JP2017045566A - Cell, cell stack device, module, and module housing device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a cell, cell stack device, a module, and a module housing device.SOLUTION: A cell 1 includes a flat support 2 having the length direction and width direction internally provided with a gas flow path 2a, and having a pair of principal surfaces n and a pair of side faces m, a fuel electrode 3 provided at least on one principal surface of the support 2, a solid electrolyte layer 4 covering the fuel electrode 3, and provided from one principal surface n across the pair of side faces m of the support 2, and an air electrode 5 provided to face the fuel electrode 3 on the solid electrolyte layer 4. In the width direction, the support 2 has an end side first area A, a central side second area B, and a third area C located between the first area A and second area B, where the second area B has a porosity larger than that of the third area C.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、セル、セルスタック装置、モジュール、およびモジュール収容装置に関する。   The present invention relates to a cell, a cell stack device, a module, and a module housing device.

近年、次世代エネルギーとして、燃料ガス(水素含有ガス)と酸素含有ガス(通常、空気である)とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルが開発されている。燃料電池セル(以下、セルということがある。)は、固体電解質層を燃料極と空気極とで挟んだ構造を有している。セルは、燃料極に燃料ガスを、空気極に酸素含有ガスを流し、セルを加温することによって発電する(例えば特許文献1参照)。   In recent years, as a next-generation energy, a fuel battery cell capable of obtaining electric power using a fuel gas (hydrogen-containing gas) and an oxygen-containing gas (usually air) has been developed. A fuel cell (hereinafter also referred to as a cell) has a structure in which a solid electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode and an air electrode. The cell generates power by flowing a fuel gas through the fuel electrode and an oxygen-containing gas through the air electrode and heating the cell (see, for example, Patent Document 1).

また、特許文献1のセルにおいては、燃料極、固体電解質層および空気極を有する積層体が支持体上に設けられている。この支持体は、開気孔率が好ましくは35〜50%であることが記載されている。   Moreover, in the cell of patent document 1, the laminated body which has a fuel electrode, a solid electrolyte layer, and an air electrode is provided on the support body. This support is described as having an open porosity of preferably 35-50%.

特開2010−129269号公報JP 2010-129269 A

しかしながら、特許文献1は支持体の気孔率の分布には言及されていなかった。従って、発電効率を向上させることが困難であった。   However, Patent Document 1 did not mention the porosity distribution of the support. Therefore, it has been difficult to improve the power generation efficiency.

本発明の目的は、発電効率の向上したセル、セルスタック装置、モジュール、およびモジュール収容装置を提供することである。   An object of the present invention is to provide a cell, a cell stack device, a module, and a module housing device with improved power generation efficiency.

本発明のセルは、ガス流路が内部に設けられた長さ方向と幅方向を有しており、一対の主面と一対の側面とを有する平板状の支持体と、該支持体の少なくとも一方主面上に設けられた燃料極と、該燃料極を覆っており、前記支持体の前記一方主面から前記一対の側面にかけて設けられた固体電解質層と、該固体電解質層上で、前記燃料極と対向するように設けられた空気極と、を有しており、前記支持体は、前記幅方向において、端部側の第1領域と、中央部側の第2領域と、前記第1領域と前記第2領域との間に位置する第3領域と、を有しており、前記第2領域は、第3領域よりも気孔率が大きいことを特徴とする。   The cell of the present invention has a length direction and a width direction in which a gas flow path is provided, and has a plate-like support body having a pair of main surfaces and a pair of side surfaces, and at least the support body A fuel electrode provided on one main surface, a solid electrolyte layer covering the fuel electrode, provided from the one main surface of the support to the pair of side surfaces, and the solid electrolyte layer, An air electrode provided so as to face the fuel electrode, and the support body has a first region on the end side, a second region on the center side, and the second region in the width direction. And a third region located between the first region and the second region, wherein the second region has a higher porosity than the third region.

本発明のセルスタック装置は、上述のセルを複数個配列してなるセルスタックを備えることを特徴とする。   A cell stack device according to the present invention includes a cell stack formed by arranging a plurality of the cells described above.

本発明のモジュールは、収納容器内に、上述のセルスタック装置が収納されていることを特徴とする。   The module of the present invention is characterized in that the cell stack device described above is stored in a storage container.

本発明のモジュール収容装置は、外装ケース内に、上述のモジュールと、該モジュールを作動させるための補機とを収納してなることを特徴とする。   The module housing apparatus of the present invention is characterized in that the above-described module and an auxiliary machine for operating the module are housed in an exterior case.

本発明のセルは、発電効率の向上したセルとすることができる。このようなセルを用い
たセルスタック装置、モジュールおよびモジュール収容装置においても、発電効率を向上させることができる。
The cell of the present invention can be a cell with improved power generation efficiency. Also in a cell stack device, a module, and a module housing device using such a cell, power generation efficiency can be improved.

本実施形態のセルの構造を示し、(a)はその横断面図であり、(b)は(a)の斜視図である。The structure of the cell of this embodiment is shown, (a) is the cross-sectional view, (b) is a perspective view of (a). 他の実施形態のセルの構造を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the cell of other embodiment. 図2のセルの縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view of the cell of FIG. 図1のセルを具備するセルスタック装置を示し、(a)は側面図、(b)は(a)の破線部についての横断面図である。The cell stack apparatus provided with the cell of FIG. 1 is shown, (a) is a side view, (b) is a cross-sectional view about the broken-line part of (a). 図4のセルスタック装置を具備するモジュールの一例を示し、セルスタック装置を収納容器に収納する前の状態を示す外観斜視図である。It is an external appearance perspective view which shows an example of the module which comprises the cell stack apparatus of FIG. 4, and shows the state before accommodating a cell stack apparatus in a storage container. 図5のモジュールを具備するモジュール収容装置の一例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows an example of the module accommodating apparatus which comprises the module of FIG.

図1〜6を用いて、セル、セルスタック、モジュールおよびモジュール収容装置について説明する。なお、同一の構成については同一の符号を用いるものとする。   A cell, a cell stack, a module, and a module housing device will be described with reference to FIGS. In addition, the same code | symbol shall be used about the same structure.

以下において、セルスタックを構成するセルとして固体酸化物形の燃料電池セルの例を用いて説明する。   Hereinafter, an example of a solid oxide fuel cell will be described as a cell constituting the cell stack.

(セルの構成)
図1は、本実施形態のセルの一例を示すものであり、(a)はその横断面図、(b)は(a)の斜視図である。なお、両図面において、セル1の各構成の一部を拡大して示している。
(Cell structure)
FIG. 1 shows an example of a cell according to the present embodiment, in which (a) is a transverse sectional view and (b) is a perspective view of (a). In both drawings, a part of each component of the cell 1 is shown in an enlarged manner.

セル1は、導電性支持体(以下、単に支持体と略す。)2、燃料極3、固体電解質層4(以下、単に電解質層と略す。)および空気極5を備える。   The cell 1 includes a conductive support (hereinafter simply referred to as a support) 2, a fuel electrode 3, a solid electrolyte layer 4 (hereinafter simply referred to as an electrolyte layer), and an air electrode 5.

支持体2は、横断面が扁平な楕円形で、全体的に見て楕円柱状をしている。また、支持体2は多孔質体である。図1に示すように、支持体2は、一対の主面nと一対の側面mとを有する平板状である。図1に示す例では、一対の主面nは互いに平行である。図1に示す例では、一対の側面mは、それぞれ弧状面となっている。なお、一対の側面mは、平坦面であってもよい。   The support body 2 has an elliptical shape with a flat cross section, and has an elliptical column shape as a whole. The support 2 is a porous body. As shown in FIG. 1, the support 2 has a flat plate shape having a pair of main surfaces n and a pair of side surfaces m. In the example shown in FIG. 1, the pair of main surfaces n are parallel to each other. In the example shown in FIG. 1, each of the pair of side surfaces m is an arcuate surface. The pair of side surfaces m may be flat surfaces.

