JP2007273422A - Solid oxide fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスの混合ガスにより発電を行う固体酸化物形燃料電池に関する。 The present invention relates to a solid oxide fuel cell that generates power using a mixed gas of a fuel gas and an oxidant gas.
近年、燃料ガス及び酸化剤ガスを混合して供給することでセパレータやガスシール材を必要とせず、ガス供給ラインの簡略化ができ、簡単なシステム構造を実現できる単室型SOFCが提案されている。この単室型SOFCで採用される燃料電池としては、燃料極と空気極の2つの電極が、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスにさらされながらも、ガス選択性を持ち、それらの間に電圧が発生する特徴がある。そして、電池構造としては、例えば特許文献1に示すように、電解質の基板の一方面に燃料極、他方面に空気極を配置したセル構造がある。
ところで、上記のような燃料電池は、所望の出力を得るため、複数個をスタックして用いることが多い。しかしながら、スタックする単セルの数は、要求される出力によって異なるため、その時々に要求される出力に応じて簡単にスタック化ができる単セル構造が要望されていた。 By the way, in order to obtain a desired output, a plurality of fuel cells as described above are often used in a stack. However, since the number of unit cells to be stacked varies depending on the required output, there has been a demand for a single cell structure that can be easily stacked according to the output required from time to time.
本発明は、上記問題を解決するためになされものであり、複数の単セルのスタック化を容易に行うことができる固体酸化物形燃料電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to provide a solid oxide fuel cell capable of easily stacking a plurality of single cells.
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスが供給される固体酸化物形燃料電池であって、上記問題を解決するためになされたものであり、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスが供給される固体酸化物形燃料電池であって、シート状の電解質の両面それぞれに燃料極及び空気極が形成された単セルと、前記単セルを支持するとともに、導電性及び多孔質性を有する基板と、を備え、前記基板において前記単セルと隣接する領域は、平面視において前記単セルよりも大きい面積を有している。 The present invention is a solid oxide fuel cell to which a mixed gas of a fuel gas and an oxidant gas is supplied, and has been made in order to solve the above-described problem, and is a mixture of a fuel gas and an oxidant gas. A solid oxide fuel cell to which a gas is supplied, a single cell having a fuel electrode and an air electrode formed on both sides of a sheet-like electrolyte, and supporting the single cell, and having conductivity and porosity A region adjacent to the single cell in the substrate has an area larger than that of the single cell in plan view.
この構成によれば、基板上の単セルに隣接する領域に、この単セルより面積の大きい領域が形成されているため、複数の電池を簡単にスタック化することができる。例えば、2個の電池をスタック化する場合、一方の電池を単セルが上を向くように配置するとともに、他方の電池は、単セルが下を向くように反転する。そして、他方の電池の単セルが、一方の電池の上記領域上に当接するように固定する。すなわち、各電池が上記構成を有することにより、複数の単セルの向きを互い違いにしながら、基板の面方向にスタック化することができる。基板は導電性を有しているため、上記のように接続することで、単セルを直列に接続することできる。したがって、上記構成の燃料電池を複数準備しておけば、必要な出力に応じて、所望の数の電池を簡単にスタック化することができる。なお、シート状とは、薄膜状のほか、硬質の板状のものも含むものとする。 According to this configuration, since a region having a larger area than the single cell is formed in a region adjacent to the single cell on the substrate, a plurality of batteries can be easily stacked. For example, when stacking two batteries, one battery is arranged so that the single cell faces upward, and the other battery is inverted so that the single cell faces downward. And it fixes so that the single cell of the other battery may contact | abut on the said area | region of one battery. That is, when each battery has the above-described configuration, it can be stacked in the surface direction of the substrate while the directions of the plurality of single cells are staggered. Since the substrate has conductivity, the single cells can be connected in series by connecting as described above. Therefore, if a plurality of fuel cells having the above configuration are prepared, a desired number of cells can be easily stacked according to the required output. The sheet form includes not only a thin film form but also a hard plate form.
ここで、上記領域に、平面視において単セルより大きい凹部が形成されていることが好ましい。この構成によれば、電池を接続する場合、一方の電池の凹部内に、他方の電池の単セルを配置することができるため、スタック化された電池の厚みを小さくすることができる。このとき、領域の深さは、単セルの厚みよりも大きいと、単セルが凹部内に入り込むため、単セルの厚みの分だけ、スタック化された電池の厚みを小さくすることができ、コンパクト化を図ることができる。 Here, it is preferable that a concave portion larger than the single cell is formed in the region in plan view. According to this configuration, when connecting the batteries, the single cell of the other battery can be disposed in the recess of the one battery, so that the thickness of the stacked batteries can be reduced. At this time, if the depth of the region is larger than the thickness of the single cell, the single cell enters the recess, so that the thickness of the stacked battery can be reduced by the thickness of the single cell, and the compact Can be achieved.
