisfied for the purpose of satisfying such a requirement and at the same time suppressing cracks such as solid electrolyte caused by volume expansion of the support substrate 31 in the reduction / oxidation cycle. And an inorganic aggregate that does not generate a reaction product of the catalytic metal and its oxide, for example, a solid electrolyte that is a metal oxide or a rare earth element oxide containing at least one rare earth element To do.

触媒金属としてはFe、Co、Niなどの鉄族成分があり、金属単体であってもよいし、また酸化物、合金もしくは合金酸化物であってもよい。本発明では、何れをも使用することができるが、安価であること及び燃料ガス中で安定であることからNi及び/またはNiOを含有していることが好ましい。   As the catalyst metal, there are iron group components such as Fe, Co, and Ni, which may be a single metal, or an oxide, an alloy, or an alloy oxide. In the present invention, any of them can be used, but it is preferable that Ni and / or NiO are contained because they are inexpensive and stable in fuel gas.

また、無機骨材としては、(2)の電極反応を促進するために、所謂三相界面(電解質/触媒金属/気相の界面)を増やすために、固体電解質層33を形成している安定化ジルコニアやランタンガレート系ペロブスカイト型組成物等と同等の材料を用いても良いし、熱膨張係数を下げて固体電解質層33と近似させるために希土類酸化物を用いても良い。後者には特にSc,Y,Lu,Yb,Tm,Er,Ho,Dy,Gd,Sm,Prからなる群より選ばれた少なくとも1種の希土類元素を含む酸化物が使用される。このような希土類酸化物の具体例としては、Sc、Y、Lu、Yb、Tm、Er、Ho、Dy、Gd、Sm、Prを例示することができ、特に安価であるという点で、Y,Yb、さらにはYが好適である。 Further, as the inorganic aggregate, the solid electrolyte layer 33 is formed in order to increase the so-called three-phase interface (electrolyte / catalyst metal / gas phase interface) in order to promote the electrode reaction of (2). A material equivalent to zirconia bromide, a lanthanum gallate-based perovskite type composition, or the like may be used, or a rare earth oxide may be used to lower the thermal expansion coefficient and approximate the solid electrolyte layer 33. In particular, an oxide containing at least one rare earth element selected from the group consisting of Sc, Y, Lu, Yb, Tm, Er, Ho, Dy, Gd, Sm, and Pr is used for the latter. Specific examples of such rare earth oxides, Sc 2 O 3, Y 2 O 3, Lu 2 O 3, Yb 2 O 3, Tm 2 O 3, Er 2 O 3, Ho 2 O 3, Dy 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Sm 2 O 3 , Pr 2 O 3 can be exemplified, and Y 2 O 3 , Yb 2 O 3 , and Y 2 O 3 are preferable in that they are particularly inexpensive. is there.

尚、支持基板31中には、要求される特性が損なわれない限りの範囲で他の金属成分や酸化物成分を含有していてもよい。   The support substrate 31 may contain other metal components and oxide components as long as required characteristics are not impaired.

上記のような支持基板31は、従来のように燃料ガス透過性を有する必要はないが、この例では所定の気孔率を有する多孔質とされている。また、支持基板31の導電率は、300S/cm以上、特に440S/cm以上であることが好ましい。この支持基板31からの燃料ガスの漏出を防止するため、支持基板31の外面は緻密質層(固体電解質33及びインターコネクタ35)により被覆されている。   The support substrate 31 as described above does not need to have fuel gas permeability as in the conventional case, but in this example, the support substrate 31 is porous having a predetermined porosity. Further, the conductivity of the support substrate 31 is preferably 300 S / cm or more, and particularly preferably 440 S / cm or more. In order to prevent leakage of the fuel gas from the support substrate 31, the outer surface of the support substrate 31 is covered with a dense layer (solid electrolyte 33 and interconnector 35).

