JP2011076959A - Single cell of solid oxide fuel cell, and solid oxide fuel cell including the same - Google Patents

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純子 渡邊
Kuniaki Yoshikata
邦聡 芳片
Kazufumi Kotani
和史 小谷
Mitsuo Sakurai
光男 櫻井
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a single cell of a solid oxide fuel cell capable of stabilizing the fuel cell performance, and to provide a solid oxide fuel cell including the same. <P>SOLUTION: The single cell of the solid oxide fuel cell is arranged on a support substrate 11 and is provided with: an electrolyte 2 arranged on one side of the support substrate 11; a fuel electrode 3 which is arranged on the electrolyte 2 and extends in a prescribed direction; an air electrode 4 which is arranged on the electrolyte 2 and is separated from the fuel electrode 3 and extends in the same direction as the fuel electrode 3; a first current collector layer 5 which is arranged on the fuel electrode 3 and extends along the fuel electrode 3; and a second current collector layer 6 which is arranged on the air electrode 4 and extends along the air electrode 4. Each of the current collector layers 5, 6 has gas permeability. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池用単セル及びこれを備えた固体酸化物形燃料電池に関する。   The present invention relates to a single cell for a solid oxide fuel cell and a solid oxide fuel cell including the same.

燃料電池とは外部からの燃料供給と燃焼生成物の排気とを連続的に行いながら、燃料が酸化する際に発生する化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換できる電池である。燃料電池の種類は電解質により分類され、電解質にイオン伝導性を持つ固体酸化物を用いたものを固体酸化物形燃料電池と呼んでいる。この固体酸化物形燃料電池としては、種々のものが提案されているが、例えば、特許文献1には、電解質基板上に、安定化ジルコニアまたはペロブスカイト型酸化物の固体電解質シートの同一表面上にパラジウム・白金・ニッケルまたはロジウム電極と金電極を印刷した構造で、所定間隔をおいて燃料極(アノード)と空気極(カソード)とを形成した単室型の固体酸化物形燃料電池の構造が開示されている。また、単室型の電極材料として、空気極には、ストロンチウムをドープしたLn1-xSrxCoO3-δ(ただし、Lnは希土類元素)、また、燃料極には、ニッケルと、酸化セリウムを主体とする複酸化物を含有したものを使用することが述べられており、一般的な二室型の固体酸化物形燃料電池で使用される材料を利用できることが開示されている。   A fuel cell is a cell that can directly convert chemical energy generated when fuel is oxidized into electric energy while continuously supplying fuel from the outside and exhausting combustion products. The types of fuel cells are classified according to the electrolyte, and those using a solid oxide having ionic conductivity for the electrolyte are called solid oxide fuel cells. Various types of solid oxide fuel cells have been proposed. For example, Patent Document 1 discloses an electrolyte substrate on the same surface of a solid electrolyte sheet of stabilized zirconia or perovskite oxide. The structure of a single-chamber solid oxide fuel cell in which a palladium / platinum / nickel or rhodium electrode and a gold electrode are printed and a fuel electrode (anode) and an air electrode (cathode) are formed at predetermined intervals. It is disclosed. As a single-chamber electrode material, the air electrode is composed of Ln1-xSrxCoO3-δ (where Ln is a rare earth element) doped with strontium, and the fuel electrode is composed of nickel and cerium oxide. It is stated that an oxide-containing material is used, and it is disclosed that materials used in a general two-chamber solid oxide fuel cell can be used.

特許第2810977号公報Japanese Patent No. 2810977

特許文献1の固体酸化物形燃料電池では、櫛形の燃料極と空気極とを互いにかみ合わせるように配置している。そして、隣接するに電池は、インターコネクタで接続している。しかしながら、このインターコネクタは、各電極の櫛の歯とは反対側に設けられている。すなわち、各電極に部分的に接触した状態となっているため、各電極で生じた電子を取り出しにくく電池性能が安定しない問題があった。   In the solid oxide fuel cell of Patent Document 1, the comb-shaped fuel electrode and the air electrode are arranged to mesh with each other. The adjacent batteries are connected by an interconnector. However, this interconnector is provided on the side opposite to the comb teeth of each electrode. In other words, since the electrodes are in partial contact with each electrode, there is a problem that electrons generated at each electrode are difficult to take out and the battery performance is not stable.

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、電池性能を安定させることができる固体酸化物形燃料電池用単セル及びこれを備えた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 provides a solid oxide fuel cell unit cell capable of stabilizing battery performance and a solid oxide fuel cell including the same. Objective.

本発明は、支持基板上に配置される固体酸化物形燃料電池用単セルであって、前記支持基板の一方面に配置される電解質と、前記電解質上に配置され、所定方向に延びる燃料極と、前記電解質上に配置され、前記燃料極と離間し且つ当該燃料極と同一方向に延びる空気極と、前記燃料極上に配置され、当該燃料極に沿って延びる第1の集電層と、前記空気極上に配置され、当該空気極に沿って延びる第2の集電層と、を備え、前記各集電層は、ガス透過性を有する。   The present invention relates to a unit cell for a solid oxide fuel cell disposed on a support substrate, an electrolyte disposed on one surface of the support substrate, and a fuel electrode disposed on the electrolyte and extending in a predetermined direction. An air electrode disposed on the electrolyte and spaced apart from the fuel electrode and extending in the same direction as the fuel electrode; a first current collecting layer disposed on the fuel electrode and extending along the fuel electrode; A second current collecting layer disposed on the air electrode and extending along the air electrode, and each current collecting layer has gas permeability.

この構成によれば、各電極が所定方向に延びるように形成され、さらに各集電層が電極上に、これに沿って形成されている。そのため、各電極の長手方向の全体に亘って電子を取り出すことができる。その結果、電池性能を安定させることができる。なお、本発明でいう所定方向に延びる電極とは、例えば、正方形のように点対象な形状ではないものを指す。例えば、一方向に延びる長方形、帯状などのほか、L字型、波形など、多方向に延びる形状であってもよい。また、ガス透過性とは、ガスが透過すればよいため、多孔質材料で形成したり、あるいは貫通孔を形成したものであってもよい。   According to this configuration, each electrode is formed to extend in a predetermined direction, and each current collecting layer is formed on the electrode along the electrode. Therefore, electrons can be taken out over the entire length of each electrode. As a result, battery performance can be stabilized. In addition, the electrode extended in the predetermined direction as used in the field of this invention points out what is not a point object shape like a square, for example. For example, in addition to a rectangle and a strip extending in one direction, a shape extending in multiple directions such as an L shape and a waveform may be used. Moreover, since gas permeability should just permeate | transmit gas, it may form with a porous material or what formed the through-hole.

上記単セルにおいては、各集電層を、燃料極及び空気極の全面に配置することができる。ここでいう全面とは、必ずしも各電極のすべての面を指すのではなく、例えば、各電極において電解質とは反対側の面の長手方向の長さの80%以上に、集電層が配置されていればよい。   In the single cell, each current collecting layer can be disposed on the entire surface of the fuel electrode and the air electrode. Here, the entire surface does not necessarily refer to all surfaces of each electrode. For example, the current collecting layer is disposed at 80% or more of the length in the longitudinal direction of the surface opposite to the electrolyte in each electrode. It only has to be.

また、本発明に係る第1の固体酸化物形燃料電池は、ガス透過性を有する支持基板と、前記支持基板上に配置され、少なくとも1つの、上述した固体酸化物形燃料電池用単セルと、を備えている。   A first solid oxide fuel cell according to the present invention includes a gas-permeable support substrate, and at least one single cell for a solid oxide fuel cell, which is disposed on the support substrate. It is equipped with.

