JP2016095924A - Solid oxide fuel battery cell, and manufacturing method and device thereof - Google Patents
Solid oxide fuel battery cell, and manufacturing method and device thereof Download PDFInfo
- Publication number
- JP2016095924A JP2016095924A JP2014229705A JP2014229705A JP2016095924A JP 2016095924 A JP2016095924 A JP 2016095924A JP 2014229705 A JP2014229705 A JP 2014229705A JP 2014229705 A JP2014229705 A JP 2014229705A JP 2016095924 A JP2016095924 A JP 2016095924A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- electrode layer
- layer
- slurry
- forming
- porous support
- 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.)
- Pending
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
- Y—GENERAL 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
- Inert Electrodes (AREA)
Abstract
Description
本発明は、固体酸化物形燃料電池セルに関し、特に、多孔質支持体上に複数の発電素子を形成し、これらの発電素子をインターコネクタにより接続した固体酸化物形燃料電池セル、及びその製造方法、製造装置に関する。 The present invention relates to a solid oxide fuel cell, and in particular, a solid oxide fuel cell in which a plurality of power generation elements are formed on a porous support and these power generation elements are connected by an interconnector, and the production thereof. The present invention relates to a method and a manufacturing apparatus.
固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:以下「SOFC」とも言う)は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付け、一方の側に燃料ガスを供給し、他方の側に酸化剤ガス(空気、酸素等)を供給して、比較的高温で動作する燃料電池である。 A solid oxide fuel cell (hereinafter also referred to as “SOFC”) uses an oxide ion conductive solid electrolyte as an electrolyte, has electrodes attached to both sides thereof, and supplies fuel gas to one side. The fuel cell operates at a relatively high temperature by supplying an oxidant gas (air, oxygen, etc.) to the other side.
特開2013−175305号公報(特許文献1)には、固体酸化物形燃料電池の製造方法が記載されている。ここに記載されている固体酸化物形燃料電池は、基体管上に、燃料極、固体電解質膜、及び空気極を備えた複数の発電素子が形成され、これらの発電素子がインターコネクタにより電気的に接続されたものである。この燃料電池の製造方法においては、基体管上に、燃料極がスクリーン印刷法により形成され、次いで、固体電解質膜、インターコネクタが順次スクリーン印刷法により形成される。このように各層が形成された基体管が、大気中で共焼結され、次に、焼結された固体電解質膜の上に、ディスペンサを用いて空気極が形成される。即ち、空気極を形成する材料の粉末が懸濁されたスラリーが、固体電解質膜及びインターコネクタ上に吐出され、空気極を形成すべき位置に空気極用スラリーの膜が成膜される。最後に、空気極が形成された基体管が、大気中で焼結される。 Japanese Patent Laying-Open No. 2013-175305 (Patent Document 1) describes a method for manufacturing a solid oxide fuel cell. In the solid oxide fuel cell described here, a plurality of power generation elements each including a fuel electrode, a solid electrolyte membrane, and an air electrode are formed on a base tube, and these power generation elements are electrically connected by an interconnector. Is connected to. In this fuel cell manufacturing method, a fuel electrode is formed on a substrate tube by a screen printing method, and then a solid electrolyte membrane and an interconnector are sequentially formed by a screen printing method. The base tube in which each layer is thus formed is co-sintered in the atmosphere, and then an air electrode is formed on the sintered solid electrolyte membrane using a dispenser. That is, the slurry in which the powder of the material forming the air electrode is suspended is discharged onto the solid electrolyte membrane and the interconnector, and the air electrode slurry film is formed at the position where the air electrode is to be formed. Finally, the base tube on which the air electrode is formed is sintered in the atmosphere.
しかしながら、単一の支持体上に複数の発電素子を形成する燃料電池セルでは、多数の発電素子を集積させることが難しい、という問題がある。即ち、基体管等の支持体は、一般に、押し出し成形等により形成された成形体を焼成した多孔質体であるため、高い寸法精度で形成することは困難である。このような寸法精度の低い支持体上に複数の発電素子を形成する場合、支持体の寸法誤差、形状誤差を見込んで、形成する発電素子の間隔等に大きなマージンを確保しておく必要があり、高集積化が困難となる。支持体の寸法精度を確保するために、焼成された支持体に機械加工を施すと、製造コストが著しく上昇するという問題がある。 However, the fuel cell in which a plurality of power generation elements are formed on a single support has a problem that it is difficult to integrate a large number of power generation elements. That is, a support such as a base tube is generally a porous body obtained by firing a molded body formed by extrusion molding or the like, and thus it is difficult to form the support with high dimensional accuracy. When forming a plurality of power generation elements on a support with such low dimensional accuracy, it is necessary to allow for a large margin in the distance between the power generation elements to be formed in consideration of the dimensional error and shape error of the support. High integration becomes difficult. In order to ensure the dimensional accuracy of the support, if the fired support is machined, there is a problem that the manufacturing cost is remarkably increased.
さらに、小型の燃料電池セル上に複数の発電素子を形成する場合、1つ1つの発電素子が小型化するため、各発電素子の燃料極層、電解質層、空気極層等の機能層、及び各発電素子を電気的に接続するインターコネクタには、高い寸法精度、位置精度が要求される。即ち、支持体上に各機能層を順次積層することにより各発電素子が形成されるため、各層の寸法精度を高くすると共に、上に積層される機能層は、下に積層されている機能層に対して正確に位置決めされる必要がある。さらに、このように機能層を積層することにより形成された発電素子同士を電気的に接続するインターコネクタは発電に寄与しない部分であるため、各発電素子よりも小型に形成することが好ましく、高い寸法精度、位置精度が特に要求される。 Further, when a plurality of power generation elements are formed on a small fuel cell, each power generation element is downsized, so that a functional layer such as a fuel electrode layer, an electrolyte layer, and an air electrode layer of each power generation element, and An interconnector that electrically connects each power generating element is required to have high dimensional accuracy and positional accuracy. That is, since each power generating element is formed by sequentially laminating each functional layer on the support, the dimensional accuracy of each layer is increased, and the functional layer laminated on top is a functional layer laminated below Need to be accurately positioned. Furthermore, since the interconnector that electrically connects the power generation elements formed by stacking the functional layers in this way is a portion that does not contribute to power generation, it is preferable to form smaller than each power generation element. Dimensional accuracy and position accuracy are particularly required.
従って、本発明は、多孔質支持体の寸法精度が低い場合でも、単一の支持体上に複数の小型の発電素子を形成することができる固体酸化物形燃料電池セル、及びその製造方法、製造装置を提供することを目的としている。 Therefore, the present invention provides a solid oxide fuel cell capable of forming a plurality of small power generating elements on a single support even when the dimensional accuracy of the porous support is low, and a method for manufacturing the same, The object is to provide a manufacturing apparatus.
上述した課題を解決するために、本発明は、多孔質支持体上に複数の発電素子を形成し、これらの発電素子をインターコネクタにより接続した固体酸化物形燃料電池セルの製造方法であって、多孔質支持体を形成する支持体形成工程と、形成された多孔質支持体上に燃料極層を形成するためのスラリーを付着させることにより、複数の発電素子の燃料極層を同時に面成膜により形成する燃料極層形成工程と、燃料極層に接続されるように、インターコネクタを形成するためのスラリーを液滴状にして連続的に噴射することによりスラリーのドットを形成し、このドットの集積によりインターコネクタを形成するインターコネクタ形成工程と、燃料極層の上に、複数の発電素子の電解質層を形成する電解質層形成工程と、電解質層の上に、空気極層を形成するためのスラリーを液滴状にして連続的に噴射することによりスラリーのドットを形成し、このドットの集積により複数の発電素子の空気極層を形成する空気極層形成工程と、燃料極層、電解質層、及び空気極層が形成された多孔質支持体を加熱し、各層を焼成する焼成工程と、を有することを特徴としている。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a method for producing a solid oxide fuel cell in which a plurality of power generation elements are formed on a porous support and these power generation elements are connected by an interconnector. Forming a porous support and a slurry for forming a fuel electrode layer on the formed porous support to simultaneously form the fuel electrode layers of a plurality of power generating elements on the surface. A fuel electrode layer forming step formed by a film, and slurry dots for forming an interconnector are formed in droplets and continuously ejected so as to be connected to the fuel electrode layer. An interconnector forming step of forming an interconnector by integrating dots, an electrolyte layer forming step of forming an electrolyte layer of a plurality of power generating elements on the fuel electrode layer, and an air on the electrolyte layer Forming an air electrode layer of a plurality of power generation elements by forming dots of the slurry by continuously spraying slurry for forming a layer into droplets, and collecting the dots; And a firing step of firing each layer by heating the porous support on which the fuel electrode layer, the electrolyte layer, and the air electrode layer are formed.
このように構成された本発明においては、支持体形成工程により形成された多孔質支持体上に、燃料極層形成工程において、スラリーが付着され、複数の発電素子の燃料極層が面成膜により同時に形成される。次いで、インターコネクタ形成工程において、スラリーのドットの集積により、燃料極層に接続されるようにインターコネクタが形成される。さらに、電解質層形成工程において、燃料極層の上に複数の発電素子の電解質層が形成され、この電解質層の上に、空気極層形成工程において、スラリーのドットの集積により複数の発電素子の空気極層が形成される。最後に、焼成工程において、燃料極層、電解質層、及び空気極層が形成された多孔質支持体が焼成される。 In the present invention configured as described above, slurry is deposited in the fuel electrode layer forming step on the porous support formed in the support forming step, and the fuel electrode layers of a plurality of power generating elements are formed into a surface film. Are simultaneously formed. Next, in the interconnector forming step, the interconnector is formed so as to be connected to the fuel electrode layer by accumulation of the slurry dots. Furthermore, in the electrolyte layer forming step, an electrolyte layer of a plurality of power generating elements is formed on the fuel electrode layer. On the electrolyte layer, in the air electrode layer forming step, a plurality of power generating elements are accumulated by accumulation of slurry dots. An air electrode layer is formed. Finally, in the firing step, the porous support on which the fuel electrode layer, the electrolyte layer, and the air electrode layer are formed is fired.
このように構成された本発明によれば、多孔質支持体のすぐ上に形成される燃料極層が面成膜により形成され、その上に形成されるインターコネクタ及び空気極層がスラリーのドットの集積により形成される。このように、最下層の燃料極層が面成膜により形成されるため平滑度の高い燃料極層を形成することができ、その上層の電解質層等への悪影響を抑制することができる。即ち、燃料極層がドットの集積により形成された場合には、燃料極層の表面の平滑度が低くなるため、燃料極層に還元処理を施す際に、燃料極層の上に積層された機能層に悪影響が及ぶという新たな技術課題が本件発明者により見出された。これは、燃料極層が還元処理される際、層内から酸素が消失されるため体積が減少し、燃料極層の平滑度が低いと層の表面に大きな形状変化が発生し、緻密に形成されている電解質層との間で剥離等が発生するというものである。 According to the present invention thus configured, the fuel electrode layer formed immediately above the porous support is formed by surface film formation, and the interconnector and air electrode layer formed thereon are formed as slurry dots. It is formed by accumulation. Thus, since the lowermost fuel electrode layer is formed by surface film formation, a fuel electrode layer with high smoothness can be formed, and adverse effects on the upper electrolyte layer and the like can be suppressed. That is, when the fuel electrode layer is formed by accumulation of dots, the smoothness of the surface of the fuel electrode layer is lowered, and therefore, when the fuel electrode layer is subjected to the reduction treatment, it is laminated on the fuel electrode layer. The present inventor has found a new technical problem that the functional layer is adversely affected. This is because when the fuel electrode layer is reduced, oxygen disappears from the layer and the volume is reduced. If the fuel electrode layer has low smoothness, a large shape change occurs on the surface of the layer, resulting in dense formation. That is, peeling or the like occurs between the electrolyte layer.
加えて、本発明によれば、インターコネクタがドットの集積により形成されるので、多孔質支持体の寸法精度が低い場合でも、インターコネクタを小型に、高い寸法精度、位置精度で容易に形成することができる。また、インターコネクタは小型であるため、ドットの集積により形成した場合でも、成膜に膨大な時間を要することがなく、製造効率を低下させることがない。さらに、本発明によれば、空気極層もドットの集積により形成されているので、高い寸法精度、位置精度で容易に形成することができる。また、空気極層に対しては還元処理が行われないため、ドットの集積により形成され、表面の平滑度が低い場合でも、形状変化による悪影響が発生することがない。
このように、本発明によれば、最下層の燃料極層、それよりも上に形成されるインターコネクタ、及び空気極層が夫々適切な成膜方法により形成されるので、多孔質支持体の寸法精度が低い場合でも、単一の支持体上に複数の小型の発電素子を形成することができると共に、還元処理に伴う悪影響も回避することができる。
In addition, according to the present invention, since the interconnector is formed by accumulation of dots, even when the dimensional accuracy of the porous support is low, the interconnector can be easily formed with a small size, high dimensional accuracy, and positional accuracy. be able to. In addition, since the interconnector is small, even when it is formed by dot accumulation, it does not require enormous time for film formation and does not reduce manufacturing efficiency. Furthermore, according to the present invention, since the air electrode layer is also formed by dot accumulation, it can be easily formed with high dimensional accuracy and position accuracy. Further, since the reduction treatment is not performed on the air electrode layer, even if the surface is formed by accumulation of dots and the smoothness of the surface is low, there is no adverse effect due to the shape change.
As described above, according to the present invention, the lowermost fuel electrode layer, the interconnector formed thereon, and the air electrode layer are each formed by an appropriate film forming method. Even when the dimensional accuracy is low, a plurality of small power generating elements can be formed on a single support, and adverse effects associated with the reduction treatment can be avoided.
本発明において、好ましくは、多孔質支持体は絶縁性材料により形成され、多孔質支持体上に形成された複数の燃料極層は互いに絶縁されている。
このように構成された本発明によれば、多孔質支持体が絶縁性材料により形成れているため、各発電素子の燃料極層は、夫々離間して多孔質支持体上に形成されることにより互いに絶縁されている。ここで、燃料極層をドットの集積により形成した場合、噴射するスラリーの粘性が低いと、スラリーが多孔質支持体内に浸透してしまい、離間して形成した燃料極層の間で短絡が発生する虞がある。また、噴射するスラリーの粘性を高くした場合には、スラリーの浸透を回避することができるが、形成される1つ1つのドットが小さくなるため、ドット成膜に要する時間が長くなり、製造効率が著しく低下する。本発明によれば、燃料極層が面成膜により形成されるので、燃料極層を形成するためのスラリーの粘性を高くして、スラリーの多孔質支持体内への浸透を防止しながら、効率的に燃料極層を形成することができる。
In the present invention, preferably, the porous support is formed of an insulating material, and the plurality of fuel electrode layers formed on the porous support are insulated from each other.
According to the present invention configured as described above, since the porous support is formed of an insulating material, the fuel electrode layers of the respective power generation elements are formed on the porous support separately from each other. Are insulated from each other. Here, when the fuel electrode layer is formed by accumulation of dots, if the viscosity of the slurry to be injected is low, the slurry penetrates into the porous support body, and a short circuit occurs between the fuel electrode layers formed apart from each other. There is a risk of doing. Further, when the viscosity of the slurry to be sprayed is increased, the penetration of the slurry can be avoided. However, since each dot to be formed becomes smaller, the time required for dot film formation becomes longer and the production efficiency is increased. Is significantly reduced. According to the present invention, since the fuel electrode layer is formed by surface film formation, the viscosity of the slurry for forming the fuel electrode layer is increased, and while preventing the slurry from penetrating into the porous support body, the efficiency is improved. Thus, a fuel electrode layer can be formed.
本発明において、好ましくは、燃料極層は、多孔質支持体上に形成される下層燃料極層と、この下層燃料極層の上に形成される上層燃料極層からなり、下層燃料極層を形成するためのスラリーの粘性は、上層燃料極層を形成するためのスラリーの粘性よりも高い。 In the present invention, preferably, the fuel electrode layer comprises a lower fuel electrode layer formed on the porous support and an upper fuel electrode layer formed on the lower fuel electrode layer. The viscosity of the slurry for forming is higher than the viscosity of the slurry for forming the upper fuel electrode layer.
このように構成された本発明によれば、多孔質支持体上に形成される下層燃料極層が粘性の高いスラリーにより形成されるので、多孔質支持体へのスラリーの浸透を防止することができ、各燃料極層間の短絡を確実に防止することができる。また、上層燃料極層は粘性の低いスラリーから形成されるため、燃料極層の表面をより平滑に形成することができ、その上に形成される電解質層への悪影響を極めて少なくすることができる。 According to the present invention configured as described above, since the lower fuel electrode layer formed on the porous support is formed of a highly viscous slurry, it is possible to prevent the slurry from penetrating into the porous support. It is possible to reliably prevent a short circuit between the fuel electrode layers. Further, since the upper fuel electrode layer is formed from a slurry having low viscosity, the surface of the fuel electrode layer can be formed more smoothly, and the adverse effect on the electrolyte layer formed thereon can be extremely reduced. .
本発明において、好ましくは、下層燃料極層は上層燃料極層よりも導電性の高い材料で形成され、上層燃料極層は下層燃料極層よりも触媒活性が高い材料で形成されている。 In the present invention, preferably, the lower fuel electrode layer is made of a material having higher conductivity than the upper fuel electrode layer, and the upper fuel electrode layer is made of a material having higher catalytic activity than the lower fuel electrode layer.
このように構成された本発明によれば、上層燃料極層が触媒活性の高い材料により形成されているので、電解質層との境界で効率良く発電反応を発生させることができると共に、下層燃料極層は導電性の高い材料で形成されているので、発電反応により生成された電荷を低損失で運搬することができる。 According to the present invention configured as described above, since the upper fuel electrode layer is formed of a material having high catalytic activity, a power generation reaction can be efficiently generated at the boundary with the electrolyte layer, and the lower fuel electrode can be generated. Since the layer is formed of a highly conductive material, the charge generated by the power generation reaction can be transported with low loss.
本発明において、好ましくは、空気極層は、電解質層の上に形成される下層空気極層と、この下層空気極層の上に形成される上層空気極層からなり、下層空気極層を形成するためのスラリーの粘性は、上層空気極層を形成するためのスラリーの粘性よりも低い。 In the present invention, preferably, the air electrode layer includes a lower air electrode layer formed on the electrolyte layer and an upper air electrode layer formed on the lower air electrode layer, forming a lower air electrode layer. The viscosity of the slurry for forming the upper air electrode layer is lower than the viscosity of the slurry for forming the upper air electrode layer.
このように構成された本発明によれば、下層空気極層が粘性の低いスラリーのドットの集積により形成されているので、下層空気極層の表面を比較的平滑にすることができ、酸素イオンの透過性を各部で均一にすることができる。一方、上層空気極層が粘性の高いスラリーのドットの集積により形成されているので、上層空気極層を厚く形成することができ、空気極層の強度を高めることができる。これにより、安定した性能の強度が高い空気極層を形成することができる。 According to the present invention configured as described above, since the lower air electrode layer is formed by accumulation of dots of low viscosity slurry, the surface of the lower air electrode layer can be made relatively smooth, and oxygen ions Can be made uniform in each part. On the other hand, since the upper air electrode layer is formed by accumulation of highly viscous slurry dots, the upper air electrode layer can be formed thicker and the strength of the air electrode layer can be increased. Thereby, the air electrode layer with high strength of stable performance can be formed.
本発明において、好ましくは、下層空気極層は上層空気極層よりも触媒活性が高い材料で形成され、上層空気極層は下層空気極層よりも導電性の高い材料で形成されている。 In the present invention, preferably, the lower air electrode layer is formed of a material having higher catalytic activity than the upper air electrode layer, and the upper air electrode layer is formed of a material having higher conductivity than the lower air electrode layer.
このように構成された本発明によれば、下層空気極層が触媒活性の高い材料で比較的平滑に形成されるので、空気極層の各部で均一に酸素イオンを生成することができ、安定した発電反応を発生させることができる。また、上層空気極層が導電性(電子伝導性)の高い材料で形成されているので、空気極層内の各部に低損失で電荷を運搬することができる。 According to the present invention configured as described above, since the lower air electrode layer is formed relatively smoothly with a material having high catalytic activity, oxygen ions can be uniformly generated in each part of the air electrode layer, and stable. The generated power generation reaction can be generated. Further, since the upper air electrode layer is formed of a material having high conductivity (electron conductivity), electric charges can be transported to each part in the air electrode layer with low loss.
