JP2012022856A - Solid oxide fuel cell and method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid oxide fuel cell and method for manufacturing the same, capable of attaining high generation efficiency by suppressing generation of a leak current.SOLUTION: On an external surface of a substrate tube 11 in a tubular shape, a fuel battery cell (power generation element) 210 is formed by stacking a fuel electrode 12, a solid electrolyte 13, and an air electrode 14. The plurality of fuel battery cells (power generation elements) 210 are disposed at predetermined intervals in the axial direction of the substrate tube 11 and are connected with each other in series by through an inter-connector 15. Also, an electrical resistance value of 1000 Ω or more is set between the fuel electrodes 12.

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 patent document 1, for example. In the fuel cell described in Patent Document 1, a power generation element in which a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are stacked on the surface of a columnar support body in which a fuel gas flow path is formed in the axial direction is axially long. A plurality of power generating elements are connected in series by interconnectors, and the support is made of an iron group metal and / or an iron group metal oxide and an inorganic powder. A porous insulating layer that electrically insulates the support base from the power generating element is provided on the surface of the porous support base as a main component.

特開2004−179071号公報JP 2004-179071 A

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.

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である。FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating a fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention. 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である。FIG. 2 is a graph showing the element voltage and the leakage current with respect to the element unit resistance. 図3は、実施例1の燃料電池の製造方法を表す概略図である。FIG. 3 is a schematic view illustrating a method for manufacturing the fuel cell of Example 1. 図4は、実施例1の燃料電池モジュールを表す概略構成図である。FIG. 4 is a schematic configuration diagram illustrating a fuel cell module according to the first embodiment. 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。FIG. 5 is a schematic diagram showing a fuel cell and a manufacturing method thereof according to Example 2 of the present invention. 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。FIG. 6 is a schematic diagram showing a fuel cell and a manufacturing method thereof according to Example 3 of the present invention. 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。FIG. 7 is a schematic diagram showing a fuel cell and a manufacturing method thereof according to Example 4 of the present invention. 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。FIG. 8 is a schematic view showing a fuel cell and a manufacturing method thereof according to Example 5 of the present invention. 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。FIG. 9 is a schematic view showing a fuel cell and a manufacturing method thereof according to Example 6 of the present invention. 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。FIG. 10 is a table showing appropriate materials for the insulating portions in the fuel cells of Examples 1 to 6.

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 fuel cell module 101 according to the first embodiment includes a casing 201, a plurality of cell tubes 202 formed in a substantially cylindrical shape, and upper and lower tube plates that support both ends of the cell tubes 202 (first Partition members) 203a and 203b and upper and lower heat insulators 204a and 204b disposed between the upper and lower tube plates 203a and 203b.

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 power generation chamber 205 is formed in a space between the upper and lower heat insulators 204a and 204b. A fuel supply chamber 206 is formed between the casing 201 and the upper tube plate 203a. A fuel discharge chamber 207 is formed between the casing 201 and the lower tube plate 203b. An air supply chamber 208 is formed between the lower tube sheet 203b and the lower heat insulator 204b. An air discharge chamber 209 is formed between the upper tube sheet 203a and the upper heat insulator 204a.

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 upper tube plate 203a is a plate-like member arranged on one side (upper side) of the casing 201 in the longitudinal direction (vertical direction in FIG. 4), and the lower tube plate 203b is the other of the casing 201 in the longitudinal direction (lower side) ) Is a plate-shaped member. The cell tube 202 is a substantially cylindrical tube made of porous ceramics, and is provided with a plurality of fuel cells 210 that generate power at the center in the longitudinal direction (vertical direction in FIG. 5). The cell tube 202 is supported by the upper and lower tube plates 203a and 203b so that one open end opens into the fuel supply chamber 206 and the other open end opens into the fuel discharge chamber 207. Further, the cell tube 202 is arranged so that the fuel battery cell (power generation element) 210 is located only in the power generation chamber 205.

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 upper heat insulator 204a is a member that is disposed on one side (upper side) of the casing 201 in the longitudinal direction and is formed into a blanket shape or a board shape using a heat insulating material. The lower heat insulating material 204b is a member that is disposed on the other side (lower side) of the casing 201 in the longitudinal direction and formed in a blanket shape or a board shape using a heat insulating material. The heat insulators 204a and 204b are formed with holes 211a and 211b through which the cell tube 202 is inserted. The diameters of the holes 211a and 211b are larger than the diameter of the cell tube 202.

