JP2012022856A - Solid oxide fuel cell and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、筒型形状をなす固体酸化物型燃料電池及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a solid oxide fuel cell having a cylindrical shape and a method for manufacturing the same.
固体酸化物型燃料電池(SOFC)は、炭化水素や含酸素炭化水素を水蒸気と反応させて改質した燃料ガスと酸素とが電気化学的反応をすることによって発電する燃料電池である。この発電時には、水が生成される。燃料電池の逆反応を行うと、水から水素と酸素が生成される。このような装置を水電解装置という。 A solid oxide fuel cell (SOFC) is a fuel cell that generates electric power by an electrochemical reaction between a fuel gas reformed by reacting a hydrocarbon or oxygen-containing hydrocarbon with water vapor and oxygen. During this power generation, water is generated. When the reverse reaction of the fuel cell is performed, hydrogen and oxygen are generated from water. Such an apparatus is called a water electrolysis apparatus.
固体酸化物型燃料電池の一態様として円筒形の固体酸化物型燃料電池が知られている。この円筒形の固体酸化物型燃料電池は、筒形状をなす基体管の外周面に、燃料極、固体酸化物の電解質、空気極を積層して発電素子を形成し、この発電素子を基体管の軸方向に複数配置し、複数の発電素子をインターコネクタにより直列に接続して構成される。 A cylindrical solid oxide fuel cell is known as one embodiment of the solid oxide fuel cell. In this cylindrical solid oxide fuel cell, a power generation element is formed by laminating a fuel electrode, a solid oxide electrolyte, and an air electrode on the outer peripheral surface of a cylindrical base tube. A plurality of power generating elements are connected in series by an interconnector.
従って、基体管内に燃料ガスが供給され、空気極に酸素が供給されると、空気極に供給された酸素は、イオン化されて電解質膜を透過し、燃料極に達する。そして、燃料極に達した酸素と燃料ガスとの電気化学的反応により、燃料極と空気極との間に電位差が発生し、この発生した電位差を外部に取り出すことで発電が行われる。 Therefore, when fuel gas is supplied into the base tube and oxygen is supplied to the air electrode, the oxygen supplied to the air electrode is ionized and permeates the electrolyte membrane and reaches the fuel electrode. A potential difference is generated between the fuel electrode and the air electrode due to an electrochemical reaction between oxygen and fuel gas that has reached the fuel electrode, and electricity is generated by taking out the generated potential difference to the outside.
ところで、基体管は、漏洩電流の抑制の観点から絶縁体とすることが望ましい。しかし、基体管は、焼結時における亀裂の発生などを防止する目的で、燃料極と熱膨張係数を同じか、またはそれ以下に設定する必要がある。また、基体管は、燃料ガスや酸素が通過する必要があることから、所定の気孔率を確保する必要がある。そのため、焼結材料として、鉄族金属の酸化物(例えば、酸化ニッケル)を含有させる必要があり、結果として基体管は導電性を有することとなる。このことにより、従来の固体酸化物型燃料電池では、発電素子から基体管へ流れる漏洩電流が発生し、非通電時における燃料の消費、通電時における燃料使用量の増加を招き、発電効率が低下してしまうという問題があると考えられていた。 By the way, it is desirable that the base tube be an insulator from the viewpoint of suppressing leakage current. However, the base tube needs to have the same or lower thermal expansion coefficient as that of the fuel electrode for the purpose of preventing the occurrence of cracks during sintering. In addition, since the fuel gas and oxygen need to pass through the base tube, it is necessary to ensure a predetermined porosity. Therefore, it is necessary to contain an iron group metal oxide (for example, nickel oxide) as the sintered material, and as a result, the base tube has conductivity. As a result, in the conventional solid oxide fuel cell, a leakage current flowing from the power generation element to the base tube is generated, resulting in consumption of fuel during non-energization and an increase in fuel consumption during energization, resulting in a decrease in power generation efficiency. It was thought that there was a problem of doing.
このような問題を解決するものとして、例えば、下記特許文献1に記載されたものがある。この特許文献1に記載された燃料電池は、燃料ガス流路が軸長方向に形成された柱状の支持体の表面に、燃料極、固体電解質、空気極を積層してなる発電素子を軸長方向に所定間隔をおいて複数個設け、複数の発電素子をそれぞれインターコネクタで直列に接続して構成し、支持体を、鉄族金属及び/または鉄族金属の酸化物と、無機粉末とを主成分とする多孔質な支持体基部の表面に、支持体基部と発電素子とを電気的に絶縁する多孔質な絶縁層を設けて構成している。
As what solves such a problem, there exists a thing described in the following
上述した従来の燃料電池にあっては、支持体の表面に発電素子と電気的に絶縁する多孔質な絶縁層を設けることで、発電素子と基体管との間の漏洩電流の発生を抑制している。ところで、燃料電池は、基体管の外側に燃料極、固体電解質、空気極が積層され、且つ、軸方向に複数配置されており、インターコネクタにより直列に接続されて構成されている。この場合、基体管の軸方向において隣り合う各燃料極同士の間には、固体電解質が配置されることとなり、この固体電解質は、電子導電性が非常に小さいために漏洩電流の発生はほとんどないと考えられていた。しかし、固体電解質は、上述したように電子導電性が小さいものの、イオン導電性は小さくなく、上述した基体管を介した漏洩電流よりも、この固体電解質を介した漏洩電流の方が問題となる可能性があることが分かった。 In the conventional fuel cell described above, a porous insulating layer that is electrically insulated from the power generation element is provided on the surface of the support, thereby suppressing the occurrence of leakage current between the power generation element and the base tube. ing. By the way, the fuel cell is configured such that a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are laminated on the outside of a base tube, and a plurality of them are arranged in the axial direction and connected in series by an interconnector. In this case, a solid electrolyte is disposed between the fuel electrodes adjacent to each other in the axial direction of the base tube, and since this solid electrolyte has very low electronic conductivity, almost no leakage current is generated. It was thought. However, although the solid electrolyte has a low electronic conductivity as described above, the ionic conductivity is not small, and the leakage current through the solid electrolyte is more problematic than the leakage current through the substrate tube described above. It turns out that there is a possibility.
また、今後燃料電池の高電圧化や低電流化運転によりオーム過電圧を減少させることで、出力増加を実現するためには多素子化する必要がある。そして、一方で、燃料電池の小型化を図るためには、多素子化の過程で、有効発電部を確保した状態で、素子間隔をできる限り小さくする必要がある。このような構成にすると、素子間の通電距離が短くなり、上述した漏洩電流が大きくなってしまうという問題がある。さらに、高温で高いイオン伝導性を有する固体電解質膜を備えた固体酸化物型燃料電池においては、発電素子における反応温度を高くすればするほど発電効率の向上を図ることができるが、これに伴い発電素子間の電気抵抗が小さくなるため、上述した漏洩電流が大きくなってしまうという問題もある。 Further, in the future, it is necessary to increase the number of elements in order to increase the output by reducing the ohmic overvoltage by increasing the voltage or reducing the current of the fuel cell. On the other hand, in order to reduce the size of the fuel cell, it is necessary to reduce the element spacing as much as possible while securing the effective power generation unit in the process of increasing the number of elements. With such a configuration, there is a problem that the energization distance between the elements is shortened and the above-described leakage current is increased. Furthermore, in a solid oxide fuel cell equipped with a solid electrolyte membrane having high ionic conductivity at high temperatures, power generation efficiency can be improved as the reaction temperature in the power generation element is increased. Since the electrical resistance between the power generation elements is reduced, there is also a problem that the above-described leakage current is increased.
本発明は、上述した課題を解決するものであり、漏洩電流の発生を抑制して発電効率の向上を図る固体酸化物型燃料電池及びその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell that suppresses generation of leakage current and improves power generation efficiency and a method for manufacturing the same.