また、支持基板31の平坦部Aの長さは、20〜35mm、弧状部Bの長さ(弧の長さ)は、3〜8mm程度であり、支持基板31の厚みは(平坦部Aの両面の間隔)は2.5〜8mmであることが望ましい。   Further, the length of the flat portion A of the support substrate 31 is 20 to 35 mm, the length of the arc-shaped portion B (the length of the arc) is about 3 to 8 mm, and the thickness of the support substrate 31 is (of the flat portion A). The distance between both surfaces is preferably 2.5 to 8 mm.

(燃料極層32)
本発明において、燃料極層32は、前述した式(2)の電極反応を生じせしめるものであり、それ自体公知の多孔質の導電性セラミックスから形成される。例えば、希土類元素が固溶しているZrOと、Ni及び/またはNiOとから形成される。この希土類元素が固溶しているZrO(安定化ジルコニア)としては、以下に述べる固体電解質層33の形成に使用されているものと同様のものを用いるのがよい。
(Fuel electrode layer 32)
In the present invention, the fuel electrode layer 32 causes the electrode reaction of the above-described formula (2), and is formed of a known porous conductive ceramic. For example, it is formed from ZrO 2 in which a rare earth element is dissolved, and Ni and / or NiO. As ZrO 2 (stabilized zirconia) in which the rare earth element is dissolved, the same one used for forming the solid electrolyte layer 33 described below is preferably used.

燃料極層32中の安定化ジルコニア含量は、35〜65体積%の範囲にあるのが好ましく、またNi或いはNiO含量は、65〜35体積%であるのがよい。さらに、この燃料極層32の開気孔率は、15%以上、特に20〜40%の範囲にあるのがよく、その厚みは、1〜30μmであることが望ましい。例えば、燃料極層32の厚みがあまり薄いと、性能が低下するおそれがあり、またあまり厚いと、固体電解質層33と燃料極層32との間で熱膨張差による剥離等を生じるおそれがある。   The stabilized zirconia content in the fuel electrode layer 32 is preferably in the range of 35 to 65% by volume, and the Ni or NiO content is preferably 65 to 35% by volume. Further, the open porosity of the fuel electrode layer 32 is preferably 15% or more, particularly preferably in the range of 20 to 40%, and the thickness is preferably 1 to 30 μm. For example, if the thickness of the fuel electrode layer 32 is too thin, the performance may be deteriorated, and if it is too thick, there is a risk of peeling due to a difference in thermal expansion between the solid electrolyte layer 33 and the fuel electrode layer 32. .

また、図1の例では、この燃料極層32は、インターコネクタ35の両サイドにまで延びているが、酸素極層34に対面する位置に存在して、言い換えれば発電素子45の部分のみ燃料極が形成されていればよいため、例えば酸素極層34が設けられている側の平坦部Aにのみ燃料極層32が形成されていてもよい。さらには、支持基板31の全周にわたって燃料極層32を形成することも可能である。本発明においては、固体電解質層33と支持基板31との接合強度を高めるために、固体電解質層33の全体が燃料極層32上に形成されていることが好適である。   In the example of FIG. 1, the fuel electrode layer 32 extends to both sides of the interconnector 35, but is present at a position facing the oxygen electrode layer 34, in other words, only the portion of the power generation element 45 is fueled. Since the electrode only needs to be formed, for example, the fuel electrode layer 32 may be formed only in the flat portion A on the side where the oxygen electrode layer 34 is provided. Furthermore, the fuel electrode layer 32 can be formed over the entire circumference of the support substrate 31. In the present invention, it is preferable that the entire solid electrolyte layer 33 is formed on the fuel electrode layer 32 in order to increase the bonding strength between the solid electrolyte layer 33 and the support substrate 31.

尚、燃料ガス通路31aから燃料ガスを固体電解質層33に十分に供給するには、発電素子45の燃料極層32の厚みを0.5〜2mmと従来よりも厚くし、この燃料極層32を燃料ガスが拡散可能とすることが望ましい。   In order to sufficiently supply the fuel gas from the fuel gas passage 31 a to the solid electrolyte layer 33, the thickness of the fuel electrode layer 32 of the power generation element 45 is set to 0.5 to 2 mm, which is larger than the conventional one. It is desirable to allow the fuel gas to diffuse.

