JP2009081113A - Horizontal stripe type fuel battery cell and fuel battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、横縞型燃料電池セルおよびそれを用いた燃料電池に関する。 The present invention relates to a horizontal stripe fuel cell and a fuel cell using the same.
近年、次世代エネルギーとして、燃料電池セルを複数接続してなるセルスタックを、収納容器に収容した燃料電池が種々提案されている。このような燃料電池セルとしては、固体高分子形燃料電池セル、リン酸形燃料電池セル、溶融炭酸塩形燃料電池セル、固体電解質形燃料電池セルなど、各種のものが知られている。とりわけ、固体電解質形燃料電池セルは、発電効率が高く、また、作動温度が600℃〜1000℃と高いため、その排熱を利用できるなどの利点を有しており、研究開発が推し進められている。 In recent years, various types of fuel cells in which a cell stack formed by connecting a plurality of fuel cells is accommodated in a storage container have been proposed as next-generation energy. As such a fuel cell, various types such as a polymer electrolyte fuel cell, a phosphoric acid fuel cell, a molten carbonate fuel cell, and a solid electrolyte fuel cell are known. In particular, solid electrolyte fuel cells have advantages such as high power generation efficiency and high operating temperatures of 600 ° C to 1000 ° C, so that the exhaust heat can be used, and research and development has been promoted. Yes.
図7は、従来の固体電解質形燃料電池セルを示す一部破断斜視図である。この固体電解質形燃料電池セル10は、横縞型といって、電気絶縁体である平板状の多孔質支持基板11の表面に、燃料極層13a、固体電解質13bおよび空気極層13cが順次積層された多層構造の発電素子13を、多孔質支持基板11の長手方向に所定間隔をおいて複数形成することにより構成されている。互いに隣接する発電素子13は、それぞれ素子間接続部材17(「インターコネクタ」ともいう。)により電気的に直列に接続されている。すなわち、一方の発電素子13の燃料極層13aと他方の発電素子13の空気極層13cとが、素子間接続部材17により接続されている。また、多孔質支持基板11の内部には長手方向に貫通した複数のガス流路12が形成されている。
前記横縞型燃料電池セル10において、固体電解質13bの酸素イオン伝導性が600℃以上で高くなるため、このような温度で空気極層13cに酸素を含むガスを流し、燃料極層13aに対しては前記ガス流路12に水素を含むガスを流すことにより、空気極層13cと燃料極層13aとの酸素濃度差が高くなり、空気極層13cと燃料極層13aとの間で電位差が発生する。
この電位差により、酸素イオンは、空気極層13cから固体電解質13bを介して燃料極層13aへ移動する。移動した酸素イオンが、燃料極層13aで水素と結合して水となり、同時に燃料極層13aで電子が発生する。
すなわち、空気極層13cでは、下記式(1)の電極反応を生じ、燃料極層13aでは、下記式(2)の電極反応を生じる。
空気極層3c: 1/2O2+2e- →O2- ・・(1)
燃料極層3a: O2-+H2 → H2O+2e- ・・(2)
そして、一方の発電素子13の燃料極層13aと他方の発電素子13の空気極層13cとを電気的に接続することにより、一方の発電素子13の燃料極層13aから他方の発電素子13の空気極層13cへの電子の移動が起こり、両極間で起電力が生じる。
このように、固体電解質形燃料電池セルでは、酸素と水素を供給することにより、前記の反応を連続して起こし、起電力を生じさせて発電する(例えば、特許文献1、2参照)。
In the horizontal
Due to this potential difference, oxygen ions move from the
That is, the electrode reaction of the following formula (1) occurs in the
Air electrode layer 3c: 1 / 2O 2 + 2e − → O 2− (1)
The fuel electrode layer 3a: O 2- + H 2 → H 2 O + 2e - ·· (2)
Then, by electrically connecting the
Thus, in the solid oxide fuel cell, by supplying oxygen and hydrogen, the above reaction is continuously caused to generate an electromotive force to generate electric power (see, for example,
しかし、従来の燃料電池セルは、作製時に酸素含有雰囲気での焼成により、例えば、多孔質支持基板11や燃料極層13aのNi成分がNiOとなっているため、これを還元処理により還元する時、あるいは発電中に還元雰囲気に曝されて還元される時、発生する応力歪によりガス流路の真上部で長手方向(ガス流れ方向)に縦割れをするおそれがある。この縦割れは、局部的に燃料電池セルの強度が低下した場合だけでなく、同一セル内における強度差が大きい場合にも発生する。そしてこの縦割れ箇所は配列方向の両端にあるガス流路において頻度が極めて高い。そのため、燃料電池セルの製品の歩留まりが低いという不具合がある。
特に、近年においては、燃料電池セルにおける発電量増加、およびコンパクト化という観点から、燃料電池セルの厚みが薄くなり、幅が広くなる傾向にあるため、上記縦割れが発生しやすい。
本発明の課題は、横縞型燃料電池セルの作製時および発電時においても、ガス流路部の直上部より長手方向に縦割れをしない、歩留まりの高い横縞型燃料電池セルを提供することにある。
However, in the conventional fuel cell, since the Ni component of the
In particular, in recent years, from the viewpoint of increasing the amount of power generation in a fuel cell and making it more compact, the fuel cell tends to be thinner and wider, so the vertical crack is likely to occur.
