JP2015159080A - Cell, cell stack device, module and module housing device - Google Patents

Cell, cell stack device, module and module housing device Download PDF

Info

Publication number
JP2015159080A
JP2015159080A JP2014034224A JP2014034224A JP2015159080A JP 2015159080 A JP2015159080 A JP 2015159080A JP 2014034224 A JP2014034224 A JP 2014034224A JP 2014034224 A JP2014034224 A JP 2014034224A JP 2015159080 A JP2015159080 A JP 2015159080A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
solid electrolyte
support
cylindrical body
cell
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2014034224A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP6215727B2 (en
Inventor
雄一 堀
Yuichi Hori
雄一 堀
一成 杉原
Kazunari Sugihara
一成 杉原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kyocera Corp
Original Assignee
Kyocera Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kyocera Corp filed Critical Kyocera Corp
Priority to JP2014034224A priority Critical patent/JP6215727B2/en
Publication of JP2015159080A publication Critical patent/JP2015159080A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6215727B2 publication Critical patent/JP6215727B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrolytic cell, a cell stack device, an electrolytic module and an electrolytic device, capable of inhibiting cracks from being generated.SOLUTION: An electrolytic cell includes: a porous conductive support body 1 having a long shape; an insulating dense cylindrical body 9 which is provided on the side surface of the support body 1 so as to surround the support body 1 and has a first opening 9a in a portion located on the side surface of the support body 1; and a first porous electrode layer 3, a dense solid electrolyte layer 4 and a second porous electrode layer 6, which are provided in the support body 1 in the first opening 9a of the cylindrical body 9. The outer peripheral part of the solid electrolyte layer 4 is joined to the cylindrical body 9.

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 Patent Document 1, a fuel electrode layer, a solid electrolyte layer, and an oxygen electrode layer are sequentially stacked on a flat surface on one side of a conductive support, and an interconnector layer is stacked on a flat surface on the other side. .

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ZrO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LaCrO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.

特開2008−84716号公報JP 2008-84716 A

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.

燃料電池セルを示すもので、(a)はインターコネクタ層側から見た側面図、(b)は酸素極層側から見た側面図である。1 shows a fuel cell, where (a) is a side view seen from the interconnector layer side, and (b) is a side view seen from the oxygen electrode layer side. (a)は図1(a)の2a−2a線に沿った横断面図、(b)は図1(a)の2b−2b線に沿った横断面図である。FIG. 2A is a cross-sectional view taken along line 2a-2a in FIG. 1A, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line 2b-2b in FIG. (a)は筒状体の開口部内に発電素子部の固体電解質層を設けた状態を示す断面図、(b)は発電素子部の固体電解質層の外周部に筒状体が重畳している状態を示す断面図である。(A) is sectional drawing which shows the state which provided the solid electrolyte layer of the electric power generation element part in the opening part of a cylindrical body, (b) is the cylindrical body superimposed on the outer peripheral part of the solid electrolyte layer of an electric power generation element part. It is sectional drawing which shows a state. 発電素子部の固体電解質層の外周部が筒状体の第1開口部の外周面に重畳している状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state in which the outer peripheral part of the solid electrolyte layer of an electric power generation element part has overlapped with the outer peripheral surface of the 1st opening part of a cylindrical body. インターコネクタ層が上端部に設けられていない形態の燃料電池セルを示すもので、(a)はインターコネクタ層側から見た側面図、(b)は酸素極層側から見た側面図である。The fuel cell of the form by which the interconnector layer is not provided in the upper end part is shown, (a) is the side view seen from the interconnector layer side, (b) is the side view seen from the oxygen electrode layer side. . 図1の燃料電池セルの製法を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the manufacturing method of the fuel battery cell of FIG. セルスタック装置を示すもので、(a)は側面図、(b)は(a)の一部を拡大して示す横断面図である。The cell stack apparatus is shown, (a) is a side view, (b) is an enlarged cross-sectional view showing a part of (a). 図1の燃料電池セルを、接着剤を用いてガスタンクに接着固定した状態を示すもので、(a)はセル配列方向から見た側面図、(b)はセル幅方向から見た側面図(一部断面)である。1 shows a state in which the fuel battery cell of FIG. 1 is bonded and fixed to a gas tank using an adhesive, wherein (a) is a side view seen from the cell arrangement direction, and (b) is a side view seen from the cell width direction ( (Partial cross section). 燃料電池モジュールの一例を示す外観斜視図である。It is an external appearance perspective view which shows an example of a fuel cell module. 燃料電池装置の一部を省略して示す斜視図である。It is a perspective view which abbreviate | omits and shows a part of fuel cell apparatus.

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 line 2a-2a in FIG. 1A, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line 2b-2b. In both drawings, a part of each component of the fuel cell 10 is shown enlarged.

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 fuel cell 10 is a hollow flat plate type, has a flat cross section, and has a long and porous conductive structure containing Ni having an elliptical columnar shape as a whole. A support 1 is provided. As shown in FIG. 2, the support 1 has a pair of flat surfaces n on the upper and lower surfaces, and has a pair of arcuate surfaces m that are provided in the cell width direction W and connect the pair of flat surfaces n. Yes. Inside the support 1, a plurality of fuel gas passages 2 are formed at appropriate intervals so as to penetrate in the length direction L of the fuel cell 10, and the fuel cell 10 is formed on the support 1 in various ways. It has the structure where the member of this was provided.

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 cylindrical body 9 is provided on the side surface of the support body 1 so as to surround the support body 1, and the side surface of the support body 1 of this cylindrical body 9 is provided. Two first openings 9a and second openings 9b are formed in the position. In addition, as shown to Fig.1 (a), the recessed part formed in the upper end of the cylindrical body 9 like the 2nd opening part 9b is also defined as an opening part in this embodiment.

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 first opening 9 a is provided at the center of the cylindrical body 9 in the cell length direction L, is not provided at both ends of the cell length direction, and the second opening 9 b is formed on the cylindrical body 9. Although formed downward from the upper end of the cell length direction L, it is not provided at the lower end of the cell length direction L.

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 support 1 in the first opening 9 a of the cylindrical body 9. An oxygen electrode layer (second electrode layer) 6 is provided, and a portion of the side surface (second side surface) of the support 1 in the second opening 9b of the cylindrical body 9 is formed of a dense conductive ceramic. A connector layer 8 is provided. In addition, the side surface of the support body 1 means a pair of flat surfaces n and a pair of arcuate surfaces m.

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 cylindrical body 9 is formed so as to cover the pair of flat surfaces n and the pair of arcuate surfaces m, and the cylindrical body 9 on the one flat surface n has a rectangular first opening 9a. The cylindrical body 9 on the other flat surface n is provided with a rectangular second opening 9b.

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 first opening 9 a of the cylindrical body 9.

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 rectangular interconnector layer 8 is provided in the second opening 9b, and the outer peripheral portion of the interconnector layer 8 is joined to the wall surface and the upper surface of the wall portion constituting the first opening 9a of the cylindrical body 9. doing. The interconnector layer 8 is not formed at the lower end portion in the cell length direction L, and a cylindrical body is formed on the entire outer peripheral surface of the support 1 as shown in FIG.

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 cylindrical body 9 covers the pair of flat surfaces n and the arcuate surfaces m on both sides of the support 1 except for the portion of the support 1 where the solid electrolyte layer 4 and the interconnector layer 8 are provided. The thickness of the solid electrolyte layer 4 is preferably 30 μm or less, particularly 20 μm or less, and more preferably 15 μm or less from the viewpoint of improving power generation performance. The interconnector layer 8 also has a thickness of 70 μm or less, particularly 50 μm or less, because the thinner the interconnector layer 8, the better the conductivity.

