JP2012038586A - Structure of fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池の構造体に関する。 The present invention relates to a fuel cell structure.
従来より、「ガス流路が内部に形成された多孔質の支持基板」と、「前記支持基板の外表面における互いに離れた複数の箇所にそれぞれ設けられ、少なくとも内側電極、固体電解質膜、及び外側電極が積層されてなる複数の発電素子部」と、「1組又は複数組の隣り合う前記発電素子部の間にそれぞれ形成され、前記隣り合う発電素子部の一方の内側電極と他方の外側電極とを電気的に接続する1つ又は複数の電気的接続部」とを備えた固体酸化物形燃料電池の構造体が知られている(例えば、特許文献1を参照)。このような構成は、「横縞型」とも呼ばれる。 Conventionally, "a porous support substrate having a gas flow path formed therein" and "provided at a plurality of locations separated from each other on the outer surface of the support substrate, at least an inner electrode, a solid electrolyte membrane, and an outer A plurality of power generation element portions formed by stacking electrodes ”and“ one or more sets of adjacent power generation element portions, each of which is formed between one inner electrode and the other outer electrode ” There is known a structure of a solid oxide fuel cell provided with “one or a plurality of electrical connection portions that electrically connect each other” (see, for example, Patent Document 1). Such a configuration is also called a “horizontal stripe type”.
特許文献1に記載の「横縞型」の燃料電池の構造体では、各内側電極が、支持基板の外側面から外側に突出するように設けられている。加えて、この構造体では、隣り合う発電素子部の間に、内側電極に供給されるガスと外側電極に供給されるガスとの混合(ガスリーク)を防止する固体電解質からなる緻密膜が形成されている。この緻密膜は、支持基板の外側面から突出する隣り合う内側電極における互いに向き合う両端部、並びに、隣り合う内側電極の間の支持基板の外側面を連続して覆うように、且つ、発電素子部内の固体電解質膜と連続して形成されている。この文献では、この緻密膜は、発電素子部内の固体電解質膜と同じ材料から構成されていて、固体電解質膜と緻密膜とが、同じ材料からなるスラリーを使用したディッピング法を用いて同時に充填・形成されている。 In the “horizontal stripe type” fuel cell structure described in Patent Document 1, each inner electrode is provided so as to protrude outward from the outer surface of the support substrate. In addition, in this structure, a dense film made of a solid electrolyte that prevents mixing (gas leakage) of the gas supplied to the inner electrode and the gas supplied to the outer electrode is formed between adjacent power generation element portions. ing. The dense film continuously covers both opposite end portions of the adjacent inner electrode protruding from the outer surface of the support substrate, and the outer surface of the support substrate between the adjacent inner electrodes, and within the power generation element portion. The solid electrolyte membrane is formed continuously. In this document, the dense membrane is made of the same material as the solid electrolyte membrane in the power generation element portion, and the solid electrolyte membrane and the dense membrane are filled and filled simultaneously using a dipping method using a slurry made of the same material. Is formed.
ところで、上述した構成を有する特許文献1に記載の「横縞型」の燃料電池の構造体では、一般に、発電素子部内の固体電解質膜の厚さは、10〜100μmとされる。膜厚が10μm未満では、ディッピング法等を利用した膜の形成が困難となり、膜厚が100μmより大きいと、膜の電気抵抗が大きくなる(イオン伝導性が低下する)からである。 By the way, in the “horizontal stripe type” fuel cell structure described in Patent Document 1 having the above-described configuration, the thickness of the solid electrolyte membrane in the power generation element portion is generally set to 10 to 100 μm. If the film thickness is less than 10 μm, it is difficult to form a film using a dipping method or the like, and if the film thickness is greater than 100 μm, the electric resistance of the film increases (ion conductivity decreases).
本発明者は、上述した構成を有する燃料電池の構造体において、「隣り合う内側電極における互いに向き合う両端の間の距離」によっては、燃料電池の作動中において、緻密膜又は緻密膜の周辺にクラックが発生してガスリークが発生する、という知見を得た。このクラックの発生メカニズムについては後述する。そして、種々の検討を重ねた結果、本発明者は、「隣り合う内側電極における互いに向き合う両端の間の距離」に関して、係るクラックの発生を抑制するために必要な条件を見出した。以上、本発明の目的は、「横縞型」の燃料電池の構造体であって、緻密膜又は緻密膜の周辺にクラックが発生し難いものを提供することを目的とする。 In the fuel cell structure having the above-described configuration, the inventor determines that the dense membrane or the periphery of the dense membrane is cracked during the operation of the fuel cell depending on the “distance between opposite ends of the adjacent inner electrodes”. We have learned that gas leaks occur due to the occurrence of gas. The generation mechanism of this crack will be described later. As a result of various studies, the present inventor has found a condition necessary for suppressing the occurrence of such cracks with respect to “a distance between opposite ends of adjacent inner electrodes”. As described above, an object of the present invention is to provide a “horizontal stripe type” fuel cell structure that is less susceptible to cracking around the dense film or the dense film.
本発明に係る燃料電池の構造体は、ガス流路が内部に形成された多孔質の支持基板と、前記支持基板の外側面における互いに離れた複数の箇所にそれぞれ設けられた「少なくとも内側電極、固体電解質膜、及び外側電極が積層されてなる複数の発電素子部であって、前記各内側電極が前記支持基板の外側面から外側に突出するように設けられた複数の発電素子部」と、1組又は複数組の隣り合う前記発電素子部の間にそれぞれ形成され、前記隣り合う発電素子部の一方の内側電極と他方の外側電極とを電気的に接続する1つ又は複数の電気的接続部とを備える。即ち、この構造体は、「横縞型」の燃料電池の構造体である。 The structure of the fuel cell according to the present invention includes a porous support substrate having a gas flow path formed therein, and “at least an inner electrode, provided at a plurality of locations apart from each other on the outer surface of the support substrate. A plurality of power generation element portions formed by laminating a solid electrolyte membrane and an outer electrode, wherein each of the inner electrodes is provided so as to protrude outward from the outer surface of the support substrate; One or a plurality of electrical connections that are formed between one or a plurality of adjacent power generation element portions and electrically connect one inner electrode and the other outer electrode of the adjacent power generation element portions. A part. That is, this structure is a “horizontal stripe type” fuel cell structure.