また、本発明に係る第2の固体酸化物形燃料電池は、第1の支持基板と、前記第1の支持基板上に配置され、上述した複数の固体酸化物形燃料電池用単セルと、前記第1の支持基板との間に、前記固体酸化物形燃料電池用単セルを配置する、ガス透過性の第2の支持基板と、前記第2の支持基板において前記第1の支持基板と対向する面に配置され、前記各集電層と接続されるとともに、複数の固体酸化物形燃料電池用単セルを電気的に接続するインターコネクタと、を備え、前記燃料極及び空気極は、ガス透過性を有する。   A second solid oxide fuel cell according to the present invention includes a first support substrate, a plurality of single cells for a solid oxide fuel cell disposed on the first support substrate, and the plurality of single cells described above. A gas permeable second support substrate in which the single cell for a solid oxide fuel cell is disposed between the first support substrate, and the first support substrate in the second support substrate; An interconnector that is disposed on the opposing surface and is connected to each of the current collecting layers and electrically connects a plurality of single cells for a solid oxide fuel cell, and the fuel electrode and the air electrode, Has gas permeability.

この構成によれば、上述した単セルを複数個接続することができる。このとき、例えば、第2の支持基板にインターコネクタを予め配置し、これを集電層と接触させれば、複数の単セルを電気的に接続することができる。また、第2の支持基板は、ガス透過性を有するため、第2の支持基板の上面から燃料ガス及び酸化剤ガスを供給すれば、発電を行うことができる。ここで、第1の支持基板もガス透過性を有するものとすることができる。こうすることで、単セルに対し、いずれの方向からでも単セルに対して、ガスを供給することができる。   According to this configuration, a plurality of the single cells described above can be connected. At this time, for example, if an interconnector is previously disposed on the second support substrate and brought into contact with the current collecting layer, a plurality of single cells can be electrically connected. In addition, since the second support substrate has gas permeability, power can be generated by supplying fuel gas and oxidant gas from the upper surface of the second support substrate. Here, the first support substrate may also have gas permeability. By carrying out like this, gas can be supplied with respect to a single cell from any direction with respect to a single cell.

また、本発明に係る第3の固体酸化物形燃料電池は、所定間隔をあけて平行に配置された、ガス透過性のある複数の支持基板と、隣接する前記支持基板の間に配置され、一方の前記支持基板上に前記電解質が配置される、上述した複数の固体酸化物形燃料電池用単セルと、隣接する前記支持基板のうち、他方の支持基板の表面に配置されるとともに、前記各集電層と接続され、前記複数の固体酸化物形燃料電池用単セルを電気的に接続する、インターコネクタと、を備え、前記燃料極、空気極、及び各集電層は、ガス透過性を有し、前記電解質は、緻密に形成されている。   The third solid oxide fuel cell according to the present invention is disposed between a plurality of gas permeable support substrates arranged in parallel at a predetermined interval and the adjacent support substrate, Among the plurality of solid oxide fuel cell single cells described above, wherein the electrolyte is disposed on one of the support substrates, and among the adjacent support substrates, the surface is disposed on the other support substrate, and An interconnector connected to each current collecting layer and electrically connecting the plurality of solid oxide fuel cell single cells, wherein the fuel electrode, the air electrode, and each current collecting layer are gas permeable The electrolyte is densely formed.

この構成によれば、ガス透過性を有する複数の支持基板の間に複数の単セルを配置しているため、支持基板の積層方向に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給すれば、発電を行うことができる。ここで、電解質は緻密に形成されているため、供給されたガスは、支持基板において電解質が配置されている部分を透過せず、面方向に沿って流れていく。したがって、支持基板上にあるすべての単セルにガスを供給することができる。そして、ガスは、支持基板において電解質が配置されていない部分を通過して、支持基板の積層方向に流れていく。以上のようにして、ガスは、支持基板の面に垂直な方向及び平行な方向に流れていくため、ガスの拡散性を大きく向上することができ、各単セルに均一にガスを供給することができる。   According to this configuration, since a plurality of single cells are arranged between a plurality of support substrates having gas permeability, power is generated by supplying fuel gas and oxidant gas in the stacking direction of the support substrates. Can do. Here, since the electrolyte is densely formed, the supplied gas does not pass through the portion where the electrolyte is disposed on the support substrate, but flows along the surface direction. Therefore, gas can be supplied to all the single cells on the support substrate. Then, the gas flows in the stacking direction of the support substrate through a portion of the support substrate where the electrolyte is not disposed. As described above, since the gas flows in a direction perpendicular to and parallel to the surface of the support substrate, the gas diffusibility can be greatly improved, and the gas is supplied uniformly to each single cell. Can do.

本発明によれば、電池性能を安定させることができる。   According to the present invention, battery performance can be stabilized.

本発明の第1実施形態に係る単セルの側面図である。It is a side view of a single cell concerning a 1st embodiment of the present invention. 図1の平面図である。It is a top view of FIG. 本発明の第2実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の断面図である。It is sectional drawing of the solid oxide fuel cell which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の断面図である。It is sectional drawing of the solid oxide fuel cell which concerns on 3rd Embodiment of this invention.

(第1実施形態)
以下、本発明に係る固体酸化物形燃料電池用単セルの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用単セルの側面図、図2は図1の平面図である。
(First embodiment)
Hereinafter, embodiments of a single cell for a solid oxide fuel cell according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a side view of a unit cell for a solid oxide fuel cell according to this embodiment, and FIG. 2 is a plan view of FIG.

図1及び図2に示すように、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池用単セルは支持基板上に配置されるものであり、多孔質の支持基板11上に配置される薄膜状の電解質2を備えている。そして、この電解質2の上面には、所定間隔をおいて長方形の燃料極3と空気極4が配置されている。さらに、燃料極3及び空気極4の上面には、第1及び第2集電層5,6が配置されている。各集電層5,6は、燃料極3または空気極4の上面の全面に亘って設けられている。ここで、上記電解質2は、緻密に形成され、ガスを透過し難くなっている。一方、各電極3,4及び各集電層5,6は、ガスを透過する多孔状に形成されている。   As shown in FIGS. 1 and 2, the unit cell for a solid oxide fuel cell according to the present embodiment is disposed on a support substrate, and is in the form of a thin film disposed on a porous support substrate 11. An electrolyte 2 is provided. A rectangular fuel electrode 3 and air electrode 4 are arranged on the upper surface of the electrolyte 2 at a predetermined interval. Furthermore, first and second current collecting layers 5 and 6 are disposed on the upper surfaces of the fuel electrode 3 and the air electrode 4. The current collecting layers 5 and 6 are provided over the entire upper surface of the fuel electrode 3 or the air electrode 4. Here, the electrolyte 2 is densely formed and hardly permeates gas. On the other hand, each electrode 3 and 4 and each current collection layer 5 and 6 are formed in the porous shape which permeate | transmits gas.

続いて、上記単セルを構成する材料について説明する。支持基板11は多孔質性であり、ガス透過性を考慮するとその気孔率が10〜70体積%の範囲にあることが好ましく、30〜60体積%の範囲にあることがさらに好ましい。このような要求を満たすため、支持基板11を構成する材料は、絶縁性を有する材料で構成されていれば特に限定されず、例えば、アルミナ系材料、シリカ系材料などのセラミックス材料を用いることができる。支持基板11は、例えば粉末をプレスして焼結するプレス法や、テープキャスト法で形成することができる。テープキャスト法については、上記材料でグリーンシートを作製し焼結させて支持基板を形成する。具体的には、上述の材料と造孔剤を添加し、バインダー、分散剤および可塑剤を加え、エタノール、2-プロパノールといったアルコール系溶媒からなる分散媒体により分散されているスラリーを作製する。造孔剤の添加量は、支持基板11の材料の総重量比に対して5〜20wt%が好ましい。添加されている造孔剤は、焼結の際に燃焼して分解消失するため造孔剤が存在していた箇所には空孔が形成される。   Subsequently, materials constituting the single cell will be described. The support substrate 11 is porous, and considering the gas permeability, the porosity is preferably in the range of 10 to 70% by volume, and more preferably in the range of 30 to 60% by volume. In order to satisfy such requirements, the material constituting the support substrate 11 is not particularly limited as long as it is made of an insulating material. For example, a ceramic material such as an alumina material or a silica material may be used. it can. The support substrate 11 can be formed by, for example, a pressing method in which powder is pressed and sintered, or a tape casting method. As for the tape casting method, a support sheet is formed by producing and sintering a green sheet from the above materials. Specifically, the above-mentioned materials and pore former are added, a binder, a dispersant and a plasticizer are added, and a slurry dispersed by a dispersion medium composed of an alcohol solvent such as ethanol and 2-propanol is prepared. The addition amount of the pore former is preferably 5 to 20 wt% with respect to the total weight ratio of the material of the support substrate 11. Since the added pore former burns and decomposes and disappears during sintering, voids are formed at locations where the pore former was present.