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 holes 211a and 211b may be formed in a substantially cylindrical shape, or may be formed with a spiral or linear concave portion (groove) or convex portion (a ridge-like projection), There is no particular limitation. With such a configuration, the heat of the lower heat insulator 204b is easily transferred to the air flowing into the power generation chamber 205 through the space between the cell tube 202 and the holes 211a and 211b, and the temperature of the power generation chamber 205 is reduced. It can be easily maintained at a high temperature.

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 fuel cell module 101 which consists of the said structure is demonstrated using FIG.

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 air supply chamber 208 of the fuel cell module 101. The air is supplied into the power generation chamber 205 through a gap between the hole 211 b of the lower heat insulating material 204 b and the cell tube 202. On the other hand, fuel gas flows into the fuel supply chamber 206. The fuel gas is supplied into the power generation chamber 205 through the inside of the base tube of the cell tube 202. Air and fuel gas are used for power generation in the fuel battery cell 210. Thereafter, air flows into the air discharge chamber 209, and fuel flows into the fuel discharge chamber 208, and is discharged to the outside of the fuel cell module 101, respectively.

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 cell tube 202. As a result, the fuel gas and air that have been used for power generation and have reached a high temperature are each subjected to heat exchange with the air and fuel gas before being used for power generation. That is, heat is exchanged between the fuel and air in the region where the fuel cell 202 is not formed at both ends in the axial direction of the cell tube 202.

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 fuel cell module 101, the fuel gas and air that have been used for the reaction and become high temperature are cooled by heat exchange, and then supplied to the fuel discharge chamber 208 and the air discharge chamber 209. This can prevent the upper tube plate 203a and the lower tube plate 203b having metal members from being exposed to a high temperature atmosphere. As a result, in the fuel cell module 101, the operating temperature of the fuel cell 210 can be increased, for example, from 800 ° C. to 950 ° C.

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 fuel cell module 101 of the fuel cell system described above will be described in detail.

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 fuel electrode 12, a solid electrolyte 13, and an air electrode 14 laminated on the outer surface of a cylindrical base tube 11 facing outward. A power generation element, that is, a fuel cell 210 is formed, a plurality of fuel cells 210 are arranged in the axial direction of the base tube 11, and a plurality of fuel cells 210 are connected in series by an interconnector 15. . In this embodiment, the electric resistance value between the fuel electrodes 12 adjacent in the axial direction of the base tube 11 is set to 1000Ω or more. Specifically, an insulating film (insulating portion) 16 that insulates electricity and ions is provided between the plurality of fuel cells 210.

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 fuel electrodes 12 is defined as an electric resistance value of a leakage current path (leakage current path through the solid electrolyte) between the fuel electrodes 12.

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ZrO)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 cell tube 202 of Example 1 will be specifically described. The base tube 11 is a ceramic cylinder and contains an iron group metal (for example, Ni), an iron group metal oxide (for example, NiO) having an internal reforming ability, an alloy or an alloy oxide thereof. Yes, for example, a mixture of Ni and CSZ (calcia stabilized zirconia-CaO stabilized ZrO 2 ). A fuel passage is formed by the inner peripheral surface of the base tube 11. In this case, since the base tube 11 needs to pass the fuel gas flowing through the fuel passage to the fuel electrode 12, it must be made porous, and the particle diameter of the mixture can be adjusted or the pore material can be mixed. It is necessary.

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−Y安定化ZrO)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−Y安定化ZrO)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、LaMnO系材料、LaFeO系材料、LaCoO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 fuel electrode 12 is, for example, a mixture of Ni and YSZ (yttrium stabilized zirconia-Y 2 O 3 stabilized ZrO 2 ), has conductivity, and is a porous material. A solid electrolyte 13 is laminated on the surface of the fuel electrode 12 opposite to the base tube 11, and is formed so as to exist between the fuel electrode 12 adjacent in the axial direction of the base tube 11. The solid electrolyte 13 is, for example, YSZ (yttrium stabilized zirconia-Y 2 O 3 stabilized ZrO 2 ), and is nonporous in order to avoid contact between the fuel electrode gas and the air electrode gas. The air electrode 14 is made of, for example, at least one kind of porous conductive ceramics such as a LaMnO 3 -based material, a LaFeO 3 -based material, and a LaCoO 3 -based material.

