JP2013157234A

JP2013157234A - Solid oxide fuel cell

Info

Publication number: JP2013157234A
Application number: JP2012017629A
Authority: JP
Inventors: Toshihiro Matsuno; 敏博松野; Masahiro Shibata; 昌宏柴田; Keizo Furusaki; 圭三古崎
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2012-01-31
Filing date: 2012-01-31
Publication date: 2013-08-15
Anticipated expiration: 2032-01-31
Also published as: JP5844167B2

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a more reliable solid oxide fuel cell that ensures stable electrical continuity between an electrode layer and a metal collector.SOLUTION: A solid oxide fuel cell includes a metal collector 66. The metal collector 66 is electrically connected to a connector plate 51. Also, the metal collector 66 is arranged between the connector plate 51 and an electrode layer 55, and is allowed to have contact with a surface of the electrode layer 55. The metal collector 66 has metal foil 21 that is composed deformably so as to be swollen toward the electrode layer 55 by pressure of gas for power generation in an internal space 20. Also, the metal foil 21 has through-holes 24 that allow the gas for power generation in the internal space 20 to pass therethrough to a side of the electrode layer 55.

Description

本発明は、固体電解質層と電極層とを有する燃料電池セル本体、電極層の表面に対向して配置されるコネクタプレート、及び、コネクタプレートと電極層との間に配置される金属集電体を備えた固体酸化物形燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell body having a solid electrolyte layer and an electrode layer, a connector plate disposed to face the surface of the electrode layer, and a metal current collector disposed between the connector plate and the electrode layer The present invention relates to a solid oxide fuel cell comprising:

従来より、燃料電池として、例えば固体電解質層（固体酸化物層）を備えた固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell ；ＳＯＦＣ）が知られている。このＳＯＦＣは、燃料ガスに接する燃料極層と酸化剤ガスに接する空気極層とが固体電解質層の表面及び裏面にそれぞれ配置された燃料電池セル本体を備えている。そして、燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素とが固体電解質層を介して反応（発電反応）することにより、空気極層を正極、燃料極層を負極とする直流の電力が発生するようになる。なお、燃料電池セル本体は、空気極層の表面に金属集電体（及びインターコネクタ）を接触させた状態で使用されるため、金属集電体が正極となる。 Conventionally, as a fuel cell, for example, a solid oxide fuel cell (SOFC) including a solid electrolyte layer (solid oxide layer) is known. This SOFC includes a fuel cell main body in which a fuel electrode layer in contact with a fuel gas and an air electrode layer in contact with an oxidant gas are respectively disposed on the front and back surfaces of the solid electrolyte layer. Then, hydrogen in the fuel gas and oxygen in the oxidant gas react (power generation reaction) through the solid electrolyte layer, thereby generating DC power with the air electrode layer as the positive electrode and the fuel electrode layer as the negative electrode. It becomes like this. Since the fuel cell body is used in a state where the metal current collector (and the interconnector) is in contact with the surface of the air electrode layer, the metal current collector becomes the positive electrode.

ところで、一般的に、固体電解質層はイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などの材料で形成され、インターコネクタは金属などの材料で形成され、金属集電体はＬＳＣＦ（Ｌａ_０．６Ｓｒ_０．４ＣＯ_０．２Ｆｅ_０．８Ｏ_３）などの材料で形成される。しかし、これらの材料は比較的硬くて脆い材料であるため、燃料電池セル本体を複数積層してなる燃料電池スタックをボルトの締め付けによって構成しようとすると、固体電解質層が割れる可能性がある。そこで、弾性を有する材料やスポンジ状の材料を用いてインターコネクタや金属集電体を形成することにより、固体電解質層の割れを防止する技術が提案されている（例えば特許文献１参照）。 By the way, generally, the solid electrolyte layer is made of a material such as yttria stabilized zirconia (YSZ), the interconnector is made of a material such as metal, and the metal current collector is LSCF (La _0.6 Sr _0.4). CO _0.2 Fe _0.8 O ₃ ) or the like. However, since these materials are relatively hard and brittle materials, if a fuel cell stack formed by laminating a plurality of fuel cell main bodies is configured by tightening bolts, the solid electrolyte layer may break. Therefore, a technique for preventing the cracking of the solid electrolyte layer by forming an interconnector or a metal current collector using an elastic material or a sponge-like material has been proposed (see, for example, Patent Document 1).

特開２００５−２５９５８１号公報（図１等）JP 2005-259581 A (FIG. 1 etc.)

ところが、燃料電池の起動時や起動後に周囲の空気が高温になると、金属集電体の弾性が低下したり、インターコネクタが熱変形したりする可能性が高い。その結果、空気極層と金属集電体とが離間して導通しなくなり、燃料電池が機能しなくなるという問題が生じてしまう。 However, when the ambient air becomes hot at the time of starting or after starting the fuel cell, there is a high possibility that the elasticity of the metal current collector is lowered or the interconnector is thermally deformed. As a result, there is a problem that the air electrode layer and the metal current collector are separated from each other and do not conduct, and the fuel cell does not function.

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、電極層と金属集電体との導通を安定的に確保することにより、信頼性を高くすることが可能な固体酸化物形燃料電池を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and its object is to provide a solid oxide capable of increasing reliability by stably ensuring conduction between the electrode layer and the metal current collector. To provide a fuel cell.

上記課題を解決するための手段（手段１）としては、固体電解質層と該固体電解質層の表面及び裏面にそれぞれ配置されて発電用ガスに接する電極層とを有し、発電反応により電力を発生する燃料電池セル本体と、前記電極層の表面に対向して配置されるコネクタプレートと、前記コネクタプレートに電気的に接続されるとともに、前記コネクタプレートと前記電極層との間に配置され、前記電極層の表面に接触可能な金属集電体とを備えた固体酸化物形燃料電池であって、前記金属集電体は、前記コネクタプレートとともに前記発電用ガスが流れる内部空間を区画する金属箔を備え、前記金属箔は、前記内部空間内の前記発電用ガスの圧力によって前記電極層側に膨らむように変形可能に構成され、さらに、前記金属箔は、前記内部空間内の前記発電用ガスを前記電極層側に通過させるための貫通孔を備え、前記貫通孔からなる貫通孔形成領域が、前記電極層の厚さ方向から見たときに前記電極層の外形線で区画される表面領域内に配置され、前記貫通孔形成領域の面積が前記表面領域の面積以下に設定されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池がある。 Means for solving the above problems (Means 1) includes a solid electrolyte layer and electrode layers disposed on the front and back surfaces of the solid electrolyte layer and in contact with the power generation gas, and generates power by a power generation reaction. A fuel battery cell body, a connector plate disposed opposite to the surface of the electrode layer, and electrically connected to the connector plate, and disposed between the connector plate and the electrode layer, A solid oxide fuel cell comprising a metal current collector that can contact a surface of an electrode layer, wherein the metal current collector is a metal foil that defines an internal space through which the power generation gas flows together with the connector plate The metal foil is configured to be deformable so as to swell toward the electrode layer due to the pressure of the power generation gas in the internal space, and the metal foil is further formed in the internal space. A through hole for allowing the power generation gas to pass to the electrode layer side is provided, and a through hole forming region including the through hole is defined by an outline of the electrode layer when viewed from the thickness direction of the electrode layer. There is a solid oxide fuel cell, wherein the area of the through hole forming region is set to be equal to or less than the area of the surface region.

手段１に記載の発明によると、コネクタプレートと金属箔とによって区画された内部空間内の発電用ガスが貫通孔を介して電極層側に通過すると、金属箔は、内部空間内の発電用ガスの圧力によって電極層側に膨らむように変形する。その結果、固体酸化物形燃料電池の起動時には、金属箔が電極層の表面に常時接触するようになるため、例えばコネクタプレートや燃料電池セル本体などが変形した場合であっても、電極層と金属箔（金属集電体）との導通を安定的に確保することができる。しかも、金属箔は、発電用ガスを電極層側に通過させるための貫通孔を備えるため、電極層への発電用ガスの供給を、発電用ガスの圧力による金属箔の変形（導通の確保）と同時に行うことができる。従って、固体酸化物形燃料電池を確実に機能させることが可能になるため、固体酸化物形燃料電池の信頼性を高くすることができる。 According to the invention described in the means 1, when the power generation gas in the internal space defined by the connector plate and the metal foil passes through the through hole to the electrode layer side, the metal foil is used for the power generation gas in the internal space. It is deformed so as to swell toward the electrode layer side by the pressure of. As a result, when the solid oxide fuel cell is started up, the metal foil always comes into contact with the surface of the electrode layer. For example, even when the connector plate or the fuel cell body is deformed, the electrode layer Conductivity with the metal foil (metal current collector) can be stably secured. Moreover, since the metal foil has a through-hole for allowing the power generation gas to pass to the electrode layer side, the power generation gas is supplied to the electrode layer by deformation of the metal foil due to the pressure of the power generation gas (ensuring conduction). Can be done at the same time. Therefore, since the solid oxide fuel cell can be reliably functioned, the reliability of the solid oxide fuel cell can be increased.