また、本発明は、本発明の固体酸化物形燃料電池セルの製造方法を実施するための製造システムであって、燃料極層を形成するためのスラリーを付着させることにより、燃料極層を面成膜する燃料極層形成装置と、インターコネクタを形成するためのスラリーを液滴状にして連続的に噴射することによりインターコネクタをドット成膜するインターコネクタ形成装置と、燃料極層の上に、電解質層を形成する電解質層形成装置と、空気極層を形成するためのスラリーを液滴状にして連続的に噴射することにより空気極層をドット成膜する空気極層形成装置と、燃料極層、電解質層、及び空気極層が形成された多孔質支持体を加熱し、各層を焼成する加熱炉と、を有することを特徴としている。
さらに、本発明は、本発明の固体酸化物形燃料電池セルの製造方法により製造された固体酸化物形燃料電池セルである。
The present invention also relates to a manufacturing system for carrying out the method for manufacturing a solid oxide fuel cell according to the present invention, wherein the slurry for forming the fuel electrode layer is adhered to the fuel electrode layer so as to face the fuel electrode layer. A fuel electrode layer forming device for forming a film, an interconnector forming device for forming a film of an interconnector by droplets of a slurry for forming an interconnector, and continuously spraying the slurry on the fuel electrode layer An electrolyte layer forming apparatus for forming an electrolyte layer, an air electrode layer forming apparatus for forming a film of the air electrode layer by continuously injecting slurry for forming the air electrode layer into droplets, and a fuel And a heating furnace for heating the porous support on which the electrode layer, the electrolyte layer, and the air electrode layer are formed, and firing each layer.
Furthermore, the present invention is a solid oxide fuel cell produced by the method for producing a solid oxide fuel cell of the present invention.
本発明の固体酸化物形燃料電池セル、及びその製造方法、製造装置によれば、多孔質支持体の寸法精度が低い場合でも、単一の支持体上に複数の小型の発電素子を形成することができる。 According to the solid oxide fuel cell, the manufacturing method, and the manufacturing apparatus of the present invention, a plurality of small power generation elements are formed on a single support even when the dimensional accuracy of the porous support is low. be able to.
次に、添付図面を参照して、本発明の実施形態の固体酸化物形燃料電池セル(SOFC)を説明する。
まず、図1乃至図12を参照して、本発明の第1実施形態による固体酸化物形燃料電池セルを説明する。
図1は、本発明の第1実施形態による固体酸化物形燃料電池セルが内蔵されている固体酸化物形燃料電池システムを示す全体構成図である。この図1に示すように、固体酸化物形燃料電池システム1は、燃料電池モジュール2と、補機ユニット4を備えている。
Next, a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
First, a solid oxide fuel cell according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is an overall configuration diagram showing a solid oxide fuel cell system incorporating a solid oxide fuel cell according to a first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the solid oxide fuel cell system 1 includes a fuel cell module 2 and an auxiliary unit 4.
燃料電池モジュール2は、ハウジング6を備え、このハウジング6内部には、断熱材7を介して燃料電池セル収容容器8が配置されている。この燃料電池セル収容容器8内の内部には発電室10が構成され、この発電室10の中には複数の燃料電池セル16(固体酸化物形燃料電池セル)が同心円状に配置されており、これらの燃料電池セル16により、燃料ガスと酸化剤ガスである空気の発電反応が行われる。 The fuel cell module 2 includes a housing 6, and a fuel cell storage container 8 is disposed inside the housing 6 via a heat insulating material 7. A power generation chamber 10 is formed inside the fuel cell storage container 8, and a plurality of fuel cell cells 16 (solid oxide fuel cell cells) are concentrically arranged in the power generation chamber 10. These fuel battery cells 16 perform a power generation reaction of air that is fuel gas and oxidant gas.
各燃料電池セル16の上端部には、排気集約室18が取り付けられている。各燃料電池セル16において発電反応に使用されずに残った残余の燃料(オフガス)は、上端部に取り付けられた排気集約室18に集められ、この排気集約室18の天井面に設けられた複数の噴出口から流出される。流出した燃料は、発電室10内で発電に使用されずに残った空気により燃焼され、排気ガスが生成されるようになっている。 An exhaust collecting chamber 18 is attached to the upper end of each fuel cell 16. The remaining fuel (off-gas) that is not used in the power generation reaction in each fuel cell 16 is collected in the exhaust collection chamber 18 attached to the upper end, and a plurality of fuel cells 16 provided on the ceiling surface of the exhaust collection chamber 18 are provided. It is discharged from the spout. The fuel that has flowed out is burned by the air remaining in the power generation chamber 10 without being used for power generation, and exhaust gas is generated.
次に、補機ユニット4は、水道等の水供給源24からの水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク26と、この純水タンクから供給される水の流量を調整する水供給装置である水流量調整ユニット28(モータで駆動される「水ポンプ」等)を備えている。また、補機ユニット4は、都市ガス等の燃料供給源30から供給された炭化水素系の原燃料ガスの流量を調整する燃料供給装置である燃料ブロア38(モータで駆動される「燃料ポンプ」等)を備えている。 Next, the auxiliary unit 4 stores a water from a water supply source 24 such as a tap water and uses a filter to obtain pure water, and a water for adjusting the flow rate of the water supplied from the pure water tank. A water flow rate adjustment unit 28 (such as a “water pump” driven by a motor) as a supply device is provided. The auxiliary unit 4 also has a fuel blower 38 (a “fuel pump” driven by a motor) that is a fuel supply device that adjusts the flow rate of a hydrocarbon-based raw fuel gas supplied from a fuel supply source 30 such as city gas. Etc.).
なお、燃料ブロア38を通過した原燃料ガスは、燃料電池モジュール2内に配置された脱硫器36と、熱交換器34、電磁弁35を介して燃料電池セル収容容器8の内部に導入される。脱硫器36は、燃料電池セル収容容器8の周囲に環状に配置されており、原燃料ガスから硫黄を除去するようになっている。また、熱交換器34は、脱硫器36において温度上昇した高温の原燃料ガスが直接電磁弁35に流入し、電磁弁35が劣化されるのを防止するために設けられている。電磁弁35は、燃料電池セル収容容器8内への原燃料ガスの供給を停止するために設けられている。 The raw fuel gas that has passed through the fuel blower 38 is introduced into the fuel cell storage container 8 via the desulfurizer 36 disposed in the fuel cell module 2, the heat exchanger 34, and the electromagnetic valve 35. . The desulfurizer 36 is annularly arranged around the fuel cell storage container 8 and removes sulfur from the raw fuel gas. The heat exchanger 34 is provided to prevent the high temperature raw fuel gas whose temperature has risen in the desulfurizer 36 from flowing directly into the electromagnetic valve 35 and degrading the electromagnetic valve 35. The electromagnetic valve 35 is provided to stop the supply of the raw fuel gas into the fuel cell storage container 8.
補機ユニット4は、空気供給源40から供給される空気の流量を調整する酸化剤ガス供給装置である空気流量調整ユニット45(モータで駆動される「空気ブロア」等)を備えている。 The accessory unit 4 includes an air flow rate adjustment unit 45 (such as an “air blower” driven by a motor) that is an oxidant gas supply device that adjusts the flow rate of air supplied from the air supply source 40.
さらに、補機ユニット4には、燃料電池モジュール2からの排気ガスの熱を回収するための温水製造装置50が備えられている。この温水製造装置50には、水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。
さらに、燃料電池モジュール2には、燃料電池モジュール2により発電された電力を外部に供給するための電力取出部(電力変換部)であるインバータ54が接続されている。
Further, the auxiliary unit 4 is provided with a hot water production device 50 for recovering the heat of the exhaust gas from the fuel cell module 2. The hot water production apparatus 50 is supplied with tap water, and the tap water is heated by the heat of the exhaust gas and supplied to a hot water storage tank of an external hot water heater (not shown).
Furthermore, the fuel cell module 2 is connected to an inverter 54 that is a power extraction unit (power conversion unit) for supplying the power generated by the fuel cell module 2 to the outside.
次に、図2により、燃料電池セル収容容器8の内部構造を説明する。図2は燃料電池セル収容容器の断面図である。
図2に示すように、燃料電池セル収容容器8内の空間には、複数の燃料電池セル16が同心円状に配列され、その周囲を取り囲むように燃料流路である燃料ガス供給流路20、排ガス排出流路21、酸化剤ガス供給流路22が順に同心円状に形成されている。
Next, the internal structure of the fuel cell storage container 8 will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view of the fuel cell storage container.
As shown in FIG. 2, a plurality of fuel cells 16 are concentrically arranged in a space in the fuel cell storage container 8, and a fuel gas supply channel 20 that is a fuel channel so as to surround the periphery thereof. An exhaust gas discharge passage 21 and an oxidant gas supply passage 22 are formed concentrically in order.
まず、図2に示すように、燃料電池セル収容容器8は、概ね円筒状の密閉容器であり、その側面には、発電用の空気を供給する酸化剤ガス流入口である酸化剤ガス導入パイプ56、及び排気ガスを排出する排ガス排出パイプ58が接続されている。さらに、燃料電池セル収容容器8の上端面からは、排気集約室18から流出した残余燃料に点火するための点火ヒーター62が突出している。 First, as shown in FIG. 2, the fuel cell storage container 8 is a substantially cylindrical hermetic container, and an oxidant gas introduction pipe serving as an oxidant gas inlet for supplying air for power generation is provided on the side surface thereof. 56 and an exhaust gas exhaust pipe 58 for exhaust gas exhaust are connected. Further, an ignition heater 62 for igniting the remaining fuel that has flowed out of the exhaust collecting chamber 18 protrudes from the upper end surface of the fuel cell storage container 8.
図2に示すように、燃料電池セル収容容器8の内部には、燃料電池セル16の周囲を取り囲むように、内側から順に、発電室構成部材である内側円筒部材64、外側円筒部材66、内側円筒容器68、外側円筒容器70が配置されている。上述した燃料ガス供給流路20、排ガス排出流路21、及び酸化剤ガス供給流路22は、これらの円筒部材及び円筒容器の間に夫々構成される流路であり、隣り合う流路の間で熱交換が行われる。また、燃料電池セル収容容器8の下端側の開放空間は、燃料を各燃料電池セル16に分散させる燃料ガス分散室76の底面を構成する概ね円形の分散室底部材72により塞がれている。 As shown in FIG. 2, inside the fuel cell storage container 8, an inner cylindrical member 64, which is a power generation chamber constituting member, an outer cylindrical member 66, an inner side in order from the inner side so as to surround the periphery of the fuel cell 16. A cylindrical container 68 and an outer cylindrical container 70 are arranged. The above-described fuel gas supply flow path 20, exhaust gas discharge flow path 21, and oxidant gas supply flow path 22 are flow paths configured between these cylindrical members and cylindrical containers, respectively, and between adjacent flow paths. Heat exchange takes place at. Further, the open space on the lower end side of the fuel cell storage container 8 is closed by a substantially circular dispersion chamber bottom member 72 that constitutes the bottom surface of the fuel gas dispersion chamber 76 that disperses the fuel into each fuel cell 16. .
排ガス排出流路21の下部には、燃焼触媒60及びこれを加熱するためのシースヒーター61が配置されている。
燃焼触媒60は、排ガス排出パイプ58よりも上方に、外側円筒部材66の外周面と内側円筒容器68の内周面の間の円環状の空間に充填された触媒である。排ガス排出流路21を下降した排気ガスは、燃焼触媒60を通過することにより一酸化炭素が除去され、排ガス排出パイプ58から排出される。
シースヒーター61は、燃焼触媒60の下方の、外側円筒部材66の外周面を取り囲むように取り付けられた電気ヒーターである。固体酸化物形燃料電池装置1の起動時において、シースヒーター61に通電することにより、燃焼触媒60が活性温度まで加熱される。
A combustion catalyst 60 and a sheath heater 61 for heating the combustion catalyst 60 are disposed below the exhaust gas discharge passage 21.
The combustion catalyst 60 is a catalyst filled in an annular space between the outer peripheral surface of the outer cylindrical member 66 and the inner peripheral surface of the inner cylindrical container 68 above the exhaust gas discharge pipe 58. Exhaust gas descending the exhaust gas discharge passage 21 passes through the combustion catalyst 60 to remove carbon monoxide and is discharged from the exhaust gas discharge pipe 58.
The sheath heater 61 is an electric heater attached so as to surround the outer peripheral surface of the outer cylindrical member 66 below the combustion catalyst 60. When the solid oxide fuel cell device 1 is started, the combustion catalyst 60 is heated to the activation temperature by energizing the sheath heater 61.
内側円筒容器68の外周面と、外側円筒容器70の内周面の間の円環状の空間は、酸化剤ガス供給流路22として機能する。また、外側円筒容器70の下部側面には、酸化剤ガス導入パイプ56が接続されており、酸化剤ガス供給流路22が酸化剤ガス導入パイプ56に連通される。 An annular space between the outer peripheral surface of the inner cylindrical container 68 and the inner peripheral surface of the outer cylindrical container 70 functions as the oxidant gas supply channel 22. Further, an oxidant gas introduction pipe 56 is connected to the lower side surface of the outer cylindrical container 70, and the oxidant gas supply flow path 22 communicates with the oxidant gas introduction pipe 56.
第1固定部材63と分散室底部材72の間には、燃料ガス分散室76が構成される。また、分散室底部材72の中央には、バスバー80(図2)を挿通させるための挿通管72aが設けられている。各燃料電池セル16に電気的に接続されたバスバー80は、この挿通管72aを通して燃料電池セル収容容器8の外部に引き出される。 A fuel gas dispersion chamber 76 is configured between the first fixing member 63 and the dispersion chamber bottom member 72. In addition, an insertion tube 72 a for inserting the bus bar 80 (FIG. 2) is provided at the center of the dispersion chamber bottom member 72. The bus bar 80 electrically connected to each fuel cell 16 is drawn out of the fuel cell storage container 8 through the insertion tube 72a.
内側円筒容器68の天井面から垂下するように、発電用の空気を噴射するための、円形断面の酸化剤ガス噴射用パイプ74が取り付けられている。この酸化剤ガス噴射用パイプ74は、内側円筒容器68の中心軸線上を鉛直方向に延び、その周囲の同心円上に各燃料電池セル16が配置される。酸化剤ガス供給流路22を介して供給された空気は、酸化剤ガス噴射用パイプ74の先端から下方に噴射され、第1固定部材63の上面に当たって、発電室10内全体に広がる。 An oxidant gas injection pipe 74 having a circular cross section for injecting air for power generation is attached so as to hang down from the ceiling surface of the inner cylindrical container 68. The oxidant gas injection pipe 74 extends in the vertical direction on the central axis of the inner cylindrical container 68, and each fuel cell 16 is disposed on a concentric circle around it. The air supplied through the oxidant gas supply channel 22 is injected downward from the tip of the oxidant gas injection pipe 74, hits the upper surface of the first fixing member 63, and spreads throughout the power generation chamber 10.
燃料ガス分散室76は、第1固定部材63と分散室底部材72の間に構成される円筒形の気密性のあるチャンバーであり、その上面に各燃料電池セル16が林立されている。第1固定部材63の上面に取り付けられた各燃料電池セル16は、その内側の燃料極が、燃料ガス分散室76の内部と連通されている。各燃料電池セル16の下端部は、第1固定部材63の挿通穴を貫通して燃料ガス分散室76の内部に突出し、各燃料電池セル16は第1固定部材63に、接着により固定されている。 The fuel gas dispersion chamber 76 is a cylindrical airtight chamber formed between the first fixing member 63 and the dispersion chamber bottom member 72, and each fuel cell 16 is forested on the upper surface thereof. Each fuel cell 16 attached to the upper surface of the first fixing member 63 has an inner fuel electrode communicating with the inside of the fuel gas dispersion chamber 76. The lower end portion of each fuel cell 16 penetrates the insertion hole of the first fixing member 63 and protrudes into the fuel gas dispersion chamber 76, and each fuel cell 16 is fixed to the first fixing member 63 by bonding. Yes.
図2に示すように、供給された燃料は、外側円筒部材66の内周と中間円筒部材65の外周の間の空間を一旦上昇した後、内側円筒部材64の外周と中間円筒部材65の内周の間の空間を下降し、複数の小穴64bを通って燃料ガス分散室76内に流入する。燃料ガス分散室76に流入した燃料は、燃料ガス分散室76の天井面(第1固定部材63)に取り付けられた各燃料電池セル16の燃料極に分配される。 As shown in FIG. 2, the supplied fuel once rises in the space between the inner periphery of the outer cylindrical member 66 and the outer periphery of the intermediate cylindrical member 65, and then the outer periphery of the inner cylindrical member 64 and the inner cylindrical member 65. The space between the circumferences descends and flows into the fuel gas dispersion chamber 76 through the plurality of small holes 64b. The fuel that has flowed into the fuel gas dispersion chamber 76 is distributed to the fuel electrode of each fuel cell 16 attached to the ceiling surface (first fixing member 63) of the fuel gas dispersion chamber 76.
さらに、燃料ガス分散室76内に突出している各燃料電池セル16の下端部は、燃料ガス分散室76内でバスバー80に電気的に接続され、挿通管72aを通して電力が外部に引き出される。バスバー80は、燃料ガス分散室76の内部において、各燃料電池セル16に取り付けられた集電体82と電気的に接続されている。また、バスバー80は、燃料電池セル収容容器8の外部において、インバータ54(図1)に接続される。なお、集電体82は、排気集約室18内に突出している各燃料電池セル16の上端部にも取り付けられている。これら上端部及び下端部の集電体82により、複数の燃料電池セル16が電気的に並列に接続されると共に、並列に接続された複数組の燃料電池セル16が電気的に直列に接続され、この直列接続の両端が夫々バスバー80に接続される。 Further, the lower end portion of each fuel cell 16 projecting into the fuel gas dispersion chamber 76 is electrically connected to the bus bar 80 in the fuel gas dispersion chamber 76, and electric power is drawn out through the insertion tube 72a. The bus bar 80 is electrically connected to a current collector 82 attached to each fuel cell 16 inside the fuel gas dispersion chamber 76. The bus bar 80 is connected to the inverter 54 (FIG. 1) outside the fuel cell storage container 8. The current collector 82 is also attached to the upper end portion of each fuel cell 16 projecting into the exhaust collection chamber 18. The current collectors 82 at the upper end and the lower end connect the plurality of fuel cells 16 in parallel electrically, and connect the plurality of sets of fuel cells 16 connected in parallel electrically in series. The both ends of this series connection are connected to the bus bar 80, respectively.
次に、排気集約室18の構成を説明する。排気集約室18は、各燃料電池セル16の上端部に取り付けられたドーナツ型断面のチャンバーであり、この排気集約室18の中央には、酸化剤ガス噴射用パイプ74が貫通して延びている。集約室18の底面には複数の円形の挿通穴が設けられている。各挿通穴には燃料電池セル16の上端部が夫々挿通されている。一方、排気集約室18の天井面には、集約された燃料ガスを噴出させるための複数の噴出口が設けられている。発電に使用されずに残った燃料は、各燃料電池セル16の上端から排気集約室18内に流出し、排気集約室18内で集約された燃料は各噴出口から流出し、そこで燃焼される。 Next, the configuration of the exhaust collection chamber 18 will be described. The exhaust concentration chamber 18 is a donut-shaped cross-section chamber attached to the upper end of each fuel cell 16, and an oxidant gas injection pipe 74 extends through the center of the exhaust concentration chamber 18. . A plurality of circular insertion holes are provided on the bottom surface of the aggregation chamber 18. The upper end portions of the fuel cells 16 are inserted into the respective insertion holes. On the other hand, a plurality of jet outlets for jetting the aggregated fuel gas are provided on the ceiling surface of the exhaust aggregation chamber 18. The remaining fuel that is not used for power generation flows into the exhaust collecting chamber 18 from the upper end of each fuel battery cell 16, and the fuel collected in the exhaust collecting chamber 18 flows out from each jet port and burns there. .
次に、図2を参照して、燃料供給源30から供給される原燃料ガスを改質するための構成について説明する。
まず、燃料ガス供給流路20の下部には、水蒸気改質用の水を蒸発させるための蒸発部86が設けられている。蒸発部86は、外側円筒部材66の下部内周に取り付けられたリング状の傾斜板86a及び水供給パイプ88から構成されている。傾斜板86aは、リング状に形成された金属の薄板であり、その外周縁が外側円筒部材66の内壁面に取り付けられる。一方、傾斜板86aの内周縁は外周縁よりも上方に位置し、傾斜板86aの内周縁と、内側円筒部材64の外壁面との間には隙間が設けられている。
Next, a configuration for reforming the raw fuel gas supplied from the fuel supply source 30 will be described with reference to FIG.