上記の目的を達成するための本発明の固体酸化物型燃料電池は、筒形状をなす基体管と、前記基体管の外周面に当該基体管の軸方向に沿って複数配置され、燃料極と電解質と空気極とが積層されて成る発電素子と、隣り合う当該発電素子を直列に接続するインターコネクタとを有し、隣り合う前記燃料極の間の電気抵抗値が1000Ω以上である、ことを特徴とするものである。 In order to achieve the above object, a solid oxide fuel cell of the present invention includes a base tube having a cylindrical shape, and a plurality of fuel cells arranged on the outer peripheral surface of the base tube along the axial direction of the base tube. It has a power generation element in which an electrolyte and an air electrode are laminated, and an interconnector that connects adjacent power generation elements in series, and an electrical resistance value between the adjacent fuel electrodes is 1000Ω or more. It is a feature.
従って、燃料極間に1000Ω以上の電気抵抗値が設定されることで、燃料極間における固体電解質を介した漏洩電流の発生を抑制することができる。このため、素子電圧の低下を防止することができ、その結果、発電効率の向上を図ることができる。 Therefore, by setting an electric resistance value of 1000Ω or more between the fuel electrodes, it is possible to suppress the occurrence of leakage current through the solid electrolyte between the fuel electrodes. For this reason, it is possible to prevent a decrease in the element voltage, and as a result, it is possible to improve the power generation efficiency.
本発明の固体酸化物型燃料電池では、隣り合う前記発電素子の間に、電子とイオンの移動を抑制する絶縁部を有することを特徴としている。 The solid oxide fuel cell of the present invention is characterized in that an insulating portion that suppresses movement of electrons and ions is provided between the adjacent power generation elements.
従って、発電素子間に絶縁部を設けることで、漏洩電流の発生を抑制することで、素子電圧の低下を防止することができ、簡単な構成で発電効率の向上を図ることができる。 Therefore, by providing an insulating portion between the power generation elements, the generation of leakage current can be suppressed, so that the element voltage can be prevented from being lowered, and the power generation efficiency can be improved with a simple configuration.
本発明の固体酸化物型燃料電池では、前記絶縁部は、隣り合う前記発電素子において、一方の前記発電素子の前記燃料極と他方の前記発電素子の前記燃料極との間で、且つ、一方の前記発電素子の前記固体電解質と前記基体管との間に設けられることを特徴としている。 In the solid oxide fuel cell according to the aspect of the invention, the insulating portion may be disposed between the fuel electrode of one of the power generation elements and the fuel electrode of the other power generation element in the adjacent power generation elements. The power generating element is provided between the solid electrolyte and the base tube.
従って、燃料極間で基体管と固体電解質の間に絶縁部を設けることで、漏洩電流の発生を抑制して素子電圧の低下を防止することができ、簡単な構成で発電効率の向上を図ることができる。 Therefore, by providing an insulating portion between the base electrode and the solid electrolyte between the fuel electrodes, it is possible to suppress the generation of leakage current and prevent a decrease in device voltage, and to improve power generation efficiency with a simple configuration. be able to.
本発明の固体酸化物型燃料電池では、前記絶縁部は、隣り合う前記発電素子において、一方の前記発電素子の前記燃料極と他方の前記発電素子の前記燃料極との間で、且つ、一方の前記発電素子の前記固体電解質と前記インターコネクタとの間に設けられることを特徴としている。 In the solid oxide fuel cell according to the aspect of the invention, the insulating portion may be disposed between the fuel electrode of one of the power generation elements and the fuel electrode of the other power generation element in the adjacent power generation elements. The power generating element is provided between the solid electrolyte and the interconnector.
従って、燃料極間で固体電解質とインターコネクタの間に絶縁部を設けることで、漏洩電流の発生を抑制して素子電圧の低下を防止することができ、簡単な構成で発電効率の向上を図ることができる。 Therefore, by providing an insulating portion between the solid electrolyte and the interconnector between the fuel electrodes, it is possible to suppress the occurrence of leakage current and prevent a decrease in element voltage, and to improve power generation efficiency with a simple configuration. be able to.
本発明の固体酸化物型燃料電池では、前記発電素子と前記絶縁部との間に反応防止部が設けられることを特徴としている。 The solid oxide fuel cell according to the present invention is characterized in that a reaction preventing portion is provided between the power generating element and the insulating portion.
従って、反応防止部により発電素子と絶縁部との間での反応が防止され、絶縁性を有しない層の生成を防止することができると共に、元素の拡散を防止して発電効率の低下を防止することができる。 Therefore, the reaction prevention unit prevents a reaction between the power generation element and the insulating unit, thereby preventing formation of a non-insulating layer and preventing element diffusion and lowering of power generation efficiency. can do.
本発明の固体酸化物型燃料電池では、前記絶縁部は、前記固体電解質と化学反応して形成される電解質反応部であることを特徴としている。 In the solid oxide fuel cell of the present invention, the insulating part is an electrolyte reaction part formed by a chemical reaction with the solid electrolyte.
従って、絶縁部の薄膜化が可能となり、装置の小型を可能とすることができると共に、製造コストを低減することができる。 Therefore, it is possible to reduce the thickness of the insulating portion, thereby enabling a reduction in the size of the device and reducing the manufacturing cost.
また、本発明の固体酸化物型燃料電池の製造方法は、基体管を形成する工程と、前記基体管の外周面に、当該基体管の軸方向に沿って複数の燃料極用材料膜を形成する工程と、前記燃料極用材料膜の上面に固体電解質用材料膜とインターコネクタ用材料膜を順次積層する工程と、前記基体管の外周面に、当該基体管の軸方向に沿って複数の絶縁部用材料膜を形成する工程と、前記絶縁部用材料膜と前記燃料極用材料膜と前記固体電解質用材料膜と前記インターコネクタ用材料膜とを焼結し、絶縁部と燃料極と固体電解質とインターコネクタとを形成する工程とを有し、隣り合う前記燃料極の間の電気抵抗値が1000Ω以上である、ことを特徴とするものである。 The solid oxide fuel cell manufacturing method of the present invention includes a step of forming a base tube, and a plurality of fuel electrode material films are formed on the outer peripheral surface of the base tube along the axial direction of the base tube. A step of sequentially laminating a solid electrolyte material film and an interconnector material film on the upper surface of the fuel electrode material film, and a plurality of outer peripheral surfaces of the base tube along the axial direction of the base tube. A step of forming an insulating part material film, sintering the insulating part material film, the fuel electrode material film, the solid electrolyte material film, and the interconnector material film; And a step of forming a solid electrolyte and an interconnector, and an electrical resistance value between adjacent fuel electrodes is 1000Ω or more.
従って、基体管に燃料極用材料膜、固体電解質用材料膜、インターコネクタ用材料膜、絶縁部用材料膜を積層して焼結することで、基体管上に燃料極、固体電解質、インターコネクタ、絶縁部を形成することができ、製造工程の簡素化を可能とすることができる。また、絶縁部により燃料極間に1000Ω以上の電気抵抗値が設定されることで、燃料極間の固体電解質を解した漏洩電流の発生を抑制することができる。これにより、素子電圧の低下を防止することができ、その結果、発電効率の向上を図ることができる。 Therefore, by laminating and sintering the fuel electrode material film, the solid electrolyte material film, the interconnector material film, and the insulating material film on the base tube, the fuel electrode, solid electrolyte, and interconnector are formed on the base tube. Insulating portions can be formed, and the manufacturing process can be simplified. Moreover, by setting an electric resistance value of 1000Ω or more between the fuel electrodes by the insulating portion, it is possible to suppress the occurrence of a leakage current that dissolves the solid electrolyte between the fuel electrodes. Thereby, the fall of element voltage can be prevented and, as a result, improvement in power generation efficiency can be aimed at.
本発明の固体酸化物型燃料電池の製造方法では、前記絶縁部用材料膜を形成した後、前記燃料極用材料膜を形成し、その後前記固体電解質用材料膜、前記インターコネクタ用材料膜を順次積層することを特徴としている。 In the method for manufacturing a solid oxide fuel cell according to the present invention, after forming the insulating material film, the fuel electrode material film is formed, and then the solid electrolyte material film and the interconnector material film are formed. It is characterized by being sequentially laminated.