燃料電池セル本体を構成する固体電解質層は、電極層に接する発電用ガスの一部がイオンとなって移動する性質（イオン電導性）を有している。なお、固体電解質層中を移動するイオンとしては、例えば酸素イオンや水素イオンなどが挙げられる。また、電極層は、固体電解質層の表面側に配置され発電用ガスである酸化剤ガスに接する空気極層、及び、固体電解質層の裏面側に配置され発電用ガスである燃料ガスに接する燃料極層であることがよい。この場合、金属集電体は、コネクタプレートと空気極層との間に配置されるようになる。 The solid electrolyte layer constituting the fuel cell main body has a property (ion conductivity) in which a part of the power generation gas in contact with the electrode layer moves as ions. Examples of ions that move in the solid electrolyte layer include oxygen ions and hydrogen ions. The electrode layer is disposed on the surface side of the solid electrolyte layer and contacts the oxidant gas that is a power generation gas, and the fuel is disposed on the back side of the solid electrolyte layer and contacts the fuel gas that is the power generation gas. It is good that it is an extreme layer. In this case, the metal current collector is disposed between the connector plate and the air electrode layer.

固体電解質層（固体酸化物層）の形成材料としては、例えばＺｒＯ_２系セラミック、ＬａＧａＯ_３系セラミック、ＢａＣｅＯ_３系セラミック、ＳｒＣｅＯ_３系セラミック、ＳｒＺｒＯ_３系セラミック、ＣａＺｒＯ_３系セラミックなどがある。 Examples of the material for forming the solid electrolyte layer (solid oxide layer) include ZrO ₂ ceramics, LaGaO ₃ ceramics, BaCeO ₃ ceramics, SrCeO ₃ ceramics, SrZrO ₃ ceramics, and CaZrO ₃ ceramics.

また、燃料電池セル本体を構成する燃料極層は、例えば還元剤となる燃料ガスと固体電解質層内を移動してきた酸素イオンとを反応させる機能を有することにより、燃料電池セル本体における負電極として機能する。ここで、燃料極層の形成材料としては、例えば、希土類元素（Ｓｃ、Ｙなど）により安定化されたＺｒＯ_２系セラミック、及び、希土類元素（Ｓｍ、Ｇｄなど）をドープしたＣｅＯ_２系セラミック等のうち、少なくとも１つのセラミック材料と、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｆｅ等の金属材料及びそれら金属材料の合金のうちの少なくとも１つと、を混合した金属セラミック材料の混合物（サーメット）を使用することができる。 In addition, the fuel electrode layer constituting the fuel cell body has a function of reacting, for example, a fuel gas serving as a reducing agent and oxygen ions that have moved in the solid electrolyte layer, thereby serving as a negative electrode in the fuel cell body. Function. Here, as the material for forming the fuel electrode layer, for example, ZrO ₂ ceramics stabilized by rare earth elements (Sc, Y, etc.), CeO ₂ ceramics doped with rare earth elements (Sm, Gd, etc.), etc. Metal ceramic material in which at least one ceramic material is mixed with at least one of metal materials such as Pt, Au, Ag, Pd, Ir, Ru, Rh, Ni, Fe and alloys of these metal materials A mixture of cermets can be used.

また、燃料ガスとしては、例えば、水素ガス、炭化水素ガス、水素ガスと炭化水素ガスとの混合ガスなどが挙げられる。燃料ガスとして炭化水素ガスを選択した場合、炭化水素ガスの種類は特に限定されないが、例えば、天然ガス、ナフサ、石炭ガス化ガス等であることが好ましい。なお、水中にガス（水素ガス、炭化水素ガス、混合ガス）を通過させて加湿することによって得られる燃料ガスや、ガス（水素ガス、炭化水素ガス、混合ガス）に水蒸気を混合させることによって得られる燃料ガスを選択してもよい。また、１種類の燃料ガスのみを用いてもよいし、複数種類の燃料ガスを併用してもよい。さらに、燃料ガスは、窒素やアルゴン等の不活性ガスを含有していてもよい。また、液体の原料を気化したものを燃料ガスとして使用したり、水素ガス以外のガスを改質して生成した水素ガスを燃料ガスとして使用したりすることもできる。 Moreover, as fuel gas, hydrogen gas, hydrocarbon gas, the mixed gas of hydrogen gas and hydrocarbon gas, etc. are mentioned, for example. When the hydrocarbon gas is selected as the fuel gas, the type of the hydrocarbon gas is not particularly limited, but is preferably natural gas, naphtha, coal gasification gas, or the like. It is obtained by mixing water vapor with fuel gas obtained by passing gas (hydrogen gas, hydrocarbon gas, mixed gas) in water and humidifying it, or gas (hydrogen gas, hydrocarbon gas, mixed gas). The fuel gas to be used may be selected. Further, only one type of fuel gas may be used, or a plurality of types of fuel gas may be used in combination. Further, the fuel gas may contain an inert gas such as nitrogen or argon. Moreover, what vaporized the liquid raw material can be used as fuel gas, or hydrogen gas produced by reforming a gas other than hydrogen gas can be used as fuel gas.

燃料電池セル本体を構成する空気極層は、酸化剤となる酸化剤ガスと接触し、燃料電池セル本体における正電極として機能する。ここで、空気極層の形成材料としては、例えば、金属材料、金属の酸化物、金属の複合酸化物などを挙げることができる。金属材料の好適例としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ等やそれらの合金などがある。金属の酸化物の好適例としては、例えば、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｆｅの酸化物（Ｌａ_２Ｏ_３、ＳｒＯ、Ｃｅ_２Ｏ_３、Ｃｏ_２Ｏ_３、ＭｎＯ_２、ＦｅＯ）などがある。金属の複合酸化物の好適例としては、例えば、Ｌａ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎを含有する複合酸化物（Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏＯ_３系複合酸化物、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＦｅＯ_３系複合酸化物、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏ_１−ｙＦｅ_ｙＯ_３系複合酸化物、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＭｎＯ_３系複合酸化物、Ｐｒ_１−ｘＢａ_ｘＣｏＯ_３系複合酸化物、Ｓｍ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏＯ_３系複合酸化物）などがある。 The air electrode layer constituting the fuel cell main body is in contact with an oxidant gas serving as an oxidant, and functions as a positive electrode in the fuel cell main body. Here, examples of the material for forming the air electrode layer include metal materials, metal oxides, metal composite oxides, and the like. Preferable examples of the metal material include Pt, Au, Ag, Pd, Ir, Ru, Rh, etc., and alloys thereof. Preferable examples of the metal oxide include La, Sr, Ce, Co, Mn, Fe oxide (La ₂ O ₃ , SrO, Ce ₂ O ₃ , Co ₂ O ₃ , MnO ₂ , FeO), etc. There is. Preferable examples of metal composite oxides include, for example, composite oxides containing La, Pr, Sm, Sr, Ba, Co, Fe, and Mn (La _1-x Sr _x CoO ₃ -based composite oxide, La _{1 -x} Sr _x FeO _3-based composite _{_{_{oxide, La 1-x Sr x Co}}} 1-y Fe y O 3 composite _{_{oxide, La 1-x Sr x MnO}} 3 composite _oxide, Pr _1-x Ba _x CoO ₃ type composite oxide, Sm _1-x Sr _x CoO ₃ type composite oxide) and the like.

また、酸化剤ガスとしては、例えば、酸素と他の気体との混合ガスなどが挙げられる。この混合ガスは、窒素やアルゴン等の不活性ガスを含有していてもよい。なお、混合ガスは、安全で安価な空気であることが好ましい。 Examples of the oxidant gas include a mixed gas of oxygen and another gas. This mixed gas may contain an inert gas such as nitrogen or argon. The mixed gas is preferably safe and inexpensive air.