ここにおいて、前記内側電極及び前記外側電極はそれぞれ、空気極及び燃料極であってもよいし、燃料極及び空気極であってもよい。前記内側電極が燃料極の場合には前記ガス流路は燃料ガス用の流路であり、前記内側電極が空気極の場合には前記ガス流路は酸素を含むガス用の流路である。また、前記燃料極は、前記固体電解質に接する燃料極活性部と、前記燃料極活性部以外の残りの部分である燃料極集電部とから構成され得る。 Here, the inner electrode and the outer electrode may be an air electrode and a fuel electrode, respectively, or may be a fuel electrode and an air electrode. When the inner electrode is a fuel electrode, the gas flow path is a flow path for fuel gas, and when the inner electrode is an air electrode, the gas flow path is a flow path for gas containing oxygen. The fuel electrode may be composed of a fuel electrode active part in contact with the solid electrolyte and a fuel electrode current collector that is the remaining part other than the fuel electrode active part.
また、本発明に係る燃料電池の構造体は、1組又は複数組の隣り合う前記発電素子部の間にそれぞれ形成され、前記内側電極に供給されるガスと前記外側電極に供給されるガスとの混合を防止する緻密膜であって、前記発電素子部内の前記固体電解質膜と同じ又は異なる材料からなる固体電解質から構成されていて、前記支持基板の外側面から突出する隣り合う前記内側電極における互いに向き合う両端部、並びに、前記隣り合う内側電極の間の前記支持基板の外側面を連続して(直接)覆うように、且つ、前記発電素子部内の前記固体電解質膜と連続して形成された緻密膜を備える。 Further, the fuel cell structure according to the present invention is formed between one or a plurality of adjacent power generation element portions, and a gas supplied to the inner electrode and a gas supplied to the outer electrode, In the adjacent inner electrode that protrudes from the outer surface of the support substrate, and is formed of a solid electrolyte made of the same or different material as the solid electrolyte membrane in the power generation element portion. Both end portions facing each other and the outer surface of the support substrate between the adjacent inner electrodes are continuously (directly) covered and continuously formed with the solid electrolyte membrane in the power generation element portion. A dense membrane is provided.
ここで、前記緻密膜が前記固体電解質膜と同じ材料からなる場合、前記固体電解質膜と前記緻密膜とが同じ材料からなるスラリーを使用したディッピング法を用いて形成され得る。 Here, when the dense membrane is made of the same material as the solid electrolyte membrane, the solid electrolyte membrane and the dense membrane can be formed using a dipping method using a slurry made of the same material.
本発明に係る燃料電池の構造体の特徴は、前記固体電解質膜の厚さ(t)が10〜100μmであり、前記隣り合う内側電極における互いに向き合う両端の間の距離(L)が0.1mm以上であることにある(図13を参照)。 The fuel cell structure according to the present invention is characterized in that the thickness (t) of the solid electrolyte membrane is 10 to 100 μm, and the distance (L) between opposite ends of the adjacent inner electrodes is 0.1 mm. That is the above (see FIG. 13).
本発明者は、値Lが0.1mm未満である場合に緻密膜又は緻密膜の周辺にクラックが発生し易い一方で、上記構成のように、値Lが0.1mm以上である場合には同クラックが発生し難いことを見出した(詳細は後述する)。従って、上記構成によれば、緻密膜又は緻密膜の周辺に発生するクラックに起因するガスリークの発生を抑制し得る燃料電池の構造体を提供することができる。 When the value L is less than 0.1 mm, the inventor easily generates cracks around the dense film or the dense film, while the value L is 0.1 mm or more as in the above configuration. It has been found that the crack is difficult to occur (details will be described later). Therefore, according to the said structure, the structure of the fuel cell which can suppress generation | occurrence | production of the gas leak resulting from the dense film or the crack which generate | occur | produces around a dense film can be provided.
上記本発明に係る燃料電池の構造体では、前記電気的接続部は、前記隣り合う発電素子部の一方の内側電極の外側面に形成されたインターコネクタと、前記インターコネクタと前記隣り合う発電素子部の他方の外側電極とを電気的に接続する多孔質材料からなる接続部材であって、前記緻密膜における前記隣り合う内側電極の間の部分を覆うように形成された接続部材と、を含んで構成され得る。 In the fuel cell structure according to the present invention, the electrical connection portion includes an interconnector formed on an outer surface of one inner electrode of the adjacent power generation element portion, and the interconnector and the adjacent power generation element. A connecting member made of a porous material that electrically connects the other outer electrode of the portion, the connecting member formed to cover a portion between the adjacent inner electrodes in the dense film, Can be configured.
以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。図1は、本発明に係る燃料電池の構造体を示す斜視図であり、図2はその平面図である。図1、及び図2は、発電素子接続部材60(図3を参照)を貼り付ける前の状態を示している。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a perspective view showing a structure of a fuel cell according to the present invention, and FIG. 2 is a plan view thereof. 1 and 2 show a state before the power generating element connecting member 60 (see FIG. 3) is attached.
