JP2015097149A - Solid oxide fuel cell - Google Patents

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吉晃 吉田
Yoshiaki Yoshida
吉晃 吉田
隆幸 寺井
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隆幸 寺井
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress deterioration in power generation performance in a solid oxide fuel cell that uses a separator comprising a chromium-containing alloy material.SOLUTION: A solid oxide fuel cell includes a reaction layer 106 comprising a nickel cobalt alloy, between an air electrode side separator 105 and an air electrode 101. The reaction layer 106 includes a plurality of holes communicating between a side of the air electrode 101 and a side of the air electrode side separator 105. The reaction layer 106 may be constituted, for example, from foam metal of a nickel cobalt alloy, and also may be a nonwoven cloth of thread comprising a nickel cobalt alloy.

Description

本発明は、クロムを含む合金からなるセパレータを用いる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 solid oxide fuel cell using a separator made of an alloy containing chromium.

近年、規模の大小にかかわらず高い効率が得られることから、次世代のコジェネレーションシステムに用いられる発電手段として、燃料電池が注目されている。燃料電池は、酸素などの酸化剤ガスと、水素などの燃料ガスとの化学反応を利用した電池である。燃料電池では、空気極と呼ばれる陽極と、燃料極と呼ばれる陰極とで電解質の層を挟んだ単セルを、複数重ね合わせて用いている。   In recent years, fuel cells have attracted attention as power generation means used in next-generation cogeneration systems because high efficiency can be obtained regardless of the size. A fuel cell is a cell that utilizes a chemical reaction between an oxidant gas such as oxygen and a fuel gas such as hydrogen. In a fuel cell, a plurality of single cells are used in which an electrolyte layer is sandwiched between an anode called an air electrode and a cathode called a fuel electrode.

一組のセル(単セル)で得られる電圧は、0.7V程度であるが、複数の単セルを重ね合わせて用いることで、所望とする電圧の供給が可能である。このような燃料電池には、高分子材料を電解質層に用いる固体高分子形や、セラミックスなどの酸化物を電解質層に用いる固体酸化物形がある。固体酸化物形燃料電池は、燃料電池の中でも高い発電効率が得られると期待されている。   The voltage obtained in one set of cells (single cells) is about 0.7 V, but a desired voltage can be supplied by using a plurality of single cells in an overlapping manner. Such fuel cells include a solid polymer type using a polymer material for the electrolyte layer, and a solid oxide type using an oxide such as ceramics for the electrolyte layer. Solid oxide fuel cells are expected to have high power generation efficiency among fuel cells.

固体酸化物形燃料電池は、固体酸化物の電解質,空気極,および燃料極で構成した複数の単セルを、上述したように積層(スタック)して構成している。このようなセルスタックの構成では、空気極に空気を供給し、燃料極に燃料ガスを供給し、使用済みや未使用の燃料ガスを排気し、さらにセルから電力を取り出すためのセパレータが、各単セルの間に配置されている。   A solid oxide fuel cell is configured by stacking a plurality of single cells each composed of a solid oxide electrolyte, an air electrode, and a fuel electrode as described above. In such a cell stack configuration, each of the separators for supplying air to the air electrode, supplying fuel gas to the fuel electrode, exhausting used or unused fuel gas, and taking out electric power from the cell, Arranged between single cells.

セパレータ材料として、コストと加工性の観点から、一般的にステンレス鋼が用いられている。また、固体酸化物形燃料電池の動作温度が600℃から800℃であるため、クロム含有の耐熱性ステンレス鋼が用いられている。   As the separator material, stainless steel is generally used from the viewpoint of cost and workability. Further, since the operating temperature of the solid oxide fuel cell is 600 ° C. to 800 ° C., chromium-containing heat resistant stainless steel is used.

N. Sakai, T. Horita, K. Yamaji, Y. P. Xiong, H. Kishimoto, M. E. Brito, H. Yokokawa, "Material transport and degradation behavior of SOFC interconnects", Solid State Ionics, vol.177, pp.1933-1939, 2006.N. Sakai, T. Horita, K. Yamaji, YP Xiong, H. Kishimoto, ME Brito, H. Yokokawa, "Material transport and degradation behavior of SOFC interconnects", Solid State Ionics, vol.177, pp.1933-1939 , 2006.

しかし、クロム含有の耐熱性ステンレス鋼を用いる場合、動作時の温度条件では、セパレータに含まれているクロムが蒸発して空気極を劣化させ、発電性能を低下させるという問題があった。この問題に対し、セパレータ表面に酸化物や金属を被覆することで、クロムの蒸気圧を低下させる試みがなされている。しかしながら、長時間の使用や熱サイクルにより、被覆している膜にひびが入り、クロムの蒸発が発生してしまうなどの問題があった。このように、クロムを含む合金材料より構成したセパレータを用いると、固体酸化物形燃料電池における発電性能が低下する場合が発生するという問題があった。   However, when heat-resistant stainless steel containing chromium is used, there is a problem in that the chromium contained in the separator evaporates to deteriorate the air electrode and reduce the power generation performance under the temperature conditions during operation. In order to solve this problem, attempts have been made to lower the vapor pressure of chromium by coating the separator surface with oxide or metal. However, there has been a problem that, due to long-term use and thermal cycle, the coating film is cracked and chromium is evaporated. Thus, when the separator comprised from the alloy material containing chromium was used, there existed a problem that the case where the power generation performance in a solid oxide fuel cell fell occurred.