従って、絶縁部が燃料極や固体電解質により被覆されることで、絶縁部を緻密に形成する必要はなく、焼結性を考慮する必要がなくなり、製造コストを低減することができる。 Therefore, since the insulating part is covered with the fuel electrode or the solid electrolyte, it is not necessary to form the insulating part densely, it is not necessary to consider the sinterability, and the manufacturing cost can be reduced.
本発明の固体酸化物型燃料電池の製造方法では、前記燃料極用材料膜を形成した後、前記絶縁部用材料膜を形成し、その後前記固体電解質用材料膜、前記インターコネクタ用材料膜を順次積層することを特徴としている。 In the method for producing a solid oxide fuel cell according to the present invention, after forming the fuel electrode material film, the insulating material film is formed, and then the solid electrolyte material film and the interconnector material film are formed. It is characterized by being sequentially laminated.
従って、絶縁部が燃料極や固体電解質により被覆されることで、絶縁部を緻密に形成する必要はなく、焼結性を考慮する必要がなくなり、製造コストを低減することができる。 Therefore, since the insulating part is covered with the fuel electrode or the solid electrolyte, it is not necessary to form the insulating part densely, it is not necessary to consider the sinterability, and the manufacturing cost can be reduced.
本発明の固体酸化物型燃料電池の製造方法では、前記固体電解質用材料膜と前記インターコネクタ用材料膜を順次積層した後、前記絶縁部用材料膜を形成することを特徴としている。 In the solid oxide fuel cell manufacturing method of the present invention, the insulating material film is formed after the solid electrolyte material film and the interconnector material film are sequentially laminated.
従って、燃料極間や固体電解質間に絶縁部が介在することで、高い絶縁性を確保することができ、製造コストを低減することができる。 Therefore, by interposing an insulating part between the fuel electrodes or between the solid electrolytes, high insulation can be ensured, and the manufacturing cost can be reduced.
本発明の固体酸化物型燃料電池の製造方法では、前記絶縁部用材料膜を形成した後、当該絶縁部用材料膜の外面に反応防止部用材料膜を形成することを特徴としている。 The method for producing a solid oxide fuel cell according to the present invention is characterized in that after the insulating part material film is formed, a reaction preventing part material film is formed on the outer surface of the insulating part material film.
従って、反応防止部により焼結時に発電素子と絶縁部との間での反応が防止され、絶縁性を有しない層の生成を防止することができる。また、反応防止部により発電素子と絶縁部との間で元素の拡散を防止することができる。これにより、発電効率の低下を防止することができる。 Therefore, reaction between the power generating element and the insulating part during sintering is prevented by the reaction preventing part, and generation of a layer having no insulating property can be prevented. In addition, the reaction preventing unit can prevent the element from diffusing between the power generation element and the insulating unit. Thereby, the fall of power generation efficiency can be prevented.
本発明の固体酸化物型燃料電池の製造方法では、前記燃料極用材料膜を形成した後、前記基体管の軸方向において隣り合う前記燃料極用材料膜の対向面に電解質反応部を塗布する工程を有し、前記燃料極用材料膜と前記電解質反応部と前記固体電解質用材料膜と前記インターコネクタ用材料膜とを焼結して、前記基体管上に前記燃料極、前記絶縁部、前記固体電解質、前記インターコネクタを形成することを特徴としている。 In the method for producing a solid oxide fuel cell according to the present invention, after forming the fuel electrode material film, an electrolyte reaction part is applied to the opposing surface of the fuel electrode material film adjacent in the axial direction of the base tube. The fuel electrode material film, the electrolyte reaction part, the solid electrolyte material film, and the interconnector material film are sintered, and the fuel electrode, the insulating part, The solid electrolyte and the interconnector are formed.
従って、電解質反応部を焼結により絶縁部とすることで、絶縁部の薄膜化が可能となり、装置の小型を可能とすることができると共に、製造コストを低減することができる。 Therefore, by forming the electrolyte reaction part into an insulating part by sintering, the insulating part can be made thin, and the apparatus can be miniaturized and the manufacturing cost can be reduced.
本発明の固体酸化物型燃料電池及びその製造方法によれば、発電素子間に1000Ω以上の電気抵抗値が設定されることで、ここでの素子電圧の低下が防止され、漏洩電流の発生を抑制することができ、その結果、発電効率の向上を図ることができる。 According to the solid oxide fuel cell and the method for manufacturing the same of the present invention, an electric resistance value of 1000Ω or more is set between the power generation elements, so that a decrease in the element voltage is prevented and leakage current is generated. As a result, the power generation efficiency can be improved.
以下に添付図面を参照して、本発明に係る燃料電池及びその製造方法の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではない。 Exemplary embodiments of a fuel cell and a method for manufacturing the same according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, this invention is not limited by this Example.
図1は、本発明の実施例1に係る燃料電池を表す概略構成図、図2は、素子部抵抗に対する素子電圧及び漏洩電流を表すグラフ、図3は、実施例1の燃料電池の製造方法を表す概略図、図4は、実施例1の燃料電池システムにおける燃料電池モジュールを表す概略構成図である。 1 is a schematic configuration diagram showing a fuel cell according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a graph showing an element voltage and a leakage current with respect to an element portion resistance, and FIG. 3 is a method for manufacturing the fuel cell of the first embodiment. FIG. 4 is a schematic configuration diagram illustrating a fuel cell module in the fuel cell system according to the first embodiment.
実施例1の燃料電池モジュール101は、図4に示すように、ケーシング201と、略円筒状に形成された複数のセルチューブ202と、セルチューブ202の両端を支持する上下の管板(第1仕切り部材)203a,203bと、これら上下の管板203a,203bの間に配置された上下の断熱体204a,204bとから概略構成されている。
As shown in FIG. 4, the
上下の断熱体204a,204bに挟まれた空間には、発電室205が形成されている。ケーシング201と上管板203aとの間には、燃料供給室206が形成されている。ケーシング201と下管板203bとの間には、燃料排出室207が形成されている。下管板203bと下断熱体204bとの間には、空気供給室208が形成されている。上管板203aと上断熱体204aとの間には、空気排出室209が形成されている。
A
上管板203aは、ケーシング201の長手方向(図4の上下方向)の一方(上側)に配置された板状の部材であり、下管板203bは、ケーシング201の長手方向の他方(下側)に配置された板状の部材である。セルチューブ202は、多孔質セラミックスから形成された略円筒状の管であり、長手方向(図5の上下方向)における中央部に発電を行なう複数の燃料電池セル210が設けられている。セルチューブ202は、一方の開口端が燃料供給室206に開口し、他方の開口端が燃料排出室207に開口するように、上下の管板203a,203bに支持されている。また、セルチューブ202は、燃料電池セル(発電素子)210が発電室205内にのみ位置するように配置されている。
The