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 oxygen electrode layer 6 is disposed on the surface of the solid electrolyte layer 4 so as to face the fuel electrode layer 3 via the intermediate layer 5. The intermediate layer 5 is formed on the solid electrolyte layer 4 on which the oxygen electrode layer 6 is formed. The oxygen electrode layer 6 is formed on the upper surface of the intermediate layer 5 and the upper surface of the wall portion constituting the first opening 9a.

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 fuel cell 10, the portion where the fuel electrode layer 3 and the oxygen electrode layer 6 face each other through the solid electrolyte layer 4 functions as a fuel cell to generate electric power. That is, an oxygen-containing gas such as air is allowed to flow outside the oxygen electrode layer 6, and a fuel gas (hydrogen-containing gas) is allowed to flow in the fuel gas passage 2 in the support 1 to generate power by heating to a predetermined operating temperature. . The current generated by such power generation is collected via the interconnector layer 8 provided on the support 1.

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 cylindrical body 9 having gas barrier properties, the solid electrolyte layer 4 and the interconnector layer 8 surround the support 1 so that fuel gas flowing through the inside does not leak to the outside. In other words, the cylindrical body 9, the solid electrolyte layer 4 and the interconnector layer 8 form an elliptic cylindrical body having a gas barrier property, and the inside of the elliptic cylindrical body serves as a fuel gas flow path. The fuel gas supplied to the layer 3 and the oxygen-containing gas supplied to the oxygen electrode layer 6 are blocked by an elliptic cylinder. The dense cylindrical body 9, the solid electrolyte layer 4 and the interconnector layer 8 have a porosity of 5% or less, particularly 2% or less, as measured by a scanning electron micrograph using an image analyzer. The solid electrolyte layer 4 and the interconnector layer 8 are referred to.

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ZrO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 cylindrical body 9 may be a dense and high-strength material, but it is particularly desirable that the cylindrical body 9 be made of a solid electrolyte material. As the solid electrolyte material, a material constituting the solid electrolyte layer 4, for example, a zirconia-based oxide, a lanthanum galide-based oxide, or the like can be used. In particular, the same material as the solid electrolyte layer 4 is desirable. The solid electrolyte layer 4 and the cylindrical body 9 are preferably composed of ZrO 2 containing a rare earth element. In this case, the cylindrical body 9 should have a rare earth element content less than the solid electrolyte layer 4. Is desirable from the viewpoint of improving the strength.

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Yが固溶したZrO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Yが固溶したZrO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 cylindrical body 9 is preferably the same partially stabilized zirconia and contains the same rare earth element as the solid electrolyte layer 4. Furthermore, it is desirable from the viewpoint of strength that the rare earth element is less than the solid electrolyte layer 4 and is made of, for example, ZrO 2 in which 3 to 5 mol% of Y 2 O 3 is dissolved.

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 fuel cell 10 as described above, since the porous support 1 is surrounded by the dense seal body constituted by the cylindrical body 9, the solid electrolyte layer 4 and the interconnector layer 8, the cylindrical body 9 The interior can be a gas passage. Moreover, since the cylindrical body 9 exists in the portion where the solid electrolyte layer 4 and the interconnector layer 8 are not formed, the thickness of the solid electrolyte layer 4 and the interconnector layer 8 is reduced to improve the power generation performance. On the other hand, the cylindrical body 9 can be reinforced by increasing the thickness, or can be made of a high-strength material. In particular, the arcuate surface m of the support 1 or both ends of the support 1 in the cell length direction It is possible to suppress the occurrence of cracks in the part.

また、従来、LaCrO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 interconnector layer 8 made of LaCrO 3 -based oxide expands when exposed to a reducing atmosphere, and the porous conductive support 1 containing Ni is formed from the interconnector layer 8. Due to the elemental diffusion, it tends to expand when exposed to a reducing atmosphere. When the lower end of the fuel cell 10 is joined to the opening of the gas tank with an adhesive made of an inorganic material as shown in FIG. 8 to be described later, an interconnector is provided in a portion where the adhesive of the fuel cell 10 does not exist. While the layer 8 is intended to be reduced and expanded by being exposed to a reducing atmosphere, the adhesive layer suppresses the reduction and expansion of the interconnector layer 8 at the bonding portion of the fuel cell 10 with the adhesive. There was a risk that cracks would occur due to large stress at the lower end.

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 interconnector layer 8 that is reduced and deformed is not formed at the lower end portion of the support 1 in the cell length direction L, and the cylindrical body 9 is formed. The lower end portion of the cylindrical body 9 can be joined with an adhesive, and the interconnector layer 8 portion can be structured not to be joined with an adhesive, whereby the stress at the lower end portion of the cell can be reduced and cracking can be suppressed. .

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 first opening 9a of the cylindrical body 9 as shown in FIG. However, as shown in FIG. 3B, the outer peripheral surface of the solid electrolyte layer 4 (intermediate layer 5) is overlapped with the outer peripheral portion constituting the first opening 9 a of the cylindrical body 9 via the intermediate layer 5. And the case where the outer peripheral surface of the solid electrolyte layer 4 joins to the wall surface which comprises the 1st opening part 9a may be sufficient. Furthermore, as shown in FIG. 4, the outer peripheral portion of the solid electrolyte layer 4 may be superposed on and bonded to the outer peripheral surface of the first opening 9 a of the cylindrical body 9.

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 fuel cell 10. In this form, the second opening 9 b provided with the interconnector layer 8 is cylindrical at both ends of the support 1 in the cell length direction L. It is provided in a state where a part of the body 9 exists. In this embodiment, since the interconnector layer 8 is not formed at both ends in the cell length direction L of the support 1, stress at both ends of the cell due to reduction expansion of the interconnector layer 8 can be reduced.

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 fuel cell 10 of this embodiment is demonstrated.

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 conductive support 1 is required to be gas permeable in order to allow fuel gas to permeate to the fuel electrode layer 3 and to be conductive in order to collect current via the interconnector layer 8. From, for example, it is preferable to form Ni and / or NiO and an inorganic oxide such as a specific rare earth oxide.

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、Y、Lu、Yb、Tm、Er、Ho、Dy、Gd、Sm、Pr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、Y、Ybが好ましい。 The specific rare earth oxide is used to make the thermal expansion coefficient of the support 1 close to the thermal expansion coefficient of the solid electrolyte layer 4, and is Y, Lu, Yb, Tm, Er, Ho, Dy, Gd. Rare earth oxides containing at least one element selected from the group consisting of Sm, Pr can be used in combination with Ni and / or NiO. Specific examples of such rare earth oxides include Y 2 O 3 , Lu 2 O 3 , Yb 2 O 3 , Tm 2 O 3 , Er 2 O 3 , Ho 2 O 3 , Dy 2 O 3 , Gd 2 O. 3 , Sm 2 O 3 , Pr 2 O 3 can be exemplified, there is almost no solid solution and reaction with Ni and / or NiO, the thermal expansion coefficient is the same as that of the solid electrolyte layer 4, and From the point of being cheap, Y 2 O 3 and Yb 2 O 3 are preferable.

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 support 1 is maintained and the thermal expansion coefficient is approximated to that of the solid electrolyte layer 4. It is preferably present in a volume ratio of 65:35. The support 1 may contain other metal components and oxide components as long as required characteristics are not impaired.

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 support 1 is required to have fuel gas permeability, it is porous and usually has an open porosity of 30% or more, particularly 35 to 50%. . Further, the conductivity of the support 1 is preferably 300 S / cm or more, and particularly preferably 440 S / cm or more.

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 support 1 in the cell width direction W) is, for example, 15 to 35 mm, and the length of the arcuate surface m (the length of the arc) is 2 to 8 mm. The thickness of the support 1 (thickness between the flat surfaces n) is 1.5 to 5 mm. The length of the support 1 is, for example, 100 to 300 mm.

