JP2015159080A - Cell, cell stack device, module and module housing device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電解セル、セルスタック装置、電解モジュールおよび電解装置に関する。 The present invention relates to an electrolytic cell, a cell stack device, an electrolytic module, and an electrolytic device.
近年、次世代エネルギーとして、固体酸化物形燃料電池セルを電気的に直列に複数個接続してなるセルスタック装置を、収納容器内に収容した燃料電池装置が種々提案されている。 In recent years, various fuel cell devices have been proposed in which a cell stack device formed by electrically connecting a plurality of solid oxide fuel cells in series is accommodated in a storage container as next-generation energy.
このような燃料電池装置の固体酸化物形燃料電池セルとしては、例えば、互いに平行な一対の平坦面を有するとともに、内部に燃料ガスを流通させるための燃料ガス通路を有し、かつNiを含有してなる導電性支持体を具備するものが知られている(例えば、特許文献1参照)。この特許文献1では、導電性支持体の一方側の平坦面上に、燃料極層、固体電解質層、酸素極層が順に積層され、他方側の平坦面上にインターコネクタ層が積層されている。
As such a solid oxide fuel cell of the fuel cell device, for example, it has a pair of parallel flat surfaces, a fuel gas passage for allowing fuel gas to flow inside, and contains Ni What comprises the electroconductive support body formed by doing is known (for example, refer patent document 1). In
そして、固体酸化物形燃料電池セルは、導電性支持体の周囲を取り囲むように形成された緻密質なZrO2系酸化物からなる固体電解質層と、この固体電解質層の両端部に、緻密質なLaCrO3系酸化物からなるインターコネクタ層の両端部が重なるように接合して構成されており、固体電解質層とインターコネクタ層とで、導電性支持体の周囲を気密に取り囲み、導電性支持体の内部を通過する燃料ガスが、固体電解質層とインターコネクタ層とにより形成された緻密質な筒状体から外部に漏出しないように構成されている。 The solid oxide fuel cell includes a solid electrolyte layer formed of a dense ZrO 2 oxide formed so as to surround the periphery of the conductive support, and a dense electrolyte at both ends of the solid electrolyte layer. The interconnector layer made of LaCrO 3 oxide is joined so that both ends overlap each other, and the solid electrolyte layer and the interconnector layer surround the conductive support in an airtight manner, thereby supporting the conductive support. The fuel gas passing through the inside of the body is configured not to leak to the outside from the dense cylindrical body formed by the solid electrolyte layer and the interconnector layer.
近年においては、固体電解質層は厚みが薄くなるほどイオン導電性が向上し、燃料電池セルの発電性能が向上するため、発電性能を向上すべく固体電解質層の厚みを薄くすることが行われているが、発電性能を向上すべく固体電解質層の厚みを薄くすると、固体電解質層による強度向上効果が低下し、燃料電池セルにクラックが発生し易くなるおそれがあった。 In recent years, the ionic conductivity improves as the thickness of the solid electrolyte layer decreases, and the power generation performance of the fuel cell improves. Therefore, the thickness of the solid electrolyte layer is reduced in order to improve the power generation performance. However, if the thickness of the solid electrolyte layer is reduced in order to improve the power generation performance, the strength improvement effect by the solid electrolyte layer is lowered, and there is a possibility that cracks are likely to occur in the fuel cell.
本発明は、クラックの発生を抑制できる電解セル、セルスタック装置、電解モジュールおよび電解装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide an electrolytic cell, a cell stack device, an electrolytic module, and an electrolytic device that can suppress the occurrence of cracks.
本発明の電解セルは、長尺状で多孔質な導電性の支持体と、該支持体の側面に、前記支持体を取り囲むように設けられ、前記支持体の側面に位置する部分に第1開口部を有する絶縁性の緻密質な筒状体と、該筒状体の前記第1開口部における前記支持体に設けられた、多孔質な第1電極層、緻密質な固体電解質層および多孔質な第2電極層とを具備するとともに、前記筒状体に前記固体電解質層の外周部が接合していることを特徴とする。 The electrolysis cell of the present invention is a long and porous conductive support, and is provided on the side surface of the support so as to surround the support, and is first in a portion located on the side of the support. An insulating dense cylindrical body having an opening, and a porous first electrode layer, a dense solid electrolyte layer, and a porous body provided on the support in the first opening of the cylindrical body And a second electrode layer, and an outer peripheral portion of the solid electrolyte layer is joined to the cylindrical body.
また、本発明の電解セルは、第1電極層となる長尺状の多孔質な導電性の支持体と、該支持体の側面に、前記支持体を取り囲むように設けられ、前記支持体の側面に位置する部分に第1開口部を有する絶縁性の緻密質な筒状体と、該筒状体の前記開口部における前記
支持体に設けられた、緻密質な固体電解質層および多孔質な第2電極層とを具備するとともに、前記筒状体に前記固体電解質層の外周部が接合していることを特徴とする。
The electrolytic cell of the present invention is provided with a long porous conductive support serving as the first electrode layer, and provided on the side surface of the support so as to surround the support. An insulating dense cylindrical body having a first opening in a portion located on a side surface, and a dense solid electrolyte layer and a porous body provided on the support in the opening of the cylindrical body And a second electrode layer, and an outer peripheral portion of the solid electrolyte layer is bonded to the cylindrical body.
本発明のセルスタック装置は、上記の電解セルを複数具備してなるとともに、該複数の電解セルを電気的に接続してなることを特徴とする。 The cell stack device of the present invention comprises a plurality of the above-described electrolysis cells, and is formed by electrically connecting the plurality of electrolysis cells.
本発明の電解モジュールは、上記のセルスタック装置を収納容器内に収納してなることを特徴とする。 The electrolytic module of the present invention is characterized in that the cell stack device is stored in a storage container.
本発明の電解装置は、上記の電解モジュールと、該電解モジュールを作動させるための補機とを、外装ケース内に収納してなることを特徴とする。 The electrolysis apparatus of the present invention is characterized in that the above-described electrolysis module and an auxiliary machine for operating the electrolysis module are housed in an outer case.
本発明の電解セルでは、筒状体の第1開口部が固体電解質層で塞がれて筒状体および固体電解質層で筒状のシール層を構成し、その内部をガス通路とすることができるとともに、固体電解質層を薄くして電解性能を向上できる一方で、例えば、筒状体を高強度材料で形成したり、筒状体の厚みを厚くすることにより、筒状体の高強度化を図ることができ、電解セルにおけるクラック発生を抑制できる。 In the electrolytic cell of the present invention, the first opening of the cylindrical body may be closed with a solid electrolyte layer to form a cylindrical sealing layer with the cylindrical body and the solid electrolyte layer, and the inside may be used as a gas passage. While it is possible to improve the electrolytic performance by reducing the thickness of the solid electrolyte layer, the strength of the cylindrical body can be increased by, for example, forming the cylindrical body with a high-strength material or increasing the thickness of the cylindrical body. And the generation of cracks in the electrolytic cell can be suppressed.
これにより、性能が高く、長期信頼性の高いセルスタック装置、電解モジュール、電解装置を提供できる。 Thereby, a cell stack device, an electrolysis module, and an electrolysis device with high performance and high long-term reliability can be provided.
図1、2は、電解セルの一例である燃料電池セルを示すものであり、図1(a)、(b)はそれぞれインターコネクタ層、酸素極層側から見た側面図、図2(a)は図1(a)の2a−2a線に沿った断面図、図2(b)は2b−2b線に沿った断面図である。なお、両図面において、燃料電池セル10の各構成の一部を拡大して示している。
1 and 2 show a fuel cell as an example of an electrolysis cell. FIGS. 1A and 1B are side views as seen from the interconnector layer and oxygen electrode layer side, respectively. ) Is a cross-sectional view taken along
この燃料電池セル10は、図2に示すように、中空平板型で、断面が扁平状で、全体的に見て楕円柱状をしたNiを含有してなる長尺状で多孔質な導電性の支持体1を備えている。支持体1は、図2に示すように、上下面に一対の平坦面nを有し、セル幅方向Wに設けられた、一対の平坦面nを連結する一対の弧状面mを有している。支持体1の内部には、適当な間隔で複数の燃料ガス通路2が燃料電池セル10の長さ方向Lに貫通して形成されており、燃料電池セル10は、この支持体1上に各種の部材が設けられた構造を有している。
As shown in FIG. 2, this