上断熱体204aは、ケーシング201の長手方向の一方(上側)に配置され、断熱材料を用いてブランケット状あるいはボード状などに形成された部材である。下断熱材204bは、ケーシング201の長手方向の他方(下側)に配置され、断熱材料を用いてブランケット状あるいはボード状などに形成された部材である。各断熱体204a,204bには、セルチューブ202が挿通される孔211a,211bが形成され、孔211a,211bの直径はセルチューブ202の直径よりも大きく形成されている。
The
なお、孔211a,211bの内周面は、略円筒状に形成されていてもよいし、螺旋状または直線状の凹部(溝)または凸部(畝状突起)が形成されていてもよく、特に限定するものではない。このような構成にすることで、セルチューブ202と孔211a,211bとの間を通って発電室205に流入する空気に、下断熱体204bの熱が伝達されやすくなり、発電室205の温度を高温に保ちやすくすることができる。
The inner peripheral surfaces of the
ここで、上記構成からなる燃料電池モジュール101の動作の概要を、図4を用いて説明する。
Here, the outline | summary of operation | movement of the
燃料電池モジュール101の空気供給室208には空気が流入する。該空気は下断熱材204bの孔211bとセルチューブ202との隙間を通って、発電室205内に供給される。一方、燃料供給室206には燃料ガスが流入する。該燃料ガスはセルチューブ202の基体管の内部を通って発電室205内に供給される。空気と燃料ガスとは、燃料電池セル210において発電に利用される。その後空気は空気排出室209に流入し、燃料は燃料排出室208に流入し、それぞれ燃料電池モジュール101の外部に排出される。
Air flows into the
この時、空気と燃料ガスとは、セルチューブ202の内面または外面を互いに逆向きに流れている。このことにより、発電に利用され高温となった燃料ガスおよび空気が、発電に利用される前の空気および燃料ガスとそれぞれ熱交換される。すなわち、セルチューブ202の軸方向両端部であって燃料電池セル202が形成されていない領域において、燃料と空気とが熱交換される。
At this time, the air and the fuel gas flow in opposite directions on the inner surface or outer surface of the
上述したように燃料電池モジュール101では、反応に利用されて高温となった燃料ガスおよび空気が熱交換により冷却された後、燃料排出室208および空気排出室209に供給される。このことにより、金属部材を有する上管板203aと下管板203bとが高温雰囲気に晒されることを抑制することができる。その結果、燃料電池モジュール101では、燃料電池セル210における運転温度を高温化、例えば800℃から950℃にすることを可能にしている。
As described above, in the
次に、上述した燃料電池システムの燃料電池モジュール101に使用されるセルチューブ(燃料電池)202について詳細に説明する。
Next, the cell tube (fuel cell) 202 used in the
実施例1のセルチューブ(燃料電池)202は、図1に示すように、筒形状をなす基体管11の外面に外側に向けて、燃料極12、固体電解質13、空気極14を積層して発電素子、つまり、燃料電池セル210が形成され、この燃料電池セル210が基体管11の軸方向に複数配置され、複数の燃料電池セル210がインターコネクタ15により直列に接続されて構成されている。そして、本実施例では、基体管11の軸方向において隣り合う燃料極12同士の電気抵抗値が1000Ω以上に設定されている。具体的には、複数の燃料電池セル210の間に、電気とイオンを絶縁する絶縁膜(絶縁部)16が設けられる。
As shown in FIG. 1, the cell tube (fuel cell) 202 of Example 1 has a
ここで、燃料極12同士の電気抵抗値とは、燃料極12間の漏洩電流経路(固体電解質を介した漏洩電流経路)の電気抵抗値と定義される。
Here, the electric resistance value between the
実施例1のセルチューブ202について具体的に説明する。基体管11は、セラミックス製の円筒であり、内部改質能を有する鉄属金属(例えば、Ni)や鉄属金属酸化物(例えば、NiO)、これらの合金や合金酸化物を含有するものであり、例えば、NiとCSZ(カルシア安定化ジルコニア−CaO安定化ZrO2)の混合物である。また、燃料通路が基体管11の内周面によって形成されている。この場合、基体管11は、この燃料通路を流れる燃料ガスを燃料極12へ通過させる必要があることから、多孔質とする必要があり、混合物の粒子径を調整したり、ポアー材を混合させることが必要である。
The
燃料極12は、例えば、NiとYSZ(イットリウム安定化ジルコニア−Y2O3安定化ZrO2)の混合物であり、導電性を有し、かつ多孔質材である。燃料極12の基体管11とは反対側の面には固体電解質13が積層され、基体管11の軸方向において隣り合う他方の燃料極12との間まで存在するように形成されている。この固体電解質13は、例えば、YSZ(イットリウム安定化ジルコニア−Y2O3安定化ZrO2)であり、燃料極ガスと空気極ガスの接触を避けるために非孔質とする。空気極14は、例えば、LaMnO3系材料、LaFeO3系材料、LaCoO3系材料などの少なくとも一種の多孔質の導電性セラミックスから構成されている。
The
セルチューブ202を構成するために、基体管11の軸方向にて隣り合う燃料電池セル210において、一方の燃料電池セル210の燃料極12と、他方の燃料電池セル210の空気極14とが、インターコネクタ15により接続されている。また、燃料極12はその一部が固体電解質で被覆され、また一部がインターコネクタ15によりで被覆されている。このインターコネクタ15は、例えば、SrTiO3などのペロブスカイト型酸化物、LaCrO3系材料などからなり、ガスの漏出を防止するために非孔質とする。このように、インターコネクタは金属材料でないことから、高温下での酸化等による劣化を生じない。このことにより、燃料電池セル210における運転温度の高温化、例えば800℃から950℃が可能である。
In order to configure the
絶縁膜16は、基体管11の軸方向にて、複数の燃料電池セル210同士の間、具体的には、隣り合う燃料極12の間で、且つ、基体管11と固体電解質13との間に設けられている。この場合、絶縁膜16は、燃料極12、固体電解質13、空気極14と、熱膨張係数(熱膨張率)がほぼ同じであることが望ましい。
The insulating
また、本実施例のセルチューブ202は、基体管11の外面に、絶縁膜16、燃料極12、固体電解質13、インターコネクタ15、空気極14を積層して焼結することから、この焼結時における割れを注意する必要がある。そのため、絶縁膜16は、基体管11、燃料極12、固体電解質13、インターコネクタ15、空気極14と、熱膨張係数がほぼ同じになるように材料の配合が設定されている。
In addition, since the
そして、絶縁膜16は、隣接する燃料極12の間における絶縁機能を有する必要があり、非通電時における燃料の消費、通電時における燃料使用量の増加により発電効率が低下しない抵抗値に設定されている。この場合、絶縁膜16は、電子だけでなくイオンも通過しにくいように、電子導電性及びイオン導電性が低いものに設定されている。
The insulating
図2のグラフに、一般的なセルチューブにおける素子部抵抗(燃料極間抵抗)に対する素子電圧及び漏洩電流を表している。この図2のグラフからわかるように、素子部抵抗(燃料極間抵抗)が低下すると、漏洩電流Aが所定の素子部抵抗値から増加している。また、素子部抵抗(燃料極間抵抗)が低下すると、燃料電池セル210を50素子設けたときの素子電圧V1も、燃料電池セル210を100素子設けたときの素子電圧V2も、所定の素子部抵抗値から低下している。なお、この素子電圧Vとは、電流を流していないときの素子電圧であり、理論起電力は,900℃,燃料極ドライ水素,空気極空気条件下においては1.2Vである。
In the graph of FIG. 2, the element voltage and leakage current with respect to element part resistance (resistance between fuel electrodes) in a general cell tube are shown. As can be seen from the graph of FIG. 2, when the element portion resistance (resistance between fuel electrodes) decreases, the leakage current A increases from the predetermined element portion resistance value. When the element section resistance (resistance between fuel electrodes) decreases, both the element voltage V1 when 50
即ち、燃料極12同士の電気抵抗(絶縁抵抗)値が1000Ωより小さくなると、漏洩電流Aが増加し、素子電圧V1,V2は、素子部抵抗値がこの1000Ωを基点として小さくなると低下している。このことから、燃料電池セル210同士の電気抵抗値を1000Ω以上に設定することで、漏洩電流Aの発生を抑制し、素子電圧Vの低下を防止することができることがわかる。
That is, when the electric resistance (insulation resistance) value between the
以下に、燃料極12同士の電気抵抗値を1000Ω以上に設定する方法について説明する。電気抵抗値Rは、下記数式により算出することができる。
R=(1/σ)×(L/SF)
Hereinafter, a method of setting the electric resistance value between the
R = (1 / σ) × (L / SF)
ここで、σは、基体管11の軸方向において隣り合う燃料極12間の導電率(S/cm)である。SFは、基体管11の軸方向において隣り合う燃料極16同士の、基体管11の軸方向における対向面積である。また、図1に示すように、Lは、基体管11の軸方向において隣り合う燃料極12の間隔の平均長さ(基体管11の軸方向平均距離)であり、下記のように算出することができる。
L=(Lmax−Lmin)/2
なお、Lmaxは、基体管11の軸方向において隣り合う燃料極12の間隔の最大長さ、Lminは、基体管11の軸方向において隣り合う燃料極12の間隔の最小長さである。
Here, σ is the conductivity (S / cm) between the
L = (Lmax−Lmin) / 2
Lmax is the maximum length of the interval between the
従って、下記数式を満足する燃料極12間の導電率σ、燃料極12の間隔の平均長さL、隣り合う燃料極16同士の、基体管11の軸方向における対向面積SFを設定すればよい。
R=(L/σ・SF)≧1000
一般的に、セルチューブ202の性能を維持するために、燃料極12の間隔の平均長さLを変更することは難しい。従って、燃料極12間に導電率がゼロに近い絶縁膜16を設け、当該燃料極12同士の対向面積を減らすことにより、上述の式を満足する燃料極12の間の電気抵抗値に設定する。
Therefore, the electrical conductivity σ between the
R = (L / σ · SF) ≧ 1000
In general, in order to maintain the performance of the
但し、可能な限り燃料極12の間隔の平均長さLを大きくしたり、燃料極12の厚さを小さくしたりすることで、燃料電池セル210同士の電気抵抗値を1000Ω以上に設定するようにしてもよい。
However, the electrical resistance value between the
ここで、上述した実施例1のセルチューブ(燃料電池)202の製造方法について説明する。 Here, the manufacturing method of the cell tube (fuel cell) 202 of Example 1 mentioned above is demonstrated.