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、クロムを含む合金材料より構成したセパレータを用いた固体酸化物形燃料電池における発電性能の低下が抑制できるようにすることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and is capable of suppressing a decrease in power generation performance in a solid oxide fuel cell using a separator composed of an alloy material containing chromium. For the purpose.

本発明に係る固体酸化物形燃料電池は、空気極,電解質,および燃料極を有して構成された複数の単セルと、単セルの間に配置されてクロムを含む合金からなるセパレータと、セパレータと空気極との間に配置され、空気極の側とセパレータの側とを連通する複数の穴部を備えるニッケルコバルト合金から構成された反応層とを備える。   A solid oxide fuel cell according to the present invention includes a plurality of single cells each having an air electrode, an electrolyte, and a fuel electrode, and a separator made of an alloy including chromium disposed between the single cells; And a reaction layer made of a nickel-cobalt alloy that is disposed between the separator and the air electrode and includes a plurality of holes that communicate the air electrode side and the separator side.

上記固体酸化物形燃料電池において、反応層は、ニッケルコバルト合金の発泡金属から構成されてればよい。また、反応層は、ニッケルコバルト合金より構成された糸による不織布であればよい。   In the solid oxide fuel cell, the reaction layer may be made of a nickel cobalt alloy foam metal. Moreover, the reaction layer should just be the nonwoven fabric by the thread | yarn comprised from the nickel cobalt alloy.

以上説明したように、本発明によれば、ニッケルコバルト合金から構成された反応層を設けるようにしたので、クロムを含む合金材料より構成したセパレータを用いた固体酸化物形燃料電池における発電性能の低下が抑制できるようになるという優れた効果が得られる。   As described above, according to the present invention, since the reaction layer composed of the nickel-cobalt alloy is provided, the power generation performance of the solid oxide fuel cell using the separator composed of the alloy material containing chromium is improved. An excellent effect that the reduction can be suppressed is obtained.

図1は、本発明の実施の形態における固体酸化物形燃料電池の構成を示す構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram showing a configuration of a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention. 図2は、本発明の実施の形態における固体酸化物形燃料電池のより詳細な状態を示す構成図である。FIG. 2 is a configuration diagram showing a more detailed state of the solid oxide fuel cell according to the embodiment of the present invention.

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図1は、本発明の実施の形態における固体酸化物形燃料電池の構成を示す構成図である。図1では、断面を模式的に示している。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration diagram showing a configuration of a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention. FIG. 1 schematically shows a cross section.

この固体酸化物形燃料電池は、まず、空気極101,電解質102,および燃料極103を有して構成された複数の単セル104を備える。図1では、1つの単セル104の部分を拡大して示している。図示していないが、図1の紙面上下方向に、複数の単セル104が積層されている。また、積層された各々の単セル104の間には、クロムを含む合金からなる空気極側セパレータ105が配置されている。なお、燃料極103の側には、燃料極側セパレータ(不図示)が配置され、単セルの間においては、この燃料極側セパレータは、空気極側セパレータ105の上に配置される。これらの基本的な固体酸化物燃料電池の構成については、詳細を省略する。   The solid oxide fuel cell includes a plurality of unit cells 104 each having an air electrode 101, an electrolyte 102, and a fuel electrode 103. In FIG. 1, the portion of one single cell 104 is shown enlarged. Although not shown, a plurality of single cells 104 are stacked in the vertical direction of the drawing in FIG. Further, an air electrode side separator 105 made of an alloy containing chromium is disposed between the stacked single cells 104. A fuel electrode side separator (not shown) is disposed on the fuel electrode 103 side, and the fuel electrode side separator is disposed on the air electrode side separator 105 between the single cells. Details of these basic solid oxide fuel cell configurations are omitted.

上述した基本的な固体酸化物燃料電池の構成に加え、本発明では、空気極側セパレータ105と空気極101との間に、ニッケルコバルト合金から構成された反応層106を備えるところに大きな特徴がある。反応層106は、空気極101の側と空気極側セパレータ105の側とを連通する複数の穴部を備えている。反応層106は、例えば、ニッケルコバルト合金の発泡金属から構成すればよい。また、反応層106は、ニッケルコバルト合金より構成された糸による不織布であってもよい。反応層106は、これらのような多孔質(連続多孔体構造)の材料から構成されていればよい。   In addition to the basic structure of the solid oxide fuel cell described above, the present invention is characterized in that a reaction layer 106 made of a nickel cobalt alloy is provided between the air electrode side separator 105 and the air electrode 101. is there. The reaction layer 106 includes a plurality of holes that communicate the air electrode 101 side and the air electrode side separator 105 side. The reaction layer 106 may be made of, for example, a foamed metal of a nickel cobalt alloy. Further, the reaction layer 106 may be a nonwoven fabric made of a thread made of a nickel cobalt alloy. The reaction layer 106 only needs to be made of such a porous (continuous porous structure) material.