(固体電解質層33)
この燃料極層32上に設けられている固体電解質層33は、一般に3〜15モル%の希土類元素が固溶したZrO(通常、安定化ジルコニア)と呼ばれる緻密質なセラミックスから形成されている。希土類元素としては、Sc,Y,La,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Luを例示することができるが、安価であるという点からY、Ybが望ましい。
(Solid electrolyte layer 33)
The solid electrolyte layer 33 provided on the fuel electrode layer 32 is generally formed of a dense ceramic called ZrO 2 (usually stabilized zirconia) in which 3 to 15 mol% of a rare earth element is dissolved. . Examples of rare earth elements include Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu, but they are inexpensive. From the point, Y and Yb are desirable.

この固体電解質層33を形成する安定化ジルコニアセラミックスは、ガス透過を防止するという点から、相対密度(アルキメデス法による)が93%以上、特に95%以上の緻密質であることが望ましく、且つその厚みが10〜100μmであることが望ましい。固体電解質層33としては、安定化ジルコニア以外に、ランタンガレート系ペロブスカイト型組成物から構成されていても良い。   The stabilized zirconia ceramics forming the solid electrolyte layer 33 is desirably a dense material having a relative density (according to Archimedes method) of 93% or more, particularly 95% or more from the viewpoint of preventing gas permeation. It is desirable that the thickness is 10 to 100 μm. The solid electrolyte layer 33 may be composed of a lanthanum gallate perovskite type composition in addition to stabilized zirconia.

(酸素極層34)
酸素極層34は、所謂ABO型のペロブスカイト型酸化物からなる導電性セラミックスから形成される。かかるペロブスカイト型酸化物としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物、特にAサイトにLaを有するLaMnO系酸化物、LaFeO系酸化物、LaCoO系酸化物の少なくとも1種が好適であり、600〜1000℃程度の作動温度での電気伝導性が高いという点からLaFeO系酸化物が特に好適である。尚、上記ペロブスカイト型酸化物においては、AサイトにLaと共にSrなどが存在していてもよいし、さらにBサイトには、FeとともにCoやMnが存在していてもよい。
(Oxygen electrode layer 34)
The oxygen electrode layer 34 is formed of a conductive ceramic made of a so-called ABO 3 type perovskite oxide. As such a perovskite oxide, at least one of transition metal perovskite oxides, particularly LaMnO 3 oxides, LaFeO 3 oxides, and LaCoO 3 oxides having La at the A site is preferable. LaFeO 3 -based oxides are particularly suitable because they have high electrical conductivity at an operating temperature of about 1000 ° C. In the perovskite oxide, Sr and the like may exist together with La at the A site, and Co and Mn may exist together with Fe at the B site.

また、酸素極層34は、ガス透過性を有していなければならず、従って、酸素極層34を形成する導電性セラミックス(ペロブスカイト型酸化物)は、開気孔率が20%以上、特に30〜50%の範囲にあることが望ましい。   The oxygen electrode layer 34 must have gas permeability. Therefore, the conductive ceramic (perovskite oxide) forming the oxygen electrode layer 34 has an open porosity of 20% or more, particularly 30. It is desirable to be in the range of ˜50%.

このような酸素極層34の厚みは、集電性という点から30〜100μmであることが望ましい。   The thickness of the oxygen electrode layer 34 is preferably 30 to 100 μm from the viewpoint of current collection.