本発明に係る燃料電池の構造体では、中空かつ扁平板状の支持基板10に、複数の発電素子部Aが支持基板10の長手方向に沿って複数個配置され、これらがインターコネクタ30(及び発電素子接続部材60)で電気的に直列に接続されている。この構造は「横縞型」とも呼ばれる。発電素子部Aは、支持基板10の上面及び下面にそれぞれ形成されている。
In the structure of the fuel cell according to the present invention, a plurality of power generating element portions A are arranged along the longitudinal direction of the
図1(a)は、燃料電池の構造体の上面の長手方向の一方側端部の発電素子部A(図示せず)と、構造体の下面の長手方向の一方側端部の発電素子部A(図示せず)とが、構造体を長手方向に沿って周回する金属バンドによって電気的に直列に接続され、構造体の上面の電流の方向と構造体の下面の電流の方向とが逆になるタイプを示している。 FIG. 1A shows a power generation element portion A (not shown) at one end in the longitudinal direction of the upper surface of the structure of the fuel cell and a power generation element portion at one end in the longitudinal direction of the lower surface of the structure. A (not shown) is electrically connected in series by a metal band that circulates the structure along the longitudinal direction, and the direction of the current on the upper surface of the structure is opposite to the direction of the current on the lower surface of the structure. Indicates the type to be.
図1(b)は、燃料電池の構造体の上面の各発電素子部Aと、構造体の下面の対応する発電素子部Aとが、構造体を幅方向に沿って周回するインターコネクタ30によりそれぞれ接続されて、全体としてみれば構造体の上面の発電素子部Aと構造体の下面の発電素子部Aとが電気的に並列に接続されて、構造体の上面の電流の方向と構造体の下面の電流の方向とが同じになるタイプを示している。図3は、図2の3ー3線に対応する、発電素子部Aが形成された部分を示す構造体の断面図である。
FIG. 1B shows an
この燃料電池の構造体では、支持基板10の表面に、その長手方向に所定間隔をおいて、複数の発電素子部Aが配列されている。それぞれの発電素子部Aは、集電燃料極21、活性燃料極22(集電燃料極21、活性燃料極22を総称して「燃料極20」という)、固体電解質膜40及び空気極50を順次積層して得られる層構造となっている。
In this fuel cell structure, a plurality of power generating element portions A are arranged on the surface of the
隣り合う発電素子部A,Aは、インターコネクタ30及び発電素子接続部材60により電気的に直列に接続されている。即ち、一方の発電素子部Aの燃料極20の上にインターコネクタ30が形成されていて、このインターコネクタ30と他方の発電素子部Aの空気極50とが発電素子接続部材60により電気的に接続されている。インターコネクタ30及び発電素子接続部材60は、前記「電気的接続部」に対応している。
Adjacent power generation element portions A and A are electrically connected in series by the
支持基板10の内部には、内径の小さな複数の燃料ガス流路11が長手方向に貫通して形成されている(図1参照)。このように、支持基板10の内部に燃料ガス流路11を複数形成することにより、支持基板10の内部に大きな燃料ガス流路を1本形成する場合に比べて、支持基板10を扁平板状とすることができる。この結果、複数の支持基板を配列してスタックを作製する際、円筒形状に比べて複数の支持基板を密に配列することができる。この結果、よりコンパクトなスタックを作成することができる。
Inside the
この燃料ガス流路11内に燃料ガス(水素ガス)を流し、且つ、空気極50を空気等の酸素含有ガスに曝すことにより、空気極50及び燃料極20間で酸素分圧差に応じた起電力が発生する。この状態で、外部に負荷を接続することにより、下記(1)式、(2)式に示す電極反応が生じる。この結果、図4に矢印Cで示すように電流が流れ、発電するようになっている。
空気極: 1/2O2+2e-→ O2-(固体電解質) …(1)
燃料極: O2-(固体電解質)+H2→ H2O+2e- …(2)
A fuel gas (hydrogen gas) is allowed to flow through the fuel
Air electrode: 1 / 2O 2 + 2e − → O 2− (solid electrolyte) (1)
Fuel electrode: O 2− (solid electrolyte) + H 2 → H 2 O + 2e − (2)
以下、この燃料電池の構造体を構成する各部材の材質を詳しく説明する。 Hereinafter, the material of each member constituting the structure of the fuel cell will be described in detail.