本発明に係る固体酸化物形燃料電池によれば、複数の単セルのスタック化を容易に行うことができる。 According to the solid oxide fuel cell of the present invention, a plurality of single cells can be easily stacked.
以下、本発明に係る固体酸化物形燃料電池の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。図1は本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の断面図、図2は、図1の平面図である。 Hereinafter, an embodiment of a solid oxide fuel cell according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view of a solid oxide fuel cell according to this embodiment, and FIG. 2 is a plan view of FIG.
図1に示すように、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池には、電解質11、燃料極12及び空気極13を有する単セル1と、これを支持する基板2とを備えている。単セル1は、シート状の電解質11の両面それぞれに薄膜状の燃料極12及び空気極13を形成することで構成されている。そして、この単セル1は、燃料極12が基板2に当接するよう固定されている。本実施形態では、燃料極12の周縁をガラスシール3によって基板2に固定している。基板2は、導電性及び多孔質性を有する長方形状に形成されている。そして、図1及び図2に示すように、基板2の左側に単セル1が配置されるとともに、右側には単セル1よりも大きい何も配置されていない領域4が確保されている。この領域4には、後述するように、他の電池の単セル1が配置される。以後、この領域を「接続領域」と称する。
As shown in FIG. 1, the solid oxide fuel cell according to this embodiment includes a
次に、上記燃料電池を構成する材料について説明する。電解質11の材料としては、固体酸化物形燃料電池の電解質として公知のものを使用することができ、例えば、サマリウムやガドリニウム等をドープしたセリア系酸化物、ストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・ガレード系酸化物、スカンジウムやイットリウムを含むジルコニア系酸化物などの酸素イオン伝導性セラミックス材料を用いることができる。
Next, materials constituting the fuel cell will be described. As the material of the
燃料極12及び空気極13は、セラミックス粉末材料により形成することができる。このとき用いられる粉末の平均粒径は、好ましくは10nm〜100μmであり、さらに好ましくは50nm〜50μmであり、特に好ましくは100nm〜10μmである。なお、平均粒径は、例えば、JISZ8901にしたがって計測することができる。
The
燃料極12は、例えば、金属触媒と酸化物イオン導電体からなるセラミックス粉末材料との混合物を用いることができる。このとき用いられる金属触媒としては、ニッケル、鉄、コバルトや、貴金属(白金、ルテニウム、パラジウム等)等の還元性雰囲気中で安定で、水素酸化活性を有する材料を用いることができる。また、酸化物イオン導電体としては、蛍石型構造又はペロブスカイト型構造を有するものを好ましく用いることができる。蛍石型構造を有するものとしては、例えばサマリウムやガドリニウム等をドープしたセリア系酸化物、スカンジウムやイットリウムを含むジルコニア系酸化物などを挙げることができる。また、ペロブスカイト型構造を有するものとしてはストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・ガレード系酸化物を挙げることができる。上記材料の中では、酸化物イオン導電体とニッケルとの混合物で、燃料極12を形成することが好ましい。なお、酸化物イオン導電体からなるセラミックス材料とニッケルとの混合形態は、物理的な混合形態であってもよいし、ニッケルへの粉末修飾またはセラミックス材料へのニッケル修飾などの形態であってもよい。また、上述したセラミックス材料は、1種類を単独で、或いは2種類以上を混合して使用することができる。また、燃料極12は、金属触媒を単体で用いて構成することもできる。
As the
空気極13を形成するセラミックス粉末材料としては、例えば、ペロブスカイト型構造等を有するCo,Fe,Ni,Cr又はMn等からなる金属酸化物を用いることができる。具体的には(Sm,Sr)CoO3,(La,Sr)MnO3,(La,Sr)CoO3,(La,Sr)(Fe,Co)O3,(La,Sr)(Fe,Co,Ni)O3などの酸化物が挙げられ、好ましくは、(La,Sr)(Fe,Co)O3である。上述したセラミックス材料は、1種を単独で、或いは2種以上を混合して使用することができる。
As the ceramic powder material forming the
上記電解質11、燃料極12、及び空気極13は、上述した材料を主成分として、さらにバインダー樹脂、有機溶媒などが適量加えられることにより形成される。より詳細には、上記主成分とバインダー樹脂との混合において、上記主成分が50〜95重量%となるように、バインダー樹脂等を加えることが好ましい。
The
電解質11、燃料極12、空気極13の形成方法としては、例えば印刷法を用いることができ、具体的には、スクリーン印刷法やナイフコ−ト法、ドクターブレード法、スプレーコート等の印刷方法を用いることができる。これ以外にも、電解質11、燃料極12、空気極13を、転写シート上に塗布しておき(いわゆるグリーン体)、これらを転写することによって電極を形成することもできる。
As a method for forming the
基板2は、電子伝導性を有するが、イオン伝導性が無視できる程度に小さいことが好ましい。また、熱力学的に安定な材料で構成されていることが好ましい。導電率については、燃料電池の運転温度において、2S・cm−1以上であることが好ましい。このような要求を満たすとともに、各層は次のように構成することができる。また、基板の気孔率は、ガス透過性及び基板の強度を考慮すると、10〜80%の範囲にあることが好ましい。このような要求を満たすため、基板2を構成する材料は、Pt,Au,Ag,Ni,Cu,SUS等の導電性金属、或いは金属系材料,又はLa(Cr,Mg)O3,(La,Ca)CrO3,(La,Sr)CrO3などのランタン・クロマイト系等の導電性セラミックス材料によって形成することができ、これらのうちの1種を単独で使用してもよいし、2種以上を混合して使用してもよい。
The