実施例1のセルチューブ(燃料電池)202の製造方法は、図3に示すように、基体管11を形成する工程と、基体管11の外周面に基体管11の軸方向に沿って複数の燃料極用材料膜22を形成する工程と、燃料極用材料膜22の上面に固体電解質用材料膜23とインターコネクタ用材料膜25とを順次積層する工程と、基体管11の外周面に、基体管11の軸方向に沿って複数の絶縁部用材料膜26を形成する工程と、絶縁部用材料膜26と前記燃料極用材料膜22と前記固体電解質用材料膜23と前記インターコネクタ用材料膜25とを焼結し、絶縁膜16と燃料極12と固体電解質13とインターコネクタ15とを形成する工程とを有し、隣り合う燃料極12同士の電気抵抗値が1000Ω以上となるように設定している。
As shown in FIG. 3, the manufacturing method of the cell tube (fuel cell) 202 according to the first embodiment includes a step of forming the
具体的に説明すると、円柱形状をなす心棒(図示略)に基体管11を形成し、この基体管11の表面に、まず、絶縁膜用材料膜26を基体管11の軸方向に所定間隔で形成する。次に、基体管11及び絶縁膜用材料膜26の表面に燃料極用材料膜22、固体電解質用材料膜23、インターコネクタ用材料膜25を積層する。この場合、絶縁膜用材料膜26、燃料極用材料膜22、固体電解質用材料膜23、インターコネクタ用材料膜25は、上述した粉末材料に有機系の溶剤を混合して均一に混合されたスラリを形成し、スクリーン印刷法により所定の位置に所定の材料を塗布する。
More specifically, the
そして、基体管11に絶縁膜用材料膜26、燃料極用材料膜22、固体電解質用材料膜23、インターコネクタ用材料膜25を積層した状態で、焼結(例えば、1350℃にて、1時間保持)する。
上述過程にて焼成したセルチューブに空気極材料膜24を積層し,焼結(例えば,1300℃にて、1時間保持)する。
Then, in a state where the insulating
The air
上述した実施例1のセルチューブ(燃料電池)202は、以下の動作によって電池反応をする。即ち、図1に示すように、電池反応の燃料となる燃料ガスは、基体管11の内側を流れ、基体管11の細孔を通過して燃料極12に達する。この燃料ガスは、燃料極12に含まれる活性金属により水蒸気改質される。水蒸気改質により生成された水素は、燃料極12の細孔を通過して固体電解質13まで到達する。一方、空気は、基体管11(空気極14)の外側を流れる。空気中の酸素は、空気極14の細孔を通過する途中または固体電解質13まで到達してイオン化する。イオン化した酸素は固体電解質13を通過し、燃料極12に到達する。固体電解質13を通過した酸素イオンは燃料ガスと反応する。このような電池反応によって生じる電位差は、燃料極12及び空気極14から外部に取り出されて発電される。
The cell tube (fuel cell) 202 of Example 1 described above performs a battery reaction by the following operation. That is, as shown in FIG. 1, the fuel gas serving as the fuel for the cell reaction flows inside the
この実施例1では、基体管11の外面にて、燃料極12間に絶縁膜16が設けられていることから、発電時に、燃料極12(燃料電池セル210)間を流れる漏洩電流の発生が抑制される。即ち、絶縁膜16により燃料極12間における電子及びイオンに移動が阻止されるため、素子電圧の低下が防止され、漏洩電流が減少する。その結果、漏洩電流による酸素透過量が減少し、酸素透過量による燃料消費を減少させることで、発電効率の低下が抑制される。
In the first embodiment, since the insulating
この場合、漏洩電流による酸素透過量が増加すると、酸素透過量による燃料消費が発生して燃料利用率が増加することで、隣接する燃料極12における平均電圧(以下、素子間平均電圧)が低下し、発電効率が低下することから、素子間平均電圧を所定値よりも高く維持することが必要である。 In this case, when the oxygen permeation amount due to the leakage current increases, fuel consumption due to the oxygen permeation amount occurs and the fuel utilization rate increases, so that the average voltage at the adjacent fuel electrode 12 (hereinafter, the inter-element average voltage) decreases. However, since the power generation efficiency decreases, it is necessary to maintain the average voltage between elements higher than a predetermined value.
このように実施例1の燃料電池(セルチューブ202)にあっては、筒形状をなす基体管11の外面に、燃料極12、固体電解質13、空気極14を積層して燃料電池セル(発電素子)210を形成し、この発電素子210を基体管11の軸方向に所定間隔をあけて複数配置し、複数の燃料電池セル210をインターコネクタ15により直列に接続して構成し、燃料極12同士の間に1000Ω以上の電気抵抗値を設定している。
As described above, in the fuel cell (cell tube 202) of the first embodiment, the
従って、燃料極12間に1000Ω以上の電気抵抗値が設定されることで、この領域での漏洩電流の発生を極力抑制することができ、通電時や非通電時における素子電圧の低下を防止することができ、その結果、発電効率の向上を図ることができる。
Therefore, by setting an electric resistance value of 1000Ω or more between the
また、実施例1の燃料電池では、複数の燃料電池セル210の間に、電子とイオンの移動を阻止する絶縁膜16が設けている。従って、燃料電池セル210間に絶縁膜16を設けることで、漏洩電流の発生を抑制し、素子電圧の低下を防止することができ、絶縁膜16を設けるという簡単な構成で、発電効率の向上を図ることができる。
In the fuel cell of Example 1, the insulating
また、実施例1の燃料電池では、絶縁膜16を、複数の燃料極12の間で、且つ、基体管11と固体電解質13との間に設けている。従って、燃料極12間で基体管11と固体電解質13の間に絶縁膜16を設けることで、漏洩電流の発生を抑制して素子電圧の低下を防止することができ、簡単な構成で発電効率の向上を図ることができる。この場合、絶縁膜16が緻密に形成された燃料極12と固体電解質13とにより被覆されることで、絶縁膜16と基体管11とを介した燃料ガス又は空気極ガスのリークが抑制される。このことにより、絶縁膜16を緻密に形成する必要はなく、焼結性を考慮する必要がなくなり、製造コストを低減することができる。
Further, in the fuel cell of Example 1, the insulating
また、実施例1の燃料電池の製造方法にあっては、基体管11を形成する工程と、基体管11の外面に燃料極用材料膜22、固体電解質用材料膜23、空気極用材料膜24、インターコネクタ用材料膜25を順次積層して発電素子用材料膜を形成すると共に、発電素子用材料膜を基体管11の軸方向に所定間隔をあけて形成する工程と、基体管11の外面に発電素子用材料膜同士を絶縁する絶縁膜用材料膜26を形成する工程と、燃料極用材料膜22、固体電解質用材料膜23、空気極用材料膜24、インターコネクタ用材料膜25、絶縁膜用材料膜26を焼結し、基体管11上に燃料極12、固体電解質13、空気極14、インターコネクタ15、絶縁膜16を形成する工程を有し、隣り合う燃料極12同士の電気抵抗値が1000Ω以上となるように設定している。
Further, in the method of manufacturing the fuel cell of Example 1, the step of forming the
この場合、基体管11の外面に絶縁膜用材料膜26を形成した後、燃料極用材料膜22、固体電解質用材料膜23、インターコネクタ用材料膜25、空気極用材料膜24を順次積層している。
In this case, after forming the insulating
従って、基体管11に燃料極用材料膜22、固体電解質用材料膜23、空気極用材料膜24、インターコネクタ用材料膜25、絶縁膜用材料膜26を積層して焼結することで、基体管11上に燃料極12、固体電解質13、空気極14、インターコネクタ15、絶縁膜16を形成することができ、製造工程の簡素化を可能とすることができ、また、絶縁膜16を設けることで隣り合う燃料極12同士の電気抵抗値を1000Ω以上に設定することで、この領域での漏洩電流の発生を極力抑制することができ、通電時や非通電時における素子電圧の低下を防止することができ、その結果、発電効率の向上を図ることができる。また、絶縁膜16が燃料極12や固体電解質13により被覆されることで、絶縁膜16を緻密に形成する必要はなく、焼結性を考慮する必要がなくなり、製造コストを低減することができる。
Therefore, by laminating and sintering the fuel
図5は、本発明の実施例2に係る燃料電池及びその製造方法を表す概略図である。なお、上述した実施例と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。 FIG. 5 is a schematic diagram showing a fuel cell and a manufacturing method thereof according to Example 2 of the present invention. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the member which has the function similar to the Example mentioned above, and detailed description is abbreviate | omitted.