また、金属集電体は、コネクタプレートとともに発電用ガスが流れる内部空間を区画する金属箔を備えている。ここで、金属箔の形成材料としては、例えばアルミニウム、銅、銀、鉄、コバルト、ニッケル、及び、ＺＭＧ２３２Ｌ（日立金属株式会社の登録商標）などが挙げられる。なお、金属箔の厚さは、例えば５μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。このようにすれば、金属箔の厚さが５μｍ以上であることにより、金属箔の強度が確保されるため、内部空間内の発電用ガスの圧力に起因する金属箔の破損を防止することができる。また、金属箔の厚さが１００μｍ以下であることにより、金属箔が変形しやすい厚さとなるため、発電用ガスの流量が少ない場合においても金属箔を確実に膨らませることができる。 The metal current collector is provided with a metal foil that partitions the internal space through which the power generation gas flows together with the connector plate. Here, examples of the metal foil forming material include aluminum, copper, silver, iron, cobalt, nickel, and ZMG232L (registered trademark of Hitachi Metals, Ltd.). In addition, it is preferable that the thickness of metal foil is 5 micrometers or more and 100 micrometers or less, for example. In this way, since the strength of the metal foil is ensured when the thickness of the metal foil is 5 μm or more, it is possible to prevent the metal foil from being damaged due to the pressure of the power generation gas in the internal space. it can. Moreover, since the thickness of the metal foil is 100 μm or less, the thickness of the metal foil is easily deformed, so that the metal foil can be reliably expanded even when the flow rate of the power generation gas is small.

さらに、金属箔は、内部空間内の発電用ガスを電極層側に通過させるための貫通孔を備えている。なお、金属箔の全面積に対して貫通孔が占める割合は、１０％以上９０％以下であることが好ましい。仮に、金属箔の全面積に対して貫通孔が占める割合が１０％未満になると、内部空間内の発電用ガスが貫通孔を介して電極層側に通過しにくくなる。その結果、発電用ガスを電極層にあまり接触させることができないため、燃料電池セル本体の発電性能が低下してしまう。一方、金属箔の全面積に対して貫通孔が占める割合が９０％よりも高くなると、内部空間内の発電用ガスが多く貫通孔を通過するため、内部空間内の発電用ガスの圧力が低くなる。この場合、金属箔があまり電極層側に膨らまなくなるため、金属箔が電極層の表面に接触しにくくなり、電極層と金属箔との導通を安定的に確保できなくなる。ここで、「金属箔の全面積」とは、金属箔において電極層に接触する領域の面積をいう。 Furthermore, the metal foil includes a through hole for allowing the power generation gas in the internal space to pass to the electrode layer side. In addition, it is preferable that the ratio for which a through-hole accounts with respect to the whole area of metal foil is 10% or more and 90% or less. If the ratio of the through holes to the total area of the metal foil is less than 10%, the power generation gas in the internal space is difficult to pass through the through holes to the electrode layer side. As a result, since the power generation gas cannot be brought into contact with the electrode layer much, the power generation performance of the fuel cell body is degraded. On the other hand, if the ratio of the through holes to the entire area of the metal foil is higher than 90%, a large amount of power generation gas in the internal space passes through the through holes, so the pressure of the power generation gas in the internal space is low. Become. In this case, since the metal foil does not swell so much to the electrode layer side, it becomes difficult for the metal foil to come into contact with the surface of the electrode layer, and the conduction between the electrode layer and the metal foil cannot be secured stably. Here, the “total area of the metal foil” refers to the area of the region in contact with the electrode layer in the metal foil.

また、貫通孔の配置態様は特に限定されないが、燃料電池セル本体の平面視での形状等に合わせて適宜設定されることが好ましい。例えば、燃料電池セル本体が平面視矩形状をなす場合、貫通孔は貫通孔形成領域内においてアレイ状に配置されていることが好ましい。このようにすれば、貫通孔形成領域内に多くの貫通孔を効率良く配置することができる。また、貫通孔は、金属箔において電極層と接触する部分に少なくとも１個以上配置されることがよいが、さらには金属箔において電極層と接触しない部分に配置されていてもよい。 Moreover, although the arrangement | positioning aspect of a through-hole is not specifically limited, It is preferable to set suitably according to the shape etc. of planar view of a fuel cell main body. For example, when the fuel cell body has a rectangular shape in plan view, the through holes are preferably arranged in an array in the through hole forming region. If it does in this way, many through-holes can be efficiently arranged in a through-hole formation field. Further, at least one through hole is preferably disposed in a portion of the metal foil that contacts the electrode layer, but may be disposed in a portion of the metal foil that does not contact the electrode layer.

さらに、内部空間内には、金属箔とコネクタプレートとの熱による固着を防止する焼き付け防止部材が配置されることが好ましい。このようにすれば、固体酸化物形燃料電池の起動時や起動後に周囲の温度が高温になったとしても、金属箔とコネクタプレートとの固着を防止でき、ひいては、電極層と金属箔との導通をよりいっそう安定的に確保することができる。なお、焼き付け防止部材は、高温（７００℃〜８００℃程度）時でも変形したり溶けたりしない程度の耐熱性を有する材料によって形成されることが好ましい。また、焼き付け防止部材は、内部空間の一部分のみを占める比較的小さなものであってもよいし、内部空間の殆どを占める比較的大きなものであってもよい。特に、焼き付け防止部材が比較的大きなものである場合、焼き付け防止部材は、発電用ガスの流通を妨げにくい多孔質体によって形成されることが好ましい。なお、焼き付け防止部材が多孔質体ではない場合、焼き付け防止部材は、発電用ガスの流通を妨げにくい形状、例えば、表面に多数の溝を有する形状などに形成されることが好ましい。 Furthermore, it is preferable that an anti-seize member that prevents the metal foil and the connector plate from sticking due to heat is disposed in the internal space. In this way, the metal foil and the connector plate can be prevented from sticking even when the ambient temperature becomes high at the time of starting or after starting the solid oxide fuel cell. It is possible to secure conduction more stably. In addition, it is preferable that the anti-seize member is formed of a material having heat resistance that does not deform or melt even at high temperatures (about 700 ° C. to 800 ° C.). The anti-seize member may be a relatively small member that occupies only a part of the internal space, or may be a relatively large member that occupies most of the internal space. In particular, when the anti-seize member is relatively large, it is preferable that the anti-seize member is formed of a porous body that does not easily disturb the flow of the power generation gas. When the anti-seize member is not a porous body, the anti-seize member is preferably formed in a shape that does not hinder the flow of power generation gas, for example, a shape having a number of grooves on the surface.

また、金属箔は、電極層との接触面から電極層側に突出する凸部を備えるとともに、凸部の先端部が電極層に接触するものであってもよい。このようにすれば、金属箔が凸部を介して電極層に接触するため、電極層と金属箔との間には隙間が生じるようになる。従って、貫通孔を通過した発電用ガスを、生じた隙間を介して電極層の表面全体に行き渡らせることができるため、固体酸化物形燃料電池をより確実に機能させることができる。なお、凸部の形状としては、平面視四角形状、平面視長方形状、平面視円形状、平面視楕円形状などが挙げられる。 In addition, the metal foil may include a convex portion that protrudes from the contact surface with the electrode layer to the electrode layer side, and the tip portion of the convex portion may contact the electrode layer. If it does in this way, since metal foil contacts an electrode layer via a convex part, a crevice will arise between an electrode layer and metal foil. Therefore, since the power generation gas that has passed through the through hole can be spread over the entire surface of the electrode layer through the generated gap, the solid oxide fuel cell can be made to function more reliably. In addition, as a shape of a convex part, planar view rectangular shape, planar view rectangular shape, planar view circular shape, planar view elliptical shape etc. are mentioned.

本実施形態における固体酸化物形燃料電池を示す概略斜視図。The schematic perspective view which shows the solid oxide fuel cell in this embodiment. 図１のＡ−Ａ線断面図。AA sectional view taken on the line AA of FIG. 燃料電池セル本体を示す概略断面図。The schematic sectional drawing which shows a fuel cell main body. 金属箔を示す概略平面図。The schematic plan view which shows metal foil. 図４のＢ−Ｂ線断面図。BB sectional drawing of FIG. 空気の流れを説明するための図。The figure for demonstrating the flow of air. 他の実施形態における燃料電池セル本体を示す要部断面図。The principal part sectional drawing which shows the fuel cell main body in other embodiment. 他の実施形態における金属箔を示す概略平面図。The schematic plan view which shows the metal foil in other embodiment. 図８のＣ−Ｃ線断面図。The CC sectional view taken on the line of FIG. 他の実施形態における金属箔を示す概略平面図。The schematic plan view which shows the metal foil in other embodiment.