そして、本実施形態では、支持体1の側面に、絶縁性の緻密質な筒状体9が、支持体1を取り囲むように設けられており、この筒状体9の支持体1の側面に位置する部分に2つの第1開口部9a、第2開口部9bが形成されている。なお、図1(a)に示すように、第2開口部9bのような筒状体9の上端に形成された凹部も、本実施形態では、開口部と定義する。
And in this embodiment, the insulating dense
第1開口部9aは、筒状体9のセル長さ方向Lにおける中央部に設けられ、セル長さ方向両端部には設けられておらず、第2開口部9bは、筒状体9のセル長さ方向Lの上端から下方に向けて形成されているが、セル長さ方向Lの下端部には設けられていない。
The
筒状体9の第1開口部9aにおける支持体1の側面の部分(第1側面)には、多孔質な燃料極層(第1電極層)3、緻密質な固体電解質層4および多孔質な酸素極層(第2電極層)6が設けられ、筒状体9の第2開口部9bにおける支持体1の側面の部分(第2側面)には、緻密質な導電性セラミックスからなるインターコネクタ層8が設けられている。なお、支持体1の側面とは、一対の平坦面nおよび一対の弧状面mをいう。
A porous fuel electrode layer (first electrode layer) 3, a dense solid electrolyte layer 4, and a porous material are provided on the side surface (first side surface) of the
すなわち、筒状体9は、一対の平坦面nおよび一対の弧状面mを被覆するように形成されており、一方の平坦面nにおける筒状体9には、矩形状の第1開口部9aが設けられ、他方の平坦面nにおける筒状体9には、矩形状の第2開口部9bが設けられている。
That is, the
第1開口部9aには、図2(a)、図3(a)に示すように、燃料極層(第1電極層)3、固体電解質層4および酸素極層(第2電極層)6が設けられており、これらは矩形状に形成されており、固体電解質層4の外周部は筒状体9の第1開口部9aを構成する壁面と接合している。
In the first opening 9a, as shown in FIGS. 2A and 3A, the fuel electrode layer (first electrode layer) 3, the solid electrolyte layer 4, and the oxygen electrode layer (second electrode layer) 6 are provided. These are formed in a rectangular shape, and the outer periphery of the solid electrolyte layer 4 is joined to the wall surface forming the
また、第2開口部9bには矩形状のインターコネクタ層8が設けられており、インターコネクタ層8の外周部は筒状体9の第1開口部9aを構成する壁面および壁部上面に接合している。インターコネクタ層8は、セル長さ方向Lの下端部には形成されておらず、図2(a)に示すように、筒状体が支持体1の外周面全周に形成されている。
In addition, a
筒状体9は、固体電解質層4およびインターコネクタ層8が設けられる支持体1の部分を除き、支持体1の一対の平坦面nと両側の弧状面mとを覆っている。固体電解質層4の厚みは、30μm以下、特には20μm以下、さらには15μm以下であることが発電性能向上という点から望ましい。インターコネクタ層8についても、厚みが薄い方が、導電性が向上するため、70μm以下、特には、50μm以下とされている。
The
また、固体電解質層4の表面には、中間層5を介して、燃料極層3と対面するように、多孔質な酸素極層6が配置されている。中間層5は、酸素極層6が形成される固体電解質層4上に形成されている。酸素極層6は、中間層5の上面および第1開口部9aを構成する壁部上面に形成されている。
A porous
ここで、燃料電池セル10は、燃料極層3と酸素極層6とが固体電解質層4を介して対
面している部分が燃料電池として機能して発電する。即ち、酸素極層6の外側に空気等の酸素含有ガスを流し、且つ支持体1内の燃料ガス通路2に燃料ガス(水素含有ガス)を流し、所定の作動温度まで加熱することにより発電する。かかる発電によって生成した電流は、支持体1に設けられているインターコネクタ層8を介して集電される。
Here, in the
すなわち、ガス遮断性を有する緻密質な筒状体9、固体電解質層4およびインターコネクタ層8とで支持体1を取り囲み、内部を流通する燃料ガスが外部に漏出しないように構成されている。言い換えれば、筒状体9、固体電解質層4およびインターコネクタ層8とで、ガス遮断性を有する楕円筒状体を形成し、この楕円筒状体の内部が燃料ガス流路とされ、燃料極層3に供給される燃料ガスと、酸素極層6に供給される酸素含有ガスとが、楕円筒状体で遮断されている。なお、緻密質な筒状体9、固体電解質層4およびインターコネクタ層8とは、走査型電子顕微鏡写真を画像解析装置で測定した気孔率が5%以下、特に2%以下の筒状体9、固体電解質層4およびインターコネクタ層8をいう。
That is, the dense
筒状体9は、緻密質で強度が高い材料であれば良いが、特には、固体電解質材料で構成することが望ましい。固体電解質材料とは、固体電解質層4を構成する材料、例えば、ジルコニア系酸化物、ランタンガレード系酸化物等を用いることができ、特に、固体電解質層4と同じ系の材料が望ましい。固体電解質層4および筒状体9は、希土類元素を含有するZrO2から構成されていることが望ましく、この場合、筒状体9は、固体電解質層4よりも希土類元素の含有量が少ないことが強度向上の点から望ましい。
The
特には、固体電解質層4は部分安定化ジルコニア、例えば、3〜15モル%、特には7〜9モル%のY2O3が固溶したZrO2からなることが、発電性能を向上させる点で望ましい。また、筒状体9を構成する固体電解質材料は同じ部分安定化ジルコニアで、希土類元素として、固体電解質層4と同じものを含有することが望ましい。さらに、希土類元素は、固体電解質層4よりも少なく、例えば、3〜5モル%のY2O3が固溶したZrO2からなることが強度という点から望ましい。
In particular, the solid electrolyte layer 4 is composed of partially stabilized zirconia, for example, ZrO 2 in which 3 to 15 mol%, particularly 7 to 9 mol% of Y 2 O 3 is dissolved, which improves power generation performance. Is desirable. The solid electrolyte material constituting the
以上のような燃料電池セル10では、筒状体9、固体電解質層4およびインターコネクタ層8で構成された緻密質なシール体で多孔質な支持体1を取り囲んでいるため、筒状体9内部をガス通路とすることができる。また、固体電解質層4およびインターコネクタ層8が形成されていない部分は、筒状体9が存在しているため、固体電解質層4およびインターコネクタ層8の厚みを薄くして、発電性能を向上できる一方で、筒状体9の厚みを厚くして補強したり、高強度材料で構成することができ、特に、支持体1の弧状面mの部分や、支持体1のセル長さ方向両端部におけるクラック発生を抑制できる。
In the
また、従来、LaCrO3系酸化物からなるインターコネクタ層8は還元雰囲気に曝されると膨張し、また、Niを含有してなる多孔質の導電性の支持体1は、インターコネクタ層8からの元素拡散により、還元雰囲気に曝されると膨張しようとする。このような燃料電池セル10の下端部を、後述する図8に示すようにガスタンクの開口部に無機材料からなる接着剤で接合すると、燃料電池セル10の接着剤が存在しない部分では、インターコネクタ層8が還元雰囲気に曝されることにより還元膨張しようとする一方で、燃料電池セル10の接着剤による接合部分では接着剤でインターコネクタ層8の還元膨張が抑えられるため、その境界部分(セル下端部)における応力が大きく、クラックが発生するおそれがあった。
Conventionally, the
これに対して、本実施形態では、支持体1のセル長さ方向Lの下端部には、還元変形するインターコネクタ層8が形成されておらず、筒状体9が形成されているため、筒状体9の下端部を接着剤で接合し、インターコネクタ層8の部分は接着剤で接合しない構造とすることができ、これにより、セル下端部における応力を低減でき、クラック発生を抑制で
きる。
On the other hand, in this embodiment, the
なお、図1、2に示す形態では、図3(a)に示すように、固体電解質層4の外周面を筒状体9の第1開口部9aを構成する壁面と接合した場合について説明したが、図3(b)に示すように、固体電解質層4(中間層5)の外周部表面を、中間層5を介して筒状体9の第1開口部9aを構成する外周部が重畳し、固体電解質層4の外周面が第1開口部9aを構成する壁面に接合する場合であっても良い。さらに、図4に示すように、筒状体9の第1開口部9aを構成する外周部表面に、固体電解質層4の外周部が重畳し、接合する場合であっても良い。
1 and 2, the case where the outer peripheral surface of the solid electrolyte layer 4 is joined to the wall surface forming the
図5は、燃料電池セル10の他の形態を示すもので、この形態では、インターコネクタ層8が設けられる第2開口部9bが、支持体1のセル長さ方向Lの両端部に筒状体9の一部が存在した状態で設けられている。この形態では、インターコネクタ層8が、支持体1のセル長さ方向Lの両端部に形成されていないため、インターコネクタ層8の還元膨張によるセル両端部の応力を低減できる。
FIG. 5 shows another form of the
以下に、本実施形態の燃料電池セル10を構成する各部材について説明する。
Below, each member which comprises the
導電性の支持体1は、燃料ガスを燃料極層3まで透過させるためにガス透過性であること、インターコネクタ層8を介して集電を行うために導電性であることが要求されることから、例えば、Niおよび/またはNiOと、無機酸化物、例えば特定の希土類酸化物とにより形成されることが好ましい。
The
特定の希土類酸化物とは、支持体1の熱膨張係数を固体電解質層4の熱膨張係数に近づけるために使用されるものであり、Y、Lu、Yb、Tm、Er、Ho、Dy、Gd、Sm、Prからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含む希土類酸化物が、Niおよび/またはNiOとの組み合わせで使用することができる。このような希土類酸化物の具体例としては、Y2O3、Lu2O3、Yb2O3、Tm2O3、Er2O3、Ho2O3、Dy2O3、Gd2O3、Sm2O3、Pr2O3を例示することができ、Niおよび/またはNiOとの固溶、反応が殆どなく、また、熱膨張係数が固体電解質層4と同程度であり、かつ安価であるという点から、Y2O3、Yb2O3が好ましい。
The specific rare earth oxide is used to make the thermal expansion coefficient of the
また、本実施形態においては、支持体1の良好な導電率を維持し、かつ熱膨張係数を固体電解質層4と近似させるという点で、Niおよび/またはNiO:希土類酸化物=35:65〜65:35の体積比で存在することが好ましい。なお、支持体1中には、要求される特性が損なわれない限りの範囲で、他の金属成分や酸化物成分を含有していてもよい。
In the present embodiment, Ni and / or NiO: rare earth oxide = 35: 65 in that the good conductivity of the
また、支持体1は、燃料ガス透過性を有していることが必要であるため、多孔質であり、通常、開気孔率が30%以上、特に35〜50%の範囲にあることが好ましい。また、支持体1の導電率は、300S/cm以上、特に440S/cm以上であることが好ましい。
Further, since the
なお、支持体1の平坦面nの長さ(支持体1のセル幅方向Wの長さ)は、例えば、15〜35mm、弧状面mの長さ(弧の長さ)は、2〜8mmであり、支持体1の厚み(平坦面n間の厚み)は1.5〜5mmである。支持体1の長さは、例えば、100〜300mmとされている。
Note that the length of the flat surface n of the support 1 (the length of the
燃料極層3は、電極反応を生じさせるものであり、それ自体公知の多孔質の導電性セラミックスにより形成することができる。例えば、希土類元素酸化物が固溶したZrO2ま
たは希土類元素酸化物が固溶したCeO2と、Niおよび/またはNiOとから形成することができる。なお、希土類元素としては、導電性支持体1において例示した希土類元素を用いることができ、例えばY2O3が固溶したZrO2(YSZ)とNiおよび/またはNiOとから形成することができる。
The
燃料極層3中の希土類元素酸化物が固溶したZrO2または希土類元素酸化物が固溶しているCeO2の含有量は、35〜65体積%の範囲にあるのが好ましく、またNiあるいはNiOの含有量は、65〜35体積%であるのが好ましい。さらに、この燃料極層3の開気孔率は、15%以上、特に20〜40%の範囲にあるのが好ましく、その厚みは、1〜30μmであるのが好ましい。
The content of ZrO 2 in which the rare earth element oxide is dissolved in the
固体電解質層4は、3〜15モル%のY、Sc、Yb等の希土類元素を含有した部分安定化あるいは安定化ZrO2からなるセラミックスを用いるのが好ましい。また、希土類元素としては、安価であるという点からYが好ましい。固体電解質層4は、部分安定化あるいは安定化ZrO2からなるセラミックスに限定されるものではなく、従来、公知の、例えば、ランタンガレード系の固体電解質層であっても良いことは勿論である。 The solid electrolyte layer 4 is preferably made of a ceramic made of partially stabilized or stabilized ZrO 2 containing 3 to 15 mol% of a rare earth element such as Y, Sc, or Yb. As the rare earth element, Y is preferable because it is inexpensive. The solid electrolyte layer 4 is not limited to ceramics made of partially stabilized or stabilized ZrO 2, and may of course be a conventionally known, for example, lanthanum galade based solid electrolyte layer. .