なお、造孔剤としては、例えば、炭素粉末、熱可塑性樹脂粉末、熱可塑性樹脂繊維、熱硬化性樹脂粉末、熱硬化性樹脂繊維、天然繊維、天然繊維の誘導体等が挙げられる。炭素粉末としては、例えば、カーボンブラック、活性炭、グラファイト(黒鉛)、無定形炭素等が挙げられる。炭素粉末中の金属成分の含有量は、好ましくは100mg/kg以下、特に好ましくは金属成分を含有しないことである。また、熱可塑性樹脂粉末、熱可塑性樹脂繊維、熱硬化性樹脂粉末又は熱硬化性樹脂繊維としては、例えば、ポリスチレン等の炭化水素化合物であってもよいし、ポリメタクリル酸メチル、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等の含酸素有機化合物;ポリアミド、メラミン樹脂、尿素樹脂、ポリウレタン等の含窒素化合物;ポリスルホン等の含硫黄化合物のような、炭素原子及び水素原子以外の原子を含む化合物であってもよい。これらのうち、燃焼時に炭酸ガス以外のガスが発生しない点で、炭化水素化合物及び含酸素有機化合物が好ましい。天然繊維としては、例えば、セルロース繊維、タンパク繊維等が挙げられ、セルロース繊維には、半人造のアセテートやレーヨンも含まれる。また、天然繊維の誘導体としては、エチルセルロース等の天然繊維のエチルエステル等が挙げられる。
造孔剤が粒状の場合、平均粒径(平均径)は、好ましくは0.1〜20μm、特に好ましくは0.5〜10μm、更に好ましくは1〜5μmである。造孔剤の平均粒径が、0.1μm未満だと、支持基板1の細孔の細孔径が小さくなり過ぎるので、支持基板形成用スラリーが含浸し難くなり易く、また、20μmを超えると、支持基板11の細孔の細孔容積が大きくなり過ぎるので、支持基板11の強度が低くなり易い。なお、粒状の場合、個々の粒子の縦方向、横方向及び奥行き方向の径のうち、最も大きい長さを平均した値が、該粒状の造孔剤の平均粒径である。
Examples of the pore-forming agent include carbon powder, thermoplastic resin powder, thermoplastic resin fiber, thermosetting resin powder, thermosetting resin fiber, natural fiber, and natural fiber derivatives. Examples of the carbon powder include carbon black, activated carbon, graphite (graphite), and amorphous carbon. The content of the metal component in the carbon powder is preferably 100 mg / kg or less, and particularly preferably contains no metal component. The thermoplastic resin powder, thermoplastic resin fiber, thermosetting resin powder or thermosetting resin fiber may be, for example, a hydrocarbon compound such as polystyrene, polymethyl methacrylate, phenol resin, epoxy Oxygen-containing organic compounds such as resins; nitrogen-containing compounds such as polyamide, melamine resin, urea resin, and polyurethane; and compounds containing atoms other than carbon atoms and hydrogen atoms, such as sulfur-containing compounds such as polysulfone. Of these, hydrocarbon compounds and oxygen-containing organic compounds are preferred in that no gas other than carbon dioxide gas is generated during combustion. Examples of natural fibers include cellulose fibers and protein fibers, and cellulose fibers include semi-artificial acetate and rayon. Examples of natural fiber derivatives include ethyl esters of natural fibers such as ethyl cellulose.
When the pore-forming agent is granular, the average particle diameter (average diameter) is preferably 0.1 to 20 μm, particularly preferably 0.5 to 10 μm, and further preferably 1 to 5 μm. If the average particle diameter of the pore former is less than 0.1 μm, the pore diameter of the pores of the support substrate 1 becomes too small, so that the slurry for forming the support substrate is difficult to impregnate, and if it exceeds 20 μm, Since the pore volume of the pores of the support substrate 11 becomes too large, the strength of the support substrate 11 tends to decrease. In the case of a granular shape, a value obtained by averaging the longest lengths among the diameters of the individual particles in the vertical direction, the horizontal direction, and the depth direction is the average particle diameter of the granular pore-forming agent.

また、造孔剤が繊維状の場合、平均繊維長は、好ましくは0.01〜10μm、特に好ましくは0.05〜5μm、更に好ましくは0.1〜1μmである。この造孔剤の平均繊維長が、0.01μm未満だと、支持基板1の細孔の細孔径が小さくなり過ぎるので、支持基板形成用スラリーが含浸し難くなり易く、また、10μmを超えると、支持基板11の細孔の細孔容積が大きくなり過ぎるので、支持基板11の強度が低くなり易い。また、造孔剤の平均繊維径は、特に制限されないが、好ましくは0.001〜1μm、特に好ましくは0.005〜0.5μmである。なお、繊維状の場合、個々の繊維の横方向の長さを、平均した値が、平均繊維長であり、個々の繊維の縦方向及び奥行き方向の径のうち、大きい方の長さを平均した値が、平均繊維径である。これらのうち1種もしくは2種以上を使用することができる。   When the pore former is fibrous, the average fiber length is preferably 0.01 to 10 μm, particularly preferably 0.05 to 5 μm, and further preferably 0.1 to 1 μm. When the average fiber length of the pore former is less than 0.01 μm, the pore diameter of the pores of the support substrate 1 becomes too small, so that the slurry for forming the support substrate is difficult to impregnate, and when the average fiber length exceeds 10 μm. Since the pore volume of the pores of the support substrate 11 becomes too large, the strength of the support substrate 11 tends to decrease. The average fiber diameter of the pore former is not particularly limited, but is preferably 0.001 to 1 μm, particularly preferably 0.005 to 0.5 μm. In the case of a fiber, the average value of the lengths in the transverse direction of individual fibers is the average fiber length, and the longer length of the diameters of the individual fibers in the longitudinal and depth directions is averaged. The value obtained is the average fiber diameter. Of these, one or more can be used.

上述の工程により作製された支持基板11は多孔性であり、支持基板11の気孔率については液体中の支持基板11の体積V、支持基板の密度ρ、また空気中での支持基板11の重さWまたは液体中での支持基板の重さW'から算出するアルキメデス法を用いて同定した。   The support substrate 11 produced by the above-described process is porous, and the porosity of the support substrate 11 is the volume V of the support substrate 11 in the liquid, the density ρ of the support substrate, and the weight of the support substrate 11 in the air. It was identified using the Archimedean method calculated from the thickness W or the weight W ′ of the support substrate in the liquid.