An object of the present invention is to provide a high-yield horizontal-striped fuel cell that does not cause vertical cracks in the longitudinal direction from directly above the gas flow path even when the horizontal-striped fuel cell is manufactured and during power generation. .
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、多孔質支持基板の幅方向の端部における強度が多孔質支持基板の中で最も低く、多孔質支持基板の幅方向中心部に向かうほど強度が高くなること、またガス流路の孔径(面積)が大きいほど強度低下が大きいという知見を得た。このことから多孔質支持基板の側面に最も近いガス流路の孔径を他のガス流路の孔径よりも小さくすることにより、燃料電池セルの作製時および発電時においても縦割れを抑制できることを見出して、本発明を完成させるに至った。 As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have found that the strength at the end in the width direction of the porous support substrate is the lowest among the porous support substrates, and the center in the width direction of the porous support substrate. It has been found that the strength increases as it goes to the portion, and that the strength decrease increases as the hole diameter (area) of the gas flow path increases. From this, it was found that by making the hole diameter of the gas flow path closest to the side surface of the porous support substrate smaller than the hole diameter of the other gas flow paths, vertical cracks can be suppressed during the production of fuel cells and during power generation. Thus, the present invention has been completed.
即ち、本発明における横縞型燃料電池セルおよび燃料電池は、以下の構成を有する。
(1)幅方向に3つ以上のガス流路を内部に備えた電気絶縁性の多孔質支持基板の表面に、内側電極、固体電解質および外側電極が順次積層された発電素子を複数並設し、前記発電素子の内側電極と、該発電素子に隣接する他の発電素子の外側電極とが(互いに隣接する前記発電素子のうち、一方の発電素子の内側電極と、他方の発電素子の外側電極とが)電気的に接続されている横縞型燃料電池セルであって、前記多孔質支持基板の幅方向の両端にあるガス流路の直径が該ガス流路より中心側に位置する他のガス流路の直径よりも小さいことを特徴とする横縞型燃料電池セル。
(2)前記多孔質支持基板の幅方向の中心側に位置する他のガス流路の直径が、前記多孔質支持基板の厚みに対し37%以上65%以下であることを特徴とする(1)に記載の横縞型燃料電池セル。
(3)前記多孔質支持基板の幅方向の両端にあるガス流路の直径が、前記多孔質支持基板の厚みに対し34%以上50%以下であることを特徴とする(1)または(2)に記載の横縞型燃料電池セル。
(4)前記多孔質支持基板の厚みが2.0mm以上3.5mm以下であることを特徴とする(1)〜(3)のいずれかに記載の横縞型燃料電池セル。
(5)前記発電素子は前記多孔質支持基板の幅方向の両端にあるガス流路より中心側に配設されていることを特徴とする(1)〜(4)のいずれかに記載の横縞型燃料電池セル。
(6)(1)〜(5)のいずれかに記載の横縞型燃料電池セルを収納容器内に複数収容してなることを特徴とする燃料電池。
That is, the horizontal stripe fuel cell and the fuel cell according to the present invention have the following configurations.
(1) A plurality of power generation elements in which an inner electrode, a solid electrolyte, and an outer electrode are sequentially laminated are arranged in parallel on the surface of an electrically insulating porous support substrate having three or more gas flow paths in the width direction. The inner electrode of the power generation element and the outer electrode of another power generation element adjacent to the power generation element (of the power generation elements adjacent to each other, the inner electrode of one power generation element and the outer electrode of the other power generation element And other gas in which the diameter of the gas flow path at both ends in the width direction of the porous support substrate is located closer to the center than the gas flow path. A horizontally-striped fuel cell characterized by being smaller than the diameter of the flow path.
(2) The diameter of another gas flow channel located on the center side in the width direction of the porous support substrate is 37% or more and 65% or less with respect to the thickness of the porous support substrate (1) ) Horizontal stripe fuel cell.
(3) The diameter of the gas flow path at both ends in the width direction of the porous support substrate is 34% or more and 50% or less with respect to the thickness of the porous support substrate (1) or (2) ) Horizontal stripe fuel cell.
(4) The horizontal stripe fuel cell according to any one of (1) to (3), wherein the porous support substrate has a thickness of 2.0 mm to 3.5 mm.
(5) The horizontal stripes according to any one of (1) to (4), wherein the power generation element is disposed closer to a center side than gas flow paths at both ends in the width direction of the porous support substrate. Type fuel cell.
(6) A fuel cell comprising a plurality of horizontally-striped fuel cells according to any one of (1) to (5) contained in a storage container.