先ず、支持基板10は、Ni若しくはNi酸化物(NiO)と、例えば希土類元素酸化物が固溶したZrO2とからなっている。なお、希土類元素酸化物を構成する希土類元素としては、Y,La,Yb,Tm,Er,Ho,Dy,Gd,Sm,Prなどが例示され得るが、好ましいものは、Yの酸化物である。Y2O3やYb2O3、特にY2O3が好ましい。また、支持基板10として、希土類元素酸化物が固溶したZrO2に代えて、例えばスピネル、フォルステライト、ジルコン酸カルシウム等を用いることもできる。
First, the
Ni若しくはNiO(NiOは、発電時には、通常、水素ガスにより還元されてNiとして存在する)は、Ni換算で5〜25体積%、特に5〜10体積%の範囲で支持基板10中に含有されているのがよい。この支持基板10の熱膨張係数は、通常、10.5〜11.5×10-6(1/K)程度である。
Ni or NiO (NiO is usually reduced by hydrogen gas and present as Ni during power generation) is contained in the
支持基板10は、発電素子部間の電気的ショートを防ぐために電気絶縁性であることが必要である。Ni等の含量を前記範囲としたとき、10Ω・cm以上の抵抗率を有することが好ましい。また、Ni等以外の残量の全ては、通常、希土類元素酸化物が固溶しているZrO2である。しかしながら、例えば5重量%以下の少量の範囲で、MgOやSiO2などの他の酸化物、若しくは複合酸化物例えばジルコン酸カルシウムなどが含有していてもよい。
The
なお、支持基板10は、燃料ガス流路11内の燃料ガスを燃料極20の表面まで導入可能でなければならず、このため、多孔質であることが必要である。一般に、その開気孔率は25%以上、特に30〜40%の範囲にあるのがよい。
Note that the
燃料極20は、前記式(2)の電極反応を生じせしめるものであり、本実施形態においては、固体電解質側の活性燃料極22と、支持基板10側の集電燃料極21との二層構造に形成されている。固体電解質側の活性燃料極22は、多孔質の導電性セラミックスから形成される。例えば、希土類元素が固溶しているZrO2(安定化ジルコニア)と、Ni及び/又はNi酸化物NiO(以下、Ni等と呼ぶ)とからなる。この希土類元素が固溶した安定化ジルコニアとしては、後述する固体電解質膜40に使用されているものと同様のものを用いることができる。また、希土類元素酸化物が固溶したZrO2に代えて、例えばスピネル、フォルステライト、ジルコン酸カルシウム等を用いることもできる。
The
活性燃料極22中の安定化ジルコニア含量は、35〜65体積%の範囲にあることが好ましく、またNi等の含量は、良好な集電性能を発揮させるため、Ni換算で65〜35体積%の範囲にあるのがよい。更に、活性燃料極22の開気孔率は、20%以上、特に25〜40%の範囲にあるのがよい。
The stabilized zirconia content in the
活性燃料極22の熱膨張係数は、通常、12.3×10-6(1/K)程度である。また、活性燃料極22の厚さは、3μm以上、10μm未満の範囲にあることが望ましい。厚さが10μm以上であれば、固体電解質膜40との熱膨張差に起因して発生する熱応力を吸収できないようになり、活性燃料極の割れや剥離などを生じるおそれがある。活性燃料極22は、導電性であることが好ましく、Ni等の含量が前記範囲として、400S/cm以上の導電率を持たせることができる。
The thermal expansion coefficient of the
一方、燃料極20のうち支持基板10側の集電燃料極21は、Ni若しくはNi酸化物と、希土類元素酸化物との混合体である。希土類元素酸化物を構成する希土類元素としては、Y,La,Yb,Tm,Er,Ho,Dy,Gd,Sm,Prなどを例示することができるが、好ましいものは、Yの酸化物である。Y2O3やYb2O3、特にY2O3が好ましい。
On the other hand, the current collecting
Ni或いはNi酸化物(NiOは、発電時には、通常、水素ガスにより還元されてNiとして存在する)は、Ni換算で35体積%〜60体積%の範囲で希土類元素酸化物中に含有されているのがよい。この範囲で調製することにより、集電燃料極21の熱膨張係数は、通常、11.5×10-6(1/K)程度となる。従って、支持基板10と集電燃料極21との熱膨張差を1.0×10-6/°C以下とすることができる。
Ni or Ni oxide (NiO is usually reduced by hydrogen gas and exists as Ni during power generation) is contained in the rare earth element oxide in a range of 35 vol% to 60 vol% in terms of Ni. It is good. By preparing in this range, the thermal expansion coefficient of the current collecting
集電燃料極21も、活性燃料極22と同様、電流の流れを損なわないように、導電性であることが好ましく、Ni等の含量が前記範囲として、400S/cm以上の導電率をもたせることができる。また、この集電燃料極21の厚さは、100μm以上であることが望ましい。厚さが100μm未満であれば、長手方向に電流が流れるときの抵抗が増加して、燃料電池の構造体の内部に無視できない電圧降下が発生してしまう。
As with the
以上のように、燃料極20を、固体電解質側の活性燃料極22と支持基板側の集電燃料極21との2層に形成した構造であれば、支持基板側の集電燃料極21のNi換算でのNi量あるいはNiO量を35〜60体積%の範囲内で調製することにより、活性燃料極22との接合性を損なうことなく、その熱膨張係数を、支持基板10の熱膨張係数に近づけることができる。例えば、両者の熱膨張差を、1.0×10-6/℃未満とすることができる。
As described above, if the
従って、燃料電池の構造体の作製時、加熱時、冷却時などにおいて燃料極20と支持基板10との熱膨張差に起因して発生する熱応力を小さくすることができるため、燃料極20の割れや剥離などを抑制することができる。そして、燃料ガス(水素ガス)を流して発電を行う場合においても、支持基板10との熱膨張係数の整合性は安定に維持される。
Accordingly, since the thermal stress generated due to the difference in thermal expansion between the
固体電解質膜40は、電極間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有するとともに、燃料ガスと空気等の酸素含有ガスとのリークを防止するためにガス遮断性を有していることが必要である。従って、固体電解質膜40としては、このような特性を備えている緻密質なセラミックス、例えば、3〜15モル%の希土類元素が固溶した安定化ZrO2を用いるのが好ましい。この安定化ZrO2中の希土類元素としては、Sc,Y,La,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Luを例示することができるが、安価であるという点で、Y,Ybが好適である。また、8YSZ(8モル%のYが固溶している安定化ZrO2)と熱膨張係数がほぼ等しいランタンガレート系固体電解質なども好適に用いることができる。
The
固体電解質膜40は、ガス透過を防止するという点から10〜100μmの厚さを有し、さらに相対密度(アルキメデス法による)が93%以上、特に95%以上であることが望ましい。この固体電解質膜40は、前記「緻密膜」に対応する。
The