固体電解質層4と後述する酸素極層6との間に、固体電解質層4と酸素極層6との接合を強固とするとともに、固体電解質層4の成分と酸素極層6の成分とが反応して電気抵抗の高い反応層が形成されることを抑制する目的で中間層5が形成されている。
The solid electrolyte layer 4 and the
中間層5としては、Ce以外の他の希土類元素を含有するCeO2系焼結体からなるもので、例えば、(CeO2)1−x(REO1.5)x(式中、REはSm、Y、Yb、Gdの少なくとも1種であり、xは0<x≦0.3を満足する数)で表される組成を有していることが好ましい。さらには、電気抵抗を低減するという点から、REとしてSmやGdを用いることが好ましく、例えば10〜20モル%のSmO1.5またはGdO1.5が固溶したCeO2からなることが好ましい。
The
酸素極層6としては、いわゆる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により形成することが好ましい。かかるペロブスカイト型酸化物としては、Laを含有する遷移金属ペロブスカイト型酸化物、特にAサイトにSrとLaが共存するLaMnO3系酸化物、LaFeO3系酸化物、LaCoO3系酸化物の少なくとも1種が好ましく、600〜1000℃程度の作動温度での電気伝導性が高いという点からLaCoO3系酸化物が特に好ましい。なお、上記ペロブスカイト型酸化物においては、Bサイトに、CoとともにFeやMnが存在しても良い。
The
また、酸素極層6は、ガス透過性を有する必要があり、従って、酸素極層6を形成する導電性セラミックス(ペロブスカイト型酸化物)は、開気孔率が20%以上、特に30〜50%の範囲にあることが好ましい。さらに、酸素極層6の厚みは、集電性という点から30〜100μmであることが好ましい。
Further, the
インターコネクタ層8は導電性セラミックスにより形成されている。燃料ガス(水素含有ガス)および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、耐還元性、耐酸化性を有する導電性セラミックスとしては、例えば、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、特に支持体1および固体電解質層4の熱膨張係数に近づける目的から、BサイトにMgが存在するLaCrMgO3系酸化物が用いられる。インターコネクタ層8材料は導電性セラミックスであればよく、特に限定されるものではない。
The
また、インターコネクタ層8の厚みは、ガスのリーク防止と電気抵抗という点から、1
0〜70μmであることが好ましい。この範囲ならばガスのリークを防止できるとともに、電気抵抗を小さくできる。
The thickness of the
It is preferable that it is 0-70 micrometers. Within this range, gas leakage can be prevented and electrical resistance can be reduced.
さらに、支持体1とインターコネクタ層8との間には、インターコネクタ層8と支持体1との間の熱膨張係数差を軽減する等のために密着層(図示せず)を形成することができる。
Further, an adhesion layer (not shown) is formed between the
このような密着層としては、燃料極層3と類似した組成とすることができる。例えば、希土類酸化物、希土類元素酸化物が固溶したZrO2、希土類元素酸化物が固溶したCeO2のうち少なくとも1種と、Niおよび/またはNiOとから形成することができる。より具体的には、例えばY2O3とNiおよび/またはNiOからなる組成や、Y2O3が固溶したZrO2(YSZ)とNiおよび/またはNiOからなる組成、Y、Sm、Gd等の酸化物が固溶したCeO2とNiおよび/またはNiOからなる組成から形成することができる。なお、希土類酸化物や希土類元素酸化物が固溶したZrO2(CeO2)と、Niおよび/またはNiOとは、体積比で40:60〜60:40の範囲とすることが好ましい。
Such an adhesion layer may have a composition similar to that of the
以上説明した本実施形態の燃料電池セル10の作製方法の一例について説明する。
An example of a method for producing the
先ず、例えば、Niおよび/またはNiO粉末と、Y2O3などの希土類酸化物の粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合して坏土を調製し、この坏土を用いて押出成形により、図6(a)に示すように、支持体成形体を作製し、これを乾燥する。なお、支持体成形体として、支持体成形体を900〜1000℃にて2〜6時間仮焼した仮焼体を用いてもよい。 First, for example, Ni and / or NiO powder, a rare earth oxide powder such as Y 2 O 3 , an organic binder, and a solvent are mixed to prepare a clay, and this clay is used for extrusion molding. As shown in FIG. 6 (a), a support molded body is prepared and dried. In addition, you may use the calcined body which calcined the support body molded object at 900-1000 degreeC for 2 to 6 hours as a support body molded object.
次に、例えば所定の調合組成に従い、NiOと、Y2O3が固溶したZrO2(YSZ)との素原料を秤量、混合する。この後、混合した粉体に、有機バインダーおよび溶媒を混合して燃料極層用スラリーを調製する。 Next, for example, according to a predetermined composition, raw materials of NiO and ZrO 2 (YSZ) in which Y 2 O 3 is dissolved are weighed and mixed. Thereafter, an organic binder and a solvent are mixed with the mixed powder to prepare a slurry for the fuel electrode layer.
また、例えば、GdO1.5が固溶したCeO2粉末を800〜900℃にて2〜6時間、熱処理を行い、中間層成形体用の原料粉末を調整する。この原料粉末に、溶媒としてトルエンを添加し、中間層用スラリーを作製する。 Further, for example, CeO 2 powder in which GdO 1.5 is dissolved is heat-treated at 800 to 900 ° C. for 2 to 6 hours to adjust the raw material powder for the intermediate layer molded body. Toluene is added as a solvent to this raw material powder to prepare an intermediate layer slurry.
そして、希土類元素酸化物が固溶したZrO2粉末に、トルエン、バインダー粉末、市販の分散剤等を加えて固体電解質層スラリーを作製し、これを用いてドクターブレード等の方法により、成形してシート状の固体電解質層成形体を作製する。 Then, a solid electrolyte layer slurry is prepared by adding toluene, a binder powder, a commercially available dispersant, etc. to the ZrO 2 powder in which the rare earth element oxide is solid-dissolved, and using this, it is molded by a method such as a doctor blade. A sheet-like solid electrolyte layer molded body is produced.
得られたシート状の固体電解質層成形体上の一方側の面に、燃料極層用スラリーを塗布し乾燥して燃料極層成形体を形成し、他方側の面に中間層用スラリーを塗布して中間層成形体を形成し、シート状の3層成形体を形成する。この燃料極層成形体、中間層成形体および固体電解質層成形体が積層したシート状の3層成形体の燃料極層成形体側の面を支持体成形体に積層し、図6(b)に示すような積層成形体を形成する。 The fuel electrode layer slurry is applied to one side of the obtained sheet-shaped solid electrolyte layer molding and dried to form a fuel electrode layer molding, and the intermediate layer slurry is applied to the other side. Thus, an intermediate layer molded body is formed, and a sheet-shaped three-layer molded body is formed. The surface on the fuel electrode layer molded body side of the sheet-shaped three-layer molded body in which the fuel electrode layer molded body, the intermediate layer molded body, and the solid electrolyte layer molded body are stacked is laminated on the support molded body, and FIG. A laminated molded body as shown is formed.
この後、例えば、3〜5モル%のY2O3が固溶したZrO2粉末に、トルエン、バインダー粉末、市販の分散剤等を加えてスラリー化したものをドクターブレード等の方法により、図6(c)に示すような第1開口部9aを有する筒状体を構成するシート状の成形体を作製する。
Thereafter, for example, a slurry obtained by adding toluene, binder powder, a commercially available dispersant, etc. to ZrO 2 powder in which 3 to 5 mol% of Y 2 O 3 is solid-dissolved, is obtained by a method such as a doctor blade. A sheet-like molded body constituting a cylindrical body having the
次に、図6(d)に示すように、筒状体を構成するシート状の成形体の第1開口部に、支持体成形体の3層成形体が位置するように巻き付け積層する。巻き付けた後には、第2
開口部9aが形成される。図6(e)に、筒状体成形体を支持体成形体に巻き付けた状態の表面と裏面を示す。
Next, as shown in FIG.6 (d), it winds and laminate | stacks so that the 3 layer molded object of a support body molded object may be located in the 1st opening part of the sheet-like molded object which comprises a cylindrical body. After winding, the second
An
次いで、上記の積層成形体を800〜1200℃で2〜6時間仮焼する。続いて、インターコネクタ層材料(例えば、LaCrMgO3系酸化物粉末)、有機バインダー及び溶媒を混合してスラリーを作製する。 Next, the laminated molded body is calcined at 800 to 1200 ° C. for 2 to 6 hours. Subsequently, an interconnector layer material (for example, LaCrMgO 3 -based oxide powder), an organic binder, and a solvent are mixed to prepare a slurry.
続いて、支持体1とインターコネクタ層8との間に密着層成形体を形成する場合には、下記のように作製する。例えば、Y2O3が固溶したZrO2とNiOが体積比で40:60〜60:40の範囲となるように混合して乾燥し、有機バインダー等を加えて密着層用スラリーを調整し、筒状体成形体の第2開口部を構成する壁部上面および第2開口部内における支持体成形体上に塗布して密着層成形体を形成する。
Subsequently, when an adhesion layer molded body is formed between the
この後、密着層成形体上にインターコネクタ層用スラリーを塗布し、積層成形体を作製する。 Thereafter, the interconnector layer slurry is applied onto the adhesion layer molded body to produce a laminated molded body.
次いで、上記の積層成形体を脱バインダー処理し、大気中、1400〜1450℃にて2〜6時間、同時焼結(同時焼成)する。 Subsequently, the above-mentioned laminated molded body is subjected to binder removal treatment, and is simultaneously sintered (simultaneously fired) in the atmosphere at 1400 to 1450 ° C. for 2 to 6 hours.