本発明の横縞型燃料電池セルによれば、多孔質支持基板の幅方向の両端にあるガス流路の直径をこれより中心側のガス流路の直径より小さくしたので、多孔質支持基板の幅方向の両端部での強度が増大し、そのため横縞型燃料電池セルの作製および発電時において縦割れを抑制でき、歩留まりの高い横縞型燃料電池セルを提供することができる。
また、本発明の燃料電池によれば、上記した横縞型燃料電池セルを用いるので、信頼性を確保した上で高い発電量を得ることができる。
According to the laterally striped fuel cell of the present invention, the diameter of the gas flow path at both ends in the width direction of the porous support substrate is made smaller than the diameter of the gas flow path on the center side. The strength at both ends in the direction is increased, and therefore vertical cracks can be suppressed during production and power generation of the horizontal stripe fuel cell, and a horizontal stripe fuel cell having a high yield can be provided.
Moreover, according to the fuel cell of the present invention, since the above-described horizontal stripe fuel cell is used, a high power generation amount can be obtained while ensuring reliability.
以下、本発明の横縞型燃料電池セルの一実施形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は、本発明の横縞型燃料電池セルの構造を示す一部破断斜視図である。この燃料電池セル10は、中空平板状の電気絶縁性の多孔質支持基板11の表裏面に、複数の発電素子13を多孔質支持基板11の長手方向に沿って複数個配置し、それらを素子間接続部材17を介して直列に接続した「横縞型」といわれるものである。
Hereinafter, an embodiment of a horizontal stripe fuel cell according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a partially broken perspective view showing the structure of a horizontal stripe fuel cell according to the present invention. In this
本発明の横縞型燃料電池セルは、図1に示すように、多孔質支持基板11の表裏面に、その長手方向に所定間隔をおいて、複数の発電素子13をそれぞれ配列することにより構成されている。それぞれの発電素子13は、集電燃料極層23、活性燃料極層13a、固体電解質13bおよび空気極層13cを順次積層した層構造となっている。
As shown in FIG. 1, the horizontally-striped fuel cell of the present invention is configured by arranging a plurality of
多孔質支持基板11の表裏面における互いに隣接する発電素子13同士は、第1集電層17aおよび第2集電層17bからなる素子間接続部材17により直列に接続されている(図2参照)。すなわち、一方の発電素子13の活性燃料極層13aの上に第1集電層17aが形成され、この第1集電層17aは、長手方向両端部を含めその周囲が固体電解質13bによりガスシール状態で被覆され、固体電解質13bから帯状に露出している。この第1集電層17aの露出した部分が第2集電層17bにより被覆され、この第2集電層17bが、他方の発電素子13の空気極層13c上に形成され、これにより、発電素子13同士が直列に電気的に接続された構造となっている。
The
多孔質支持基板11は多孔質であり、さらにその内部には、内径の小さな複数の燃料ガス流路12が、隔壁51で隔てられて長手方向に延びるようにして貫通して設けられている。前記ガス流路12の数は、発電性能および構造強度の点から、例えば3〜20個が好ましく、6〜17個であるのがより好ましい。このように、多孔質支持基板11の内部にガス流路12を複数形成することにより、多孔質支持基板11の内部に大きなガス流路を1本形成する場合に比べて、多孔質支持基板11を扁平板状とすることができ、燃料電池セル1の体積当たりの発電素子13の面積を増加し発電量を大きくすることができる。よって、必要とする発電量を得るための燃料電池セル本数を減らすことができる。また、燃料電池セル間の接続箇所数を減少させることもできる。
The
このガス流路12内に燃料ガス(水素ガス)を流し、かつ空気極層13cを空気等の酸素含有ガスに曝すことにより、活性燃料極層13aおよび空気極層13c間で前述した式(1)、(2)に示す電極反応が生じ、両極間に電位差が発生し、発電するようになっている。
By flowing a fuel gas (hydrogen gas) through the
本発明にかかる多孔質支持基板11は、図1に示したように、幅方向Xの両端にある前記ガス流路12の直径がそれより中心側(幅方向において内側)にある他のガス流路12の直径よりも小さい構成をなす。このような構成とすることにより、従来、多孔質支持基板11の幅方向の端部での強度が弱く、また幅方向の部位によって強度が異なることで縦割れが発生するという問題点を改善できる。すなわち、本発明の構成により多孔質支持基板11の幅方向の部位における強度の差を低減し、全体的に均一な強度分布を確保することができる。その結果、燃料電池セル10の作製時において酸素含有雰囲気での焼成後に還元処理により還元する時、あるいは発電中に還元雰囲気に曝されて還元される時、発生する応力歪による多孔質支持基板11の縦割れを防止でき、歩留まりの高い燃料電池セル10を作製することができる。
As shown in FIG. 1, the
前記多孔質支持基板11の幅方向の中心側にある前記他のガス流路12の直径は、前記多孔質支持基板11の厚みに対し37%以上65%以下であるのが好ましい。一方、前記多孔質支持基板11の幅方向の両端にあるガス流路12の直径は、前記多孔質支持基板11の厚みに対し34%以上50%以下であるのが好ましい。ガス流路12の直径は、下限値は燃料極へのガス拡散量を多くするという点から設定され、上限は、多孔質支持基板11の幅方向の中央部、端部における強度を向上するという観点から設定されている。
また、多孔質支持基板11は、幅方向の中心側に存在する平板部11aと、その幅方向の両端部に存在し外面が曲面の半割円柱部11bとを有しており、前記多孔質支持基板11の幅方向の両端にあるガス流路12は、半割円柱部11b、または半割円柱部11bと平坦部11aに跨って存在している。半割円柱部11bにより、多孔質支持基板11の幅方向の両端部における応力集中を抑制することができる。そして、この半割円柱部11b、または半割円柱部11bと平坦部11aに跨って存在して、多孔質支持基板11の幅方向両端のガス流路12が存在しているため、多孔質支持基板11に発電素子を効率的に形成でき、コンパクトで高い発電量のセルを得ることができる。
前記多孔質支持基板11の幅方向の中心側および両端にあるガス流路12の直径並びに両端の位置を上記範囲内とすることにより、多孔質支持基板11の幅方向の部位における強度の差を一層低減し、全体的に均一な強度分布を一層確保することができる。
なお、ガス流路の断面形状は、厳密には円形でない場合もあるが、本発明では、円形でない場合でも、支持基板の厚み方向における最大幅を直径とした。
The diameter of the
The
By setting the diameter and the position of both ends of the
In addition, although the cross-sectional shape of the gas flow path may not be strictly circular, in the present invention, the maximum width in the thickness direction of the support substrate is defined as the diameter even when it is not circular.