(インターコネクタ35)
上記の酸素極層34に対面する位置において、支持基板31上に設けられているインターコネクタ35は、導電性セラミックスからなるが、燃料ガス(水素)及び酸素含有ガスと接触するため、耐還元性、耐酸化性を有していることが必要である。このため、かかる導電性セラミックスとしては、一般に、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物(LaCrO系酸化物)が使用される。また、燃料ガス通路31aを通る燃料ガス及び支持基板31の外部を通る酸素含有ガスのリークを防止するため、かかる導電性セラミックスは緻密質でなければならず、例えば93%以上、特に95%以上の相対密度を有していることが好適である。
(Interconnector 35)
The interconnector 35 provided on the support substrate 31 at the position facing the oxygen electrode layer 34 is made of conductive ceramics, but is in contact with the fuel gas (hydrogen) and the oxygen-containing gas. It is necessary to have oxidation resistance. For this reason, lanthanum chromite perovskite oxides (LaCrO 3 oxides) are generally used as the conductive ceramics. Further, in order to prevent leakage of the fuel gas passing through the fuel gas passage 31a and the oxygen-containing gas passing through the outside of the support substrate 31, such conductive ceramics must be dense, for example, 93% or more, particularly 95% or more. It is preferable to have a relative density of

かかるインターコネクタ35は、ガスのリーク防止と電気抵抗という点から、10〜200μmであることが望ましい。即ち、この範囲よりも厚みが薄いと、ガスのリークを生じやすく、またこの範囲よりも厚みが大きいと、電気抵抗が大きく、電位降下により集電機能が低下してしまうおそれがあるからである。一方、反り抑制という観点からは、100μm以下が望ましい。   The interconnector 35 is desirably 10 to 200 μm from the viewpoint of preventing gas leakage and electrical resistance. That is, if the thickness is smaller than this range, gas leakage is likely to occur, and if the thickness is larger than this range, the electric resistance is large, and the current collecting function may be reduced due to a potential drop. . On the other hand, 100 μm or less is desirable from the viewpoint of warpage suppression.

また、図1から明らかな通り、ガスのリークを防止するために、インターコネクタ35の両サイドには、緻密質の固体電解質層33が密着しているが、シール性を高めるために、例えばYなどからなる接合層(図示せず)をインターコネクタ35の両側面と固体電解質層33との間に設けることもできる。 Further, as is clear from FIG. 1, in order to prevent gas leakage, a dense solid electrolyte layer 33 is in close contact with both sides of the interconnector 35. A bonding layer (not shown) made of 2 O 3 or the like can be provided between both side surfaces of the interconnector 35 and the solid electrolyte layer 33.

インターコネクタ35の外面(上面)には、P型半導体層39が設けられている。集電部材40を、P型半導体層39を介してインターコネクタ35に接続させることにより、両者の接触がオーム接触となり、電位降下を少なくし、集電性能の低下を有効に回避することが可能となり、例えば、一方の燃料電池セル30の酸素極層34からの電流を、他方の燃料電池セル30の支持基板31に効率良く伝達できる。このようなP型半導体としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物を例示することができる。   A P-type semiconductor layer 39 is provided on the outer surface (upper surface) of the interconnector 35. By connecting the current collecting member 40 to the interconnector 35 via the P-type semiconductor layer 39, the contact between the two becomes an ohmic contact, the potential drop can be reduced, and the deterioration of the current collecting performance can be effectively avoided. Thus, for example, the current from the oxygen electrode layer 34 of one fuel battery cell 30 can be efficiently transmitted to the support substrate 31 of the other fuel battery cell 30. As such a P-type semiconductor, a transition metal perovskite oxide can be exemplified.

具体的には、インターコネクタ35を構成するLaCrO系酸化物よりも電子伝導性が大きいもの、例えば、BサイトにMn、Fe、Coなどが存在するLaMnO系酸化物、LaFeO系酸化物、LaCoO系酸化物などの少なくとも一種からなるP型半導体セラミックスを使用することができる。このようなP型半導体層39の厚みは、一般に、30〜100μmの範囲にあることが好ましい。 Specifically, those having higher electronic conductivity than LaCrO 3 oxides constituting the interconnector 35, for example, LaMnO 3 oxides and LaFeO 3 oxides in which Mn, Fe, Co, etc. exist at the B site P-type semiconductor ceramics made of at least one of LaCoO 3 -based oxides can be used. In general, the thickness of the P-type semiconductor layer 39 is preferably in the range of 30 to 100 μm.