First, an evaporating portion 86 for evaporating water for steam reforming is provided at the lower portion of the fuel gas supply flow path 20. The evaporation unit 86 includes a ring-shaped inclined plate 86 a attached to the lower inner periphery of the outer cylindrical member 66 and a water supply pipe 88. The inclined plate 86 a is a metal thin plate formed in a ring shape, and its outer peripheral edge is attached to the inner wall surface of the outer cylindrical member 66. On the other hand, the inner peripheral edge of the inclined plate 86 a is positioned above the outer peripheral edge, and a gap is provided between the inner peripheral edge of the inclined plate 86 a and the outer wall surface of the inner cylindrical member 64.
水供給パイプ88は内側円筒部材64の下端から燃料ガス供給流路20内に鉛直方向に延びるパイプであり、傾斜板86aの上面側に供給された水は、傾斜板86aの上面と外側円筒部材66の内壁面の間に留まる。傾斜板86aの上面側に供給された水は、そこで蒸発され水蒸気が生成される。 The water supply pipe 88 is a pipe that extends in the vertical direction from the lower end of the inner cylindrical member 64 into the fuel gas supply flow path 20, and the water supplied to the upper surface side of the inclined plate 86a is the upper surface of the inclined plate 86a and the outer cylindrical member. It stays between 66 inner walls. The water supplied to the upper surface side of the inclined plate 86a is evaporated there to generate water vapor.
また、蒸発部86の下方には、原燃料ガスを燃料ガス供給流路20内に導入するための燃料ガス導入部が設けられている。燃料ブロア38から送られた原燃料ガスは、燃料ガス供給パイプ90を介して燃料ガス供給流路20に導入される。燃料ブロア38から送られた原燃料ガスは、傾斜板86aの下側に導入され、傾斜板86aの傾斜により流路を絞られながら傾斜板86aの上側へ上昇する。傾斜板86aの上側へ上昇した原燃料ガスは、蒸発部86で生成された水蒸気と共に上昇する。 A fuel gas introduction part for introducing the raw fuel gas into the fuel gas supply channel 20 is provided below the evaporation part 86. The raw fuel gas sent from the fuel blower 38 is introduced into the fuel gas supply channel 20 via the fuel gas supply pipe 90. The raw fuel gas sent from the fuel blower 38 is introduced to the lower side of the inclined plate 86a and rises to the upper side of the inclined plate 86a while the flow path is restricted by the inclination of the inclined plate 86a. The raw fuel gas that has risen to the upper side of the inclined plate 86 a rises together with the water vapor generated in the evaporation section 86.
燃料ガス供給流路20内の蒸発部86上方には、燃料ガス供給流路隔壁92が設けられている。この燃料ガス供給流路隔壁92の円周上には等間隔に複数の噴射口92aが設けられている。燃料ガス供給パイプ90から導入された原燃料ガス及び蒸発部86で生成された水蒸気は、一旦、燃料ガス供給流路隔壁92の下側の空間に滞留した後、各噴射口92aを通って燃料ガス供給流路隔壁92の上側の空間に噴射され、ここで十分に混合される。 A fuel gas supply channel partition wall 92 is provided above the evaporation portion 86 in the fuel gas supply channel 20. A plurality of injection ports 92 a are provided at equal intervals on the circumference of the fuel gas supply channel partition wall 92. The raw fuel gas introduced from the fuel gas supply pipe 90 and the water vapor generated in the evaporation portion 86 once stay in the space below the fuel gas supply flow path partition wall 92 and then pass through each injection port 92a to become fuel. The gas is injected into the space above the gas supply flow path partition wall 92 and mixed sufficiently here.
さらに、中間円筒部材65の内周と内側円筒部材64の外周の間の、円環状の空間の上部には、改質部94が設けられている。改質部94は、内側円筒部材64の外壁面に取り付けられた触媒保持板(図示せず)と、これにより保持された改質触媒96によって構成されている。改質触媒96に、燃料ガス供給流路隔壁92の上側の空間で混合された原燃料ガス及び水蒸気が接触すると、改質部94内においては、式(1)に示す水蒸気改質反応SRが進行する。
CmHn+xH2O → aCO2+bCO+cH2 (1)
Further, a reforming portion 94 is provided in the upper part of the annular space between the inner periphery of the intermediate cylindrical member 65 and the outer periphery of the inner cylindrical member 64. The reforming unit 94 includes a catalyst holding plate (not shown) attached to the outer wall surface of the inner cylindrical member 64 and a reforming catalyst 96 held thereby. When the raw fuel gas and steam mixed in the space above the fuel gas supply flow path partition wall 92 come into contact with the reforming catalyst 96, the steam reforming reaction SR shown in Formula (1) is performed in the reforming unit 94. proceed.
C m H n + xH 2 O → aCO 2 + bCO + cH 2 (1)
改質部94において改質された燃料ガスは、中間円筒部材65の内周と内側円筒部材64の外周の間の空間を下方に流れ、燃料ガス分散室76に流入して、各燃料電池セル16に供給される。水蒸気改質反応SRは吸熱反応であるが、反応に要する熱は、排気集約室18から流出するオフガスの燃焼熱、及び各燃料電池セル16において発生する発熱により供給される。 The fuel gas reformed in the reforming section 94 flows downward in the space between the inner periphery of the intermediate cylindrical member 65 and the outer periphery of the inner cylindrical member 64, flows into the fuel gas dispersion chamber 76, and each fuel cell. 16 is supplied. Although the steam reforming reaction SR is an endothermic reaction, the heat required for the reaction is supplied by the combustion heat of the offgas flowing out from the exhaust collecting chamber 18 and the heat generated in each fuel cell 16.
次に、図3及び図4を参照して、本発明の第1実施形態による燃料電池セルの構造を説明する。
図3は燃料電池セル全体を示す斜視図であり、図4は燃料電池セルの多孔質支持体表面に形成された機能層を拡大して示した断面図である。
図3に示すように、本実施形態の燃料電池セル16(固体酸化物形燃料電池セル)は、固体酸化物を用いた円筒横縞型セルである。各燃料電池セル16上には、複数の発電素子16aが横縞状に形成されており、これらが電気的に直列に接続されることにより1本の燃料電池セル16が構成されている。各燃料電池セル16は、その一端がアノード(陽極)、他端がカソード(陰極)となるように構成され、複数の燃料電池セル16のうちの半数は上端がアノード、下端がカソードとなるように配置され、残りの半数は上端がカソード、下端がアノードとなるように配置されている。
Next, the structure of the fuel cell according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 3 and 4.
FIG. 3 is a perspective view showing the whole fuel cell, and FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view showing a functional layer formed on the surface of the porous support of the fuel cell.
As shown in FIG. 3, the fuel cell 16 (solid oxide fuel cell) of this embodiment is a cylindrical horizontal stripe cell using a solid oxide. On each fuel cell 16, a plurality of power generation elements 16 a are formed in a horizontal stripe shape, and one fuel cell 16 is configured by electrically connecting them in series. Each fuel cell 16 is configured such that one end thereof is an anode (anode) and the other end is a cathode (cathode), and half of the plurality of fuel cells 16 has an upper end as an anode and a lower end as a cathode. The other half are arranged so that the upper end is a cathode and the lower end is an anode.
図4に示すように、本実施形態の燃料電池セル16は、円筒形の多孔質支持体97と、その上に形成された3つの機能層である燃料極層98、電解質層100、及び空気極層101を有する。燃料電池セル16には、多孔質支持体97上に燃料極層98、電解質層100、及び空気極層101を順次形成することにより複数の発電素子16aが形成されている。各発電素子16aの燃料極層98はアノードとして、空気極層101はカソードとして機能する。これらの各発電素子16aはインターコネクタ層102により電気的に直列に接続されている。本実施形態においては、1本の燃料電池セル16上に12個の発電素子16aが形成され、これらがインターコネクタ層102により接続されている。 As shown in FIG. 4, the fuel battery cell 16 of the present embodiment includes a cylindrical porous support 97, a fuel electrode layer 98 that is three functional layers formed thereon, an electrolyte layer 100, and air. It has a polar layer 101. In the fuel cell 16, a plurality of power generation elements 16 a are formed by sequentially forming a fuel electrode layer 98, an electrolyte layer 100, and an air electrode layer 101 on a porous support 97. The fuel electrode layer 98 of each power generation element 16a functions as an anode, and the air electrode layer 101 functions as a cathode. Each of these power generating elements 16 a is electrically connected in series by the interconnector layer 102. In the present embodiment, twelve power generating elements 16 a are formed on one fuel battery cell 16, and these are connected by the interconnector layer 102.
具体的には、図4に示すように、各発電素子16aを構成する燃料極層98の一方の端部、及び空気極層101の反対側の端部が延長されている。発電素子16aの陽極である燃料極層98の延長された端部が、隣接して配置された発電素子16aの陰極である空気極層101の延長された端部とインターコネクタ層102により接続されている。 Specifically, as shown in FIG. 4, one end portion of the fuel electrode layer 98 constituting each power generation element 16 a and the opposite end portion of the air electrode layer 101 are extended. The extended end portion of the fuel electrode layer 98 that is the anode of the power generation element 16a is connected to the extended end portion of the air electrode layer 101 that is the cathode of the power generation element 16a that is disposed adjacently by the interconnector layer 102. ing.
次に、多孔質支持体97及び各機能層の構成を説明する。
多孔質支持体97は、本実施形態においては、電気絶縁性材料であるフォルステライト粉末を主成分として、バインダーを添加した混合物を円筒形に押し出し成形し、焼結することにより形成されている。
燃料極層98は、本実施形態においては、NiO粉末及び10YSZ(10mol%Y2O3−90mol%ZrO2)粉末の混合物により構成された導電性の薄膜である。
Next, the structure of the porous support body 97 and each functional layer is demonstrated.
In this embodiment, the porous support 97 is formed by extruding a cylindrical mixture of a forsterite powder, which is an electrically insulating material, and adding a binder into a cylindrical shape, followed by sintering.
In this embodiment, the fuel electrode layer 98 is a conductive thin film composed of a mixture of NiO powder and 10YSZ (10 mol% Y 2 O 3 -90 mol% ZrO 2 ) powder.
固体電解質層100は、本実施形態においては、La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3の組成のLSGM粉末により構成された薄膜である。この固体電解質層100を介して酸化物イオンと水素又は一酸化炭素が反応することにより電気エネルギーが生成される。 In the present embodiment, the solid electrolyte layer 100 is a thin film made of LSGM powder having a composition of La 0.9 Sr 0.1 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 . Electric energy is generated by the reaction between oxide ions and hydrogen or carbon monoxide through the solid electrolyte layer 100.
空気極層101は、本実施形態においては、La0.6Sr0.4Co0.8Fe0.2O3の組成のLSCF粉末により構成された導電性の薄膜である。
インターコネクタ層102は、本実施形態においては、SLT(ランタンドープストロンチウムチタネート)及びLa1-xSrxTi1-y-zNbyFezO3(LSTNF、0.1≦x≦0.8、0.05≦y≦0.2、0.2≦z≦0.5)により構成された導電性の薄膜である。
In this embodiment, the air electrode layer 101 is a conductive thin film composed of LSCF powder having a composition of La 0.6 Sr 0.4 Co 0.8 Fe 0.2 O 3 .
The interconnector layer 102, in this embodiment, SLT (lanthanum doped strontium titanate) and La 1-x Sr x Ti 1 -yz Nb y Fe z O 3 (LSTNF, 0.1 ≦ x ≦ 0.8,0.05 ≦ y ≦ 0.2 , 0.2 ≦ z ≦ 0.5).
次に、本発明の第1実施形態による燃料電池セルの製造装置を説明する。
まず、図5及び図6を参照して、機能層等を形成するドット成膜工程において使用されるドット成膜装置を説明する。図5はドット成膜装置全体を示す概略的な正面図であり、図6はドット成膜装置に備えられたジェットディスペンサの先端部を示す概略的な断面図である。
Next, the fuel cell manufacturing apparatus according to the first embodiment of the present invention will be described.
First, a dot film forming apparatus used in a dot film forming process for forming a functional layer and the like will be described with reference to FIGS. FIG. 5 is a schematic front view showing the entire dot film forming apparatus, and FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing the tip of a jet dispenser provided in the dot film forming apparatus.
上述した各機能層は、各機能層を構成する材料の粉末を懸濁させたスラリーを多孔質支持体97上に付着させ、これを焼成することにより形成されている。
ドット成膜装置110は、燃料電池セル16の各製造工程において、インターコネクタ及び空気極層を夫々形成するための各スラリーを液滴状にして、ドット成膜すべき部分のみに選択的に、連続的に噴射するように構成されている。また、ドット成膜装置110は、所定の位置にインターコネクタ又は空気極層を形成するための位置出し機能を備えている。
Each functional layer described above is formed by attaching a slurry in which a powder of a material constituting each functional layer is suspended to the porous support 97 and firing the slurry.
In each manufacturing process of the fuel battery cell 16, the dot film forming apparatus 110 forms each slurry for forming the interconnector and the air electrode layer in the form of droplets, and selectively selects only the portion where the dot film should be formed. It is comprised so that it may inject continuously. Further, the dot film forming apparatus 110 has a positioning function for forming an interconnector or an air electrode layer at a predetermined position.
図5に示すように、ドット成膜装置110は、台座112と、ドット成膜すべき多孔質支持体97を回転させるモーター114と、多孔質支持体97を回転可能に保持する固定治具116と、液滴を噴射するヘッド部118と、このヘッド部118を案内するガイドレール120と、を有する。 As shown in FIG. 5, the dot film forming apparatus 110 includes a pedestal 112, a motor 114 for rotating the porous support 97 on which the dot film is to be formed, and a fixing jig 116 that rotatably holds the porous support 97. A head portion 118 that ejects droplets, and a guide rail 120 that guides the head portion 118.
台座112には、モーター114及び固定治具116が設置されている。
固定治具116は、ドット成膜すべき多孔質支持体97を回転可能に保持するように構成されている。即ち、固定治具116は、円筒形の多孔質支持体97の両端に円錐形状の心押し棒116aを夫々挿入することにより、多孔質支持体97を両端から挟むようにして水平に保持する。各心押し棒116aは水平な回転中心線Aを中心に回転可能に構成されており、これにより保持された多孔質支持体97は回転中心線Aを中心に回転可能に保持される。モーター114は、各心押し棒116aによって保持された多孔質支持体97を、回転中心線Aを中心に回転させるように構成されている。
A motor 114 and a fixing jig 116 are installed on the pedestal 112.
The fixing jig 116 is configured to rotatably hold the porous support 97 on which the dot film is to be formed. That is, the fixing jig 116 holds the porous support 97 horizontally so as to sandwich the porous support 97 from both ends by inserting conical tailstocks 116a into both ends of the cylindrical porous support 97, respectively. Each mandrel 116a is configured to be rotatable about a horizontal rotation center line A, and the porous support body 97 held thereby is held to be rotatable about the rotation center line A. The motor 114 is configured to rotate the porous support 97 held by each tailstock 116a around the rotation center line A.
ここで、円筒形の多孔質支持体97を円錐形状の心押し棒116aによって両側から挟んで支持することにより、多孔質支持体97は、その中心軸線と心押し棒116aの回転中心線Aが一致するように保持される。しかしながら、多孔質支持体97は製作誤差により完全な円筒形ではないため、実際には、回転中心線Aと多孔質支持体97の中心軸線は、僅かにずれている。 Here, by supporting the cylindrical porous support body 97 sandwiched from both sides by the conical tailstock 116a, the porous support body 97 has its central axis and the rotational centerline A of the tailstock 116a. Hold to match. However, since the porous support body 97 is not completely cylindrical due to manufacturing errors, the rotation center line A and the central axis line of the porous support body 97 are slightly shifted in practice.
ヘッド部118は、スラリー等を液滴状にして噴射するジェットディスペンサー122と、このジェットディスペンサー122にスラリー等を供給するスラリー容器124と、ドット成膜すべき多孔質支持体97を撮像するカメラ126と、を有する。
ガイドレール120は、ヘッド部118を、回転中心線Aと平行に移動させるように構成されている。ドット成膜時においては、ジェットディスペンサー122から液滴状のスラリーを噴射させながら、多孔質支持体97を回転させると共に、ヘッド部118をガイドレール120に沿って所定速度で送ることにより、多孔質支持体97の周囲に帯状のスラリーの膜を形成することができる。
The head unit 118 includes a jet dispenser 122 that ejects slurry and the like in the form of droplets, a slurry container 124 that supplies the jet dispenser 122 with slurry and the like, and a camera 126 that captures an image of the porous support 97 on which dots are to be formed. And having.
The guide rail 120 is configured to move the head portion 118 in parallel with the rotation center line A. At the time of dot film formation, the porous support 97 is rotated while jetting droplet-like slurry from the jet dispenser 122, and the head portion 118 is sent along the guide rail 120 at a predetermined speed, thereby making the porous A belt-like slurry film can be formed around the support 97.
ジェットディスペンサー122は、図6に示すように、スラリー等を噴射するノズル部128と、噴射を制御する噴射アクチュエータ129と、を有する。
ノズル部128には、鉛直方向に向けられた噴射ノズル穴128aが設けられ、この噴射ノズル穴128aの上端には、噴射ノズル穴128aよりも広くなった凹部128bが形成されている。さらに、ノズル部128には、噴射ノズル穴128aに連通するように設けられた水平方向のスラリー供給通路128cが形成されている。スラリー供給通路128cには、噴射すべきスラリー等がスラリー容器124から注入されている。スラリー供給通路128cから供給されたスラリー等は噴射ノズル穴128aに流入し、噴射ノズル穴128aの先端(下端)から噴射される。
As shown in FIG. 6, the jet dispenser 122 includes a nozzle portion 128 that ejects slurry and the like, and an ejection actuator 129 that controls ejection.
The nozzle portion 128 is provided with an injection nozzle hole 128a oriented in the vertical direction, and a concave portion 128b wider than the injection nozzle hole 128a is formed at the upper end of the injection nozzle hole 128a. Further, a horizontal slurry supply passage 128c is formed in the nozzle portion 128 so as to communicate with the injection nozzle hole 128a. The slurry to be injected is injected from the slurry container 124 into the slurry supply passage 128c. The slurry or the like supplied from the slurry supply passage 128c flows into the injection nozzle hole 128a and is injected from the tip (lower end) of the injection nozzle hole 128a.
噴射アクチュエータ129は、可撓性プレート129aと、この可撓性プレート129aに取り付けられた突起部129bと、を有する。
可撓性プレート129aは、可撓性のあるゴム製の板であり、ノズル部128に設けられた凹部128bを覆うように取り付けられている。突起部129bは、可撓性プレート129aの中央部に取り付けられた金属製の突起であり、ノズル部128の凹部128bに受け入れられている。可撓性プレート129aの背面側(凹部128bの反対側)には脈動する空気圧が作用されており、この空気圧の変動により可撓性プレート129aが撓み、可撓性プレート129aに取り付けられた突起部129bが上下動する。
The ejection actuator 129 includes a flexible plate 129a and a protrusion 129b attached to the flexible plate 129a.
The flexible plate 129 a is a flexible rubber plate, and is attached so as to cover the recess 128 b provided in the nozzle portion 128. The protrusion 129 b is a metal protrusion attached to the central portion of the flexible plate 129 a and is received in the recess 128 b of the nozzle portion 128. A pulsating air pressure is applied to the back side of the flexible plate 129a (the opposite side of the recess 128b), and the flexible plate 129a bends due to the fluctuation of the air pressure, and a protrusion attached to the flexible plate 129a. 129b moves up and down.
突起部129bが下方に移動されると、これを収容している凹部128b内の容積が減少するため、噴射ノズル穴128a及び凹部128b内に充填されているスラリー等が、液滴状にされて噴射ノズル穴128aの先端から噴射される。可撓性プレート129aの背面側の空気圧が所定周期で脈動することにより、突起部129bが上下動し、液滴状になったスラリー等が所定周期で連続的に噴射される。噴射されたスラリーの液滴は多孔質支持体97上にドットを形成し、このドットの集積によりスラリーの膜が形成される。 When the projection 129b is moved downward, the volume in the recess 128b that accommodates the projection 129b decreases, so that the slurry filled in the injection nozzle hole 128a and the recess 128b is made into droplets. Sprayed from the tip of the spray nozzle hole 128a. When the air pressure on the back side of the flexible plate 129a pulsates at a predetermined cycle, the protrusion 129b moves up and down, and droplets and the like are continuously ejected at a predetermined cycle. The ejected slurry droplets form dots on the porous support 97, and a slurry film is formed by the accumulation of the dots.