前記多孔質支持基板11の幅方向の両端にあるガス流路12は、前記発電素子13へのガス供給源として寄与しない場合がある。前記両端のガス流路12は他のガス流路12に比べ流路直径が小さいため、多孔質支持基板11のガス導入口での抵抗が高くなり、前記両端のガス流路12において圧損が大きくなるので、この流路でのガスの供給が不十分となり良好な発電の妨げとなる。したがって、前記発電素子13は前記多孔質支持基板11の幅方向の両端にあるガス流路12より中心側に配設するのが好ましい。
The
前記燃料電池セル10を複数集合して、図2に示すようなセルスタックを組み立てる。このセルスタックの両端に、セルスタックで発生した電力を燃料電池外に取り出すための導電部材(図示せず)を取り付けて、収納容器内に収容して、燃料電池を製作することができる。 この収納容器に空気等の酸素含有ガスを導入し、水素等の燃料ガスを導入管を通して燃料ガスマニホールド50に導入する。燃料ガスを燃料ガスマニホールド50を通して燃料電池セル10内部に導入し、燃料電池セル10を所定温度に加熱すれば、燃料電池セル10によって発電することができる。使用された燃料ガス、酸素含有ガスは、燃料電池セル10の先端部Eから排気され、収納容器外に排出される。
A plurality of the
図2に示すように、燃料電池セル10は、セル間接続部材19を介して互いに電気的に接続されている。
すなわち、セルスタックの下端部において、一方の燃料電池セル10の下端部に素子間接続部材17bが設けられ、該一方の燃料電池セル10の空気極層13cと導通している。また、前記素子間接続部材17bは、セル間接続部材19を介して、他方の燃料電池セル10の素子間接続部材17b、17aを介して燃料極層13aと導通している。一方、各燃料電池セル10の上端部においては、多孔質支持基板11の一方の表面の空気極層13cと他方の表面(裏面)の燃料極層13aとが素子間接続部材17を介して接続されている。これにより、一方の多孔質支持基板11の一方の表面の各発電素子部13で発生した電流を他方の表面(裏面)の各発電素子部13へ送ることができる。すなわち、一方の多孔質支持基板11の表裏面間の発電素子部13を電気的に直列の接続とすることができる。
このように、セルスタックは、前記した燃料電池セル10が、セル間接続部材19を介して互いに電気的に接続されていれば、燃料電池セル10を密に配置することができるため、発電量当たりのセルスタックの体積を小さくすることができる。そのため、小型で、熱効率の高いセルスタックを提供することができる。
As shown in FIG. 2, the
That is, at the lower end of the cell stack, the
In this way, the cell stack can densely arrange the
以下、燃料電池セル10を構成する各部材の材質を詳しく説明する。
(多孔質支持基板)
本発明に係る多孔質支持基板11は、Mg酸化物(MgO)と、Ni若しくはNi酸化物(NiO)と、希土類元素酸化物とからなっている。なお、希土類元素酸化物を構成する希土類元素としては、Y、La、Yb、Tm、Er、Ho、Dy、Gd、Sm、Prなどを例示することができるが、好ましくは、Y2O3やYb2O3、特にY2O3である。
Hereinafter, the material of each member constituting the
(Porous support substrate)
The
MgOは70〜80体積%、希土類元素酸化物は10〜20体積%、NiあるいはNiO(NiOは、発電時には、通常、水素ガスにより還元されてNiとして存在する)は、NiO換算で10〜25体積%、特に15〜20体積%の範囲で多孔質支持基板11中に含有されているのがよい。
この多孔質支持基板11の熱膨張係数は、通常、10.5〜12.5×10-6(1/K)程度である。
MgO is 70 to 80% by volume, rare earth element oxide is 10 to 20% by volume, Ni or NiO (NiO is usually reduced by hydrogen gas and present as Ni during power generation) is 10 to 25 in terms of NiO. It is good to contain in the
The thermal expansion coefficient of the
多孔質支持基板11は、発電素子13間の電気的ショートを防ぐために電気絶縁性であることが必要であり、通常、10Ω・cm以上の抵抗率を有することが望ましい。Ni等の含量が前記範囲を超えると、電気抵抗値が低下し易い。また、Ni等の含量が前記範囲よりも少ないと、希土類元素酸化物(例えばY2O3)を単独で用いた場合と変わらなくなってしまい、発電素子13との熱膨張係数の調整が困難となる傾向がある。
The
なお、前記多孔質支持基板11は、燃料ガス流路12内の燃料ガスを活性燃料極層13aの表面まで導入可能でなければならず、このため、多孔質であることが必要である。一般に、その開気孔率は25%以上、特に30〜40%の範囲にあるのがよい。
The
(燃料極層)
燃料極層は、前記式(2)の電極反応を生じさせるものであり、本実施形態においては、固体電解質13b側の活性燃料極層13aと、多孔質支持基板11側の集電燃料極層23との二層構造に形成されている。
前記固体電解質13b側の活性燃料極層13aは、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(安定化ジルコニア)と、Niおよび/又はNiO(以下、Ni等と呼ぶ)とからなる。この希土類元素が固溶した安定化ジルコニアとしては、後述する固体電解質13b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)