また、インターコネクタ35は、固体電解質層33が設けられていない側の支持基板31の平坦部分A上に直接設けることもできるが、この部分にも燃料極材料が設けられ、この燃料極材料層37上にインターコネクタ35が設けられている。即ち、燃料極材料を支持基板31の全周にわたって設け、燃料極材料層37上にインターコネクタ35を設けられており、この場合には、支持基板31とインターコネクタ35との間の界面での電位降下を抑制することができる上で有利である。   The interconnector 35 can also be provided directly on the flat portion A of the support substrate 31 on the side where the solid electrolyte layer 33 is not provided, but this portion is also provided with a fuel electrode material, and this fuel electrode material layer. An interconnector 35 is provided on 37. That is, the fuel electrode material is provided over the entire circumference of the support substrate 31, and the interconnector 35 is provided on the fuel electrode material layer 37. In this case, at the interface between the support substrate 31 and the interconnector 35. This is advantageous in that the potential drop can be suppressed.

(燃料電池セルの製造)
以上のような構造を有する燃料電池セルは、以下のようにして製造される。先ず、Ni等の鉄族金属或いはその酸化物粉末と、例えばY粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合して坏土を調製し、この坏土を用いての押出成形により、支持基板成形体を作製し、これを乾燥する。支持基板の凹溝は、押出成形時に形成することができる。
(Manufacture of fuel cells)
The fuel battery cell having the above structure is manufactured as follows. First, an iron group metal such as Ni or its oxide powder, for example, Y 2 O 3 powder, an organic binder, and a solvent are mixed to prepare a clay, and by extrusion molding using this clay, A support substrate molding is produced and dried. The concave groove of the support substrate can be formed at the time of extrusion molding.

次に、燃料側電極形成用材料(Ni或いはNiO粉末と安定化ジルコニア粉末)、有機バインダー及び溶媒を混合してスラリーを調製し、このスラリーを用いて燃料側電極用のシートを作製する。   Next, a fuel-side electrode forming material (Ni or NiO powder and stabilized zirconia powder), an organic binder and a solvent are mixed to prepare a slurry, and a sheet for the fuel-side electrode is prepared using this slurry.

さらに、安定化ジルコニア粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合してスラリーを調製し、このスラリーを用いて固体電解質層用シートを作製し、この固体電解質層シートに、上記燃料側電極用シートを積層し、この複合シートを、図1に示すような層構造となるように積層し、乾燥する。   Further, a stabilized zirconia powder, an organic binder, and a solvent are mixed to prepare a slurry, and a solid electrolyte layer sheet is prepared using the slurry, and the fuel electrolyte electrode sheet is added to the solid electrolyte layer sheet. Then, this composite sheet is laminated so as to have a layer structure as shown in FIG. 1 and dried.

尚、凹溝47が大きい場合等に、上記複合シートの積層、形成が困難な場合(積層後の複合シート表面に凹凸が形成される場合)は、凹溝47内に焼成時に飛散する樹脂材料を充填しても良い。   In addition, when the concave groove 47 is large or the like, when it is difficult to laminate and form the composite sheet (when unevenness is formed on the surface of the composite sheet after lamination), the resin material scattered in the concave groove 47 during firing. May be filled.

また、支持基板仮焼体は、Ni等の鉄族金属或いはその酸化物粒子と、Y粒子とからなり、燃料側電極仮焼体は、Ni或いはNiO粒子と安定化ジルコニア粒子とからなり、固体電解質成形体は、安定化ジルコニア粉末と有機成分とから構成されている。 The support substrate calcined body is composed of iron group metal such as Ni or oxide particles thereof and Y 2 O 3 particles, and the fuel side electrode calcined body is composed of Ni or NiO particles and stabilized zirconia particles. Thus, the solid electrolyte molded body is composed of a stabilized zirconia powder and an organic component.

この後、インターコネクタ用材料(例えば、LaCrO系酸化物粉末)、有機バインダー及び溶媒を混合してスラリーを調製し、インターコネクタ用シートを作製する。このインターコネクタ用シートを、上記で得られた積層体の固体電解質層が形成されていない位置に積層し、焼成用積層体を作製する。 Thereafter, the interconnector material (e.g., LaCrO 3 based oxide powder), an organic binder and a solvent were mixed to prepare a slurry, to produce the interconnector sheet. This interconnector sheet is laminated at a position where the solid electrolyte layer of the laminate obtained above is not formed, to produce a laminate for firing.