さらに、酸素極層用材料(例えば、LaCoO3系酸化物粉末)、溶媒および増孔剤を含有するスラリーをディッピング等により中間層上に塗布し、1000〜1300℃で、2〜6時間焼き付けることにより、図1、2に示す構造の本実施形態の燃料電池セル10を製造できる。
Furthermore, a slurry containing an oxygen electrode layer material (for example, LaCoO 3 oxide powder), a solvent and a pore-forming agent is applied onto the intermediate layer by dipping or the like, and baked at 1000 to 1300 ° C. for 2 to 6 hours. Thus, the
なお、図3(b)に示すような構造は、例えば、第1開口部9aの寸法が3層成形体よりも小さい筒状体を構成するシート状の成形体を作製し、この成形体の第1開口部9aを構成する壁部が、支持体成形体の3層成形体の外周部に重畳するように巻き付け積層して得ることができる。また、図4に示すような構造は、例えば、支持体成形体に筒状体を構成するシート状の成形体を巻き付けて積層した後、第1開口部9a内に燃料極層用スラリー、固体電解質層用スラリー、中間層用スラリーを塗布して得ることができる。なお、固体電解質層用スラリー、中間層用スラリーは、第1開口部9aを構成する壁部上面にも塗布する。
In addition, the structure as shown in FIG. 3B is, for example, a sheet-like molded body that forms a cylindrical body in which the size of the
図7は、上述した燃料電池セル10の複数個を、集電部材13を介して電気的に直列に接続して構成されたセルスタック装置の一例を示したものであり、(a)はセルスタック装置を概略的に示す側面図、(b)は(a)のセルスタック装置の一部拡大断面図であり、(a)で示した破線で囲った部分を抜粋して示している。なお、(b)において(a)で示した破線で囲った部分に対応する部分を明確とするために矢印にて示しており、(b)で示す燃料電池セル10においては、上述した中間層等の一部の部材を省略して示している。
FIG. 7 shows an example of a cell stack device configured by electrically connecting a plurality of the above-described
なお、セルスタック装置においては、各燃料電池セル10を、弾性を有する集電部材13を介して配列することでセルスタック12を構成しており、各燃料電池セル10の下端部が、燃料電池セル10に燃料ガスを供給するためのガスタンク16に、ガラスシール材等の絶縁性の接着剤17により固定されている。
In the cell stack device, each
また、ガスタンク16に下端部が固定された弾性変形可能な導電部材14により、燃料電池セル10のセル配列方向xの両端から、セルスタック12を挟持している。
In addition, the
また、図7に示す導電部材14においては、燃料電池セル10のセル配列方向xに沿っ
て外側に向けて延びた形状で、セルスタック12(燃料電池セル10)の発電により生じる電流を引出すための電流引出し部15が設けられている。
Further, in the conductive member 14 shown in FIG. 7, in order to draw out the current generated by the power generation of the cell stack 12 (fuel cell 10) in a shape extending outward along the cell arrangement direction x of the
図8に、燃料電池セル10下端部のガスタンク16への固定構造を示す。燃料電池セル10の下端部は、ガスタンク10に形成された開口部内に挿入され、ガラスシール材等の接着剤17により固定されている。なお、図8(a)はセル配列方向xから見た側面図、図8(b)はセル幅方向Wから見た側面図である。
FIG. 8 shows a structure for fixing the lower end of the
すなわち、薄い箱状のガスタンク10の上壁に、2個のセルスタック12の下端部が挿入される開口部が2個形成されており、これらの開口部に、セルスタック12の下端部がそれぞれ挿入された状態で、接着剤17で接合固定されている。接着剤17は、セルスタック12とガスタンク10上壁の開口部を構成する壁面との間、燃料電池セル10間に充填され、シールされている。
That is, two openings into which the lower ends of the two
接着剤17は、図8に示すように、筒状体9の下端部に接合しており、インターコネクタ層8の下端部は接着剤17に埋設されていない。従って、例えば、筒状体9を高強度材料で構成したり、筒状体9の厚みを厚くすることにより、燃料電池セル10の下端部を補強でき、クラックの発生を抑制できる。
As shown in FIG. 8, the adhesive 17 is joined to the lower end portion of the
すなわち、耐熱性合金からなるガスタンク16、燃料電池セル10、接着剤17を構成する材料の違いにより、燃料電池セル10の下端部に応力が生じ、クラック等が発生するおそれがあるが、筒状体9により補強でき、燃料電池セル10の下端部におけるクラックの発生を防止できる。
That is, stress may be generated at the lower end portion of the
また、LaCrO3系酸化物からなるインターコネクタ層8は、還元雰囲気に晒されると還元膨張するが、図8に示すように、インターコネクタ層8の下端部は接着剤17で被覆されていないため、接着剤17で被覆された部分と被覆されていない部分との間における応力を小さくでき、燃料電池セル10の下端部におけるクラックの発生を抑制できる。
Further, the
図9は、セルスタック装置を収納容器内に収納してなる燃料電池モジュール18の一例を示す外観斜視図であり、直方体状の収納容器19の内部に、図8に示したセルスタック装置を収納して構成されている。
FIG. 9 is an external perspective view showing an example of the
なお、燃料電池セル10にて使用する燃料ガスを得るために、天然ガスや灯油等の原燃料を改質して燃料ガスを生成するための改質器20をセルスタック12の上方に配置している。そして、改質器20で生成された燃料ガスは、ガス流通管21を介してガスタンク16に供給され、ガスタンク16を介して燃料電池セル10の内部に設けられた燃料ガス通路2に供給される。
In order to obtain the fuel gas used in the
なお、図9においては、収納容器19の一部(前後面)を取り外し、内部に収納されているセルスタック装置および改質器20を後方に取り出した状態を示している。図9に示した燃料電池モジュール18においては、セルスタック装置を、収納容器19内にスライドして収納することが可能である。なお、セルスタック装置は、改質器20を含むものとしても良い。
FIG. 9 shows a state in which a part (front and rear surfaces) of the
また収納容器19の内部に設けられた酸素含有ガス導入部材22は、図9においてはガスタンク16に並置された一対のセルスタック12の間に配置されるとともに、酸素含有ガスが燃料ガスの流れに合わせて、燃料電池セル10の側方を下端部から上端部に向けて流れるように、燃料電池セル10の下端部に酸素含有ガスを供給する。そして、燃料電池セル10の燃料ガス通路2より排出される燃料ガスを酸素含有ガスと反応させて燃料電池
セル10の上端部側で燃焼させることにより、燃料電池セル10の温度を上昇させることができ、セルスタック装置の起動を早めることができる。また、燃料電池セル10の上端部側にて、燃料電池セル10のガス通路2から排出される燃料ガスと酸素含有ガスとを燃焼させることにより、燃料電池セル10(セルスタック12)の上方に配置された改質器20を温めることができる。それにより、改質器20で効率よく改質反応を行うことができる。
Further, in FIG. 9, the oxygen-containing
さらに、本実施形態の燃料電池モジュール18では、上述した燃料電池セル10を用いたセルスタック装置を収納容器19内に収納してなることから、発電性能が高く、長期信頼性が向上した燃料電池モジュール18とすることができる。
Further, in the
図10は、外装ケース内に図9で示した燃料電池モジュール18と、セルスタック装置を動作させるための補機とを収納してなる燃料電池装置の一例を示す斜視図である。なお、図10においては一部構成を省略して示している。
FIG. 10 is a perspective view showing an example of a fuel cell device in which the
図10に示す燃料電池装置23は、支柱24と外装板25とから構成される外装ケース内を仕切板26により上下に区画し、その上方側を上述した燃料電池モジュール18を収納するモジュール収納室27とし、下方側を燃料電池モジュール18を動作させるための補機類を収納する補機収納室28として構成されている。なお、補機収納室28に収納する補機類は省略して示している。
The
また、仕切板26には、補機収納室28の空気をモジュール収納室27側に流すための空気流通口29が設けられており、モジュール収納室27を構成する外装板25の一部に、モジュール収納室27内の空気を排気するための排気口30が設けられている。
In addition, the
このような燃料電池装置23においては、上述したように、発電性能が高く、信頼性を向上することができる燃料電池モジュール18をモジュール収納室27に収納して構成されることにより、発電性能が高く、信頼性の向上した燃料電池装置23とできる。
In such a
以上、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。例えば、導電性支持体上に酸素極層、固体電解質層、燃料極層を配置した燃料電池セルであっても良い。さらに、例えば、上記形態では、支持体1上に燃料極層3、固体電解質層4、酸素極層6を積層したが、支持体1を用いることなく、燃料極層自体を支持体1とし、この支持体1に、固体電解質層4、酸素極層6を設けても良い。
As mentioned above, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, A various change, improvement, etc. are possible in the range which does not deviate from the summary of this invention. For example, a fuel cell in which an oxygen electrode layer, a solid electrolyte layer, and a fuel electrode layer are disposed on a conductive support may be used. Further, for example, in the above embodiment, the
なお、上記実施形態では、中空平板型の固体酸化物形燃料電池セルについて説明したが、円筒型の固体酸化物形燃料電池セルであっても良いことは勿論である。また、各部材間に機能に合わせて各種中間層を形成しても良い。 In the above embodiment, the hollow plate type solid oxide fuel cell has been described. However, it is needless to say that a cylindrical solid oxide fuel cell may be used. Moreover, you may form various intermediate | middle layers according to a function between each member.
また、上記実施形態では、インターコネクタ層8を有する場合について記載したが、インターコネクタ層を有しない場合であっても良い。
Moreover, in the said embodiment, although the case where it had the
さらに、上記形態では燃料電池セル、セルスタック装置、燃料電池モジュールならびに燃料電池装置について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、電解セルに水蒸気と電圧とを付与して水蒸気(水)を電気分解することにより、水素と酸素(O2)を生成する電解セル(SOEC)およびこの電解セルを備える電解モジュールおよび電解装置にも適用することができる。 Furthermore, although the fuel cell, the cell stack device, the fuel cell module, and the fuel cell device have been described in the above embodiment, the present invention is not limited to this, and steam ( It can also be applied to an electrolysis cell (SOEC) that generates hydrogen and oxygen (O 2 ) by electrolyzing (water), and an electrolysis module and electrolysis apparatus including the electrolysis cell.