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、SrTiOなどのペロブスカイト型酸化物、LaCrO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 cell tube 202, in the fuel cell 210 adjacent in the axial direction of the base tube 11, the fuel electrode 12 of one fuel cell 210 and the air electrode 14 of the other fuel cell 210 are Connected by an interconnector 15. A part of the fuel electrode 12 is covered with a solid electrolyte, and a part thereof is covered with an interconnector 15. The interconnector 15 is made of, for example, a perovskite oxide such as SrTiO 3 , a LaCrO 3 -based material, or the like, and is non-porous to prevent gas leakage. Thus, since the interconnector is not a metal material, it does not deteriorate due to oxidation or the like at high temperatures. Accordingly, the operating temperature of the fuel battery cell 210 can be increased, for example, 800 ° C. to 950 ° C.

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 film 16 is disposed between the plurality of fuel cells 210 in the axial direction of the base tube 11, specifically, between the adjacent fuel electrodes 12, and between the base tube 11 and the solid electrolyte 13. Is provided. In this case, it is desirable that the insulating film 16 has substantially the same thermal expansion coefficient (thermal expansion coefficient) as that of the fuel electrode 12, the solid electrolyte 13, and the air electrode 14.

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 cell tube 202 of the present embodiment is formed by laminating the insulating film 16, the fuel electrode 12, the solid electrolyte 13, the interconnector 15, and the air electrode 14 on the outer surface of the base tube 11, this sintering is performed. It is necessary to be careful of cracks in time. Therefore, the material composition of the insulating film 16 is set so that the thermal expansion coefficient is substantially the same as that of the base tube 11, the fuel electrode 12, the solid electrolyte 13, the interconnector 15, and the air electrode 14.

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 film 16 needs to have an insulating function between the adjacent fuel electrodes 12, and is set to a resistance value that does not lower the power generation efficiency due to the consumption of fuel when not energized and the increase in the amount of fuel used when energized. ing. In this case, the insulating film 16 is set to have a low electronic conductivity and low ionic conductivity so that not only electrons but also ions cannot pass through.

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 fuel cell units 210 are provided and the element voltage V2 when 100 fuel cell units 210 are provided are predetermined elements. The resistance value has decreased. The element voltage V is an element voltage when no current flows, and the theoretical electromotive force is 1.2 V under 900 ° C., fuel electrode dry hydrogen, and air electrode air conditions.

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 fuel electrodes 12 becomes smaller than 1000Ω, the leakage current A increases, and the element voltages V1 and V2 decrease when the element portion resistance value becomes smaller from 1000Ω. . From this, it can be seen that by setting the electric resistance value between the fuel cells 210 to 1000Ω or more, the generation of the leakage current A can be suppressed and the decrease of the element voltage V can be prevented.

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 fuel electrodes 12 to 1000Ω or more will be described. The electric resistance value R can be calculated by the following mathematical formula.
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 fuel electrodes 12 adjacent in the axial direction of the base tube 11. SF is an opposing area in the axial direction of the base tube 11 between the fuel electrodes 16 adjacent in the axial direction of the base tube 11. Further, as shown in FIG. 1, L is an average length (an average distance in the axial direction of the base tube 11) between the fuel electrodes 12 adjacent in the axial direction of the base tube 11, and is calculated as follows. Can do.
L = (Lmax−Lmin) / 2
Lmax is the maximum length of the interval between the fuel electrodes 12 adjacent in the axial direction of the base tube 11, and Lmin is the minimum length of the interval between the fuel electrodes 12 adjacent in the axial direction of the base tube 11.

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 fuel electrodes 12 that satisfies the following formula, the average length L of the interval between the fuel electrodes 12, and the opposing area SF in the axial direction of the base tube 11 between the adjacent fuel electrodes 16 may be set. .
R = (L / σ · SF) ≧ 1000
In general, in order to maintain the performance of the cell tube 202, it is difficult to change the average length L of the interval between the fuel electrodes 12. Therefore, by providing the insulating film 16 having a conductivity close to zero between the fuel electrodes 12 and reducing the facing area between the fuel electrodes 12, the electric resistance value between the fuel electrodes 12 satisfying the above formula is set. .

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 fuel cells 210 is set to 1000Ω or more by increasing the average length L of the interval between the fuel electrodes 12 as much as possible or by reducing the thickness of the fuel electrode 12. It may be.