The fuel electrode layer causes the electrode reaction of the above formula (2), and in this embodiment, the active
The active
活性燃料極層13a中の安定化ジルコニア含量は、35〜65体積%の範囲にあることが好ましく、またNi等の含量は、良好な集電性能を発揮させるため、NiO換算で65〜35体積%の範囲にあるのがよい。
さらに活性燃料極層13aの開気孔率は、15%以上、特に20〜40%の範囲にあるのがよい。
The stabilized zirconia content in the active
Further, the open porosity of the active
前記活性燃料極層13aの熱膨張係数は、通常、12.3×10-6(1/K)程度である。
また、固体電解質13bとの熱膨張差に起因して発生する熱応力を吸収し、活性燃料極層13aの割れや剥離などを防止するという点から、活性燃料極層13aの厚みは、5〜15μmの範囲にあることが望ましい。
燃料極層のうち、前記多孔質支持基板11側の集電燃料極層23は、多孔質支持基板11と同様、Ni若しくはNi酸化物と、希土類元素酸化物との混合体である。
The thermal expansion coefficient of the active
The active
Among the fuel electrode layers, the current collecting
前記Ni或いはNi酸化物(NiOは、発電時には、通常、水素ガスにより還元されてNiとして存在する)は、NiO換算で30〜60体積%の範囲で希土類元素酸化物中に含有されているのがよい。この範囲で調整することにより、多孔質支持基板11と集電燃料極層23との熱膨張差を2×10-6(1/K)以下とすることができる。集電燃料極層23は、電流の流れを損なわないように、導電性であることが必要であり、通常、400S/cm以上の導電率を有していることが望ましい。良好な電気伝導度を有するという点から、Ni等の含量は30体積%以上が望ましい。
The Ni or Ni oxide (NiO is usually reduced by hydrogen gas and present as Ni during power generation) is contained in the rare earth element oxide in a range of 30 to 60% by volume in terms of NiO. Is good. By adjusting within this range, the difference in thermal expansion between the
この集電燃料極層23の熱膨張係数は、通常、11.5×10-6(1/K)程度である。
また、この集電燃料極層23の厚みは、電気伝導度を向上するという点から、80μm以上であることが望ましい。
以上のように、燃料極を固体電解質13b側の活性燃料極層13aと、多孔質支持基板11側の集電燃料極層23と二層に形成した構造であれば、多孔質支持基板11側の集電燃料極層23のNiO換算でのNi量或いはNiO量を30〜60体積%の範囲内で調整することにより、発電素子13との接合性を損なうことなく、その熱膨張係数を、後述する固体電解質13bの熱膨張係数に近づけることができ、例えば両者の熱膨張差を、2×10-6/(1/K)未満とすることができる。したがって、燃料電池セル10の作製時、加熱時、冷却時において両者の熱膨張差に起因して発生する熱応力を小さくすることができるため、燃料極の割れや剥離などを抑制することができる。このため、燃料ガス(水素ガス)を流して発電を行う場合においても、多孔質支持基板11との熱膨張係数の整合性は安定に維持され、熱膨張差による割れを有効に回避することができる。
The thermal expansion coefficient of the current collecting
In addition, the thickness of the current collecting
As described above, if the fuel electrode is formed in two layers with the active
(固体電解質)
固体電解質13bは、希土類またはその酸化物を固溶させたZrO2からなる安定化ZrO2からなる緻密質なセラミックスで構成されている。
ここで、固溶させる希土類元素またはその酸化物としては、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luなど、または、これらの酸化物などが挙げられ、好ましくは、Y、Yb、または、これらの酸化物が挙げられる。また、固体電解質13bは、8モル%のYが固溶している安定化ZrO2(8mol% Yttoria Stabilized Zirconia、以下、「8YSZ」という。)と熱膨張係数がほぼ等しいランタンガレート系(LaGaO3系)固体電解質を挙げることもできる。 また、固体電解質13bは、例えば、厚さが10〜100μmであり、例えば、相対密度(アルキメデス法による)が93%以上、好ましくは、95%以上の範囲に設定される。
このような固体電解質13bは、電極間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有すると同時に、燃料ガスまたは酸素含有ガスのリーク(ガス透過)を防止するためにガス遮断性を有している。
(Solid electrolyte)