1:支持体
2:燃料ガス通路
3:燃料極層
4:固体電解質層
6:酸素極層
8:インターコネクタ層
9:筒状体
9a:第1開口部
9b:第2開口部
18:燃料電池モジュール
23:燃料電池装置
1: support body 2: fuel gas passage 3: fuel electrode layer 4: solid electrolyte layer 6: oxygen electrode layer 8: interconnector layer 9:
本発明は、セル、セルスタック装置、モジュールおよびモジュール収容装置に関する。 The present invention, cell Le, the cell stack device, a module and a module accommodation device.
近年、次世代エネルギーとして、固体酸化物形燃料電池セルを電気的に直列に複数個接続してなるセルスタック装置を、収納容器内に収容した燃料電池装置が種々提案されている。 In recent years, various fuel cell devices have been proposed in which a cell stack device formed by electrically connecting a plurality of solid oxide fuel cells in series is accommodated in a storage container as next-generation energy.
このような燃料電池装置の固体酸化物形燃料電池セルとしては、例えば、互いに平行な一対の平坦面を有するとともに、内部に燃料ガスを流通させるための燃料ガス通路を有し、かつNiを含有してなる導電性支持体を具備するものが知られている(例えば、特許文献1参照)。この特許文献1では、導電性支持体の一方側の平坦面上に、燃料極層、固体電解質層、酸素極層が順に積層され、他方側の平坦面上にインターコネクタ層が積層されている。
As such a solid oxide fuel cell of the fuel cell device, for example, it has a pair of parallel flat surfaces, a fuel gas passage for allowing fuel gas to flow inside, and contains Ni What comprises the electroconductive support body formed by doing is known (for example, refer patent document 1). In
そして、固体酸化物形燃料電池セルは、導電性支持体の周囲を取り囲むように形成された緻密質なZrO2系酸化物からなる固体電解質層と、この固体電解質層の両端部に、緻密質なLaCrO3系酸化物からなるインターコネクタ層の両端部が重なるように接合して構成されており、固体電解質層とインターコネクタ層とで、導電性支持体の周囲を気密に取り囲み、導電性支持体の内部を通過する燃料ガスが、固体電解質層とインターコネクタ層とにより形成された緻密質な筒状体から外部に漏出しないように構成されている。 The solid oxide fuel cell includes a solid electrolyte layer formed of a dense ZrO 2 oxide formed so as to surround the periphery of the conductive support, and a dense electrolyte at both ends of the solid electrolyte layer. The interconnector layer made of LaCrO 3 oxide is joined so that both ends overlap each other, and the solid electrolyte layer and the interconnector layer surround the conductive support in an airtight manner, thereby supporting the conductive support. The fuel gas passing through the inside of the body is configured not to leak to the outside from the dense cylindrical body formed by the solid electrolyte layer and the interconnector layer.
近年においては、固体電解質層は厚みが薄くなるほどイオン導電性が向上し、燃料電池セルの発電性能が向上するため、発電性能を向上すべく固体電解質層の厚みを薄くすることが行われているが、発電性能を向上すべく固体電解質層の厚みを薄くすると、固体電解質層による強度向上効果が低下し、燃料電池セルにクラックが発生し易くなるおそれがあった。 In recent years, the ionic conductivity improves as the thickness of the solid electrolyte layer decreases, and the power generation performance of the fuel cell improves. Therefore, the thickness of the solid electrolyte layer is reduced in order to improve the power generation performance. However, if the thickness of the solid electrolyte layer is reduced in order to improve the power generation performance, the strength improvement effect by the solid electrolyte layer is lowered, and there is a possibility that cracks are likely to occur in the fuel cell.
本発明は、クラックの発生を抑制できるセル、セルスタック装置、モジュールおよびモジュール収容装置を提供することを目的とする。 The present invention, Rousset Le can suppress the generation of cracks, the cell stack device, and an object thereof is to provide a module and module accommodation device.
本発明のセルは、長尺状で多孔質な導電性の支持体と、該支持体の側面に、前記支持体を取り囲むように設けられ、前記支持体の側面に位置する部分に第1開口部を有する絶縁
性の緻密質な筒状体と、該筒状体の前記第1開口部における前記支持体に設けられた、多孔質な第1電極層、緻密質な固体電解質層および多孔質な第2電極層とを具備するとともに、前記筒状体に前記固体電解質層の外周部が接合していることを特徴とする。
Cell Le of the present invention comprises a porous electrically conductive support with elongated, on the side surface of the support, provided so as to surround the support body, first the portion located on the side surface of the support An insulating dense cylindrical body having an opening, and a porous first electrode layer, a dense solid electrolyte layer, and a porous body provided on the support in the first opening of the cylindrical body And a second electrode layer, and an outer peripheral portion of the solid electrolyte layer is joined to the cylindrical body.
また、本発明のセルは、第1電極層となる長尺状の多孔質な導電性の支持体と、該支持体の側面に、前記支持体を取り囲むように設けられ、前記支持体の側面に位置する部分に第1開口部を有する絶縁性の緻密質な筒状体と、該筒状体の前記開口部における前記支持体に設けられた、緻密質な固体電解質層および多孔質な第2電極層とを具備するとともに、前記筒状体に前記固体電解質層の外周部が接合していることを特徴とする。 Also, cell Le of the present invention, the elongated porous conductive support serving as the first electrode layer, the side surface of the support, provided so as to surround the support, the said support An insulating dense cylindrical body having a first opening in a portion located on a side surface, and a dense solid electrolyte layer and a porous body provided on the support in the opening of the cylindrical body And a second electrode layer, and an outer peripheral portion of the solid electrolyte layer is bonded to the cylindrical body.
本発明のセルスタック装置は、上記のセルを複数具備してなるとともに、該複数のセルを電気的に接続してなることを特徴とする。 The cell stack device of the present invention, it becomes a plurality including the above cell Le, characterized by comprising electrically connecting the cell Le said plurality of.
本発明のモジュールは、上記のセルスタック装置を収納容器内に収納してなることを特徴とする。 Module of the present invention is characterized by formed by housing the cell stack device in the storage container.
本発明のモジュール収容装置は、上記のモジュールと、該モジュールを作動させるための補機とを、外装ケース内に収納してなることを特徴とする。 Module accommodation device of the present invention, the above modules, the auxiliary device for operating the 該Mo joules and characterized by being accommodated in the exterior case.
本発明のセルでは、筒状体の第1開口部が固体電解質層で塞がれて筒状体および固体電解質層で筒状のシール層を構成し、その内部をガス通路とすることができるとともに、固体電解質層を薄くして電解性能を向上できる一方で、例えば、筒状体を高強度材料で形成したり、筒状体の厚みを厚くすることにより、筒状体の高強度化を図ることができ、セルにおけるクラック発生を抑制できる。 The cell Le of the present invention, that the first opening of the tubular body is blocked by the solid electrolyte layer constituting the cylindrical body and cylindrical sealing layer a solid electrolyte layer, and its internal gas passageway While it is possible to improve the electrolytic performance by reducing the thickness of the solid electrolyte layer, the strength of the cylindrical body can be increased by, for example, forming the cylindrical body with a high-strength material or increasing the thickness of the cylindrical body. can be achieved, it can be suppressed cracking in cell.
これにより、性能が高く、長期信頼性の高いセルスタック装置、モジュール、モジュール収容装置を提供できる。 Thereby, high performance can be provided long term reliable cell stack device, module, the module accommodation device.
