JP2008146905A - Solid oxide fuel cell, its manufacturing method, and stack structure - Google Patents

Solid oxide fuel cell, its manufacturing method, and stack structure Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid oxide fuel cell capable of increasing limiting current density, and to provide its manufacturing method and a stack structure. <P>SOLUTION: The solid oxide fuel cell is equipped with an airtight member 10, a solid electrolyte 20, and a porous electrode 30, the airtight member 10 and the solid electrolyte 20 form a gas main passage A, the porous electrode 30 comes in contact with at least the solid electrolyte 20 and the airtight member 10 and is arranged in the gas main passage A and equipped with either one or both of a gas inflow side gas sub-passage and a gas exhaust side gas sub-passage. The manufacturing method of the solid oxide fuel cell uses a method such as pressing, pattern printing, mechanical grinding, etching, or ultrasonic machining, when the porous electrode 30 equipped with either one or both of the gas inflow side gas sub-passage and the gas exhaust side gas sub-passage is formed. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体電解質型燃料電池、その製造方法及びスタック構造体に係り、更に詳細には、限界電流密度を向上させ得る固体電解質型燃料電池、その製造方法及びスタック構造体に関する。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell, a manufacturing method thereof, and a stack structure, and more particularly to a solid oxide fuel cell capable of improving a limit current density, a manufacturing method thereof, and a stack structure.

従来、発電効率を向上させ得る燃料電池として、酸化物イオン伝導体により形成された固体電解質層とこの固体電解質層の両面に配設された燃料極層及び酸化剤極層とからなる発電セルが(n+1)個(nは正の整数である。)積層された燃料電池であって、前記i番目(i=1,2,…,n)の発電セルの燃料極層とこの燃料極層に隣接する(i+1)番目の発電セルの酸化剤極層との間に導電性材料により板状に形成されたセパレータがそれぞれ1枚ずつ合計n枚介装され、前記i番目の発電セルの燃料極層と前記j番目(j=1,2,…,n)のセパレータとの間に導電性を有する多孔質の燃料極集電体が介装され、前記(i+1)番目の発電セルの酸化剤極層と前記j番目のセパレータとの間に導電性を有する多孔質の酸化剤極集電体が介装され、前記1番目の発電セルの酸化剤極層に酸化剤極集電体を介して導電性材料により板状に形成された単一の第1端板が積層され、前記(n+1)番目の発電セルの燃料極層に燃料極集電体を介して導電性材料により板状に形成された単一の第2端板が積層され、前記n枚のセパレータが燃料ガスをセパレータ外周面から導入して前記セパレータの略中心から前記燃料極集電体に向って吐出させる燃料供給通路と、酸化剤ガスを前記セパレータ外周面から導入して前記セパレータの酸化剤極集電体に対向する面から吐出させる酸化剤供給通路とをそれぞれ有し、前記単一の第1端板が前記酸化剤ガスを前記第1端板外周面から導入して前記第1端板の酸化剤極集電体に対向する面から吐出させる酸化剤供給通路を有し、前記単一の第2端板が前記燃料ガスを前記第2端板外周面から導入して前記第2端板の略中心から前記燃料極集電体に向って吐出させる燃料供給通路を有する燃料電池が提案されている(特許文献1参照。)。
特開2002−203579号公報
Conventionally, as a fuel cell capable of improving power generation efficiency, a power generation cell comprising a solid electrolyte layer formed of an oxide ion conductor and a fuel electrode layer and an oxidant electrode layer disposed on both sides of the solid electrolyte layer has been proposed. (N + 1) (n is a positive integer) stacked fuel cells, and the fuel electrode layer of the i-th (i = 1, 2,..., N) power generation cell and the fuel electrode layer A total of n separators each formed in a plate shape with a conductive material are interposed between the oxidant electrode layers of the (i + 1) th power generation cell adjacent to each other, and the fuel electrode of the i th power generation cell. A porous anode current collector having conductivity between the layer and the j-th (j = 1, 2,..., N) separator, and the oxidant of the (i + 1) -th power generation cell Porous oxidant electrode current collector having conductivity between an electrode layer and the j-th separator And a single first end plate formed in a plate shape with a conductive material via an oxidant electrode current collector is stacked on the oxidant electrode layer of the first power generation cell, and the (n + 1) ) A single second end plate made of a conductive material is laminated on the fuel electrode layer of the second power generation cell via a fuel electrode current collector, and the n separators separate the fuel gas from the outer periphery of the separator. A fuel supply passage that is introduced from the surface and is discharged from a substantially center of the separator toward the fuel electrode current collector, and an oxidant gas is introduced from the outer peripheral surface of the separator to face the oxidant electrode current collector of the separator Each of the first end plate introduces the oxidant gas from the outer peripheral surface of the first end plate and collects the oxidant electrode in the first end plate. An oxidant supply passage for discharging from a surface facing the electric body; There has been proposed a fuel cell in which two end plates have a fuel supply passage that introduces the fuel gas from the outer peripheral surface of the second end plate and discharges the fuel gas from a substantially center of the second end plate toward the anode current collector. (See Patent Document 1).
JP 2002-203579 A

しかしながら、上記特許文献1に記載の燃料電池においては、大電流での発電をする場合に、電極内におけるガスの拡散速度が律速となり、電流密度の向上が図れないという問題点があった。   However, the fuel cell described in Patent Document 1 has a problem that, when generating electricity with a large current, the diffusion rate of gas in the electrode is rate limiting, and the current density cannot be improved.

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、限界電流密度を向上させ得る固体電解質型燃料電池、その製造方法及びスタック構造体を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell capable of improving the limit current density, a manufacturing method thereof, and a stack structure. There is to do.