モーター114駆動により多孔質支持体97を回転させると共に、ジェットディスペンサー122をガイドレール120に沿って所定速度で送ることにより、多孔質支持体97上の所望の位置にスラリーのドットを横縞状に集積させることができる。なお、ドット成膜により形成される層の厚さは、モーター114の回転数、ジェットディスペンサー122の送り速度、ジェットディスペンサー122から噴射される液滴の大きさ、及び噴射されるスラリーの粘性等により制御することができる。 The porous support body 97 is rotated by driving the motor 114, and the jet dispenser 122 is sent along the guide rail 120 at a predetermined speed, whereby the dots of the slurry are accumulated in horizontal stripes at desired positions on the porous support body 97. Can be made. The thickness of the layer formed by the dot film formation depends on the number of rotations of the motor 114, the feed speed of the jet dispenser 122, the size of droplets ejected from the jet dispenser 122, the viscosity of the slurry to be ejected, and the like. Can be controlled.
カメラ126は、多孔質支持体97上に形成された燃料極層やインターコネクタ層等を撮像し、画像解析によりそれらの境界線の位置を特定するように構成されている。また、カメラ126により撮像された画像上の位置と、液滴が噴射される噴射ノズル穴128aとの間の水平距離Lはメモリ(図示せず)に予め記憶されている。このため、撮像された画像上で特定された位置から、ヘッド部118をガイドレール120に沿って距離Lだけ送ることにより、画像上で特定された位置に噴射ノズル穴128aを移動させることができる。 The camera 126 is configured to take an image of the fuel electrode layer, the interconnector layer, and the like formed on the porous support 97, and specify the position of the boundary line by image analysis. Further, the horizontal distance L between the position on the image captured by the camera 126 and the ejection nozzle hole 128a from which the droplet is ejected is stored in advance in a memory (not shown). For this reason, the injection nozzle hole 128a can be moved to the position specified on the image by sending the head portion 118 by the distance L along the guide rail 120 from the position specified on the captured image. .
次に、図7及び図8を参照して、機能層を形成する面成膜工程において使用される面成膜装置を説明する。図7は面成膜装置全体を示す概略的な正面図であり、図8は面成膜装置の作動手順を示すフローである。
図7に示すように、面成膜装置130は、台座131と、この台座131の上に設けられた固定治具132と、固定治具132を回転させるモーター134と、スラリーを吐出させる面成膜ノズル136と、この面成膜ノズル136にスラリーを圧送するポンプ138と、供給すべきスラリーを収容したスラリー容器139と、を有する。
Next, a surface film forming apparatus used in the surface film forming process for forming the functional layer will be described with reference to FIGS. FIG. 7 is a schematic front view showing the entire surface film forming apparatus, and FIG. 8 is a flow showing an operation procedure of the surface film forming apparatus.
As shown in FIG. 7, the surface film forming apparatus 130 includes a pedestal 131, a fixing jig 132 provided on the pedestal 131, a motor 134 for rotating the fixing jig 132, and a surface component for discharging slurry. A film nozzle 136, a pump 138 that pumps slurry to the surface film forming nozzle 136, and a slurry container 139 that contains slurry to be supplied are provided.
台座131には固定治具132が設けられている。固定治具132は、多孔質支持体97を水平方向に向けて、その両端部を回転可能に支持する。モーター134は固定治具132に連結されており、固定治具132及びそれによって支持された多孔質支持体97を、多孔質支持体97の中心軸線を中心に、所定の回転数で回転させるように構成されている。 A fixing jig 132 is provided on the base 131. The fixing jig 132 supports the both ends of the porous support body 97 so that the porous support body 97 is oriented in the horizontal direction. The motor 134 is connected to the fixing jig 132 so that the fixing jig 132 and the porous support 97 supported by the fixing jig 132 are rotated at a predetermined rotational speed around the central axis of the porous support 97. It is configured.
面成膜ノズル136は、固定治具132によって支持されている多孔質支持体97の直下に配置されており、スラリーを多孔質支持体97に向けて上方に吐出するように構成されている。
ポンプ138は、スラリー容器139内のスラリーを吸い上げ、スラリーを所定の流量で面成膜ノズル136から吐出させるように構成されている。
The surface film forming nozzle 136 is disposed immediately below the porous support 97 supported by the fixing jig 132, and is configured to discharge the slurry upward toward the porous support 97.
The pump 138 is configured to suck up the slurry in the slurry container 139 and discharge the slurry from the surface film forming nozzle 136 at a predetermined flow rate.
面成膜ノズル136には、スリット状の細長いノズル穴(図示せず)が設けられており、多孔質支持体97の面成膜すべき領域全体にスラリーが均一に吐出されるように構成されている。面成膜ノズル136から吐出したスラリーは、すぐ上方に水平方向に配置された多孔質支持体97に付着され、多孔質支持体97上に形成される複数の発電素子16aの各機能層が同時に成膜される。なお、多孔質支持体97上の面成膜不要な部分には、後述するように、ドット成膜装置110により予めマスキングが施されている。多孔質支持体97に付着せずに残ったスラリーは、面成膜ノズル136の周囲に流れ落ち、回収される。 The surface film forming nozzle 136 is provided with slit-like elongated nozzle holes (not shown) so that the slurry is uniformly discharged over the entire surface of the porous support 97 to be formed. ing. The slurry discharged from the surface film forming nozzle 136 is attached to the porous support 97 disposed in the horizontal direction immediately above, and each functional layer of the plurality of power generating elements 16a formed on the porous support 97 is simultaneously formed. A film is formed. Note that a portion on the porous support 97 that does not require surface film formation is masked in advance by a dot film formation apparatus 110 as described later. Slurry remaining without adhering to the porous support 97 flows down around the surface film forming nozzle 136 and is collected.
次に、図8を参照して、面成膜の手順を説明する。
まず、図8のステップS101において、面成膜すべき多孔質支持体97を固定治具132に固定する。なお、多孔質支持体97上の面成膜が不要な部分には、予めマスキングを施しておく。次いで、ステップS102において、モーター134を起動し、多孔質支持体97をその中心軸線を中心に所定の回転数で回転させる。さらに、ステップS103において、ポンプ138を作動させる。これにより、スラリー容器139からスラリーが吸い上げられ、スラリーは面成膜ノズル136に向けて圧送される(ステップS104)。圧送されたスラリーは、面成膜ノズル136から上方に向けて吐出される(ステップS105)。面成膜ノズル136から吐出されたスラリーは、面成膜ノズル136の上方で回転している多孔質支持体97の表面に塗布される(ステップS106)。
Next, with reference to FIG. 8, a surface film forming procedure will be described.
First, in step S <b> 101 of FIG. 8, the porous support 97 to be surface-formed is fixed to the fixing jig 132. Note that masking is performed in advance on a portion on the porous support 97 where surface film formation is unnecessary. Next, in step S102, the motor 134 is activated, and the porous support 97 is rotated at a predetermined rotational speed around its central axis. Further, in step S103, the pump 138 is operated. Thereby, the slurry is sucked up from the slurry container 139, and the slurry is pumped toward the surface film-forming nozzle 136 (step S104). The slurry fed under pressure is discharged upward from the surface film forming nozzle 136 (step S105). The slurry discharged from the surface film forming nozzle 136 is applied to the surface of the porous support 97 rotating above the surface film forming nozzle 136 (step S106).
多孔質支持体97に付着せずに残ったスラリーは、面成膜ノズル136の周囲に流れ落ちる。また、多孔質支持体97に付着した余分なスラリーは、回転している多孔質支持体97の遠心力により流れ落ち、多孔質支持体97上には所定厚さのスラリーの膜が成膜される。従って、多孔質支持体97上に形成される層の厚さは、多孔質支持体97の回転数、面成膜ノズル136からの吐出流量、スラリーの粘性等によって制御することができる。
次に、ステップS107においてポンプ138を停止させ、ステップS108においてモーター134を停止させる。さらに、ステップS109において、成膜された多孔質支持体97を固定治具132から取り外し、面成膜工程を完了する。
The slurry remaining without adhering to the porous support 97 flows down around the surface film forming nozzle 136. Further, excess slurry adhering to the porous support 97 flows down by the centrifugal force of the rotating porous support 97, and a slurry film having a predetermined thickness is formed on the porous support 97. . Accordingly, the thickness of the layer formed on the porous support 97 can be controlled by the number of rotations of the porous support 97, the discharge flow rate from the surface film forming nozzle 136, the viscosity of the slurry, and the like.
Next, the pump 138 is stopped in step S107, and the motor 134 is stopped in step S108. Further, in step S109, the formed porous support body 97 is removed from the fixing jig 132, and the surface film forming step is completed.
以上説明したドット成膜装置110、面成膜装置130、及び成膜された機能層を焼成する加熱炉は、固体酸化物形燃料電池製造システムを構成する。 The dot film forming apparatus 110, the surface film forming apparatus 130, and the heating furnace for firing the formed functional layer described above constitute a solid oxide fuel cell manufacturing system.
次に、図9及び図10を参照して、本発明の第1実施形態による固体酸化物形燃料電池セルの製造方法を説明する。
図9は本実施形態の製造方法の手順を示すフローチャートであり、図10は多孔質支持体上への機能層等の積層手順を示す模式図である。なお、図10は、各機能層等の重なりを模式的に示したものであり、各層の具体的な断面形状及び寸法を示すものではない。
Next, with reference to FIG.9 and FIG.10, the manufacturing method of the solid oxide fuel cell by 1st Embodiment of this invention is demonstrated.
FIG. 9 is a flowchart showing a procedure of the manufacturing method of the present embodiment, and FIG. 10 is a schematic diagram showing a procedure for stacking functional layers and the like on the porous support. FIG. 10 schematically shows the overlap of the functional layers and the like, and does not show the specific cross-sectional shape and dimensions of each layer.
まず、図9のステップS1においては、支持体形成工程として、フォルステライト製の多孔質支持体97が形成される。具体的には、フォルステライト粉末にバインダーを添加した粘土状の材料が、押出成型機(図示せず)によって円筒形に押し出し成形される。
次に、ステップS2においては仮焼成工程として、ステップS1において押し出し成形された多孔質支持体97が加熱炉(図示せず)により加熱され、仮焼成される。本実施形態においては、多孔質支持体97の成形体は、加熱炉により約1000℃で約2時間加熱され、仮焼成される。この仮焼成されたフォルステライト製の多孔質支持体97は概ね白色の電気絶縁体である。
First, in step S1 of FIG. 9, a forsterite porous support 97 is formed as a support forming process. Specifically, a clay-like material obtained by adding a binder to forsterite powder is extruded into a cylindrical shape by an extruder (not shown).
Next, in step S2, the porous support body 97 extruded in step S1 is heated in a heating furnace (not shown) and temporarily fired as a temporary firing step. In this embodiment, the molded body of the porous support body 97 is heated in a heating furnace at about 1000 ° C. for about 2 hours and pre-baked. This temporarily fired porous support body 97 made of forsterite is a generally white electrical insulator.
次に、ステップS3においては第1マスキング形成工程として、ステップS2において仮焼成された多孔質支持体97にマスキング形成剤が塗布され、マスキング層104が形成される。具体的には、この第1マスキング形成工程では、ドット成膜装置110によりマスキング層104がドット成膜される。即ち、第1マスキング形成工程では、ドット成膜装置110のジェットディスペンサー122(図5)により、マスキング形成剤を、マスキング層104を形成すべき領域に液滴状にして連続的に噴射することにより、多孔質支持体97上にマスキング形成剤のドットを形成し、このドットの集積によりマスキング層104をドット成膜する工程である。従って、第1マスキング形成工程においては、ドット成膜装置110はマスキング層形成装置として機能する。 Next, in step S3, as a first masking formation step, a masking agent is applied to the porous support 97 that has been pre-fired in step S2, and the masking layer 104 is formed. Specifically, in this first masking formation step, the masking layer 104 is dot-formed by the dot film-forming device 110. That is, in the first masking formation step, the jet dispenser 122 (FIG. 5) of the dot film forming apparatus 110 continuously jets the masking agent in the form of droplets onto the area where the masking layer 104 is to be formed. In this process, dots of the mask forming agent are formed on the porous support member 97, and the masking layer 104 is formed into dots by accumulating the dots. Therefore, in the first masking formation step, the dot film forming device 110 functions as a masking layer forming device.
図10(a)に示すように、マスキング層104は、多孔質支持体97上の、燃料極層98の成膜が不要な部分に形成される。マスキング形成剤は、その粘性が低すぎる場合、超多孔質体である多孔質支持体97の内部に深く浸透してしまうので、所定の膜厚のマスキング層104を形成するために多数回の成膜が必要となり、製造効率が低下する。また、マスキング形成剤が浸透することにより、マスキング層104が形成される領域が不正確になる。一方、マスキング形成剤の粘性が高すぎる場合、形成されたマスキング層104の表面の平滑性が不十分になる。この場合、次工程で面成膜を行った際に、スラリーがマスキング層104の上に溜まってしまい、このスラリーが成膜の不要な部分に残ってしまう。本実施形態においては、マスキング形成剤は、適度な粘性に調整されている。 As shown in FIG. 10A, the masking layer 104 is formed on the porous support 97 where the fuel electrode layer 98 is not required to be formed. If the viscosity of the masking agent is too low, the masking agent penetrates deeply into the porous support 97, which is a superporous material. Therefore, the masking agent is formed many times to form the masking layer 104 having a predetermined thickness. A membrane is required, and the production efficiency is reduced. Further, the penetration of the mask forming agent makes the region where the masking layer 104 is formed inaccurate. On the other hand, when the viscosity of the mask forming agent is too high, the smoothness of the surface of the formed masking layer 104 becomes insufficient. In this case, when the surface film is formed in the next step, the slurry is accumulated on the masking layer 104, and this slurry remains in an unnecessary part of the film formation. In this embodiment, the masking agent is adjusted to an appropriate viscosity.
また、ドット成膜されたマスキング層104は、マスキング形成剤塗布後、自然乾燥される。本実施形態においては、マスキング形成剤として、(株)フロロテクノロジー製のフロロサーフ(商標)FS−1000シリーズ又はFG−3020シリーズを使用している。 The masking layer 104 formed with dots is naturally dried after the masking agent is applied. In the present embodiment, Fluorosurf (trademark) FS-1000 series or FG-3020 series manufactured by Fluoro Technology Co., Ltd. is used as a masking agent.
この第1マスキング形成工程においてマスキング層104を形成する部位の位置出しは、ドット成膜装置110に備えられた固定治具116を基準にして行われる。即ち、ドット成膜装置110は、予め記憶されている固定治具116の位置から所定距離ヘッド部118を移動させ、その位置から、多孔質支持体97を回転させながらマスキング層104のドット成膜を開始する。第1マスキング形成工程において形成される全てのマスキング層104は、固定治具116の位置を基準として、ヘッド部118の送り量により位置出しを行い、その位置からのヘッド部118の移動距離によってマスキング層104の幅が設定される。 In the first masking formation step, the position where the masking layer 104 is to be formed is determined based on the fixing jig 116 provided in the dot film forming apparatus 110. That is, the dot film forming apparatus 110 moves the head portion 118 a predetermined distance from the position of the fixing jig 116 stored in advance, and rotates the porous support 97 from the position to form the dot film on the masking layer 104. To start. All the masking layers 104 formed in the first masking forming step are positioned by the feed amount of the head portion 118 with reference to the position of the fixing jig 116, and masking is performed by the moving distance of the head portion 118 from that position. The width of the layer 104 is set.
このため、第1マスキング形成工程において形成されるマスキング層104は、ドット成膜装置110の回転軸線Aに直交した環状に形成される。従って、多孔質支持体97に製造誤差等による撓みがある場合、マスキング層104は、多孔質支持体97の中心軸線に対しては、正確には直交しないこととなる。しかしながら、このような誤差は燃料電池セル16においては問題とならず、ドット成膜装置110の回転軸線Aに直交してマスキング層104を形成することにより、多孔質支持体97の撓みに応じた位置補正等を行う必要がなく、容易に成膜を行うことができる。また、ドット成膜によれば、噴射された液滴のドットの集積によりマスキング層104を形成しているので、多孔質支持体97の撓みにより、ジェットディスペンサー122と多孔質支持体97表面の間の距離が変化した場合でも、形成される層の厚さが直接影響を受けることがない。このため、多孔質支持体97に製造誤差がある場合でも、正確な厚さに層を形成することができる。 For this reason, the masking layer 104 formed in the first masking formation step is formed in an annular shape orthogonal to the rotation axis A of the dot film forming apparatus 110. Therefore, when the porous support body 97 is bent due to a manufacturing error or the like, the masking layer 104 is not accurately orthogonal to the central axis of the porous support body 97. However, such an error does not cause a problem in the fuel battery cell 16, and the masking layer 104 is formed so as to be orthogonal to the rotational axis A of the dot film forming apparatus 110, thereby responding to the deflection of the porous support 97. There is no need to perform position correction or the like, and film formation can be performed easily. In addition, according to the dot film formation, the masking layer 104 is formed by the accumulation of the dots of the ejected droplets, so that the flexure of the porous support member 97 causes the jet dispenser 122 and the porous support member 97 surface to move. Even when the distance is changed, the thickness of the formed layer is not directly affected. For this reason, even when there is a manufacturing error in the porous support 97, the layer can be formed with an accurate thickness.
また、第1マスキング層形成工程においては、マスキング層104の中央部が高くなった凸状に形成されるように、ドット成膜装置110の送りが調整される。即ち、各マスキング層104の形成開始時において、ドット成膜装置110のジェットディスペンサー122の軸線方向の送り量を大きくすることにより、形成されるドットの軸線方向の重なり量を小さくして、形成されるマスキング層104を薄くする。その後、ジェットディスペンサー122の送り量を次第に小さくすることにより、形成されるドットの重なり量を大きくし、マスキング層104を厚くする。1つのマスキング層104の形成終了時においては、ジェットディスペンサー122の軸線方向の送り量を次第に大きくすることによりドットの軸線方向の重なり量を小さくしてマスキング層104を薄くする。このように、マスキング層104の中央部を高く、凸状に形成することにより、次の燃料極層形成工程においてマスキング層104の上から接触されたスラリーが速やかにマスキング層104の外に流れ落ちる。これにより、マスキング層104上に多くのスラリーが堆積し、不要な部分に燃料極層が形成されるのを抑制することができる。 Further, in the first masking layer forming step, the feed of the dot film forming device 110 is adjusted so that the central portion of the masking layer 104 is formed in a raised convex shape. That is, at the start of the formation of each masking layer 104, the amount of overlap in the axial direction of the formed dots is reduced by increasing the feed amount in the axial direction of the jet dispenser 122 of the dot film forming apparatus 110. The masking layer 104 is thinned. Thereafter, by gradually decreasing the feed amount of the jet dispenser 122, the overlapping amount of dots to be formed is increased, and the masking layer 104 is made thicker. At the end of formation of one masking layer 104, the amount of overlap of the jet dispenser 122 in the axial direction is gradually increased to reduce the overlapping amount of dots in the axial direction, thereby making the masking layer 104 thinner. In this way, by forming the masking layer 104 in a high and convex central portion, the slurry contacted from above the masking layer 104 in the next fuel electrode layer forming step quickly flows out of the masking layer 104. As a result, it is possible to suppress a large amount of slurry from being deposited on the masking layer 104 and forming a fuel electrode layer in unnecessary portions.
次に、ステップS4においては、燃料極層形成工程として、ステップS3においてマスキング層104が形成された多孔質支持体97に、発電素子16aの機能層のうちの1つである燃料極層98が成膜される。具体的には、第1面成膜工程である燃料極層形成工程においては、燃料極を形成するためのスラリーが、マスキング層104の上から多孔質支持体97に接触され、マスキング層104のない部分に燃料極層98が面成膜される。即ち、ステップS3においてマスキング層104が形成された多孔質支持体97を面成膜装置130の固定治具132に固定し、多孔質支持体97を回転させながら下方の面成膜ノズル136から吐出されるスラリーをマスキング層104の上から塗布する。従って、燃料極層形成工程においては、面成膜装置130は燃料極層形成装置として機能する。 Next, in step S4, as a fuel electrode layer forming step, the fuel electrode layer 98, which is one of the functional layers of the power generation element 16a, is formed on the porous support body 97 on which the masking layer 104 is formed in step S3. A film is formed. Specifically, in the fuel electrode layer forming step which is the first surface film forming step, the slurry for forming the fuel electrode is brought into contact with the porous support 97 from above the masking layer 104, The fuel electrode layer 98 is formed on the surface where there is not. That is, in step S3, the porous support body 97 on which the masking layer 104 is formed is fixed to the fixing jig 132 of the surface film forming apparatus 130, and the porous support body 97 is rotated and discharged from the lower surface film forming nozzle 136. The slurry to be applied is applied from above the masking layer 104. Accordingly, in the fuel electrode layer forming step, the surface film forming device 130 functions as a fuel electrode layer forming device.