The
Here, as rare earth elements to be dissolved or oxides thereof, Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, etc. Or these oxides etc. are mentioned, Preferably, Y, Yb, or these oxides are mentioned. The
Such a
(空気極層)
空気極層13cは、導電性セラミックスから形成されている。導電性セラミックスとしては、例えば、ABO3型のペロブスカイト型酸化物が挙げられ、このようなペロブスカイト型酸化物としては、例えば、遷移金属型ペロブスカイト酸化物、好ましくは、LaMnO3系酸化物、LaFeO3系酸化物、LaCoO3系酸化物など、特にAサイトにLaを有する遷移金属型ペロブスカイト酸化物を挙げることができる。さらに好ましくは、600〜1000℃程度の比較的低温での電気伝導性が高いという観点から、LaCoO3系酸化物が挙げられる。
また、前記したペロブスカイト型酸化物において、AサイトにLaおよびSrが共存してもよく、また、BサイトにFe、CoおよびMnが共存してもよい。
このような空気極層13cは、前記した式(1)の電極反応を生ずることができる。
また、空気極層13cは、その開気孔率が、例えば、20%以上、好ましくは、30〜50%の範囲に設定される。開気孔率が前記した範囲内にあれば、空気極層13cが良好なガス透過性を有することができる。
また、空気極層13cは、その厚さが、例えば、30〜100μmの範囲に設定される。前記した範囲内にあれば、空気極層13cが良好な集電性を有することができる。
(Air electrode layer)
The
In the perovskite oxide described above, La and Sr may coexist at the A site, and Fe, Co, and Mn may coexist at the B site.
Such an
Further, the
Moreover, the thickness of the
(素子間接続部材)
隣接する発電素子部13同士を直列に接続するために使用される素子間接続部材17は、一方の発電素子13の燃料極層13aと隣接する他方の発電素子13の空気極層13cとを電気的に接続するものであり、第1集電層17aと第2集電層17bとから構成され、これらは電気的に接続されている。
第1集電層17aは導電性セラミックスから形成されるが、燃料ガス(水素ガス)及び空気等の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、絶縁支持基板11内のガス流路12を通る燃料ガスと空気極層13cの外部を通る空気等の酸素含有ガスと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(アルキメデス法)を有していることが好適である。なお、第1集電層17aの端面と、固体電解質13bの端面との間には、適当な接合層(例えばY2O3)を介在させることにより、シール性を向上させることもできる。
また、第1集電層17aとしては、金属層と、ガラスの入った金属ガラス層との二層構造としてもよい。金属層は、例えば、AgとNiの合金からなり、金属ガラス層は、Agとガラスからなる。前記金属ガラス層により、多孔質支持基板11内のガス流路12を通る燃料ガスの第2集電層へのリーク、および空気極層13cの外部を通る酸素含有ガスの前記金属層へのリークを有効に防止することができる。
一方、第2集電層17bは多孔質とされている。第2集電層17bとしては、LaCoO3系等の導電性セラミック(例えば空気極材料)、Ag−Pd等の貴金属から構成された多孔質とすることができる。第2集電材料の空気極層13cへの塗布量が少ない場合には第2集電材料が空気極層13cの気孔中に浸入し、層としては形成されない。特に、Ag−Pd等の貴金属はコスト低減のため塗布量が少ないため、空気極層13cは、空気極層材料とAg−Pd等の集電材料が混在して構成され、第2集電層は形成されない。一方、LaCoO3系等の導電性セラミックは、塗布量が多く、この場合には空気極層13c上に第2集電層が形成される。
(Element connection member)
The
The first
Moreover, as the 1st
On the other hand, the second
(製造方法)
次に、前記した横縞型燃料電池セルの製造方法について、図3および図4を参照して、説明する。
まず、支持基板成形体41を作製する。支持基板成形体41の材料として、体積基準での平均粒径(D50)(以下、単に「平均粒径」という。)が0.1〜10.0μmのMgO粉末に、必要により熱膨張係数調整用または接合強度向上用として、Ni粉末、NiO粉末、Y2O3粉末、または、希土類元素安定化ジルコニア粉末(YSZ)などを所定の比率で配合して混合し、混合後の熱膨張係数が固体電解質13bのそれとほぼ一致するように調整する。この混合粉末を、ポアー剤と、セルロース系有機バインダーと、水とからなる溶媒と混合し、押し出し成形して、図3に示すように、内部にガス流路42を有する中空の板状形状で、扁平状の支持基板成形体41を作製し、これを乾燥後、900℃〜1100℃にて仮焼処理する。ガス流路の直径は、押し出し成形時に調整する。
(Production method)
Next, a method for manufacturing the horizontal stripe fuel cell described above will be described with reference to FIGS.