電解質2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(GDC)、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(YSZ)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。電解質2は、例えばウェットコーティング法によって形成することができる。ウェットコーティング法としては、スプレー法、スクリーン印刷法、ディップコート法等が例示できる。その際、電解質2はペースト状にする必要があり、上述した材料を主成分として、さらにバインダー樹脂、有機溶剤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を加えることが好ましい。また、上述したように、電解質2は、緻密に形成してガスを透過し難くする必要があるため、その相対密度は、90%以上であることが好ましい。   As the material of the electrolyte 2, those known as electrolytes for solid oxide fuel cells can be used. For example, ceria oxide (GDC) doped with samarium or gadolinium, lanthanum doped with strontium or magnesium An oxygen ion conductive ceramic material such as a galide oxide, zirconia oxide (YSZ) containing scandium or yttrium can be used. The electrolyte 2 can be formed by, for example, a wet coating method. Examples of the wet coating method include a spray method, a screen printing method, and a dip coating method. In that case, the electrolyte 2 needs to be made into a paste, and is formed by adding an appropriate amount of a binder resin, an organic solvent, or the like with the above-described material as a main component. More specifically, it is preferable to add the binder resin so that the main component is 50 to 95% by weight in the mixing of the main component and the binder resin. In addition, as described above, the electrolyte 2 needs to be densely formed and difficult to permeate the gas. Therefore, the relative density is preferably 90% or more.

燃料極3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3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3は、金属触媒を単体で用いて構成することもできる。   As the fuel electrode 3, for example, a mixture of a metal catalyst and a ceramic powder material made of an oxide ion conductor can be used. As the metal catalyst used at this time, a material that is stable in a reducing atmosphere, such as nickel, iron, cobalt, or a noble metal (platinum, ruthenium, palladium, etc.) and has hydrogen oxidation activity can be used. In addition, as the oxide ion conductor, one having a fluorite structure or a perovskite structure can be preferably used. Examples of those having a fluorite structure include ceria-based oxides doped with samarium, gadolinium, and the like, and zirconia-based oxides containing scandium and yttrium. In addition, examples of those having a perovskite structure include lanthanum galide oxides doped with strontium and magnesium. Among the above materials, it is preferable to form the fuel electrode 3 with a mixture of an oxide ion conductor and nickel. The mixed form of the ceramic material made of the oxide ion conductor and nickel may be a physical mixed form, or may be a powder modification to nickel or a nickel modification to ceramic material. Good. Moreover, the ceramic material mentioned above can be used individually by 1 type or in mixture of 2 or more types. Moreover, the fuel electrode 3 can also be comprised using a metal catalyst alone.

空気極4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)CoO,(La,Sr)MnO,(La,Sr)CoO,(La,Sr)(Fe,Co)O,(La,Sr)(Fe,Co,Ni)Oなどの酸化物が挙げられ、好ましくは、(La,Sr)(Fe,Co)O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 air electrode 4, for example, a metal oxide made of Co, Fe, Ni, Cr, Mn or the like having a perovskite structure or the like can be used. Specifically, (Sm, Sr) CoO 3 , (La, Sr) MnO 3 , (La, Sr) CoO 3 , (La, Sr) (Fe, Co) O 3 , (La, Sr) (Fe, Co , Ni) O 3 and the like, and (La, Sr) (Fe, Co) O 3 is preferable. The ceramic material mentioned above can be used individually by 1 type or in mixture of 2 or more types.

なお、上述したように、燃料極3及び空気極4は、多孔質で形成されているが、ガス透過性の観点から、その気孔率は、20〜50体積%であることが好ましく、30〜40体積%であることがさらに好ましい。   As described above, the fuel electrode 3 and the air electrode 4 are formed of a porous material, but from the viewpoint of gas permeability, the porosity is preferably 20 to 50% by volume, and 30 to 30%. More preferably, it is 40 volume%.

電解質2、燃料極3、空気極4をセラミックス粉末材料から形成する場合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。燃料極3、空気極4の膜厚は、5〜100μmとなるように形成するが、5〜50μmであることがさらに好ましい。   The average particle size of the powder used when the electrolyte 2, the fuel electrode 3 and the air electrode 4 are formed from a ceramic powder material is preferably 10 nm to 100 μm, more preferably 50 nm to 50 μm, and particularly preferably 100 nm to 10 μm. It is. In addition, an average particle diameter can be measured according to JISZ8901, for example. The fuel electrode 3 and the air electrode 4 are formed to have a film thickness of 5 to 100 μm, more preferably 5 to 50 μm.

燃料極3および空気極4は、例えばウェットコーティング法によって形成することができる。ウェットコーティング法としては、スプレー法、スクリーン印刷法、インクジェット法、ディップコート法等が例示できる。その際、電解質2はペースト状にする必要があり、上述した材料を主成分として、さらにバインダー樹脂、有機溶剤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を加えることが好ましい。燃料極3及び空気極4の膜厚は5〜100μmとなるように形成するが、5〜50μmとすることが好ましい。また、電解質2の膜厚は、1〜100μmであることが好ましく、5〜50μmであることがさらに好ましい。   The fuel electrode 3 and the air electrode 4 can be formed by, for example, a wet coating method. Examples of the wet coating method include a spray method, a screen printing method, an ink jet method, and a dip coating method. In that case, the electrolyte 2 needs to be made into a paste, and is formed by adding an appropriate amount of a binder resin, an organic solvent, or the like with the above-described material as a main component. More specifically, it is preferable to add the binder resin so that the main component is 50 to 95% by weight in the mixing of the main component and the binder resin. The fuel electrode 3 and the air electrode 4 are formed to have a film thickness of 5 to 100 μm, preferably 5 to 50 μm. The thickness of the electrolyte 2 is preferably 1 to 100 μm, and more preferably 5 to 50 μm.

各集電層5,6は、導電性のある金属或いは金属酸化物材料からなり、Pt,Au,Ag,Ni,SUS,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。各集電層5,6の膜厚は、5〜100μmとなるように形成するが、5〜50μmであることがさらに好ましい。各集電層5,6は、例えばウェットコーティング法によって形成することができる。ウェットコーティング法としては、スプレー法、スクリーン印刷法、ディップコート法等が例示できる。その際、各集電層5,6はペースト状にする必要があり、上述した材料を主成分として、さらにバインダー樹脂、有機溶剤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を加えることが好ましい。なお、上述したように、集電層5,6は、多孔質で形成されているが、ガス透過性の観点から、その気孔率は、20〜50体積%であることが好ましく、30〜40体積%であることがさらに好ましい。   Each of the current collecting layers 5 and 6 is made of a conductive metal or metal oxide material and is made of Pt, Au, Ag, Ni, SUS, or La (Cr, Mg) O3, (La, Ca) CrO3, (La , Sr) A lanthanum chromite material such as CrO 3, and one of these may be used alone, or two or more may be used in combination. The current collecting layers 5 and 6 are formed to have a thickness of 5 to 100 μm, and more preferably 5 to 50 μm. Each of the current collecting layers 5 and 6 can be formed by, for example, a wet coating method. Examples of the wet coating method include a spray method, a screen printing method, and a dip coating method. At that time, each of the current collecting layers 5 and 6 needs to be made into a paste, and is formed by adding an appropriate amount of a binder resin, an organic solvent, or the like with the above-described material as a main component. More specifically, it is preferable to add the binder resin so that the main component is 50 to 95% by weight in the mixing of the main component and the binder resin. In addition, as above-mentioned, although the current collection layers 5 and 6 are formed with porous, it is preferable that the porosity is 20-50 volume% from a gas-permeable viewpoint, and 30-40 More preferably, it is volume%.

上記単セルにおいては、次のように発電が行われる。まず、メタンなどの炭化水素系ガスからなる燃料ガスと、空気などの酸化剤ガスとの混合ガスを単セルの表面に供給する。これにより、燃料極3及び空気極4がそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスと接触するため、燃料極3と空気極4との間で、電解質2を介した酸素イオン伝導が起こり、発電が行われる。   In the single cell, power generation is performed as follows. First, a mixed gas of a fuel gas composed of a hydrocarbon gas such as methane and an oxidant gas such as air is supplied to the surface of the single cell. Thereby, since the fuel electrode 3 and the air electrode 4 are in contact with the fuel gas and the oxidant gas, respectively, oxygen ion conduction through the electrolyte 2 occurs between the fuel electrode 3 and the air electrode 4 to generate power. .