本発明者は、上記目的を達成するため鋭意検討を重ねたところ、気密質部材と固体電解質とによってガス主通路を形成すると共に、ガス流入側に開口部を有するガス流入側ガス副通路及び/又はガス排出側に開口部を有するガス排出側ガス副通路を備える多孔質電極を固体電解質と気密質部材とに少なくとも接するようにガス主通路内に配設することなどにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。   The present inventor has made extensive studies to achieve the above object, and as a result, the gas main passage is formed by the airtight member and the solid electrolyte, and the gas inflow side gas sub-passage having an opening on the gas inflow side and / or Alternatively, the above object can be achieved by arranging a porous electrode having a gas discharge side gas sub-passage having an opening on the gas discharge side in the gas main passage so as to be in contact with at least the solid electrolyte and the airtight member. As a result, the present invention has been completed.

即ち、本発明の固体電解質型燃料電池は、気密質部材と、固体電解質と、多孔質電極と、を備える固体電解質型燃料電池であって、該気密質部材と該固体電解質とが、ガス主通路を形成し、該多孔質電極が、該固体電解質と該気密質部材とに少なくとも接して該ガス主通路内に配設され、且つガス流入側に開口部を有するガス流入側ガス副通路及び/又はガス排出側に開口部を有するガス排出側ガス副通路を備えることを特徴とする。   That is, the solid electrolyte fuel cell of the present invention is a solid electrolyte fuel cell comprising an airtight member, a solid electrolyte, and a porous electrode, wherein the airtight member and the solid electrolyte are gas main components. A gas inflow side gas sub-passage that forms a passage, the porous electrode is disposed in the gas main passage at least in contact with the solid electrolyte and the airtight member, and has an opening on the gas inflow side; A gas discharge side gas sub-passage having an opening on the gas discharge side is provided.

また、本発明の固体電解質型燃料電池の製造方法は、上記本発明の固体電解質型燃料電池の製造方法であって、ガス流入側に開口部を有するガス流入側ガス副通路及び/又はガス排出側に開口部を有するガス排出側ガス副通路を備える多孔質電極を形成するに当たり、プレス加工、パターン印刷加工、機械研削加工、エッチング加工及び超音波加工から成る群より選ばれた少なくとも1種の方法を用いることを特徴とする。   The method for producing a solid oxide fuel cell according to the present invention is a method for producing a solid oxide fuel cell according to the present invention, wherein the gas inflow side gas sub-passage and / or the gas discharge having an opening on the gas inflow side. In forming a porous electrode having a gas discharge side gas sub-passage having an opening on the side, at least one kind selected from the group consisting of pressing, pattern printing, mechanical grinding, etching and ultrasonic processing The method is used.

更に、本発明の固体電解質型燃料電池スタック構造体は、上記本発明の固体電解質型燃料電池を用いたことを特徴とする。   Furthermore, the solid oxide fuel cell stack structure of the present invention uses the solid oxide fuel cell of the present invention.

本発明によれば、気密質部材と固体電解質とによってガス主通路を形成すると共に、ガス流入側に開口部を有するガス流入側ガス副通路及び/又はガス排出側に開口部を有するガス排出側ガス副通路を備える多孔質電極を固体電解質と気密質部材とに少なくとも接するようにガス主通路内に配設することなどとしたため、限界電流密度を向上させ得る固体電解質型燃料電池、その製造方法及びスタック構造体を提供することができる。   According to the present invention, a gas main passage is formed by an airtight member and a solid electrolyte, and a gas inflow side gas sub-passage having an opening on the gas inflow side and / or a gas discharge side having an opening on the gas discharge side. A solid electrode fuel cell capable of improving the limit current density, and the like, because a porous electrode having a gas sub-passage is disposed in the gas main passage so as to be in contact with at least the solid electrolyte and the airtight member. And a stack structure can be provided.

以下、本発明の固体電解質型燃料電池について説明する。
上述の如く、本発明の固体電解質型燃料電池は、気密質部材と、固体電解質と、多孔質電極と、を備え、気密質部材と固体電解質とが、ガス主通路を形成し、多孔質電極が、固体電解質と気密質部材とに少なくとも接してガス主通路内に配設され、且つガス流入側に開口部を有するガス流入側ガス副通路及びガス排出側に開口部を有するガス排出側ガス副通路のいずれか一方又は双方を備えるものである。
このような構成とすることにより、多孔質電極内にガス流れを導入することができ、多孔質電極内に流入するガス流量を増加させることができ、限界電流密度を向上させることが可能となる。
ここで、「限界電流密度」とは、燃料電池は、拡散による反応ガスの補給が限界に達し、ある負荷電流値を取り出そうとすると、電池の電圧が急に激しく低下する現象を示し、この際の電流密度を言う。
また、「個々のガス副通路」とは、ガス主通路より幅や径が小さく、多孔質電極の表面に設けられた溝や多孔質電極の内部に設けられた穴をいう。
Hereinafter, the solid oxide fuel cell of the present invention will be described.
As described above, the solid electrolyte fuel cell of the present invention includes an airtight member, a solid electrolyte, and a porous electrode, and the airtight member and the solid electrolyte form a gas main passage, and the porous electrode Is disposed in the gas main passage at least in contact with the solid electrolyte and the airtight member, and has a gas inflow side gas sub-passage having an opening on the gas inflow side and a gas discharge side gas having an opening on the gas discharge side One or both of the auxiliary passages are provided.
With such a configuration, it is possible to introduce a gas flow into the porous electrode, increase the flow rate of the gas flowing into the porous electrode, and improve the limit current density. .
Here, the “limit current density” indicates a phenomenon in which the fuel cell suddenly and drastically decreases when the supply of the reaction gas by diffusion reaches the limit and tries to extract a certain load current value. The current density.
The “individual gas sub-passage” refers to a groove provided in the surface of the porous electrode or a hole provided in the porous electrode that is smaller in width and diameter than the gas main passage.