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ZrO
たは希土類元素酸化物が固溶したCeO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Yが固溶したZrO(YSZ)とNiおよび/またはNiOとから形成することができる。
The fuel electrode layer 3 causes an electrode reaction, and can be formed of a well-known porous conductive ceramic. For example, it can be formed from ZrO 2 in which a rare earth element oxide is dissolved or CeO 2 in which a rare earth element oxide is dissolved, and Ni and / or NiO. As the rare earth element, the rare earth elements exemplified in the conductive support 1 can be used. For example, the rare earth element can be formed from ZrO 2 (YSZ) in which Y 2 O 3 is dissolved and Ni and / or NiO. .

燃料極層3中の希土類元素酸化物が固溶したZrOまたは希土類元素酸化物が固溶しているCeO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 fuel electrode layer 3 or CeO 2 in which the rare earth element oxide is dissolved is preferably in the range of 35 to 65% by volume, and Ni or The content of NiO is preferably 65 to 35% by volume. Further, the open porosity of the fuel electrode layer 3 is preferably 15% or more, particularly preferably in the range of 20 to 40%, and the thickness thereof is preferably 1 to 30 μm.

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ZrO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ZrO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 oxygen electrode layer 6 are strongly bonded to each other between the solid electrolyte layer 4 and the oxygen electrode layer 6 described later, and the components of the solid electrolyte layer 4 react with the components of the oxygen electrode layer 6. Thus, the intermediate layer 5 is formed for the purpose of suppressing the formation of a reaction layer having a high electrical resistance.

中間層5としては、Ce以外の他の希土類元素を含有するCeO系焼結体からなるもので、例えば、(CeO1−x(REO1.5(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CeOからなることが好ましい。 The intermediate layer 5 is made of a CeO 2 based sintered body containing a rare earth element other than Ce. For example, (CeO 2 ) 1-x (REO 1.5 ) x (where RE is Sm , Y, Yb, and Gd, and x preferably has a composition represented by the following formula: 0 <x ≦ 0.3. Furthermore, from the viewpoint of reducing electrical resistance, it is preferable to use Sm or Gd as RE, for example, it is preferably made of CeO 2 in which 10 to 20 mol% of SmO 1.5 or GdO 1.5 is dissolved. .

酸素極層6としては、いわゆるABO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LaMnO系酸化物、LaFeO系酸化物、LaCoO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LaCoO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 oxygen electrode layer 6 is preferably formed of a conductive ceramic made of a so-called ABO 3 type perovskite oxide. Such perovskite oxides include La-containing transition metal perovskite oxides, particularly at least one of LaMnO 3 oxides, LaFeO 3 oxides, and LaCoO 3 oxides in which Sr and La coexist at the A site. LaCoO 3 oxides are particularly preferable from the viewpoint of high electrical conductivity at an operating temperature of about 600 to 1000 ° C. In the perovskite oxide, Fe and Mn may exist together with Co at the B site.

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 oxygen electrode layer 6 needs to have gas permeability. Therefore, the conductive ceramic (perovskite oxide) forming the oxygen electrode layer 6 has an open porosity of 20% or more, particularly 30 to 50%. It is preferable that it exists in the range. Furthermore, the thickness of the oxygen electrode layer 6 is preferably 30 to 100 μm from the viewpoint of current collection.

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(LaCrO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LaCrMgO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 interconnector layer 8 is made of conductive ceramics. In order to come into contact with fuel gas (hydrogen-containing gas) and oxygen-containing gas, it is necessary to have reduction resistance and oxidation resistance. For this reason, for example, lanthanum chromite-based perovskite oxides (LaCrO 3 -based oxides) are used as conductive ceramics having reduction resistance and oxidation resistance, and particularly the heat of the support 1 and the solid electrolyte layer 4. For the purpose of approaching the expansion coefficient, a LaCrMgO 3 -based oxide in which Mg is present at the B site is used. The interconnector layer 8 material may be conductive ceramics and is not particularly limited.

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 interconnector layer 8 is 1 in terms of preventing gas leakage and electric resistance.
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 support 1 and the interconnector layer 8 in order to reduce the difference in thermal expansion coefficient between the interconnector layer 8 and the support 1. Can do.

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ZrO、希土類元素酸化物が固溶したCeO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YとNiおよび/またはNiOからなる組成や、Yが固溶したZrO(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CeO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ZrO(CeO)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 fuel electrode layer 3. For example, it can be formed from at least one of rare earth oxide, ZrO 2 in which a rare earth element oxide is dissolved, and CeO 2 in which a rare earth element oxide is dissolved, and Ni and / or NiO. More specifically, for example, a composition composed of Y 2 O 3 and Ni and / or NiO, a composition composed of ZrO 2 (YSZ) in which Y 2 O 3 is dissolved, and Ni and / or NiO, Y, Sm, Gd It can be formed from a composition composed of CeO 2 and Ni and / or NiO in which an oxide such as oxide is dissolved. Note that the volume ratio of ZrO 2 (CeO 2 ) in which the rare earth oxide or rare earth element oxide is dissolved and Ni and / or NiO is preferably in the range of 40:60 to 60:40.

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 fuel battery cell 10 of the present embodiment described above will be described.

先ず、例えば、Niおよび/またはNiO粉末と、Y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、Yが固溶したZrO(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CeO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ZrO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Yが固溶したZrO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 first opening 9a as shown in FIG.

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 opening 9a is formed. FIG. 6 (e) shows a front surface and a back surface in a state where the cylindrical body molded body is wound around the support body molded body.

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、LaCrMgO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、Yが固溶したZrO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 support 1 and the interconnector layer 8, it is produced as follows. For example, ZrO 2 in which Y 2 O 3 is dissolved and NiO are mixed and dried so that the volume ratio is in the range of 40:60 to 60:40, and an organic binder or the like is added to adjust the adhesion layer slurry. Then, the adhesion layer molded body is formed by coating the upper surface of the wall portion constituting the second opening of the cylindrical body molded body and the support molded body in the second opening.

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、LaCoO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 fuel cell 10 of the present embodiment having the structure shown in FIGS.

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 first opening 9a is smaller than that of the three-layer molded body. The wall part which comprises the 1st opening part 9a can be obtained by winding and laminating | stacking so that it may overlap with the outer peripheral part of the 3 layer molded object of a support body molded object. Further, the structure as shown in FIG. 4 is obtained by, for example, winding and laminating a sheet-shaped molded body constituting a cylindrical body around a support molded body, and then slurrying the fuel electrode layer in the first opening 9a, solid It can be obtained by applying an electrolyte layer slurry and an intermediate layer slurry. In addition, the slurry for solid electrolyte layers and the slurry for intermediate | middle layers are apply | coated also to the upper surface of the wall part which comprises the 1st opening part 9a.

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 fuel cells 10 in series via a current collecting member 13, and (a) shows a cell. The side view which shows a stack apparatus roughly, (b) is a partial expanded sectional view of the cell stack apparatus of (a), and has extracted and shown the part enclosed with the broken line shown by (a). In addition, in (b), the part corresponding to the part enclosed by the broken line shown in (a) is shown by an arrow, and in the fuel cell 10 shown in (b), the intermediate layer described above is shown. Some members such as are omitted.

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 fuel cell 10 is arranged via an elastic current collecting member 13 to constitute a cell stack 12, and the lower end of each fuel cell 10 is a fuel cell. A gas tank 16 for supplying fuel gas to the cell 10 is fixed with an insulating adhesive 17 such as a glass sealing material.

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 cell stack 12 is sandwiched from both ends of the fuel cell 10 in the cell arrangement direction x by the elastically deformable conductive member 14 whose lower end is fixed to the gas tank 16.

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 fuel cell 10. Current extraction part 15 is provided.