以上のように、本実施形態によれば、各集電層5,6が電極3,4の上面全体に形成されているため、各電極3,4の長手方向の全体に亘って電子を取り出すことができる。その結果、電池性能を安定させることができる。なお、支持基板11は、多孔質ではなく、緻密なものを使用することもできる。
(第2実施形態)
次に、上記単セルを複数個接続した固体酸化物形燃料電池の一実施形態について説明する。図3は、本実施形態における固体酸化物形燃料電池の断面図である。
As described above, according to the present embodiment, since the current collecting layers 5 and 6 are formed on the entire upper surface of the electrodes 3 and 4, electrons are extracted over the entire longitudinal direction of the electrodes 3 and 4. be able to. As a result, battery performance can be stabilized. Note that the support substrate 11 is not porous, and a dense substrate can also be used.
(Second Embodiment)
Next, an embodiment of a solid oxide fuel cell in which a plurality of the single cells are connected will be described. FIG. 3 is a cross-sectional view of the solid oxide fuel cell in the present embodiment.

図3に示すように、この燃料電池は、第1実施形態で示した単セルを複数使用している。すなわち、上述した多孔質からなる一対の支持基板11,12の間に複数の単セルを配置し、これらをインターコネクタ8で電気的に接続している。より詳細に説明すると、第1支持基板11の上面に3個の単セル、つまり第1,第2及び第3単セルC1〜C3が所定間隔をおいて配置されている。一方、第2支持基板の下面には、4つのインターコネクタ8が配置されており、各インターコネクタ8が単セルC1〜C3の集電層5,6の上面に接触している。各インターコネクタ8は、平面視で帯状に形成され、上述した3個の単セルC1〜C3を直列に接続する。例えば、第1単セルC1の第2集電層6と、第2単セルC2の第1集電層5がインターコネクタ8によって接続されている。   As shown in FIG. 3, this fuel cell uses a plurality of single cells shown in the first embodiment. That is, a plurality of single cells are arranged between the pair of porous support substrates 11 and 12 described above, and these are electrically connected by the interconnector 8. More specifically, three single cells, that is, first, second, and third single cells C1 to C3 are arranged on the upper surface of the first support substrate 11 at a predetermined interval. On the other hand, four interconnectors 8 are disposed on the lower surface of the second support substrate, and each interconnector 8 is in contact with the upper surfaces of the current collecting layers 5 and 6 of the single cells C1 to C3. Each interconnector 8 is formed in a band shape in plan view, and connects the three single cells C1 to C3 described above in series. For example, the second current collecting layer 6 of the first single cell C1 and the first current collecting layer 5 of the second single cell C2 are connected by the interconnector 8.

この燃料電池は、例えば、次のように製造することができる。まず、第1支持基板11上に、電解質用ペーストを塗布し、これを乾燥した後、焼結し電解質2を形成する。次に、電解質2上に、燃料極ペースを塗布し、これを乾燥した後、焼結し燃料極3を形成する。同様に、電解質2上に、空気極ペーストを塗布し、これを乾燥した後、焼結し空気極4を形成する。さらに、燃料極3及び空気極4上に集電層用ペーストを塗布し、乾燥、焼結する。こうして、第1及び第2集電層5,6が形成される。一方、第2支持基板12の下面には、インターコネクタ用ペーストを塗布し、乾燥、焼結してインターコネクタ8を形成する。なお、インターコネクタを形成する材料は、上述した集電層5,6と同じである。これに続いて、インターコネクタ8が形成された第2支持基板12を単セルC1〜C3の上面に配置する。このとき、インターコネクタ8により3つの単セルC1〜C3が接続されるように位置決めする。   This fuel cell can be manufactured, for example, as follows. First, an electrolyte paste is applied on the first support substrate 11, dried, and then sintered to form the electrolyte 2. Next, a fuel electrode pace is applied on the electrolyte 2, dried, and then sintered to form the fuel electrode 3. Similarly, an air electrode paste is applied on the electrolyte 2, dried, and then sintered to form the air electrode 4. Further, the current collecting layer paste is applied onto the fuel electrode 3 and the air electrode 4, dried and sintered. Thus, the first and second current collecting layers 5 and 6 are formed. On the other hand, an interconnector paste is applied to the lower surface of the second support substrate 12, dried and sintered to form the interconnector 8. In addition, the material which forms an interconnector is the same as the current collection layers 5 and 6 mentioned above. Subsequently, the second support substrate 12 on which the interconnector 8 is formed is disposed on the upper surfaces of the single cells C1 to C3. At this time, the interconnector 8 is positioned so that the three single cells C1 to C3 are connected.

以上のように、本実施形態によれば、インターコネクタ8が配置された第2支持基板12により、複数の単セルC1〜C3を直列に接続することができる。また、インターコネクタを単セル上に直接形成しなくてもよいため、第2支持基板12上のインターコネクタ8の配置を変えれば、直列または並列など所望の接続が可能になる。なお、発電の方法は、第1実施形態と同様であるが、第2支持基板12は、多孔質で形成されているため、混合ガスは、第2支持基板12を透過して各単セルC1〜C3の電極3,4に供給される。また、第1支持基板11も多孔質でガス透過性を有しているため、単セルC1〜C3に対し、いずれの方向からでも混合ガスを供給することができる。
(第3実施形態)
次に、上記第2実施形態の燃料電池を、垂直方向にスタックした燃料電池の一実施形態について説明する。図4は、本実施形態における固体酸化物形燃料電池の断面図である。
As described above, according to the present embodiment, the plurality of single cells C1 to C3 can be connected in series by the second support substrate 12 on which the interconnector 8 is disposed. In addition, since it is not necessary to form the interconnector directly on the single cell, if the arrangement of the interconnector 8 on the second support substrate 12 is changed, a desired connection such as series or parallel becomes possible. The power generation method is the same as that in the first embodiment. However, since the second support substrate 12 is formed of a porous material, the mixed gas permeates the second support substrate 12 and each single cell C1. ˜C3 electrodes 3 and 4 are supplied. Further, since the first support substrate 11 is also porous and has gas permeability, the mixed gas can be supplied to the single cells C1 to C3 from any direction.
(Third embodiment)
Next, an embodiment of a fuel cell in which the fuel cells of the second embodiment are stacked in the vertical direction will be described. FIG. 4 is a cross-sectional view of the solid oxide fuel cell in the present embodiment.

図4に示すように、この燃料電池は、第2実施形態の燃料電池を3段にスタックしたものである。すなわち、4つの支持基板を所定間隔をおいて平行に配置し、その間に単セルを3つずつ配置している。ここでは、4つの支持基板を図4の下から第1,第2,第3,及び第4支持基板11〜14と称する。   As shown in FIG. 4, this fuel cell is a stack of the fuel cells of the second embodiment in three stages. That is, four support substrates are arranged in parallel at a predetermined interval, and three single cells are arranged therebetween. Here, the four support substrates are referred to as first, second, third, and fourth support substrates 11 to 14 from the bottom of FIG.

より詳細に説明すると、第1〜第3支持基板11〜13の上面には、各単セルの電解質2が配置されている。一方、第2〜第4支持基板12〜14の下面には、インターコネクタ8が配置されており、第1〜第3支持基板11〜13上の単セルをそれぞれ直列に接続している。さらに、4個の支持基板11〜14は、図4の左右方向に配置された集電板9によって左右方向から狭持されている。各集電板9には、各支持基板11〜14の端部が挿入される4つの溝91が形成されており、これによって支持基板11〜14と集電板9とが連結される。   If it demonstrates in detail, the electrolyte 2 of each single cell will be arrange | positioned on the upper surface of the 1st-3rd support substrates 11-13. On the other hand, the interconnector 8 is disposed on the lower surfaces of the second to fourth support substrates 12 to 14, and the single cells on the first to third support substrates 11 to 13 are connected in series. Further, the four support substrates 11 to 14 are sandwiched from the left-right direction by the current collector plate 9 arranged in the left-right direction in FIG. Each current collector plate 9 is formed with four grooves 91 into which end portions of the respective support substrates 11 to 14 are inserted, whereby the support substrates 11 to 14 and the current collector plate 9 are connected.