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。 Hereinafter, an embodiment embodying the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図１，図２に示されるように、本実施形態の燃料電池１は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。燃料電池１は、縦１８０ｍｍ×横１８０ｍｍ×高さ８０ｍｍの略直方体状をなす燃料電池スタック１０を備えている。燃料電池スタック１０は、発電反応により電力を発生する燃料電池セル本体１１を複数積層してなるものである。また、燃料電池スタック１０は、同燃料電池スタック１０を厚さ方向に貫通する８つの貫通孔４０を有している。なお、燃料電池スタック１０の四隅にある４つの貫通孔４０に締結ボルト４１を挿通させ、燃料電池スタック１０の下面から突出する締結ボルト４１の下端部分にナット（図示略）を螺着させる。また残り４つの貫通孔４０にガス流通用締結ボルト４２を挿通させ、燃料電池スタック１０の上面及び下面から突出するガス流通用締結ボルト４２の両端部分にナット４３を螺着させる。その結果、複数の燃料電池セル本体１１が固定されるようになっている。 As shown in FIGS. 1 and 2, the fuel cell 1 of the present embodiment is a solid oxide fuel cell (SOFC). The fuel cell 1 includes a fuel cell stack 10 having a substantially rectangular parallelepiped shape with a length of 180 mm × width of 180 mm × height of 80 mm. The fuel cell stack 10 is formed by stacking a plurality of fuel cell main bodies 11 that generate electric power by a power generation reaction. The fuel cell stack 10 has eight through holes 40 that penetrate the fuel cell stack 10 in the thickness direction. The fastening bolts 41 are inserted into the four through holes 40 at the four corners of the fuel cell stack 10, and a nut (not shown) is screwed to the lower end portion of the fastening bolt 41 protruding from the lower surface of the fuel cell stack 10. Further, gas circulation fastening bolts 42 are inserted into the remaining four through holes 40, and nuts 43 are screwed onto both end portions of the gas circulation fastening bolts 42 protruding from the upper and lower surfaces of the fuel cell stack 10. As a result, the plurality of fuel cell main bodies 11 are fixed.

図２，図３に示されるように、燃料電池１は、燃料電池セル本体１１と、コネクタプレート５１，６０と、空気極集電体６６（金属集電体）とを積層配置することによって構成されている。燃料電池セル本体１１は、平面視矩形状をなしており、空気極絶縁フレーム５２、セパレータ５４、空気極層５５（電極層）、固体電解質層５６、燃料極層５７（電極層）、上側絶縁フレーム５３、燃料極フレーム５８及び下側絶縁フレーム５９を順番に積層することによって構成されている。 As shown in FIGS. 2 and 3, the fuel cell 1 is configured by stacking a fuel cell body 11, connector plates 51 and 60, and an air electrode current collector 66 (metal current collector). Has been. The fuel cell body 11 has a rectangular shape in plan view, and includes an air electrode insulating frame 52, a separator 54, an air electrode layer 55 (electrode layer), a solid electrolyte layer 56, a fuel electrode layer 57 (electrode layer), and an upper insulation. The frame 53, the fuel electrode frame 58, and the lower insulating frame 59 are stacked in order.

コネクタプレート５１，６０は、耐熱性及び導電性に優れたステンレスなどの金属材料によって略矩形板状に形成されている。コネクタプレート５１は、燃料電池セル本体１１の上側に配置されるとともに、空気極層５５の表面に対向して配置されている。一方、コネクタプレート６０は、燃料電池セル本体１１の下側に配置されるとともに、燃料極層５７の表面に対向して配置されている。そして、コネクタプレート５１，６０は、燃料電池セル本体１１内にガス流路を形成するとともに、隣接する燃料電池セル本体１１同士を導通させるようになっている。詳述すると、隣接する発電セル１１同士の間に位置するコネクタプレート５１，６０は、いわゆるインターコネクタとなり、隣接する燃料電池セル本体１１同士を区画するようになっている。なお、本実施形態のコネクタプレート６０は、下側に隣接する発電セル１１のコネクタプレート５１を兼ねている。また、燃料電池スタック１０の上端部に配置されたコネクタプレート５１は上側エンドプレート１２となり、燃料電池スタック１０の下端部に配置されたコネクタプレート６０は下側エンドプレート１３となっている。両エンドプレート１２，１３は、燃料電池スタック１０を挟持しており、燃料電池スタック１０から出力される電流の出力端子となっている。なお、エンドプレート１２，１３となるコネクタプレート５１，６０は、インターコネクタとなるコネクタプレート５１，６０よりも肉厚になっている。 The connector plates 51 and 60 are formed in a substantially rectangular plate shape by a metal material such as stainless steel having excellent heat resistance and conductivity. The connector plate 51 is disposed on the upper side of the fuel cell body 11 and is disposed to face the surface of the air electrode layer 55. On the other hand, the connector plate 60 is disposed on the lower side of the fuel cell body 11 and is disposed to face the surface of the fuel electrode layer 57. The connector plates 51 and 60 form a gas flow path in the fuel cell main body 11 and make the adjacent fuel cell main bodies 11 conductive. More specifically, the connector plates 51 and 60 positioned between the adjacent power generation cells 11 serve as so-called interconnectors, and partition the adjacent fuel cell main bodies 11. Note that the connector plate 60 of the present embodiment also serves as the connector plate 51 of the power generation cell 11 adjacent to the lower side. The connector plate 51 disposed at the upper end of the fuel cell stack 10 serves as the upper end plate 12, and the connector plate 60 disposed at the lower end of the fuel cell stack 10 serves as the lower end plate 13. Both end plates 12 and 13 sandwich the fuel cell stack 10 and serve as output terminals for current output from the fuel cell stack 10. In addition, the connector plates 51 and 60 used as the end plates 12 and 13 are thicker than the connector plates 51 and 60 used as the interconnector.

図２，図３に示される燃料極フレーム５８は、ステンレスなどの導電性材料によって略矩形枠状に形成されている。よって、燃料極フレーム５８の中央部には、同燃料極フレーム５８を厚さ方向に貫通する矩形状の開口部６４が設けられている。また、空気極絶縁フレーム５２、上側絶縁フレーム５３、下側絶縁フレーム５９は、厚さ０．５ｍｍのマイカシートによって略矩形枠状に形成されている。よって、空気極絶縁フレーム５２の中央部には、同空気極フレーム５２を厚さ方向に貫通する矩形状の開口部６１が設けられている。また、上側絶縁フレーム５３の中央部には、同上側絶縁フレーム５３を厚さ方向に貫通する矩形状の開口部６３が設けられ、下側絶縁フレーム５９の中央部には、同下側絶縁フレーム５９を厚さ方向に貫通する矩形状の開口部６２が設けられている。さらに、セパレータ５４は、ステンレスなどの導電性材料によって矩形枠状に形成されている。よって、セパレータ５４の中央部には、同セパレータ５４を厚さ方向に貫通する矩形状の開口部６５が設けられている。 The fuel electrode frame 58 shown in FIGS. 2 and 3 is formed in a substantially rectangular frame shape from a conductive material such as stainless steel. Therefore, a rectangular opening 64 penetrating the fuel electrode frame 58 in the thickness direction is provided at the center of the fuel electrode frame 58. The air electrode insulating frame 52, the upper insulating frame 53, and the lower insulating frame 59 are formed in a substantially rectangular frame shape by a mica sheet having a thickness of 0.5 mm. Therefore, a rectangular opening 61 that penetrates the air electrode frame 52 in the thickness direction is provided at the center of the air electrode insulating frame 52. In addition, a rectangular opening 63 penetrating the upper insulating frame 53 in the thickness direction is provided in the central portion of the upper insulating frame 53, and the lower insulating frame 59 is provided in the central portion of the lower insulating frame 59. A rectangular opening 62 penetrating 59 in the thickness direction is provided. Furthermore, the separator 54 is formed in a rectangular frame shape using a conductive material such as stainless steel. Therefore, a rectangular opening 65 penetrating the separator 54 in the thickness direction is provided at the center of the separator 54.

図２，図３に示されるように、固体電解質層５６は、例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などのセラミック材料によって形成され、厚さ０．０１ｍｍの矩形板状をなしている。固体電解質層５６は、セパレータ５４の下面に固定されるとともに、セパレータ５４の開口部６５を塞ぐように配置されている。固体電解質層５６は、酸素イオン伝導性固体電解質体として機能するようになっている。また、固体電解質層５６の表面９１（図２，図３では上面）には、燃料電池スタック１０に供給された発電用ガスである空気（酸化剤ガス）に接する空気極層５５が貼付されている。一方、固体電解質層５６の裏面９２（図２，図３では下面）には、同じく燃料電池スタック１０に供給された発電用ガスである燃料ガスに接する燃料極層５７が貼付されている。空気極層５５は、セパレータ５４の開口部６５内に配置され、セパレータ５４と接触しないようになっている。また、燃料極層５７は、ニッケルとイットリア安定化ジルコニアとの混合物（Ｎｉ−ＹＳＺ）によって形成され、厚さ０．８ｍｍの平面視矩形状をなしている。 2 and 3, the solid electrolyte layer 56 is formed of a ceramic material such as yttria stabilized zirconia (YSZ), and has a rectangular plate shape with a thickness of 0.01 mm. The solid electrolyte layer 56 is fixed to the lower surface of the separator 54 and is disposed so as to close the opening 65 of the separator 54. The solid electrolyte layer 56 functions as an oxygen ion conductive solid electrolyte body. Further, an air electrode layer 55 that is in contact with air (oxidant gas) that is a power generation gas supplied to the fuel cell stack 10 is attached to the surface 91 (upper surface in FIGS. 2 and 3) of the solid electrolyte layer 56. Yes. On the other hand, a fuel electrode layer 57 that is in contact with the fuel gas that is the power generation gas supplied to the fuel cell stack 10 is attached to the back surface 92 (the lower surface in FIGS. 2 and 3) of the solid electrolyte layer 56. The air electrode layer 55 is disposed in the opening 65 of the separator 54 so as not to contact the separator 54. The fuel electrode layer 57 is formed of a mixture of nickel and yttria-stabilized zirconia (Ni-YSZ) and has a rectangular shape in a plan view with a thickness of 0.8 mm.