例えば、発泡金属より反応層106を構成する場合、単セル104の空気極101上に、反応層106を重ね、さらに、反応層106の上に、空気極側セパレータ105を重ね、圧力を加えて空気極101と反応層106と空気極側セパレータ105とが密着した状態とする。   For example, when the reaction layer 106 is composed of foam metal, the reaction layer 106 is overlaid on the air electrode 101 of the single cell 104, and further, the air electrode side separator 105 is overlaid on the reaction layer 106, and pressure is applied. The air electrode 101, the reaction layer 106, and the air electrode side separator 105 are brought into close contact with each other.

よく知られているように、空気極側セパレータ105の単セル104の側(空気極101の側)には、空気などの酸化ガスを均一に供給するための流路溝が形成されている。このような空気極側セパレータ105に対し、発泡金属から構成されて変形可能な反応層106を挟んで空気極101を押し付ければ、空気極101と空気極側セパレータ105との間に、反応層106が隙間なく挟まれた状態となる。反応層106が応力の印加によって変形可能であり、上述したような密着状態が実現できる。   As is well known, a channel groove for uniformly supplying an oxidizing gas such as air is formed on the single cell 104 side (air electrode 101 side) of the air electrode side separator 105. If the air electrode 101 is pressed against such an air electrode side separator 105 with a reaction layer 106 made of foam metal and deformable, the reaction layer is interposed between the air electrode 101 and the air electrode side separator 105. 106 is sandwiched without a gap. The reaction layer 106 can be deformed by the application of stress, and an adhesion state as described above can be realized.

例えば、固体酸化物形燃料電池の製造においては、各極を構成する材料の粉体もしくは混合粉体のスラリを作製し、このスラリの膜(層)を形成し、これを1000〜1200℃で焼成することで、上記各層を作製している。例えば、未焼成の状態で、空気極101,反応層106,空気極側セパレータ105が、上述したように密着状態で積層された状態とし、この後、焼成すればよい。   For example, in the manufacture of a solid oxide fuel cell, a slurry of a powder or mixed powder of the material constituting each electrode is prepared, and a film (layer) of this slurry is formed at 1000 to 1200 ° C. The above layers are produced by firing. For example, the air electrode 101, the reaction layer 106, and the air electrode side separator 105 may be stacked in a close contact state as described above in an unfired state, and then fired.

未焼成の状態で上述したように密着状態であれば、焼成により完成体となる固体酸化物形燃料電池においても、空気極101,反応層106,空気極側セパレータ105は、上述同様に、密着状態で積層されたものとなる。このように密着状態であれば、空気極101と空気極側セパレータ105との間の電気抵抗が、低減されている。   As described above in the unfired state, the air electrode 101, the reaction layer 106, and the air electrode side separator 105 are in close contact with each other in the solid oxide fuel cell that is completed by firing, as described above. It is laminated in a state. In this close contact state, the electrical resistance between the air electrode 101 and the air electrode side separator 105 is reduced.

さらに、複数の単セル104を重ね合わせてスタック接続させるときは、単セル104の厚さや形状のバラツキなどによる積層面の接触不良部分の発生が、固体酸化物形燃料電池を組み立てる際の圧力による反応層106の変形によって解消されているので、好都合である。   Further, when a plurality of unit cells 104 are stacked and connected in a stack, the occurrence of poor contact portions on the stacked surface due to variations in the thickness and shape of the unit cells 104 is caused by the pressure during assembly of the solid oxide fuel cell. This is advantageous because it is eliminated by deformation of the reaction layer 106.

以下、図2を用いてより詳細に説明する。図2は、本発明の実施の形態における固体酸化物形燃料電池の、より詳細な状態を示す構成図である。図2では、組み立て前の各構成要素の状態を模式的に示している。   Hereinafter, it demonstrates in detail using FIG. FIG. 2 is a configuration diagram showing a more detailed state of the solid oxide fuel cell according to the embodiment of the present invention. FIG. 2 schematically shows the state of each component before assembly.

図2に示すように、固体酸化物形燃料電池は、空気極101,電解質102,および燃料極103を有して構成された単セル104を備える。また、空気極101の側には、クロムを含む合金からなる空気極側セパレータ105が配置され、空気極101と空気極側セパレータ105との間には、反応層106が配置されている。   As shown in FIG. 2, the solid oxide fuel cell includes a single cell 104 having an air electrode 101, an electrolyte 102, and a fuel electrode 103. An air electrode side separator 105 made of an alloy containing chromium is disposed on the air electrode 101 side, and a reaction layer 106 is disposed between the air electrode 101 and the air electrode side separator 105.

