JP2017134941A - Fuel battery single cell - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel battery single cell which can improve the efficiency in supplying and discharging fuel gas.SOLUTION: A fuel battery single cell 1 comprises an anode 2, a solid electrolyte layer 3, and a cathode 5. The anode 2 internally has a plurality of thickness direction passages 21 and a plurality of surface direction passages 22. The thickness direction passages 21 are arranged along an anode thickness direction, and each of them has a layer surface opening 212 on a layer surface 211 which is on the opposite side to the solid electrolyte layer 3 side. The surface direction passages 22 are arranged along an anode surface direction, and each of them has a lateral surface opening 222 on a lateral surface 221 of the anode 2. In the fuel battery single cell 1, the lateral surface 221 of the anode 2 excluding the lateral surface opening 222 is covered with a dense body 6 capable of sealing gas.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は、燃料電池単セルに関する。   The present invention relates to a fuel cell single cell.

従来、アノードと固体電解質層とカソードとを有する平板形の燃料電池単セルが知られている。   Conventionally, a flat plate fuel cell unit cell having an anode, a solid electrolyte layer, and a cathode is known.

例えば、特許文献1には、アノード内に所定の開口幅を有するパターンにて面方向に貫通する複数のガス流路を備える固体酸化物形の燃料電池単セルが開示されている。   For example, Patent Document 1 discloses a solid oxide fuel cell unit cell including a plurality of gas flow paths penetrating in a plane direction in a pattern having a predetermined opening width in an anode.

特開2012−252963号公報JP 2012-252963 A

しかしながら、従来の燃料電池単セルは、燃料ガスの供給と排出とを同じ流路で行う必要がある上、アノードの側面から燃料ガスが漏出するため、燃料ガスの供給、排出の効率が悪い。したがって、従来の燃料電池単セルは、高密度電流下での運転に不利である。   However, the conventional fuel cell unit cell needs to perform supply and discharge of the fuel gas through the same flow path, and the fuel gas leaks from the side surface of the anode, so that the efficiency of supply and discharge of the fuel gas is poor. Therefore, the conventional fuel cell single cell is disadvantageous for operation under high-density current.

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、燃料ガスの供給、排出の効率を向上させることが可能な燃料電池単セルを提供しようとするものである。   This invention is made | formed in view of this subject, and it aims at providing the fuel cell single cell which can improve the efficiency of supply and discharge | emission of fuel gas.

本発明の一態様は、アノード(2)と固体電解質層(3)とカソード(5)とを有し、上記アノードを支持体とする平板形の燃料電池単セル(1)であって、
上記アノードは、アノード厚み方向に沿って配置され、上記固体電解質層側と反対側の層面(211)に層面開口(212)を備える複数の厚み方向流路(21)と、アノード面方向に沿って配置され、上記アノードの側面(221)に側面開口(222)を備える複数の面方向流路(22)とを内部に有しており、
上記側面開口を除いた上記アノードの側面がガス封止可能な緻密体(6)で覆われている、燃料電池単セル(1)にある。
One aspect of the present invention is a flat plate fuel cell single cell (1) having an anode (2), a solid electrolyte layer (3), and a cathode (5), and using the anode as a support,
The anode is arranged along the anode thickness direction, and has a plurality of thickness direction channels (21) having a layer surface opening (212) on the layer surface (211) opposite to the solid electrolyte layer side, and the anode surface direction. A plurality of planar flow paths (22) provided with side openings (222) on the side surface (221) of the anode,
The fuel cell single cell (1) has a side surface of the anode excluding the side surface opening covered with a gas-tight dense body (6).

上記燃料電池単セルは、側面開口を除いたアノードの側面がガス封止可能な緻密体で覆われている。そのため、上記燃料電池単セルは、アノードの側面のうち、側面開口以外の部分から燃料ガスが漏出するのを抑制することができる。その結果、上記燃料電池単セルでは、厚み方向流路内の燃料ガスの流れと面方向流路内の燃料ガスの流れとが整流される。それ故、上記燃料電池単セルは、層面開口から燃料ガスを供給し、側面開口から燃料ガスを排出する、あるいは、側面開口から燃料ガスを供給し、層面開口から燃料ガスを排出する際における燃料ガスの供給、排出の効率を向上させることができる。また、上記燃料電池単セルは、発電により生じた水蒸気も燃料ガスと一緒に効率よく排出することができる。したがって、上記燃料電池単セルによれば、高電流密度下での運転に有利である。   In the fuel cell unit cell, the side surface of the anode excluding the side surface opening is covered with a dense body capable of gas sealing. Therefore, the fuel cell unit cell can suppress the fuel gas from leaking from the portion of the side surface of the anode other than the side surface opening. As a result, in the fuel cell single cell, the flow of the fuel gas in the thickness direction flow path and the flow of the fuel gas in the plane direction flow path are rectified. Therefore, the fuel cell unit cell supplies the fuel gas from the layer surface opening and discharges the fuel gas from the side surface opening, or supplies the fuel gas from the side surface opening and discharges the fuel gas from the layer surface opening. Gas supply and discharge efficiency can be improved. Further, the fuel cell single cell can efficiently discharge water vapor generated by power generation together with the fuel gas. Therefore, the fuel cell single cell is advantageous for operation under a high current density.

なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。   In addition, the code | symbol in the parenthesis described in the means to solve a claim and a subject shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later, and limits the technical scope of this invention. It is not a thing.

実施形態1の燃料電池単セルを模式的に示した正面図である。1 is a front view schematically showing a single fuel cell according to Embodiment 1. FIG. 実施形態1の燃料電池単セルを模式的に示した平面図である。2 is a plan view schematically showing a single fuel cell according to Embodiment 1. FIG. 実施形態1の燃料電池単セルを模式的に示した右側面図である。1 is a right side view schematically showing a single fuel cell according to Embodiment 1. FIG. 図2のIV−IV線断面図である。It is the IV-IV sectional view taken on the line of FIG. 図2のV−V線断面図である。It is the VV sectional view taken on the line of FIG. 図2のVI−VI線断面図である。It is the VI-VI sectional view taken on the line of FIG. 図2のVII−VII線断面図である。It is the VII-VII sectional view taken on the line of FIG. 図4に対応させて、実施形態2の燃料電池単セルを模式的に示した説明図である。FIG. 5 is an explanatory view schematically showing a single fuel cell according to Embodiment 2 in correspondence with FIG. 4. 図5に対応させて、実施形態3の燃料電池単セルを模式的に示した説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram schematically showing a single fuel cell according to Embodiment 3 corresponding to FIG. 5.

(実施形態1)
実施形態1の燃料電池単セルについて、図1〜図7を用いて説明する。図1〜図7に例示されるように、本実施形態の燃料電池単セル1は、アノード2と固体電解質層3とカソード5とを有している。燃料電池単セル1は、例えば、500℃〜900℃の温度域で作動させることができる。なお、固体電解質層3の固体電解質として固体酸化物セラミックスを用いる燃料電池は、固体酸化物形燃料電池(SOFC)と称される。
(Embodiment 1)
The fuel cell single cell of Embodiment 1 is demonstrated using FIGS. As illustrated in FIGS. 1 to 7, the fuel cell single cell 1 of this embodiment includes an anode 2, a solid electrolyte layer 3, and a cathode 5. The fuel cell single cell 1 can be operated in a temperature range of 500 ° C. to 900 ° C., for example. The fuel cell using solid oxide ceramics as the solid electrolyte of the solid electrolyte layer 3 is referred to as a solid oxide fuel cell (SOFC).

燃料電池単セル1は、固体電解質層3とカソード5との間に中間層4をさらに備えることができる。中間層4は、主に、固体電解質層材料とカソード材料との反応を抑制するための層である。本実施形態では、燃料電池単セル1は、具体的には、アノード2、固体電解質層3、中間層4、および、カソード5がこの順に積層され、互いに接合されている。燃料電池単セル1は、電極であるアノード2を支持体とするアノード支持型である。そのため、燃料電池単セル1は、他の層に比べてアノード2の厚みが十分に厚くなり、後述の厚み方向流路21、面方向流路22の形成性に優れている。なお、各図では、燃料電池単セル1の外形が四角形状である例が示されている。燃料電池単セル1の外形は、他にも、円形状等の形状とすることもできる。   The fuel cell single cell 1 can further include an intermediate layer 4 between the solid electrolyte layer 3 and the cathode 5. The intermediate layer 4 is a layer mainly for suppressing the reaction between the solid electrolyte layer material and the cathode material. In the present embodiment, specifically, in the fuel cell single cell 1, the anode 2, the solid electrolyte layer 3, the intermediate layer 4, and the cathode 5 are laminated in this order and joined to each other. The fuel cell single cell 1 is an anode support type in which an anode 2 as an electrode is a support. Therefore, the fuel cell single cell 1 has a sufficiently thick anode 2 as compared with other layers, and is excellent in the formation of a thickness direction channel 21 and a surface direction channel 22 described later. In each figure, an example is shown in which the outer shape of the fuel cell single cell 1 is rectangular. In addition, the outer shape of the single fuel cell 1 may be a circular shape or the like.