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 fuel cell 10 to the gas tank 16. The lower end portion of the fuel battery cell 10 is inserted into an opening formed in the gas tank 10 and fixed by an adhesive 17 such as a glass seal material. 8A is a side view seen from the cell arrangement direction x, and FIG. 8B is a side view seen from the cell width direction W. FIG.

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 cell stacks 12 are inserted are formed on the upper wall of the thin box-shaped gas tank 10, and the lower ends of the cell stack 12 are respectively formed in these openings. In the inserted state, it is bonded and fixed with an adhesive 17. The adhesive 17 is filled and sealed between the fuel cell 10 between the cell stack 12 and the wall surface constituting the opening of the upper wall of the gas tank 10.

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 cylindrical body 9, and the lower end portion of the interconnector layer 8 is not embedded in the adhesive 17. Therefore, for example, by forming the cylindrical body 9 with a high-strength material or increasing the thickness of the cylindrical body 9, the lower end portion of the fuel cell 10 can be reinforced, and the occurrence of cracks can be suppressed.

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 fuel battery cell 10 due to the difference in materials constituting the gas tank 16, the fuel battery cell 10, and the adhesive 17 made of a heat resistant alloy, and cracks may occur. The body 9 can be reinforced, and the generation of cracks at the lower end of the fuel cell 10 can be prevented.

また、LaCrO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 interconnector layer 8 made of LaCrO 3 oxide is reduced and expanded when exposed to a reducing atmosphere, but the lower end portion of the interconnector layer 8 is not covered with the adhesive 17 as shown in FIG. The stress between the portion covered with the adhesive 17 and the portion not covered can be reduced, and the occurrence of cracks at the lower end of the fuel cell 10 can be suppressed.

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 fuel cell module 18 in which the cell stack device is stored in the storage container. The cell stack device shown in FIG. 8 is stored in the storage container 19 having a rectangular parallelepiped shape. Configured.

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 fuel cell 10, a reformer 20 for reforming raw fuel such as natural gas or kerosene to generate fuel gas is disposed above the cell stack 12. ing. The fuel gas generated by the reformer 20 is supplied to the gas tank 16 via the gas flow pipe 21 and supplied to the fuel gas passage 2 provided inside the fuel cell 10 via the gas tank 16. .

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 storage container 19 is removed and the cell stack device and the reformer 20 stored inside are taken out rearward. In the fuel cell module 18 shown in FIG. 9, the cell stack device can be slid and stored in the storage container 19. The cell stack device may include the reformer 20.

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 gas introduction member 22 provided inside the storage container 19 is disposed between a pair of cell stacks 12 juxtaposed to the gas tank 16, and the oxygen-containing gas flows into the fuel gas flow. In addition, an oxygen-containing gas is supplied to the lower end of the fuel cell 10 so that the side of the fuel cell 10 flows from the lower end toward the upper end. Then, the temperature of the fuel cell 10 can be increased by reacting the fuel gas discharged from the fuel gas passage 2 of the fuel cell 10 with the oxygen-containing gas and burning it on the upper end side of the fuel cell 10. This can accelerate the activation of the cell stack device. Further, by burning the fuel gas and the oxygen-containing gas discharged from the gas passage 2 of the fuel battery cell 10 on the upper end side of the fuel battery cell 10, the fuel cell 10 is placed above the fuel battery cell 10 (cell stack 12). The arranged reformer 20 can be warmed. Thereby, the reforming reaction can be efficiently performed in the reformer 20.

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 fuel cell module 18 of the present embodiment, the cell stack device using the above-described fuel cell 10 is housed in the housing container 19, so that the fuel cell has high power generation performance and improved long-term reliability. Module 18 may be used.

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 fuel cell module 18 shown in FIG. 9 and an auxiliary machine for operating the cell stack device are housed in an outer case. In FIG. 10, a part of the configuration is omitted.

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 fuel cell device 23 shown in FIG. 10 has a module housing chamber in which an outer case made up of support columns 24 and an outer plate 25 is divided into upper and lower portions by a partition plate 26 and the upper side thereof houses the above-described fuel cell module 18. 27, the lower side is configured as an auxiliary equipment storage chamber 28 for storing auxiliary equipment for operating the fuel cell module 18. In addition, auxiliary machines stored in the auxiliary machine storage chamber 28 are not shown.

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 partition plate 26 is provided with an air circulation port 29 for flowing the air in the auxiliary machine storage chamber 28 to the module storage chamber 27 side, and a part of the exterior plate 25 constituting the module storage chamber 27 An exhaust port 30 for exhausting the air in the module storage chamber 27 is provided.

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 fuel cell device 23, as described above, the power generation performance is high by having the fuel cell module 18 housed in the module storage chamber 27 with high power generation performance and improved reliability. The fuel cell device 23 is high and has high reliability.

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 fuel electrode layer 3, the solid electrolyte layer 4, and the oxygen electrode layer 6 are laminated on the support 1, but the fuel electrode layer itself is used as the support 1 without using the support 1. The support 1 may be provided with a solid electrolyte layer 4 and an oxygen electrode layer 6.

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 interconnector layer 8 was described, the case where it does not have an interconnector layer may be sufficient.

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(O)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: cylindrical body 9a: first opening 9b: second opening 18: fuel cell Module 23: Fuel cell device

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 Patent Document 1, a fuel electrode layer, a solid electrolyte layer, and an oxygen electrode layer are sequentially stacked on a flat surface on one side of a conductive support, and an interconnector layer is stacked on a flat surface on the other side. .

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ZrO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LaCrO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.

特開2008−84716号公報JP 2008-84716 A

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.

燃料電池セルを示すもので、(a)はインターコネクタ層側から見た側面図、(b)は酸素極層側から見た側面図である。1 shows a fuel cell, where (a) is a side view seen from the interconnector layer side, and (b) is a side view seen from the oxygen electrode layer side. (a)は図1(a)の2a−2a線に沿った横断面図、(b)は図1(a)の2b−2b線に沿った横断面図である。FIG. 2A is a cross-sectional view taken along line 2a-2a in FIG. 1A, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line 2b-2b in FIG. (a)は筒状体の開口部内に発電素子部の固体電解質層を設けた状態を示す断面図、(b)は発電素子部の固体電解質層の外周部に筒状体が重畳している状態を示す断面図である。(A) is sectional drawing which shows the state which provided the solid electrolyte layer of the electric power generation element part in the opening part of a cylindrical body, (b) is the cylindrical body superimposed on the outer peripheral part of the solid electrolyte layer of an electric power generation element part. It is sectional drawing which shows a state. 発電素子部の固体電解質層の外周部が筒状体の第1開口部の外周面に重畳している状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state in which the outer peripheral part of the solid electrolyte layer of an electric power generation element part has overlapped with the outer peripheral surface of the 1st opening part of a cylindrical body. インターコネクタ層が上端部に設けられていない形態の燃料電池セルを示すもので、(a)はインターコネクタ層側から見た側面図、(b)は酸素極層側から見た側面図である。The fuel cell of the form by which the interconnector layer is not provided in the upper end part is shown, (a) is the side view seen from the interconnector layer side, (b) is the side view seen from the oxygen electrode layer side. . 図1の燃料電池セルの製法を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the manufacturing method of the fuel battery cell of FIG. セルスタック装置を示すもので、(a)は側面図、(b)は(a)の一部を拡大して示す横断面図である。The cell stack apparatus is shown, (a) is a side view, (b) is an enlarged cross-sectional view showing a part of (a). 図1の燃料電池セルを、接着剤を用いてガスタンクに接着固定した状態を示すもので、(a)はセル配列方向から見た側面図、(b)はセル幅方向から見た側面図(一部断面)である。1 shows a state in which the fuel battery cell of FIG. 1 is bonded and fixed to a gas tank using an adhesive, wherein (a) is a side view seen from the cell arrangement direction, and (b) is a side view seen from the cell width direction ( (Partial cross section). 燃料電池モジュールの一例を示す外観斜視図である。It is an external appearance perspective view which shows an example of a fuel cell module. 燃料電池装置の一部を省略して示す斜視図である。It is a perspective view which abbreviate | omits and shows a part of fuel cell apparatus.