一方、燃料極103の側には、燃料極側セパレータ107が配置される。また、燃料極側セパレータ107と燃料極103との間には、メッシュ状の燃料極側集電層108が設けられている。また、単セル104の周囲の空気極側セパレータ105と燃料極側セパレータ107との間には、単セル104を格納するセルホルダ109が配置されている。また、セルホルダ109と空気極側セパレータ105との間には、マイカなどの耐熱絶縁材料から構成された絶縁部110が配置されている。また、セルホルダ109の内側には、単セル104との間に設けられるシール部材111が配置されている。   On the other hand, a fuel electrode side separator 107 is disposed on the fuel electrode 103 side. A mesh-shaped fuel electrode side current collecting layer 108 is provided between the fuel electrode side separator 107 and the fuel electrode 103. A cell holder 109 for storing the single cell 104 is disposed between the air electrode side separator 105 and the fuel electrode side separator 107 around the single cell 104. Further, an insulating portion 110 made of a heat-resistant insulating material such as mica is disposed between the cell holder 109 and the air electrode side separator 105. Further, a seal member 111 provided between the cell holder 109 and the single cell 104 is disposed inside the cell holder 109.

ここで、空気極側セパレータ105および燃料極側セパレータ107には、空気極101に供給する酸化剤ガスを流通させるマニホルド(不図示)、および燃料極103に供給する燃料ガスを流通させるマニホルド(不図示)が形成されている。セルホルダ109は、単セル104の格納に十分な厚さを有している。また、セルホルダ109にも、これを挟む状態に配置されている空気極側セパレータ105および燃料極側セパレータ107の各マニホルドを連通させるための、マニホルド(不図示)が形成されている。   Here, the air electrode side separator 105 and the fuel electrode side separator 107 are provided with a manifold (not shown) through which an oxidant gas supplied to the air electrode 101 is circulated and a manifold (not shown) through which the fuel gas supplied to the fuel electrode 103 is circulated. (Shown) is formed. The cell holder 109 has a thickness sufficient for storing the single cell 104. The cell holder 109 is also provided with a manifold (not shown) for communicating the manifolds of the air electrode side separator 105 and the fuel electrode side separator 107 disposed between the cell holders 109.

上記各部分を組み立てる場合、固体酸化物形燃料電池は、例えば、各マニホルドの部分が一致する状態に、燃料極側セパレータ107の上にセルホルダ109を配置し、セルホルダ109の上に空気極側セパレータ105を配置する。また、燃料極103と燃料極側セパレータ107の単セル104の配置領域には、燃料極側集電層108を配置し、燃料極側集電層108の上に、燃料極103が配置されるようにする。これらの組み立ては、耐熱合金から構成された台座211の上に絶縁板212を設け、絶縁板212の上で行えばよい。   When assembling the above parts, for example, in the solid oxide fuel cell, the cell holder 109 is disposed on the fuel electrode side separator 107 in a state where the parts of the manifolds are aligned, and the air electrode side separator is disposed on the cell holder 109. 105 is arranged. Further, a fuel electrode side current collecting layer 108 is arranged in the arrangement region of the unit cell 104 of the fuel electrode 103 and the fuel electrode side separator 107, and the fuel electrode 103 is arranged on the fuel electrode side current collecting layer 108. Like that. These assemblies may be performed on the insulating plate 212 by providing the insulating plate 212 on the pedestal 211 made of a heat-resistant alloy.

なお、燃料極側集電層108と同様のメッシュ状の集電層を、空気極側セパレータ105と空気極101との間に設けてもよい。この場合、集電層は、空気極側セパレータ105と反応層106との間に設けるとよい。   A mesh-like current collecting layer similar to the fuel electrode side current collecting layer 108 may be provided between the air electrode side separator 105 and the air electrode 101. In this case, the current collecting layer is preferably provided between the air electrode side separator 105 and the reaction layer 106.

また、単セル104の側面とセルホルダ109の内側周面とをシール部材111によりシールすることで、単セル104を介し、空気極側セパレータ105の側と、燃料極側セパレータ107とを空間的に分離する。これにより、各々供給される酸化剤ガスと燃料ガスが混ざり合わないようにする。また、絶縁部110により、セルホルダ109を挟んで空気極側セパレータ105と燃料極側セパレータ107とを電気的に絶縁分離する。   Further, the side surface of the unit cell 104 and the inner peripheral surface of the cell holder 109 are sealed by the seal member 111, so that the air electrode side separator 105 side and the fuel electrode side separator 107 are spatially separated via the unit cell 104. To separate. Thus, the supplied oxidant gas and fuel gas are prevented from being mixed. Further, the insulating portion 110 electrically insulates and separates the air electrode side separator 105 and the fuel electrode side separator 107 with the cell holder 109 interposed therebetween.