アノード2は、複数の厚み方向流路21と複数の面方向流路22とを内部に有している。厚み方向流路21は、アノード厚み方向に沿って配置されており、固体電解質層3側と反対側の層面211に層面開口212を備えている。面方向流路22は、アノード面方向に沿って配置されており、アノード2の側面221に側面開口222を備えている。なお、アノード2は、通常、孔部(不図示)を含んでいる。厚み方向流路21および面方向流路22は、孔部の径よりも大きく形成されており、孔部とは異なるものである。   The anode 2 has a plurality of thickness direction channels 21 and a plurality of surface direction channels 22 therein. The thickness direction flow path 21 is arranged along the anode thickness direction, and includes a layer surface opening 212 on the layer surface 211 opposite to the solid electrolyte layer 3 side. The surface direction flow path 22 is disposed along the anode surface direction, and includes a side surface opening 222 on the side surface 221 of the anode 2. The anode 2 usually includes a hole (not shown). The thickness direction flow path 21 and the surface direction flow path 22 are formed larger than the diameter of the hole, and are different from the hole.

アノード2は、具体的には、拡散層201と活性層202とを有することができる。拡散層201は、アノード2に供給される燃料ガスFを層面内に拡散させる層である。活性層202は、拡散層201の固体電解質層3側に配置され、アノード反応の場となる層である。なお、拡散層201と活性層202とは、互いに接合されている。そして、厚み方向流路21および面方向流路22は、拡散層201に含まれる構成とすることができる。この場合には、厚み方向流路21および面方向流路22の形成により活性層202が失われることがない。そのため、アノード反応の場を十分に確保しつつ、燃料ガスFの供給、排出の効率を向上させることが可能な燃料電池単セル1が得られる。   Specifically, the anode 2 can include a diffusion layer 201 and an active layer 202. The diffusion layer 201 is a layer that diffuses the fuel gas F supplied to the anode 2 into the layer surface. The active layer 202 is a layer that is disposed on the solid electrolyte layer 3 side of the diffusion layer 201 and serves as an anode reaction field. Note that the diffusion layer 201 and the active layer 202 are bonded to each other. The thickness direction flow path 21 and the surface direction flow path 22 can be included in the diffusion layer 201. In this case, the active layer 202 is not lost due to the formation of the thickness direction flow path 21 and the surface direction flow path 22. Therefore, it is possible to obtain the single fuel cell 1 capable of improving the efficiency of supply and discharge of the fuel gas F while sufficiently securing the anode reaction field.

なお、本実施形態では、図4に示されるように、アノード2の層面211が燃料ガスFの供給面とされており、アノード2の側面221のうちの一部が燃料ガスFの排出面とされている。この他にも、燃料電池単セル1は、アノード2の側面221のうちの一部を燃料ガスFの供給面とし、アノード2の層面211を燃料ガスFの排出面とすることも可能である。   In the present embodiment, as shown in FIG. 4, the layer surface 211 of the anode 2 is a supply surface for the fuel gas F, and a part of the side surface 221 of the anode 2 is a discharge surface for the fuel gas F. Has been. In addition, the fuel cell single cell 1 may have a part of the side surface 221 of the anode 2 as a supply surface for the fuel gas F and a layer surface 211 of the anode 2 as a discharge surface for the fuel gas F. .

複数の厚み方向流路21は、具体的には、互いに離間した状態で配置することができる。この場合には、アノード反応の場まで燃料ガスFを均一に供給しやすくなる。なお、アノード2の層面211から燃料ガスFを排出する構成とする場合には、アノード反応の場から水蒸気を含む燃料ガスFを均一に排出しやすくなる。   Specifically, the plurality of thickness direction flow paths 21 can be arranged in a state of being separated from each other. In this case, it becomes easy to uniformly supply the fuel gas F to the anode reaction site. In addition, when it is set as the structure which discharges | emits the fuel gas F from the layer surface 211 of the anode 2, it becomes easy to discharge | emit the fuel gas F containing water vapor | steam uniformly from the field | area of an anode reaction.

拡散層201は、具体的には、複数行×複数列に配列された厚み方向流路21を有している。図1〜図7には、より具体的には、拡散層201が、6行×6列(合計36本)に配列された厚み方向流路21を有する例が示されている。   Specifically, the diffusion layer 201 has thickness direction flow paths 21 arranged in a plurality of rows and a plurality of columns. More specifically, FIGS. 1 to 7 show an example in which the diffusion layer 201 includes the thickness direction flow path 21 arranged in 6 rows × 6 columns (36 in total).