また、支持体2の内部には、適当な間隔で複数のガス流路2aが縦方向Lに貫通して設けられている。また、セル1は、この支持体2の外周を後述する各種の部材が取り巻くように設けられた構造を有している。   A plurality of gas flow paths 2 a are provided in the support 2 so as to penetrate in the vertical direction L at appropriate intervals. Further, the cell 1 has a structure provided so that various members described later surround the outer periphery of the support 2.

燃料極3は、図1に示すように、支持体2の少なくとも一方主面n(図1では下面)上に設けられている。図1に示す例においては、燃料極3は、支持体2の一方主面nと両側の弧状面mを覆うように支持体2に配置されている。また、燃料極3は、空気極5に対面する位置に配置されていればよいため、例えば、燃料極3が他方主面n(図1では上面)および弧状面mまで延びず、一方主面nにのみ燃料極3が配置されていてもよい。また、燃料極3は多孔質体である。   As shown in FIG. 1, the fuel electrode 3 is provided on at least one main surface n (lower surface in FIG. 1) of the support 2. In the example shown in FIG. 1, the fuel electrode 3 is disposed on the support 2 so as to cover one main surface n of the support 2 and the arcuate surfaces m on both sides. Further, since the fuel electrode 3 only needs to be disposed at a position facing the air electrode 5, for example, the fuel electrode 3 does not extend to the other main surface n (upper surface in FIG. 1) and the arcuate surface m, but one main surface. The fuel electrode 3 may be disposed only at n. The fuel electrode 3 is a porous body.

電解質層4は、図1に示すように、燃料極3を覆っており、支持体2の一方主面nから一対の側面mにかけて設けられている。また、本例の電解質層4は固体酸化物形である。   As shown in FIG. 1, the electrolyte layer 4 covers the fuel electrode 3 and is provided from one main surface n to a pair of side surfaces m of the support 2. Moreover, the electrolyte layer 4 of this example is a solid oxide form.

空気極5は、図1に示すように、電解質層4上で、燃料極3と対向するように設けられている。図1に示す例においては、支持体2の一方主面n側であって電解質層4の外側に配置されている。また、空気極5は多孔質体である。   As shown in FIG. 1, the air electrode 5 is provided on the electrolyte layer 4 so as to face the fuel electrode 3. In the example shown in FIG. 1, the support 2 is disposed on the one main surface n side and outside the electrolyte layer 4. The air electrode 5 is a porous body.

インターコネクタ層6は、支持体2の燃料極3および電解質層4が積層されていない他方主面nに配置されている。   The interconnector layer 6 is disposed on the other main surface n where the fuel electrode 3 and the electrolyte layer 4 of the support 2 are not laminated.

以上で説明したセル1は、燃料極3、電解質層4および空気極5が積層されている部分が発電素子部として発電する。発電させるためには、空気極5の外側に空気等の酸素含有ガスを流し、且つ支持体2内のガス流路2aに燃料ガス(水素含有ガス)を流して、燃料極3に燃料ガスを供給し、燃料極3を所定の作動温度まで加熱する。そして、かかる発電によって生成した電流は、インターコネクタ層6にて集電される。   In the cell 1 described above, the portion where the fuel electrode 3, the electrolyte layer 4, and the air electrode 5 are stacked generates power as a power generation element portion. In order to generate power, an oxygen-containing gas such as air is allowed to flow outside the air electrode 5, and a fuel gas (hydrogen-containing gas) is allowed to flow through the gas flow path 2 a in the support 2, so that the fuel gas is supplied to the fuel electrode 3. Then, the fuel electrode 3 is heated to a predetermined operating temperature. The current generated by the power generation is collected at the interconnector layer 6.

図1に示す例において、燃料極3と電解質層4とは、一方主面(図1(a)の下面)から両端の弧状面mを経由して他方主面n(上面)の一部まで延びており、電解質層9の両端部にはインターコネクタ層6の両端部が積層されて接合されている。これによって、電解質層4とインターコネクタ層6とで支持体2が取り囲まれ、内部を流通する燃料ガスが外部に漏出しない構成となっている。言い換えれば、電解質層4を境界として、燃料極3に供給される燃料ガスと空気極5に供給される酸素含有ガスとが遮断されている。   In the example shown in FIG. 1, the fuel electrode 3 and the electrolyte layer 4 extend from one main surface (the lower surface of FIG. 1A) to a part of the other main surface n (the upper surface) via the arcuate surfaces m at both ends. The both ends of the electrolyte layer 9 are laminated and joined to both ends of the interconnector layer 6. As a result, the support 2 is surrounded by the electrolyte layer 4 and the interconnector layer 6, and the fuel gas flowing through the inside does not leak to the outside. In other words, the fuel gas supplied to the fuel electrode 3 and the oxygen-containing gas supplied to the air electrode 5 are blocked off with the electrolyte layer 4 as a boundary.

そのため、図1(b)に示す側面から見ると、平面形状が矩形状のインターコネクタ層6が支持体2の縦方向Lの上端から下端までを覆うように配置されており、インターコネクタ層6の左右両側端部は電解質層4の両端部の表面に重なるように接合されている。   Therefore, when viewed from the side surface shown in FIG. 1B, the interconnector layer 6 having a rectangular planar shape is arranged so as to cover from the upper end to the lower end in the longitudinal direction L of the support 2. The left and right end portions of each are joined so as to overlap the surfaces of both end portions of the electrolyte layer 4.

(セルの各部材の説明)
支持体2は、燃料ガスを燃料極3まで透過するためにガス透過性であること、およびインターコネクタ層6に接続されて集電されるために導電性であることが要求される。したがって、支持体2としては、導電性セラミックスやサーメット等を用いることができる。その導電率は300S/cm以上、特に440S/cm以上であるのが好ましく、ガス透過性を備えるために開気孔率は25%以上であることが好適である。
(Description of each member of the cell)
The support 2 is required to be gas permeable in order to allow the fuel gas to pass to the fuel electrode 3 and to be conductive in order to be collected by being connected to the interconnector layer 6. Therefore, as the support 2, conductive ceramics, cermet, or the like can be used. The conductivity is preferably 300 S / cm or more, and particularly preferably 440 S / cm or more. In order to provide gas permeability, the open porosity is preferably 25% or more.

支持体2は、セル1を作製するにあたり、燃料極3または電解質層4との同時焼成にて作製する場合においては、支持体2は鉄族金属成分と無機酸化物、例えば、Niおよび/またはNiOと特定の希土類酸化物からなる。特定の希土類酸化物は、支持体2の熱膨張係数を電解質層4の熱膨張係数に近づけるために使用されるものであり、Y、Lu、Yb、Tm、Er、Ho、Dy、Gd、Sm、Prからなる群より選択される少なくとも1種の元素を含む希土類酸化物が用いられ、Niおよび/またはNiOとの組み合わせで使用することができる。このような希土類酸化物の具体例としては、Y、Lu、Yb、Tm、Er、Ho、Dy、Gd、Sm、Prを例示することができ、Niおよび/またはNiOとの固溶や反応が殆どなく、また、熱膨張係数が電解質層4と同程度であり、かつ安価であるという点から、YおよびYbの少なくとも一種からなる。また、本実施形態においては、支持体2の良好な導電率を維持し、かつ熱膨張係数を電解質層4と近似させるという点で、Niおよび/またはNiO:希土類酸化物=35:65〜65:35の体積比で存在する。なお、支持体2中には、要求される特性が損なわれない限りの範囲で、他の金属成分や酸化物成分を含有していてもよい。 When the support 2 is produced by co-firing with the fuel electrode 3 or the electrolyte layer 4 in producing the cell 1, the support 2 is composed of an iron group metal component and an inorganic oxide such as Ni and / or It consists of NiO and specific rare earth oxides. The specific rare earth oxide is used to bring the thermal expansion coefficient of the support 2 close to the thermal expansion coefficient of the electrolyte layer 4, and is Y, Lu, Yb, Tm, Er, Ho, Dy, Gd, Sm. , Rare earth oxides containing at least one element selected from the group consisting of Pr are used, and can be used in combination with Ni and / or NiO. Specific examples of such rare earth oxides include Y 2 O 3 , Lu 2 O 3 , Yb 2 O 3 , Tm 2 O 3 , Er 2 O 3 , Ho 2 O 3 , Dy 2 O 3 , Gd 2 O. 3 , Sm 2 O 3 , Pr 2 O 3 can be exemplified, there is almost no solid solution or reaction with Ni and / or NiO, and the thermal expansion coefficient is the same as that of the electrolyte layer 4 and is inexpensive. terms is composed of at least one of Y 2 O 3 and Yb 2 O 3. In the present embodiment, Ni and / or NiO: rare earth oxide = 35: 65 to 65 in that the good conductivity of the support 2 is maintained and the thermal expansion coefficient is approximated to that of the electrolyte layer 4. Is present in a volume ratio of 35. The support 2 may contain other metal components and oxide components as long as required characteristics are not impaired.