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 base tube 11, and a plurality of steps along the axial direction of the base tube 11 on the outer peripheral surface of the base tube 11. A step of forming the fuel electrode material film 22; a step of sequentially laminating the solid electrolyte material film 23 and the interconnector material film 25 on the upper surface of the fuel electrode material film 22; A step of forming a plurality of insulating part material films 26 along the axial direction of the base tube 11, the insulating part material film 26, the fuel electrode material film 22, the solid electrolyte material film 23, and the interconnector. A step of sintering the material film 25 to form the insulating film 16, the fuel electrode 12, the solid electrolyte 13, and the interconnector 15, so that the electric resistance value between the adjacent fuel electrodes 12 is 1000Ω or more. Is set.

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 base tube 11 is formed on a cylindrical mandrel (not shown), and the insulating film material film 26 is first formed on the surface of the base tube 11 at predetermined intervals in the axial direction of the base tube 11. Form. Next, the fuel electrode material film 22, the solid electrolyte material film 23, and the interconnector material film 25 are laminated on the surfaces of the base tube 11 and the insulating film material film 26. In this case, the insulating film material film 26, the fuel electrode material film 22, the solid electrolyte material film 23, and the interconnector material film 25 were mixed uniformly by mixing the above-described powder material with an organic solvent. A slurry is formed, and a predetermined material is applied to a predetermined position by a screen printing method.

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 film material film 26, the fuel electrode material film 22, the solid electrolyte material film 23, and the interconnector material film 25 are laminated on the base tube 11, sintering (for example, at 1350 ° C., 1 Hold time).
The air electrode material film 24 is laminated on the cell tube fired in the above-described process, and sintered (for example, held at 1300 ° C. for 1 hour).

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 base tube 11, passes through the pores of the base tube 11, and reaches the fuel electrode 12. This fuel gas is steam reformed by the active metal contained in the fuel electrode 12. Hydrogen generated by steam reforming passes through the pores of the fuel electrode 12 and reaches the solid electrolyte 13. On the other hand, the air flows outside the base tube 11 (air electrode 14). The oxygen in the air is ionized while passing through the pores of the air electrode 14 or reaches the solid electrolyte 13. The ionized oxygen passes through the solid electrolyte 13 and reaches the fuel electrode 12. The oxygen ions that have passed through the solid electrolyte 13 react with the fuel gas. The potential difference generated by such a cell reaction is extracted from the fuel electrode 12 and the air electrode 14 to be generated.

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 film 16 is provided between the fuel electrodes 12 on the outer surface of the base tube 11, leakage current flowing between the fuel electrodes 12 (fuel cell 210) is generated during power generation. It is suppressed. That is, since the insulating film 16 prevents the movement of electrons and ions between the fuel electrodes 12, the device voltage is prevented from being lowered and the leakage current is reduced. As a result, the oxygen permeation amount due to the leakage current is reduced, and the fuel consumption due to the oxygen permeation amount is reduced, thereby suppressing the reduction in power generation efficiency.

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 fuel electrode 12, the solid electrolyte 13, and the air electrode 14 are laminated on the outer surface of the cylindrical base tube 11, and the fuel cell (power generation) Element) 210, a plurality of power generation elements 210 are arranged at predetermined intervals in the axial direction of the base tube 11, and a plurality of fuel cells 210 are connected in series by the interconnector 15, and the fuel electrode 12 is formed. An electric resistance value of 1000Ω or more is set between them.

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 fuel electrodes 12, it is possible to suppress the generation of leakage current in this region as much as possible, and prevent a decrease in element voltage during energization and non-energization. As a result, the power generation efficiency can be improved.

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 film 16 that prevents the movement of electrons and ions is provided between the plurality of fuel cells 210. Therefore, by providing the insulating film 16 between the fuel cells 210, it is possible to suppress the occurrence of leakage current and prevent a decrease in the element voltage, and improve the power generation efficiency with a simple configuration in which the insulating film 16 is provided. Can be achieved.

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 film 16 is provided between the plurality of fuel electrodes 12 and between the base tube 11 and the solid electrolyte 13. Accordingly, by providing the insulating film 16 between the base tube 11 and the solid electrolyte 13 between the fuel electrodes 12, it is possible to suppress the occurrence of leakage current and prevent a decrease in the element voltage, and the power generation efficiency with a simple configuration. Can be improved. In this case, the insulating film 16 is covered with the densely formed fuel electrode 12 and the solid electrolyte 13, thereby suppressing the leakage of fuel gas or air electrode gas through the insulating film 16 and the base tube 11. . This eliminates the need to form the insulating film 16 densely, eliminates the need to consider sinterability, and reduces manufacturing costs.