集電板9は、Fe,Ti,Cr,Cu,Ni,Ag,Au,Pt等の導電性金属を用いることができ、1種を単独で使用しても良いし、2種類以上を混合してもよい。例えば、ステンレス系耐熱材料などが使用でき、具体的にはオーステナイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼、インコネルやハステロイなどのニッケル基の耐熱合金などを用いることができる。また、導電性金属酸化物を用いることもでき、例えばLa(Cr,Mg)O3、(La,Ca)CrO3,(La,Sr)CrO3などのランタン・クロマイト系材料を用いることが可能である。集電板の肉厚は200〜5000μmであることが好ましい。   The current collector plate 9 can be made of a conductive metal such as Fe, Ti, Cr, Cu, Ni, Ag, Au, or Pt. One type may be used alone, or two or more types may be mixed. May be. For example, stainless steel heat-resistant materials can be used, and specifically, austenitic stainless steel, ferritic stainless steel, nickel-based heat-resistant alloys such as Inconel and Hastelloy, and the like can be used. In addition, a conductive metal oxide can be used, and for example, a lanthanum chromite material such as La (Cr, Mg) O3, (La, Ca) CrO3, (La, Sr) CrO3 can be used. The thickness of the current collector plate is preferably 200 to 5000 μm.

上記単セルにおいては、次のように発電が行われる。まず、メタンなどの炭化水素系ガスからなる燃料ガスと、空気などの酸化剤ガスとの混合ガスを第4支持基板14の上方から下方に向けて供給する。混合ガス(図4の矢印)は、各支持基板11〜14を透過し、下方に流れながら、第1〜第3支持基板11〜13上の単セルと接触する。これにより、燃料極3及び空気極4がそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスと接触するため、燃料極3と空気極4との間で、電解質2を介した酸素イオン伝導が起こり、発電が行われる。なお、図4に示す矢印が混合ガスの流れを示している。   In the single cell, power generation is performed as follows. First, a mixed gas of a fuel gas composed of a hydrocarbon-based gas such as methane and an oxidant gas such as air is supplied from the upper side to the lower side of the fourth support substrate 14. The mixed gas (arrow in FIG. 4) permeates through each of the support substrates 11 to 14 and contacts the single cells on the first to third support substrates 11 to 13 while flowing downward. Thereby, since the fuel electrode 3 and the air electrode 4 are in contact with the fuel gas and the oxidant gas, respectively, oxygen ion conduction through the electrolyte 2 occurs between the fuel electrode 3 and the air electrode 4 to generate power. . In addition, the arrow shown in FIG. 4 has shown the flow of mixed gas.

以上のように、本実施形態によれば、ガス透過性を有する4個の支持基板の間に複数の単セルを配置しているため、支持基板11〜14の積層方向に混合ガスを供給すれば、発電を行うことができる。ここで、電解質2は緻密に形成されているため、供給されたガスは、第1〜第3支持基板11〜13において電解質2が配置されている部分を透過せず、面方向に沿って流れていく。したがって、第1〜第3支持基板11〜13上にあるすべての単セルに混合ガスを供給することができる。そして、混合ガスは、第1〜第3支持基板11〜13において電解質2が配置されていない部分を通過して、支持基板の積層方向に流れていく。したがって、混合ガスは、第1〜第3支持基板11〜13の面に垂直な方向及び平行な方向に流れていくため、ガスの拡散性を大きく向上することができ、各単セルに均一にガスを供給することができる。   As described above, according to the present embodiment, since a plurality of single cells are arranged between four support substrates having gas permeability, the mixed gas is supplied in the stacking direction of the support substrates 11 to 14. Power generation. Here, since the electrolyte 2 is densely formed, the supplied gas does not pass through the portion where the electrolyte 2 is disposed in the first to third support substrates 11 to 13 but flows along the surface direction. To go. Therefore, the mixed gas can be supplied to all the single cells on the first to third support substrates 11 to 13. Then, the mixed gas passes through the portion where the electrolyte 2 is not disposed in the first to third support substrates 11 to 13 and flows in the stacking direction of the support substrates. Accordingly, since the mixed gas flows in a direction perpendicular to and parallel to the surfaces of the first to third support substrates 11 to 13, the gas diffusibility can be greatly improved, and can be uniformly distributed to each single cell. Gas can be supplied.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態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、単セルの個数、支持基板の枚数は適宜変更することができる。また、各単セルにおいては、電極の形状は特には限定されず、長方形のほか、所定の方向に延びている形状であればよく、さらに両電極が向き合うように配置されていればよい。また、集電層は、必ずしも電極の上面全体に配置されていなくてもよいが、少なくとも電極の延びる方向に沿って形成されていることが好ましい。特に、電極の上面の長手方向に80%以上に集電層が配置されていれば、発電時に電子を取り出しやすくなる。また、第3実施形態においては、スタック上部と下部にガス導入、排出口を設けた筐体形状をとってもよい。また、第1及び第2実施形態においては、単セルの下側に配置される支持基板11を緻密なガス非透過性としてもよい。   The embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, the number of single cells and the number of support substrates can be changed as appropriate. Moreover, in each single cell, the shape of the electrode is not particularly limited, and may be a shape extending in a predetermined direction in addition to a rectangle, and may be arranged so that both electrodes face each other. Further, the current collecting layer does not necessarily have to be disposed on the entire upper surface of the electrode, but is preferably formed at least along the direction in which the electrode extends. In particular, if the current collecting layer is disposed at 80% or more in the longitudinal direction of the upper surface of the electrode, it becomes easier to take out electrons during power generation. Further, in the third embodiment, a casing shape in which gas inlets and outlets are provided in the upper and lower portions of the stack may be taken. In the first and second embodiments, the support substrate 11 disposed on the lower side of the single cell may be dense gas impermeable.

以下、本発明の実施例について説明する。但し、本発明は以下の実施例には限定されない。まず、第1実施形態と同様の単セルについて、電池性能の評価試験を行った。ここでは、第1実施形態と同様の実施例1とともに、電極に対し集電層を並列に隣接配置した比較例1、集電層としてAuメッシュを用いた比較例2の評価試験を行った。はじめに、実施例及び比較例の製造方法について説明する。以下の説明において、集電層以外は、実施例及び比較例は同様の材料及び製造方法で作製される。   Examples of the present invention will be described below. However, the present invention is not limited to the following examples. First, the evaluation test of the battery performance was performed about the single cell similar to 1st Embodiment. Here, together with Example 1 similar to the first embodiment, the evaluation test of Comparative Example 1 in which the current collecting layer is disposed adjacent to the electrode in parallel and Comparative Example 2 in which the Au mesh is used as the current collecting layer was performed. First, production methods of Examples and Comparative Examples will be described. In the following description, examples and comparative examples other than the current collecting layer are produced by the same material and manufacturing method.

まず、支持基板をテープキャスト法により形成する。テープキャスト法については、上述した支持基板材料でグリーンシートを作製し焼結させて支持基板を形成する。具体的には、上述の材料と造孔剤を添加し、バインダー、分散剤および可塑剤を加え、エタノール、2-プロパノールといったアルコール系溶媒からなる分散媒体により分散されているスラリーを作製する。造孔剤の添加量は上記支持基板材料の総重量比に対して5〜20wt%が好ましい。添加されている造孔剤は、焼結の際に燃焼して分解消失するため造孔剤が存在していた箇所には空孔が形成される。配合比率に関しては、焼成後の気孔率が20〜70体積%となるよう主成分と造孔剤の配合比率を調整した。また支持基板の厚みは焼結後に0.8mmとなるよう調整した。   First, a support substrate is formed by a tape casting method. Regarding the tape casting method, a support substrate is formed by producing and sintering a green sheet with the support substrate material described above. Specifically, the above-mentioned materials and pore former are added, a binder, a dispersant and a plasticizer are added, and a slurry dispersed by a dispersion medium composed of an alcohol solvent such as ethanol and 2-propanol is prepared. The amount of pore-forming agent added is preferably 5 to 20 wt% with respect to the total weight ratio of the support substrate material. Since the added pore former burns and decomposes and disappears during sintering, voids are formed at locations where the pore former was present. Regarding the blending ratio, the blending ratio of the main component and the pore-forming agent was adjusted so that the porosity after firing was 20 to 70% by volume. The thickness of the support substrate was adjusted to 0.8 mm after sintering.