上記気密質部材としては、供給されるガスが殆ど散逸せずに多孔質電極に流入できれば、特に限定されるものではなく、例えば気密質集電体や気密質セパレータなどを適用することが望ましいが、これらに限定されるものではない。即ち、集電能など他の機能を有していない、いわゆるガスシール部材を適用することもできる。
上記気密質集電体としては、例えばインコネルなどのニッケル基超合金、ステンレス鋼などの金属材料や、セラミック材料等で構成されたものを挙げることができ、また、上記気密質セパレータとしても、例えばインコネルなどのニッケル基超合金、ステンレス鋼などの金属材料や、セラミック材料等で構成されたものを挙げることができ、更に、ガスシール部材としては、例えばガラス材料やセラミック材料などで構成されたものを挙げることができるが、上述した気密性を有していれば、これらに限定されるものでないことは言うまでもない。
特に、上記気密質部材としては、部品点数の減少や、後述するスタック構造体における体積当たりの発電量の向上などの観点から、気密質集電体や気密質セパレータを好適に用いることができる。
また、多孔質電極が備えるガス副通路に機械的衝撃を与えにくく、微細なガス副通路を維持し易く、耐久性が向上するという観点から、気密質部材は弾性を有するもの、具体的には、インコネルなどのニッケル基超合金やステンレス鋼などの金属板材等で構成されたものを好適に用いることができる。
The airtight member is not particularly limited as long as the supplied gas can flow into the porous electrode without being dissipated, and for example, an airtight current collector or an airtight separator is preferably applied. However, it is not limited to these. That is, a so-called gas seal member that does not have other functions such as current collection capability can be applied.
Examples of the airtight current collector include a nickel-based superalloy such as Inconel, a metal material such as stainless steel, and a ceramic material, and the airtight separator also includes, for example, Examples include nickel-base superalloys such as Inconel, metal materials such as stainless steel, and ceramic materials, and examples of gas seal members include glass materials and ceramic materials. Needless to say, it is not limited to these as long as it has the above-mentioned airtightness.
In particular, as the airtight member, an airtight current collector or an airtight separator can be suitably used from the viewpoint of reducing the number of parts and improving the power generation amount per volume in the stack structure described later.
Further, from the viewpoint that it is difficult to give a mechanical impact to the gas sub-passage provided in the porous electrode, it is easy to maintain a fine gas sub-passage, and durability is improved, the airtight member has elasticity, specifically A material composed of a nickel base superalloy such as Inconel or a metal plate material such as stainless steel can be suitably used.

また、上記固体電解質としては、例えば酸化物イオン伝導性を有するものやプロトン伝導性を有するものを用いることができ、具体的には、酸化物イオン伝導性を有する固体電解質としては、8mol%イットリウム添加安定化ジルコニア(8YSZ)、ランタンガレート系やセリア系の材料などで構成されたものを挙げることができ、プロトン伝導性を有する固体電解質としては、リン酸水素セシウム、硫酸水素セシウムなどの固体酸や、BaCeO系酸化物などのセラミックなどの物質を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。
なお、上記固体電解質も上述した気密質部材と同様に気密質である。
In addition, as the solid electrolyte, for example, one having oxide ion conductivity or one having proton conductivity can be used. Specifically, as the solid electrolyte having oxide ion conductivity, 8 mol% yttrium is used. Examples of the solid electrolyte having proton conductivity include solid acid such as cesium hydrogen phosphate and cesium hydrogen sulfate. In addition, a material such as a ceramic such as a BaCeO 3 oxide may be used, but the material is not limited thereto.
In addition, the said solid electrolyte is also airtight like the airtight member mentioned above.

更に、上記多孔質電極としては、ガス主通路やガス副通路内を流れるガスが透過する開気孔を有していれば、特に限定されるものではないが、例えば上述した酸化物イオン伝導性を有する固体電解質に対して適用する燃料極用多孔質電極や空気極用多孔質電極、更には、上述したプロトン伝導性を有する固体電解質に対して適用する燃料極用多孔質電極や空気極用多孔質電極などを挙げることができる。
上記の酸化物イオン伝導性を有する固体電解質に対して適用する燃料極用多孔質電極としては、このような電池は600〜1000℃程度の高温域で使用されることから、具体的には、ニッケル(Ni)−イットリウム添加安定化ジルコニア(YSZ)のサーメットやニッケル(Ni)−ランタンガレートのサーメット、ニッケル(Ni)−サマリウム添加セリア(SDC)のサーメットなどから構成されるものを好適に用いることができ、また、酸化物イオン伝導性を有する固体電解質に対して適用する空気極用多孔質電極としては、具体的には、LaSrMnO系材料、LaSrCoO系材料、SrSmCoO系材料などから構成されるものを好適に用いることができるが、これらに限定されるものでないことは言うまでもない。
一方、上記のプロトン伝導性を有する固体電解質に対して適用する燃料極用多孔質電極としては、このような電池は150〜400℃程度の中温域で使用されることから、具体的には、白金(Pt)−炭素(C)を主な材料とする電極から構成されるものを好適に用いることができ、また、プロトン伝導性を有する固体電解質に対して適用する空気極用多孔質電極としても、具体的には、白金(Pt)−炭素(C)を主な材料とする電極から構成されるものを好適に用いることができるが、これに限定されるものでないことは言うまでもない。
Further, the porous electrode is not particularly limited as long as it has open pores through which gas flowing in the gas main passage and gas sub-passage passes. A porous electrode for a fuel electrode or a porous electrode for an air electrode applied to a solid electrolyte having a porous electrode for a fuel electrode or a porous electrode for an air electrode applied to a solid electrolyte having proton conductivity described above And so on.
As a porous electrode for a fuel electrode to be applied to the above solid electrolyte having oxide ion conductivity, since such a battery is used in a high temperature range of about 600 to 1000 ° C., specifically, A nickel (Ni) -yttrium-added stabilized zirconia (YSZ) cermet, a nickel (Ni) -lanthanum gallate cermet, a nickel (Ni) -samarium-added ceria (SDC) cermet, or the like is preferably used. The porous electrode for the air electrode applied to the solid electrolyte having oxide ion conductivity is specifically composed of LaSrMnO-based material, LaSrCoO-based material, SrSmCoO-based material, etc. However, it is needless to say that the present invention is not limited to these.
On the other hand, as a porous electrode for a fuel electrode applied to the above solid electrolyte having proton conductivity, since such a battery is used in a medium temperature range of about 150 to 400 ° C., specifically, What is comprised from the electrode which uses platinum (Pt) -carbon (C) as a main material can be used suitably, and as a porous electrode for air electrodes applied with respect to the solid electrolyte which has proton conductivity However, specifically, an electrode composed of an electrode whose main material is platinum (Pt) -carbon (C) can be suitably used, but it goes without saying that the present invention is not limited to this.