次に、上述した構成とした固体酸化物形燃料電池の発電動作について簡単に説明する。まず、酸化剤ガス供給用のマニホルドに酸素などの酸化剤ガスを導入すると、この酸化剤ガスは、空気極側セパレータ105の内部に形成されている流路(不図示)を経由し、空気極101の側に到達する。このようにして導入された酸化剤ガスは、空気極101側の空気極側セパレータ105に形成された流路溝(不図示)により、空気極101の全域により均一な状態で供給されるようになる。また、空気極101と空気極側セパレータ105との間の側部から外方に、未使用排ガスが排気される。   Next, the power generation operation of the solid oxide fuel cell configured as described above will be briefly described. First, when an oxidant gas such as oxygen is introduced into a manifold for supplying an oxidant gas, the oxidant gas passes through a flow path (not shown) formed inside the air electrode side separator 105 and passes through the air electrode. 101 side is reached. The oxidant gas thus introduced is supplied in a uniform state over the entire area of the air electrode 101 by a flow channel groove (not shown) formed in the air electrode side separator 105 on the air electrode 101 side. Become. Further, unused exhaust gas is exhausted outward from the side portion between the air electrode 101 and the air electrode side separator 105.

一方、燃料ガス供給用のマニホルドに水素などの燃料ガスを導入すると、この燃料ガスは、燃料極側セパレータ107の内部に形成されている流路(不図示)を経由し、燃料極103の側に到達する。このようにして導入された燃料ガスは、燃料極103側の燃料極側セパレータ107に形成された流路溝(不図示)により、燃料極103の全域により均一な状態で供給されるようになる。また、排ガスは、燃料極103と燃料極側セパレータ107との間に密閉された空間から、燃料極側セパレータ107の内部に設けられた排気流路(不図示)を経由し、燃料ガス排気マニホルドから排気される。   On the other hand, when a fuel gas such as hydrogen is introduced into the fuel gas supply manifold, the fuel gas passes through a flow path (not shown) formed in the fuel electrode side separator 107 and is on the fuel electrode 103 side. To reach. The fuel gas introduced in this way is supplied in a uniform state over the entire area of the fuel electrode 103 by a channel groove (not shown) formed in the fuel electrode side separator 107 on the fuel electrode 103 side. . Further, the exhaust gas is discharged from a space sealed between the fuel electrode 103 and the fuel electrode side separator 107 through an exhaust passage (not shown) provided in the fuel electrode side separator 107, and then a fuel gas exhaust manifold. Exhausted from.

以上のようにすることで、空気極101には酸化剤ガスが供給され、燃料極103には燃料ガスが導入されると、電解質102と空気極101の粒子が接する界面の電極反応に寄与する三層界面が、空気極101の側の電気化学反応の活性点となり、化学式「1/2O2+2e-→O2-」で示される空気極反応により、供給された酸化剤ガスの酸素と電子が反応して酸素イオンが生成する。 As described above, when the oxidizing gas is supplied to the air electrode 101 and the fuel gas is introduced to the fuel electrode 103, it contributes to the electrode reaction at the interface where the particles of the electrolyte 102 and the air electrode 101 are in contact. The triple layer interface becomes the active point of the electrochemical reaction on the air electrode 101 side, and the oxygen of the supplied oxidant gas is generated by the air electrode reaction represented by the chemical formula “1 / 2O 2 + 2e → O 2− ”. Electrons react to generate oxygen ions.

このようにして空気極101で生成した酸素イオンは、電解質102の内部を移動し、燃料極103に到達する。燃料極103では、電解質102の内部を移動してきた酸素イオンが、化学式「H2+O2-→H2O+2e-」で示される燃料極反応により、燃料極103に供給された燃料ガスの水素と反応する。この結果、燃料極103では、水蒸気と電子が生成する。 The oxygen ions generated in the air electrode 101 in this way move inside the electrolyte 102 and reach the fuel electrode 103. In the fuel electrode 103, the oxygen ions that have moved inside the electrolyte 102 are supplied to the fuel electrode 103 by a fuel electrode reaction represented by the chemical formula “H 2 + O 2 − → H 2 O + 2e ”. Reacts with hydrogen. As a result, water vapor and electrons are generated at the fuel electrode 103.

以上のようにして燃料極103で生成した電子は、外部回路を移動し、空気極101に到達する。空気極101に到達した電子は、前述した空気極反応により酸素と反応する。この電子が外部回路を移動する過程で、電気エネルギーを固体酸化物形燃料電池の直流出力として取り出すことができる。   The electrons generated at the fuel electrode 103 as described above move through the external circuit and reach the air electrode 101. The electrons that have reached the air electrode 101 react with oxygen by the air electrode reaction described above. In the process that the electrons move through the external circuit, electric energy can be taken out as a direct current output of the solid oxide fuel cell.