さらに、本実施態様によれば、支持体2の主面nの長さ(支持体2の幅方向Wの長さ)は、15〜60mm、弧状面mの長さ(弧の長さ)は2〜8mmであり、支持体2の厚み(主面n間の厚み)は1.5〜5mm、支持体2のL方向の長さは、10〜50cmとさ
れている。
Furthermore, according to the present embodiment, the length of the main surface n of the support 2 (the length of the support 2 in the width direction W) is 15 to 60 mm, and the length of the arcuate surface m (the length of the arc) is The thickness of the support 2 (thickness between the main surfaces n) is 1.5 to 5 mm, and the length of the support 2 in the L direction is 10 to 50 cm.

燃料極3は、電極反応を生じさせるものであり、本実施態様では、多孔質の導電性セラミックスからなる。例えば、希土類酸化物が固溶したZrOとNiおよび/またはNiOとからなる材料、または他の希土類酸化物が固溶したCeOとNiおよび/またはNiOとからなる材料が挙げられる。なお、希土類酸化物は、支持体2において例示したものを用いることができ、例えばYが固溶したZrO(YSZ)とNiおよび/またはNiOとからなる材料が挙げられる。本実施態様では、燃料極3中の希土類酸化物が固溶したZrOまたは他の希土類酸化物が固溶しているCeOの含有量は35〜65体積%の範囲で、NiあるいはNiOの含有量は65〜35体積%である。さらに、この燃料極3の開気孔率は例えば15%以上、特に20〜40%の範囲にあり、その厚みは1〜30μmである。 The fuel electrode 3 causes an electrode reaction. In the present embodiment, the fuel electrode 3 is made of porous conductive ceramics. For example, a material composed of ZrO 2 and Ni and / or NiO in which a rare earth oxide is dissolved, or a material composed of CeO 2 and Ni and / or NiO in which another rare earth oxide is dissolved. Incidentally, the rare earth oxides can be used those exemplified in the support 2, for example, Y 2 O 3 and the like materials consisting of the ZrO 2 and (YSZ) and Ni and / or NiO solid solution. In the present embodiment, the content of ZrO 2 in which the rare earth oxide in the fuel electrode 3 is dissolved or CeO 2 in which the other rare earth oxide is dissolved is in the range of 35 to 65% by volume. Content is 65-35 volume%. Further, the open porosity of the fuel electrode 3 is, for example, in the range of 15% or more, particularly 20 to 40%, and the thickness thereof is 1 to 30 μm.

電解質層4は、燃料極3、空気極5間のイオンの橋渡しをする電解質としての機能を有していると同時に、燃料ガスと酸素含有ガスとのリークを防止するためにガス遮断性を有することが必要とされる。本実施態様では、3〜15モル%のY、Sc、Yb等の希土類元素の酸化物を含有した部分安定化あるいは安定化ZrOからなるセラミックス(固体酸化物)が用いられている。また、希土類元素としては、安価であるという点からYが用いられている。電解質層4は、例えば、LaGaO系の材質であっても良く、上記特性を有する限りにおいては、他の材料であってもよいことは勿論である。本実施態様において、電解質層4の厚みは10〜40μmである。特に、電解質層4におけるガス透過を抑制するため、その厚みは20〜40μmである。 The electrolyte layer 4 has a function as an electrolyte that bridges ions between the fuel electrode 3 and the air electrode 5, and at the same time has a gas barrier property to prevent leakage between the fuel gas and the oxygen-containing gas. Is needed. In this embodiment, ceramic (solid oxide) made of partially stabilized or stabilized ZrO 2 containing 3 to 15 mol% of an oxide of rare earth elements such as Y, Sc, and Yb is used. Y is used as the rare earth element because it is inexpensive. The electrolyte layer 4 may be made of, for example, a LaGaO 3 -based material and may be made of other materials as long as it has the above characteristics. In the present embodiment, the thickness of the electrolyte layer 4 is 10 to 40 μm. In particular, in order to suppress gas permeation in the electrolyte layer 4, the thickness is 20 to 40 μm.

空気極5は、一般的に用いられるものであれば特に制限はなく、例えば、いわゆるABO型のペロブスカイト型酸化物からなる導電性セラミックスから形成することができる。具体的には、LaSrCoFeO、LaSrMnO、LaSrCoO等を用いることができる。空気極5はガス透過性を有していることが必要であり、開気孔率が20%以上、特に30〜50%の範囲にあることが好ましい。 The air electrode 5 is not particularly limited as long as it is generally used. For example, the air electrode 5 can be formed of a conductive ceramic made of a so-called ABO 3 type perovskite oxide. Specifically, LaSrCoFeO 3 , LaSrMnO 3 , LaSrCoO 3 or the like can be used. The air electrode 5 is required to have gas permeability, and the open porosity is preferably 20% or more, particularly preferably in the range of 30 to 50%.

インターコネクタ6は、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物(LaCrO系酸化物)、もしくは、ランタンストロンチウムチタン系のペロブスカイト型酸化物(LaSrTiO系酸化物)が好適に使用される。これらの材料は、導電性を有し、かつ燃料ガス(水素含有ガス)および酸素含有ガス(空気等)と接触しても還元も酸化もされない。また、インターコネクタ6は支持基板2に形成されたガス流路2aを流通する燃料ガス、および支持基板2の外側を流通する酸素含有ガスのリークを防止するために緻密質でなければならず、93%以上、特に95%以上の相対密度を有していることが好ましい。 For the interconnector 6, a lanthanum chromite-based perovskite oxide (LaCrO 3 -based oxide) or a lanthanum strontium titanium-based perovskite oxide (LaSrTiO 3 -based oxide) is preferably used. These materials have conductivity and are neither reduced nor oxidized even when they come into contact with a fuel gas (hydrogen-containing gas) and an oxygen-containing gas (air or the like). Further, the interconnector 6 must be dense to prevent leakage of the fuel gas flowing through the gas flow path 2a formed in the support substrate 2 and the oxygen-containing gas flowing outside the support substrate 2, It is preferable to have a relative density of 93% or more, particularly 95% or more.

ところで、セル1の支持体2の気孔率が幅方向で一様である場合には、支持体2の幅方向の中央部側で十分なガス透過性がないため、ガス流路2aを通過してきたガスが燃料極3に到達しづらくなる。従って、発電効率を向上させることが難しかった。   By the way, when the porosity of the support 2 of the cell 1 is uniform in the width direction, it does not have sufficient gas permeability on the center portion side in the width direction of the support 2 and therefore passes through the gas flow path 2a. It is difficult for the gas to reach the fuel electrode 3. Therefore, it has been difficult to improve the power generation efficiency.