次いで、上記の焼成用積層体を脱バインダ処理し、酸素含有雰囲気中、1300〜1600℃で同時焼成し、得られた焼結体の所定の位置に、酸素側電極形成用材料(例えば、LaFeO系酸化物粉末)と溶媒を含有するペースト、及び必要により、P型半導体層形成用材料(例えば、LaFeO系酸化物粉末)と溶媒を含むペーストを、ディッピング等により塗布し、1000〜1300℃で焼き付けることにより、図1に示す構造の本発明の燃料電池セル30を製造することができる。 Next, the above laminate for firing is subjected to a binder removal treatment, and co-fired at 1300 to 1600 ° C. in an oxygen-containing atmosphere, and an oxygen-side electrode forming material (for example, LaFeO) is placed at a predetermined position of the obtained sintered body. 3 type oxide powder) and a paste containing a solvent, and if necessary, a paste containing a P-type semiconductor layer forming material (for example, LaFeO 3 type oxide powder) and a solvent is applied by dipping or the like, and 1000-1300 By baking at a temperature of 0 ° C., the fuel cell 30 of the present invention having the structure shown in FIG. 1 can be manufactured.

尚、支持基板31や燃料側電極32の形成にNi単体を用いた場合には、酸素含有雰囲気での焼成により、Niが酸化されてNiOとなっているが、必要により、還元処理することにより、Niに戻すことができる。   In the case where Ni alone is used to form the support substrate 31 and the fuel side electrode 32, Ni is oxidized to NiO by firing in an oxygen-containing atmosphere. , Ni can be returned.

(セルスタック)
セルスタックは、図3に示すように、上述した燃料電池セル30が複数集合して、上下に隣接する一方の燃料電池セル30と他方の燃料電池セル30との間に、金属フェルト及び/又は金属板からなる集電部材40を介在させ、両者を互いに直列に接続することにより構成されている。複数の燃料電池セル30が集電部材40を介して積層された状態で、図4(a)(b)に示すように、下端部が固定板61に固定され、この固定板61が上面が開口した筐体状のマニホールド本体63の上蓋として、マニホールド本体63に接合され、マニホールド65上に複数の燃料電池セル30が立設したセルスタックが構成されており、マニホールド65内の燃料ガスが燃料電池セル30のガス通路31aを通過するように構成されている。
(Cell stack)
As shown in FIG. 3, the cell stack includes a plurality of the fuel cells 30 described above, and a metal felt and / or between one fuel cell 30 and the other fuel cell 30 adjacent to each other in the vertical direction. A current collecting member 40 made of a metal plate is interposed, and both are connected in series with each other. In a state where the plurality of fuel cells 30 are stacked via the current collecting member 40, as shown in FIGS. 4A and 4B, the lower end portion is fixed to the fixed plate 61, and the upper surface of the fixed plate 61 is A cell stack in which a plurality of fuel cells 30 are erected on the manifold 65 is formed as an upper cover of the opened casing-like manifold body 63, and the fuel gas in the manifold 65 is fuel. The battery cell 30 is configured to pass through the gas passage 31a.

即ち、一方の燃料電池セル30の支持基板31は、インターコネクタ35、P型半導体層39、集電部材40を介して、他方の燃料電池セル30の酸素極層34に電気的に接続されている。また、このようなセルスタックは、図3に示すように、サイドバイサイドに配置されており、隣接するセルスタック同士は、導電部材42によって直列に接続されている。   That is, the support substrate 31 of one fuel cell 30 is electrically connected to the oxygen electrode layer 34 of the other fuel cell 30 via the interconnector 35, the P-type semiconductor layer 39, and the current collecting member 40. Yes. Such cell stacks are arranged side by side as shown in FIG. 3, and adjacent cell stacks are connected in series by a conductive member 42.