実施例2のセルチューブ(燃料電池)は、図5に示すように、基体管11の外面に外側に向けて、燃料極12、固体電解質13、空気極14を積層して燃料電池セル(発電素子)が形成され、この燃料電池セルが基体管11の軸方向に複数配置され、インターコネクタ15により直列に接続されて構成されている。そして、基体管11の軸方向において隣り合う燃料極12間の電気抵抗値が1000Ω以上に設定されるように、燃料極12間に絶縁膜16が設けられている。
As shown in FIG. 5, the cell tube (fuel cell) of Example 2 is formed by stacking a
本実施例では、まず、基体管11の表面に燃料極用材料膜22を基体管11の軸方向に所定間隔で形成する。次に、各燃料極用材料膜22の間の基体管11の表面に絶縁膜用材料膜26を形成する。続いて、燃料極用材料膜22及び絶縁膜用材料膜26の表面に固体電解質用材料膜23、インターコネクタ用材料膜25を積層する。そして、基体管11に燃料極用材料膜22、絶縁膜用材料膜26、固体電解質用材料膜23、インターコネクタ用材料膜25を積層した状態で焼結(例えば、1350℃にて、1時間保持)する。上述過程にて焼成したセルチューブに空気極材料膜24を積層し,焼結(例えば,1300℃にて、1時間保持)して、空気極14を形成する。
In this embodiment, first, the fuel
このように実施例2の燃料電池(セルチューブ)及びその製造方法にあっては、基体管11に燃料極12、絶縁膜16、固体電解質13、インターコネクタ15、空気極14を積層し、燃料極12間に1000Ω以上の電気抵抗値を設定するべく、複数の燃料極12の間で、且つ、基体管11と固体電解質13との間に絶縁膜16を設けている。
As described above, in the fuel cell (cell tube) of Example 2 and the manufacturing method thereof, the
従って、燃料極12間での漏洩電流の発生を極力抑制することができ、通電時や非通電時における素子電圧の低下を防止することができ、その結果、発電効率の向上を図ることができる。また、絶縁膜16が緻密に形成された固体電解質13により被覆されることで、絶縁膜16と基体管11とを介した燃料ガス又は空気極ガスのリークが抑制される。このことにより、絶縁膜16を緻密に形成する必要はなく、焼結性を考慮する必要がなくなり、製造コストを低減することができる。
Therefore, the generation of leakage current between the
図6は、本発明の実施例3に係る燃料電池及びその製造方法を表す概略図である。なお、上述した実施例と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。 FIG. 6 is a schematic diagram showing a fuel cell and a manufacturing method thereof according to Example 3 of the present invention. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the member which has the function similar to the Example mentioned above, and detailed description is abbreviate | omitted.
実施例3のセルチューブ(燃料電池)は、図6に示すように、基体管11の外面に外側に向けて、燃料極12、固体電解質13、空気極14を積層して燃料電池セル(発電素子)が形成され、この燃料電池セルが基体管11の軸方向に複数配置され、インターコネクタ15により直列に接続されて構成されている。そして、隣り合う燃料極12同士の電気抵抗値が1000Ω以上に設定されるように、燃料極12間に絶縁膜16が設けられている。
As shown in FIG. 6, the cell tube (fuel cell) of Example 3 is formed by stacking a
本実施例では、まず、基体管11の表面に燃料極用材料膜22を基体管11の軸方向に所定間隔で形成する。次に、燃料極用材料膜22の表面に固体電解質用材料膜23、インターコネクタ用材料膜25を積層する。続いて、各燃料極用材料膜22の間で、且つ、固体電解質用材料膜23とインターコネクタ用材料膜25の間に絶縁膜用材料膜26を積層する。そして、基体管11に燃料極用材料膜22、固体電解質用材料膜23、インターコネクタ用材料膜25、絶縁膜用材料膜26を積層した状態で焼結(例えば、1350℃にて、1時間保持)する。上述過程にて焼成したセルチューブに空気極材料膜24を積層し,焼結(例えば,1300℃にて、1時間保持)して、空気極14を形成する。
In this embodiment, first, the fuel
このように実施例3の燃料電池(セルチューブ)及びその製造方法にあっては、基体管11に燃料極12、固体電解質13、インターコネクタ15、絶縁膜16、空気極14を積層し、燃料極12間に1000Ω以上の電気抵抗値を設定するべく、複数の燃料極12の間で、且つ、固体電解質13とインターコネクタ15との間に絶縁膜16を設けている。
As described above, in the fuel cell (cell tube) and the manufacturing method thereof according to the third embodiment, the
従って、燃料極12間での漏洩電流の発生を極力抑制することができ、通電時や非通電時における素子電圧の低下を防止することができ、その結果、発電効率の向上を図ることができる。また、燃料極12間や固体電解質13間に絶縁膜16が介在することで、素子間の高い絶縁性を確保することができ、製造コストを低減することができる。
Therefore, the generation of leakage current between the
図7は、本発明の実施例4に係る燃料電池及びその製造方法を表す概略図である。なお、上述した実施例と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。 FIG. 7 is a schematic diagram showing a fuel cell and a manufacturing method thereof according to Example 4 of the present invention. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the member which has the function similar to the Example mentioned above, and detailed description is abbreviate | omitted.
実施例4のセルチューブ(燃料電池)は、図7に示すように、基体管11の外面に外側に向けて、燃料極12、固体電解質13、空気極14を積層して燃料電池セル(発電素子)が形成され、この燃料電池セルが基体管11の軸方向に複数配置され、インターコネクタ15により直列に接続されて構成されている。そして、隣り合う燃料極12同士の電気抵抗値が1000Ω以上に設定されるように、燃料極12間に絶縁膜16が設けられている。
As shown in FIG. 7, the cell tube (fuel cell) of Example 4 is formed by stacking a
本実施例では、まず、基体管11の表面に絶縁膜用材料膜26を基体管11の軸方向に所定間隔で形成する。この場合、絶縁膜用材料膜26を燃料極用材料膜22、固体電解質用材料膜23、インターコネクタ用材料膜25の積層厚さ程度まで形成する。次に、絶縁膜用材料膜26の間の基体管11の表面に燃料極用材料膜22、固体電解質用材料膜23、インターコネクタ用材料膜25を積層する。そして、基体管11に絶縁膜用材料膜26、燃料極用材料膜22、固体電解質用材料膜23、インターコネクタ用材料膜25を積層した状態で焼結(例えば、1350℃にて、1時間保持)する。上述過程にて焼成したセルチューブに空気極材料膜24を積層し,焼結(例えば,1300℃にて、1時間保持)して空気極14を形成する。
In this embodiment, first, the insulating
このように実施例4の燃料電池(セルチューブ)及びその製造方法にあっては、基体管11に絶縁膜16、燃料極12、固体電解質13、インターコネクタ15、空気極14を積層し、燃料極12間に1000Ω以上の電気抵抗値を設定するべく、複数の燃料極12の間で、且つ、固体電解質13とインターコネクタ15との間に絶縁膜16を設けている。
As described above, in the fuel cell (cell tube) and the manufacturing method thereof according to the fourth embodiment, the insulating
従って、燃料極12間での漏洩電流の発生を極力抑制することができ、通電時や非通電時における素子電圧の低下を防止することができ、その結果、発電効率の向上を図ることができる。また、燃料極12間や固体電解質13間に絶縁膜16が介在することで、素子間の高い絶縁性を確保することができ、製造コストを低減することができる。
Therefore, the generation of leakage current between the
図8は、本発明の実施例5に係る燃料電池及びその製造方法を表す概略図である。なお、上述した実施例と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。 FIG. 8 is a schematic view showing a fuel cell and a manufacturing method thereof according to Example 5 of the present invention. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the member which has the function similar to the Example mentioned above, and detailed description is abbreviate | omitted.