更にまた、固体電解質が酸化物イオン伝導性を有するものである場合には、燃料極側において水蒸気(HO)が生成するため、上述した多孔質電極が燃料極用多孔質電極であることが望ましい。即ち、電池反応により生成した水蒸気(HO)は、導入されたガス流れによって、効率良く多孔質電極から排除することができ、限界電流密度をより向上させることが可能となる。
一方、固体電解質がプロトン伝導性を有するものである場合には、空気極側において水蒸気(HO)が生成するため、上述した多孔質電極が空気極用多孔質電極であることが、上記同様の理由から望ましい。
Furthermore, when the solid electrolyte has oxide ion conductivity, water vapor (H 2 O) is generated on the fuel electrode side. Therefore, the porous electrode described above is a porous electrode for a fuel electrode. Is desirable. That is, water vapor (H 2 O) generated by the battery reaction can be efficiently removed from the porous electrode by the introduced gas flow, and the limit current density can be further improved.
On the other hand, when the solid electrolyte has proton conductivity, water vapor (H 2 O) is generated on the air electrode side, so that the above-mentioned porous electrode is a porous electrode for an air electrode. It is desirable for the same reason.

また、本発明の固体電解質型燃料電池においては、多孔質電極が、その内部に、ガス流入側ガス副通路及びガス排出側ガス副通路のいずれか一方又は双方を備えることが望ましい。
このような構成とすることにより、多孔質電極内にガス流れをより導入することができ、多孔質電極内に流入するガス流量をより増加させることができ、限界電流密度をより向上させることが可能となる。
In the solid oxide fuel cell of the present invention, it is desirable that the porous electrode has one or both of a gas inflow side gas sub-passage and a gas discharge side gas sub-passage therein.
By adopting such a configuration, a gas flow can be further introduced into the porous electrode, a gas flow rate flowing into the porous electrode can be further increased, and a limit current density can be further improved. It becomes possible.

更に、本発明の固体電解質型燃料電池においては、多孔質電極が、ガス流入側ガス副通路及びガス排出側ガス副通路を備え、ガス流入側ガス副通路とガス排出側ガス副通路とが略平行であることが望ましい。
このような構成とすることにより、多孔質電極に流入するガスと多孔質電極から排出されるガスとが混合しにくく、電池反応した後のガスは、電池反応する前のガスの流入圧力によって、排出されやすい。従って、多孔質電極内に流入するガス流量を更に増加させることができ、限界電流密度を更に向上させることが可能となる。
Furthermore, in the solid oxide fuel cell according to the present invention, the porous electrode includes a gas inflow side gas sub-passage and a gas exhaust side gas sub-passage, and the gas inflow side gas sub-passage and the gas discharge side gas sub-passage are substantially omitted. It is desirable to be parallel.
By adopting such a configuration, it is difficult for the gas flowing into the porous electrode and the gas discharged from the porous electrode to be mixed, and the gas after the cell reaction is caused by the inflow pressure of the gas before the cell reaction, Easily discharged. Therefore, the flow rate of the gas flowing into the porous electrode can be further increased, and the limit current density can be further improved.

更にまた、本発明の固体電解質型燃料電池においては、多孔質電極が、ガス主通路のガス流入側とガス流出側とを画設することが望ましい。
このような構成とすることにより、多孔質電極内にガス流れを導入することができるだけでなく、供給されるガスが散逸せずに確実に多孔質電極に流入でき、多孔質電極内に流入するガス流量を更に増加させることができ、限界電流密度を更に向上させることが可能となる。
また、多孔質集電体や流路を内部に形成したセパレータを経由するよりも、体積当たりの発電量を向上させることができる。
Furthermore, in the solid oxide fuel cell of the present invention, it is desirable that the porous electrode defines a gas inflow side and a gas outflow side of the gas main passage.
By adopting such a configuration, not only can the gas flow be introduced into the porous electrode, but the supplied gas can surely flow into the porous electrode without being dissipated, and flow into the porous electrode. The gas flow rate can be further increased, and the limit current density can be further improved.
In addition, the amount of power generation per volume can be improved as compared with a case where a porous current collector or a separator having a flow path formed therein is used.

次に、本発明の固体電解質型燃料電池の製造方法について説明する。
上述の如く、本発明の固体電解質型燃料電池の製造方法は、上記本発明の固体電解質型燃料電池の製造方法の一例であって、ガス流入側ガス副通路及びガス排出側ガス副通路のいずれか一方又は双方を備える多孔質電極を形成するに当たり、プレス加工、パターン印刷加工、機械研削加工、エッチング加工、又は超音波加工、及びこれらの任意の組み合わせに係る加工方法を用い、所望の固体電解質型燃料電池を得る方法である。
このような加工方法により、上述したガス流入側ガス副通路やガス排出側ガス副通路を有する多孔質電極を生産性良く形成することができる。
Next, the manufacturing method of the solid oxide fuel cell of this invention is demonstrated.
As described above, the method for manufacturing a solid oxide fuel cell according to the present invention is an example of the method for manufacturing the solid oxide fuel cell according to the present invention, and includes any one of a gas inflow side gas sub-passage and a gas exhaust side gas subpassage. In forming a porous electrode having one or both of them, a desired solid electrolyte is obtained by using a processing method according to press processing, pattern printing processing, mechanical grinding processing, etching processing, ultrasonic processing, and any combination thereof. Type fuel cell.
By such a processing method, a porous electrode having the gas inflow side gas sub-passage and the gas discharge side gas sub-passage described above can be formed with high productivity.