本発明の燃料電池は、図3のセルスタックを、収納容器内に収容して構成される。この収納容器には、外部から水素等の燃料ガスを燃料電池セル30に導入する導入管、及び空気等の酸素含有ガスを燃料電池セル30の外部空間に導入するための導入管が設けられており、燃料電池セルが所定温度(例えば、600〜900℃)に加熱されることにより発電し、使用された燃料ガス、酸素含有ガスは、収納容器外に排出される。   The fuel cell of the present invention is configured by accommodating the cell stack of FIG. 3 in a storage container. The storage container is provided with an introduction pipe for introducing a fuel gas such as hydrogen into the fuel battery cell 30 from the outside, and an introduction pipe for introducing an oxygen-containing gas such as air into the external space of the fuel battery cell 30. The fuel cell is heated to a predetermined temperature (for example, 600 to 900 ° C.) to generate electric power, and the used fuel gas and oxygen-containing gas are discharged out of the storage container.

尚、本発明は上記形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、上記形態では、支持基板31上に燃料極層32を形成した場合について説明したが、支持基板に酸素極層、固体電解質、燃料極層を形成しても良い。   In addition, this invention is not limited to the said form, A various change is possible in the range which does not change the summary of invention. For example, in the above embodiment, the case where the fuel electrode layer 32 is formed on the support substrate 31 has been described. However, an oxygen electrode layer, a solid electrolyte, and a fuel electrode layer may be formed on the support substrate.

また、上記形態では、支持基板31が導電性の場合について説明したが、支持基板31が絶縁性の場合には、図5に示すように、支持基板31に厚み方向に貫通する貫通孔を形成し、この貫通孔内に導電材料を充填してビアホール導体51を形成し、このビアホール導体51により発電素子45の燃料極層32とインターコネクタ35とを電気的に接続することもできる。この場合には、支持基板材料を種種の材料から選択することができ、しかもより緻密質な支持基板とすることができ、発電素子45,インターコネクタ35以外の部分を緻密質な固体電解質層で被覆する必要がなくなり、製造が容易となる。   In the above embodiment, the case where the support substrate 31 is conductive has been described. However, when the support substrate 31 is insulative, a through-hole penetrating in the thickness direction is formed in the support substrate 31 as shown in FIG. The via hole conductor 51 can be formed by filling the through hole with a conductive material, and the fuel electrode layer 32 of the power generation element 45 and the interconnector 35 can be electrically connected by the via hole conductor 51. In this case, the support substrate material can be selected from various types of materials, and the support substrate can be made denser. The portions other than the power generation element 45 and the interconnector 35 can be made of a dense solid electrolyte layer. There is no need for coating, and manufacturing is facilitated.

本発明の燃料電池セルを示すもので、(a)は横断面図、(b)は(a)のX−X線に沿う縦断面図である。The fuel cell of this invention is shown, (a) is a cross-sectional view, (b) is a longitudinal cross-sectional view which follows the XX line of (a). (a)は本発明の燃料電池セルの断面斜視図であり、(b)は支持基板の断面斜視図である。(A) is a cross-sectional perspective view of the fuel battery cell of this invention, (b) is a cross-sectional perspective view of a support substrate. 本発明の燃料電池セルのスタックを示す横断面図である。It is a cross-sectional view showing a stack of fuel cells of the present invention. 燃料電池セルがマニホールドに立設する状態を示すもので、(a)は燃料電池セルが固定された固定板をマニホールド本体の開口部に嵌め込む状態を示す斜視図、(b)は(a)の断面図、(c)は燃料電池セルが固定された固定板をマニホールド本体の開口部に嵌め込んだ状態を示す斜視図である。The fuel cell is shown in a standing state on the manifold, (a) is a perspective view showing a state where a fixing plate to which the fuel cell is fixed is fitted into the opening of the manifold body, and (b) is (a). (C) is a perspective view showing a state in which a fixing plate to which a fuel cell is fixed is fitted into an opening of a manifold body. 支持基板が絶縁性の燃料電池セルを示すもので、(a)は断面斜視図、(b)は支持基板の断面斜視図である。The support substrate shows an insulating fuel cell, where (a) is a cross-sectional perspective view and (b) is a cross-sectional perspective view of the support substrate. 従来の燃料電池セルのスタックを示す横断面図である。It is a cross-sectional view showing a stack of conventional fuel cells. インターコネクタの形成状態と変形との関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship between the formation state of an interconnector, and a deformation | transformation.