実施例5のセルチューブ(燃料電池)は、図8に示すように、基体管11の外面に外側に向けて、燃料極12、固体電解質13、空気極14を積層して燃料電池セル(発電素子)が形成され、この燃料電池セルが基体管11の軸方向に複数配置され、インターコネクタ15により直列に接続されて構成されている。そして、燃料電池セル間の電気抵抗値が1000Ω以上に設定されるように、燃料極12間に絶縁膜16が設けられると共に、この絶縁膜16の表面に反応防止膜(反応防止部)17が設けられている。
As shown in FIG. 8, the cell tube (fuel cell) of Example 5 is formed by stacking a
本実施例では、まず、基体管11の表面に絶縁膜用材料膜26を基体管11の軸方向に所定間隔で形成する。次に、絶縁膜用材料膜26の表面に反応防止膜用材料膜27を積層する。続いて、燃料極用材料膜22、固体電解質用材料膜23、インターコネクタ用材料膜25を積層する。そして、基体管11に絶縁膜用材料膜26、反応防止膜用材料膜27、燃料極用材料膜22、固体電解質用材料膜23、インターコネクタ用材料膜25を積層した状態で焼結(例えば、1350℃にて、1時間保持)する。上述過程にて焼成したセルチューブに空気極材料膜24を積層し,焼結(例えば,1300℃にて、1時間保持)して空気極14を形成する。
In this embodiment, first, the insulating
この場合、反応防止膜17は、材料として、例えば、Al2(OH)3(アルミナ)などが用いられる。
In this case, for example, Al 2 (OH) 3 (alumina) is used for the
このように実施例5の燃料電池(セルチューブ)及びその製造方法にあっては、基体管11に絶縁膜16、反応防止膜17、燃料極12、固体電解質13、インターコネクタ15、空気極14を積層し、燃料極12間に1000Ω以上の電気抵抗値を設定するべく、複数の燃料極12の間で、且つ、基体管11と固体電解質13との間に絶縁膜16を設けると共に、絶縁膜16と燃料極12及び固体電解質13との間に反応防止膜17を設けている。
As described above, in the fuel cell (cell tube) and the manufacturing method thereof according to the fifth embodiment, the insulating
従って、燃料極12間での漏洩電流の発生を極力抑制することができ、通電時や非通電時における素子電圧の低下を防止することができ、その結果、発電効率の向上を図ることができる。また、反応防止膜17により、絶縁膜16と燃料極12、絶縁膜16と固体電解質13との間での反応が防止され、絶縁性を有しない層の生成を防止することができると共に、元素の拡散を防止して発電効率の低下を防止することができる。なお、反応防止膜17を設けることにより、絶縁膜16が燃料極12又は固体電解質13と隣接する構造のセルチューブに対しては上述と同様の効果を得ることができる。すなわち、実施例2から実施例4にかかるセルチューブにおいて、絶縁膜16と燃料極12及び固体電解質13との間に反応防止層17を設けることで、上述と同様の効果を得ることができる。
Therefore, the generation of leakage current between the
図9は、本発明の実施例6に係る燃料電池及びその製造方法を表す概略図である。なお、上述した実施例と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。 FIG. 9 is a schematic view showing a fuel cell and a manufacturing method thereof according to Example 6 of the present invention. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the member which has the function similar to the Example mentioned above, and detailed description is abbreviate | omitted.
実施例6のセルチューブ(燃料電池)は、図9に示すように、基体管11の外面に外側に向けて、燃料極12、固体電解質13、空気極14を積層して燃料電池セル(発電素子)が形成され、この燃料電池セルが基体管11の軸方向に複数配置され、インターコネクタ15により直列に接続されて構成されている。そして、燃料電池セル間の電気抵抗値が1000Ω以上に設定されるように、燃料極12間に絶縁膜16が設けられている。この場合、絶縁膜16は、固体電解質13と化学反応して形成される電解質反応膜28として設けられる。
As shown in FIG. 9, the cell tube (fuel cell) of Example 6 is formed by laminating a
本実施例では、まず、基体管11の表面に燃料極用材料膜22を基体管11の軸方向に所定間隔で形成する。次に、対向する燃料極用材料膜22の表面及び基体管11の表面に電解質反応膜28を塗布する。続いて、燃料極用材料膜22及び電解質反応膜28の表面に固体電解質用材料膜23、インターコネクタ用材料膜25を積層する。そして、基体管11に燃料極用材料膜22、電解質反応膜28、固体電解質用材料膜23、インターコネクタ用材料膜25を積層した状態で焼結(例えば、1350℃にて、1時間保持)する。この焼結により、電解質反応膜28が固体電解質用材料膜23と反応して絶縁膜16となる。上述過程にて焼成したセルチューブに空気極材料膜24を積層し,焼結(例えば,1300℃にて、1時間保持)して空気極14が形成される。
In this embodiment, first, the fuel
この場合、電解質反応膜28は、材料として、例えば、La(OH)3が用いられる。そして、焼結後、電解質反応膜28が固体電解質用材料膜23と反応して絶縁膜16となるが、固体電解質用材料膜23がYSZとするとき、絶縁膜16は、La2Zr2O3となる。
In this case, for example, La (OH) 3 is used as the material of the
このように実施例6の燃料電池(セルチューブ)及びその製造方法にあっては、基体管11に燃料極12、固体電解質13、インターコネクタ15、空気極14を積層し、燃料極12間に1000Ω以上の電気抵抗値を設定するべく、複数の燃料極12の間に絶縁膜16を設けている。従って、燃料極12間での漏洩電流の発生を極力抑制することができ、通電時や非通電時における素子電圧の低下を防止することができ、その結果、発電効率の向上を図ることができる。
As described above, in the fuel cell (cell tube) and the manufacturing method thereof according to the sixth embodiment, the
また、基体管11の表面に燃料極用材料膜22を形成し、対向する燃料極用材料膜22の表面及び基体管11の表面に電解質反応膜28を塗布し、固体電解質用材料膜23、インターコネクタ用材料膜25、空気極用材料膜24を積層して焼結することで、電解質反応膜28が固体電解質用材料膜23と反応して絶縁膜16を形成している。従って、絶縁膜16の薄膜化が可能となり、装置の小型を可能とすることができると共に、製造コストを低減することができる。
Further, a fuel
以下、上述した実施例1〜6で適用される絶縁膜16または電解質反応膜28の具体的な材料について説明する。図10は、実施例1〜6の燃料電池における絶縁部の適正材料を表す表である。
Hereinafter, specific materials of the insulating
実施例1〜6では、例えば、La2Zr2O7、Y3Zr5O12、SrTi1+XO3(+Al2O3)、MgO+MgAl2O4を提示することができる。但し、燃料電池(セルチューブ)に絶縁膜16を形成するにあたり、線膨張係数α、焼結性、絶縁性、反応性の有無が重要となる。ここで、線膨張係数αは、9.5〜11×10−6/℃が適正範囲である。焼結性は、ガス透過性を考慮して、気孔率が10%以下、望ましくは、3〜5%が適正範囲である。絶縁性は、上述したように、燃料極12間の電気抵抗値が1000Ω以上のものが適正範囲である。反応性は、接触する部材と反応して、絶縁性を有しない第2層を生成しないこと、また、高温発電下での元素拡散などにより、発電性能に悪影響を与えないことが適正要件である。
In Examples 1 to 6, for example, La 2 Zr 2 O 7 , Y 3 Zr 5 O 12 , SrTi 1 + X O 3 (+ Al 2 O 3 ), MgO + MgAl 2 O 4 can be presented. However, in forming the insulating
上記内容を総合すると、図10に表すグラフにまとめることができる。実施例1、2の燃料電池に適用される絶縁膜16は、構造上で焼結性を考慮する必要がないことから、La2Zr2O7が最適である。また、実施例3、4の燃料電池に適用される絶縁膜16は、全ての項目を考慮する必要があることから、SrTi1−XO3(+Al2O3)が最適である。また、実施例5の燃料電池に適用される絶縁膜16は、構造上で反応性を考慮する必要がないことから、MgO+MgAl2O4が最適である。また、実施例6の燃料電池に適用される電解質反応膜28は、La(OH)3が最適である。
When the above contents are combined, they can be summarized in the graph shown in FIG. As the insulating
但し、図10に表すグラフ中で、「○」の表記は最適であるが、「△」の表記であっても線膨張係数α、焼結性、絶縁性、反応性の基準は満たしている。そして、本発明の燃料電池で適用される絶縁膜16または電解質反応膜28は、上記した材料に限定されるものではない。
However, in the graph shown in FIG. 10, the notation “◯” is optimal, but even the notation “Δ” satisfies the criteria of linear expansion coefficient α, sinterability, insulation, and reactivity. . The insulating
本発明に係る燃料電池及びその製造方法は、隣り合う燃料極12同士の間に1000Ω以上の電気抵抗値を設定することで、漏洩電流の発生を抑制して発電効率の向上を図るものであり、いずれの燃料電池にも適用することができる。
The fuel cell and the manufacturing method thereof according to the present invention are intended to improve the power generation efficiency by setting the electric resistance value of 1000Ω or more between the
11 基体管
12 燃料極
13 固体電解質
14 空気極
15 インターコネクタ