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 line 2a-2a in FIG. 1A, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line 2b-2b. In both drawings, a part of each component of the fuel cell 10 is shown enlarged.

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 fuel cell 10 is a hollow flat plate type, has a flat cross section, and has a long and porous conductive structure containing Ni having an elliptical columnar shape as a whole. A support 1 is provided. As shown in FIG. 2, the support 1 has a pair of flat surfaces n on the upper and lower surfaces, and has a pair of arcuate surfaces m that are provided in the cell width direction W and connect the pair of flat surfaces n. Yes. Inside the support 1, a plurality of fuel gas passages 2 are formed at appropriate intervals so as to penetrate in the length direction L of the fuel cell 10, and the fuel cell 10 is formed on the support 1 in various ways. It has the structure where the member of this was provided.

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 cylindrical body 9 is provided on the side surface of the support body 1 so as to surround the support body 1, and the side surface of the support body 1 of this cylindrical body 9 is provided. Two first openings 9a and second openings 9b are formed in the position. In addition, as shown to Fig.1 (a), the recessed part formed in the upper end of the cylindrical body 9 like the 2nd opening part 9b is also defined as an opening part in this embodiment.

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 first opening 9 a is provided at the center of the cylindrical body 9 in the cell length direction L, is not provided at both ends of the cell length direction, and the second opening 9 b is formed on the cylindrical body 9. Although formed downward from the upper end of the cell length direction L, it is not provided at the lower end of the cell length direction L.

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 support 1 in the first opening 9 a of the cylindrical body 9. An oxygen electrode layer (second electrode layer) 6 is provided, and a portion of the side surface (second side surface) of the support 1 in the second opening 9b of the cylindrical body 9 is formed of a dense conductive ceramic. A connector layer 8 is provided. In addition, the side surface of the support body 1 means a pair of flat surfaces n and a pair of arcuate surfaces m.

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 cylindrical body 9 is formed so as to cover the pair of flat surfaces n and the pair of arcuate surfaces m, and the cylindrical body 9 on the one flat surface n has a rectangular first opening 9a. The cylindrical body 9 on the other flat surface n is provided with a rectangular second opening 9b.

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 first opening 9 a of the cylindrical body 9.

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 rectangular interconnector layer 8 is provided in the second opening 9b, and the outer peripheral portion of the interconnector layer 8 is joined to the wall surface and the upper surface of the wall portion constituting the first opening 9a of the cylindrical body 9. doing. The interconnector layer 8 is not formed at the lower end portion in the cell length direction L, and a cylindrical body is formed on the entire outer peripheral surface of the support 1 as shown in FIG.

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 cylindrical body 9 covers the pair of flat surfaces n and the arcuate surfaces m on both sides of the support 1 except for the portion of the support 1 where the solid electrolyte layer 4 and the interconnector layer 8 are provided. The thickness of the solid electrolyte layer 4 is preferably 30 μm or less, particularly 20 μm or less, and more preferably 15 μm or less from the viewpoint of improving power generation performance. The interconnector layer 8 also has a thickness of 70 μm or less, particularly 50 μm or less, because the thinner the interconnector layer 8, the better the conductivity.

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 oxygen electrode layer 6 is disposed on the surface of the solid electrolyte layer 4 so as to face the fuel electrode layer 3 via the intermediate layer 5. The intermediate layer 5 is formed on the solid electrolyte layer 4 on which the oxygen electrode layer 6 is formed. The oxygen electrode layer 6 is formed on the upper surface of the intermediate layer 5 and the upper surface of the wall portion constituting the first opening 9a.

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 fuel cell 10, the portion where the fuel electrode layer 3 and the oxygen electrode layer 6 face each other through the solid electrolyte layer 4 functions as a fuel cell to generate electric power. That is, an oxygen-containing gas such as air is allowed to flow outside the oxygen electrode layer 6, and a fuel gas (hydrogen-containing gas) is allowed to flow in the fuel gas passage 2 in the support 1 to generate power by heating to a predetermined operating temperature. . The current generated by such power generation is collected via the interconnector layer 8 provided on the support 1.

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 cylindrical body 9 having gas barrier properties, the solid electrolyte layer 4 and the interconnector layer 8 surround the support 1 so that fuel gas flowing through the inside does not leak to the outside. In other words, the cylindrical body 9, the solid electrolyte layer 4 and the interconnector layer 8 form an elliptic cylindrical body having a gas barrier property, and the inside of the elliptic cylindrical body serves as a fuel gas flow path. The fuel gas supplied to the layer 3 and the oxygen-containing gas supplied to the oxygen electrode layer 6 are blocked by an elliptic cylinder. The dense cylindrical body 9, the solid electrolyte layer 4 and the interconnector layer 8 have a porosity of 5% or less, particularly 2% or less, as measured by a scanning electron micrograph using an image analyzer. The solid electrolyte layer 4 and the interconnector layer 8 are referred to.

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ZrO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 cylindrical body 9 may be a dense and high-strength material, but it is particularly desirable that the cylindrical body 9 be made of a solid electrolyte material. As the solid electrolyte material, a material constituting the solid electrolyte layer 4, for example, a zirconia-based oxide, a lanthanum galide-based oxide, or the like can be used. In particular, the same material as the solid electrolyte layer 4 is desirable. The solid electrolyte layer 4 and the cylindrical body 9 are preferably composed of ZrO 2 containing a rare earth element. In this case, the cylindrical body 9 should have a rare earth element content less than the solid electrolyte layer 4. Is desirable from the viewpoint of improving the strength.

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Yが固溶したZrO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Yが固溶したZrO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 cylindrical body 9 is preferably the same partially stabilized zirconia and contains the same rare earth element as the solid electrolyte layer 4. Furthermore, it is desirable from the viewpoint of strength that the rare earth element is less than the solid electrolyte layer 4 and is made of, for example, ZrO 2 in which 3 to 5 mol% of Y 2 O 3 is dissolved.

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 fuel cell 10 as described above, since the porous support 1 is surrounded by the dense seal body constituted by the cylindrical body 9, the solid electrolyte layer 4 and the interconnector layer 8, the cylindrical body 9 The interior can be a gas passage. Moreover, since the cylindrical body 9 exists in the portion where the solid electrolyte layer 4 and the interconnector layer 8 are not formed, the thickness of the solid electrolyte layer 4 and the interconnector layer 8 is reduced to improve the power generation performance. On the other hand, the cylindrical body 9 can be reinforced by increasing the thickness, or can be made of a high-strength material. In particular, the arcuate surface m of the support 1 or both ends of the support 1 in the cell length direction It is possible to suppress the occurrence of cracks in the part.

また、従来、LaCrO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 interconnector layer 8 made of LaCrO 3 -based oxide expands when exposed to a reducing atmosphere, and the porous conductive support 1 containing Ni is formed from the interconnector layer 8. Due to the elemental diffusion, it tends to expand when exposed to a reducing atmosphere. When the lower end of the fuel cell 10 is joined to the opening of the gas tank with an adhesive made of an inorganic material as shown in FIG. 8 to be described later, an interconnector is provided in a portion where the adhesive of the fuel cell 10 does not exist. While the layer 8 is intended to be reduced and expanded by being exposed to a reducing atmosphere, the adhesive layer suppresses the reduction and expansion of the interconnector layer 8 at the bonding portion of the fuel cell 10 with the adhesive. There was a risk that cracks would occur due to large stress at the lower end.