ここで、この固体酸化物形燃料電池では、前述したように反応層106を設けているので、形状にバラツキがある燃料極支持型の単セル104を用いた場合でも、製造(組み立て)段階で、空気極101上に配置される形状が応力の印加により変化し易い反応層106の応力による形状変化によって、セル形状のバラツキを吸収させることができる。この結果、スタックされている複数の単セルより、各々均一な出力が期待できる。   Here, in this solid oxide fuel cell, since the reaction layer 106 is provided as described above, even when the fuel electrode support type single cell 104 having a variation in shape is used, at the manufacturing (assembly) stage. The variation in the cell shape can be absorbed by the shape change caused by the stress of the reaction layer 106 that is easily changed by the application of the stress. As a result, a uniform output can be expected from each of the stacked single cells.

次に、固体酸化物形燃料電池の製造方法について、簡単に説明する。まず、Ni−ScSZよりなる板状の燃料極を用意し、この上に、ScSZよりなる板状の電解質層を載置し、この上に、平均粒径0.5〜1.0μmのLNFの焼結体から構成された板状(円盤)の空気極を載置し、単セルが構成された状態とする。このような単セルを、3個作製する。   Next, a method for manufacturing a solid oxide fuel cell will be briefly described. First, a plate-like fuel electrode made of Ni-ScSZ is prepared, and a plate-like electrolyte layer made of ScSZ is placed thereon, on which LNF having an average particle size of 0.5 to 1.0 μm is placed. A plate-shaped (disc) air electrode composed of a sintered body is placed, and a single cell is configured. Three such single cells are produced.

次に、気孔率が95%〜97%のニッケルコバルト合金の発泡体を、各単セルの空気極上に配置し、各々の単セルの空気極上に反応層が形成された状態とする。   Next, a nickel cobalt alloy foam having a porosity of 95% to 97% is disposed on the air electrode of each single cell, and a reaction layer is formed on the air electrode of each single cell.

次に、耐熱合金から構成された台座の上に、絶縁板を介して燃料極側セパレータが固定された状態とする。この例では、上記燃料極側セパレータは、下端のセパレータとなる。   Next, the fuel electrode side separator is fixed on a pedestal made of a heat resistant alloy via an insulating plate. In this example, the fuel electrode side separator is a lower end separator.

次に、燃料極側セパレータの上に、上述した1つの単セルが載置された状態とする。このとき、燃料極側セパレータの燃料ガス流路が形成されている面に、燃料極集電層が配置された状態とし、この上に、単セルの燃料極が配置された状態とする。なお、燃料極集電層は、白金,銀,金,パラジウム,イリジウム,ロジウムなどの金属や、フェライト系耐熱合金の細線からなるメッシュや不織布、エキスパンドメタル、また、発泡金属から構成されていればよい。例えば、ニッケルの発泡体である発泡ニッケルを配置し、燃料極集電層として用いるようにしてもよい。   Next, the single cell described above is placed on the fuel electrode side separator. At this time, the fuel electrode current collector layer is disposed on the surface of the fuel electrode side separator where the fuel gas flow path is formed, and the single cell fuel electrode is disposed thereon. The anode current collecting layer should be made of metal such as platinum, silver, gold, palladium, iridium, rhodium, mesh or non-woven fabric made of fine wire of ferritic heat-resistant alloy, expanded metal, or foam metal. Good. For example, nickel foam, which is a nickel foam, may be disposed and used as the fuel electrode current collecting layer.

次に、上述したように配置した単セルの空気極上に配置されている反応層の上に、酸化剤ガス流路が形成されている面が向かい合うように、空気極側セパレータが載置された状態とする。なお、空気極側セパレータの上には、燃料極側セパレータが重ねて配置されている。   Next, the air electrode side separator was placed on the reaction layer arranged on the air electrode of the single cell arranged as described above so that the surfaces on which the oxidant gas flow paths are formed face each other. State. Note that a fuel electrode side separator is disposed on the air electrode side separator.

空気極側セパレータの上に重ねられている燃料極側セパレータの、燃料ガス流路が形成されている面の上に、前述同様の燃料極集電層が配置された状態とし、この上に、前述同様に、次の単セルが積層された状態とする。また、セルホルダがセルの周辺部に配置され、この上に、絶縁部材が配置された状態とする。これらのことを繰り返し、所定数の単セル(発電ユニット)を積層した後、最後(最上)の単セルの反応層上に、上端セパレータが載置された状態とする。上端セパレータは、空気極側セパレータであり、酸化剤ガス流路が形成されている面を反応層に接触させるように載置する。   On the surface of the fuel electrode side separator, which is overlaid on the air electrode side separator, on the surface on which the fuel gas flow path is formed, the same fuel electrode current collecting layer as described above is disposed. As described above, the next single cell is stacked. In addition, the cell holder is arranged at the periphery of the cell, and the insulating member is arranged thereon. After repeating these steps, a predetermined number of single cells (power generation units) are stacked, and then the upper end separator is placed on the reaction layer of the last (uppermost) single cell. The upper end separator is an air electrode side separator and is placed so that the surface on which the oxidant gas flow path is formed is brought into contact with the reaction layer.