16 絶縁膜(絶縁部)
17 反応防止膜(反応防止部)
28 電解質反応膜
101 燃料電池モジュール
202 セルチューブ(燃料電池)
210 燃料電池セル(発電素子)
17 Reaction prevention membrane (reaction prevention part)
28
210 Fuel cell (power generation element)
Claims (12)
前記基体管の外周面に当該基体管の軸方向に沿って複数配置され、燃料極と電解質と空気極とが積層されて成る発電素子と、
隣り合う当該発電素子を直列に接続するインターコネクタとを有し、
隣り合う前記燃料極の間の電気抵抗値が1000Ω以上であることを特徴とする固体酸化物型燃料電池。 A base tube having a cylindrical shape;
A plurality of power generation elements that are arranged on the outer peripheral surface of the base tube along the axial direction of the base tube and in which a fuel electrode, an electrolyte, and an air electrode are laminated
An interconnector for connecting adjacent power generation elements in series;
A solid oxide fuel cell, wherein an electrical resistance value between adjacent fuel electrodes is 1000Ω or more.
前記基体管の外周面に、当該基体管の軸方向に沿って複数の燃料極用材料膜を形成する工程と、
前記燃料極用材料膜の上面に固体電解質用材料膜とインターコネクタ用材料膜を順次積層する工程と、
前記基体管の外周面に、当該基体管の軸方向に沿って複数の絶縁部用材料膜を形成する工程と、
前記絶縁部用材料膜と前記燃料極用材料膜と前記固体電解質用材料膜と前記インターコネクタ用材料膜とを焼結し、絶縁部と燃料極と固体電解質とインターコネクタとを形成する工程とを有し、
隣り合う前記燃料極の間の電気抵抗値が1000Ω以上であることを特徴とする固体酸化物型燃料電池の製造方法。 Forming a substrate tube;
Forming a plurality of fuel electrode material films on the outer peripheral surface of the base tube along the axial direction of the base tube;
A step of sequentially laminating a solid electrolyte material film and an interconnector material film on the upper surface of the fuel electrode material film;
Forming a plurality of insulating portion material films on the outer peripheral surface of the base tube along the axial direction of the base tube;
Sintering the insulating part material film, the fuel electrode material film, the solid electrolyte material film, and the interconnector material film to form an insulating part, a fuel electrode, a solid electrolyte, and an interconnector; Have
A method for producing a solid oxide fuel cell, wherein an electrical resistance value between adjacent fuel electrodes is 1000Ω or more.
前記燃料極用材料膜と前記電解質反応部と前記固体電解質用材料膜と前記インターコネクタ用材料膜とを焼結して、前記基体管上に前記燃料極、前記絶縁部、前記固体電解質、前記インターコネクタを形成することを特徴とする請求項7に記載の固体酸化物型燃料電池の製造方法。 After forming the fuel electrode material film, the method includes a step of applying an electrolyte reaction part to the opposing surface of the fuel electrode material film adjacent in the axial direction of the base tube,
The fuel electrode material film, the electrolyte reaction part, the solid electrolyte material film, and the interconnector material film are sintered, and the fuel electrode, the insulating part, the solid electrolyte, The interconnector is formed, The manufacturing method of the solid oxide fuel cell of Claim 7 characterized by the above-mentioned.
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2016072215A (en) * | 2014-09-30 | 2016-05-09 | Toto株式会社 | Solid oxide fuel cell stack |
JP2016072216A (en) * | 2014-09-30 | 2016-05-09 | Toto株式会社 | Solid oxide fuel cell stack |
JP2016157637A (en) * | 2015-02-25 | 2016-09-01 | 三菱日立パワーシステムズ株式会社 | Fuel battery and manufacturing method thereof, and method for repairing fuel battery |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS52121743A (en) * | 1976-04-07 | 1977-10-13 | Kogyo Gijutsuin | Solid electrolyte fuel cell |
JPS576230B2 (en) * | 1977-11-25 | 1982-02-03 | ||
JPS62290064A (en) * | 1986-06-07 | 1987-12-16 | Fujikura Ltd | Fuel cell |
JPS63124376A (en) * | 1986-11-12 | 1988-05-27 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Solid electrolyte fuel cell |
JPS63152875A (en) * | 1986-12-17 | 1988-06-25 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Solid electrolyte fuel cell |
JPH0340375A (en) * | 1989-03-02 | 1991-02-21 | Mitsubishi Electric Corp | Fuel cell with solid electrolyte |
JPH0644983A (en) * | 1992-07-22 | 1994-02-18 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Manufacture of electrolytic cell |
-
2010
- 2010-07-13 JP JP2010159181A patent/JP5501882B2/en active Active
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS52121743A (en) * | 1976-04-07 | 1977-10-13 | Kogyo Gijutsuin | Solid electrolyte fuel cell |
JPS576230B2 (en) * | 1977-11-25 | 1982-02-03 | ||
JPS62290064A (en) * | 1986-06-07 | 1987-12-16 | Fujikura Ltd | Fuel cell |
JPS63124376A (en) * | 1986-11-12 | 1988-05-27 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Solid electrolyte fuel cell |
JPS63152875A (en) * | 1986-12-17 | 1988-06-25 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Solid electrolyte fuel cell |
JPH0340375A (en) * | 1989-03-02 | 1991-02-21 | Mitsubishi Electric Corp | Fuel cell with solid electrolyte |
JPH0644983A (en) * | 1992-07-22 | 1994-02-18 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Manufacture of electrolytic cell |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2016072215A (en) * | 2014-09-30 | 2016-05-09 | Toto株式会社 | Solid oxide fuel cell stack |
JP2016072216A (en) * | 2014-09-30 | 2016-05-09 | Toto株式会社 | Solid oxide fuel cell stack |
JP2016157637A (en) * | 2015-02-25 | 2016-09-01 | 三菱日立パワーシステムズ株式会社 | Fuel battery and manufacturing method thereof, and method for repairing fuel battery |
Also Published As
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