図1、2は、セルの一例である燃料電池セルを示すものであり、図1(a)、(b)はそれぞれインターコネクタ層、酸素極層側から見た側面図、図2(a)は図1(a)の2a−2a線に沿った断面図、図2(b)は2b−2b線に沿った断面図である。なお、両図面において、燃料電池セル10の各構成の一部を拡大して示している。
1 and 2, which shows a fuel cell which is an example of a cell Le, FIG 1 (a), (b) each of the interconnector layer, a side view seen from the oxygen electrode layer side, FIG. 2 (a ) Is a cross-sectional view taken along
この燃料電池セル10は、図2に示すように、中空平板型で、断面が扁平状で、全体的に見て楕円柱状をしたNiを含有してなる長尺状で多孔質な導電性の支持体1を備えている。支持体1は、図2に示すように、上下面に一対の平坦面nを有し、セル幅方向Wに設けられた、一対の平坦面nを連結する一対の弧状面mを有している。支持体1の内部には、適当な間隔で複数の燃料ガス通路2が燃料電池セル10の長さ方向Lに貫通して形成されており、燃料電池セル10は、この支持体1上に各種の部材が設けられた構造を有している。
As shown in FIG. 2, this
そして、本実施形態では、支持体1の側面に、絶縁性の緻密質な筒状体9が、支持体1を取り囲むように設けられており、この筒状体9の支持体1の側面に位置する部分に2つの第1開口部9a、第2開口部9bが形成されている。なお、図1(a)に示すように、第2開口部9bのような筒状体9の上端に形成された凹部も、本実施形態では、開口部と定義する。
And in this embodiment, the insulating dense
第1開口部9aは、筒状体9のセル長さ方向Lにおける中央部に設けられ、セル長さ方向両端部には設けられておらず、第2開口部9bは、筒状体9のセル長さ方向Lの上端から下方に向けて形成されているが、セル長さ方向Lの下端部には設けられていない。
The
筒状体9の第1開口部9aにおける支持体1の側面の部分(第1側面)には、多孔質な燃料極層(第1電極層)3、緻密質な固体電解質層4および多孔質な酸素極層(第2電極層)6が設けられ、筒状体9の第2開口部9bにおける支持体1の側面の部分(第2側面)には、緻密質な導電性セラミックスからなるインターコネクタ層8が設けられている。なお、支持体1の側面とは、一対の平坦面nおよび一対の弧状面mをいう。
A porous fuel electrode layer (first electrode layer) 3, a dense solid electrolyte layer 4, and a porous material are provided on the side surface (first side surface) of the
すなわち、筒状体9は、一対の平坦面nおよび一対の弧状面mを被覆するように形成されており、一方の平坦面nにおける筒状体9には、矩形状の第1開口部9aが設けられ、他方の平坦面nにおける筒状体9には、矩形状の第2開口部9bが設けられている。
That is, the
第1開口部9aには、図2(a)、図3(a)に示すように、燃料極層(第1電極層)3、固体電解質層4および酸素極層(第2電極層)6が設けられており、これらは矩形状に形成されており、固体電解質層4の外周部は筒状体9の第1開口部9aを構成する壁面と接合している。
In the
また、第2開口部9bには矩形状のインターコネクタ層8が設けられており、インターコネクタ層8の外周部は筒状体9の第1開口部9aを構成する壁面および壁部上面に接合している。インターコネクタ層8は、セル長さ方向Lの下端部には形成されておらず、図2(a)に示すように、筒状体が支持体1の外周面全周に形成されている。
In addition, a
筒状体9は、固体電解質層4およびインターコネクタ層8が設けられる支持体1の部分を除き、支持体1の一対の平坦面nと両側の弧状面mとを覆っている。固体電解質層4の厚みは、30μm以下、特には20μm以下、さらには15μm以下であることが発電性能向上という点から望ましい。インターコネクタ層8についても、厚みが薄い方が、導電性が向上するため、70μm以下、特には、50μm以下とされている。
The
また、固体電解質層4の表面には、中間層5を介して、燃料極層3と対面するように、多孔質な酸素極層6が配置されている。中間層5は、酸素極層6が形成される固体電解質層4上に形成されている。酸素極層6は、中間層5の上面および第1開口部9aを構成する壁部上面に形成されている。
A porous
ここで、燃料電池セル10は、燃料極層3と酸素極層6とが固体電解質層4を介して対面している部分が燃料電池として機能して発電する。即ち、酸素極層6の外側に空気等の酸素含有ガスを流し、且つ支持体1内の燃料ガス通路2に燃料ガス(水素含有ガス)を流し、所定の作動温度まで加熱することにより発電する。かかる発電によって生成した電流は、支持体1に設けられているインターコネクタ層8を介して集電される。
Here, in the
すなわち、ガス遮断性を有する緻密質な筒状体9、固体電解質層4およびインターコネクタ層8とで支持体1を取り囲み、内部を流通する燃料ガスが外部に漏出しないように構成されている。言い換えれば、筒状体9、固体電解質層4およびインターコネクタ層8とで、ガス遮断性を有する楕円筒状体を形成し、この楕円筒状体の内部が燃料ガス流路とされ、燃料極層3に供給される燃料ガスと、酸素極層6に供給される酸素含有ガスとが、楕円筒状体で遮断されている。なお、緻密質な筒状体9、固体電解質層4およびインターコネクタ層8とは、走査型電子顕微鏡写真を画像解析装置で測定した気孔率が5%以下、特に2%以下の筒状体9、固体電解質層4およびインターコネクタ層8をいう。
That is, the dense
筒状体9は、緻密質で強度が高い材料であれば良いが、特には、固体電解質材料で構成することが望ましい。固体電解質材料とは、固体電解質層4を構成する材料、例えば、ジルコニア系酸化物、ランタンガレード系酸化物等を用いることができ、特に、固体電解質層4と同じ系の材料が望ましい。固体電解質層4および筒状体9は、希土類元素を含有するZrO2から構成されていることが望ましく、この場合、筒状体9は、固体電解質層4よりも希土類元素の含有量が少ないことが強度向上の点から望ましい。
The
特には、固体電解質層4は部分安定化ジルコニア、例えば、3〜15モル%、特には7〜9モル%のY2O3が固溶したZrO2からなることが、発電性能を向上させる点で望ましい。また、筒状体9を構成する固体電解質材料は同じ部分安定化ジルコニアで、希土類元素として、固体電解質層4と同じものを含有することが望ましい。さらに、希土類元素は、固体電解質層4よりも少なく、例えば、3〜5モル%のY2O3が固溶したZrO2からなることが強度という点から望ましい。
In particular, the solid electrolyte layer 4 is composed of partially stabilized zirconia, for example, ZrO 2 in which 3 to 15 mol%, particularly 7 to 9 mol% of Y 2 O 3 is dissolved, which improves power generation performance. Is desirable. The solid electrolyte material constituting the
以上のような燃料電池セル10では、筒状体9、固体電解質層4およびインターコネクタ層8で構成された緻密質なシール体で多孔質な支持体1を取り囲んでいるため、筒状体9内部をガス通路とすることができる。また、固体電解質層4およびインターコネクタ層8が形成されていない部分は、筒状体9が存在しているため、固体電解質層4およびインターコネクタ層8の厚みを薄くして、発電性能を向上できる一方で、筒状体9の厚みを厚くして補強したり、高強度材料で構成することができ、特に、支持体1の弧状面mの部分や、支持体1のセル長さ方向両端部におけるクラック発生を抑制できる。
In the
また、従来、LaCrO3系酸化物からなるインターコネクタ層8は還元雰囲気に曝されると膨張し、また、Niを含有してなる多孔質の導電性の支持体1は、インターコネクタ層8からの元素拡散により、還元雰囲気に曝されると膨張しようとする。このような燃料電池セル10の下端部を、後述する図8に示すようにガスタンクの開口部に無機材料からなる接着剤で接合すると、燃料電池セル10の接着剤が存在しない部分では、インターコネクタ層8が還元雰囲気に曝されることにより還元膨張しようとする一方で、燃料電池セル10の接着剤による接合部分では接着剤でインターコネクタ層8の還元膨張が抑えら
れるため、その境界部分(セル下端部)における応力が大きく、クラックが発生するおそれがあった。
Conventionally, the
これに対して、本実施形態では、支持体1のセル長さ方向Lの下端部には、還元変形するインターコネクタ層8が形成されておらず、筒状体9が形成されているため、筒状体9の下端部を接着剤で接合し、インターコネクタ層8の部分は接着剤で接合しない構造とすることができ、これにより、セル下端部における応力を低減でき、クラック発生を抑制できる。
On the other hand, in this embodiment, the
なお、図1、2に示す形態では、図3(a)に示すように、固体電解質層4の外周面を筒状体9の第1開口部9aを構成する壁面と接合した場合について説明したが、図3(b)に示すように、固体電解質層4(中間層5)の外周部表面を、中間層5を介して筒状体9の第1開口部9aを構成する外周部が重畳し、固体電解質層4の外周面が第1開口部9aを構成する壁面に接合する場合であっても良い。さらに、図4に示すように、筒状体9の第1開口部9aを構成する外周部表面に、固体電解質層4の外周部が重畳し、接合する場合であっても良い。
1 and 2, the case where the outer peripheral surface of the solid electrolyte layer 4 is joined to the wall surface forming the
図5は、燃料電池セル10の他の形態を示すもので、この形態では、インターコネクタ層8が設けられる第2開口部9bが、支持体1のセル長さ方向Lの両端部に筒状体9の一部が存在した状態で設けられている。この形態では、インターコネクタ層8が、支持体1のセル長さ方向Lの両端部に形成されていないため、インターコネクタ層8の還元膨張によるセル両端部の応力を低減できる。
FIG. 5 shows another form of the
以下に、本実施形態の燃料電池セル10を構成する各部材について説明する。
Below, each member which comprises the
導電性の支持体1は、燃料ガスを燃料極層3まで透過させるためにガス透過性であること、インターコネクタ層8を介して集電を行うために導電性であることが要求されることから、例えば、Niおよび/またはNiOと、無機酸化物、例えば特定の希土類酸化物とにより形成されることが好ましい。
The
特定の希土類酸化物とは、支持体1の熱膨張係数を固体電解質層4の熱膨張係数に近づけるために使用されるものであり、Y、Lu、Yb、Tm、Er、Ho、Dy、Gd、Sm、Prからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含む希土類酸化物が、Niおよび/またはNiOとの組み合わせで使用することができる。このような希土類酸化物の具体例としては、Y2O3、Lu2O3、Yb2O3、Tm2O3、Er2O3、Ho2O3、Dy2O3、Gd2O3、Sm2O3、Pr2O3を例示することができ、Niおよび/またはNiOとの固溶、反応が殆どなく、また、熱膨張係数が固体電解質層4と同程度であり、かつ安価であるという点から、Y2O3、Yb2O3が好ましい。
The specific rare earth oxide is used to make the thermal expansion coefficient of the
また、本実施形態においては、支持体1の良好な導電率を維持し、かつ熱膨張係数を固体電解質層4と近似させるという点で、Niおよび/またはNiO:希土類酸化物=35:65〜65:35の体積比で存在することが好ましい。なお、支持体1中には、要求される特性が損なわれない限りの範囲で、他の金属成分や酸化物成分を含有していてもよい。
In the present embodiment, Ni and / or NiO: rare earth oxide = 35: 65 in that the good conductivity of the
また、支持体1は、燃料ガス透過性を有していることが必要であるため、多孔質であり、通常、開気孔率が30%以上、特に35〜50%の範囲にあることが好ましい。また、支持体1の導電率は、300S/cm以上、特に440S/cm以上であることが好ましい。
Further, since the
なお、支持体1の平坦面nの長さ(支持体1のセル幅方向Wの長さ)は、例えば、15〜35mm、弧状面mの長さ(弧の長さ)は、2〜8mmであり、支持体1の厚み(平坦面n間の厚み)は1.5〜5mmである。支持体1の長さは、例えば、100〜300mmとされている。
Note that the length of the flat surface n of the support 1 (the length of the
燃料極層3は、電極反応を生じさせるものであり、それ自体公知の多孔質の導電性セラミックスにより形成することができる。例えば、希土類元素酸化物が固溶したZrO2または希土類元素酸化物が固溶したCeO2と、Niおよび/またはNiOとから形成することができる。なお、希土類元素としては、導電性支持体1において例示した希土類元素を用いることができ、例えばY2O3が固溶したZrO2(YSZ)とNiおよび/またはNiOとから形成することができる。
The
燃料極層3中の希土類元素酸化物が固溶したZrO2または希土類元素酸化物が固溶しているCeO2の含有量は、35〜65体積%の範囲にあるのが好ましく、またNiあるいはNiOの含有量は、65〜35体積%であるのが好ましい。さらに、この燃料極層3の開気孔率は、15%以上、特に20〜40%の範囲にあるのが好ましく、その厚みは、1〜30μmであるのが好ましい。
The content of ZrO 2 in which the rare earth element oxide is dissolved in the
固体電解質層4は、3〜15モル%のY、Sc、Yb等の希土類元素を含有した部分安定化あるいは安定化ZrO2からなるセラミックスを用いるのが好ましい。また、希土類元素としては、安価であるという点からYが好ましい。固体電解質層4は、部分安定化あるいは安定化ZrO2からなるセラミックスに限定されるものではなく、従来、公知の、例えば、ランタンガレード系の固体電解質層であっても良いことは勿論である。 The solid electrolyte layer 4 is preferably made of a ceramic made of partially stabilized or stabilized ZrO 2 containing 3 to 15 mol% of a rare earth element such as Y, Sc, or Yb. As the rare earth element, Y is preferable because it is inexpensive. The solid electrolyte layer 4 is not limited to ceramics made of partially stabilized or stabilized ZrO 2, and may of course be a conventionally known, for example, lanthanum galade based solid electrolyte layer. .