上述したように、複数のセパレータおよび単セルを積層した状態で、まず、上端セパレータの上から台座にかけて荷重をかけ、各単セルに圧力が加わった状態とする。反応層は、印加された圧力に応じて変形し、空気極と空気極側セパレータとに密着する。   As described above, in a state where a plurality of separators and single cells are stacked, first, a load is applied from the top of the upper separator to the pedestal so that pressure is applied to each single cell. The reaction layer is deformed according to the applied pressure and is in close contact with the air electrode and the air electrode side separator.

このように積層して荷重をかけた状態で、固体酸化物形燃料電池を所定の電気炉内部に配置し、固体酸化物形燃料電池を800℃にまで加熱する。次いで、燃料極に燃料ガス供給マニホルドを介して燃料ガスを供給し、空気極に酸化剤ガス供給マニホルドを介して酸化剤ガスを供給すれば、発電状態とすることができる。   In such a state where the layers are stacked and loaded, the solid oxide fuel cell is placed inside a predetermined electric furnace, and the solid oxide fuel cell is heated to 800 ° C. Next, when the fuel gas is supplied to the fuel electrode via the fuel gas supply manifold and the oxidant gas is supplied to the air electrode via the oxidant gas supply manifold, the power generation state can be obtained.

次に、複数枚の単セルを、反応層を用いてセパレータを介して積層した場合と、複数枚の単セルを、反応層を用いずにセパレータを介して積層した場合の出力の比較を行った。   Next, the output of the case where a plurality of single cells are stacked via a separator using a reaction layer and the output when a plurality of single cells are stacked via a separator without using a reaction layer are compared. It was.

反応層を用いた場合では、上述した方法で単セルを積層して、800℃まで加熟することで発電状態とした。また、反応層を用いない場合は、空気極上に直接空気極側セパレータを配置し、単セルを積層して800℃まで加熱することで発電状態とした。各々の条件について、5つの単セルを直列に積層した。   In the case of using the reaction layer, single cells were stacked by the method described above, and ripened to 800 ° C. to obtain a power generation state. Moreover, when not using the reaction layer, the air electrode side separator was arrange | positioned directly on the air electrode, the single cell was laminated | stacked, and it was set as the electric power generation state by heating to 800 degreeC. For each condition, 5 single cells were stacked in series.

また、燃料ガスとして水素ガスを供給し、酸化剤ガスとして窒素と酸素とが混合されている混合空気を供給した。さらに、上端セパレータから台座にかけて100kgの荷重をかけた。このときの電流密度0.3A/cm2における電圧低下率を比較して表1に示す。表1に示すように、反応層を用いることによって、電圧低下率が抑制され、劣化が抑制できることが実証された。 Further, hydrogen gas was supplied as the fuel gas, and mixed air in which nitrogen and oxygen were mixed as the oxidant gas was supplied. Furthermore, a load of 100 kg was applied from the upper end separator to the pedestal. The voltage drop rates at a current density of 0.3 A / cm 2 at this time are compared and shown in Table 1. As shown in Table 1, it was demonstrated that by using the reaction layer, the voltage drop rate was suppressed and deterioration could be suppressed.

Figure 2015097149
Figure 2015097149

以上に説明したように、本発明によれば、空気極と空気極側のセパレータとの間に、ニッケルコバルト合金から構成された反応層を設けるようにしたので、クロムを含む合金材料より構成したセパレータを用いた固体酸化物形燃料電池における発電性能の低下が抑制できるようになる。   As described above, according to the present invention, since the reaction layer composed of the nickel cobalt alloy is provided between the air electrode and the separator on the air electrode side, it is composed of the alloy material containing chromium. A reduction in power generation performance in a solid oxide fuel cell using a separator can be suppressed.

ここで、ニッケルコバルト合金は、クロムを含む合金からなるセパレータや空気極などの周囲の部材とは、熱膨張係数が異なっている。しかしながら、前述したように、反応層を多孔質としているので、熱膨張率差に起因する応力が緩和されるようになる。また、多孔質であることには、空気極に供給される酸化剤ガスの流通を妨げず、反応層の比表面積を増大させ、セパレータより蒸発したクロムとの反応を促進させる効果も有する。   Here, the nickel-cobalt alloy has a different thermal expansion coefficient from surrounding members such as a separator and an air electrode made of an alloy containing chromium. However, as described above, since the reaction layer is porous, the stress due to the difference in thermal expansion coefficient is relieved. In addition, being porous does not hinder the flow of the oxidant gas supplied to the air electrode, increases the specific surface area of the reaction layer, and has the effect of promoting the reaction with chromium evaporated from the separator.