固体電解質膜40上に形成される空気極50は、前述した式(1)の電極反応を生じさせるものであり、所謂ABO3型のペロブスカイト型酸化物からなる導電性セラミックスから形成される。このようなペロブスカイト型酸化物としては、遷移金属型ペロブスカイト酸化物、特にAサイトにLaを有するLaMnO3系酸化物、LaFeO3系酸化物、LaCoO3系酸化物の少なくとも一種が好適である。600〜1000℃程度の比較的低温での電気伝導性が高いという点から、LaFeO3系酸化物が特に好適である。
The
なお、前記ペロブスカイト型酸化物においては、AサイトにLaと共にSrが存在していてもよいし、さらにBサイトには、Fe,Co,Mnが共存していてもよい。また、空気極50は、ガス透過性を有していなければならず、その開気孔率は20%以上、特に30〜50%の範囲にあるのがよい。更に、その厚みは、集電性という点から30〜100μmであることが望ましい。
In the perovskite oxide, Sr may exist together with La at the A site, and Fe, Co, and Mn may coexist at the B site. Further, the
隣り合う発電素子部同士を電気的に直列に接続するために使用されるインターコネクタ30は、一方の発電素子部の燃料極20と他方の発電素子部の空気極50とを接続するものであり、導電性セラミックスから形成される。インターコネクタ30は、燃料ガス(水素ガス)及び空気等の酸素含有ガスと接触するため、耐還元性、耐酸化性を有していることが必要である。
The
インターコネクタ30は、厚さ10μmから100μm程度の導電体である。インターコネクタ30は、一方の発電素子部の活性燃料極22と他方の発電素子部の空気極50とを、発電素子接続部材60を介して接続するものであり、導電性セラミックスから形成される。燃料ガス(水素ガス)及び空気等の酸素含有ガスと接触するため、耐還元性、耐酸化性を有していることが必要である。このため、かかる導電性セラミックスとしては、一般に、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物(LaCrO3系酸化物)が使用される。また、燃料ガス流路11を通る燃料ガスと空気極50の外部を通る空気等の酸素含有ガスとのリークを防止するため、かかる導電性セラミックスは緻密質でなければならず、例えば93%以上、特に95%以上の相対密度(アルキメデス法)を有していることが好適である。なお、このインターコネクタ30の端面と、固体電解質膜40の端面との間には、適当な接合層(例えばY2O3)を介在させることにより、シール性を向上させることもできる。
The
発電素子接続部材60は、隣り合う一方の発電素子部Aのインターコネクタ30と他方の発電素子部Aの空気極50とを電気的に接続するものであり、インターコネクタ30と同様、導電性、耐酸化性を有する材料で形成される。ただし、ガスの遮断性は要求されないので、インターコネクタ30のように緻密でなくてもよい。
The power generation
前述した燃料電池の構造体は、例えば、以下のようにして製造することができる。先ず、支持基板10の材料として、平均粒径が0.1〜10μmのY2O3等の希土類元素酸化物が固溶したZrO2粉末と、Ni粉末(NiO粉末でもよい)とが用意される。これらの粉末が、所定の比率で混合される。この混合粉末に、ポアー剤と、セルロース系有機バインダーと、水とからなる溶媒とを混合し、押し出し成形して、内部に燃料ガス流路11を有する中空形状、扁平状の支持基板成形体10が作製される。
The fuel cell structure described above can be manufactured, for example, as follows. First, as a material for the
次に、集電燃料極の材料を作製する。例えば、NiO粉末、Ni粉末と、Y2O3等の希土類元素酸化物粉末とが混合され、これにポアー剤が添加され、アクリル系バインダーとトルエンが加えられてスラリーが得られる。このスラリーを用いて、ドクターブレード法にて、厚さ100〜150μmの集電燃料極テープが作製される。以下、燃料電池の構造体の製造工程図である図5〜図12を参照しながら説明する。 Next, a material for the current collecting fuel electrode is prepared. For example, NiO powder, Ni powder, and rare earth element oxide powder such as Y 2 O 3 are mixed, a pore agent is added thereto, and an acrylic binder and toluene are added to obtain a slurry. Using this slurry, a collector fuel electrode tape having a thickness of 100 to 150 μm is produced by a doctor blade method. Hereinafter, the fuel cell structure will be described with reference to FIGS.
次に、切断された集電燃料極テープ21において、隣り合う燃料極間の領域に対応する部分が打ち抜かれる(図5)。次いで、この集電燃料極テープ21上の全面に、活性燃料極22が印刷される(図6)。続いて、この活性燃料極22上に、インターコネクタ30が印刷される(図7)。
Next, in the cut current collecting
次に、この状態にて、燃料極テープ21が、支持基板成形体10に横縞状に貼り付けられる。その際、隣り合う燃料極テープ21、21は、3mm程度の間隔をあけて配置される。そして、この積層体が乾燥され、900〜1100℃の温度範囲で仮焼される。(図8)。
Next, in this state, the
次に、インターコネクタ30の長手方向の中央部分に、有機物シート(マスキングテープ)70が貼り付けられる(図9)。次いで、この積層体が、8YSZ(8モル%のYが固溶したZrO2粉末)にアクリル系バインダーとトルエンを加えてスラリーとした固体電解質溶液に漬けられる。その後、この積層体が固体電解質溶液から取り出される。このディップにより、積層体の一面に固体電解質膜40の層が塗布されるとともに、図5で打ち抜いた空間(即ち、隣り合う燃料極間の領域)に絶縁体である固体電解質膜40が充填される。
Next, an organic material sheet (masking tape) 70 is affixed to the central portion of the interconnector 30 in the longitudinal direction (FIG. 9). Next, this laminate is immersed in a solid electrolyte solution that is a slurry obtained by adding an acrylic binder and toluene to 8YSZ (ZrO 2 powder in which 8 mol% of Y is dissolved). Then, this laminated body is taken out from the solid electrolyte solution. By this dip, the layer of the
この状態で、800°C、1時間仮焼きがなされる。この仮焼き中に、有機物シート70とその上に塗布された固体電解質膜40の層が除去される(図10)。次に、固体電解質膜40における空気極の形成部分に空気極50が印刷されて、1050°C、2時間焼き付けられる(図11)。最後に、1つの発電素子部のインターコネクタ30と、これに隣接する発電素子部の空気極50とを接続するための発電素子接続部材60が貼り付けられて(図12)、燃料電池の構造体が完成する。