次に、本発明の固体電解質型燃料電池スタック構造体について説明する。
上述の如く、本発明の固体電解質型燃料電池スタック構造体は、上記本発明の固体電解質型燃料電池を用いたものである。
上述した固体電解質型燃料電池を組み立ててスタック構造体とすることにより、多孔質電極内にガス流れを導入することができ、多孔質電極内に流入するガス流量を増加させることができ、ガスの濃度過電圧による燃料電池の電圧低下を防ぐことができ、限界電流密度を向上させることが可能となる。
また、体積当たりの発電量を向上させ得る固体電解質型燃料電池スタック構造体となる。
Next, the solid oxide fuel cell stack structure of the present invention will be described.
As described above, the solid oxide fuel cell stack structure of the present invention uses the solid oxide fuel cell of the present invention.
By assembling the above-described solid oxide fuel cell to form a stack structure, a gas flow can be introduced into the porous electrode, the gas flow rate flowing into the porous electrode can be increased, The voltage drop of the fuel cell due to the concentration overvoltage can be prevented, and the limit current density can be improved.
Moreover, it becomes a solid oxide fuel cell stack structure capable of improving the power generation amount per volume.

以下、本発明を若干の実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to some examples, but the present invention is not limited to these examples.

(実施例1)
図1は、実施例1の固体電解質型燃料電池の構成を示す説明図であり、図2は、図1に示した固体電解質型燃料電池のII−II線に沿った断面図であり、図3は、図1に示した固体電解質型燃料電池のIII−III線に沿った断面図である。
図1〜3に示すように、本例の固体電解質型燃料電池は、気密質部材10の一例であるガスシール部材14と、気密質集電体12(図2及び図3中において破線で示す。)と、固体電解質20の一例である酸化物イオン伝導性固体電解質22(図2及び図3参照。)と、多孔質電極30の一例である燃料極用多孔質電極32と、空気極40とを備える。
また、ガスシール部材14と気密質集電体12と酸化物イオン伝導性固体電解質22とがガス主通路Aを形成する。
更に、燃料極用多孔質電極32は、酸化物イオン伝導性固体電解質22と気密質集電体12とに接して、ガス主通路Aに配設されており、ガス流入側に開口部を有するガス流入側ガス副通路aとガス排出側に開口部を有するガス排出側ガス副通路bとを備え、ガス流入側ガス副通路aとガス排出側ガス副通路bとが略平行である。
そして、図1〜3中において、矢印で示すように、ガス流入側から流れてきた水素ガス(H)は、ガス主通路A、ガス流入側ガス副通路aを通って燃料極用多孔質電極32に流入し、ガス排出側ガス副通路b、ガス主通路Aを通って、ガス排出側に流れる。
ここで、本例の固体電解質型燃料電池においては、気密質集電体としてはインコネルから構成されるものを用い、ガスシール部材としてはガラス材料から構成されるものを用い、酸化物イオン伝導性固体電解質としては8YSZから構成されるものを用い、燃料極用多孔質電極としては、Ni−8YSZのサーメットから構成されるものを用い、その多孔質電極は直径が30mm、厚みが1mmであり、溝の幅が0.1mmであった。
(Example 1)
FIG. 1 is an explanatory diagram showing the configuration of the solid oxide fuel cell of Example 1, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II-II of the solid oxide fuel cell shown in FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III of the solid oxide fuel cell shown in FIG.
As shown in FIGS. 1 to 3, the solid oxide fuel cell of this example includes a gas seal member 14, which is an example of an airtight member 10, and an airtight current collector 12 (shown by broken lines in FIGS. 2 and 3). ), An oxide ion conductive solid electrolyte 22 (see FIGS. 2 and 3), which is an example of the solid electrolyte 20, a porous electrode 32 for a fuel electrode, which is an example of the porous electrode 30, and an air electrode 40. With.
Further, the gas seal member 14, the airtight current collector 12, and the oxide ion conductive solid electrolyte 22 form the gas main passage A.
Further, the fuel electrode porous electrode 32 is disposed in the gas main passage A in contact with the oxide ion conductive solid electrolyte 22 and the airtight current collector 12, and has an opening on the gas inflow side. A gas inflow side gas sub-passage a and a gas discharge side gas sub-passage b having an opening on the gas discharge side are provided, and the gas inflow side gas sub-passage a and the gas discharge side gas sub-passage b are substantially parallel.
1 to 3, the hydrogen gas (H 2 ) flowing from the gas inflow side passes through the gas main passage A and the gas inflow side gas sub-passage a and is porous for the fuel electrode. The gas flows into the electrode 32, passes through the gas discharge side gas sub-passage b and the gas main passage A, and flows to the gas discharge side.
Here, in the solid oxide fuel cell of this example, an airtight current collector made of Inconel was used, and a gas seal member made of a glass material was used. The solid electrolyte is composed of 8YSZ, the fuel electrode is composed of Ni-8YSZ cermet, and the porous electrode has a diameter of 30 mm and a thickness of 1 mm. The width of the groove was 0.1 mm.