次に、上記のように構成された燃料電池のスタック化について説明する。図3はスタック化された複数の電池の断面図である。図3に示すように、2つの電池を接続する場合、まず、一方の電池において単セル1が上を向くように配置し、他方の電池は、単セル1を下に向ける。そして、一方の電池の単セル1に隣接する接続領域4に、他方の単セル1をガラスシールによって固定する。同様にして、次は、単セル1を上に向けれた電池を、上記他方の電池の接続領域4に固定し、これを複数の電池について繰り返すと、面方向に延びるように複数の電池をスタック化することができる。
Next, stacking of the fuel cells configured as described above will be described. FIG. 3 is a cross-sectional view of a plurality of stacked batteries. As shown in FIG. 3, when two batteries are connected, first, the
上記のように構成された燃料電池は、次のように発電が行われる。まず、水素、又はメタン、エタンなどの炭化水素からなる燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとの混合ガスを高温の状態(例えば、400〜1000℃)で供給する。基板2は、多孔質性を有するため、混合ガスは、基板2内に流入し、各電極12,13に接触する。こうして、燃料極12及び空気極13がそれぞれ混合ガスと接触するため、各単セル1における燃料極12と空気極13との間で、電解質11を介した酸素イオン伝導が起こり、発電が行われる。
The fuel cell configured as described above generates power as follows. First, a mixed gas of hydrogen or a fuel gas composed of a hydrocarbon such as methane or ethane and an oxidant gas such as air is supplied at a high temperature (for example, 400 to 1000 ° C.). Since the
以上のように、本実施形態によれば、単セル1に隣接して接続領域4が形成されているため、この接続領域4に他の電池の単セル1を反転させて取り付けることができる。こうして、複数の電池を上下互い違いにしながら、連結していくことができるため、スタック化を容易に行うことができる。したがって、上記構成の燃料電池を複数準備しておけば、必要な出力に応じて、所望の数の電池を簡単にスタック化することができる。
As described above, according to this embodiment, since the connection region 4 is formed adjacent to the
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態では、スタック化された電池の厚みDは、2つの基板2の厚みに単セルの厚みを加えたものになる。ここで、接続領域4に凹部を形成し、これに単セルが収納されるようにすれば、電池の厚みをさらに小さくすることができる。図4に示すように、凹部21の深さを電解質11と空気極13の合計厚さと同じにし、燃料極12と同程度の厚さのガラスシール3を単セル1の周囲に設ければ、電解質11と空気極13の合計厚さだけ電池の厚みを小さくすることができる。或いは、これよりも深い凹部21を形成することもできるが、空気極13と凹部壁面とが電気的に接続されるように、接触させたり、或いは導電性の部材を間に設ける必要がある。
As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this, A various change is possible unless it deviates from the meaning. For example, in the above embodiment, the thickness D of the stacked batteries is the thickness of the two
また、単セルの固定や、電池同士の接続は、ガラスシール以外でも行うことができ、例えば絶縁性の接着剤であれば、適用することができる。 In addition, the fixing of the single cell and the connection between the batteries can be performed other than the glass seal, and for example, an insulating adhesive can be applied.
1 単セル
11 電解質
12 燃料極
13 空気極
2 基板
21 凹部
1
Claims (2)
シート状の電解質の両面それぞれに燃料極及び空気極が形成された単セルと、
前記単セルを支持するとともに、導電性及び多孔質性を有する基板と、を備え、
前記基板において前記単セルと隣接する領域は、平面視において前記単セルよりも大きい面積を有している、固体酸化物形燃料電池。 A solid oxide fuel cell to which a mixed gas of a fuel gas and an oxidant gas is supplied,
A single cell in which a fuel electrode and an air electrode are formed on both sides of a sheet-like electrolyte, and
And supporting the single cell, and having a conductive and porous substrate,
A region of the substrate adjacent to the single cell has a larger area than the single cell in plan view.
2. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein a concave portion larger than the single cell is formed in the region in plan view.
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---|---|---|---|---|
JP2008060001A (en) * | 2006-09-01 | 2008-03-13 | Dainippon Printing Co Ltd | Single-cell solid oxide fuel cell and its stack structure |
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2006
- 2006-03-31 JP JP2006101075A patent/JP2007273422A/en active Pending
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