In this state, calcination is performed at 800 ° C. for 1 hour. During this calcining, the
(クラックの発生を抑制するための条件)
上述したように、固体電解質膜40は、それぞれの燃料極20が支持基板成形体10の外側面から突出した状態にある支持基板成形体10に対して、ディッピングにより形成される(図10を参照)。この結果、図13に示すように、隣り合う発電素子部A,A間において、緻密な固体電解質膜40が、支持基板10の外側面から突出する隣り合う燃料極20,20における互いに向き合う両端部、並びに、隣り合う燃料極20,20の間の支持基板10の外側面を連続して直接覆うように、且つ、発電素子部内の固体電解質膜40と連続するように、充填・形成されている。以下、隣り合う発電素子部A,A間における固体電解質膜40を、特に、「緻密膜」と呼ぶ。「緻密膜」は、燃料ガスと空気等の酸素含有ガスとのリーク(ガスリーク)を防止する機能を発揮する。
(Conditions for suppressing the occurrence of cracks)
As described above, the
発電素子部内の固体電解質膜40の厚さt(図13を参照)は、10〜100μmの範囲内に設定される。これは、膜厚が10μm未満では、ディッピング法等を利用した膜の形成が困難となり、膜厚が100μmより大きいと、膜の電気抵抗が大きくなる(イオン伝導性が低下する)からである。なお、tは、発電素子部内の固体電解質膜40の厚さの平均値であってもよい。
The thickness t (see FIG. 13) of the
本発明者は、tが10〜100μmの範囲内の燃料電池について、「隣り合う燃料極20,20における互いに向き合う両端の間の距離L(図13を参照)」によっては、燃料電池の作動中において、緻密膜又は緻密膜の周辺にクラックが発生してガスリークが発生する、という知見を得た。そして、本発明者は、距離Lに関して、係るクラックの発生を抑制するために必要な条件を見出した。その条件とは、Lが0.1mm以上であること、である。なお、Lは、隣り合う燃料極20,20における互いに向き合う両端の間の距離の平均値であっても最小値であってもよい。
The present inventor found that the fuel cell in the range of 10 to 100 μm was not in operation depending on the “distance L between opposite ends of the
以下、このことを確認するために行われた試験について説明する。この試験では、上述した図1〜図3、及び図13等に示した実施形態に対応する燃料電池の構造体について、表1に示すように、t,Lの値の組み合わせが異なる複数のサンプルが作製された。tは10〜100μmの範囲内にある。t,Lの値以外についての各部材の形状、サイズ、材質等は、全てのサンプルについて同じとされた。 Hereinafter, a test performed to confirm this will be described. In this test, as shown in Table 1, a plurality of samples having different combinations of t and L values for the fuel cell structure corresponding to the above-described embodiments shown in FIGS. Was made. t is in the range of 10-100 μm. The shape, size, material, etc. of each member other than the values of t and L were the same for all samples.
各サンプルについて、燃料電池が所定パターンに従って稼働させられた。具体的には、燃料極20側にAr、空気極50側に空気を供給した状態で、燃料電池が800℃まで昇温され、800℃にて、燃料極20側に30℃で加湿した水素が供給されて燃料極20が還元された。その後、電流密度0.20A/cm2、燃料利用率80%という条件下で発電試験が実施された。発電試験の終了後、燃料極20側にAr、空気極50側に空気を供給した状態で、燃料電池が室温まで降温された。その後、各サンプルについて、緻密膜又は緻密膜の周辺におけるクラック発生の有無が確認された。この確認は、目視及び光学顕微鏡等を用いてなされた。この結果を表1に示す。なお、値t、及び値Lの測定は、上記所定パターンに従って稼働した後の燃料電池を、図13に対応する断面で切断して得られた実際の断面を用いて行われた。また、表1では、各サンプルについての有効発電面積率(%)も示されている。有効発電面積率とは、この燃料電池の構造体を上方からみた場合における、構造体の全面積に対する、発電素子部Aが占める総面積(即ち、発電に寄与し得る総面積)の割合を指す。
For each sample, the fuel cell was operated according to a predetermined pattern. Specifically, in a state where Ar is supplied to the
表1から理解できるように、Lが0.1mm未満の場合、クラックが発生している。これに対し、Lが0.1mm以上の場合、クラックが発生していない。即ち、クラックの発生を抑制するためには、Lが0.1mm以上であることが必要である、といえる。以下、この点について分析を加える。 As can be understood from Table 1, when L is less than 0.1 mm, cracks have occurred. On the other hand, when L is 0.1 mm or more, no crack is generated. That is, it can be said that L is required to be 0.1 mm or more in order to suppress the occurrence of cracks. In the following, this point will be analyzed.
係るクラックの発生は、隣り合う発電素子部A,A間を短絡する電流(以下、「短絡電流」と呼ぶ。)に起因するのではないか、と推定される。以下、この点について図13を参照しながら説明する。上述した図4に示すように、作動中の燃料電池では、矢印Cで示すように電流が流れる。この「電流の流れ」は、より具体的には図13に示すように、「矢印Eで示す電子e-の流れ」と、「矢印Iで示す酸化物イオン(酸素イオンO2-)の流れ」から構成される。 The occurrence of such cracks is presumed to be caused by a current that short-circuits between the adjacent power generation element portions A and A (hereinafter referred to as “short-circuit current”). Hereinafter, this point will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 4 described above, in the operating fuel cell, a current flows as shown by an arrow C. More specifically, the “current flow” includes, as shown in FIG. 13, “electron e − flow indicated by arrow E” and “oxide ion (oxygen ion O 2− ) flow indicated by arrow I”. Is comprised.