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 interconnector layer 8 that is reduced and deformed is not formed at the lower end portion of the support 1 in the cell length direction L, and the cylindrical body 9 is formed. The lower end portion of the cylindrical body 9 can be joined with an adhesive, and the interconnector layer 8 portion can be structured not to be joined with an adhesive, whereby the stress at the lower end portion of the cell can be reduced and cracking can be suppressed. .

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 first opening 9a of the cylindrical body 9 as shown in FIG. However, as shown in FIG. 3B, the outer peripheral surface of the solid electrolyte layer 4 (intermediate layer 5) is overlapped with the outer peripheral portion constituting the first opening 9 a of the cylindrical body 9 via the intermediate layer 5. And the case where the outer peripheral surface of the solid electrolyte layer 4 joins to the wall surface which comprises the 1st opening part 9a may be sufficient. Furthermore, as shown in FIG. 4, the outer peripheral portion of the solid electrolyte layer 4 may be superposed on and bonded to the outer peripheral surface of the first opening 9 a of the cylindrical body 9.

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 fuel cell 10. In this form, the second opening 9 b provided with the interconnector layer 8 is cylindrical at both ends of the support 1 in the cell length direction L. It is provided in a state where a part of the body 9 exists. In this embodiment, since the interconnector layer 8 is not formed at both ends in the cell length direction L of the support 1, stress at both ends of the cell due to reduction expansion of the interconnector layer 8 can be reduced.

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 fuel cell 10 of this embodiment is demonstrated.

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 conductive support 1 is required to be gas permeable in order to allow fuel gas to permeate to the fuel electrode layer 3 and to be conductive in order to collect current via the interconnector layer 8. From, for example, it is preferable to form Ni and / or NiO and an inorganic oxide such as a specific rare earth oxide.

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、Y、Lu、Yb、Tm、Er、Ho、Dy、Gd、Sm、Pr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、Y、Ybが好ましい。 The specific rare earth oxide is used to make the thermal expansion coefficient of the support 1 close to the thermal expansion coefficient of the solid electrolyte layer 4, and is Y, Lu, Yb, Tm, Er, Ho, Dy, Gd. Rare earth oxides containing at least one element selected from the group consisting of Sm, Pr can be used in combination with Ni and / or NiO. Specific examples of such rare earth oxides include Y 2 O 3 , Lu 2 O 3 , Yb 2 O 3 , Tm 2 O 3 , Er 2 O 3 , Ho 2 O 3 , Dy 2 O 3 , Gd 2 O. 3 , Sm 2 O 3 , Pr 2 O 3 can be exemplified, there is almost no solid solution and reaction with Ni and / or NiO, the thermal expansion coefficient is the same as that of the solid electrolyte layer 4, and From the point of being cheap, Y 2 O 3 and Yb 2 O 3 are preferable.

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 support 1 is maintained and the thermal expansion coefficient is approximated to that of the solid electrolyte layer 4. It is preferably present in a volume ratio of 65:35. The support 1 may contain other metal components and oxide components as long as required characteristics are not impaired.

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 support 1 is required to have fuel gas permeability, it is porous and usually has an open porosity of 30% or more, particularly 35 to 50%. . Further, the conductivity of the support 1 is preferably 300 S / cm or more, and particularly preferably 440 S / cm or more.

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 support 1 in the cell width direction W) is, for example, 15 to 35 mm, and the length of the arcuate surface m (the length of the arc) is 2 to 8 mm. The thickness of the support 1 (thickness between the flat surfaces n) is 1.5 to 5 mm. The length of the support 1 is, for example, 100 to 300 mm.

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ZrOまたは希土類元素酸化物が固溶したCeO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Yが固溶したZrO(YSZ)とNiおよび/またはNiOとから形成することができる。 The fuel electrode layer 3 causes an electrode reaction, and can be formed of a well-known porous conductive ceramic. For example, it can be formed from ZrO 2 in which a rare earth element oxide is dissolved or CeO 2 in which a rare earth element oxide is dissolved, and Ni and / or NiO. As the rare earth element, the rare earth elements exemplified in the conductive support 1 can be used. For example, the rare earth element can be formed from ZrO 2 (YSZ) in which Y 2 O 3 is dissolved and Ni and / or NiO. .

燃料極層3中の希土類元素酸化物が固溶したZrOまたは希土類元素酸化物が固溶しているCeO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 fuel electrode layer 3 or CeO 2 in which the rare earth element oxide is dissolved is preferably in the range of 35 to 65% by volume, and Ni or The content of NiO is preferably 65 to 35% by volume. Further, the open porosity of the fuel electrode layer 3 is preferably 15% or more, particularly preferably in the range of 20 to 40%, and the thickness thereof is preferably 1 to 30 μm.

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ZrO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ZrO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 oxygen electrode layer 6 are strongly bonded to each other between the solid electrolyte layer 4 and the oxygen electrode layer 6 described later, and the components of the solid electrolyte layer 4 react with the components of the oxygen electrode layer 6. Thus, the intermediate layer 5 is formed for the purpose of suppressing the formation of a reaction layer having a high electrical resistance.

中間層5としては、Ce以外の他の希土類元素を含有するCeO系焼結体からなるもので、例えば、(CeO1−x(REO1.5(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CeOからなることが好ましい。 The intermediate layer 5 is made of a CeO 2 based sintered body containing a rare earth element other than Ce. For example, (CeO 2 ) 1-x (REO 1.5 ) x (where RE is Sm , Y, Yb, and Gd, and x preferably has a composition represented by the following formula: 0 <x ≦ 0.3. Furthermore, from the viewpoint of reducing electrical resistance, it is preferable to use Sm or Gd as RE, for example, it is preferably made of CeO 2 in which 10 to 20 mol% of SmO 1.5 or GdO 1.5 is dissolved. .

酸素極層6としては、いわゆるABO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LaMnO系酸化物、LaFeO系酸化物、LaCoO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LaCoO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 oxygen electrode layer 6 is preferably formed of a conductive ceramic made of a so-called ABO 3 type perovskite oxide. Such perovskite oxides include La-containing transition metal perovskite oxides, particularly at least one of LaMnO 3 oxides, LaFeO 3 oxides, and LaCoO 3 oxides in which Sr and La coexist at the A site. LaCoO 3 oxides are particularly preferable from the viewpoint of high electrical conductivity at an operating temperature of about 600 to 1000 ° C. In the perovskite oxide, Fe and Mn may exist together with Co at the B site.

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 oxygen electrode layer 6 needs to have gas permeability. Therefore, the conductive ceramic (perovskite oxide) forming the oxygen electrode layer 6 has an open porosity of 20% or more, particularly 30 to 50%. It is preferable that it exists in the range. Furthermore, the thickness of the oxygen electrode layer 6 is preferably 30 to 100 μm from the viewpoint of current collection.

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(LaCrO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LaCrMgO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 interconnector layer 8 is made of conductive ceramics. In order to come into contact with fuel gas (hydrogen-containing gas) and oxygen-containing gas, it is necessary to have reduction resistance and oxidation resistance. For this reason, for example, lanthanum chromite-based perovskite oxides (LaCrO 3 -based oxides) are used as conductive ceramics having reduction resistance and oxidation resistance, and particularly the heat of the support 1 and the solid electrolyte layer 4. For the purpose of approaching the expansion coefficient, a LaCrMgO 3 -based oxide in which Mg is present at the B site is used. The interconnector layer 8 material may be conductive ceramics and is not particularly limited.

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 interconnector layer 8 is preferably 10 to 70 μm from the viewpoint of preventing gas leakage and electrical resistance. 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 support 1 and the interconnector layer 8 in order to reduce the difference in thermal expansion coefficient between the interconnector layer 8 and the support 1. Can do.