そこで、本実施形態では、支持体2は、幅方向において、端部側の第1領域Aと、中央部側の第2領域Bと、第1領域Aと第2領域Bとの間に位置する第3領域Cと、を有しており、第2領域Bは、第3領域Cよりも気孔率が大きくなっている。   Therefore, in the present embodiment, the support 2 is positioned between the first region A on the end side, the second region B on the center side, and the first region A and the second region B in the width direction. The second region B has a porosity higher than that of the third region C.

この構成により、比較的気孔率が高い第2領域Bにおいては、ガス流路2aを通過してきたガスが支持体2内部で拡散しやすくなり、燃料極3に到達しやすくなる。また、第3領域Cの気孔率を第2領域Bより小さくしておくことにより、空気極5で全体が覆われておらず発電量の少ない第1領域Aにガスが拡散し過ぎることを抑制できる。従って、セル
1の発電効率を向上させることができる。
With this configuration, in the second region B having a relatively high porosity, the gas that has passed through the gas flow path 2 a is likely to diffuse inside the support 2 and reach the fuel electrode 3. Further, by keeping the porosity of the third region C smaller than that of the second region B, it is possible to prevent the gas from being excessively diffused in the first region A where the whole is not covered with the air electrode 5 and the power generation amount is small. it can. Therefore, the power generation efficiency of the cell 1 can be improved.

ここで、図1に示す例では、第1領域Aとは、インターコネクタ層6の端部と電解質層4の端部とが重なった重なり部Sから、幅方向wにおいて外側の領域をいう。   Here, in the example shown in FIG. 1, the first region A refers to a region outside in the width direction w from the overlapping portion S where the end of the interconnector layer 6 and the end of the electrolyte layer 4 overlap.

また、一対の重なり部S間の領域であって、幅方向wにおける外側の領域が第3領域Cであり、中央の領域が第2領域Bである。第3領域Cの幅は、第1領域Aの幅と同一である。一対の重なり部S間の領域であって、両側の第3領域Cの幅を除いた部分が第2領域Bである。   Further, the region between the pair of overlapping portions S and the outer region in the width direction w is the third region C, and the central region is the second region B. The width of the third region C is the same as the width of the first region A. A region between the pair of overlapping portions S and excluding the widths of the third regions C on both sides is the second region B.

なお、本実施形態では、各領域の気孔率は、以下のように測定する。先ず、支持体の気孔内に樹脂が進入するようにその支持体に対して所謂「樹脂埋め」処理を行う。その「樹脂埋め」処理された支持体の表面に対して機械研磨を行う。機械研磨された表面の微構造を走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて観察して得られた画像に対して画像処理を行うことによって、気孔の部分(樹脂が進入している部分)と気孔でない部分(樹脂が進入していない部分)の面積をそれぞれ算出する。「全体の面積(気孔の部分の面積と気孔でない部分の面積の和)」に対する「気孔の部分の面積」の割合を支持体(支持基板)の「気孔率」とする。   In the present embodiment, the porosity of each region is measured as follows. First, a so-called “resin filling” process is performed on the support so that the resin enters the pores of the support. The surface of the support subjected to the “resin filling” treatment is mechanically polished. By performing image processing on an image obtained by observing the microstructure of the mechanically polished surface with a scanning electron microscope (SEM), pores (portions where the resin has entered) and pores The area of the part which is not (the part where the resin has not entered) is calculated. The ratio of the “area of the pore portion” to the “total area (the area of the pore portion and the area of the non-pore portion)” is defined as the “porosity” of the support (support substrate).

SEMで観察する部分は、各領域でそれぞれ3〜5箇所とし、各領域で平均値をとり、その値を各領域での気孔率とする。なお、第2領域Bおよび第3領域Cにおいては、インターコネクタ層6が設けられている他方主面から一定の距離にある任意の3〜5箇所を選択する。   The number of portions to be observed with the SEM is 3 to 5 in each region, an average value is taken in each region, and the value is taken as the porosity in each region. In the second region B and the third region C, arbitrary 3 to 5 locations at a certain distance from the other main surface on which the interconnector layer 6 is provided are selected.

また、第2領域Bの気孔率は、第3領域Cの1.01〜1.5倍であるとよい。1.01倍以上の場合には、第2領域Bの気孔率が十分大きいので、ガスが支持体2の中央部の内部に拡散しやすくなり、燃料極3に到達しやすくなる。従って、発電効率を向上させることができる。また、1.5倍以下の場合には、第2領域Bにおいて気孔が多くなり過ぎることを抑制できる。従って、第2領域Bにおいて電流経路を確保することができるので発電効率を向上させることができる。   Further, the porosity of the second region B is preferably 1.01 to 1.5 times that of the third region C. In the case of 1.01 times or more, the porosity of the second region B is sufficiently large, so that the gas easily diffuses into the central portion of the support 2 and easily reaches the fuel electrode 3. Therefore, power generation efficiency can be improved. Moreover, in the case of 1.5 times or less, it can suppress that there are too many pores in the second region B. Therefore, since a current path can be secured in the second region B, power generation efficiency can be improved.

また、第1領域Aは、第3領域Cよりも気孔率が大きいとよい。支持体2が電解質層4よりも熱膨張率が高い場合には、両部材間で熱膨張差による応力が発生する。この応力は支持体2の側面mで大きくなりやすい。よって、支持体2と電解質層4との間の燃料極3にクラック等の損傷が生じやすかった。また、燃料極3が一方主面nのみに設けられ、側面mでは支持体2と電解質層4とが直接接している場合には、両部材間で剥離が生じやすかった。これらのような場合に、第1領域Aが、第3領域Cよりも気孔率が大きいことにより、支持体2の熱膨張率が比較的高かったとしても、気孔率が大きい分、熱膨張量が抑えられる。従って、電解質層4との熱膨張差が小さくなり応力が緩和される。よって、支持体2の側面mにおいて、燃料極3の損傷、又は、支持体2と電解質層4との剥離を抑制することができる。なお、支持体2が電解質層4よりも熱膨張率が高い場合とは、例えば、支持体2がNiおよび/またはNiOとYからなり、電解質層4がYを含有したZrOからなる場合である。 The first region A may have a larger porosity than the third region C. When the support 2 has a higher coefficient of thermal expansion than the electrolyte layer 4, stress due to the difference in thermal expansion occurs between both members. This stress tends to increase at the side surface m of the support 2. Therefore, damage such as cracks is likely to occur in the fuel electrode 3 between the support 2 and the electrolyte layer 4. Further, when the fuel electrode 3 is provided only on the one main surface n and the support 2 and the electrolyte layer 4 are in direct contact with each other on the side surface m, peeling between the two members was likely to occur. In such cases, even if the first region A has a higher porosity than the third region C, and the thermal expansion coefficient of the support 2 is relatively high, the amount of thermal expansion is increased by the amount of the higher porosity. Is suppressed. Accordingly, the difference in thermal expansion from the electrolyte layer 4 is reduced, and the stress is relaxed. Therefore, damage to the fuel electrode 3 or separation between the support 2 and the electrolyte layer 4 can be suppressed on the side surface m of the support 2. The case where the support 2 has a higher coefficient of thermal expansion than the electrolyte layer 4 means, for example, that the support 2 is made of Ni and / or NiO and Y 2 O 3 , and the electrolyte layer 4 contains Y 2 O 3 . This is the case of ZrO 2 .