ここで、「矢印Iで示す酸化物イオンの流れ」は、固体電解質膜が有する特性に基づくものである。即ち、固体電解質膜では、以下の条件X,Y,Zが成立すると、一方側の面から他方側の面への酸化物イオンの流れが発生する。この酸化物イオンの流れ(イオン伝導性)は、一方側の面と他方側の面との間の距離(固体電解質膜の厚さに相当)が小さいほどより活発となる。
条件X:一方側の面に、上述した(1)式に示す反応を促進する触媒(空気極)が存在すること;
条件Y:他方側の面に、上述した(2)式に示す反応を促進する触媒(燃料極)が存在すること;
条件Z:一方側の面に曝されるガスの酸素分圧が他方側の面に曝されるガスの酸素分圧より大きいこと。
Here, the “flow of oxide ions indicated by arrow I” is based on the characteristics of the solid electrolyte membrane. That is, in the solid electrolyte membrane, when the following conditions X, Y, and Z are satisfied, a flow of oxide ions from one surface to the other surface is generated. The flow of oxide ions (ion conductivity) becomes more active as the distance between the one side surface and the other side surface (corresponding to the thickness of the solid electrolyte membrane) is smaller.
Condition X: the presence of a catalyst (air electrode) that promotes the reaction represented by the above-described formula (1) on one surface;
Condition Y: The presence of a catalyst (fuel electrode) that promotes the reaction shown in the above formula (2) on the other surface;
Condition Z: The oxygen partial pressure of the gas exposed to the one side surface is larger than the oxygen partial pressure of the gas exposed to the other side surface.
他方、図13から理解できるように、上記実施形態では、隣り合う発電素子部A,Aの一方の燃料極20と他方の空気極50との間の領域の一部が、固体電解質である「緻密膜」(符号41を参照)を介して接続されている。換言すれば、隣り合う発電素子部A,Aの一方の燃料極20と他方の空気極50との間に介在する「緻密膜」についても、上述した条件X,Y,Zが成立している。この結果、図13に示すように、「矢印I’で示す酸化物イオンの流れ」が生じ得る。この流れは、隣り合う発電素子部A,A間を短絡する電流(上記短絡電流)となる。
On the other hand, as can be understood from FIG. 13, in the above-described embodiment, a part of the region between one
この短絡電流は、隣り合う発電素子部A,Aの一方の燃料極20と他方の空気極50との間の最短経路を通る。従って、燃料極20において短絡電流に対応する酸化物イオンが流入してくる場所は、燃料極20の端部における「緻密膜」と接触する部分の近傍になる。この場所は、「緻密膜」の近傍であることにより、燃料ガスが滞留し易い場所であるといえる。このように燃料ガスが滞留し易い場所において、酸化物イオンの流入に伴って上述した(2)式に示す発電反応が起こる。即ち、燃料ガスが消費される。
This short circuit current passes through the shortest path between one
従って、この場所における燃料ガス濃度が減少し、これに伴い、この場所における酸素分圧が増大する。酸素分圧が増大すると、燃料極20内のNiがNiOに再酸化し得る。この結果、燃料極20が局所的に膨張する。加えて、上述した(2)式に示す発電反応は発熱反応である。従って、燃料極20における上記場所に熱が集中し、この結果、燃料極20に局所的に熱応力が発生する。
Therefore, the fuel gas concentration at this location decreases, and accordingly, the oxygen partial pressure at this location increases. When the oxygen partial pressure increases, Ni in the
Lが小さいと(即ち、Lが0.1mm未満の場合)、隣り合う発電素子部A,Aの一方の燃料極20と他方の空気極50との間の距離も十分に小さくなる。この結果、「矢印I’で示す酸化物イオンの流れ」は、「矢印Iで示す酸化物イオンの流れ」に対して無視し得ない程度に活発に発生し得る。換言すれば、無視し得ない程度に大きい短絡電流が流れ得る。この結果、上述した「燃料極20の局所的な膨張」、並びに、「燃料極20の局所的な熱応力」が顕著となり、「緻密膜」にクラックが発生し易くなる、と考えられる。
When L is small (that is, when L is less than 0.1 mm), the distance between one
一方、Lが十分に大きいと(即ち、Lが0.1mm以上の場合)、隣り合う発電素子部A,Aの一方の燃料極20と他方の空気極50との間の距離も十分に大きくなり、実際には、「矢印I’で示す酸化物イオンの流れ」は、「矢印Iで示す酸化物イオンの流れ」に対して無視し得る程度にしか発生しない。この結果、上述した「燃料極20の局所的な膨張」、並びに、「燃料極20の局所的な熱応力」が殆ど発生せず、「緻密膜」にクラックが発生し難い、と考えられる。
On the other hand, when L is sufficiently large (that is, when L is 0.1 mm or more), the distance between one
以上より、tが10〜100μmの範囲内の燃料電池について、Lが0.1mm以上であると、緻密膜又は緻密膜の周辺にクラックが発生し難くなる。ただし、表1から理解できるように、Lが大きいほど有効発電面積率が減少する。有効発電面積率が減少すると、燃料電池の発電出力が小さくなる。従って、燃料電池の十分な発電出力を確保する上では、Lが5mm以下であることが望ましい。 From the above, for fuel cells in the range of t to 10 to 100 μm, if L is 0.1 mm or more, cracks hardly occur around the dense film or the dense film. However, as can be understood from Table 1, as L increases, the effective power generation area ratio decreases. When the effective power generation area ratio decreases, the power generation output of the fuel cell decreases. Therefore, in order to ensure sufficient power generation output of the fuel cell, it is desirable that L is 5 mm or less.