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ZrO、希土類元素酸化物が固溶したCeO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YとNiおよび/またはNiOからなる組成や、Yが固溶したZrO(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CeO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ZrO(CeO)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 fuel electrode layer 3. For example, it can be formed from at least one of rare earth oxide, ZrO 2 in which a rare earth element oxide is dissolved, and CeO 2 in which a rare earth element oxide is dissolved, and Ni and / or NiO. More specifically, for example, a composition composed of Y 2 O 3 and Ni and / or NiO, a composition composed of ZrO 2 (YSZ) in which Y 2 O 3 is dissolved, and Ni and / or NiO, Y, Sm, Gd It can be formed from a composition composed of CeO 2 and Ni and / or NiO in which an oxide such as oxide is dissolved. Note that the volume ratio of ZrO 2 (CeO 2 ) in which the rare earth oxide or rare earth element oxide is dissolved and Ni and / or NiO is preferably in the range of 40:60 to 60:40.

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 fuel battery cell 10 of the present embodiment described above will be described.

先ず、例えば、Niおよび/またはNiO粉末と、Y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、Yが固溶したZrO(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CeO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ZrO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Yが固溶したZrO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 first opening 9a as shown in FIG.

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 second opening 9a is formed. FIG. 6 (e) shows a front surface and a back surface in a state where the cylindrical body molded body is wound around the support body molded body.

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、LaCrMgO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、Yが固溶したZrO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 support 1 and the interconnector layer 8, it is produced as follows. For example, ZrO 2 in which Y 2 O 3 is dissolved and NiO are mixed and dried so that the volume ratio is in the range of 40:60 to 60:40, and an organic binder or the like is added to adjust the adhesion layer slurry. Then, the adhesion layer molded body is formed by coating the upper surface of the wall portion constituting the second opening of the cylindrical body molded body and the support molded body in the second opening.

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、LaCoO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 fuel cell 10 of the present embodiment having the structure shown in FIGS.

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 first opening 9a is smaller than that of the three-layer molded body. The wall part which comprises the 1st opening part 9a can be obtained by winding and laminating | stacking so that it may overlap with the outer peripheral part of the 3 layer molded object of a support body molded object. Further, the structure as shown in FIG. 4 is obtained by, for example, winding and laminating a sheet-shaped molded body constituting a cylindrical body around a support molded body, and then laminating a slurry for a fuel electrode layer and a solid in the first opening 9a. It can be obtained by applying an electrolyte layer slurry and an intermediate layer slurry. In addition, the slurry for solid electrolyte layers and the slurry for intermediate | middle layers are apply | coated also to the upper surface of the wall part which comprises the 1st opening part 9a.

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 fuel cells 10 in series via a current collecting member 13, and (a) shows a cell. The side view which shows a stack apparatus roughly, (b) is a partial expanded sectional view of the cell stack apparatus of (a), and has extracted and shown the part enclosed with the broken line shown by (a). In addition, in (b), the part corresponding to the part enclosed by the broken line shown in (a) is shown by an arrow, and in the fuel cell 10 shown in (b), the intermediate layer described above is shown. Some members such as are omitted.

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 fuel cell 10 is arranged via an elastic current collecting member 13 to constitute a cell stack 12, and the lower end of each fuel cell 10 is a fuel cell. A gas tank 16 for supplying fuel gas to the cell 10 is fixed with an insulating adhesive 17 such as a glass sealing material.

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 cell stack 12 is sandwiched from both ends of the fuel cell 10 in the cell arrangement direction x by the elastically deformable conductive member 14 whose lower end is fixed to the gas tank 16.

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 fuel cell 10. Current extraction part 15 is provided.

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 fuel cell 10 to the gas tank 16. The lower end portion of the fuel battery cell 10 is inserted into an opening formed in the gas tank 10 and fixed by an adhesive 17 such as a glass seal material. 8A is a side view seen from the cell arrangement direction x, and FIG. 8B is a side view seen from the cell width direction W. FIG.

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 cell stacks 12 are inserted are formed on the upper wall of the thin box-shaped gas tank 10, and the lower ends of the cell stack 12 are respectively formed in these openings. In the inserted state, it is bonded and fixed with an adhesive 17. The adhesive 17 is filled and sealed between the fuel cell 10 between the cell stack 12 and the wall surface constituting the opening of the upper wall of the gas tank 10.

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 cylindrical body 9, and the lower end portion of the interconnector layer 8 is not embedded in the adhesive 17. Therefore, for example, by forming the cylindrical body 9 with a high-strength material or increasing the thickness of the cylindrical body 9, the lower end portion of the fuel cell 10 can be reinforced, and the occurrence of cracks can be suppressed.

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 fuel battery cell 10 due to the difference in materials constituting the gas tank 16, the fuel battery cell 10, and the adhesive 17 made of a heat resistant alloy, and cracks may occur. The body 9 can be reinforced, and the generation of cracks at the lower end of the fuel cell 10 can be prevented.

また、LaCrO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 interconnector layer 8 made of LaCrO 3 oxide is reduced and expanded when exposed to a reducing atmosphere, but the lower end portion of the interconnector layer 8 is not covered with the adhesive 17 as shown in FIG. The stress between the portion covered with the adhesive 17 and the portion not covered can be reduced, and the occurrence of cracks at the lower end of the fuel cell 10 can be suppressed.

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 fuel cell module 18 in which the cell stack device is stored in the storage container. The cell stack device shown in FIG. 8 is stored in the storage container 19 having a rectangular parallelepiped shape. Configured.

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 fuel cell 10, a reformer 20 for reforming raw fuel such as natural gas or kerosene to generate fuel gas is disposed above the cell stack 12. ing. The fuel gas generated by the reformer 20 is supplied to the gas tank 16 via the gas flow pipe 21 and supplied to the fuel gas passage 2 provided inside the fuel cell 10 via the gas tank 16. .

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 storage container 19 is removed and the cell stack device and the reformer 20 stored inside are taken out rearward. In the fuel cell module 18 shown in FIG. 9, the cell stack device can be slid and stored in the storage container 19. The cell stack device may include the reformer 20.

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 gas introduction member 22 provided inside the storage container 19 is disposed between a pair of cell stacks 12 juxtaposed to the gas tank 16, and the oxygen-containing gas flows into the fuel gas flow. In addition, an oxygen-containing gas is supplied to the lower end of the fuel cell 10 so that the side of the fuel cell 10 flows from the lower end toward the upper end. Then, the temperature of the fuel cell 10 can be increased by reacting the fuel gas discharged from the fuel gas passage 2 of the fuel cell 10 with the oxygen-containing gas and burning it on the upper end side of the fuel cell 10. This can accelerate the activation of the cell stack device. Further, by burning the fuel gas and the oxygen-containing gas discharged from the gas passage 2 of the fuel battery cell 10 on the upper end side of the fuel battery cell 10, the fuel cell 10 is placed above the fuel battery cell 10 (cell stack 12). The arranged reformer 20 can be warmed. Thereby, the reforming reaction can be efficiently performed in the reformer 20.

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 fuel cell module 18 of the present embodiment, the cell stack device using the above-described fuel cell 10 is housed in the housing container 19, so that the fuel cell has high power generation performance and improved long-term reliability. Module 18 may be used.

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 fuel cell module 18 shown in FIG. 9 and an auxiliary machine for operating the cell stack device are housed in an outer case. In FIG. 10, a part of the configuration is omitted.

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 fuel cell device 23 shown in FIG. 10 has a module housing chamber in which an outer case made up of support columns 24 and an outer plate 25 is divided into upper and lower portions by a partition plate 26 and the upper side thereof houses the above-described fuel cell module 18. 27, the lower side is configured as an auxiliary equipment storage chamber 28 for storing auxiliary equipment for operating the fuel cell module 18. In addition, auxiliary machines stored in the auxiliary machine storage chamber 28 are not shown.