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 base tube 11, the fuel electrode material film 22, the solid electrolyte material film 23, and the air electrode material film on the outer surface of the base tube 11. 24. A step of forming the power generation element material film by sequentially laminating the interconnector material film 25 and forming the power generation element material film at a predetermined interval in the axial direction of the base tube 11; A step of forming an insulating film material film 26 for insulating the power generating element material films on the outer surface, a fuel electrode material film 22, a solid electrolyte material film 23, an air electrode material film 24, and an interconnector material film 25. The insulating film material film 26 is sintered, and the fuel electrode 12, the solid electrolyte 13, the air electrode 14, the interconnector 15, and the insulating film 16 are formed on the base tube 11. The electrical resistance value is 1000Ω or more It is set to be.

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 film material film 26 on the outer surface of the base tube 11, the fuel electrode material film 22, the solid electrolyte material film 23, the interconnector material film 25, and the air electrode material film 24 are sequentially laminated. is doing.

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 electrode material film 22, the solid electrolyte material film 23, the air electrode material film 24, the interconnector material film 25, and the insulating film material film 26 on the base tube 11, The fuel electrode 12, the solid electrolyte 13, the air electrode 14, the interconnector 15, and the insulating film 16 can be formed on the base tube 11, and the manufacturing process can be simplified. By setting the electrical resistance value between the adjacent fuel electrodes 12 to 1000Ω or more, the generation of leakage current in this region can be suppressed as much as possible, and the device voltage can be reduced during energization or non-energization. As a result, the power generation efficiency can be improved. Further, since the insulating film 16 is covered with the fuel electrode 12 and the solid electrolyte 13, it is not necessary to form the insulating film 16 densely, it is not necessary to consider sinterability, and the manufacturing cost can be reduced. .

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 fuel electrode 12, a solid electrolyte 13, and an air electrode 14 on the outer surface of the base tube 11 toward the outside. A plurality of fuel cells are arranged in the axial direction of the base tube 11 and are connected in series by an interconnector 15. An insulating film 16 is provided between the fuel electrodes 12 so that the electrical resistance value between the fuel electrodes 12 adjacent in the axial direction of the base tube 11 is set to 1000Ω or more.

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 electrode material film 22 is formed on the surface of the base tube 11 at a predetermined interval in the axial direction of the base tube 11. Next, an insulating film material film 26 is formed on the surface of the base tube 11 between the fuel electrode material films 22. Subsequently, the solid electrolyte material film 23 and the interconnector material film 25 are laminated on the surfaces of the fuel electrode material film 22 and the insulating film material film 26. Then, sintering is performed in a state in which the fuel electrode material film 22, the insulating film material film 26, the solid electrolyte material film 23, and the interconnector material film 25 are laminated on the base tube 11 (for example, at 1350 ° C. for 1 hour) Hold. The air electrode material film 24 is laminated on the cell tube fired in the above-described process, and sintered (for example, held at 1300 ° C. for 1 hour) to form the air electrode 14.

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 fuel electrode 12, the insulating film 16, the solid electrolyte 13, the interconnector 15, and the air electrode 14 are laminated on the base tube 11, and the fuel An insulating film 16 is provided between the plurality of fuel electrodes 12 and between the base tube 11 and the solid electrolyte 13 in order to set an electric resistance value of 1000Ω or more between the electrodes 12.

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 fuel electrodes 12 can be suppressed as much as possible, and a decrease in element voltage when energized or not energized can be prevented. As a result, power generation efficiency can be improved. . Further, since the insulating film 16 is covered with the densely formed solid electrolyte 13, leakage of fuel gas or air electrode gas through the insulating film 16 and the base tube 11 is suppressed. This eliminates the need to form the insulating film 16 densely, eliminates the need to consider sinterability, and reduces manufacturing costs.

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 fuel electrode 12, a solid electrolyte 13, and an air electrode 14 on the outer surface of the base tube 11 toward the outside. A plurality of fuel cells are arranged in the axial direction of the base tube 11 and are connected in series by an interconnector 15. An insulating film 16 is provided between the fuel electrodes 12 so that the electric resistance value between the adjacent fuel electrodes 12 is set to 1000Ω or more.