この燃料極層形成工程は、最も下側に面成膜を行う下層面成膜工程であり、1本の多孔質支持体97上に形成される全ての発電素子16aの各燃料極層98が同時に面成膜される面成膜工程である。このように、燃料極層形成工程においては、面成膜により燃料極層98が形成されるため、ドット成膜におけるドット痕が残ることはなく、燃料極層98の表面を平滑に形成することができる。 This fuel electrode layer forming step is a lower layer surface film forming step in which surface film formation is performed on the lowermost side, and each fuel electrode layer 98 of all the power generating elements 16a formed on one porous support 97 is formed. This is a surface film forming step in which surface film formation is performed simultaneously. In this way, in the fuel electrode layer forming step, the fuel electrode layer 98 is formed by surface film formation, so that no dot marks remain in the dot film formation, and the surface of the fuel electrode layer 98 is formed smoothly. Can do.
本実施形態においては、燃料極層形成工程において使用されるスラリーは、NiO粉末及び10YSZ粉末の混合物がアルコール系溶剤に懸濁された液体であり、一方、マスキング層104を形成しているマスキング形成剤は撥油性のものである。このため、スラリーはマスキング層104の上から多孔質支持体97全体に接触されるが、マスキング層104上のスラリーはマスキング形成剤により撥かれ(はじかれ)、マスキング層104の上には堆積しない。この結果、図10(b)に示すように、燃料極層の膜は、マスキング層104のない部分にのみ形成される。さらに、図4に示すように、多孔質支持体97上に堆積するスラリーは撥油性のマスキング形成剤により撥かれ、マスキング層104に付着しないため、スラリーの表面張力により縁部が丸くなるように堆積される。また、本実施形態においては、マスキング形成剤として撥油性の材料が使用されているが、使用されるスラリーによっては、撥水性のマスキング形成剤を使用することもできる。 In the present embodiment, the slurry used in the fuel electrode layer forming step is a liquid in which a mixture of NiO powder and 10YSZ powder is suspended in an alcohol-based solvent, while the masking layer 104 is formed. The agent is oil repellent. For this reason, the slurry is brought into contact with the entire porous support 97 from above the masking layer 104, but the slurry on the masking layer 104 is repelled by the masking agent and does not deposit on the masking layer 104. . As a result, as shown in FIG. 10B, the fuel electrode layer film is formed only in the portion where the masking layer 104 is not provided. Furthermore, as shown in FIG. 4, since the slurry deposited on the porous support 97 is repelled by the oil repellent mask forming agent and does not adhere to the masking layer 104, the edges are rounded by the surface tension of the slurry. Is deposited. In this embodiment, an oil-repellent material is used as the mask forming agent. However, depending on the slurry used, a water-repellent mask forming agent can also be used.
さらに、燃料極層形成工程においては、多孔質支持体97上に燃料極層の膜が形成された後、堆積されたスラリーを乾燥させる乾燥工程(図示せず)が実施される。本実施形態においては、乾燥工程において、約100℃で約5分間スラリーを乾燥させる。なお、多孔質支持体97上に形成されているマスキング層104は、乾燥工程後もそのまま維持される。 Further, in the fuel electrode layer forming step, after the fuel electrode layer film is formed on the porous support 97, a drying step (not shown) for drying the deposited slurry is performed. In the present embodiment, in the drying step, the slurry is dried at about 100 ° C. for about 5 minutes. Note that the masking layer 104 formed on the porous support 97 is maintained as it is even after the drying step.
次に、ステップS5においては、仮焼成工程が実施される。仮焼成工程においては、ステップS4において燃料極層の膜が形成された多孔質支持体97が加熱炉(図示せず)により加熱され、仮焼成される。図10(c)に示すように、仮焼成工程により、多孔質支持体97上に形成されているマスキング層104は、蒸発して消失し、マスキング層104の下の多孔質支持体97が露出される。本実施形態においては、燃料極層98は、加熱炉により約1000℃で約2時間加熱され、硬化される。この仮焼成されたNiO/YSZ製の燃料極層98の色は、概ね薄緑色である。 Next, in step S5, a temporary baking process is performed. In the pre-baking step, the porous support 97 on which the fuel electrode layer film is formed in step S4 is heated by a heating furnace (not shown) and pre-baked. As shown in FIG. 10C, the masking layer 104 formed on the porous support body 97 is evaporated and disappears by the pre-baking step, and the porous support body 97 under the masking layer 104 is exposed. Is done. In the present embodiment, the fuel electrode layer 98 is heated and cured at about 1000 ° C. for about 2 hours in a heating furnace. The color of the temporarily fired NiO / YSZ fuel electrode layer 98 is generally light green.
次に、ステップS6においては第1インターコネクタ形成工程として、ステップS5において仮焼成された燃料極層98の上に、ドット成膜装置110によりインターコネクタ層が形成される。具体的には、第1インターコネクタ形成工程においては、インターコネクタ層102の一部である第1インターコネクタ層102aがドット成膜により形成される。即ち、第1インターコネクタ形成工程は、第1インターコネクタ層102aを形成するためのスラリーを、第1インターコネクタ層102aを形成すべき領域に、液滴状にして連続的に噴射することにより、燃料極層98上の所定の領域にスラリーのドットを形成し、このドットの集積により第1インターコネクタ層102aを形成するドット成膜工程である。従って、第1インターコネクタ形成工程においては、ドット成膜装置110はインターコネクタ形成装置として機能する。なお、本実施形態においては、第1インターコネクタ層102aを形成するためのスラリーとして、LSTNFの粉末がアルコール系溶剤に懸濁された液体を使用することができる。 Next, in step S6, as a first interconnector forming process, an interconnector layer is formed on the fuel electrode layer 98 pre-fired in step S5 by the dot film forming apparatus 110. Specifically, in the first interconnector forming step, the first interconnector layer 102a that is a part of the interconnector layer 102 is formed by dot film formation. That is, in the first interconnector forming step, the slurry for forming the first interconnector layer 102a is continuously sprayed in the form of droplets onto the region where the first interconnector layer 102a is to be formed. This is a dot film forming step in which dots of slurry are formed in a predetermined region on the fuel electrode layer 98, and the first interconnector layer 102a is formed by accumulation of the dots. Accordingly, in the first interconnector forming step, the dot film forming device 110 functions as an interconnector forming device. In the present embodiment, a liquid in which LSTNF powder is suspended in an alcohol solvent can be used as the slurry for forming the first interconnector layer 102a.
図10(d)に示すように、第1インターコネクタ層102aは、各燃料極層98上の、一方の端部に形成される。この第1インターコネクタ層102aを形成する部位の位置出しは、画像解析に基づいて実行される。即ち、ドット成膜装置110の固定治具116に固定された多孔質支持体97をカメラ126で撮像し、多孔質支持体97上の燃料極層98が形成されている部分と、形成されていない部分の境界線が画像解析により特定される。この特定された境界線の位置に基づいて、燃料極層98上の所定の領域に第1インターコネクタ層102aがドット成膜される。この境界線の特定は、多孔質支持体97上に形成されている各燃料極層98毎に実行される。 As shown in FIG. 10 (d), the first interconnector layer 102 a is formed on one end of each fuel electrode layer 98. The positioning of the part forming the first interconnector layer 102a is executed based on image analysis. That is, the porous support 97 fixed to the fixing jig 116 of the dot film forming apparatus 110 is imaged by the camera 126, and the portion where the fuel electrode layer 98 is formed on the porous support 97 is formed. The boundary line of the missing part is identified by image analysis. Based on the position of the specified boundary line, the first interconnector layer 102a is formed in a dot pattern in a predetermined region on the fuel electrode layer 98. This boundary line is specified for each fuel electrode layer 98 formed on the porous support 97.
図9のステップS3の第1マスキング形成工程においては、固定治具116を基準に位置出しが行われているが、第1インターコネクタ形成工程においては、第1位置出し工程として、画像解析を使用して各燃料極層98の位置に基づいて位置出しを行っている。このため、仮焼成による多孔質支持体97の収縮や、多孔質支持体97の取り付け位置の変化に関わらず、第1インターコネクタ層102aを正確に各燃料極層98に位置合わせすることができる。また、燃料極層98を形成するためのマスキング層104は、多孔質支持体97の回転中心線Aに直交するように形成されていた。このため、燃料極層98の縁は回転中心線Aに直交するように形成されており、多孔質支持体97をどの回転位置で撮像しても、燃料極層98と多孔質支持体97の境界線の位置は一定となり、第1インターコネクタ層102aの形成位置を一意的に位置決めすることができる。また、本実施形態においては、多孔質支持体97は概ね白色であり、燃料極層98は薄緑色であるため、明度のコントラストが高く、モノクロの撮像画像によっても正確に画像解析を行うことができる。また、画像解析をモノクロ画像に基づいて行うことにより、画像解析に要する処理時間を短縮することができる。 In the first masking formation process of step S3 in FIG. 9, positioning is performed with reference to the fixing jig 116, but in the first interconnector forming process, image analysis is used as the first positioning process. Then, positioning is performed based on the position of each fuel electrode layer 98. For this reason, the first interconnector layer 102a can be accurately aligned with each fuel electrode layer 98 regardless of the shrinkage of the porous support 97 due to pre-baking or the change in the attachment position of the porous support 97. . Further, the masking layer 104 for forming the fuel electrode layer 98 is formed so as to be orthogonal to the rotation center line A of the porous support 97. For this reason, the edge of the fuel electrode layer 98 is formed so as to be orthogonal to the rotation center line A, and the fuel electrode layer 98 and the porous support body 97 are positioned at any rotational position. The position of the boundary line is constant, and the formation position of the first interconnector layer 102a can be uniquely determined. In the present embodiment, since the porous support 97 is substantially white and the fuel electrode layer 98 is light green, the brightness contrast is high, and image analysis can be performed accurately even with a monochrome captured image. it can. Further, by performing image analysis based on a monochrome image, the processing time required for image analysis can be shortened.
さらに、第1インターコネクタ形成工程においては、第1インターコネクタ層102aの膜が形成された後、堆積されたスラリーを乾燥させる乾燥工程(図示せず)が実施される。本実施形態においては、乾燥工程において、約100℃で約10分間スラリーを乾燥させる。 Further, in the first interconnector forming step, after the film of the first interconnector layer 102a is formed, a drying step (not shown) for drying the deposited slurry is performed. In the present embodiment, in the drying step, the slurry is dried at about 100 ° C. for about 10 minutes.
次に、ステップS7においては仮焼成工程が実施される。仮焼成工程においては、ステップS6において第1インターコネクタ層102aの膜を形成した多孔質支持体97が、加熱炉(図示せず)により加熱され、仮焼成される。この仮焼成工程により、各燃料極層98上に形成されている第1インターコネクタ層102aの膜が硬化される。本実施形態においては、第1インターコネクタ層102aは、加熱炉により約1000℃で約2時間加熱される。この仮焼成されたLSTNF製の第1インターコネクタ層102aの色は、概ね茶色である。 Next, a temporary baking process is implemented in step S7. In the pre-baking process, the porous support 97 on which the film of the first interconnector layer 102a is formed in step S6 is heated by a heating furnace (not shown) and pre-baked. By this temporary firing step, the film of the first interconnector layer 102a formed on each fuel electrode layer 98 is cured. In the present embodiment, the first interconnector layer 102a is heated in a heating furnace at about 1000 ° C. for about 2 hours. The color of the pre-fired LSTNF first interconnector layer 102a is generally brown.
次に、ステップS8においては第2マスキング形成工程として、ステップS7において仮焼成された第1インターコネクタ層102aに、ドット成膜装置110によりマスキング形成剤が塗布され、マスキング層106が形成される。即ち、第2マスキング形成工程は、マスキング形成剤を、マスキング層106を形成すべき領域に、液滴状にして連続的に噴射することにより、第1インターコネクタ層102a上にマスキング形成剤のドットを形成し、このドットの集積によりマスキング層106を形成するドット成膜工程である。 Next, in step S8, as a second masking formation process, a mask forming agent is applied to the first interconnector layer 102a preliminarily baked in step S7 by the dot film forming apparatus 110, and the masking layer 106 is formed. That is, in the second masking formation step, the masking agent is continuously ejected in the form of droplets onto the area where the masking layer 106 is to be formed, thereby forming the masking agent dots on the first interconnector layer 102a. And forming a masking layer 106 by accumulating the dots.
図10(e)に示すように、マスキング層106は、第1インターコネクタ層102a上に、その両側の端部を残して第1インターコネクタ層102aを覆うように形成される。このマスキング層106を形成する位置の位置出しは、第2位置出し工程として、ドット成膜装置110のカメラ126を使用して、画像解析により実行される。第1インターコネクタ層102aは茶色であり、多孔質支持体97は概ね白色であり、燃料極層98は薄緑色であるため、明度のコントラストが高く、撮像画像によって正確に位置決めすることができる。このドット成膜されたマスキング層106は、マスキング形成剤塗布後、自然乾燥される。第2マスキング形成工程において使用されるマスキング形成剤は、第1マスキング形成工程において使用されたマスキング形成剤と同一である。 As shown in FIG. 10 (e), the masking layer 106 is formed on the first interconnector layer 102a so as to cover the first interconnector layer 102a, leaving the end portions on both sides thereof. The positioning of the position where the masking layer 106 is formed is executed by image analysis using the camera 126 of the dot film forming apparatus 110 as the second positioning process. Since the first interconnector layer 102a is brown, the porous support body 97 is substantially white, and the fuel electrode layer 98 is light green, the brightness contrast is high, and it can be accurately positioned by the captured image. The dot-formed masking layer 106 is naturally dried after the masking agent is applied. The mask forming agent used in the second mask forming step is the same as the mask forming agent used in the first mask forming step.
次に、ステップS9においては、電解質層形成工程として、ステップS8においてマスキング層106が形成された多孔質支持体97に、発電素子16aの機能層のうちの1つである電解質層100が成膜される。具体的には、第2面成膜工程である電解質層形成工程においては、面成膜装置130によって、電解質層を形成するためのスラリーがマスキング層106の上から多孔質支持体97に接触され、マスキング層106のない部分に電解質層100が面成膜される。従って、電解質層形成工程においては、面成膜装置130は電解質層形成装置として機能する。この電解質層形成工程は、面成膜された燃料極層98の上に面成膜を行う上層面成膜工程であり、1本の多孔質支持体97上に形成される全ての発電素子16aの各電解質層100が同時に面成膜される面成膜工程である。 Next, in step S9, as an electrolyte layer forming step, the electrolyte layer 100, which is one of the functional layers of the power generation element 16a, is formed on the porous support 97 on which the masking layer 106 is formed in step S8. Is done. Specifically, in the electrolyte layer forming step which is the second surface film forming step, the slurry for forming the electrolyte layer is brought into contact with the porous support 97 from above the masking layer 106 by the surface film forming apparatus 130. The electrolyte layer 100 is formed on the surface where the masking layer 106 is absent. Accordingly, in the electrolyte layer forming step, the surface film forming apparatus 130 functions as an electrolyte layer forming apparatus. This electrolyte layer forming step is an upper surface film forming step in which surface film formation is performed on the fuel electrode layer 98 having a surface film formed, and all the power generation elements 16a formed on one porous support 97 are formed. This is a surface film forming step in which the respective electrolyte layers 100 are formed simultaneously.
本実施形態においては、電解質層形成工程において使用されるスラリーは、LSGM粉末がアルコール系溶剤に懸濁された液体である。このスラリーはマスキング層106の上から多孔質支持体97全体に接触されるが、スラリーはマスキング層106により撥かれ、マスキング層106の上には堆積しない。この結果、図10(f)に示すように、電解質層100の膜は、マスキング層106のない部分にのみ形成される。即ち、多孔質支持体97及び燃料極層98の全ての露出部分、及び第1インターコネクタ層102aのマスキング層106に覆われていない両側の縁部分が、電解質層100の膜により覆われる。 In the present embodiment, the slurry used in the electrolyte layer forming step is a liquid in which LSGM powder is suspended in an alcohol solvent. This slurry is brought into contact with the entire porous support 97 from above the masking layer 106, but the slurry is repelled by the masking layer 106 and does not deposit on the masking layer 106. As a result, as shown in FIG. 10F, the film of the electrolyte layer 100 is formed only in a portion where the masking layer 106 is not present. That is, all exposed portions of the porous support 97 and the fuel electrode layer 98 and the edge portions on both sides not covered with the masking layer 106 of the first interconnector layer 102a are covered with the membrane of the electrolyte layer 100.
また、図4に示すように、燃料極層98の縁部は丸く形成されているため、その上に積層される電解質層100のスラリーは、燃料極層98と多孔質支持体97の境界部に隙間なく入り込み、電解質層100の下の空隙の発生を防止することができる。さらに、電解質層100を形成すべきスラリーは、マスキング層106によって撥かれ、マスキング層106に付着しないため、表面張力によって縁部が丸く堆積される。電解質層形成工程においては、面成膜により電解質層100が形成されるため、ドット痕の発生がなく、平滑な表面を得ることができる。また、電解質層100は、面成膜された燃料極層98の上に形成されるため、下層の表面の凹凸により平滑性が損なわれることもない。 Also, as shown in FIG. 4, since the edge of the fuel electrode layer 98 is formed in a round shape, the slurry of the electrolyte layer 100 laminated thereon is the boundary between the fuel electrode layer 98 and the porous support 97. It is possible to prevent the formation of voids under the electrolyte layer 100 without entering the gap. Furthermore, since the slurry to form the electrolyte layer 100 is repelled by the masking layer 106 and does not adhere to the masking layer 106, the edges are deposited rounded by the surface tension. In the electrolyte layer forming step, since the electrolyte layer 100 is formed by surface film formation, no dot marks are generated, and a smooth surface can be obtained. In addition, since the electrolyte layer 100 is formed on the fuel electrode layer 98 that is surface-formed, the smoothness is not impaired by the unevenness of the surface of the lower layer.
さらに、電解質層形成工程においては、多孔質支持体97上に電解質層100の膜が形成された後、堆積されたスラリーを乾燥させる乾燥工程(図示せず)が実施される。本実施形態においては、乾燥工程において、約100℃で約5分間スラリーを乾燥させる。なお、多孔質支持体97上に形成されているマスキング層106は、乾燥工程後もそのまま維持される。 Further, in the electrolyte layer forming step, after the membrane of the electrolyte layer 100 is formed on the porous support 97, a drying step (not shown) for drying the deposited slurry is performed. In the present embodiment, in the drying step, the slurry is dried at about 100 ° C. for about 5 minutes. Note that the masking layer 106 formed on the porous support 97 is maintained as it is even after the drying step.
次に、ステップS10においては、仮焼成工程が実施される。仮焼成工程においては、ステップS10において電解質層100の膜が形成された多孔質支持体97が加熱炉(図示せず)により加熱され、仮焼成される。図10(g)に示すように、仮焼成工程により、第1インターコネクタ層102a上に形成されているマスキング層106は、蒸発して消失する。これにより、第1インターコネクタ層102aの、マスキング層106に覆われていた部分が露出する。本実施形態においては、電解質層100は、加熱炉により約1000℃で約2時間加熱され、硬化される。この仮焼成されたLSGM製の電解質層100の色は、概ね肌色である。 Next, in step S10, a temporary baking process is performed. In the pre-baking step, the porous support 97 on which the electrolyte layer 100 film is formed in step S10 is heated by a heating furnace (not shown) and pre-baked. As shown in FIG. 10G, the masking layer 106 formed on the first interconnector layer 102a evaporates and disappears by the temporary firing step. As a result, the portion of the first interconnector layer 102a that was covered with the masking layer 106 is exposed. In this embodiment, the electrolyte layer 100 is heated and cured at about 1000 ° C. for about 2 hours in a heating furnace. The color of the calcified electrolyte layer 100 made of LSGM is generally skin color.
次に、ステップS11においては、第2インターコネクタ形成工程として、ステップS10における仮焼成により露出した第1インターコネクタ層102aと電気的に接続されるように、第2インターコネクタ層が形成される。具体的には、図10(h)に示すように、第2インターコネクタ形成工程においては、露出した第1インターコネクタ層102a、及び露出部分に隣接する電解質層100の縁部を覆うように、第2インターコネクタ層102bがドット成膜装置110により形成される。即ち、第2インターコネクタ形成工程は、第2インターコネクタ層102bを形成するためのスラリーを、第2インターコネクタ層102bを形成すべき領域に、液滴状にして連続的に噴射することにより、所定の領域にスラリーのドットを形成し、このドットの集積により第2インターコネクタ層102bを形成するドット成膜工程である。従って、第2インターコネクタ形成工程においては、ドット成膜装置110はインターコネクタ形成装置として機能する。 Next, in step S11, as a second interconnector forming step, a second interconnector layer is formed so as to be electrically connected to the first interconnector layer 102a exposed by the preliminary firing in step S10. Specifically, as shown in FIG. 10 (h), in the second interconnector forming step, the exposed first interconnector layer 102a and the edge of the electrolyte layer 100 adjacent to the exposed portion are covered. The second interconnector layer 102 b is formed by the dot film forming apparatus 110. That is, in the second interconnector forming step, the slurry for forming the second interconnector layer 102b is continuously ejected in the form of droplets onto the region where the second interconnector layer 102b is to be formed. This is a dot film forming process in which dots of slurry are formed in a predetermined region and the second interconnector layer 102b is formed by accumulation of the dots. Accordingly, in the second interconnector forming step, the dot film forming device 110 functions as an interconnector forming device.