First, the support substrate molded
次いで、燃料極層、固体電解質を作製する。まず、例えば、NiO粉末、Ni粉末と、YSZ粉末とを混合し、これにポアー剤を添加し、アクリル系バインダーとトルエンとを混合してスラリーとし、ドクターブレード法にてスラリーを塗布して乾燥し、厚さ5〜20μmの活性燃料極層テープ43aを作製する(図4(a))。
次に、活性燃料極層テープ43aと同様にして、例えば、NiO粉末、Ni粉末と、Y2O3などの希土類元素酸化物とを混合し、これにポアー剤を添加し、アクリル系バインダーとトルエンとを混合してスラリーとし、ドクターブレード法にてスラリーを塗布して乾燥し、厚さ80μm以上の集電燃料極層テープ43を作成する。この集電燃料極層テープ43に前記活性燃料極層テープ43aを貼り付ける(図4(b))。当該貼り合わせたテープを発電素子13の形状にあわせて切断し、絶縁部を形成する部分を打ち抜く(図4(c))。
Next, a fuel electrode layer and a solid electrolyte are produced. First, for example, NiO powder, Ni powder, and YSZ powder are mixed, a pore agent is added thereto, an acrylic binder and toluene are mixed to form a slurry, and the slurry is applied by a doctor blade method and dried. Then, an active fuel
Next, in the same manner as the active fuel
その後、図4(d)に示すように、活性燃料極層テープ43aが貼り付けられた集電燃料極層テープ43を、前記仮焼した支持基板成形体41に、横縞状に貼り付ける。これを繰り返し行い、支持基板成形体41の表面に複数の集電燃料極層テープ43を貼り付ける。なお、このとき一方の集電燃料極層テープ43と、他方の集電燃料極層テープ43とは、幅3〜20mmの間隔をあけて配置する。
次に、この集電燃料極層テープ43を貼り付けた状態で乾燥し、その後、900〜1100℃の温度範囲で仮焼する(図4(d))。そして、活性燃料極層43aの第1集電層47aを形成したい部分に、マスキングテープ48を貼り付ける(図4(e))。
Thereafter, as shown in FIG. 4D, the current collecting fuel
Next, it is dried with the current collecting fuel
次に、この積層体を、8YSZにアクリル系バインダーとトルエンを加えてスラリーとした固体電解質溶液に漬けて、固体電解質溶液から取り出す。このディップにより、全面に固体電解質43bの層が塗布されるとともに、前記図4(c)で打ち抜いた空間にも絶縁体である固体電解質43bが充填される。
この状態で、1150〜1200℃、2〜4時間仮焼する。この仮焼中に、マスキングテープ48とその上に塗布された固体電解質43bの層を除去することができる。(図4(f))。
この後、1450〜1550℃で2〜8時間焼成する。
Next, this laminate is immersed in a solid electrolyte solution that is a slurry obtained by adding an acrylic binder and toluene to 8YSZ, and is taken out from the solid electrolyte solution. By this dipping, a layer of the
In this state, calcination is performed at 1150 to 1200 ° C. for 2 to 4 hours. During the calcination, the masking
This is followed by firing at 1450-1550 ° C. for 2-8 hours.
次に、ランタンコバルタイト(LaCoO3)とイソプロピルアルコールとを混合したスラリーを印刷し、厚さ10〜100μmの空気極層43cを形成する。そして、950〜1150℃、2〜5時間焼き付ける(図4(g))。
そして、第1集電層47aを形成したい部分にAg/Niからなる金属層のシートを貼り付け、さらにAgとガラスを含む金属ガラス層のシートを貼り付けて(図4(g))、その後、1000〜1200℃で熱処理を行う。
最後に、第2集電層47bを所定位置に塗布して、横縞型燃料電池セル10を得ることができる(図4(i))。
Next, the slurry was mixed with lanthanum cobaltite (LaCoO 3) and isopropyl alcohol by printing, to form the
And the sheet | seat of the metal layer which consists of Ag / Ni is affixed on the part which wants to form the 1st
Finally, the second
なお、前記した各層の積層方法については、テープ積層、ペースト印刷、ディップ、および、スプレー吹きつけのいずれの積層法を用いてもよい。好ましくは、積層時の乾燥工程が短時間であり、工程の短時間化の観点から、ディップにより各層を積層する。 In addition, about the lamination | stacking method of each above-mentioned layer, you may use any lamination method of tape lamination | stacking, paste printing, dip, and spray spraying. Preferably, the drying process at the time of lamination is short, and each layer is laminated by dipping from the viewpoint of shortening the process.