固体電解質層4と後述する酸素極層6との間に、固体電解質層4と酸素極層6との接合を強固とするとともに、固体電解質層4の成分と酸素極層6の成分とが反応して電気抵抗の高い反応層が形成されることを抑制する目的で中間層5が形成されている。
The solid electrolyte layer 4 and the
中間層5としては、Ce以外の他の希土類元素を含有するCeO2系焼結体からなるもので、例えば、(CeO2)1−x(REO1.5)x(式中、REはSm、Y、Yb、Gdの少なくとも1種であり、xは0<x≦0.3を満足する数)で表される組成を有していることが好ましい。さらには、電気抵抗を低減するという点から、REとしてSmやGdを用いることが好ましく、例えば10〜20モル%のSmO1.5またはGdO1.5が固溶したCeO2からなることが好ましい。
The
酸素極層6としては、いわゆる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により形成することが好ましい。かかるペロブスカイト型酸化物としては、Laを含有する遷移金属ペロブスカイト型酸化物、特にAサイトにSrとLaが共存するLaMnO3系酸化物、LaFeO3系酸化物、LaCoO3系酸化物の少なくとも1種が好ましく、600〜1000℃程度の作動温度での電気伝導性が高いという点からLaCoO3系酸化物が特に好ましい。なお、上記ペロブスカイト型酸化物においては、Bサイトに、CoとともにFeやMnが存在しても良い。
The
また、酸素極層6は、ガス透過性を有する必要があり、従って、酸素極層6を形成する導電性セラミックス(ペロブスカイト型酸化物)は、開気孔率が20%以上、特に30〜50%の範囲にあることが好ましい。さらに、酸素極層6の厚みは、集電性という点から30〜100μmであることが好ましい。
Further, the
インターコネクタ層8は導電性セラミックスにより形成されている。燃料ガス(水素含有ガス)および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、耐還元性、耐酸化性を有する導電性セラミックスとしては、例えば、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、特に支持体1および固体電解質層4の熱膨張係数に近づける目的から、BサイトにMgが存在するLaCrMgO3系酸化物が用いられる。インターコネクタ層8材料は導電性セラミックスであればよく、特に限定されるものではない。
The
また、インターコネクタ層8の厚みは、ガスのリーク防止と電気抵抗という点から、10〜70μmであることが好ましい。この範囲ならばガスのリークを防止できるとともに、電気抵抗を小さくできる。
The thickness of the
さらに、支持体1とインターコネクタ層8との間には、インターコネクタ層8と支持体1との間の熱膨張係数差を軽減する等のために密着層(図示せず)を形成することができる。
Further, an adhesion layer (not shown) is formed between the
このような密着層としては、燃料極層3と類似した組成とすることができる。例えば、希土類酸化物、希土類元素酸化物が固溶したZrO2、希土類元素酸化物が固溶したCeO2のうち少なくとも1種と、Niおよび/またはNiOとから形成することができる。より具体的には、例えばY2O3とNiおよび/またはNiOからなる組成や、Y2O3が固溶したZrO2(YSZ)とNiおよび/またはNiOからなる組成、Y、Sm、Gd等の酸化物が固溶したCeO2とNiおよび/またはNiOからなる組成から形成することができる。なお、希土類酸化物や希土類元素酸化物が固溶したZrO2(CeO2)と、Niおよび/またはNiOとは、体積比で40:60〜60:40の範囲とすることが好ましい。
Such an adhesion layer may have a composition similar to that of the
以上説明した本実施形態の燃料電池セル10の作製方法の一例について説明する。
An example of a method for producing the
先ず、例えば、Niおよび/またはNiO粉末と、Y2O3などの希土類酸化物の粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合して坏土を調製し、この坏土を用いて押出成形により、図6(a)に示すように、支持体成形体を作製し、これを乾燥する。なお、支持体成形体として、支持体成形体を900〜1000℃にて2〜6時間仮焼した仮焼体を用いてもよい。 First, for example, Ni and / or NiO powder, a rare earth oxide powder such as Y 2 O 3 , an organic binder, and a solvent are mixed to prepare a clay, and this clay is used for extrusion molding. As shown in FIG. 6 (a), a support molded body is prepared and dried. In addition, you may use the calcined body which calcined the support body molded object at 900-1000 degreeC for 2 to 6 hours as a support body molded object.
次に、例えば所定の調合組成に従い、NiOと、Y2O3が固溶したZrO2(YSZ)との素原料を秤量、混合する。この後、混合した粉体に、有機バインダーおよび溶媒を混合して燃料極層用スラリーを調製する。 Next, for example, according to a predetermined composition, raw materials of NiO and ZrO 2 (YSZ) in which Y 2 O 3 is dissolved are weighed and mixed. Thereafter, an organic binder and a solvent are mixed with the mixed powder to prepare a slurry for the fuel electrode layer.
また、例えば、GdO1.5が固溶したCeO2粉末を800〜900℃にて2〜6時間、熱処理を行い、中間層成形体用の原料粉末を調整する。この原料粉末に、溶媒としてトルエンを添加し、中間層用スラリーを作製する。 Further, for example, CeO 2 powder in which GdO 1.5 is dissolved is heat-treated at 800 to 900 ° C. for 2 to 6 hours to adjust the raw material powder for the intermediate layer molded body. Toluene is added as a solvent to this raw material powder to prepare an intermediate layer slurry.
そして、希土類元素酸化物が固溶したZrO2粉末に、トルエン、バインダー粉末、市販の分散剤等を加えて固体電解質層スラリーを作製し、これを用いてドクターブレード等の方法により、成形してシート状の固体電解質層成形体を作製する。 Then, a solid electrolyte layer slurry is prepared by adding toluene, a binder powder, a commercially available dispersant, etc. to the ZrO 2 powder in which the rare earth element oxide is solid-dissolved, and using this, it is molded by a method such as a doctor blade. A sheet-like solid electrolyte layer molded body is produced.
得られたシート状の固体電解質層成形体上の一方側の面に、燃料極層用スラリーを塗布し乾燥して燃料極層成形体を形成し、他方側の面に中間層用スラリーを塗布して中間層成形体を形成し、シート状の3層成形体を形成する。この燃料極層成形体、中間層成形体および固体電解質層成形体が積層したシート状の3層成形体の燃料極層成形体側の面を支持体成形体に積層し、図6(b)に示すような積層成形体を形成する。 The fuel electrode layer slurry is applied to one side of the obtained sheet-shaped solid electrolyte layer molding and dried to form a fuel electrode layer molding, and the intermediate layer slurry is applied to the other side. Thus, an intermediate layer molded body is formed, and a sheet-shaped three-layer molded body is formed. The surface on the fuel electrode layer molded body side of the sheet-shaped three-layer molded body in which the fuel electrode layer molded body, the intermediate layer molded body, and the solid electrolyte layer molded body are stacked is laminated on the support molded body, and FIG. A laminated molded body as shown is formed.
この後、例えば、3〜5モル%のY2O3が固溶したZrO2粉末に、トルエン、バインダー粉末、市販の分散剤等を加えてスラリー化したものをドクターブレード等の方法により、図6(c)に示すような第1開口部9aを有する筒状体を構成するシート状の成形体を作製する。
Thereafter, for example, a slurry obtained by adding toluene, binder powder, a commercially available dispersant, etc. to ZrO 2 powder in which 3 to 5 mol% of Y 2 O 3 is solid-dissolved, is obtained by a method such as a doctor blade. A sheet-like molded body constituting a cylindrical body having the
次に、図6(d)に示すように、筒状体を構成するシート状の成形体の第1開口部に、支持体成形体の3層成形体が位置するように巻き付け積層する。巻き付けた後には、第2開口部9aが形成される。図6(e)に、筒状体成形体を支持体成形体に巻き付けた状態の表面と裏面を示す。
Next, as shown in FIG.6 (d), it winds and laminate | stacks so that the 3 layer molded object of a support body molded object may be located in the 1st opening part of the sheet-like molded object which comprises a cylindrical body. After the winding, the
次いで、上記の積層成形体を800〜1200℃で2〜6時間仮焼する。続いて、インターコネクタ層材料(例えば、LaCrMgO3系酸化物粉末)、有機バインダー及び溶媒を混合してスラリーを作製する。 Next, the laminated molded body is calcined at 800 to 1200 ° C. for 2 to 6 hours. Subsequently, an interconnector layer material (for example, LaCrMgO 3 -based oxide powder), an organic binder, and a solvent are mixed to prepare a slurry.
続いて、支持体1とインターコネクタ層8との間に密着層成形体を形成する場合には、下記のように作製する。例えば、Y2O3が固溶したZrO2とNiOが体積比で40:60〜60:40の範囲となるように混合して乾燥し、有機バインダー等を加えて密着層用スラリーを調整し、筒状体成形体の第2開口部を構成する壁部上面および第2開口部内における支持体成形体上に塗布して密着層成形体を形成する。
Subsequently, when an adhesion layer molded body is formed between the
この後、密着層成形体上にインターコネクタ層用スラリーを塗布し、積層成形体を作製する。 Thereafter, the interconnector layer slurry is applied onto the adhesion layer molded body to produce a laminated molded body.
次いで、上記の積層成形体を脱バインダー処理し、大気中、1400〜1450℃にて2〜6時間、同時焼結(同時焼成)する。 Subsequently, the above-mentioned laminated molded body is subjected to binder removal treatment, and is simultaneously sintered (simultaneously fired) in the atmosphere at 1400 to 1450 ° C. for 2 to 6 hours.