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 electrode material film 22 is formed on the surface of the base tube 11 at a predetermined interval in the axial direction of the base tube 11. Next, a solid electrolyte material film 23 and an interconnector material film 25 are laminated on the surface of the fuel electrode material film 22. Subsequently, an insulating film material film 26 is laminated between the fuel electrode material films 22 and between the solid electrolyte material film 23 and the interconnector material film 25. Then, sintering is performed in a state in which the fuel electrode material film 22, the solid electrolyte material film 23, the interconnector material film 25, and the insulating film material film 26 are laminated on the base tube 11 (for example, at 1350 ° C. for 1 hour) Hold. The air electrode material film 24 is laminated on the cell tube fired in the above-described process, and sintered (for example, held at 1300 ° C. for 1 hour) to form the air electrode 14.

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 fuel electrode 12, the solid electrolyte 13, the interconnector 15, the insulating film 16, and the air electrode 14 are laminated on the base tube 11, An insulating film 16 is provided between the plurality of fuel electrodes 12 and between the solid electrolyte 13 and the interconnector 15 in order to set an electric resistance value of 1000Ω or more between the electrodes 12.

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 fuel electrodes 12 can be suppressed as much as possible, and a decrease in element voltage when energized or not energized can be prevented. As a result, power generation efficiency can be improved. . Further, since the insulating film 16 is interposed between the fuel electrodes 12 and between the solid electrolytes 13, high insulation between elements can be ensured, and the manufacturing cost can be reduced.

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 fuel electrode 12, a solid electrolyte 13, and an air electrode 14 on the outer surface of the base tube 11 toward the outside. A plurality of fuel cells are arranged in the axial direction of the base tube 11 and are connected in series by an interconnector 15. An insulating film 16 is provided between the fuel electrodes 12 so that the electric resistance value between the adjacent fuel electrodes 12 is set to 1000Ω or more.

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 film material film 26 is formed on the surface of the base tube 11 at a predetermined interval in the axial direction of the base tube 11. In this case, the insulating film material film 26 is formed to a thickness approximately equal to the laminated thickness of the fuel electrode material film 22, the solid electrolyte material film 23, and the interconnector material film 25. Next, a fuel electrode material film 22, a solid electrolyte material film 23, and an interconnector material film 25 are laminated on the surface of the base tube 11 between the insulating film material films 26. Then, the insulating material film 26, the fuel electrode material film 22, the solid electrolyte material film 23, and the interconnector material film 25 are laminated on the base tube 11 and sintered (for example, at 1350 ° C. for 1 hour). Hold. The air electrode material film 24 is laminated on the cell tube fired in the above process, and sintered (for example, held at 1300 ° C. for 1 hour) to form the air electrode 14.

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 film 16, the fuel electrode 12, the solid electrolyte 13, the interconnector 15, and the air electrode 14 are laminated on the base tube 11, and the fuel is produced. An insulating film 16 is provided between the plurality of fuel electrodes 12 and between the solid electrolyte 13 and the interconnector 15 in order to set an electric resistance value of 1000Ω or more between the electrodes 12.

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 fuel electrodes 12 can be suppressed as much as possible, and a decrease in element voltage when energized or not energized can be prevented. As a result, power generation efficiency can be improved. . Further, since the insulating film 16 is interposed between the fuel electrodes 12 and between the solid electrolytes 13, high insulation between elements can be ensured, and the manufacturing cost can be reduced.

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 fuel electrode 12, a solid electrolyte 13, and an air electrode 14 on the outer surface of the base tube 11 toward the outside. A plurality of fuel cells are arranged in the axial direction of the base tube 11 and are connected in series by an interconnector 15. An insulating film 16 is provided between the fuel electrodes 12 so that the electric resistance value between the fuel cells is set to 1000Ω or more, and a reaction preventing film (reaction preventing portion) 17 is provided on the surface of the insulating film 16. Is provided.

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 film material film 26 is formed on the surface of the base tube 11 at a predetermined interval in the axial direction of the base tube 11. Next, a reaction preventing film material film 27 is laminated on the surface of the insulating film material film 26. Subsequently, the fuel electrode material film 22, the solid electrolyte material film 23, and the interconnector material film 25 are laminated. Then, sintering is performed in a state in which the insulating film material film 26, the reaction preventing film material film 27, the fuel electrode material film 22, the solid electrolyte material film 23, and the interconnector material film 25 are laminated on the base tube 11 (for example, 1 hour at 1350 ° C.). The air electrode material film 24 is laminated on the cell tube fired in the above process, and sintered (for example, held at 1300 ° C. for 1 hour) to form the air electrode 14.