本実施形態においては、第2インターコネクタ層102bを形成するためのスラリーとして、SLTの粉末がアルコール系溶剤に懸濁された液体を使用することができる。このように、本実施形態では、第1インターコネクタ層102aと第2インターコネクタ層102bは異なる材料で形成されている。さらに、第2インターコネクタ形成工程においては、第2インターコネクタ層102bの膜が形成された後、堆積されたスラリーを乾燥させる乾燥工程(図示せず)が実施される。本実施形態においては、乾燥工程において、約100℃で約10分間スラリーを乾燥させる。なお、第2インターコネクタ形成工程における、第2インターコネクタ層102bを形成する部分の位置出しは、第3位置出し工程として、画像解析を使用して実行される。第3位置出し工程においては、仮焼成された第1インターコネクタ層102aと電解質層100の色の相違に基づいて、それらの境界線が特定される。 In the present embodiment, as a slurry for forming the second interconnector layer 102b, a liquid in which SLT powder is suspended in an alcohol-based solvent can be used. Thus, in this embodiment, the 1st interconnector layer 102a and the 2nd interconnector layer 102b are formed with a different material. Furthermore, in the second interconnector forming step, after the film of the second interconnector layer 102b is formed, a drying step (not shown) for drying the deposited slurry is performed. In the present embodiment, in the drying step, the slurry is dried at about 100 ° C. for about 10 minutes. In the second interconnector forming step, the positioning of the portion forming the second interconnector layer 102b is executed using image analysis as the third positioning step. In the third positioning step, the boundary lines are specified based on the color difference between the first interconnector layer 102a and the electrolyte layer 100 that have been pre-fired.
次に、ステップS12においては、第1焼成工程が実施される。第1焼成工程においては、ステップS11までに形成された多孔質支持体97、燃料極層98、電解質層100、第1インターコネクタ層102a、及び第2インターコネクタ層102bが加熱炉(図示せず)により加熱され、焼成される。これにより、多孔質支持体97、及びその上に形成された各機能層が一体化される。本実施形態においては、第1焼成工程において、約1300℃で約2時間、加熱炉により加熱される。なお、本実施形態において、第1焼成工程後では電解質層100は概ね黒色であり、第2インターコネクタ層102bも黒色であるが、電解質層100上に重なる第2インターコネクタ層102b端部は概ね白色である。 Next, in step S12, a first baking process is performed. In the first firing step, the porous support 97, the fuel electrode layer 98, the electrolyte layer 100, the first interconnector layer 102a, and the second interconnector layer 102b formed up to step S11 are heated in a heating furnace (not shown). ) And fired. Thereby, the porous support body 97 and each functional layer formed on it are integrated. In this embodiment, in a 1st baking process, it heats with a heating furnace at about 1300 degreeC for about 2 hours. In the present embodiment, after the first firing step, the electrolyte layer 100 is generally black and the second interconnector layer 102b is also black, but the end of the second interconnector layer 102b that overlaps the electrolyte layer 100 is approximately It is white.
次に、ステップS13においては、空気極層形成工程として、ステップS12において焼成された電解質層100の上に、最外機能層である空気極層が形成される。具体的には、図10(i)に示すように、最外層成膜工程である空気極層形成工程においては、第2インターコネクタ層102b及び電解質層100の一部を覆うように、ドット成膜装置110により空気極層101が形成される。即ち、空気極層形成工程は、空気極層101を形成するためのスラリーを、空気極層101を形成すべき領域に、液滴状にして連続的に噴射することにより、所定の領域にスラリーのドットを形成し、このドットの集積により空気極層101を形成するドット成膜工程である。従って、空気極層形成工程においては、ドット成膜装置110は空気極層形成装置として機能する。 Next, in step S13, as an air electrode layer forming step, an air electrode layer that is the outermost functional layer is formed on the electrolyte layer 100 baked in step S12. Specifically, as shown in FIG. 10 (i), in the air electrode layer forming process which is the outermost layer film forming process, the dot formation is performed so as to cover the second interconnector layer 102 b and a part of the electrolyte layer 100. The air electrode layer 101 is formed by the membrane device 110. That is, in the air electrode layer forming step, the slurry for forming the air electrode layer 101 is continuously sprayed in the form of liquid droplets onto the area where the air electrode layer 101 is to be formed, so that the slurry is applied to a predetermined area. This is a dot film forming process in which the air electrode layer 101 is formed by collecting the dots. Accordingly, in the air electrode layer forming step, the dot film forming device 110 functions as an air electrode layer forming device.
また、空気極層形成工程においては、図4に示すように、空気極層101の縁部の厚さが中央部の厚さよりも薄くなるように、ドット成膜装置110の送りが調整される。即ち、各空気極層101の形成開始時において、ドット成膜装置110のジェットディスペンサー122の軸線方向の送り量を大きくすることにより、形成されるドットの軸線方向の重なり量を小さくして、形成される空気極層101を薄くする。その後、ジェットディスペンサー122の送り量を次第に小さくすることにより、形成されるドットの重なり量を大きくし、空気極層101を厚くする。1つの空気極層101の形成終了時においては、ジェットディスペンサー122の軸線方向の送り量を次第に大きくすることによりドットの軸線方向の重なり量を小さくして空気極層101を薄くする。このように、空気極層101の縁部を薄く形成することにより、最外機能層である空気極層101の焼成後における剥離を防止することができる。 Further, in the air electrode layer forming step, as shown in FIG. 4, the feed of the dot film forming apparatus 110 is adjusted so that the thickness of the edge of the air electrode layer 101 is thinner than the thickness of the central part. . That is, at the start of the formation of each air electrode layer 101, the amount of overlap in the axial direction of the formed dots is reduced by increasing the feed amount in the axial direction of the jet dispenser 122 of the dot film forming apparatus 110. The air electrode layer 101 is thinned. Thereafter, by gradually reducing the feed amount of the jet dispenser 122, the overlapping amount of dots to be formed is increased and the air electrode layer 101 is made thicker. At the end of the formation of one air electrode layer 101, the amount of overlap of the jet dispenser 122 in the axial direction is gradually increased to reduce the overlapping amount of dots in the axial direction, thereby making the air electrode layer 101 thinner. Thus, by forming the edge of the air electrode layer 101 thin, it is possible to prevent the air electrode layer 101 that is the outermost functional layer from being peeled after firing.
本実施形態においては、空気極層101を形成するためのスラリーとして、LSCFの粉末がアルコール系溶剤に懸濁された液体を使用することができる。なお、空気極層形成工程における、空気極層101を形成する部分の位置出しは、第4位置出し工程として、画像解析を使用して実行される。第4位置出し工程においては、第1焼成工程後の第2インターコネクタ層102b端部と電解質層100の色の相違に基づいて、それらの境界線が特定される。さらに、空気極層形成工程においては、空気極層101の膜が形成された後、堆積されたスラリーを乾燥させる乾燥工程(図示せず)が実施される。本実施形態においては、乾燥工程において、約100℃で約10分間スラリーを乾燥させる。 In the present embodiment, a liquid in which LSCF powder is suspended in an alcohol solvent can be used as a slurry for forming the air electrode layer 101. In the air electrode layer forming process, the positioning of the portion where the air electrode layer 101 is formed is executed using image analysis as the fourth positioning process. In the fourth positioning step, the boundary line is specified based on the color difference between the end of the second interconnector layer 102b and the electrolyte layer 100 after the first firing step. Further, in the air electrode layer forming step, after the film of the air electrode layer 101 is formed, a drying step (not shown) for drying the deposited slurry is performed. In the present embodiment, in the drying step, the slurry is dried at about 100 ° C. for about 10 minutes.
次に、ステップS14においては、第2焼成工程が実施される。第2焼成工程においては、ステップS13において形成された空気極層101が加熱炉(図示せず)により加熱され、焼成される。これにより、空気極層101が、その下側に形成されている電解質層100及び第2インターコネクタ層102bと一体化される。本実施形態においては、第2焼成工程において、約1000℃で約2時間、加熱炉により加熱される。 Next, in step S14, a second baking process is performed. In the second firing step, the air electrode layer 101 formed in step S13 is heated and fired by a heating furnace (not shown). Thereby, the air electrode layer 101 is integrated with the electrolyte layer 100 and the second interconnector layer 102b formed on the lower side thereof. In the present embodiment, in the second firing step, heating is performed at about 1000 ° C. for about 2 hours in a heating furnace.
この第2焼成工程により、本実施形態の燃料電池セル16が完成される。
図11は第2焼成工程終了後の空気極層101の表面状態を示す図であり、図11(a)は空気極層101表面の拡大写真であり、図11(b)は拡大写真に対応する部分に形成された各ドットを模式的に示す図である。
The fuel cell 16 of this embodiment is completed by this second firing step.
FIG. 11 is a view showing the surface state of the air electrode layer 101 after the second firing step, FIG. 11 (a) is an enlarged photograph of the surface of the air electrode layer 101, and FIG. 11 (b) corresponds to the enlarged photograph. It is a figure which shows typically each dot formed in the part to do.
図11(a)に示すように、焼成された空気極層101の表面にはドットの縁に対応する位置に微少な亀裂が発生している。これは、ドット成膜された空気極層101が、第2焼成工程において収縮されることにより、表面に微少な亀裂が発生したものである。ここで、空気極層形成工程(ステップS13)においては、第2インターコネクタ層102bまでが形成された多孔質支持体97を回転させると同時に、ジェットディスペンサー122をガイドレール120に沿って移動させながら、スラリーの液滴が連続的に噴射される。このため、各液滴が付着することにより形成される各ドットは、円周方向及び軸線方向に互いに重なり合いながら螺旋を描くように配列される。 As shown in FIG. 11A, the surface of the fired air electrode layer 101 has minute cracks at positions corresponding to the edges of the dots. This is because the air electrode layer 101 on which the dot film is formed shrinks in the second baking step, and a minute crack is generated on the surface. Here, in the air electrode layer forming step (step S13), while rotating the porous support body 97 on which the layers up to the second interconnector layer 102b are rotated, the jet dispenser 122 is moved along the guide rail 120. , Slurry droplets are continuously ejected. For this reason, each dot formed when each droplet adheres is arranged so as to draw a spiral while overlapping each other in the circumferential direction and the axial direction.
なお、本実施形態においては、ジェットディスペンサー122から吐出される1つの液滴によって形成されるドットは、直径約500μmの概ね円形であり、そのドット痕が適度に表面に残っている。このように空気極層101を形成することにより、空気極層101の表面には微小な亀裂が発生し、焼成による収縮を吸収可能な表面形状となる。好ましくは、直径約200μm〜1000μmのドットが形成されるように、ジェットディスペンサー122の噴射ノズル穴128aの直径、スラリーの粘性等を調整する。
また、変形例として概ね長円形のドットが形成されるように、ドット成膜装置110を構成することもでき、この場合には、ドットの長軸の長さを約200μm〜1000μmとするのが良い。ドットの形状は、噴射ノズル穴128aの形状、多孔質支持体97の回転数(rpm)、液滴を噴射する間隔、スラリーの粘性等により適宜設定することができる。このように、空気極層形成工程において集積されるスラリーの各ドットを長円形とすることにより、集積された際の重なりを大きくすることができ、剥離の抑制効果を高めることができる。また、長円形のドットの長軸の長さを、約200μm〜1000μmとすることにより、空気極層101の熱膨張の影響を十分に吸収して、剥離を防止することができると共に、空気極層形成工程に要する時間も短縮することができる。
In the present embodiment, the dots formed by one droplet discharged from the jet dispenser 122 are generally circular with a diameter of about 500 μm, and the dot traces remain on the surface appropriately. By forming the air electrode layer 101 in this way, a minute crack is generated on the surface of the air electrode layer 101, and the surface shape can absorb the shrinkage caused by firing. Preferably, the diameter of the injection nozzle hole 128a of the jet dispenser 122, the viscosity of the slurry, and the like are adjusted so that dots having a diameter of about 200 μm to 1000 μm are formed.
In addition, as a modification, the dot film forming apparatus 110 can be configured so that substantially oval dots are formed. In this case, the length of the long axis of the dots is about 200 μm to 1000 μm. good. The shape of the dots can be appropriately set according to the shape of the ejection nozzle hole 128a, the rotational speed (rpm) of the porous support 97, the interval at which droplets are ejected, the viscosity of the slurry, and the like. Thus, by making each dot of the slurry collected in the air electrode layer forming step into an oval shape, it is possible to increase the overlap at the time of accumulation and enhance the effect of suppressing peeling. In addition, by setting the major axis length of the oval dot to about 200 μm to 1000 μm, it is possible to sufficiently absorb the influence of the thermal expansion of the air electrode layer 101 and prevent peeling, and the air electrode The time required for the layer forming process can also be shortened.
このようにして形成されたドットの配列を模式的に示したものが、図11(b)である。図11(b)においては、まず、ドットIが形成され、次いで、僅かに多孔質支持体97が回転された状態で、ドットIIが部分的にドットIと重なるように形成される。続いて、ドットIII、ドットIVが、部分的に重なるように順次形成されていく。このように、ドットが順次配列され、多孔質支持体97が1回転してドットIの位置に戻ったときには、ジェットディスペンサー122は軸線方向にドットVの位置まで送られており、ドットVは軸線方向にドットIと部分的に重なるように形成される。続いて、ドットVI、ドットVIIが部分的に重なるように順次形成される。 FIG. 11B schematically shows the arrangement of dots formed in this way. In FIG. 11B, first, the dots I are formed, and then the dots II are formed so as to partially overlap the dots I with the porous support 97 slightly rotated. Subsequently, the dots III and IV are sequentially formed so as to partially overlap. As described above, when the dots are sequentially arranged and the porous support member 97 rotates once and returns to the position of the dot I, the jet dispenser 122 is sent to the position of the dot V in the axial direction, and the dot V is the axial line. It is formed so as to partially overlap the dot I in the direction. Subsequently, the dots VI and VII are sequentially formed so as to partially overlap.
このようにドットが配列されているため、例えば、ドットIIにおいて空気極層101の表面に露出している境界線は、図11(b)中のBで示す部分のみであり、境界線の他の部分は他のドットにより覆われて表面に露出していない。このため、露出した境界線に亀裂が生じたとしても、境界線の他の部分は他のドットにより押さえられているので、亀裂が生じたことによりドットが脱落することはない。また、空気極層101の表面に微小な亀裂を生じさせることにより、焼成時の熱膨張率差によって生じる歪みが分散され、応力を吸収することができる。このため、空気極層101に大きな剥離が生じることはない。 Since the dots are arranged in this way, for example, the boundary line exposed on the surface of the air electrode layer 101 in the dot II is only the portion indicated by B in FIG. This part is covered with other dots and is not exposed on the surface. For this reason, even if a crack occurs in the exposed boundary line, the other part of the boundary line is pressed by another dot, so that the dot does not fall off due to the crack. Further, by generating minute cracks on the surface of the air electrode layer 101, the strain caused by the difference in thermal expansion coefficient during firing is dispersed and the stress can be absorbed. For this reason, large peeling does not occur in the air electrode layer 101.
このようにして完成された燃料電池セル16各部の電子顕微鏡写真を、図12に示す。図12(a)は多孔質支持体97の電子顕微鏡写真を示し、(b)は燃料極層98、(c)は電解質層100、(d)は空気極層101の電子顕微鏡写真を示す。 An electron micrograph of each part of the fuel cell 16 thus completed is shown in FIG. 12A shows an electron micrograph of the porous support 97, FIG. 12B shows a fuel electrode layer 98, FIG. 12C shows an electrolyte layer 100, and FIG. 12D shows an electron micrograph of the air electrode layer 101.
図12(a)に示すように、多孔質支持体97は、各機能層を支持するための構成であり、燃料ガスの透過性が高いほど好ましく、超多孔体構造にされている。図12(b)に示すように、燃料極層98は、燃料ガスの水素分子を透過させる機能と共に、発電反応により生成された電荷を運ぶ導電体として機能させるため、多孔質支持体97よりも空隙の少ない多孔質とされている。同様に、図12(d)に示すように、空気極層101も、空気中の酸素分子を透過させる機能と共に、発電反応により生成された電荷を運ぶ導電体として機能させるため、多孔質支持体97よりも空隙の少ない多孔質とされている。また、図12(c)に示すように、電解質層100は、発電反応を発生させると共に、燃料極側と空気極側の気密性を確保するために、緻密に構成されている。 As shown in FIG. 12A, the porous support 97 is a structure for supporting each functional layer, and the higher the fuel gas permeability is, the more preferable it is, and it has a superporous structure. As shown in FIG. 12 (b), the fuel electrode layer 98 functions as a conductor carrying the charge generated by the power generation reaction as well as the function of permeating hydrogen molecules of the fuel gas. It is porous with few voids. Similarly, as shown in FIG. 12 (d), the air electrode layer 101 also functions as a conductor that carries the charge generated by the power generation reaction together with the function of transmitting oxygen molecules in the air. The porosity is less than 97. Further, as shown in FIG. 12C, the electrolyte layer 100 is densely configured to generate a power generation reaction and to ensure airtightness on the fuel electrode side and the air electrode side.
また、図10(i)において、多孔質支持体97上に、燃料極層98、電解質層100及び空気極層101が順に積層されている部分は、燃料電池セル16上に形成された発電部である各発電素子16aとして機能する。これらの発電素子16aにおいて生成された電荷は、集電部(多孔質支持体97上に電解質層100及び空気極層101のみが積層されている部分)の空気極層101を介して運搬され、接続部(多孔質支持体97上に燃料極層98、第1インターコネクタ層102a、第2インターコネクタ層102b、電解質層100及び空気極層101が順に積層されている部分)を介して、隣接する発電素子16aのアノードに接続される。また、電解質層100上の、第2インターコネクタ層102b及び空気極層101が形成されていない部分(電解質層100が露出した部分)は、隣接する発電素子16aの各空気極層101の間を絶縁する絶縁部として機能する。 In FIG. 10 (i), the portion in which the fuel electrode layer 98, the electrolyte layer 100, and the air electrode layer 101 are sequentially laminated on the porous support 97 is a power generation unit formed on the fuel cell 16. It functions as each power generating element 16a. The electric charges generated in these power generation elements 16a are transported through the air electrode layer 101 of the current collector (the portion where only the electrolyte layer 100 and the air electrode layer 101 are laminated on the porous support 97), Adjacent via a connecting portion (a portion where the fuel electrode layer 98, the first interconnector layer 102a, the second interconnector layer 102b, the electrolyte layer 100, and the air electrode layer 101 are sequentially laminated on the porous support 97) Connected to the anode of the power generating element 16a. In addition, the portion where the second interconnector layer 102b and the air electrode layer 101 are not formed on the electrolyte layer 100 (the portion where the electrolyte layer 100 is exposed) is between the air electrode layers 101 of the adjacent power generation elements 16a. Functions as an insulating part for insulation.
本発明の第1実施形態の固体酸化物形燃料電池セルの製造方法によれば、多孔質支持体97のすぐ上に形成される燃料極層98が面成膜(図9のステップS4)により形成され、その上に形成されるインターコネクタ102及び空気極層101がスラリーのドットの集積により形成される(図9のステップS6、S13)。このように、最下層の燃料極層98が面成膜により形成されるため平滑度の高い燃料極層98を形成することができ、その上層の電解質層100等への悪影響を抑制することができる。一方、燃料極層98がドットの集積により形成された場合には、燃料極層98の表面の平滑度が低くなるため、燃料極層98に還元処理を施す際に、燃料極層98の上に積層された機能層に悪影響が及ぶ虞がある。これは、燃料極層98が還元処理される際、層内から酸素が消失されるため体積が減少し、燃料極層98の平滑度が低いと層の表面に大きな形状変化が発生し、緻密に形成されている電解質層100との間で剥離等が発生するというものである。 According to the method for manufacturing the solid oxide fuel cell of the first embodiment of the present invention, the fuel electrode layer 98 formed immediately above the porous support 97 is formed by surface film formation (step S4 in FIG. 9). The interconnector 102 and the air electrode layer 101 which are formed and formed thereon are formed by accumulation of the slurry dots (steps S6 and S13 in FIG. 9). Thus, since the lowermost fuel electrode layer 98 is formed by surface film formation, the fuel electrode layer 98 with high smoothness can be formed, and adverse effects on the electrolyte layer 100 and the like on the upper layer can be suppressed. it can. On the other hand, when the fuel electrode layer 98 is formed by accumulation of dots, the smoothness of the surface of the fuel electrode layer 98 is lowered. Therefore, when the fuel electrode layer 98 is subjected to the reduction treatment, There is a possibility of adversely affecting the functional layer laminated on the substrate. This is because when the fuel electrode layer 98 is subjected to reduction treatment, the volume is reduced because oxygen is lost from the inside of the layer. That is, peeling or the like occurs between the electrolyte layer 100 formed on the substrate.