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 partition plate 26 is provided with an air circulation port 29 for flowing the air in the auxiliary machine storage chamber 28 to the module storage chamber 27 side, and a part of the exterior plate 25 constituting the module storage chamber 27 An exhaust port 30 for exhausting the air in the module storage chamber 27 is provided.

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 fuel cell device 23, as described above, the power generation performance is high by having the fuel cell module 18 housed in the module storage chamber 27 with high power generation performance and improved reliability. The fuel cell device 23 is high and has high reliability.

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 fuel electrode layer 3, the solid electrolyte layer 4, and the oxygen electrode layer 6 are laminated on the support 1, but the fuel electrode layer itself is used as the support 1 without using the support 1. The support 1 may be provided with a solid electrolyte layer 4 and an oxygen electrode layer 6.

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 interconnector layer 8 was described, the case where it does not have an interconnector layer may be sufficient.

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(O)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: cylindrical body 9a: first opening 9b: second opening 18: fuel cell Module 23: Fuel cell device

Claims (9)

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電解セル。   A long and porous conductive support, and an insulating material provided on a side surface of the support so as to surround the support and having a first opening in a portion located on the side of the support A dense cylindrical body, and a porous first electrode layer, a dense solid electrolyte layer, and a porous second electrode layer provided on the support in the first opening of the cylindrical body; And an outer peripheral portion of the solid electrolyte layer is joined to the cylindrical body. 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、該筒状体の前記第1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電解セル。   A long porous conductive support serving as a first electrode layer, and a first opening in a side surface of the support that is provided so as to surround the support and is located on the side of the support And an insulating dense cylindrical body having a portion, and a dense solid electrolyte layer and a porous second electrode layer provided on the support in the first opening of the cylindrical body. And an outer peripheral part of the solid electrolyte layer is joined to the cylindrical body. 前記支持体の第1側面に前記固体電解質層が設けられており、前記筒状体の前記支持体の第2側面に位置する部分には第2開口部が設けられ、該第2開口部における前記支持体にインターコネクタ層が設けられている請求項1または2に記載の電解セル。   The solid electrolyte layer is provided on the first side surface of the support, and a second opening is provided in a portion of the cylindrical body located on the second side of the support. The electrolytic cell according to claim 1, wherein an interconnector layer is provided on the support. 前記固体電解質層および前記筒状体は、固体電解質材料からなることを特徴とする請求項1乃至3のうちいずれかに記載の電解セル。   4. The electrolytic cell according to claim 1, wherein the solid electrolyte layer and the cylindrical body are made of a solid electrolyte material. 5. 前記固体電解質層および前記筒状体を構成する固体電解質材料は、希土類元素を含有するZrO系材料からなり、前記筒状体は、前記固体電解質層よりも希土類元素の含有量が少ないことを特徴とする請求項4に記載の電解セル。 The solid electrolyte material constituting the solid electrolyte layer and the cylindrical body is made of a ZrO 2 -based material containing a rare earth element, and the cylindrical body has less rare earth element content than the solid electrolyte layer. The electrolysis cell according to claim 4 characterized by things. 請求項1乃至5のうちのいずれかに記載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セルスタック装置。   A cell stack device comprising a plurality of the electrolysis cells according to any one of claims 1 to 5 and electrically connecting the plurality of electrolysis cells. 前記電解セルの長さ方向の一方端部が、絶縁性の接着剤でガスタンクに接合されていることを特徴とする請求項6に記載のセルスタック装置。   7. The cell stack device according to claim 6, wherein one end portion in the length direction of the electrolytic cell is joined to a gas tank with an insulating adhesive. 請求項6または7に記載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電解モジュール。   An electrolytic module comprising the cell stack device according to claim 6 or 7 in a storage container. 請求項8に記載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電解装置。   9. An electrolysis apparatus comprising the electrolysis module according to claim 8 and an auxiliary machine for operating the electrolysis module housed in an outer case.
JP2014034224A 2014-02-25 2014-02-25 Cell, cell stack device, module, and module housing device Active JP6215727B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014034224A JP6215727B2 (en) 2014-02-25 2014-02-25 Cell, cell stack device, module, and module housing device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014034224A JP6215727B2 (en) 2014-02-25 2014-02-25 Cell, cell stack device, module, and module housing device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2015159080A true JP2015159080A (en) 2015-09-03
JP6215727B2 JP6215727B2 (en) 2017-10-18

Family

ID=54182926

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2014034224A Active JP6215727B2 (en) 2014-02-25 2014-02-25 Cell, cell stack device, module, and module housing device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6215727B2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6261690B1 (en) * 2016-09-12 2018-01-17 日本碍子株式会社 Fuel cell

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004253279A (en) * 2003-02-20 2004-09-09 Kyocera Corp Fuel cell
JP2009129852A (en) * 2007-11-27 2009-06-11 Kyocera Corp Cell stack, and fuel cell
JP2011222487A (en) * 2010-03-26 2011-11-04 Ngk Insulators Ltd Fuel battery cell
JP2012109238A (en) * 2010-10-26 2012-06-07 Ngk Insulators Ltd Fuel battery cell

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004253279A (en) * 2003-02-20 2004-09-09 Kyocera Corp Fuel cell
JP2009129852A (en) * 2007-11-27 2009-06-11 Kyocera Corp Cell stack, and fuel cell
JP2011222487A (en) * 2010-03-26 2011-11-04 Ngk Insulators Ltd Fuel battery cell
JP2012109238A (en) * 2010-10-26 2012-06-07 Ngk Insulators Ltd Fuel battery cell

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6261690B1 (en) * 2016-09-12 2018-01-17 日本碍子株式会社 Fuel cell
JP2018045782A (en) * 2016-09-12 2018-03-22 日本碍子株式会社 Fuel battery cell

Also Published As

Publication number Publication date
JP6215727B2 (en) 2017-10-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6208499B2 (en) Fuel cell or electrolysis cell, cell stack device, module and module storage device
JP5116184B1 (en) Fuel cell structure
JP2014049248A (en) Cell stack device, fuel cell module and fuel cell device
JP5744348B1 (en) Cell, cell stack device, module, and module housing device
JP6122497B2 (en) Cell, cell stack device, module, and module storage device
JP2013012397A (en) Solid oxide fuel cell and fuel cell module
KR101820755B1 (en) Cell, cell stack device, module and module-containing device
JP6039459B2 (en) Solid oxide fuel cell
JP5665999B2 (en) Solid oxide fuel cell, cell stack device, fuel cell module and fuel cell device
JP6585407B2 (en) Cell, cell stack device, module, and module storage device
JP6158683B2 (en) Cell stack device, module and module storage device
JP2012181927A (en) Solid oxide fuel cell and fuel cell module
JP6166151B2 (en) Cell, cell stack device, module, and module storage device
JP6560083B2 (en) Cell, cell stack device, module, and module housing device
JP6215727B2 (en) Cell, cell stack device, module, and module housing device
JP2015082389A (en) Cell, cell stack device, module, and module storing device
JP6174503B2 (en) Cell, cell stack device, module, and module housing device
WO2017033822A1 (en) Cell, cell stack device, module, and module accommodation device
JP5417548B2 (en) Fuel cell structure
JP2012114033A (en) Support medium for fuel battery, fuel battery cell, fuel battery cell device, fuel battery module, and fuel battery device
JP2015159027A5 (en)
JP5769661B2 (en) Solid oxide fuel cell, fuel cell module and fuel cell device
JP5705697B2 (en) Solid oxide fuel cell and fuel cell module
JP5818656B2 (en) Solid oxide fuel cell, cell stack device, fuel cell module and fuel cell device
JP6616148B2 (en) Cell, cell stack device, module, and module storage device

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20160615

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20170316

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20170328

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20170517

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20170608

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20170803

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20170822

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20170921

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6215727

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150