この場合、反応防止膜17は、材料として、例えば、Al(OH)(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 reaction preventing film 17 as a material.

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 film 16, the reaction preventing film 17, the fuel electrode 12, the solid electrolyte 13, the interconnector 15, and the air electrode 14 are formed on the base tube 11. In order to set an electric resistance value of 1000Ω or more between the fuel electrodes 12, an insulating film 16 is provided between the plurality of fuel electrodes 12 and between the base tube 11 and the solid electrolyte 13, and insulation is performed. A reaction preventing film 17 is provided between the film 16 and the fuel electrode 12 and the solid electrolyte 13.

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 fuel electrodes 12 can be suppressed as much as possible, and a decrease in element voltage when energized or not energized can be prevented. As a result, power generation efficiency can be improved. . Further, the reaction preventing film 17 prevents reactions between the insulating film 16 and the fuel electrode 12, and the insulating film 16 and the solid electrolyte 13, thereby preventing formation of a layer having no insulating property. Can be prevented by preventing the power generation efficiency from decreasing. By providing the reaction preventing film 17, the same effect as described above can be obtained for the cell tube having the structure in which the insulating film 16 is adjacent to the fuel electrode 12 or the solid electrolyte 13. That is, in the cell tubes according to the second to fourth embodiments, the same effect as described above can be obtained by providing the reaction preventing layer 17 between the insulating film 16, the fuel electrode 12, and the solid electrolyte 13.

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 fuel electrode 12, a solid electrolyte 13, and an air electrode 14 on the outer surface of the base tube 11 so as to face the outside. A plurality of fuel cells are arranged in the axial direction of the base tube 11 and are connected in series by an interconnector 15. An insulating film 16 is provided between the fuel electrodes 12 so that the electric resistance value between the fuel cells is set to 1000Ω or more. In this case, the insulating film 16 is provided as an electrolyte reaction film 28 formed by a chemical reaction with the solid electrolyte 13.

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 electrode material film 22 is formed on the surface of the base tube 11 at a predetermined interval in the axial direction of the base tube 11. Next, the electrolyte reaction film 28 is applied to the surface of the fuel electrode material film 22 and the surface of the base tube 11 which face each other. Subsequently, the solid electrolyte material film 23 and the interconnector material film 25 are laminated on the surfaces of the fuel electrode material film 22 and the electrolyte reaction film 28. Then, sintering is performed in a state in which the fuel electrode material film 22, the electrolyte reaction film 28, the solid electrolyte material film 23, and the interconnector material film 25 are laminated on the base tube 11 (for example, maintained at 1350 ° C. for 1 hour). To do. By this sintering, the electrolyte reaction film 28 reacts with the solid electrolyte material film 23 to become the insulating film 16. The air electrode material film 24 is laminated on the cell tube fired in the above process, and sintered (for example, held at 1300 ° C. for 1 hour) to form the air electrode 14.

この場合、電解質反応膜28は、材料として、例えば、La(OH)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、LaZrとなる。 In this case, for example, La (OH) 3 is used as the material of the electrolyte reaction film 28. Then, after sintering, the electrolyte reaction film 28 reacts with the solid electrolyte material film 23 to become the insulating film 16. When the solid electrolyte material film 23 is YSZ, the insulating film 16 is made of La 2 Zr 2 O. 3

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 fuel electrode 12, the solid electrolyte 13, the interconnector 15, and the air electrode 14 are stacked on the base tube 11, and In order to set an electric resistance value of 1000Ω or more, an insulating film 16 is provided between the plurality of fuel electrodes 12. Therefore, the generation of leakage current between the fuel electrodes 12 can be suppressed as much as possible, and a decrease in element voltage when energized or not energized can be prevented. As a result, power generation efficiency can be improved. .

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 electrode material film 22 is formed on the surface of the base tube 11, and an electrolyte reaction film 28 is applied on the surface of the fuel electrode material film 22 and the surface of the base tube 11 that are opposed to each other. By laminating and sintering the interconnector material film 25 and the air electrode material film 24, the electrolyte reaction film 28 reacts with the solid electrolyte material film 23 to form the insulating film 16. Therefore, it is possible to reduce the thickness of the insulating film 16 and to reduce the size of the device, and to reduce the manufacturing cost.