(実施例2)
図4は、実施例2の固体電解質型燃料電池の構成を示す説明図であり、図5は、図4に示した固体電解質型燃料電池のV−V線に沿った断面図である。
図4及び5に示すように、本例の固体電解質型燃料電池は、気密質部材10の一例であるガスシール部材14と、気密質集電体12(図5中において破線で示す。)と、固体電解質20の一例である酸化物イオン伝導性固体電解質22(図5参照。)と、多孔質電極30の一例である燃料極用多孔質電極32と、空気極40とを備える。
また、ガスシール部材14と気密質集電体12と酸化物イオン伝導性固体電解質22とがガス主通路Aを形成する。
更に、燃料極用多孔質電極32は、酸化物イオン伝導性固体電解質22と気密質集電体12とに接して、ガス主通路Aに配設されており、ガス流入側に開口部を有するガス流入側ガス副通路aを備える。更にまた、燃料極用多孔質電極32が、ガス主通路Aのガス流入側とガス流出側とを画設している。
そして、図4及び5中において、矢印で示すように、ガス流入側から流れてきた水素ガス(H)は、ガス主通路A、ガス流入側ガス副通路aを通って燃料極用多孔質電極32に流入し、ガス排出側ガス副通路b、ガス主通路Aを通って、ガス排出側に流れる。
ここで、本例の固体電解質型燃料電池においては、気密質集電体としてはインコネルから構成されるものを用い、ガスシール部材としてはセラミック材料から構成されるものを用い、酸化物イオン伝導性固体電解質としてはSDCから構成されるものを用い、燃料極用多孔質電極としては、Ni−SDCのサーメットから構成されるものを用い、その多孔質電極は直径が30mm、厚みが1mmであり、溝の幅が0.2mmであった。
(Example 2)
FIG. 4 is an explanatory diagram showing the configuration of the solid oxide fuel cell of Example 2, and FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line VV of the solid oxide fuel cell shown in FIG.
As shown in FIGS. 4 and 5, the solid oxide fuel cell of this example includes a gas seal member 14 that is an example of the airtight member 10, and an airtight current collector 12 (indicated by a broken line in FIG. 5). The oxide ion conductive solid electrolyte 22 (see FIG. 5), which is an example of the solid electrolyte 20, the fuel electrode porous electrode 32, which is an example of the porous electrode 30, and the air electrode 40.
Further, the gas seal member 14, the airtight current collector 12, and the oxide ion conductive solid electrolyte 22 form the gas main passage A.
Further, the fuel electrode porous electrode 32 is disposed in the gas main passage A in contact with the oxide ion conductive solid electrolyte 22 and the airtight current collector 12, and has an opening on the gas inflow side. A gas inflow side gas sub-passage a is provided. Furthermore, the fuel electrode porous electrode 32 defines a gas inflow side and a gas outflow side of the gas main passage A.
4 and 5, the hydrogen gas (H 2 ) flowing from the gas inflow side passes through the gas main passage A and the gas inflow side gas sub-passage a and is porous for the fuel electrode. The gas flows into the electrode 32, passes through the gas discharge side gas sub-passage b and the gas main passage A, and flows to the gas discharge side.
Here, in the solid oxide fuel cell of this example, an airtight current collector made of Inconel is used, and a gas seal member made of a ceramic material is used, and oxide ion conductivity is used. The solid electrolyte is composed of SDC, the fuel electrode is composed of Ni-SDC cermet, and the porous electrode is 30 mm in diameter and 1 mm in thickness. The width of the groove was 0.2 mm.

(実施例3)
図6は、実施例3の固体電解質型燃料電池の構成を示す説明図であり、図7は、図6に示した固体電解質型燃料電池のVII−VII線に沿った断面図である。
図6及び7に示すように、本例の固体電解質型燃料電池は、燃料極用多孔質電極32において、ガス流入側に開口部を有するガス流入側ガス副通路aとガス排出側に開口部を有するガス排出側ガス副通路bとを備えるようにした以外は、実施例2と同様の構成である。なお、図6中の固体電解質型燃料電池のV−V線に沿った断面図は図5と同様である。
そして、図6及び7中において、矢印で示すように、ガス流入側から流れてきた水素ガス(H)は、ガス主通路A、ガス流入側ガス副通路aを通って燃料極用多孔質電極32に流入し、ガス排出側ガス副通路b、ガス主通路Aを通って、ガス排出側に流れる。
(Example 3)
FIG. 6 is an explanatory diagram showing the configuration of the solid oxide fuel cell of Example 3, and FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the line VII-VII of the solid oxide fuel cell shown in FIG.
As shown in FIGS. 6 and 7, the solid oxide fuel cell of this example includes a gas inflow side gas sub-passage a having an opening on the gas inflow side and an opening on the gas discharge side in the fuel electrode porous electrode 32. The configuration is the same as that of the second embodiment except that the gas discharge side gas sub-passage b having the above is provided. In addition, the cross-sectional view along the VV line of the solid oxide fuel cell in FIG. 6 is the same as FIG.
6 and 7, the hydrogen gas (H 2 ) flowing from the gas inflow side passes through the gas main passage A and the gas inflow side gas sub-passage a and is porous for the fuel electrode. The gas flows into the electrode 32, passes through the gas discharge side gas sub-passage b and the gas main passage A, and flows to the gas discharge side.