図２，図３に示されるように、本実施形態の燃料電池セル本体１１では、上側絶縁フレーム５３の開口部６３、下側絶縁フレーム５９の開口部６２、燃料極フレーム５８の開口部６４、及びコネクタプレート６０等により、セパレータ５４の下方に燃料室１５が形成されている。なお、燃料室１５内には、固体電解質層５６、燃料極層５７及び燃料極集電体６７が収容されている。 As shown in FIGS. 2 and 3, in the fuel cell body 11 of the present embodiment, the opening 63 of the upper insulating frame 53, the opening 62 of the lower insulating frame 59, the opening 64 of the fuel electrode frame 58, The fuel chamber 15 is formed below the separator 54 by the connector plate 60 and the like. In the fuel chamber 15, a solid electrolyte layer 56, a fuel electrode layer 57, and a fuel electrode current collector 67 are accommodated.

また、本実施形態の燃料電池セル本体１１では、コネクタプレート５１、及び空気極絶縁フレーム５２の開口部６１等により、セパレータ５４の上方に空気室１６が形成されるようになっている。そして、コネクタプレート５１と空気極層５５との間には、空気極集電体６６が配置されている。空気極集電体６６は、コネクタプレート５１に電気的に接続されるとともに、空気極層５５の表面に接触可能となっている。その結果、空気極５５及びコネクタプレート５１は、空気極集電体６６を介して電気的に接続されるようになる。 In the fuel cell main body 11 of the present embodiment, the air chamber 16 is formed above the separator 54 by the connector plate 51 and the opening 61 of the air electrode insulating frame 52. An air electrode current collector 66 is disposed between the connector plate 51 and the air electrode layer 55. The air electrode current collector 66 is electrically connected to the connector plate 51 and can contact the surface of the air electrode layer 55. As a result, the air electrode 55 and the connector plate 51 are electrically connected via the air electrode current collector 66.

図３〜図５に示されるように、本実施形態の空気極集電体６６は、コネクタプレート５１とともに空気が流れる内部空間２０を区画する金属箔２１である。本実施形態の金属箔２１は、厚さ５０μｍのアルミニウム箔をプレス成形することによって平面視略矩形状に形成されている。また、金属箔２１は、内部空間２０内の空気の圧力によって空気極層５５側に膨らむように変形可能に構成されている。 As shown in FIGS. 3 to 5, the air electrode current collector 66 of the present embodiment is a metal foil 21 that partitions the internal space 20 through which air flows together with the connector plate 51. The metal foil 21 of the present embodiment is formed in a substantially rectangular shape in plan view by press-molding an aluminum foil having a thickness of 50 μm. The metal foil 21 is configured to be deformable so as to swell toward the air electrode layer 55 due to the pressure of the air in the internal space 20.

詳述すると、金属箔２１の外周部は、コネクタプレート５１に溶接されている。また、金属箔２１の外周部には、同金属箔２１を厚さ方向に貫通する８つの開口部２８が設けられている。各開口部２８は、円形状をなし、燃料電池スタック１０を貫通する貫通孔４０の一部を構成している。よって、金属箔２１の四隅にある４つの開口部２８には締結ボルト４１が挿通され、残り４つの開口部２８にはガス流通用締結ボルト４２が挿通されるようになっている。 More specifically, the outer peripheral portion of the metal foil 21 is welded to the connector plate 51. Further, eight openings 28 penetrating the metal foil 21 in the thickness direction are provided on the outer peripheral portion of the metal foil 21. Each opening 28 has a circular shape and constitutes a part of a through hole 40 that penetrates the fuel cell stack 10. Therefore, the fastening bolts 41 are inserted into the four openings 28 at the four corners of the metal foil 21, and the gas circulation fastening bolts 42 are inserted into the remaining four openings 28.

また、図３〜図５に示されるように、金属箔２１の中央部には、金属箔２１のコネクタプレート５１側の面２９において開口する平面視正方形状の凹部３０が形成されている。凹部３０の底部３１は、金属箔２１の外周部よりも空気極層５５側に突出しており、底部３１の空気極層５５側の面が空気極層５５に接触する接触面２２となっている。また、底部３１は、側壁部を介して金属箔２１の外周部に接続されている。側壁部は、底部３１及び金属箔２１の外周部に対して垂直に配置されている。さらに、金属箔２１の外周部には、面２９において開口するとともに、凹部３０の内部領域と金属箔２１の外側領域とを連通させる連通凹部３２が設けられている。連通凹部３２の深さは凹部３０の深さよりも浅くなっており、連通凹部３２の幅は凹部３０の一辺の長さ（縦及び横の長さ）よりも短くなっている。なお、連通凹部３２の底部には、ガス流通用締結ボルト４２が挿通される４つの開口部２８のうちの１つが配置されている。よって、連通凹部３２の幅は、開口部２８の外径よりも大きくなっている。なお、本実施形態では、連通凹部３２の深さを凹部３０の深さよりも浅くしているが、連通凹部３２の深さは、凹部３０の深さと等しくてもよいし、凹部３０の深さより深くてもよい。また、本実施形態では、連通凹部３２の幅を凹部３０の一辺の長さよりも短くしているが、連通凹部３２の幅は凹部３０の一辺の長さと等しくてもよい。 As shown in FIGS. 3 to 5, a concave portion 30 having a square shape in plan view that is opened in the surface 29 of the metal foil 21 on the connector plate 51 side is formed in the central portion of the metal foil 21. The bottom 31 of the recess 30 protrudes toward the air electrode layer 55 from the outer periphery of the metal foil 21, and the surface of the bottom 31 on the air electrode layer 55 side serves as the contact surface 22 that contacts the air electrode layer 55. . Moreover, the bottom part 31 is connected to the outer peripheral part of the metal foil 21 through the side wall part. The side wall portion is arranged perpendicular to the bottom portion 31 and the outer peripheral portion of the metal foil 21. Furthermore, a communication recess 32 is provided in the outer peripheral portion of the metal foil 21. The communication recess 32 opens at the surface 29 and communicates the inner region of the recess 30 with the outer region of the metal foil 21. The depth of the communication recess 32 is shallower than the depth of the recess 30, and the width of the communication recess 32 is shorter than the length of one side (vertical and horizontal lengths) of the recess 30. One of the four openings 28 through which the gas circulation fastening bolt 42 is inserted is disposed at the bottom of the communication recess 32. Therefore, the width of the communication recess 32 is larger than the outer diameter of the opening 28. In the present embodiment, the depth of the communication recess 32 is shallower than the depth of the recess 30, but the depth of the communication recess 32 may be equal to the depth of the recess 30 or from the depth of the recess 30. It may be deep. In the present embodiment, the width of the communication recess 32 is shorter than the length of one side of the recess 30. However, the width of the communication recess 32 may be equal to the length of one side of the recess 30.