符号の説明Explanation of symbols

31・・・支持基板(支持体)
31a・・・燃料ガス通路
32・・・燃料極層(内側電極)
33・・・固体電解質
34・・・酸素極層(外側電極)
35・・・インターコネクタ
40・・・集電部材
45・・・発電素子
47・・・凹溝
51・・・ビアホール導体
65・・・マニホールド
31 ... Support substrate (support)
31a ... Fuel gas passage 32 ... Fuel electrode layer (inner electrode)
33 ... Solid electrolyte 34 ... Oxygen electrode layer (outer electrode)
35 ... interconnector 40 ... current collecting member 45 ... power generation element 47 ... concave groove 51 ... via hole conductor 65 ... manifold

Claims (9)

固体電解質を内側電極及び外側電極で挟持してなる発電素子と、該発電素子の内側電極側が設けられる支持体とを具備するとともに、前記発電素子が設けられる位置の前記支持体の外面に凹溝を設け、該凹溝と前記内側電極との間の空間をガス通路としてなることを特徴とする燃料電池セル。 A power generating element comprising a solid electrolyte sandwiched between an inner electrode and an outer electrode, and a support provided on the inner electrode side of the power generating element, and a groove on the outer surface of the support at a position where the power generating element is provided And a space between the groove and the inner electrode is used as a gas passage. 前記支持体は板状であり、前記支持体の主面に前記発電素子が設けられていることを特徴とする請求項1記載の燃料電池セル。 The fuel cell according to claim 1, wherein the support has a plate shape, and the power generation element is provided on a main surface of the support. 前記支持体の前記発電素子と対向する位置にインターコネクタが形成されていることを特徴とする請求項1又は2記載の燃料電池セル。 The fuel cell according to claim 1, wherein an interconnector is formed at a position of the support that faces the power generation element. 前記支持体は導電性であることを特徴とする請求項1乃至3のうちいずれかに記載の燃料電池セル。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the support is conductive. 前記支持体の前記発電素子と対向する位置にインターコネクタが形成されており、前記支持体が絶縁性であり、かつ、前記支持体に設けられたビアホール導体により前記発電素子の内側電極と前記インターコネクタが電気的に接続されていることを特徴とする請求項1又は2記載の燃料電池セル。 An interconnector is formed at a position of the support facing the power generation element, the support is insulative, and a via-hole conductor provided on the support supports the inner electrode of the power generation element and the interconnect. The fuel cell according to claim 1, wherein the connector is electrically connected. 前記支持体は緻密質であることを特徴とする請求項1乃至5のうちいずれかに記載の燃料電池セル。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein the support is dense. 前記支持体は多孔質であるとともに、前記支持体の発電素子以外の部分が緻密質層により被覆されていることを特徴とする請求項1乃至5のうちいずれかに記載の燃料電池セル。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein the support is porous and a portion of the support other than the power generation element is covered with a dense layer. 請求項1乃至7のうちいずれかに記載の燃料電池セルを複数ガスマニホールドに立設してなり、該ガスマニホールド内のガスが前記燃料電池セルのガス通路を通過するとともに、前記複数の燃料電池セルが電気的に直列に接続されていることを特徴とするセルスタック。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 7, wherein the fuel cell is erected on a plurality of gas manifolds, and the gas in the gas manifold passes through a gas passage of the fuel cell, and the plurality of fuel cells. A cell stack, wherein the cells are electrically connected in series. 請求項8記載のセルスタックを収納容器内に収容してなることを特徴とする燃料電池。 9. A fuel cell comprising the cell stack according to claim 8 housed in a housing container.
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