さらに、酸素極層用材料(例えば、LaCoO3系酸化物粉末)、溶媒および増孔剤を含有するスラリーをディッピング等により中間層上に塗布し、1000〜1300℃で、2〜6時間焼き付けることにより、図1、2に示す構造の本実施形態の燃料電池セル10を製造できる。
Furthermore, a slurry containing an oxygen electrode layer material (for example, LaCoO 3 oxide powder), a solvent and a pore-forming agent is applied onto the intermediate layer by dipping or the like, and baked at 1000 to 1300 ° C. for 2 to 6 hours. Thus, the
なお、図3(b)に示すような構造は、例えば、第1開口部9aの寸法が3層成形体よりも小さい筒状体を構成するシート状の成形体を作製し、この成形体の第1開口部9aを構成する壁部が、支持体成形体の3層成形体の外周部に重畳するように巻き付け積層して得ることができる。また、図4に示すような構造は、例えば、支持体成形体に筒状体を構成するシート状の成形体を巻き付けて積層した後、第1開口部9a内に燃料極層用スラリー、固体電解質層用スラリー、中間層用スラリーを塗布して得ることができる。なお、固体電解質層用スラリー、中間層用スラリーは、第1開口部9aを構成する壁部上面にも塗布する。
In addition, the structure as shown in FIG. 3B is, for example, a sheet-like molded body that forms a cylindrical body in which the size of the
図7は、上述した燃料電池セル10の複数個を、集電部材13を介して電気的に直列に接続して構成されたセルスタック装置の一例を示したものであり、(a)はセルスタック装置を概略的に示す側面図、(b)は(a)のセルスタック装置の一部拡大断面図であり、(a)で示した破線で囲った部分を抜粋して示している。なお、(b)において(a)で示した破線で囲った部分に対応する部分を明確とするために矢印にて示しており、(b)で示す燃料電池セル10においては、上述した中間層等の一部の部材を省略して示している。
FIG. 7 shows an example of a cell stack device configured by electrically connecting a plurality of the above-described
なお、セルスタック装置においては、各燃料電池セル10を、弾性を有する集電部材13を介して配列することでセルスタック12を構成しており、各燃料電池セル10の下端
部が、燃料電池セル10に燃料ガスを供給するためのガスタンク16に、ガラスシール材等の絶縁性の接着剤17により固定されている。
In the cell stack device, each
また、ガスタンク16に下端部が固定された弾性変形可能な導電部材14により、燃料電池セル10のセル配列方向xの両端から、セルスタック12を挟持している。
In addition, the
また、図7に示す導電部材14においては、燃料電池セル10のセル配列方向xに沿って外側に向けて延びた形状で、セルスタック12(燃料電池セル10)の発電により生じる電流を引出すための電流引出し部15が設けられている。
Further, in the conductive member 14 shown in FIG. 7, in order to draw out the current generated by the power generation of the cell stack 12 (fuel cell 10) in a shape extending outward along the cell arrangement direction x of the
図8に、燃料電池セル10下端部のガスタンク16への固定構造を示す。燃料電池セル10の下端部は、ガスタンク10に形成された開口部内に挿入され、ガラスシール材等の接着剤17により固定されている。なお、図8(a)はセル配列方向xから見た側面図、図8(b)はセル幅方向Wから見た側面図である。
FIG. 8 shows a structure for fixing the lower end of the
すなわち、薄い箱状のガスタンク10の上壁に、2個のセルスタック12の下端部が挿入される開口部が2個形成されており、これらの開口部に、セルスタック12の下端部がそれぞれ挿入された状態で、接着剤17で接合固定されている。接着剤17は、セルスタック12とガスタンク10上壁の開口部を構成する壁面との間、燃料電池セル10間に充填され、シールされている。
That is, two openings into which the lower ends of the two
接着剤17は、図8に示すように、筒状体9の下端部に接合しており、インターコネクタ層8の下端部は接着剤17に埋設されていない。従って、例えば、筒状体9を高強度材料で構成したり、筒状体9の厚みを厚くすることにより、燃料電池セル10の下端部を補強でき、クラックの発生を抑制できる。
As shown in FIG. 8, the adhesive 17 is joined to the lower end portion of the
すなわち、耐熱性合金からなるガスタンク16、燃料電池セル10、接着剤17を構成する材料の違いにより、燃料電池セル10の下端部に応力が生じ、クラック等が発生するおそれがあるが、筒状体9により補強でき、燃料電池セル10の下端部におけるクラックの発生を防止できる。
That is, stress may be generated at the lower end portion of the
また、LaCrO3系酸化物からなるインターコネクタ層8は、還元雰囲気に晒されると還元膨張するが、図8に示すように、インターコネクタ層8の下端部は接着剤17で被覆されていないため、接着剤17で被覆された部分と被覆されていない部分との間における応力を小さくでき、燃料電池セル10の下端部におけるクラックの発生を抑制できる。
Further, the
図9は、セルスタック装置を収納容器内に収納してなる燃料電池モジュール18の一例を示す外観斜視図であり、直方体状の収納容器19の内部に、図8に示したセルスタック装置を収納して構成されている。
FIG. 9 is an external perspective view showing an example of the
なお、燃料電池セル10にて使用する燃料ガスを得るために、天然ガスや灯油等の原燃料を改質して燃料ガスを生成するための改質器20をセルスタック12の上方に配置している。そして、改質器20で生成された燃料ガスは、ガス流通管21を介してガスタンク16に供給され、ガスタンク16を介して燃料電池セル10の内部に設けられた燃料ガス通路2に供給される。
In order to obtain the fuel gas used in the
なお、図9においては、収納容器19の一部(前後面)を取り外し、内部に収納されているセルスタック装置および改質器20を後方に取り出した状態を示している。図9に示した燃料電池モジュール18においては、セルスタック装置を、収納容器19内にスライドして収納することが可能である。なお、セルスタック装置は、改質器20を含むものと
しても良い。
FIG. 9 shows a state in which a part (front and rear surfaces) of the
また収納容器19の内部に設けられた酸素含有ガス導入部材22は、図9においてはガスタンク16に並置された一対のセルスタック12の間に配置されるとともに、酸素含有ガスが燃料ガスの流れに合わせて、燃料電池セル10の側方を下端部から上端部に向けて流れるように、燃料電池セル10の下端部に酸素含有ガスを供給する。そして、燃料電池セル10の燃料ガス通路2より排出される燃料ガスを酸素含有ガスと反応させて燃料電池セル10の上端部側で燃焼させることにより、燃料電池セル10の温度を上昇させることができ、セルスタック装置の起動を早めることができる。また、燃料電池セル10の上端部側にて、燃料電池セル10のガス通路2から排出される燃料ガスと酸素含有ガスとを燃焼させることにより、燃料電池セル10(セルスタック12)の上方に配置された改質器20を温めることができる。それにより、改質器20で効率よく改質反応を行うことができる。
Further, in FIG. 9, the oxygen-containing
さらに、本実施形態の燃料電池モジュール18では、上述した燃料電池セル10を用いたセルスタック装置を収納容器19内に収納してなることから、発電性能が高く、長期信頼性が向上した燃料電池モジュール18とすることができる。
Further, in the
図10は、外装ケース内に図9で示した燃料電池モジュール18と、セルスタック装置を動作させるための補機とを収納してなる燃料電池装置の一例を示す斜視図である。なお、図10においては一部構成を省略して示している。
FIG. 10 is a perspective view showing an example of a fuel cell device in which the
図10に示す燃料電池装置23は、支柱24と外装板25とから構成される外装ケース内を仕切板26により上下に区画し、その上方側を上述した燃料電池モジュール18を収納するモジュール収納室27とし、下方側を燃料電池モジュール18を動作させるための補機類を収納する補機収納室28として構成されている。なお、補機収納室28に収納する補機類は省略して示している。
The
また、仕切板26には、補機収納室28の空気をモジュール収納室27側に流すための空気流通口29が設けられており、モジュール収納室27を構成する外装板25の一部に、モジュール収納室27内の空気を排気するための排気口30が設けられている。
In addition, the
このような燃料電池装置23においては、上述したように、発電性能が高く、信頼性を向上することができる燃料電池モジュール18をモジュール収納室27に収納して構成されることにより、発電性能が高く、信頼性の向上した燃料電池装置23とできる。
In such a
以上、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。例えば、導電性支持体上に酸素極層、固体電解質層、燃料極層を配置した燃料電池セルであっても良い。さらに、例えば、上記形態では、支持体1上に燃料極層3、固体電解質層4、酸素極層6を積層したが、支持体1を用いることなく、燃料極層自体を支持体1とし、この支持体1に、固体電解質層4、酸素極層6を設けても良い。
As mentioned above, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, A various change, improvement, etc. are possible in the range which does not deviate from the summary of this invention. For example, a fuel cell in which an oxygen electrode layer, a solid electrolyte layer, and a fuel electrode layer are disposed on a conductive support may be used. Further, for example, in the above embodiment, the
なお、上記実施形態では、中空平板型の固体酸化物形燃料電池セルについて説明したが、円筒型の固体酸化物形燃料電池セルであっても良いことは勿論である。また、各部材間に機能に合わせて各種中間層を形成しても良い。 In the above embodiment, the hollow plate type solid oxide fuel cell has been described. However, it is needless to say that a cylindrical solid oxide fuel cell may be used. Moreover, you may form various intermediate | middle layers according to a function between each member.
また、上記実施形態では、インターコネクタ層8を有する場合について記載したが、インターコネクタ層を有しない場合であっても良い。
Moreover, in the said embodiment, although the case where it had the
さらに、上記形態では燃料電池セル、セルスタック装置、燃料電池モジュールならびに燃料電池装置について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、セルに水蒸気と電圧とを付与して水蒸気(水)を電気分解することにより、水素と酸素(O2)を生成する電解セル(SOEC)およびこの電解セルを備える電解モジュールおよび電解装置にも適用することができる。 Furthermore, the fuel cell in the above embodiment, the cell stack device has been described the fuel cell module and fuel cell device, the present invention is not limited thereto, by applying the steam and voltage cell Le vapor ( It can also be applied to an electrolysis cell (SOEC) that generates hydrogen and oxygen (O 2 ) by electrolyzing (water), and an electrolysis module and electrolysis apparatus including the electrolysis cell.
1:支持体
2:燃料ガス通路
3:燃料極層
4:固体電解質層
6:酸素極層
8:インターコネクタ層
9:筒状体
9a:第1開口部
9b:第2開口部
18:燃料電池モジュール
23:燃料電池装置
1: support body 2: fuel gas passage 3: fuel electrode layer 4: solid electrolyte layer 6: oxygen electrode layer 8: interconnector layer 9:
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