また、図1に示す例においては、第3領域Cのガス流路2aの径が、第1領域Aのガス流路2aの径よりも大きい。この場合には、重なり部Sで生じた応力によって発生したクラックが、第3領域Cのガス流路2aに到達する可能性がある。ガス流路2aの径が大きくなると、重なり部S(電解質層4の先端部)とガス流路2aまでの距離が短くなるからである。ここで、上述したように、第3領域Cの気孔率を第1領域Aよりも小さくしておくことによって、重なり部Sで発生したクラックが、支持体2内部を進展しづらくなる。
よって、ガス流路2aまでクラックが繋がり、支持体2が破断することを抑制できる。
In the example shown in FIG. 1, the diameter of the gas flow path 2 a in the third region C is larger than the diameter of the gas flow path 2 a in the first region A. In this case, a crack generated by the stress generated in the overlapping portion S may reach the gas flow path 2a in the third region C. This is because when the diameter of the gas flow path 2a is increased, the distance between the overlapping portion S (the tip portion of the electrolyte layer 4) and the gas flow path 2a is shortened. Here, as described above, by making the porosity of the third region C smaller than that of the first region A, the cracks generated in the overlapping portion S are difficult to propagate inside the support body 2.
Therefore, a crack is connected to the gas flow path 2a, and it can suppress that the support body 2 fractures | ruptures.

また、第1領域Aの気孔率は、第3領域Cの1.01〜1.5倍であるとよい。1.01倍以上の場合には、第1領域Aの気孔率が高くなるので、電解質層4と支持体2の側面との間において熱膨張差による応力が緩和される。従って、燃料極3の損傷、又は、支持体2と電解質層4との剥離を抑制することができる。また、1.5倍以下である場合には、第1領域Aの気孔率が高くなり過ぎていないので、支持体2の側面側において強度を維持することができる。   Further, the porosity of the first region A is preferably 1.01 to 1.5 times that of the third region C. In the case of 1.01 times or more, the porosity of the first region A becomes high, so that the stress due to the difference in thermal expansion is relaxed between the electrolyte layer 4 and the side surface of the support 2. Therefore, damage to the fuel electrode 3 or separation between the support 2 and the electrolyte layer 4 can be suppressed. Moreover, since the porosity of the 1st area | region A is not too high when it is 1.5 times or less, intensity | strength can be maintained in the side surface side of the support body 2. FIG.

(製造方法)
以上説明した本実施形態のセル1の作製方法の一例について説明する。ただし、以下に述べる材料、粒径、温度、及び塗布方法等の各種条件は、適宜変更することができる。以下、「成形体」とは、焼成前の状態を指すものとする。
(Production method)
An example of a method for manufacturing the cell 1 of the present embodiment described above will be described. However, various conditions such as the material, particle size, temperature, and coating method described below can be changed as appropriate. Hereinafter, the “molded body” refers to a state before firing.

先ず、例えば、Niおよび/またはNiO粉末と、Yなどの希土類酸化物の粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合して坏土を調製し、この坏土を用いて押出成形により支持体成形体を作製し、これを乾燥する。 First, for example, Ni and / or NiO powder, a rare earth oxide powder such as Y 2 O 3 , an organic binder, and a solvent are mixed to prepare a clay, and this clay is used for extrusion molding. A support molded body is prepared and dried.

また、第1領域、第2領域および第3領域を所望の気孔率とするためには、支持体成形体内部の造孔材の量を調整する。例えば、押出成形機に坏土をセットする際、位置によって坏土内の造孔材の量を変えておけば良い。それ以外にも、例えば、押出成形により、各領域ごとに成形体をブロックで作製しておき、後で仮焼等により合体させても良い。   Moreover, in order to set the first region, the second region, and the third region to a desired porosity, the amount of the pore former inside the support molded body is adjusted. For example, when setting the clay in the extruder, the amount of the pore former in the clay may be changed depending on the position. In addition, for example, a molded body may be prepared in blocks for each region by extrusion molding, and may be combined later by calcination or the like.

なお、支持体成形体は、900〜1000℃にて2〜6時間仮焼した仮焼体を用いてもよい。   In addition, you may use the calcined body calcined for 2 to 6 hours at 900-1000 degreeC as a support body molded object.

次に、例えば所定の調合組成に従い、NiOと、Yが固溶したZrO(YSZ)との素原料を秤量、混合する。この後、混合した粉体に、有機バインダーおよび溶媒を混合して燃料極用スラリーを調製する。 Next, for example, according to a predetermined composition, raw materials of NiO and ZrO 2 (YSZ) in which Y 2 O 3 is dissolved are weighed and mixed. Thereafter, an organic binder and a solvent are mixed with the mixed powder to prepare a fuel electrode slurry.

また、Yが固溶したZrO粉末に、トルエン、バインダー粉末(下記、ZrO粉末に付着させるバインダー粉末よりも高分子、例えばアクリル系樹脂)、市販の分散剤等を加えてスラリー化したものをドクターブレード等の方法により、成形してシート状の電解質層成形体を作製する。 Further, a slurry obtained by adding toluene, a binder powder (hereinafter, a polymer higher than the binder powder attached to the ZrO 2 powder, for example, an acrylic resin), a commercially available dispersant, etc. to the ZrO 2 powder in which Y 2 O 3 is solid-dissolved. The sheet is molded by a method such as a doctor blade to produce a sheet-shaped electrolyte layer molded body.

そして、得られたシート状の電解質層成形体上に燃料極用スラリーを塗布し乾燥して燃料極成形体を形成して、シート状の積層成形体を形成する。この燃料極成形体および電解質層成形体のシート状の積層成形体の燃料極成形体側の面を導電性支持体成形体に積層し、成形体を形成する。   And the slurry for fuel electrodes is apply | coated on the obtained sheet-like electrolyte layer molded object, it dries, a fuel electrode molded object is formed, and a sheet-like laminated molded object is formed. The surface on the fuel electrode molded body side of the sheet-shaped laminated molded body of the fuel electrode molded body and the electrolyte layer molded body is laminated on the conductive support molded body to form a molded body.

続いて、インターコネクタ層材料(例えば、LaCrMgO系酸化物粉末)、有機バインダー及び溶媒を混合してスラリーを作製する。 Subsequently, an interconnector layer material (for example, LaCrMgO 3 -based oxide powder), an organic binder, and a solvent are mixed to prepare a slurry.

この後、電解質層成形体の両端部上に、インターコネクタ層用成形体の両端部が積層されるように、支持体成形体上面にインターコネクタ層用スラリーを塗布し、積層成形体を作製する。   Thereafter, the interconnector layer slurry is applied to the upper surface of the support molded body so that both end portions of the interconnector layer molded body are laminated on both end portions of the electrolyte layer molded body, thereby producing a laminated molded body. .

次いで、上記の積層成形体を脱バインダー処理し、酸素含有雰囲気中、1400〜1450℃にて2〜6時間、同時焼結(同時焼成)する。   Next, the above-mentioned laminated molded body is subjected to binder removal treatment, and is simultaneously sintered (simultaneously fired) in an oxygen-containing atmosphere at 1400 to 1450 ° C. for 2 to 6 hours.

続いて、例えば、所定の粒径のLaSr1−xCoyFe1−y(以下、単にLSCFと略す)粉末、有機バインダー、造孔材、及び溶媒を混合して空気極用スラリーを作製する。このスラリーを電解質層上にスクリーン印刷にて塗布して、空気極用成形体を形成する。このスラリーを電解質層上にスクリーン印刷にて塗布して、空気極用成形体を形成する。 Then, for example, a desired particle size La x Sr 1-x CoyFe 1 -y O 3 ( hereinafter, simply referred to as LSCF) powders, an organic binder, a pore former, and mixed to the slurry for the air electrode of the solvent Make it. This slurry is applied onto the electrolyte layer by screen printing to form an air electrode molded body. This slurry is applied onto the electrolyte layer by screen printing to form an air electrode molded body.