さらに、凹部３０の底部３１には、平面視矩形状をなす貫通孔形成領域２５が設定されている。そして、貫通孔形成領域２５内には、複数の貫通孔２４がアレイ状に配置されている。本実施形態では、説明の便宜上、貫通孔２４を５列×５列で図示したが、実際にはさらに多くの列（例えば、５０列×５０列や９列×９列など）が存在している。また、各貫通孔２４は、内部空間２０内の空気を空気極層５５側に通過させる機能を有している。各貫通孔２４は、円形状をなし、外径が１ｍｍ以上１０ｍｍ以下（本実施形態では１０ｍｍ）に設定されている。なお、貫通孔形成領域２５は、空気極層５５の厚さ方向から見たときに空気極層５５の外形線２６（図４参照）で区画される表面領域２７（図４参照）内に配置されている。即ち、貫通孔形成領域２５の面積は、表面領域２７の面積よりも小さく設定されている。さらに、金属箔２１の全面積（ここでは、金属箔２１において空気極層５５に接触する領域の面積）に対して貫通孔２４が占める割合は、本実施形態では２０％程度となっている。 Further, a through-hole forming region 25 having a rectangular shape in plan view is set at the bottom 31 of the recess 30. A plurality of through holes 24 are arranged in an array in the through hole forming region 25. In this embodiment, for convenience of explanation, the through holes 24 are illustrated in 5 rows × 5 rows, but actually there are more rows (for example, 50 rows × 50 rows, 9 rows × 9 rows, etc.). Yes. Each through-hole 24 has a function of allowing the air in the internal space 20 to pass to the air electrode layer 55 side. Each through-hole 24 has a circular shape, and an outer diameter is set to 1 mm or more and 10 mm or less (10 mm in the present embodiment). The through-hole forming region 25 is disposed in the surface region 27 (see FIG. 4) defined by the outline 26 (see FIG. 4) of the air electrode layer 55 when viewed from the thickness direction of the air electrode layer 55. Has been. That is, the area of the through hole forming region 25 is set smaller than the area of the surface region 27. Further, the ratio of the through holes 24 to the total area of the metal foil 21 (here, the area of the metal foil 21 in contact with the air electrode layer 55) is about 20% in the present embodiment.

さらに、図２，図３に示されるように、燃料電池スタック１０は、各燃料電池セル本体１１の空気室１６に空気を供給する空気供給経路７０と、空気室１６から空気を排出する空気排出経路８０とを備えている。空気供給経路７０は、ガス流通用締結ボルト４２の中心部において軸方向に沿って延びる空気供給孔７１と、空気供給孔７１及び空気室１６を連通させる空気供給横孔７２とによって構成されている。また、空気排出経路８０は、ガス流通用締結ボルト４２の中心部において軸方向に沿って延びる空気排出孔８１と、空気排出孔８１及び空気室１６を連通させる空気排出横孔８２とによって構成されている。よって、空気は、空気供給孔７１及び空気供給横孔７２を順番に通過して空気室１６に供給され、空気排出横孔８２及び空気排出孔８１を順番に通過して空気室１６から排出される。 Further, as shown in FIGS. 2 and 3, the fuel cell stack 10 includes an air supply path 70 that supplies air to the air chamber 16 of each fuel cell body 11, and an air discharge that discharges air from the air chamber 16. A route 80 is provided. The air supply path 70 includes an air supply hole 71 that extends in the axial direction at the center of the gas circulation fastening bolt 42, and an air supply lateral hole 72 that allows the air supply hole 71 and the air chamber 16 to communicate with each other. . The air discharge path 80 includes an air discharge hole 81 extending along the axial direction at the center of the gas circulation fastening bolt 42, and an air discharge horizontal hole 82 that allows the air discharge hole 81 and the air chamber 16 to communicate with each other. ing. Therefore, air passes through the air supply hole 71 and the air supply lateral hole 72 in order and is supplied to the air chamber 16, and passes through the air discharge lateral hole 82 and the air discharge hole 81 in order and is discharged from the air chamber 16. The

また、燃料電池スタック１０は、各燃料電池セル本体１１の燃料室１５に燃料ガスを供給する燃料供給経路（図示略）と、燃料室１５から燃料ガスを排出する燃料排出経路（図示略）とを備えている。燃料供給経路は、空気供給経路７０と略同様の構造を有しており、ガス流通用締結ボルト４２の中心部において軸方向に沿って延びる燃料供給孔（図示略）と、燃料供給孔及び燃料室１５を連通させる燃料供給横孔（図示略）とによって構成されている。また、燃料排出経路は、空気排出経路８０と略同様の構造を有しており、ガス流通用締結ボルト４２の中心部において軸方向に沿って延びる燃料排出孔（図示略）と、燃料排出孔及び燃料室１５を連通させる燃料排出横孔（図示略）とによって構成されている。よって、燃料ガスは、燃料供給孔及び燃料供横孔を順番に通過して燃料室１５に供給され、燃料排出横孔及び燃料排出孔を順番に通過して燃料室１５から排出される。 The fuel cell stack 10 includes a fuel supply path (not shown) for supplying fuel gas to the fuel chamber 15 of each fuel cell body 11, and a fuel discharge path (not shown) for discharging fuel gas from the fuel chamber 15. It has. The fuel supply path has substantially the same structure as the air supply path 70, a fuel supply hole (not shown) extending along the axial direction at the center of the gas distribution fastening bolt 42, a fuel supply hole, and a fuel It is constituted by a fuel supply lateral hole (not shown) for communicating the chamber 15. The fuel discharge path has substantially the same structure as the air discharge path 80, and includes a fuel discharge hole (not shown) extending along the axial direction at the center of the gas circulation fastening bolt 42, and a fuel discharge hole. And a fuel discharge lateral hole (not shown) that communicates with the fuel chamber 15. Therefore, the fuel gas sequentially passes through the fuel supply hole and the fuel supply hole and is supplied to the fuel chamber 15, and passes through the fuel discharge horizontal hole and the fuel discharge hole in order and is discharged from the fuel chamber 15.

次に、燃料電池１での発電反応について説明する。例えば、燃料電池１を稼働温度に加熱した状態で、空気供給経路７０から空気室１６に空気を供給する。このとき、空気室１６（内部空間２０）に供給された空気は、図６に示されるように、コネクタプレート５１と金属箔２１との間を通過して、金属箔２１の凹部３０内に到達する。そして、凹部３０内に到達した空気は、金属箔２１に設けられた貫通孔２４を通過して空気極層５５に到達する。また、金属箔２１は、凹部３０内に到達した空気の圧力によって空気極層５５側に膨らむように変形する。その結果、金属箔２１が空気極層５５の表面に接触するようになるため、例えばコネクタプレート５１が変形して中央部分が盛り上がるなどした場合（図３，図６参照）であっても、空気極層５５と金属箔２１との導通が安定的に確保される。 Next, the power generation reaction in the fuel cell 1 will be described. For example, air is supplied from the air supply path 70 to the air chamber 16 with the fuel cell 1 heated to the operating temperature. At this time, the air supplied to the air chamber 16 (internal space 20) passes between the connector plate 51 and the metal foil 21, and reaches the recess 30 of the metal foil 21, as shown in FIG. To do. Then, the air that has reached the inside of the recess 30 passes through the through hole 24 provided in the metal foil 21 and reaches the air electrode layer 55. Further, the metal foil 21 is deformed so as to swell toward the air electrode layer 55 due to the pressure of the air that has reached the inside of the recess 30. As a result, since the metal foil 21 comes into contact with the surface of the air electrode layer 55, for example, even when the connector plate 51 is deformed and the central portion is raised (see FIGS. 3 and 6), the air The conduction between the electrode layer 55 and the metal foil 21 is stably ensured.

また、燃料供給経路から燃料室１５に燃料ガスを導入し、導入した燃料ガスを燃料極層５７に到達させる。その結果、空気中の酸素と燃料ガス中の水素とが固体電解質層５６を介して反応（発電反応）し、空気極層５５を正極、燃料極層５７を負極とする直流の電力が発生する。なお、本実施形態の燃料電池スタック１０は、燃料電池セル本体１１を複数積層して直列に接続しているため、空気極層５５に電気的に接続される上側エンドプレート１２が正極となり、燃料極層５７に電気的に接続される下側エンドプレート１３が負極となる。 Further, the fuel gas is introduced into the fuel chamber 15 from the fuel supply path, and the introduced fuel gas reaches the fuel electrode layer 57. As a result, oxygen in the air and hydrogen in the fuel gas react through the solid electrolyte layer 56 (power generation reaction), and DC power is generated with the air electrode layer 55 as the positive electrode and the fuel electrode layer 57 as the negative electrode. . In the fuel cell stack 10 of the present embodiment, since a plurality of fuel cell main bodies 11 are stacked and connected in series, the upper end plate 12 electrically connected to the air electrode layer 55 becomes a positive electrode, and the fuel The lower end plate 13 electrically connected to the polar layer 57 serves as a negative electrode.

次に、燃料電池１の製造方法を説明する。 Next, a method for manufacturing the fuel cell 1 will be described.