ところで、セパレータから蒸発してきたクロムを十分に捕捉するためには、固体酸化物形燃料電池の運転状況において、反応層の厚さはは少なくとも0.1mm以上であるとよい。一方、反応層が必要以上に厚い場合、反応層は多孔質で形状が変形しやすいため、面圧をかけると空気極側セパレータのガス流路部を埋めてしまう場合が発生する。このため、反応層の厚さの上限は、セパレータに形成されているガス流路部の溝深さ未満とすればよい。セパレータに配置されている溝の深さは、ガスの分配とスタックの高さ制限に依存するため、反応層の厚さを固定して溝の深さを決定することはできない。従って、設定(設計)されているセパレータの溝の深さに対し、適宜に反応層の発差を決定すればよい。   By the way, in order to sufficiently capture chromium evaporated from the separator, the thickness of the reaction layer is preferably at least 0.1 mm or more in the operation state of the solid oxide fuel cell. On the other hand, when the reaction layer is thicker than necessary, the reaction layer is porous and easily deforms in shape. Therefore, when the surface pressure is applied, the gas flow path portion of the air electrode side separator may be filled. For this reason, the upper limit of the thickness of a reaction layer should just be less than the groove depth of the gas flow path part currently formed in the separator. Since the depth of the groove arranged in the separator depends on gas distribution and stack height limitation, the depth of the groove cannot be determined by fixing the thickness of the reaction layer. Therefore, the difference in the reaction layer may be determined as appropriate for the set (designed) depth of the separator groove.

また、反応層が反応しうるクロム量には上限がある。ところが、固体酸化物形燃料電池を実際に動作させた場合には、セパレータの表面において酸化被膜が成長するにつれてクロムの蒸発量が減少する挙動が見られる。このため、0.1mm以上という比較的薄い反応層であっても、効果的に空気極のクロムによる劣化を抑制することが可能となる。   Further, there is an upper limit to the amount of chromium that can be reacted by the reaction layer. However, when the solid oxide fuel cell is actually operated, a behavior is observed in which the evaporation amount of chromium decreases as an oxide film grows on the surface of the separator. For this reason, even if it is a comparatively thin reaction layer of 0.1 mm or more, it becomes possible to effectively suppress the deterioration of the air electrode due to chromium.

一方、セパレータの表面を金属等により被覆してクロムの蒸発を抑制する構成の場合、クロム含有耐熱性ステンレス鋼の表面における酸化被膜の成長が抑制される場合がある。このような状況で、表面被覆が剥離した場合には、新たにクロムの蒸発が開始され、空気極の劣化が引き起こされる。このように、被覆してクロムの蒸発を抑制する技術においては、表面被覆が半永久的に維持される必要がある。これに対し、本発明の反応層を用いることにより、より安定的にクロムによる空気極の劣化を抑制することが可能であると言える。   On the other hand, when the surface of the separator is coated with a metal or the like to suppress the evaporation of chromium, the growth of the oxide film on the surface of the chromium-containing heat resistant stainless steel may be suppressed. In such a situation, when the surface coating is peeled off, the evaporation of chromium is newly started to cause deterioration of the air electrode. As described above, in the technology for covering and suppressing the evaporation of chromium, the surface coating needs to be maintained semipermanently. On the other hand, it can be said that by using the reaction layer of the present invention, it is possible to more stably suppress deterioration of the air electrode due to chromium.

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。   The present invention is not limited to the embodiment described above, and many modifications and combinations can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious.

101…空気極、102…電解質、103…燃料極、104…単セル、105…空気極側セパレータ、106…反応層。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Air electrode, 102 ... Electrolyte, 103 ... Fuel electrode, 104 ... Single cell, 105 ... Air electrode side separator, 106 ... Reaction layer.

Claims (3)

空気極,電解質,および燃料極を有して構成された複数の単セルと、
前記単セルの間に配置されてクロムを含む合金からなるセパレータと、
前記セパレータと前記空気極との間に配置され、前記空気極の側と前記セパレータの側とを連通する複数の穴部を備えるニッケルコバルト合金から構成された反応層と
を備えることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
A plurality of single cells configured with an air electrode, an electrolyte, and a fuel electrode;
A separator made of an alloy containing chromium disposed between the single cells;
And a reaction layer made of a nickel-cobalt alloy provided between the separator and the air electrode and having a plurality of holes communicating the air electrode side and the separator side. Solid oxide fuel cell.
請求項1記載の固体酸化物形燃料電池において、
前記反応層は、ニッケルコバルト合金の発泡金属から構成されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein
2. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the reaction layer is made of a nickel cobalt alloy foam metal.
請求項1記載の固体酸化物形燃料電池において、
前記反応層は、ニッケルコバルト合金より構成された糸による不織布であることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein
2. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the reaction layer is a non-woven fabric made of nickel cobalt alloy.
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