JP2007123004A - Fuel battery cell, cell stack as well as fuel battery - Google Patents
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Abstract
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
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
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)。
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
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
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LaCrO3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、ZrO2系、CeO2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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
酸素極: 1/2O2+2e− → O2− (固体電解質) …(1)
燃料極: O2− (固体電解質)+ H2 → H2O+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
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
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
(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
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、Sc2O3、Y2O3、Lu2O3、Yb2O3、Tm2O3、Er2O3、Ho2O3、Dy2O3、Gd2O3、Sm2O3、Pr2O3を例示することができ、特に安価であるという点で、Y2O3,Yb2O3、さらにはY2O3が好適である。
Further, as the inorganic aggregate, the
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
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
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
(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ZrO2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ZrO2(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
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
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
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
(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ZrO2(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
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
(酸素極層34)
酸素極層34は、所謂ABO3型のペロブスカイト型酸化物からなる導電性セラミックスから形成される。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LaMnO3系酸化物、LaFeO3系酸化物、LaCoO3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LaFeO3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
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
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
(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(LaCrO3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
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
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Y2O3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
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-
具体的には、インターコネクタ35を構成するLaCrO3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LaMnO3系酸化物、LaFeO3系酸化物、LaCoO3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
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
(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Y2O3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
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、Y2O3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、LaCrO3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、LaFeO3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、LaFeO3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
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
(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
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
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
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
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
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 ...
33 ...
35 ... interconnector 40 ... current collecting
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