次に、電解質層上に空気極用成形体が形成された積層体を、1100〜1200℃にて1〜3時間焼成する。このようにして図1に示す構造の本実施形態のセル1を製造できる。   Next, the laminate in which the air electrode molded body is formed on the electrolyte layer is fired at 1100 to 1200 ° C. for 1 to 3 hours. In this way, the cell 1 of the present embodiment having the structure shown in FIG. 1 can be manufactured.

なお、セル1は、その後、ガス流路に水素ガスを流し、支持体2および燃料極3の還元処理を行なうのが好ましい。その際、たとえば750〜1000℃にて5〜20時間還元処理を行なうのが好ましい。   In the cell 1, it is preferable that hydrogen gas is then passed through the gas flow path to reduce the support 2 and the fuel electrode 3. In that case, it is preferable to perform a reduction process at 750-1000 degreeC for 5 to 20 hours, for example.

(他の実施形態)
図2は、他の実施形態のセルの構造を示す斜視図である。図3は、図2のセルの縦断面図である。
(Other embodiments)
FIG. 2 is a perspective view showing the structure of a cell according to another embodiment. FIG. 3 is a longitudinal sectional view of the cell of FIG.

図2、図3に示すセル10は、いわゆる横縞型のセルの一例を示しており、絶縁性の支持体1を備えている。支持体2の内部には、適当な間隔で複数のガス流路2aがセル10の長手方向Lに貫通して形成されている。   The cell 10 shown in FIGS. 2 and 3 is an example of a so-called horizontal stripe type cell, and includes an insulating support 1. Inside the support 2, a plurality of gas flow paths 2 a are formed penetrating in the longitudinal direction L of the cell 10 at appropriate intervals.

支持体2は、一対の主面上のそれぞれに、多孔質な燃料極3、緻密質な固体電解質層4および多孔質な空気極5を1組として、複数組が隣り合うように設けられており、これらが緻密質なインターコネクタ層6により電気的に接続されている。なお、この燃料極3、固体電解質層4および空気極5が重なっている部位が、発電する素子部aとして機能する。即ち、空気極5の外側に空気等の酸素含有ガスを流し、且つ支持体2内のガス流路2aに燃料ガス(水素含有ガス)を流し、所定の作動温度まで加熱することにより発電する。また燃料極3は少なくともその一部が支持体1に埋め込まれた形態であってもよい。   The support 2 is provided on each of the pair of main surfaces so that a plurality of sets are adjacent to each other, with the porous fuel electrode 3, the dense solid electrolyte layer 4 and the porous air electrode 5 as one set. These are electrically connected by a dense interconnector layer 6. The portion where the fuel electrode 3, the solid electrolyte layer 4 and the air electrode 5 overlap functions as the element portion a that generates power. That is, power is generated by flowing an oxygen-containing gas such as air outside the air electrode 5 and flowing a fuel gas (hydrogen-containing gas) through the gas flow path 2a in the support 2 and heating it to a predetermined operating temperature. Further, the fuel electrode 3 may be in a form in which at least a part thereof is embedded in the support 1.

また、支持体2を絶縁性の支持体2とするにあたっては、例えば、Mg酸化物(MgO)、Niおよび/またはNiOと、特定の希土類酸化物とで形成されることが好ましい。希土類元素酸化物については上述と同様のものを用いることができる。また、MgOは70〜80体積%、希土類元素酸化物は10〜20体積%、Niおよび/またはNiOは10〜25体積%とし、全体として10Ω・cm以上の抵抗率を有することが好ましい。   Moreover, when the support body 2 is used as the insulating support body 2, it is preferable that the support body 2 is formed of, for example, Mg oxide (MgO), Ni and / or NiO, and a specific rare earth oxide. As the rare earth element oxide, the same ones as described above can be used. Further, MgO is 70 to 80% by volume, rare earth element oxide is 10 to 20% by volume, Ni and / or NiO is 10 to 25% by volume, and the total resistivity is preferably 10 Ω · cm or more.

この横縞型のセル10おいても、図2に示すように、第2領域Bは、第3領域Cよりも気孔率が大きくなっている。これにより、燃料ガスが燃料極3に届きやすくなり発電効率が向上する。   Also in this horizontally striped cell 10, the porosity of the second region B is larger than that of the third region C, as shown in FIG. As a result, the fuel gas easily reaches the fuel electrode 3 and the power generation efficiency is improved.

なお、横縞型のセル10においては、第1領域Aは、セル10の幅方向wの長さの5%の領域である。セル10の幅方向の両端部に位置する第1領域Aを合計すると、10%である。また、第3領域Cは、セル10の幅方向wの長さの5%の領域である。セル10の幅方向の両端部に位置する第3領域Cを合計すると、10%である。第2領域Bは、残りの80%の中央の部分である。   In the horizontal stripe cell 10, the first region A is a region that is 5% of the length of the cell 10 in the width direction w. The total of the first areas A located at both ends in the width direction of the cell 10 is 10%. The third region C is a region that is 5% of the length of the cell 10 in the width direction w. The total of the third regions C located at both ends in the width direction of the cell 10 is 10%. The second region B is the remaining 80% central portion.

(セルスタック装置)
図4は、上述したセルの複数個を、導電部材13を介して電気的に直列に接続して構成されたセルスタック装置の一例を示したものであり、(a)はセルスタック装置18を概略的に示す側面図、(b)は(a)のセルスタック装置18の破線部についての横断面図で
あり、(a)で示した破線で囲った部分を抜粋して示している。なお、(b)において(a)で示した破線で囲った部分に対応する部分を明確とするために矢印にて示している。
(Cell stack device)
FIG. 4 shows an example of a cell stack device configured by electrically connecting a plurality of the above-described cells in series via the conductive member 13, and (a) shows the cell stack device 18. The side view shown schematically, (b) is a cross-sectional view of the broken line portion of the cell stack device 18 of (a), and shows the portion surrounded by the broken line shown in (a). In addition, in (b), in order to clarify, the part corresponding to the part enclosed with the broken line shown by (a) is shown with the arrow.

セルスタック装置11は、複数のセル1が並設され、各セル1間が導電部材13で接続されているセルスタック12具備する。また、複数のセル1の並設方向の両端には弾性変形可能な端部導電部材14が設けられ、並設された複数のセル1を挟持している。さらに、端部導電部材14にはセルスタック12(セル1)の発電により生じる電流を引出すための電流引出し部15が接続されている。また、各セル1の下端および端部導電部材14の下端はガスタンク16に、ガラスシール材等の接着剤により固定されている。   The cell stack apparatus 11 includes a cell stack 12 in which a plurality of cells 1 are arranged in parallel and the cells 1 are connected by a conductive member 13. Further, end conductive members 14 that can be elastically deformed are provided at both ends of the plurality of cells 1 in the juxtaposed direction, and sandwich the plurality of cells 1 that are juxtaposed. Further, the end conductive member 14 is connected to a current drawing portion 15 for drawing a current generated by power generation of the cell stack 12 (cell 1). The lower end of each cell 1 and the lower end of the end conductive member 14 are fixed to the gas tank 16 with an adhesive such as a glass sealant.

本実施形態のセルスタック装置11においても、上述したセル1を具備することから、出力密度の低下を抑制したセルスタック装置11とすることができる。   Also in the cell stack device 11 of the present embodiment, since the cell 1 described above is provided, the cell stack device 11 in which a decrease in output density is suppressed can be obtained.

(モジュール)
次に、上述したセルスタック装置11を収納容器19内に収納してなるモジュール18について図5を用いて説明する。
(module)
Next, a module 18 in which the above-described cell stack device 11 is stored in the storage container 19 will be described with reference to FIG.