以上、本発明の実施形態について説明した。本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記実施形態では、「緻密膜」と発電素子部A内の固体電解質膜40とが同じ材料からなり、且つ、「緻密膜」と発電素子部A内の固体電解質膜40とがディッピングにより同時に形成されているが、「緻密膜」と発電素子部A内の固体電解質膜40とが異なる材料から構成されてもよいし、「緻密膜」と発電素子部A内の固体電解質膜40とが個別に形成されてもよい。また、「緻密膜」と発電素子部A内の固体電解質膜40とがディッピングとは異なる手法を用いて形成されてもよい。
The embodiment of the present invention has been described above. The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be employed within the scope of the present invention. For example, in the above embodiment, the “dense membrane” and the
加えて、上記実施形態では、支持基板10が平板状を呈し、且つ支持基板10の内部に複数の燃料ガス流路11が設けられているが、支持基板10は、円筒状を呈していてもよく、また、燃料ガス流路11の数は1つでもよいことはいうまでもない。その他、本発明の範囲内で種々の変更を施すことが可能である。
In addition, in the above-described embodiment, the
10…支持基板、11…燃料ガス流路、20…燃料極、21…集電燃料極、22…活性燃料極、30…インターコネクタ、40…固体電解質膜、50…空気極、60…発電素子接続部材、A…発電素子部
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記支持基板の外側面における互いに離れた複数の箇所にそれぞれ設けられ、少なくとも内側電極、固体電解質膜、及び外側電極が積層されてなる複数の発電素子部であって、前記各内側電極が前記支持基板の外側面から外側に突出するように設けられた複数の発電素子部と、
1組又は複数組の隣り合う前記発電素子部の間にそれぞれ形成され、前記隣り合う発電素子部の一方の内側電極と他方の外側電極とを電気的に接続する1つ又は複数の電気的接続部と、
1組又は複数組の隣り合う前記発電素子部の間にそれぞれ形成され、前記内側電極に供給されるガスと前記外側電極に供給されるガスとの混合を防止する緻密膜であって、前記発電素子部内の前記固体電解質膜と同じ又は異なる材料からなる固体電解質から構成されていて、前記支持基板の外側面から突出する隣り合う前記内側電極における互いに向き合う両端部、並びに、前記隣り合う内側電極の間の前記支持基板の外側面を連続して覆うように、且つ、前記発電素子部内の前記固体電解質膜と連続して形成された緻密膜と、
を備えた燃料電池の構造体において、
前記発電素子部内の前記固体電解質膜の厚さ(t)が10〜100μmであり、
前記隣り合う内側電極における互いに向き合う両端の間の距離(L)が0.1mm以上である、燃料電池の構造体。 A porous support substrate having a gas flow path formed therein;
A plurality of power generating element portions, each provided at a plurality of locations separated from each other on the outer surface of the support substrate, wherein at least an inner electrode, a solid electrolyte membrane, and an outer electrode are stacked, each inner electrode being the support A plurality of power generation element portions provided to protrude outward from the outer surface of the substrate;
One or a plurality of electrical connections that are formed between one or a plurality of adjacent power generation element portions and electrically connect one inner electrode and the other outer electrode of the adjacent power generation element portions. And
A dense film formed between one or a plurality of adjacent power generation element portions, which prevents mixing of gas supplied to the inner electrode and gas supplied to the outer electrode, It is composed of a solid electrolyte made of the same or different material as the solid electrolyte membrane in the element portion, and both end portions facing each other in the adjacent inner electrodes protruding from the outer surface of the support substrate, and the adjacent inner electrodes A dense membrane formed so as to continuously cover the outer surface of the support substrate in between and continuously with the solid electrolyte membrane in the power generation element portion;
In a fuel cell structure comprising:
The thickness (t) of the solid electrolyte membrane in the power generation element portion is 10 to 100 μm,
A structure of a fuel cell, wherein a distance (L) between opposite ends of the adjacent inner electrodes is 0.1 mm or more.
前記緻密膜が前記固体電解質膜と同じ材料からなり、
前記固体電解質膜と前記緻密膜とが同じ材料からなるスラリーを使用したディッピング法を用いて形成された、燃料電池の構造体。 The fuel cell structure according to claim 1,
The dense membrane is made of the same material as the solid electrolyte membrane,
A structure of a fuel cell, wherein the solid electrolyte membrane and the dense membrane are formed using a dipping method using a slurry made of the same material.
前記電気的接続部は、
前記隣り合う発電素子部の一方の内側電極の外側面に形成されたインターコネクタと、
前記インターコネクタと前記隣り合う発電素子部の他方の外側電極とを電気的に接続する多孔質材料からなる接続部材であって、前記緻密膜における前記隣り合う内側電極の間の部分を覆うように形成された接続部材と、
を含んで構成された、燃料電池の構造体。 In the structure of the fuel cell according to claim 1 or 2,
The electrical connection is
An interconnector formed on the outer surface of one inner electrode of the adjacent power generation element part;
A connecting member made of a porous material for electrically connecting the interconnector and the other outer electrode of the adjacent power generation element portion so as to cover a portion between the adjacent inner electrodes in the dense film A formed connection member;
A structure of a fuel cell comprising:
前記内側電極及び前記外側電極はそれぞれ、燃料極及び空気極であり、
前記支持基板の内部に形成されたガス流路は、燃料ガス用の流路であり、
前記燃料極は、前記固体電解質膜に接する燃料極活性部と、前記燃料極活性部以外の残りの部分である燃料極集電部とから構成された、燃料電池の構造体。 In the structure of the fuel cell according to any one of claims 1 to 3,
The inner electrode and the outer electrode are a fuel electrode and an air electrode, respectively.
The gas flow path formed inside the support substrate is a flow path for fuel gas,
The fuel electrode is a fuel cell structure comprising a fuel electrode active part in contact with the solid electrolyte membrane and a fuel electrode current collector part which is the remaining part other than the fuel electrode active part.
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