(実施例4)
図8は、実施例4の固体電解質型燃料電池の構成を示す断面図である。
同図に示すように、本例の固体電解質型燃料電池は、気密質部材10の一例であるガスシール部材14と、気密質集電体12と、固体電解質20の一例である酸化物イオン伝導性固体電解質22と、多孔質電極30の一例である燃料極用多孔質電極32と、を備える。
また、ガスシール部材14と気密質集電体12と酸化物イオン伝導性固体電解質22とがガス主通路Aを形成する。
更に、燃料極用多孔質電極32は、酸化物イオン伝導性固体電解質22と気密質集電体14とに接して、ガス主通路Aに配設されており、ガス流入側に開口部を有するガス流入側ガス副通路aとガス排出側に開口部を有するガス排出側ガス副通路bとを備え、ガス流入側ガス副通路aとガス排出側ガス副通路bとが略平行である。
また、ガス流入側に開口部を有するガス流入側ガス副通路aとガス排出側に開口部を有するガス排出側ガス副通路bとは、同一平面上に存在し、換言すれば、電極厚み方向において、同一厚み位置に存在する。
そして、図8中において、矢印で示すように、ガス流入側から流れてきた水素ガス(H)は、ガス主通路A、ガス流入側ガス副通路aを通って燃料極用多孔質電極32に流入し、ガス排出側ガス副通路b、ガス主通路Aを通って、ガス排出側に流れる。
ここで、本例の固体電解質型燃料電池においては、気密質集電体としてはインコネルから構成されるものを用い、ガスシール部材としてはガラス材料から構成されるものを用い、酸化物イオン伝導性固体電解質としてはランタンガレートから構成されるものを用い、燃料極用多孔質電極としては、Ni−ランタンガレートのサーメットから構成されるものを用い、その多孔質電極は直径が30mm、厚みが1mmであり、溝の幅が0.15mmであった。
Example 4
FIG. 8 is a cross-sectional view showing the configuration of the solid oxide fuel cell of Example 4.
As shown in the figure, the solid oxide fuel cell of this example includes a gas seal member 14, which is an example of an airtight member 10, an airtight current collector 12, and an oxide ion conduction which is an example of a solid electrolyte 20. The conductive solid electrolyte 22 and a fuel electrode porous electrode 32 which is an example of the porous electrode 30 are provided.
Further, the gas seal member 14, the airtight current collector 12, and the oxide ion conductive solid electrolyte 22 form the gas main passage A.
Further, the fuel electrode porous electrode 32 is disposed in the gas main passage A in contact with the oxide ion conductive solid electrolyte 22 and the airtight current collector 14 and has an opening on the gas inflow side. A gas inflow side gas sub-passage a and a gas discharge side gas sub-passage b having an opening on the gas discharge side are provided, and the gas inflow side gas sub-passage a and the gas discharge side gas sub-passage b are substantially parallel.
Further, the gas inflow side gas sub-passage a having an opening on the gas inflow side and the gas discharge side gas sub-passage b having an opening on the gas discharge side exist on the same plane, in other words, in the electrode thickness direction. In the same thickness position.
In FIG. 8, as indicated by the arrows, the hydrogen gas (H 2 ) flowing from the gas inflow side passes through the gas main passage A and the gas inflow side gas sub-passage a, and the fuel electrode porous electrode 32. And flows to the gas discharge side through the gas discharge side gas sub-passage b and the gas main passage A.
Here, in the solid oxide fuel cell of this example, an airtight current collector made of Inconel was used, and a gas seal member made of a glass material was used. The solid electrolyte is made of lanthanum gallate, the fuel electrode is made of Ni-lanthanum gallate cermet, and the porous electrode has a diameter of 30 mm and a thickness of 1 mm. And the width of the groove was 0.15 mm.

(実施例5)
図9は、実施例5の固体電解質型燃料電池の構成を示す断面図である。
同図に示すように、本例の固体電解質型燃料電池は、燃料極用多孔質電極32において、ガス流入側に開口部を有するガス流入側ガス副通路aとガス排出側に開口部を有するガス排出側ガス副通路bとが、異なる平面上に存在する、換言すれば、電極厚み方向において、異なる厚み位置に存在するようにした以外は、実施例4と同様の構成である。
そして、図9中において、矢印で示すように、ガス流入側から流れてきた水素ガス(H)は、ガス主通路A、ガス流入側ガス副通路aを通って燃料極用多孔質電極32に流入し、ガス排出側ガス副通路b、ガス主通路Aを通って、ガス排出側に流れる。
(Example 5)
FIG. 9 is a cross-sectional view showing the configuration of the solid oxide fuel cell of Example 5.
As shown in the figure, the solid oxide fuel cell of this example has a gas inflow side gas sub-passage a having an opening on the gas inflow side and an opening on the gas discharge side in the porous electrode 32 for the fuel electrode. The gas discharge side gas sub-passage b has the same configuration as that of the fourth embodiment except that the gas discharge side gas sub-passage b exists on a different plane, in other words, at a different thickness position in the electrode thickness direction.
In FIG. 9, as indicated by arrows, the hydrogen gas (H 2 ) flowing from the gas inflow side passes through the gas main passage A and the gas inflow side gas sub-passage a, and the fuel electrode porous electrode 32. And flows to the gas discharge side through the gas discharge side gas sub-passage b and the gas main passage A.

ここで、下記に示されるオリフィス管のガス圧力と流量の関係式(1)   Here, the relational expression (1) between the gas pressure and flow rate of the orifice pipe shown below

Figure 2008146905
Figure 2008146905

[式(1)中において、Vはガス流量、Cは流出係数、Aは断面積、P、Pは、それぞれオリフィス管の出入口のガス圧力、ρは、それぞれオリフィス管のガス密度を示す。]を利用して計算すると、電極にガス副通路を設けた本発明の固体電解質型燃料電池は、従来の固体電解質型燃料電池と比較して、限界電流密度が10倍程度となることが分かる。 [In the formula (1), V is the gas flow rate, C is the outflow coefficient, A 0 is the cross-sectional area, P 1 and P 2 are the gas pressure at the inlet / outlet of the orifice tube, and ρ is the gas density of the orifice tube, respectively. Show. ], It can be seen that the solid oxide fuel cell of the present invention in which the gas sub-passage is provided in the electrode has a limit current density of about 10 times that of the conventional solid oxide fuel cell. .

以上、本発明を若干の好適実施形態及び実施例により説明したが、本発明はかかる実施形態や実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。
例えば、実施例においては、気密質部材として気密質集電体とガスシール部材とを用いる場合について説明したが、気密質部材として気密質セパレータを用いることもできる。
また、実施例においては、多孔質電極として円形薄膜のものを用いる場合について説明したが、これに限定されるものではなく、三角形や四角形などの角形薄膜のものを用いることもできる。
更に、実施例においては、多孔質電極として燃料極用多孔質電極を用いる場合について説明したが、多孔質電極として空気極用多孔質電極を用いることもできる。
As mentioned above, although this invention was demonstrated by some suitable embodiment and an Example, this invention is not limited to this embodiment or an Example, A various deformation | transformation is possible within the range which does not deviate from the summary of this invention. It is.
For example, in the embodiment, the case where an airtight current collector and a gas seal member are used as the airtight member has been described. However, an airtight separator can also be used as the airtight member.
In the embodiments, the case where a circular thin film is used as the porous electrode has been described. However, the present invention is not limited to this, and a rectangular thin film such as a triangle or a quadrangle can also be used.
Further, in the examples, the case where the porous electrode for the fuel electrode is used as the porous electrode has been described. However, the porous electrode for the air electrode can also be used as the porous electrode.