図5に示すモジュール18は、セル1にて使用する燃料ガスを得るために、天然ガスや灯油等の原燃料を改質して燃料ガスを生成するための改質器20をセルスタック12の上方に配置している。そして、改質器20で生成された燃料ガスは、ガス流通管21を介してガスタンク16に供給され、ガスタンク16を介してセル1の内部に設けられたガス流路(図示せず)に供給される。   The module 18 shown in FIG. 5 includes a reformer 20 for reforming raw fuel such as natural gas or kerosene to generate fuel gas for use in the cell 1. Arranged above. The fuel gas generated by the reformer 20 is supplied to the gas tank 16 via the gas flow pipe 21 and supplied to a gas flow path (not shown) provided inside the cell 1 via the gas tank 16. Is done.

なお、図5においては、収納容器19の一部(前後面)を取り外し、内部に収納されているセルスタック装置1および改質器20を後方に取り出した状態を示している。   FIG. 5 shows a state where a part (front and rear surfaces) of the storage container 19 is removed and the cell stack device 1 and the reformer 20 housed inside are taken out rearward.

このようなモジュール18においては、発電効率の向上しセルスタック装置11を収納してなることから、発電効率の向上したモジュール18とすることができる。   In such a module 18, since the power generation efficiency is improved and the cell stack device 11 is accommodated, the module 18 with improved power generation efficiency can be obtained.

(モジュール収容装置)
次に、上述したモジュール18と、モジュール18を作動させるための補機(不図示)とを外装ケースに収納してなるモジュール収容装置23について図6を用いて説明する。
(Module housing device)
Next, a module housing device 23 in which the module 18 described above and an auxiliary machine (not shown) for operating the module 18 are housed in an outer case will be described with reference to FIG.

図6に示すモジュール収容装置23は、支柱24と外装板25から構成される外装ケース内を仕切板26により上下に区画し、その上方側を上述したモジュール18を収納するモジュール収納室27とし、下方側をモジュール18を作動させるための補機を収納する補機収納室28として構成されている。   The module housing apparatus 23 shown in FIG. 6 divides the inside of the exterior case composed of the columns 24 and the exterior plate 25 into upper and lower portions by the partition plate 26, and the upper side thereof serves as the module storage chamber 27 that houses the module 18 described above. The lower side is configured as an auxiliary equipment storage chamber 28 for storing auxiliary equipment for operating the module 18.

また、仕切板26には、補機収納室28の空気をモジュール収納室27側に流すための空気流通口29が設けられており、モジュール収納室27を構成する外装板25の一部に、モジュール収納室27内の空気を排気するための排気口30が設けられている。   In addition, the partition plate 26 is provided with an air circulation port 29 for flowing the air in the auxiliary machine storage chamber 28 to the module storage chamber 27 side, and a part of the exterior plate 25 constituting the module storage chamber 27 An exhaust port 30 for exhausting the air in the module storage chamber 27 is provided.

このようなモジュール収容装置では、発電効率の向上したセルスタック11を備えるモジュール18を収納してなることから、発電効率の向上したモジュール収容装置23とすることができる。   In such a module storage device, the module 18 having the cell stack 11 with improved power generation efficiency is stored, so that the module storage device 23 with improved power generation efficiency can be obtained.

以上、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。例えば、支持体上に空気極、電解質層、燃料極の順に配置した燃料電池セルであっても良い。さらに、例えば、燃料極を兼ねる支持体であってもよい。   As mentioned above, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, A various change, improvement, etc. are possible in the range which does not deviate from the summary of this invention. For example, it may be a fuel cell arranged in the order of an air electrode, an electrolyte layer, and a fuel electrode on a support. Furthermore, for example, a support that also serves as a fuel electrode may be used.

また、上記形態では燃料電池セル、これを用いたセルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、セルに水蒸気と電圧とを付与して水蒸気(水)を電気分解することにより、水素と酸素(O)を生成する電解セル(SOEC)およびこれを備える電解セルスタック装置、電解モジュールおよび電解装置にも適用することができる。 Moreover, although the fuel cell, the cell stack device using the fuel cell module, the fuel cell module, and the fuel cell device have been described in the above embodiment, the present invention is not limited to this, and applies water vapor and voltage to the cell. Thus, the present invention can also be applied to an electrolysis cell (SOEC) that generates hydrogen and oxygen (O 2 ) by electrolyzing water vapor (water), and an electrolysis cell stack device, an electrolysis module, and an electrolysis device including the electrolysis cell.

(試料の作製)
各領域の気孔率が異なる複数のセルを作製した。具体的には、表1に示すように、9個の試料(N=9)を作製した。
(Sample preparation)
A plurality of cells having different porosity in each region were produced. Specifically, as shown in Table 1, nine samples (N = 9) were produced.

各試料にて使用したセルの形状は図1と同様の板形状とした。セルの長手方向の長さが20cm、セルの幅方向の長さが26mm、厚みが2mmであった。   The shape of the cell used in each sample was the same plate shape as in FIG. The length in the longitudinal direction of the cell was 20 cm, the length in the width direction of the cell was 26 mm, and the thickness was 2 mm.

製造方法は前述のものと同様とした。なお、支持体成形体の作製に使用されたNiO粉末は平均粒径0.5μmであり、Y粉末は平均粒径0.9μmであった。支持体成形体は、焼成−還元後における体積比率が、NiOが48体積%、Yが52体積%であった。電解質層原料粉末は、8mol%のYが固溶したマイクロトラック法による粒径が0.8μmのZrO粉末を利用した。燃料極成形体の作製に使用されたNiO粉末は平均粒径0.5μmであり、Yが固溶したZrO粉末は平均粒径0.8μmであった。支持体成形体、電解質層用シートおよび燃料極成形体の積層成形体は、1000℃にて3時間仮焼処理した。インターコネクタ層の材料としては、La(Mg0.3Cr0.70.96を使用した。インターコネクタ層用スラリーを前述の積層体に塗布し、酸素含有雰囲気中で1450℃にて2時間同時焼成した。空気極の材料としては、La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8を使用した。空気極は1100℃にて4時間で焼き付けて形成した。還元処理は、セルの内部に水素ガスを流し、850℃で10時間、支持体および燃料極の還元処理を施し、冷却した。 The manufacturing method was the same as that described above. The NiO powder used for the production of the support molded body had an average particle size of 0.5 μm, and the Y 2 O 3 powder had an average particle size of 0.9 μm. The volume ratio of the support molded body after firing and reduction was 48% by volume for NiO and 52% by volume for Y 2 O 3 . As the electrolyte layer raw material powder, ZrO 2 powder having a particle diameter of 0.8 μm by microtrack method in which 8 mol% of Y 2 O 3 was dissolved was used. The NiO powder used for producing the fuel electrode molded body had an average particle size of 0.5 μm, and the ZrO 2 powder in which Y 2 O 3 was dissolved had an average particle size of 0.8 μm. The laminated molded body of the support molded body, the electrolyte layer sheet, and the fuel electrode molded body was calcined at 1000 ° C. for 3 hours. As the material of the interconnector layer, La (Mg 0.3 Cr 0.7 ) 0.96 O 3 was used. The interconnector layer slurry was applied to the laminate and co-fired at 1450 ° C. for 2 hours in an oxygen-containing atmosphere. As the material for the air electrode, La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 was used. The air electrode was formed by baking at 1100 ° C. for 4 hours. In the reduction treatment, hydrogen gas was allowed to flow inside the cell, the support and the fuel electrode were subjected to reduction treatment at 850 ° C. for 10 hours, and cooled.

ここで、試料No.1〜9の支持体では、造孔材の量等を調整することによって、表1に示す通り、各領域の気孔率を制御した。   Here, Sample No. In the supports 1 to 9, the porosity of each region was controlled as shown in Table 1 by adjusting the amount of the pore former.

(気孔率の測定)
上記のように作製した後の試料No.1〜9の支持体について、前述したように、「樹脂埋め」処理後、機械研磨を行い、取得したSEM画像で画像処理を行って、各領域の気孔率を求めた。
(Measurement of porosity)
Sample No. after fabrication as described above. As described above, the supports 1 to 9 were mechanically polished after the “resin filling” process, and image processing was performed on the obtained SEM images to determine the porosity of each region.