(他の実施形態)
前記した一実施形態では、前記多孔質支持基板11の幅方向の両端のガス流路12の直径を該ガス流路12より中心側に位置するガス流路12の直径よりも小さくする構成としたが、図5に示すように、端から中心側にいくほど直径が大きくなるようにしてもよい。これにより、セルにおける部分的な強度差を小さくすることができる。また、本実施形態の構成とすることにより、前記した一実施形態と同様の効果が得られる。なお、図5は、両端のガス流路12に隣接するガス流路12のみを中心側の直径よりも小さくした例であるが、これに限定されることはない。また、このとき、両端のガス流路12を除く中心側のガス流路12の直径Lを、前記多孔質支持基板11の厚みTに対し37%以上65%以下の範囲で大きくすることが好ましいことはいうまでもない。
(Other embodiments)
In the above-described embodiment, the diameter of the
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、前記の形態に限定されるものではない。例えば、前記の例ではガス流路12の断面は円形としたが、略円形あるいは楕円形としてもよい。多孔質支持基板11は、多孔質で絶縁体であればその材質は問わない。さらに、上記形態では、活性燃料極層13aと集電燃料極層23を有する場合について説明したが、活性燃料極層13aだけの場合であっても、同様の効果を有する。その他、本発明の範囲内で種々の変更を施すことが可能である。
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above embodiments. For example, in the above example, the
以下、実施例および比較例を挙げて、本発明の横縞型燃料電池セルをさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。 Hereinafter, the horizontal stripe fuel cell of the present invention will be described in more detail with reference to Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited to the following Examples.
上記した製造方法により、図1に示すような燃料電池セル10を作製し、その強度について調べた。
前記燃料電池セル10は、図6(a)、(b)に示すように、幅40mm、厚さ(T)2.8mm、長さ200mmの多孔質支持基板11に、ガス流路12を17個設けた。前記ガス流路12の直径Lは、両端部が1.1mm、両端部以外は1.3mmであった。また、前記ガス流路12と多孔質支持基板11表面との最近接距離Mは両端部で0.85mm、両端部以外では0.75mmであった。
多孔質支持基板11は、平板部11aの幅方向長さが37.2mm、半割円柱部11bの幅方向長さが1.4mmであり、両端部のガス流路12は、平板部11aと半割円柱部11bに跨って存在しており、17個のガス流路12の中心位置間は一定間隔2.325mmとされている。
前記燃料電池セル10の幅方向(ガス流路12の配列方向)の強度分布を調べるために、図6(a)に示すように、幅方向に端から中心までを5領域に分けてそれぞれの領域での強度を調べた。なお、強度は50MPa以上であることを燃料電池セル10として適正な基準値とした。すなわち、50MPa未満であると、縦割れの生じる確率が非常に高まる。
強度は、下記の方法にて測定した。すなわち、図6(a)に示す破線部分でセル長さ方向にカットし、長さ30mmのテストピースを作製し、JIS1601に基く3点曲げ強度試験(島津製作所(製)オートグラフ)で測定した。測定結果を、表1に示した。
この燃料電池セル10を実施例1とし、前記LとMを表1に示す値とした以外、上記実施例と同様にして燃料電池セルを作製し、評価し、表1に記載した。
なお、表1の実施例5については支持基板の厚さを2mmとし、実施例6については支持基板の厚さを3.5mmとした。
As shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b), the
The
In order to investigate the intensity distribution in the width direction of the fuel cell 10 (the arrangement direction of the gas flow paths 12), as shown in FIG. 6 (a), each region is divided into five regions from the end to the center in the width direction. The intensity in the area was examined. In addition, the intensity | strength was 50 Mpa or more was made into the appropriate reference value as the
The strength was measured by the following method. That is, the cell was cut in the cell length direction at the broken line portion shown in FIG. 6A, a test piece having a length of 30 mm was produced, and measured by a three-point bending strength test (Shimadzu Corporation Autograph) based on JIS1601. . The measurement results are shown in Table 1.
A fuel cell was prepared and evaluated in the same manner as in the above Example, except that this
In addition, about Example 5 of Table 1, the thickness of the support substrate was 2 mm, and about Example 6, the thickness of the support substrate was 3.5 mm.
表1に示すように、本発明の範囲内の燃料電池セル10は、多孔質支持基板11の幅方向の強度分布が比較的平坦であり、強度差が10.3MPa以下であった。しかもすべての領域で58MPa以上を確保していた(実施例1〜6)。
これに対して、ガス流路12の直径をすべて同一とした比較例1〜3では、ガス流路12の直径を1.0mmおよび1.2mmとした場合(比較例1、2)、強度は高まるが強度分布はばらつきが生じ、それぞれ強度差が14.7MPaおよび16MPaを示し、セル内において強度差が大きい部分があり、その境界部分で割れが発生することが判る。ガス流路12の直径を1.4mmとした場合(比較例3)、強度分布は比較的平坦となるが、端部での強度が50MPaを下回った。なお、比較例1,2ではガス流路12の直径が燃料電池セル10の厚さTに対して、それぞれ36%および42%であり、ガスの供給を十分できないおそれがある。
As shown in Table 1, in the
On the other hand, in Comparative Examples 1 to 3 in which all the diameters of the
10 燃料電池セル
11 多孔質支持基板
12 ガス流路
13 発電素子(13a:活性燃料極層、13b:固体電解質、13c:空気極層)
17 素子間接続部材(17a:第1集電層、17b:第2集電層)
23 集電燃料極層
DESCRIPTION OF
17 Inter-element connection member (17a: first current collecting layer, 17b: second current collecting layer)
23 Current collector fuel electrode layer
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