加えて、本実施形態の固体酸化物形燃料電池セルの製造方法によれば、インターコネクタ102がドットの集積により形成されるので、多孔質支持体97の寸法精度が低い場合でも、インターコネクタ102を小型に、高い寸法精度、位置精度で容易に形成することができる。また、インターコネクタ102は小型であるため、ドットの集積により形成した場合でも、成膜に膨大な時間を要することがなく、製造効率を低下させることがない。さらに、本実施形態によれば、空気極層101もドットの集積により形成されているので、高い寸法精度、位置精度で容易に形成することができる。また、空気極層101に対しては還元処理が行われないため、ドットの集積により形成され、表面の平滑度が低い場合でも、形状変化による悪影響が発生することがない。 In addition, according to the manufacturing method of the solid oxide fuel cell of the present embodiment, the interconnector 102 is formed by the accumulation of dots, so even if the dimensional accuracy of the porous support 97 is low, the interconnector 102 Can be easily formed with high dimensional accuracy and position accuracy. Further, since the interconnector 102 is small, even when it is formed by dot accumulation, the film formation does not take a long time, and the manufacturing efficiency is not lowered. Furthermore, according to the present embodiment, since the air electrode layer 101 is also formed by dot accumulation, it can be easily formed with high dimensional accuracy and position accuracy. In addition, since the reduction treatment is not performed on the air electrode layer 101, even if the surface is formed by accumulation of dots and the smoothness of the surface is low, there is no adverse effect due to the shape change.
このように、本実施形態によれば、最下層の燃料極層98、それよりも上に形成されるインターコネクタ102、及び空気極層101が夫々適切な成膜方法により形成されるので、多孔質支持体97の寸法精度が低い場合でも、単一の多孔質支持体97上に複数の小型の発電素子16aを形成することができると共に、還元処理に伴う悪影響も回避することができる。 As described above, according to the present embodiment, the lowermost fuel electrode layer 98, the interconnector 102 formed above the fuel electrode layer 98, and the air electrode layer 101 are each formed by an appropriate film forming method. Even when the dimensional accuracy of the quality support 97 is low, a plurality of small power generation elements 16a can be formed on the single porous support 97, and adverse effects associated with the reduction process can be avoided.
また、本実施形態の固体酸化物形燃料電池セルの製造方法によれば、多孔質支持体97が絶縁性材料により形成れているため、各発電素子16aの燃料極層98は、夫々離間して多孔質支持体97上に形成されることにより互いに絶縁されている。ここで、燃料極層98をドットの集積により形成した場合、噴射するスラリーの粘性が低いと、スラリーが多孔質支持体97内に浸透してしまい、離間して形成した燃料極層98の間で短絡が発生する虞がある。また、噴射するスラリーの粘性を高くした場合には、スラリーの浸透を回避することができるが、形成される1つ1つのドットが小さくなるため、ドット成膜に要する時間が長くなり、製造効率が著しく低下する。本実施形態によれば、燃料極層98が面成膜により形成される(図9のステップS4)ので、燃料極層98を形成するためのスラリーの粘性を高くして、スラリーの多孔質支持体97内への浸透を防止しながら、効率的に燃料極層98を形成することができる。 Further, according to the method for manufacturing the solid oxide fuel cell of the present embodiment, since the porous support body 97 is formed of an insulating material, the fuel electrode layers 98 of the respective power generation elements 16a are separated from each other. By being formed on the porous support 97, they are insulated from each other. Here, in the case where the fuel electrode layer 98 is formed by accumulation of dots, if the viscosity of the slurry to be injected is low, the slurry penetrates into the porous support body 97, and between the fuel electrode layers 98 formed apart from each other. There is a risk of short circuit. Further, when the viscosity of the slurry to be sprayed is increased, the penetration of the slurry can be avoided. However, since each dot to be formed becomes smaller, the time required for dot film formation becomes longer and the production efficiency is increased. Is significantly reduced. According to this embodiment, since the fuel electrode layer 98 is formed by surface film formation (step S4 in FIG. 9), the viscosity of the slurry for forming the fuel electrode layer 98 is increased and the slurry is supported porously. The fuel electrode layer 98 can be efficiently formed while preventing penetration into the body 97.
次に、図13を参照して、本発明の第2実施形態による固体酸化物形燃料電池セルを説明する。
本発明の第2実施形態による燃料電池セルは、3つの機能層である燃料極層、電解質層、及び空気極層が夫々2つの層から形成されている点が、上述した第1実施形態とは異なる。従って、ここでは、本発明の第2実施形態の、第1実施形態とは異なる点のみを説明し、同様の構成、作用、効果については説明を省略する。
Next, a solid oxide fuel cell according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
The fuel cell according to the second embodiment of the present invention is different from the first embodiment described above in that the fuel electrode layer, the electrolyte layer, and the air electrode layer, which are three functional layers, are each formed of two layers. Is different. Accordingly, here, only the points of the second embodiment of the present invention that are different from the first embodiment will be described, and descriptions of similar configurations, operations, and effects will be omitted.
図13は、本発明の第2実施形態による燃料電池セルの多孔質支持体表面に形成された機能層を拡大して示した断面図である。
図13に示すように、本実施形態の燃料電池セル200は、円筒形の多孔質支持体202と、その上に形成された3つの機能層である燃料極層204、電解質層206、及び空気極層208を有する。燃料電池セル200には、多孔質支持体202上に燃料極層204、電解質層206、及び空気極層208を順次形成することにより複数の発電素子200aが形成されている。これらの各発電素子200aはインターコネクタ層210により電気的に直列に接続されている。本実施形態においては、1本の燃料電池セル200上に12個の発電素子200aが形成され、これらがインターコネクタ層210により接続されている。
FIG. 13 is an enlarged cross-sectional view of a functional layer formed on the porous support surface of the fuel cell according to the second embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 13, the fuel cell 200 of the present embodiment includes a cylindrical porous support 202, a fuel electrode layer 204 that is three functional layers formed thereon, an electrolyte layer 206, and air. It has a polar layer 208. In the fuel cell 200, a plurality of power generation elements 200 a are formed by sequentially forming a fuel electrode layer 204, an electrolyte layer 206, and an air electrode layer 208 on a porous support 202. Each of these power generating elements 200a is electrically connected in series by an interconnector layer 210. In the present embodiment, twelve power generating elements 200 a are formed on one fuel battery cell 200, and these are connected by an interconnector layer 210.
次に、多孔質支持体202及び各機能層の構成を説明する。
多孔質支持体202は、本実施形態においても、第1実施形態と同様に、フォルステライト粉末を主成分として、バインダーを添加した混合物を円筒形に押し出し成形し、焼結することにより形成されている。
燃料極層204は、本実施形態においては、下層燃料極層204aと、その上に形成された上層燃料極層204bの2つの層から形成されている。これら2つの層のうちの下層燃料極層204aは、第1実施形態と同様に、NiO粉末及び10YSZ(10mol%Y2O3−90mol%ZrO2)粉末の混合物により構成された導電性の薄膜である。一方、上層燃料極層204bは、NiO粉末と、GDC(10mol%Gd2O3−90mol%CeO2)粉末の混合物により構成された導電性の薄膜である。
Next, the structure of the porous support body 202 and each functional layer will be described.
In the present embodiment, the porous support 202 is formed by extruding and sintering a mixture containing forsterite powder as a main component and adding a binder into a cylindrical shape, as in the first embodiment. Yes.
In the present embodiment, the fuel electrode layer 204 is formed of two layers, a lower fuel electrode layer 204a and an upper fuel electrode layer 204b formed thereon. The lower fuel electrode layer 204a of these two layers is a conductive thin film composed of a mixture of NiO powder and 10YSZ (10 mol% Y 2 O 3 -90 mol% ZrO 2 ) powder, as in the first embodiment. It is. On the other hand, the upper fuel electrode layer 204b is a conductive thin film composed of a mixture of NiO powder and GDC (10 mol% Gd 2 O 3 -90 mol% CeO 2 ) powder.
ここで燃料極層は、一般に、水素と酸素イオンを反応させる触媒機能と、反応により生じた電荷(電子)を運搬する機能とを備える必要がある。本実施形態の燃料電池セル200においては、下層燃料極層204aを上層燃料極層204bよりも導電性の高い材料で構成する一方、上層燃料極層204bを下層燃料極層204aよりも触媒活性の高い材料で形成している。これにより、電解質層206直下の上層燃料極層204bにおいて発生した電荷を、下層燃料極層204aにより効率的に運ぶことが可能になり、高性能な燃料極層204を構成することができる。 Here, the fuel electrode layer generally needs to have a catalytic function for reacting hydrogen and oxygen ions and a function for transporting charges (electrons) generated by the reaction. In the fuel cell 200 of the present embodiment, the lower fuel electrode layer 204a is made of a material having higher conductivity than the upper fuel electrode layer 204b, while the upper fuel electrode layer 204b is more catalytically active than the lower fuel electrode layer 204a. Made of high material. As a result, charges generated in the upper fuel electrode layer 204b immediately below the electrolyte layer 206 can be efficiently carried by the lower fuel electrode layer 204a, and a high-performance fuel electrode layer 204 can be configured.
固体電解質層206は、本実施形態においては、下層電解質層206aと、その上に形成された上層電解質層206bから構成されている。これら2つの層のうちの下層電解質層206aは、セリウム系複合酸化物(LDC40。すなわち、40mol%のLa2O3−60mol%のCeO2)の粉末等により構成された薄膜である。一方、上層電解質層206bは、第1実施形態と同様に、La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3の組成のLSGM粉末により構成された薄膜である。 In the present embodiment, the solid electrolyte layer 206 includes a lower electrolyte layer 206a and an upper electrolyte layer 206b formed thereon. Lower electrolyte layer 206a of these two layers, cerium complex oxide (LDC40. I.e., CeO 2 of 40 mol% of La 2 O 3 -60mol%) is a thin film constituted by a powder or the like. On the other hand, the upper electrolyte layer 206b is a thin film made of LSGM powder having a composition of La 0.9 Sr 0.1 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 , as in the first embodiment.
下層電解質層206aは反応抑制層として機能し、下層電解質層206aにより、上層燃料極層204bと上層電解質層206bの間の化学反応が抑制されている。
上層電解質層206bは、第1実施形態における電解質層と同様に、これを介して酸化物イオンと水素又は一酸化炭素が反応することにより電気エネルギーを生成する。
The lower electrolyte layer 206a functions as a reaction suppression layer, and a chemical reaction between the upper fuel electrode layer 204b and the upper electrolyte layer 206b is suppressed by the lower electrolyte layer 206a.
Similar to the electrolyte layer in the first embodiment, the upper electrolyte layer 206b generates electrical energy through the reaction between oxide ions and hydrogen or carbon monoxide.
空気極層208は、本実施形態においては、下層空気極層208aと、その上に形成された上層空気極層208bから構成されている。これら2つの層のうちの下層空気極層208aは、La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.2O3の組成のLSCF粉末により構成された導電性の薄膜である。上層空気極層208bは、La0.6Sr0.4Co0.8Fe0.2O3の組成のLSCF粉末により構成された導電性の薄膜である。 In this embodiment, the air electrode layer 208 is composed of a lower air electrode layer 208a and an upper air electrode layer 208b formed thereon. Of these two layers, the lower air electrode layer 208a is a conductive thin film made of LSCF powder having a composition of La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.2 O 3 . The upper air electrode layer 208b is a conductive thin film made of LSCF powder having a composition of La 0.6 Sr 0.4 Co 0.8 Fe 0.2 O 3 .
ここで空気極層は、一般に、空気中の酸素をイオン化する触媒機能と、酸素と反応すべき電子を運搬する機能とを備える必要がある。本実施形態の燃料電池セル200においては、下層空気極層208aを上層空気極層208bよりも触媒活性の高い材料(酸素イオン変換性能が高い材料)で構成する一方、上層空気極層208bを下層空気極層208aよりも電子伝導性の高い材料で形成している。これにより、上層空気極層208bにより運ばれた電子によって、酸素を電解質層206に隣接する下層空気極層208aにおいて効率的にイオン化することが可能になり、高性能な空気極層208を構成することができる。 Here, the air electrode layer generally needs to have a catalytic function of ionizing oxygen in the air and a function of transporting electrons to be reacted with oxygen. In the fuel cell 200 of the present embodiment, the lower air electrode layer 208a is made of a material having higher catalytic activity than the upper air electrode layer 208b (a material having higher oxygen ion conversion performance), while the upper air electrode layer 208b is made lower It is made of a material having higher electron conductivity than the air electrode layer 208a. Thereby, oxygen can be efficiently ionized in the lower air electrode layer 208a adjacent to the electrolyte layer 206 by the electrons carried by the upper air electrode layer 208b, and the high-performance air electrode layer 208 is formed. be able to.
インターコネクタ層210は、第1実施形態と同様に、第1インターコネクタ層210aと、その上に設けられた第2インターコネクタ層210bから構成されている。 Similarly to the first embodiment, the interconnector layer 210 includes a first interconnector layer 210a and a second interconnector layer 210b provided thereon.
本発明の第2実施形態による燃料電池セルの製造方法を説明する。
ここでは、図9を用いて説明した、第1実施形態における製造工程に対する変更点のみを説明する。
まず、図9のステップS1〜S3は、第1実施形態と同様である。
A method for manufacturing a fuel cell according to the second embodiment of the present invention will be described.
Here, only the changes to the manufacturing process in the first embodiment described with reference to FIG. 9 will be described.
First, steps S1 to S3 in FIG. 9 are the same as those in the first embodiment.
次に、第1実施形態では、図9のステップS4において、面成膜装置130により燃料極層を面成膜した後、堆積されたスラリーを乾燥工程により乾燥させている。第2実施形態においては、まず、面成膜装置130により下層燃料極層204aを成膜し、乾燥工程により乾燥させた後、再び面成膜装置130により上層燃料極層204bを成膜し、乾燥させる。これにより、多孔質支持体202上のマスキング層が形成されていない部分に下層燃料極層204aが形成され、この下層燃料極層204aの上に上層燃料極層204bが形成される。 Next, in the first embodiment, after the fuel electrode layer is surface-formed by the surface film forming apparatus 130 in step S4 of FIG. 9, the deposited slurry is dried by a drying process. In the second embodiment, first, the lower fuel electrode layer 204a is formed by the surface film forming apparatus 130, dried by the drying process, and then the upper fuel electrode layer 204b is formed again by the surface film forming apparatus 130. dry. As a result, the lower fuel electrode layer 204a is formed on the porous support 202 where the masking layer is not formed, and the upper fuel electrode layer 204b is formed on the lower fuel electrode layer 204a.
ここで、下層燃料極層204aを形成するために使用するスラリーの粘性は、上層燃料極層204bを形成するために使用するスラリーの粘性よりも高くされている。即ち、多孔質支持体202上に直接成膜される下層燃料極層204a用のスラリーの粘性を高くしておくことにより、スラリーの多孔質支持体202内への過度の浸透を防止することができる。また、上層燃料極層204b用のスラリーの粘性を低くすることにより、堆積されたスラリーが容易に広がり、堆積された上層燃料極層204b表面の平滑度を高くすることができる。なお、スラリーの粘性は、燃料極層を構成する材料の粉末と、これを懸濁させる溶剤の比率、懸濁される粉末の粒径、懸濁させる溶剤の種類等により、適宜設定することができる。 Here, the viscosity of the slurry used to form the lower fuel electrode layer 204a is higher than the viscosity of the slurry used to form the upper fuel electrode layer 204b. That is, excessive penetration of the slurry into the porous support 202 can be prevented by increasing the viscosity of the slurry for the lower fuel electrode layer 204a formed directly on the porous support 202. it can. Further, by reducing the viscosity of the slurry for the upper fuel electrode layer 204b, the deposited slurry can be easily spread, and the smoothness of the surface of the deposited upper fuel electrode layer 204b can be increased. The viscosity of the slurry can be appropriately set depending on the ratio of the powder of the material constituting the fuel electrode layer and the solvent in which it is suspended, the particle size of the suspended powder, the type of solvent to be suspended, and the like. .
上層燃料極層204bの平滑度が低く層の厚さが不均一になると、燃料極層において発生する発電反応が燃料極層上の各部で不均一になる。発電反応が不均一となると、発電反応が強い部分に電流が集中し、燃料電池セル200における発電作用が不安定になる。本実施形態によれば、このような電流集中を抑制することができる。さらに、上層燃料極層204b表面の平滑度を高くすることにより、上層燃料極層204bの上に堆積される電解質層206、及び空気極層208の平滑度に悪影響を与えるのを防止することができる。 When the smoothness of the upper fuel electrode layer 204b is low and the layer thickness becomes nonuniform, the power generation reaction occurring in the fuel electrode layer becomes nonuniform in each part on the fuel electrode layer. When the power generation reaction becomes non-uniform, the current concentrates on the portion where the power generation reaction is strong, and the power generation operation in the fuel cell 200 becomes unstable. According to the present embodiment, such current concentration can be suppressed. Furthermore, by increasing the smoothness of the surface of the upper fuel electrode layer 204b, it is possible to prevent adverse effects on the smoothness of the electrolyte layer 206 and the air electrode layer 208 deposited on the upper fuel electrode layer 204b. it can.
さらに、図9のステップS5〜S8は、第1実施形態と同様である。
次に、第1実施形態では、図9のステップS9において、面成膜装置130により電解質層を面成膜した後、堆積されたスラリーを乾燥工程により乾燥させている。第2実施形態においては、まず、面成膜装置130により下層電解質層206aを成膜し、乾燥工程により乾燥させた後、再び面成膜装置130により上層電解質層206bを成膜し、乾燥させる。これにより、第1インターコネクタ層210a上のマスキング層が形成されていない部分に下層電解質層206aが形成され、この下層電解質層206aの上に上層電解質層206bが形成される。
Furthermore, steps S5 to S8 in FIG. 9 are the same as those in the first embodiment.
Next, in the first embodiment, in step S9 of FIG. 9, after the electrolyte layer is surface-formed by the surface film forming apparatus 130, the deposited slurry is dried by a drying process. In the second embodiment, first, the lower electrolyte layer 206a is formed by the surface film forming apparatus 130, dried by the drying process, and then the upper electrolyte layer 206b is formed again by the surface film forming apparatus 130 and dried. . As a result, the lower electrolyte layer 206a is formed on the first interconnector layer 210a where the masking layer is not formed, and the upper electrolyte layer 206b is formed on the lower electrolyte layer 206a.
さらに、図9のステップS10〜S12は、第1実施形態と同様である。
次に、第1実施形態では、図9のステップS13において、ドット成膜装置110により空気極層を成膜した後、堆積されたスラリーを乾燥工程により乾燥させている。第2実施形態においては、まず、ドット成膜装置110により下層空気極層208aを成膜し、乾燥工程により乾燥させた後、再びドット成膜装置110により上層空気極層208bを成膜し、乾燥させる。これにより、第2インターコネクタ層210b及び上層電解質層206bの一部を覆うように下層空気極層208a及び上層空気極層208bが形成される。
Furthermore, steps S10 to S12 in FIG. 9 are the same as those in the first embodiment.
Next, in the first embodiment, after the air electrode layer is formed by the dot film forming apparatus 110 in step S13 of FIG. 9, the deposited slurry is dried by a drying process. In the second embodiment, first, the lower air electrode layer 208a is formed by the dot film forming apparatus 110, dried by the drying process, and then the upper air electrode layer 208b is formed again by the dot film forming apparatus 110, dry. Thereby, the lower air electrode layer 208a and the upper air electrode layer 208b are formed so as to cover a part of the second interconnector layer 210b and the upper electrolyte layer 206b.