燃料極、電解質、空気極、集電層は、それぞれNiO−GDC、GDC、LSCF、金を主成分として、これらに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ペーストを作製した。より詳細には、上述した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。これらを加えて混練し燃料極ペースト、電解質ペースト、空気極ペースト、集電層ペーストをそれぞれ作製する。各ペーストの粘度は、スクリーン印刷法に適合するように10〜10mPa・sであることが好ましい。なお、ここでペーストを作製する集電層は、実施例1及び比較例1に用いられるものである。 The fuel electrode, the electrolyte, the air electrode, and the current collecting layer were made of NiO-GDC, GDC, LSCF, and gold, respectively, and paste was prepared by adding appropriate amounts of a binder resin, an organic solvent, and the like. More specifically, it is preferable to add a binder resin or the like so that the main component is 50 to 95% by weight in the mixing of the main component and the binder resin. These are added and kneaded to prepare a fuel electrode paste, an electrolyte paste, an air electrode paste, and a current collecting layer paste. The viscosity of each paste is preferably 10 3 to 10 6 mPa · s so as to be compatible with the screen printing method. In addition, the current collection layer which produces a paste here is used for Example 1 and Comparative Example 1.

次に、前述で作製した支持基板上に電解質ペーストをスクリーン印刷法により塗布後厚みが50μm、各辺が8mm、8mmの正方形となるように印刷した。130℃で15分間乾燥後、1700℃で10時間焼結し、電解質を形成した。   Next, the electrolyte paste was printed on the support substrate prepared above by screen printing so that the thickness was 50 μm and the sides were 8 mm and 8 mm squares. After drying at 130 ° C. for 15 minutes, sintering was performed at 1700 ° C. for 10 hours to form an electrolyte.

次に、電解質上に、燃料極ペーストをスクリーン印刷法により塗布後厚みが50μm、電極幅700μm、電極長さ8mmとなるように印刷した。そして、130℃で15分間乾燥後、1450℃で10時間焼結し、燃料極を形成した。さらに、空気極ペーストをスクリーン印刷法により燃料極との離間距離が500μmとなる箇所に、塗布後厚みが50μm、電極幅700μm、電極長さ8mmとなるように印刷した。そして、130℃で15分間乾燥させた後、1200℃で1時間焼結し、空気極を形成した。   Next, the fuel electrode paste was printed on the electrolyte by screen printing so that the thickness after application was 50 μm, the electrode width was 700 μm, and the electrode length was 8 mm. And after drying at 130 degreeC for 15 minutes, it sintered at 1450 degreeC for 10 hours, and formed the fuel electrode. Further, the air electrode paste was printed by screen printing at a location where the distance from the fuel electrode was 500 μm so that the thickness after application was 50 μm, the electrode width was 700 μm, and the electrode length was 8 mm. And after making it dry at 130 degreeC for 15 minute (s), it sintered at 1200 degreeC for 1 hour, and formed the air electrode.

続いて、実施例1について、燃料極の上に集電層ペーストをスクリーン印刷法により塗布後厚みが50μm、集電層幅700μm、集電層長さ8mmがとなるように印刷した。そして、130℃で15分間乾燥後、1200℃で1時間焼結した。これに続いて、空気極の上に集電層ペーストをスクリーン印刷法により塗布後厚みが50μm、集電層幅700μm、集電層長さ8mmとなるように印刷した。そして、130℃で15分間乾燥後、1000℃で1時間焼結した。   Subsequently, for Example 1, the current collector layer paste was printed on the fuel electrode by screen printing so that the thickness after application was 50 μm, the current collector layer width was 700 μm, and the current collector layer length was 8 mm. And after drying for 15 minutes at 130 degreeC, it sintered at 1200 degreeC for 1 hour. Subsequently, the current collector layer paste was printed on the air electrode by screen printing so that the thickness was 50 μm, the current collector layer width was 700 μm, and the current collector layer length was 8 mm. And after drying for 15 minutes at 130 degreeC, it sintered at 1000 degreeC for 1 hour.

比較例1については、各電極の長手方向に延びる一側面に隣接するように、集電層(幅700μm、長さ8mm)を形成した。このときに、集電層は、各電極の上面に重ねず、側面においてのみ接触させている。形成位置以外は、実施例1と同様の方法で作製される。比較例2では、各電極の上面にAuからなるメッシュ(100メッシュ、線幅0.07mm、6mm×3mm)を配置した。こうして、実施例1及び比較例1,2が完成した。   In Comparative Example 1, a current collecting layer (width 700 μm, length 8 mm) was formed so as to be adjacent to one side surface extending in the longitudinal direction of each electrode. At this time, the current collecting layer is not in contact with the upper surface of each electrode, and is in contact only on the side surface. Except for the formation position, it is manufactured by the same method as in Example 1. In Comparative Example 2, a mesh made of Au (100 mesh, line width 0.07 mm, 6 mm × 3 mm) was disposed on the upper surface of each electrode. Thus, Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 were completed.


続いて、作製した実施例1及び比較例1,2において、発電を行う。作動温度700℃とし、メタンと空気との混合ガスを各単セルの上方から供給した。ガス総流量は500ml/min、CH4の濃度は20%である。そして、セル電圧ならびにインピーダンス値を計測した。結果は以下の通りである。

Subsequently, power generation is performed in the manufactured Example 1 and Comparative Examples 1 and 2. The operating temperature was 700 ° C., and a mixed gas of methane and air was supplied from above each single cell. The total gas flow rate is 500 ml / min and the concentration of CH 4 is 20%. And the cell voltage and the impedance value were measured. The results are as follows.

Figure 2011076959
Figure 2011076959

まず、集電層としてAuメッシュを用いた比較例2では、性能が著しく低かった。また、電極に対し集電層が並列に隣接配置された比較例1では、電極抵抗が著しく増大しており集電層の接圧も含んでいる。一方、電極に対し集電層が積層配置した実施例1では、集電層が電極の全面に亘って形成されているため、電極抵抗の低減が見られ安定したセル性能を示す結果が得られた。   First, in Comparative Example 2 using Au mesh as the current collecting layer, the performance was remarkably low. Further, in Comparative Example 1 in which the current collecting layer is disposed adjacent to the electrode in parallel, the electrode resistance is remarkably increased and includes the contact pressure of the current collecting layer. On the other hand, in Example 1 in which the current collecting layer was laminated on the electrode, the current collecting layer was formed over the entire surface of the electrode, so that the electrode resistance was reduced and a stable cell performance was obtained. It was.