まず、ステンレス板を打ち抜くことにより、コネクタプレート５１，６０、セパレータ５４及び燃料極フレーム５８を形成する。また、マイカシートを所定形状に形成することにより、絶縁フレーム５２，５３，５９を製造する。具体的には、市販のマイカシート（マイカと成形用樹脂との複合体からなるシート）を他の部材（コネクタプレート５１，６０、セパレータ５４及び燃料極フレーム５８など）とほぼ同じ形状に形成する。なお、マイカシートに含まれている樹脂成分は、他の部材と共に積層された後に行われる熱処理によって蒸発させるか、もしくは事前の処理、例えば事前の熱処理などによって蒸発させることで除去できる。さらに、マイカシートは、各燃料電池セル本体１１を積層方向にボルト締めした際に他の部材に挟まれることによって、各部材をシールするようになっている。また、アルミニウム箔をプレス成形することにより、金属箔２１を形成する。 First, the connector plates 51 and 60, the separator 54, and the fuel electrode frame 58 are formed by punching a stainless steel plate. Insulating frames 52, 53, and 59 are manufactured by forming mica sheets in a predetermined shape. Specifically, a commercially available mica sheet (a sheet made of a composite of mica and molding resin) is formed in substantially the same shape as other members (connector plates 51, 60, separator 54, fuel electrode frame 58, etc.). . The resin component contained in the mica sheet can be removed by evaporating by a heat treatment performed after being laminated together with other members, or by evaporating by a pretreatment such as a preheat treatment. Furthermore, the mica sheet seals each member by being sandwiched between other members when each fuel cell body 11 is bolted in the stacking direction. Moreover, the metal foil 21 is formed by press-molding an aluminum foil.

次に、燃料電池セル本体１１を、従来周知の手法に従って形成する。具体的には、燃料極層５７となるグリーンシート上に固体電解質層５６となるグリーンシートを積層し、焼成する。さらに固体電解質層５６上に空気極層５５の形成材料を印刷した後、焼成する（この時点で、ＳＯＦＣの単セルが得られる）。なお、固体電解質層５６は、ロウ付けによってセパレータ５４に対して固定される。そして、コネクタプレート５１，６０、金属箔２１、空気極絶縁フレーム５２、絶縁フレーム５３，５９、（ＳＯＦＣの単セルがロウ付けにて固定された）セパレータ５４及び燃料極フレーム５８などを積層して一体化する。その結果、燃料電池セル本体１１が形成される。 Next, the fuel cell body 11 is formed according to a conventionally known technique. Specifically, a green sheet to be the solid electrolyte layer 56 is laminated on the green sheet to be the fuel electrode layer 57 and fired. Further, a material for forming the air electrode layer 55 is printed on the solid electrolyte layer 56 and then fired (at this time, a single cell of SOFC is obtained). The solid electrolyte layer 56 is fixed to the separator 54 by brazing. Then, the connector plates 51, 60, the metal foil 21, the air electrode insulating frame 52, the insulating frames 53, 59, the separator 54 (the SOFC single cell is fixed by brazing), the fuel electrode frame 58, and the like are laminated. Integrate. As a result, the fuel cell body 11 is formed.

次に、各燃料電池セル本体１１を積層して一体化することにより、燃料電池スタック１０を形成する。詳述すると、燃料電池スタック１０の四隅にある４つの貫通孔４０に締結ボルト４１を挿通させ、燃料電池スタック１０の下面から突出する締結ボルト４１の下端部分にナット（図示略）を螺着させる。また、残り４つの貫通孔４０にガス流通用締結ボルト４２を挿通させ、燃料電池スタック１０の上面及び下面から突出するガス流通用締結ボルト４２の両端部分にナット４３を螺着させる。その結果、各燃料電池セル本体１１が固定され、燃料電池１が完成する。 Next, the fuel cell stack 10 is formed by stacking and integrating the fuel cell main bodies 11. More specifically, the fastening bolts 41 are inserted into the four through holes 40 at the four corners of the fuel cell stack 10, and a nut (not shown) is screwed to the lower end portion of the fastening bolt 41 protruding from the lower surface of the fuel cell stack 10. . Further, gas circulation fastening bolts 42 are inserted into the remaining four through holes 40, and nuts 43 are screwed onto both end portions of the gas circulation fastening bolts 42 protruding from the upper and lower surfaces of the fuel cell stack 10. As a result, each fuel cell main body 11 is fixed, and the fuel cell 1 is completed.

従って、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。 Therefore, according to the present embodiment, the following effects can be obtained.

（１）本実施形態の燃料電池１では、コネクタプレート５１と金属箔２１とによって区画された内部空間２０内の空気が貫通孔２４を介して空気極層５５側に通過すると、金属箔２１は、内部空間２０内の空気の圧力によって空気極層５５側に膨らむように変形する。その結果、燃料電池１の起動時には、金属箔２１が空気極層５５の表面に常時接触するようになるため、コネクタプレート５１が変形した場合（図３，図６参照）や燃料電池セル本体１１が変形した場合などであっても、空気極層５５と金属箔２１との導通を安定的に確保することができる。しかも、金属箔２１は、空気を電極層５５側に通過させるための貫通孔２４を備えるため、電極層５５への空気の供給を、空気の圧力による金属箔２１の変形（導通の確保）と同時に行うことができる。従って、燃料電池１を確実に機能させることが可能になるため、燃料電池１の信頼性を高くすることができる。 (1) In the fuel cell 1 of the present embodiment, when the air in the internal space 20 defined by the connector plate 51 and the metal foil 21 passes through the through hole 24 to the air electrode layer 55 side, the metal foil 21 is The air pressure in the internal space 20 is deformed so as to swell toward the air electrode layer 55 side. As a result, when the fuel cell 1 is started, the metal foil 21 always comes into contact with the surface of the air electrode layer 55, so that the connector plate 51 is deformed (see FIGS. 3 and 6) or the fuel cell body 11 Even if it is deformed, the conduction between the air electrode layer 55 and the metal foil 21 can be stably secured. In addition, since the metal foil 21 includes the through hole 24 for allowing air to pass to the electrode layer 55 side, the supply of air to the electrode layer 55 is caused by deformation of the metal foil 21 due to the pressure of air (ensure conduction). Can be done simultaneously. Therefore, since the fuel cell 1 can be reliably functioned, the reliability of the fuel cell 1 can be increased.

（２）本実施形態の金属箔２１は凹部３０を備え、凹部３０の底部３１の空気極層５５側の面は、空気極層５５に接触する接触面２２となっている。そして、底部３１は、金属箔２１の外周部よりも空気極層５５側に突出しているため、接触面２２から空気極層５５までの距離は、凹部３０が存在しない場合よりも短くなる。よって、金属箔２１が空気極層５５に接触しやすくなるため、空気極層５５と金属箔２１との導通がより安定的に確保される。しかも、コネクタプレート５１と金属箔２１との間を流れてきた空気は、貫通孔２４を通過する前に、一旦凹部３０内に溜まるようになっている。その結果、凹部３０内に溜まった多量の空気を貫通孔２４を介して空気極層５５に導くことができるため、燃料電池１をより確実に機能させることができる。さらに、多量の空気が凹部３０内に溜まることにより、凹部３０内の空気の圧力を高めやすくなるため、より強い力で金属箔２１を空気極層５５に接触させることができる。従って、空気極層５５と金属箔２１との導通をより安定的に確保することができる。 (2) The metal foil 21 of the present embodiment includes a recess 30, and the surface of the bottom 31 of the recess 30 on the air electrode layer 55 side is a contact surface 22 that contacts the air electrode layer 55. And since the bottom part 31 protrudes in the air electrode layer 55 side rather than the outer peripheral part of the metal foil 21, the distance from the contact surface 22 to the air electrode layer 55 becomes shorter than the case where the recessed part 30 does not exist. Therefore, since the metal foil 21 can easily come into contact with the air electrode layer 55, conduction between the air electrode layer 55 and the metal foil 21 is more stably ensured. In addition, the air flowing between the connector plate 51 and the metal foil 21 is temporarily accumulated in the recess 30 before passing through the through hole 24. As a result, a large amount of air accumulated in the recess 30 can be guided to the air electrode layer 55 through the through hole 24, so that the fuel cell 1 can function more reliably. Furthermore, since a large amount of air accumulates in the recess 30, it becomes easy to increase the pressure of the air in the recess 30, so that the metal foil 21 can be brought into contact with the air electrode layer 55 with a stronger force. Therefore, conduction between the air electrode layer 55 and the metal foil 21 can be more stably ensured.

なお、本実施形態を以下のように変更してもよい。 In addition, you may change this embodiment as follows.