ここで、下層空気極層208aを形成するために使用するスラリーの粘性は、上層空気極層208bを形成するために使用するスラリーの粘性よりも低くされている。即ち、下層空気極層208a用のスラリーの粘性を低くしておくことにより、ジェットディスペンサー122により噴射され上層電解質層206bに付着したスラリーの液滴は薄く広がるので、ドット痕が残りにくく、平滑な下層空気極層208aを形成することができる。一方、上層空気極層208b用のスラリーの粘性を高くしておくことにより、噴射され下層空気極層208aに付着したスラリーの液滴はあまり広がらず、形成される上層空気極層208bは厚くなる。このように、触媒活性の高い下層空気極層208aを平滑に構成しておくことにより、空気極層における触媒反応を均一にすることができ、触媒反応の不均一性による電流集中を抑制することができる。また、上層空気極層208bは厚く形成されるので、空気極層の電気抵抗を低下させることができると共に、最も剥離が発生しやすい最外機能層である上層空気極層208bを強化することができる。
最後に、第1実施形態と同様の図9のステップS14の第2焼成工程により、本実施形態の固体酸化物形燃料電池セル200が完成する。
Here, the viscosity of the slurry used to form the lower air electrode layer 208a is lower than the viscosity of the slurry used to form the upper air electrode layer 208b. That is, by lowering the viscosity of the slurry for the lower air electrode layer 208a, the droplets of the slurry sprayed by the jet dispenser 122 and adhered to the upper electrolyte layer 206b spread thinly, so that the dot traces hardly remain and are smooth. The lower air electrode layer 208a can be formed. On the other hand, by increasing the viscosity of the slurry for the upper air electrode layer 208b, the droplets of the slurry sprayed and adhered to the lower air electrode layer 208a do not spread so much, and the formed upper air electrode layer 208b becomes thicker. . As described above, by smoothly configuring the lower air electrode layer 208a having high catalytic activity, the catalytic reaction in the air electrode layer can be made uniform, and current concentration due to non-uniformity of the catalytic reaction can be suppressed. Can do. Further, since the upper air electrode layer 208b is formed thick, it is possible to reduce the electric resistance of the air electrode layer and to strengthen the upper air electrode layer 208b, which is the outermost functional layer that is most likely to be peeled off. it can.
Finally, the solid oxide fuel cell 200 of the present embodiment is completed by the second firing step of Step S14 in FIG. 9 similar to the first embodiment.
本発明の第2実施形態の固体酸化物形燃料電池セルの製造方法によれば、多孔質支持体202上に形成される下層燃料極層204aが粘性の高いスラリーにより形成されるので、多孔質支持体202へのスラリーの浸透を防止することができ、各燃料極層204間の短絡を確実に防止することができる。また、上層燃料極層204bが粘性の低いスラリーから形成されるため、燃料極層204の表面をより平滑に形成することができ、その上に形成される電解質層206への悪影響を極めて少なくすることができる。 According to the method for manufacturing the solid oxide fuel cell of the second embodiment of the present invention, the lower fuel electrode layer 204a formed on the porous support 202 is formed of a highly viscous slurry. The penetration of the slurry into the support 202 can be prevented, and a short circuit between the fuel electrode layers 204 can be reliably prevented. Further, since the upper fuel electrode layer 204b is formed from a slurry having low viscosity, the surface of the fuel electrode layer 204 can be formed more smoothly, and the adverse effect on the electrolyte layer 206 formed thereon is extremely reduced. be able to.
また、本実施形態の固体酸化物形燃料電池セルの製造方法によれば、上層燃料極層204bが触媒活性の高い材料により形成されているので、電解質層206との境界で効率良く発電反応を発生させることができると共に、下層燃料極層204aが導電性の高い材料で形成されているので、発電反応により生成された電荷を低損失で運搬することができる。 Further, according to the method for manufacturing a solid oxide fuel cell of this embodiment, since the upper fuel electrode layer 204b is formed of a material having high catalytic activity, a power generation reaction is efficiently performed at the boundary with the electrolyte layer 206. In addition to being able to be generated, the lower fuel electrode layer 204a is formed of a highly conductive material, so that the charge generated by the power generation reaction can be transported with low loss.
さらに、本実施形態の固体酸化物形燃料電池セルの製造方法によれば、下層空気極層208aが粘性の低いスラリーのドットの集積により形成されているので、下層空気極層208aの表面を比較的平滑にすることができ、酸素イオンの透過性を各部で均一にすることができる。一方、上層空気極層208bが粘性の高いスラリーのドットの集積により形成されているので、上層空気極層208bを厚く形成することができ、空気極層208の強度を高めることができる。これにより、安定した性能の強度が高い空気極層208を形成することができる。 Furthermore, according to the manufacturing method of the solid oxide fuel cell of this embodiment, since the lower air electrode layer 208a is formed by accumulation of dots of low viscosity slurry, the surface of the lower air electrode layer 208a is compared. The oxygen ion permeability can be made uniform in each part. On the other hand, since the upper air electrode layer 208b is formed by accumulation of dots of highly viscous slurry, the upper air electrode layer 208b can be formed thick and the strength of the air electrode layer 208 can be increased. As a result, the air electrode layer 208 having stable performance and high strength can be formed.
また、本実施形態の固体酸化物形燃料電池セルの製造方法によれば、下層空気極層208aが触媒活性の高い材料で比較的平滑に形成されるので、空気極層208の各部で均一に酸素イオンを生成することができ、安定した発電反応を発生させることができる。また、上層空気極層208bが導電性(電子伝導性)の高い材料で形成されているので、空気極層208内の各部に低損失で電荷を運搬することができる。 Further, according to the method for manufacturing the solid oxide fuel cell of the present embodiment, the lower air electrode layer 208a is formed relatively smoothly from a material having high catalytic activity, so that the air electrode layer 208 can be uniformly formed in each part. Oxygen ions can be generated, and a stable power generation reaction can be generated. Further, since the upper air electrode layer 208b is formed of a material having high conductivity (electron conductivity), electric charges can be transported to each part in the air electrode layer 208 with low loss.
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、上述した実施形態に種々の変更を加えることができる。特に、上述した実施形態においては、図7記載の面成膜装置を使用して、マスキングを施した多孔質支持体に、スラリーを下方から吐出させることにより接触させ、面成膜を行っていたが、変形例として、種々の方向でスラリーを接触させることができる。例えば、マスキングを施した多孔質支持体の上からスラリーを流下させることにより、スラリーを接触させることもできる。また、マスキングを施した多孔質支持体に、スラリーを噴霧することにより、スラリーを接触させることもできる。さらに、マスキングを施した多孔質支持体を、スラリーを収容した槽内に漬けることにより、スラリーを接触させることもできる。
或いは、面成膜方法として、スクリーン印刷法を採用することができる。即ち、多孔質支持体上にスラリーを付着させ、付着されたスラリーをスキージ(図示せず)により所定の膜厚に塗布することにより、面成膜を行うことができる。
As mentioned above, although preferable embodiment of this invention was described, a various change can be added to embodiment mentioned above. In particular, in the above-described embodiment, the surface film formation apparatus shown in FIG. 7 is used to contact the masked porous support by discharging the slurry from below to perform surface film formation. However, as a modification, the slurry can be contacted in various directions. For example, the slurry can be contacted by allowing the slurry to flow down from above the masked porous support. Moreover, a slurry can also be contacted by spraying a slurry on the porous support body which gave masking. Further, the slurry can be contacted by immersing the masked porous support in a tank containing the slurry.
Alternatively, a screen printing method can be employed as the surface film forming method. That is, surface deposition can be performed by depositing slurry on the porous support and applying the deposited slurry to a predetermined film thickness with a squeegee (not shown).
さらに、上述した実施形態においては、多孔質支持体は円筒形であったが、楕円型、平板型等種々の形態の固体酸化物形燃料電池セルに本発明を適用することができる。 Further, in the above-described embodiment, the porous support is cylindrical, but the present invention can be applied to various forms of solid oxide fuel cells such as an elliptical type and a flat type.
1 固体酸化物形燃料電池システム
2 燃料電池モジュール
4 補機ユニット
6 ハウジング
8 燃料電池セル収容容器
10 発電室
16 本発明の実施形態の燃料電池セル(固体酸化物形燃料電池セル)
16a 発電素子
18 排気集約室
20 燃料ガス供給流路
21 排ガス排出流路
22 酸化剤ガス供給流路
24 水供給源
26 純水タンク
28 水流量調整ユニット
30 燃料供給源
34 熱交換器
35 電磁弁
36 脱硫器
38 燃料ブロア
40 空気供給源
45 空気流量調整ユニット
50 温水製造装置
54 インバータ
56 酸化剤ガス導入パイプ
58 排ガス排出パイプ
60 燃焼触媒
61 シースヒーター
62 点火ヒーター
63 第1固定部材
64 内側円筒部材
64b 小穴
65 中間円筒部材
66 外側円筒部材
68 内側円筒容器
70 外側円筒容器
72 分散室底部材
72a 挿通管
74 酸化剤ガス噴射用パイプ
76 燃料ガス分散室
80 バスバー
82 集電体
86 蒸発部
86a 傾斜板
88 水供給パイプ
90 燃料ガス供給パイプ
92 燃料ガス供給流路隔壁
92a 噴射口
94 改質部
96 改質触媒
97 多孔質支持体
98 燃料極層
100 電解質層
101 空気極層
102 インターコネクタ層
102a 第1インターコネクタ層
102b 第2インターコネクタ層
104 マスキング層
106 マスキング層
110 ドット成膜装置
112 台座
114 モーター
116 固定治具
116a 心押し棒
118 ヘッド部
120 ガイドレール
122 ジェットディスペンサー
124 スラリー容器
126 カメラ
128 ノズル部
128a 噴射ノズル穴
128b 凹部
128c スラリー供給通路
129 噴射アクチュエータ
129a 可撓性プレート
129b 突起部
130 面成膜装置
131 台座
132 固定治具
134 モーター
136 面成膜ノズル
138 ポンプ
139 スラリー容器
200 本発明の第2実施形態の燃料電池セル(固体酸化物形燃料電池セル)
200a 発電素子
202 多孔質支持体
204 燃料極層
204a 下層燃料極層
204b 上層燃料極層
206 電解質層
206a 下層電解質層
206b 上層電解質層
208 空気極層
208a 下層空気極層
208b 上層空気極層
210 インターコネクタ層
210a 第1インターコネクタ層
210b 第2インターコネクタ層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solid oxide fuel cell system 2 Fuel cell module 4 Auxiliary machine unit 6 Housing 8 Fuel cell storage container 10 Power generation chamber 16 Fuel cell of embodiment of this invention (solid oxide fuel cell)
16a Power generation element 18 Exhaust gas collection chamber 20 Fuel gas supply flow path 21 Exhaust gas discharge flow path 22 Oxidant gas supply flow path 24 Water supply source 26 Pure water tank 28 Water flow rate adjustment unit 30 Fuel supply source 34 Heat exchanger 35 Electromagnetic valve 36 Desulfurizer 38 Fuel blower 40 Air supply source 45 Air flow rate adjustment unit 50 Hot water production device 54 Inverter 56 Oxidant gas introduction pipe 58 Exhaust gas discharge pipe 60 Combustion catalyst 61 Sheath heater 62 Ignition heater 63 First fixed member 64 Inner cylindrical member 64b Small hole 65 Intermediate cylindrical member 66 Outer cylindrical member 68 Inner cylindrical container 70 Outer cylindrical container 72 Dispersion chamber bottom member 72a Insertion pipe 74 Oxidant gas injection pipe 76 Fuel gas dispersion chamber 80 Bus bar 82 Current collector 86 Evaporating part 86a Inclined plate 88 Water Supply pipe 90 Fuel gas supply pipe 2 Fuel gas supply channel partition wall 92a injection port 94 reforming part 96 reforming catalyst 97 porous support 98 fuel electrode layer 100 electrolyte layer 101 air electrode layer 102 interconnector layer 102a first interconnector layer 102b second interconnector layer DESCRIPTION OF SYMBOLS 104 Masking layer 106 Masking layer 110 Dot film-forming apparatus 112 Base 114 Motor 116 Fixing jig 116a Tail stick 118 Head part 120 Guide rail 122 Jet dispenser 124 Slurry container 126 Camera 128 Nozzle part 128a Injection nozzle hole 128b Recessed part 128c Slurry supply passage 129 Injection actuator 129a Flexible plate 129b Projection part 130 Surface film forming apparatus 131 Base 132 Fixing jig 134 Motor 136 Surface film forming nozzle 138 Pump 139 Slurry container 200 Akira fuel cell of the second embodiment (solid oxide fuel cell)
200a Power generation element 202 Porous support 204 Fuel electrode layer 204a Lower fuel electrode layer 204b Upper fuel electrode layer 206 Electrolyte layer 206a Lower electrolyte layer 206b Upper electrolyte layer 208 Air electrode layer 208a Lower air electrode layer 208b Upper air electrode layer 210 Interconnector Layer 210a First interconnector layer 210b Second interconnector layer
Claims (8)
上記多孔質支持体を形成する支持体形成工程と、
形成された上記多孔質支持体上に燃料極層を形成するためのスラリーを付着させることにより、上記複数の発電素子の燃料極層を同時に面成膜により形成する燃料極層形成工程と、
上記燃料極層に接続されるように、上記インターコネクタを形成するためのスラリーを液滴状にして連続的に噴射することによりスラリーのドットを形成し、このドットの集積により上記インターコネクタを形成するインターコネクタ形成工程と、
上記燃料極層の上に、上記複数の発電素子の電解質層を形成する電解質層形成工程と、
上記電解質層の上に、空気極層を形成するためのスラリーを液滴状にして連続的に噴射することによりスラリーのドットを形成し、このドットの集積により上記複数の発電素子の空気極層を形成する空気極層形成工程と、
上記燃料極層、上記電解質層、及び上記空気極層が形成された上記多孔質支持体を加熱し、各層を焼成する焼成工程と、
を有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池セルの製造方法。 A method for producing a solid oxide fuel cell in which a plurality of power generation elements are formed on a porous support and these power generation elements are connected by an interconnector,
A support forming step for forming the porous support;
A fuel electrode layer forming step of forming a fuel electrode layer of the plurality of power generating elements by surface film formation simultaneously by attaching a slurry for forming a fuel electrode layer on the formed porous support;
The slurry for forming the interconnector is formed into droplets so as to be connected to the fuel electrode layer, and the dots of the slurry are formed by continuous ejection, and the interconnector is formed by accumulation of the dots. Interconnector forming process,
An electrolyte layer forming step of forming an electrolyte layer of the plurality of power generation elements on the fuel electrode layer;
On the electrolyte layer, slurry for forming the air electrode layer is formed into droplets and continuously ejected to form slurry dots, and the accumulation of the dots forms the air electrode layers of the plurality of power generating elements. Forming an air electrode layer,
A firing step of heating the porous support on which the fuel electrode layer, the electrolyte layer, and the air electrode layer are formed, and firing each layer;
A method for producing a solid oxide fuel cell, comprising:
上記燃料極層を形成するためのスラリーを付着させることにより、上記燃料極層を面成膜する燃料極層形成装置と、
上記インターコネクタを形成するためのスラリーを液滴状にして連続的に噴射することにより上記インターコネクタをドット成膜するインターコネクタ形成装置と、
上記燃料極層の上に、上記電解質層を形成する電解質層形成装置と、
上記空気極層を形成するためのスラリーを液滴状にして連続的に噴射することにより上記空気極層をドット成膜する空気極層形成装置と、
上記燃料極層、上記電解質層、及び上記空気極層が形成された上記多孔質支持体を加熱し、各層を焼成する加熱炉と、
を有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池セル製造システム。 A manufacturing system for carrying out the method for manufacturing a solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 6,
A fuel electrode layer forming device for forming a film of the fuel electrode layer by attaching a slurry for forming the fuel electrode layer;
An interconnector forming apparatus that forms dots on the interconnector by continuously spraying the slurry for forming the interconnector in the form of droplets;
An electrolyte layer forming device for forming the electrolyte layer on the fuel electrode layer;
An air electrode layer forming device that forms dots on the air electrode layer by continuously ejecting the slurry for forming the air electrode layer into droplets; and
A heating furnace for heating the porous support on which the fuel electrode layer, the electrolyte layer, and the air electrode layer are formed, and firing each layer;
A solid oxide fuel cell manufacturing system comprising:
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2014229705A JP2016095924A (en) | 2014-11-12 | 2014-11-12 | Solid oxide fuel battery cell, and manufacturing method and device thereof |
EP15192042.8A EP3021412A1 (en) | 2014-11-12 | 2015-10-29 | Solid oxid fuel cell manufacturing method and dispenser apparatus for manufacturing same |
US14/937,183 US20160133980A1 (en) | 2014-11-12 | 2015-11-10 | Solid oxide fuel cell manufacturing method and dispenser apparatus for manufacturing same |
CN201510759924.4A CN105609846A (en) | 2014-11-12 | 2015-11-10 | Solid oxide fuel cell manufacturing method and dispenser apparatus for manufacturing same |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2014229705A JP2016095924A (en) | 2014-11-12 | 2014-11-12 | Solid oxide fuel battery cell, and manufacturing method and device thereof |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2016095924A true JP2016095924A (en) | 2016-05-26 |
Family
ID=56070754
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2014229705A Pending JP2016095924A (en) | 2014-11-12 | 2014-11-12 | Solid oxide fuel battery cell, and manufacturing method and device thereof |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2016095924A (en) |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2013175306A (en) * | 2012-02-23 | 2013-09-05 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Solid oxide fuel battery |
-
2014
- 2014-11-12 JP JP2014229705A patent/JP2016095924A/en active Pending
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2013175306A (en) * | 2012-02-23 | 2013-09-05 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Solid oxide fuel battery |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN102119134B (en) | Method for deposition of ceramic films | |
JP5442097B2 (en) | Solid oxide fuel cell, fuel cell stack device, fuel cell module, fuel cell device | |
CN108701843B (en) | Solid oxide fuel cell | |
US10665870B2 (en) | Electrochemical reaction unit and fuel cell stack | |
JP2004119108A (en) | Unit cell for solid oxide fuel cell, and its manufacturing method | |
JP2018174117A (en) | Electrochemical element, electrochemical module, electrochemical device, energy system, solid oxide fuel cell, and manufacturing method of electrochemical element | |
US20170275769A1 (en) | Method for manufacturing tubular co-electrolysis cell | |
EP3021412A1 (en) | Solid oxid fuel cell manufacturing method and dispenser apparatus for manufacturing same | |
US20140072702A1 (en) | Inkjet printing of dense and porous ceramic layers onto porous substrates for manufacture of ceramic electrochemical devices | |
JP4781823B2 (en) | Cylindrical horizontal stripe fuel cell | |
JP2016095923A (en) | Solid oxide fuel battery cell, and manufacturing method and device thereof | |
JP3636406B2 (en) | SUPPORT FOR SOLID ELECTROLYTE FUEL CELL, UNIT CELL FOR SOLID ELECTROLYTE FUEL CELL, AND METHOD FOR PRODUCING SUPPORT FOR SOLID ELECTROLYTE FUEL CELL | |
JP2016213145A (en) | Manufacturing system of solid oxide fuel battery cell, and manufacturing method arranged to use the same | |
US20090011316A1 (en) | Interconnected, 3-Dimensional Fuel Cell Design | |
JP2016095924A (en) | Solid oxide fuel battery cell, and manufacturing method and device thereof | |
WO2018174167A1 (en) | Substrate with electrode layer for metal support type electrochemical element, electrochemical element, electrochemical module, solid oxide fuel cell, and manufacturing method | |
JP2016095922A (en) | Solid oxide fuel battery cell, and manufacturing method and device thereof | |
JP5931420B2 (en) | Solid oxide fuel cell, solid oxide fuel cell cartridge, solid oxide fuel cell module, and method for producing solid oxide fuel cell | |
JP2016103458A (en) | Solid oxide fuel battery cell, and its manufacturing method and manufacturing system | |
JP2016103459A (en) | Solid oxide fuel battery cell, and its manufacturing method and manufacturing system | |
JP5010133B2 (en) | SUBSTRATE TUBE FOR FUEL CELL, FUEL CELL AND METHOD FOR PRODUCING FUEL CELL | |
JP2016213144A (en) | Dispenser device for manufacturing solid oxide fuel battery cell, and method for manufacturing solid oxide fuel battery cell | |
JP5176362B2 (en) | Solid oxide fuel cell structure and solid oxide fuel cell using the same | |
JP2004079332A (en) | Forming method for electrode layer for solid oxide type fuel cell | |
JP2001060461A (en) | Base tube for fuel cell and fuel cell module |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
RD04 | Notification of resignation of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424 Effective date: 20170426 |
|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20171113 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20180928 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20181024 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20190417 |