SEMで観察する部分は、各領域でそれぞれ3箇所とし、各領域で平均値をとり、その値を各領域での気孔率とした。なお、第2領域Bおよび第3領域Cにおいては、インターコネクタ層が設けられている他方主面から0.5mm離れた任意の3箇所を選択した。   The number of portions observed with the SEM was three in each region, the average value was taken in each region, and the value was taken as the porosity in each region. Note that, in the second region B and the third region C, arbitrary three locations separated by 0.5 mm from the other main surface provided with the interconnector layer were selected.

(発電性能試験)
まず、750℃の温度下で各試料のセルに水素ガスを流し、セルの出力密度を測定した。出力密度の結果を表1に示した。
(Power generation performance test)
First, hydrogen gas was allowed to flow through the cell of each sample at a temperature of 750 ° C., and the output density of the cell was measured. The power density results are shown in Table 1.

(支持体の耐久性試験)
本試験においては、各試料となるセルをそれぞれ10本作製した。そして、上記の還元処理後のセルの支持体におけるクラック発生有無を確認した。クラックの確認は、重なり部を起点として第3領域にクラックが発生したか否かを確認した。クラックはSEM画像で観察した。1μmの長さに達しているものをクラックと認定した。クラックの発生したセ
ルの本数を表1に示した。
(Durability test of support)
In this test, 10 cells each serving as each sample were produced. And the presence or absence of the crack generation | occurrence | production in the support body of the cell after said reduction process was confirmed. Confirmation of the crack confirmed whether the crack generate | occur | produced in the 3rd area | region from the overlap part. Cracks were observed with SEM images. Those having reached a length of 1 μm were recognized as cracks. Table 1 shows the number of cells with cracks.

(燃料極の耐久性試験)
本試験においては、各試料となるセルをそれぞれ10本作製した。そして、各セルについて、「雰囲気温度を常温から750℃まで1時間で上げた後に750℃から常温まで2時間で下げるパターン」を10回繰り返す熱サイクル試験を行った。
(Fuel electrode durability test)
In this test, 10 cells each serving as each sample were produced. Each cell was subjected to a thermal cycle test 10 times of “a pattern in which the ambient temperature is raised from room temperature to 750 ° C. in 1 hour and then lowered from 750 ° C. to room temperature in 2 hours”.

そして、本試験後のセルの支持体の側面側における燃料極にクラックが発生したか否かを確認した。クラックはSEM画像で観察した。1μmの長さに達しているものをクラックと認定した。支持体の側面側における燃料極にクラックが発生したセル本数を表1に示した。   And it was confirmed whether the fuel electrode in the side surface side of the support body of the cell after this test had cracked. Cracks were observed with SEM images. Those having reached a length of 1 μm were recognized as cracks. Table 1 shows the number of cells in which cracks occurred in the fuel electrode on the side surface of the support.

(発電性能試験結果)
表1から明らかなように、試料No.1では、出力密度が小さかった。これは、第2領域が、第3領域よりも気孔率が小さかったからである。
(Power generation performance test results)
As is clear from Table 1, sample No. In 1, the output density was small. This is because the second region has a lower porosity than the third region.

また、試料No.2、9では、試料No.1と比較して、出力密度が高かった。これは、第2領域が、第3領域よりも気孔率が大きかったからである。   Sample No. 2 and 9, sample no. Compared with 1, the output density was higher. This is because the second region has a higher porosity than the third region.

また、試料No.3〜8では、試料No.2、9と比較して、出力密度が高かった。これは、第2領域の気孔率は、第3領域の1.01〜1.5倍だったからである。   Sample No. 3 to 8, sample No. Compared with 2 and 9, the output density was high. This is because the porosity of the second region was 1.01 to 1.5 times that of the third region.

(支持体の耐久性試験結果)
試料No.4〜9では、試料No.1〜3と比較して、第3領域でのクラックの発生を抑制することができた。これは、第3領域の気孔率が第1領域よりも低かったからである。
(Durability test results of support)
Sample No. 4-9, sample No. Compared with 1 to 3, the generation of cracks in the third region could be suppressed. This is because the porosity of the third region was lower than that of the first region.

(燃料極の耐久性試験結果)
試料No.4では、試料No.1〜3と比較して、燃料極でのクラックの発生を抑制することができた。これは、第1領域は第3領域よりも気孔率が大きかったからである。
(Fuel electrode durability test results)
Sample No. 4 sample No. 4 Compared with 1-3, generation | occurrence | production of the crack in a fuel electrode was able to be suppressed. This is because the first region has a higher porosity than the third region.

試料No.5〜9では、試料No.4と比較して、燃料極でのクラックの発生を抑制することができた。これは、第1領域の気孔率は、第3領域の1.01倍以上だったからである。   Sample No. 5-9, sample no. Compared with 4, it was possible to suppress the occurrence of cracks at the fuel electrode. This is because the porosity of the first region is 1.01 or more times that of the third region.

1:セル
2:支持体
A:第1領域
B:第2領域
C:第3領域
3:燃料極
4:固体電解質層
5:空気極
6:インターコネクタ層
1: cell 2: support A: first region B: second region C: third region 3: fuel electrode 4: solid electrolyte layer 5: air electrode 6: interconnector layer

Claims (7)

ガス流路が内部に設けられた長さ方向と幅方向を有しており、一対の主面と一対の側面とを有する平板状の支持体と、
該支持体の少なくとも一方主面上に設けられた燃料極と、
該燃料極を覆っており、前記支持体の前記一方主面から前記一対の側面にかけて設けられた固体電解質層と、
該固体電解質層上で、前記燃料極と対向するように設けられた空気極と、を有しており、
前記支持体は、前記幅方向において、
端部側の第1領域と、
中央部側の第2領域と、
前記第1領域と前記第2領域との間に位置する第3領域と、を有しており、
前記第2領域は、第3領域よりも気孔率が大きい
ことを特徴とするセル。
The gas flow path has a length direction and a width direction provided inside, a flat plate-like support body having a pair of main surfaces and a pair of side surfaces;
A fuel electrode provided on at least one main surface of the support;
A solid electrolyte layer covering the fuel electrode and provided from the one main surface of the support to the pair of side surfaces;
An air electrode provided on the solid electrolyte layer so as to face the fuel electrode;
The support is in the width direction,
A first region on the end side;
A second region on the center side;
A third region located between the first region and the second region,
The second region has a porosity higher than that of the third region.
前記第2領域の気孔率は、前記第3領域の1.01〜1.5倍である
ことを特徴とする請求項1に記載のセル。
The cell according to claim 1, wherein the porosity of the second region is 1.01 to 1.5 times that of the third region.
前記第1領域は、第3領域よりも気孔率が大きい
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のセル。
The cell according to claim 1, wherein the first region has a larger porosity than the third region.
前記第1領域の気孔率は、前記第3領域の1.01倍以上である
ことを特徴とする請求項3に記載のセル。
The cell according to claim 3, wherein the porosity of the first region is 1.01 times or more that of the third region.
請求項1乃至請求項4のうちいずれかに記載のセルを複数個配列してなるセルスタックを備えることを特徴とするセルスタック装置。   A cell stack apparatus comprising a cell stack in which a plurality of the cells according to claim 1 are arranged. 収納容器内に、請求項5に記載のセルスタック装置が収納されていることを特徴とするモジュール。   A module in which the cell stack device according to claim 5 is stored in a storage container. 外装ケース内に、請求項6に記載のモジュールと、該モジュールを作動させるための補機とを備えることを特徴とするモジュール収容装置。   A module housing apparatus comprising: the module according to claim 6; and an auxiliary machine for operating the module.
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