図７に示されるように、内部空間２０内（具体的には凹部３０内）に、金属箔２１とコネクタプレート５１との熱による固着を防止する焼き付け防止部材１０１を配置してもよい。このようにすれば、燃料電池１の起動時や起動後に周囲の温度が高温になったとしても、金属箔２１とコネクタプレート５１との固着を防止でき、ひいては、空気極層５５と金属箔２１との導通をよりいっそう安定的に確保することができる。なお、焼き付け防止部材１０１としては、部材本体の全面に対してアルミナのペーストを塗布したものや、アルミナからなる板材などが挙げられる。また、焼き付け防止部材１０１は、多孔質体によって形成されることが好ましい。このようにすれば、焼き付け防止部材１０１が、内部空間２０を流れる空気の圧力損失を生じさせる部材（いわゆる圧損体）となるため、焼き付け防止部材１０１は貫通孔２４と同じ機能を有するようになる。 As shown in FIG. 7, an anti-seize member 101 that prevents the metal foil 21 and the connector plate 51 from being stuck by heat may be disposed in the internal space 20 (specifically, in the recess 30). In this way, even if the ambient temperature becomes high when the fuel cell 1 is started or after the startup, the metal foil 21 and the connector plate 51 can be prevented from sticking to each other. As a result, the air electrode layer 55 and the metal foil 21 can be prevented. Can be more stably ensured. Examples of the anti-baking member 101 include those obtained by applying an alumina paste to the entire surface of the member body, and plate materials made of alumina. Moreover, it is preferable that the anti-seize member 101 is formed of a porous body. By doing so, the anti-seize member 101 becomes a member (so-called pressure loss body) that causes a pressure loss of the air flowing through the internal space 20, and thus the anti-seize member 101 has the same function as the through hole 24. .

上記実施形態の金属箔２１を用いる代わりに、空気極層５５側の接触面１２２から空気極層５５側に突出する凸部１２３を備えるとともに、凸部１２３の先端部が空気極層５５に接触する金属箔１２１（図８，図９参照）を用いてもよい。なお、各凸部１２３は、金属箔１２１と同じ材料（アルミニウム）によって平面視長方形状に形成され、隣接する貫通孔１２４間に配置されている。このようにすれば、金属箔１２１が凸部１２３を介して空気極層５５に接触するため、空気極層５５と金属箔１２１との間には隙間が生じるようになる。従って、貫通孔１２４を通過した空気を、生じた隙間を介して空気極層５５の表面全体に行き渡らせることができるため、燃料電池１をより確実に機能させることができる。 Instead of using the metal foil 21 of the above-described embodiment, a convex portion 123 protruding from the contact surface 122 on the air electrode layer 55 side to the air electrode layer 55 side is provided, and the tip of the convex portion 123 contacts the air electrode layer 55. A metal foil 121 (see FIGS. 8 and 9) may be used. In addition, each convex part 123 is formed in the planar view rectangular shape with the same material (aluminum) as the metal foil 121, and is disposed between the adjacent through holes 124. In this way, since the metal foil 121 contacts the air electrode layer 55 via the convex portion 123, a gap is generated between the air electrode layer 55 and the metal foil 121. Therefore, since the air that has passed through the through hole 124 can be spread over the entire surface of the air electrode layer 55 through the generated gap, the fuel cell 1 can function more reliably.

上記実施形態の金属箔２１を用いる代わりに、空気極層５５と接触する部分（図１０に示す領域Ａ１）に複数の貫通孔２２２が配置されるとともに、空気極層５５と接触しない部分（ここでは、底部２２３の四隅）にも貫通孔２２４が配置された金属箔２２１（図１０参照）を用いてもよい。 Instead of using the metal foil 21 of the above-described embodiment, a plurality of through holes 222 are arranged in a portion that contacts the air electrode layer 55 (region A1 shown in FIG. 10), and a portion that does not contact the air electrode layer 55 (here) Then, you may use the metal foil 221 (refer FIG. 10) by which the through-hole 224 is arrange | positioned also in the four corners of the bottom part 223. FIG.

上記実施形態の燃料電池１では、コネクタプレート５１と空気極層５５との間に、空気極層５５に接触可能な金属箔２１が設けられていたが、それに加えて、コネクタプレート６０と燃料極層５７との間に、燃料極層５７に接触可能な金属箔を設けてもよい。また、コネクタプレート５１と空気極層５５との間に金属箔２１を設ける代わりに、コネクタプレート６０と燃料極層５７との間に金属箔を設けるようにしてもよい。 In the fuel cell 1 of the above embodiment, the metal foil 21 that can contact the air electrode layer 55 is provided between the connector plate 51 and the air electrode layer 55. In addition, the connector plate 60 and the fuel electrode are provided. A metal foil that can contact the fuel electrode layer 57 may be provided between the layer 57. Further, instead of providing the metal foil 21 between the connector plate 51 and the air electrode layer 55, a metal foil may be provided between the connector plate 60 and the fuel electrode layer 57.

上記実施形態では、金属箔２１が全ての燃料電池セル本体１１に配置されていたが、金属箔２１の配置態様を変更してもよい。例えば、金属箔２１を、最上層及び最下層の燃料電池セル本体１１のみに配置してもよいし、中間層の燃料電池セル本体１１のみに配置してもよい。また、金属箔２１を、１つの燃料電池セル本体１１のみに配置してもよい。なお、金属箔２１の数を多くすれば、燃料電池１の起動時に金属箔２１が空気極層５５から離間するという問題をより確実に回避できるため、燃料電池１の信頼性がよりいっそう高くなる。 In the said embodiment, although the metal foil 21 was arrange | positioned at all the fuel battery cell main bodies 11, you may change the arrangement | positioning aspect of the metal foil 21. FIG. For example, the metal foil 21 may be disposed only on the uppermost and lowermost fuel cell main bodies 11, or may be disposed only on the intermediate fuel cell main body 11. Further, the metal foil 21 may be disposed only on one fuel cell main body 11. If the number of the metal foils 21 is increased, the problem that the metal foils 21 are separated from the air electrode layer 55 at the time of startup of the fuel cell 1 can be avoided more reliably, and the reliability of the fuel cell 1 is further increased. .

１…固体酸化物形燃料電池（燃料電池）
１１…燃料電池セル本体
２０…内部空間
２１，１２１，２２１…金属箔
２２，１２２…接触面
２４，１２４，２２２，２２４…貫通孔
２５…貫通孔形成領域
２６…外形線
２７…表面領域
５１，６０…コネクタプレート
５５…電極層としての空気極層
５６…固体電解質層
５７…電極層としての燃料極層
６６…金属集電体としての空気極集電体
９１…固体電解質層の表面
９２…固体電解質層の裏面
１０１…焼き付け防止部材
１２３…凸部 1. Solid oxide fuel cell (fuel cell)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Fuel cell main body 20 ... Internal space 21, 121, 221 ... Metal foil 22, 122 ... Contact surface 24, 124, 222, 224 ... Through-hole 25 ... Through-hole formation area 26 ... Outline 27 ... Surface area 51, 60 ... Connector plate 55 ... Air electrode layer 56 as electrode layer ... Solid electrolyte layer 57 ... Fuel electrode layer 66 as electrode layer ... Air electrode current collector 91 as metal current collector ... Surface 92 of solid electrolyte layer ... Solid Back surface 101 of electrolyte layer ... Anti-baking member 123 ... Projection

Claims

A fuel cell main body that has a solid electrolyte layer and electrode layers disposed on the front and back surfaces of the solid electrolyte layer and in contact with the power generation gas, and generates power by a power generation reaction;
A connector plate disposed to face the surface of the electrode layer;
A solid oxide fuel cell comprising a metal current collector electrically connected to the connector plate and disposed between the connector plate and the electrode layer and capable of contacting a surface of the electrode layer There,
The metal current collector includes a metal foil that partitions an internal space through which the power generation gas flows together with the connector plate, and the metal foil swells toward the electrode layer due to the pressure of the power generation gas in the internal space. Is configured to be deformable,
Furthermore, the metal foil includes a through hole for allowing the power generation gas in the internal space to pass to the electrode layer side,
A through-hole forming region composed of the through-hole is disposed in a surface region partitioned by an outline of the electrode layer when viewed from the thickness direction of the electrode layer, and the area of the through-hole forming region is the surface A solid oxide fuel cell characterized by being set to be equal to or smaller than the area of the region.

2. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the ratio of the through holes to the total area of the metal foil is 10% or more and 90% or less.

3. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein an anti-seizure member for preventing the metal foil and the connector plate from being fixed by heat is disposed in the internal space.

4. The metal foil according to claim 1, wherein the metal foil includes a convex portion protruding from the contact surface on the electrode layer side toward the electrode layer side, and a tip portion of the convex portion is in contact with the electrode layer. The solid oxide fuel cell according to any one of claims.

The fuel cell body has a rectangular shape in plan view,
5. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the through holes are arranged in an array in the through hole forming region. 6.

The electrode layer is disposed on the surface side of the solid electrolyte layer and is in contact with an oxidant gas that is the power generation gas, and a fuel gas that is disposed on the back side of the solid electrolyte layer and is the power generation gas A fuel electrode layer in contact with
6. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the metal current collector is disposed between the connector plate and the air electrode layer.