続いて、第2実施形態に示す燃料電池を作製し、電池性能の評価試験を行った。ここでは、2種類の大きさの単セルを作製し、一対の支持基板の間に配置した。また、気孔率の相違する4種類の支持基板を用いた。
(1)支持基板
一辺が10mm、厚さ800μmの正方形のアルミナ製の支持基板を用いた。また、気孔率が、20,30,60,及び70体積%の4種類を準備した。
(2)単セル
電解質として、面積が0.27cm2,0.45cm2の2種類を準備した。材料は、GDCを主成分とした。また、NiO−GDCを主成分とする燃料極、LSCFを主成分とする空気極を形成した。各電極の面積は、各々0.063 cm2とした。また、電極間距離は500μmとした。詳細な作成方法は、実施例1と同じである。また、インターコネクタは、図3に示すように、第2支持基板の下面に形成した。すなわち、インターコネクタペーストを塗布後厚みが50μm、幅2000μm、長さ9000μmとなるように印刷した後。130℃で15分間乾燥後、1000℃で1時間焼結した。
Then, the fuel cell shown in 2nd Embodiment was produced, and the evaluation test of the cell performance was done. Here, two types of single cells were produced and placed between a pair of support substrates. In addition, four types of support substrates having different porosities were used.
(1) Support substrate A square support substrate made of alumina having a side of 10 mm and a thickness of 800 μm was used. Also, four types with porosity of 20, 30, 60, and 70% by volume were prepared.
(2) as a single cell electrolyte, area 0.27 cm 2, were prepared two kinds of 0.45 cm 2. The material was mainly composed of GDC. In addition, a fuel electrode mainly composed of NiO-GDC and an air electrode mainly composed of LSCF were formed. The area of each electrode was 0.063 cm 2 . The distance between the electrodes was 500 μm. The detailed creation method is the same as that in the first embodiment. Moreover, the interconnector was formed in the lower surface of the 2nd support substrate, as shown in FIG. That is, after the interconnector paste is applied, the thickness is 50 μm, the width is 2000 μm, and the length is 9000 μm. After drying at 130 ° C. for 15 minutes, sintering was performed at 1000 ° C. for 1 hour.

こうして形成された8種類の電池に対し、作動温度700℃で発電を行った。このとき、ガス総流量500ml/min、メタンガス濃度20%とし、セル電圧を計測した。結果は以下の通りである。   The eight types of batteries thus formed were subjected to power generation at an operating temperature of 700 ° C. At this time, the cell voltage was measured with a total gas flow rate of 500 ml / min and a methane gas concentration of 20%. The results are as follows.

Figure 2011076959
Figure 2011076959

上記結果より、気孔率が高くまた電解質面積が低い程、性能が高いことが判明した。気孔率体積60%,電解質面積0.27cm2時に最も性能が高くガス拡散性が向上し、セル電圧の安定が確認された。気孔率70体積%の支持基板では、気孔率が高いことで基板強度が低下し、支持基板と電解質間の内部応力差により、セル割れが確認された。 From the above results, it was found that the higher the porosity and the lower the electrolyte area, the higher the performance. When the porosity volume was 60% and the electrolyte area was 0.27 cm 2, the performance was highest and the gas diffusivity was improved, and the cell voltage was confirmed to be stable. In the support substrate having a porosity of 70% by volume, the substrate strength was reduced due to the high porosity, and cell cracking was confirmed by the internal stress difference between the support substrate and the electrolyte.

このほか、メタン濃度30%時の性能も評価した。例えば、気孔率20体積%の支持基板であっても、0.58Vの安定したセル電圧は確認された。気孔率70体積%の支持基板を用いたとき、作動温度600℃時で性能を評価すると、0.52Vの安定したセル電圧が確認された。したがって、条件によっては使用可能である。    In addition, the performance at a methane concentration of 30% was also evaluated. For example, a stable cell voltage of 0.58 V was confirmed even with a support substrate having a porosity of 20% by volume. When a support substrate having a porosity of 70% by volume was used and performance was evaluated at an operating temperature of 600 ° C., a stable cell voltage of 0.52 V was confirmed. Therefore, it can be used depending on conditions.

11〜14 支持基板
2 電解質
3 燃料極
4 空気極
5 第1集電層
6 第2集電層
8 インターコネクタ
11 to 14 Support substrate 2 Electrolyte 3 Fuel electrode 4 Air electrode 5 First current collecting layer 6 Second current collecting layer 8 Interconnector

Claims (6)

支持基板上に配置される固体酸化物形燃料電池用単セルであって、
前記支持基板の一方面に配置される電解質と、
前記電解質上に配置され、所定方向に延びる燃料極と、
前記電解質上に配置され、前記燃料極と離間し且つ当該燃料極と同一方向に延びる空気極と、
前記燃料極上に配置され、当該燃料極に沿って延びる第1の集電層と、
前記空気極上に配置され、当該空気極に沿って延びる第2の集電層と、
を備え、
前記各集電層は、ガス透過性を有する、固体酸化物形燃料電池用単セル。
A single cell for a solid oxide fuel cell disposed on a support substrate,
An electrolyte disposed on one side of the support substrate;
A fuel electrode disposed on the electrolyte and extending in a predetermined direction;
An air electrode disposed on the electrolyte, spaced apart from the fuel electrode and extending in the same direction as the fuel electrode;
A first current collecting layer disposed on the fuel electrode and extending along the fuel electrode;
A second current collecting layer disposed on the air electrode and extending along the air electrode;
With
Each of the current collecting layers has gas permeability and is a single cell for a solid oxide fuel cell.
前記各集電層は、前記燃料極上及び空気極上の全面に配置されている、請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池用単セル。   The single cell for a solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein each of the current collecting layers is disposed on the entire surface of the fuel electrode and the air electrode. ガス透過性を有する支持基板と、
前記支持基板上に配置され、少なくとも1つの、請求項1または2に記載の固体酸化物形燃料電池用単セルと、
を備えている、固体酸化物形燃料電池。
A support substrate having gas permeability;
At least one single cell for a solid oxide fuel cell according to claim 1 or 2, disposed on the support substrate;
A solid oxide fuel cell.
第1の支持基板と、
前記第1の支持基板上に配置され、請求項1または2に記載の複数の固体酸化物形燃料電池用単セルと、
前記第1の支持基板との間に、前記固体酸化物形燃料電池用単セルを配置する、ガス透過性の第2の支持基板と、
前記第2の支持基板において前記第1の支持基板と対向する面に配置され、前記各集電層と接続されるとともに、前記複数の固体酸化物形燃料電池用単セルを電気的に接続するインターコネクタと、
を備え、
前記燃料極及び空気極は、ガス透過性を有する、固体酸化物形燃料電池。
A first support substrate;
A plurality of solid oxide fuel cell single cells according to claim 1 or 2, disposed on the first support substrate;
A gas permeable second support substrate in which the single cell for a solid oxide fuel cell is disposed between the first support substrate and the first support substrate;
The second support substrate is disposed on a surface facing the first support substrate, is connected to each of the current collecting layers, and electrically connects the plurality of solid oxide fuel cell single cells. An interconnector;
With
The fuel electrode and the air electrode are gas permeable solid oxide fuel cells.
前記第1の支持基板は、ガス透過性を有する、請求項4に記載の固体酸化物形燃料電池。   The solid oxide fuel cell according to claim 4, wherein the first support substrate has gas permeability. 所定間隔をあけて平行に配置された、ガス透過性のある複数の支持基板と、
隣接する前記支持基板の間に配置され、一方の前記支持基板上に前記電解質が配置される、請求項1または2に記載の複数の固体酸化物形燃料電池用単セルと、
隣接する前記支持基板のうち、他方の支持基板の表面に配置されるとともに、前記各集電層と接続され、前記複数の固体酸化物形燃料電池用単セルを電気的に接続する、インターコネクタと、
を備え、
前記燃料極、空気極、及び各集電層は、ガス透過性を有し、
前記電解質は、緻密に形成されている、固体酸化物形燃料電池。
A plurality of gas-permeable support substrates arranged in parallel at predetermined intervals;
A plurality of unit cells for a solid oxide fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the single cell is disposed between the adjacent support substrates, and the electrolyte is disposed on one of the support substrates.
An interconnector that is disposed on the surface of the other support substrate among the adjacent support substrates and is connected to each of the current collecting layers to electrically connect the plurality of solid oxide fuel cell single cells. When,
With
The fuel electrode, the air electrode, and each current collecting layer have gas permeability,
A solid oxide fuel cell in which the electrolyte is densely formed.
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