実施例1の固体電解質型燃料電池の構成を示す説明図である。1 is an explanatory diagram showing a configuration of a solid oxide fuel cell of Example 1. FIG. 図1に示した固体電解質型燃料電池のII−II線に沿った断面図である。It is sectional drawing along the II-II line of the solid oxide fuel cell shown in FIG. 図1に示した固体電解質型燃料電池のIII−III線に沿った断面図である。It is sectional drawing along the III-III line of the solid oxide fuel cell shown in FIG. 実施例2の固体電解質型燃料電池の構成を示す説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram showing a configuration of a solid oxide fuel cell of Example 2. 図4に示した固体電解質型燃料電池のV−V線に沿った断面図である。It is sectional drawing along the VV line of the solid oxide fuel cell shown in FIG. 実施例3の固体電解質型燃料電池の構成を示す説明図である。6 is an explanatory view showing a configuration of a solid oxide fuel cell of Example 3. FIG. 図6に示した固体電解質型燃料電池のVII−VII線に沿った断面図である。It is sectional drawing along the VII-VII line of the solid oxide fuel cell shown in FIG. 実施例4の固体電解質型燃料電池の構成を示す断面図である。6 is a cross-sectional view showing a configuration of a solid oxide fuel cell of Example 4. FIG. 実施例5の固体電解質型燃料電池の構成を示す断面図である。6 is a cross-sectional view showing a configuration of a solid oxide fuel cell of Example 5. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

10 気密質部材
12 気密質集電体
14 ガスシール部材
20 固体電解質
22 酸化物イオン伝導性固体電解質
30 多孔質電極
32 燃料極用多孔質電極
40 空気極
A ガス主通路
a ガス流入側ガス副通路
b ガス排出側ガス副通路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Airtight member 12 Airtight current collector 14 Gas seal member 20 Solid electrolyte 22 Oxide ion conductive solid electrolyte 30 Porous electrode 32 Porous electrode for fuel electrode 40 Air electrode A Gas main passage a Gas inflow side gas sub passage b Gas exhaust side gas sub-passage

Claims (9)

気密質部材と、固体電解質と、多孔質電極と、を備える固体電解質型燃料電池であって、
上記気密質部材と上記固体電解質とが、ガス主通路を形成し、
上記多孔質電極が、上記固体電解質と上記気密質部材とに少なくとも接して上記ガス主通路内に配設され、且つガス流入側に開口部を有するガス流入側ガス副通路及び/又はガス排出側に開口部を有するガス排出側ガス副通路を備える、ことを特徴とする固体電解質型燃料電池。
A solid oxide fuel cell comprising an airtight member, a solid electrolyte, and a porous electrode,
The airtight member and the solid electrolyte form a gas main passage,
The gas inflow side gas sub-passage and / or the gas discharge side, wherein the porous electrode is disposed in the gas main passage at least in contact with the solid electrolyte and the airtight member, and has an opening on the gas inflow side. A solid oxide fuel cell, comprising a gas discharge side gas sub-passage having an opening in a gas outlet side.
上記多孔質電極が、該多孔質電極の内部に、上記ガス流入側ガス副通路及び/又は上記ガス排出側ガス副通路を備える、ことを特徴とする請求項1に記載の固体電解質型燃料電池。   2. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the porous electrode includes the gas inflow side gas sub-passage and / or the gas discharge side gas sub-passage inside the porous electrode. . 上記多孔質電極が、上記ガス流入側ガス副通路及び上記ガス排出側ガス副通路を備え、
上記ガス流入側ガス副通路と上記ガス排出側ガス副通路とが、略平行である、ことを特徴とする請求項1に記載の固体電解質型燃料電池。
The porous electrode comprises the gas inflow side gas sub-passage and the gas discharge side gas sub-passage;
2. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the gas inflow side gas sub-passage and the gas discharge side gas sub-passage are substantially parallel. 3.
上記多孔質電極が、上記ガス主通路のガス流入側とガス流出側とを画設する、ことを特徴とする請求項1に固体電解質型燃料電池。   2. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the porous electrode defines a gas inflow side and a gas outflow side of the gas main passage. 上記固体電解質は、酸化物イオン伝導性を有する固体電解質であり、
上記多孔質電極は、燃料極用多孔質電極である、ことを特徴とする請求項1に記載の固体電解質型燃料電池。
The solid electrolyte is a solid electrolyte having oxide ion conductivity,
2. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the porous electrode is a porous electrode for a fuel electrode.
上記固体電解質は、プロトン伝導性を有する固体電解質であり、
上記多孔質電極は、空気極用多孔質電極である、ことを特徴とする請求項1に記載の固体電解質型燃料電池。
The solid electrolyte is a solid electrolyte having proton conductivity,
The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the porous electrode is a porous electrode for an air electrode.
上記気密質部材が、気密質集電体及び/又は気密質セパレータを有する、ことを特徴とする請求項1に記載の固体電解質型燃料電池。   2. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the airtight member has an airtight current collector and / or an airtight separator. 請求項1〜7のいずれか1つの項に記載の固体電解質型燃料電池の製造方法であって、
ガス流入側に開口部を有するガス流入側ガス副通路及び/又はガス排出側に開口部を有するガス排出側ガス副通路を備える多孔質電極を形成するに当たり、プレス加工、パターン印刷加工、機械研削加工、エッチング加工及び超音波加工から成る群より選ばれた少なくとも1種の方法を用いることを特徴とする固体電解質型燃料電池の製造方法。
A method for producing a solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 7,
In forming a porous electrode having a gas inflow side gas sub-passage having an opening on the gas inflow side and / or a gas discharge side gas sub-passage having an opening on the gas discharge side, press working, pattern printing, mechanical grinding A method for producing a solid oxide fuel cell, comprising using at least one method selected from the group consisting of processing, etching processing and ultrasonic processing.
請求項1〜7のいずれか1つの項に記載の固体電解質型燃料電池を用いたことを特徴とする固体電解質型燃料電池スタック構造体。   A solid oxide fuel cell stack structure using the solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 7.
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