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 film 16 or the electrolyte reaction film 28 applied in the above-described Examples 1 to 6 will be described. FIG. 10 is a table showing appropriate materials for the insulating portions in the fuel cells of Examples 1 to 6.

実施例1〜6では、例えば、LaZr、YZr12、SrTi1+X(+Al)、MgO+MgAl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 film 16 on the fuel cell (cell tube), the linear expansion coefficient α, the sinterability, the insulating properties, and the presence or absence of reactivity are important. Here, the appropriate range of the linear expansion coefficient α is 9.5 to 11 × 10 −6 / ° C. As for the sinterability, the porosity is 10% or less, preferably 3 to 5% in consideration of gas permeability. As described above, the appropriate insulating property is that the electric resistance value between the fuel electrodes 12 is 1000Ω or more. Reactivity is an appropriate requirement that it does not react with the contacting member to form a second layer that does not have insulation, and does not adversely affect power generation performance due to element diffusion under high-temperature power generation. .

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、LaZr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−X(+Al)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+MgAl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)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 film 16 applied to the fuel cells of Examples 1 and 2 , La 2 Zr 2 O 7 is optimal because there is no need to consider the sinterability on the structure. Moreover, since it is necessary to consider all items for the insulating film 16 applied to the fuel cells of Examples 3 and 4, SrTi 1-X O 3 (+ Al 2 O 3 ) is optimal. Also, MgO + MgAl 2 O 4 is optimal for the insulating film 16 applied to the fuel cell of Example 5 because there is no need to consider reactivity in terms of structure. Also, La (OH) 3 is optimal for the electrolyte reaction membrane 28 applied to the fuel cell of Example 6.

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 film 16 or the electrolyte reaction film 28 applied in the fuel cell of the present invention is not limited to the materials described above.

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 adjacent fuel electrodes 12 to suppress the generation of leakage current. It can be applied to any fuel cell.

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)
11 Base tube 12 Fuel electrode 13 Solid electrolyte 14 Air electrode 15 Interconnector 16 Insulating film (insulating part)
17 Reaction prevention membrane (reaction prevention part)
28 Electrolyte reaction membrane 101 Fuel cell module 202 Cell tube (fuel cell)
210 Fuel cell (power generation element)

Claims (12)

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.
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する請求項1に記載の固体酸化物型燃料電池。   The solid oxide fuel cell according to claim 1, further comprising an insulating portion that suppresses movement of electrons and ions between the adjacent power generation elements. 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する請求項2に記載の固体酸化物型燃料電池。   In the adjacent power generation elements, the insulating portion is between the fuel electrode of one of the power generation elements and the fuel electrode of the other power generation element, and the solid electrolyte and the base body of one of the power generation elements The solid oxide fuel cell according to claim 2, wherein the solid oxide fuel cell is provided between the pipe and the pipe. 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する請求項2に記載の固体酸化物型燃料電池。   In the adjacent power generation elements, the insulating portion is disposed between the fuel electrode of one of the power generation elements and the fuel electrode of the other power generation element and between the solid electrolyte of the one power generation element and the interface. The solid oxide fuel cell according to claim 2, wherein the solid oxide fuel cell is provided between the connector and the connector. 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する請求項2から請求項4のいずれか一つに記載の固体酸化物型燃料電池。   The solid oxide fuel cell according to any one of claims 2 to 4, wherein a reaction preventing portion is provided between the power generation element and the insulating portion. 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する請求項2から請求項4のいずれか一つに記載の固体酸化物型燃料電池。   5. The solid oxide fuel cell according to claim 2, wherein the insulating portion is an electrolyte reaction portion formed by a chemical reaction with the solid electrolyte. 6. 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と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。   8. The fuel electrode material film is formed after the insulating part material film is formed, and then the solid electrolyte material film and the interconnector material film are sequentially laminated. A method for producing a solid oxide fuel cell. 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と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。   The material film for an insulating part is formed after forming the material film for the fuel electrode, and then the material film for the solid electrolyte and the material film for the interconnector are sequentially laminated. A method for producing a solid oxide fuel cell. 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。   8. The method for manufacturing a solid oxide fuel cell according to claim 7, wherein the insulating material film is formed after sequentially laminating the solid electrolyte material film and the interconnector material film. 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する請求項8から請求項10に記載の固体酸化物型燃料電池の製造方法。   11. The solid oxide fuel cell according to claim 8, wherein after forming the insulating part material film, a reaction preventing part material film is formed on an outer surface of the insulating part material film. Manufacturing method. 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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