厚み方向流路21の固体電解質層3側の端部は、具体的には、図1〜図7に例示されるように活性層202に接していてもよいし、活性層202に接していなくてもよい。厚み方向流路21の固体電解質層3側の端部が活性層202に接している場合には、新鮮な燃料ガスFをアノード反応の場までより早く供給することができる。厚み方向流路21の固体電解質層3側の端部が活性層202に接していない場合には、厚み方向流路21の固体電解質層3側の端部と活性層202との間に、拡散層201の孔部が介在する。そのため、この場合には、厚み方向流路21を通じて供給された燃料ガスFは、拡散層201によって一旦拡散された後、活性層202に入る。そのため、この場合には、活性層202に燃料ガスFをより均一に供給することができる。   Specifically, the end of the thickness direction flow path 21 on the solid electrolyte layer 3 side may be in contact with the active layer 202 as illustrated in FIGS. 1 to 7, or may not be in contact with the active layer 202. May be. When the end of the thickness direction flow path 21 on the solid electrolyte layer 3 side is in contact with the active layer 202, the fresh fuel gas F can be supplied to the anode reaction site earlier. When the end of the thickness direction flow path 21 on the solid electrolyte layer 3 side is not in contact with the active layer 202, diffusion between the end of the thickness direction flow path 21 on the solid electrolyte layer 3 side and the active layer 202 is diffused. The hole of the layer 201 is interposed. Therefore, in this case, the fuel gas F supplied through the thickness direction flow path 21 is once diffused by the diffusion layer 201 and then enters the active layer 202. Therefore, in this case, the fuel gas F can be supplied to the active layer 202 more uniformly.

なお、アノード2の層面211から燃料ガスFを排出する構成とされており、厚み方向流路21の固体電解質層3側の端部が活性層202に接している場合には、アノード反応により生じた水蒸気を含む燃料ガスFをより早くセル外部へ排出することができる。   When the fuel gas F is discharged from the layer surface 211 of the anode 2 and the end of the thickness direction flow path 21 on the solid electrolyte layer 3 side is in contact with the active layer 202, the anode reaction occurs. The fuel gas F containing water vapor can be discharged to the outside of the cell more quickly.

複数の面方向流路22は、具体的には、互いに離間した状態で配置することができる。この場合には、アノード反応の場から水蒸気を含む燃料ガスFを均一に排出しやすくなる。なお、アノード2の側面221のうちの一部から燃料ガスFを供給する構成とする場合には、アノード反応の場まで燃料ガスFを均一に供給しやすくなる。   Specifically, the plurality of planar flow paths 22 can be arranged in a state of being separated from each other. In this case, it becomes easy to uniformly discharge the fuel gas F containing water vapor from the anode reaction field. In addition, when it is set as the structure which supplies the fuel gas F from a part of the side surface 221 of the anode 2, it becomes easy to supply the fuel gas F uniformly to the field of an anode reaction.

拡散層201は、具体的には、同一面内にて互いに離間した状態で配置された複数本の面方向流路22を有している。より具体的には、図1〜図7には、拡散層201が、同一面内にて所定間隔に配置された5本の面方向流路22を有する例が示されている。また、図1〜図7には、面方向流路22の一方の端部がアノード2の側面221に貫通しており、面方向流路22の他方の端部がアノード2の側面221に貫通せず、アノード2内に存在している例が示されている。なお、本実施形態では、燃料電池単セル1の外形が四角形状とされているため、アノード2の側面221は四つの面より構成されている。そして、面方向流路22の一方の端部が、その四つの面のうちの一つに貫通している例が示されている。なお、面方向流路22の両方の端部が、アノード2の側面221に貫通する構成とすることもできる。   Specifically, the diffusion layer 201 has a plurality of planar flow paths 22 arranged in a state of being separated from each other in the same plane. More specifically, FIGS. 1 to 7 show an example in which the diffusion layer 201 has five planar flow paths 22 arranged at a predetermined interval in the same plane. 1 to 7, one end of the planar flow path 22 penetrates the side surface 221 of the anode 2, and the other end of the planar flow path 22 penetrates the side surface 221 of the anode 2. Without being shown, an example of being present in the anode 2 is shown. In the present embodiment, since the outer shape of the single fuel cell 1 is a square shape, the side surface 221 of the anode 2 is composed of four surfaces. And the example which one edge part of the surface direction flow path 22 has penetrated to one of the four surfaces is shown. In addition, it can also be set as the structure which the both ends of the surface direction flow path 22 penetrate to the side surface 221 of the anode 2.

面方向流路22は、具体的には、図1〜図7に例示されるように活性層202に接していてもよいし、活性層202に接していなくてもよい。面方向流路22が活性層202に接している場合には、アノード反応により生じた水蒸気を含む燃料ガスFをより早くセル外部へ排出することができる。   Specifically, the planar flow path 22 may be in contact with the active layer 202 as illustrated in FIGS. 1 to 7 or may not be in contact with the active layer 202. When the planar flow path 22 is in contact with the active layer 202, the fuel gas F containing water vapor generated by the anode reaction can be discharged to the outside of the cell earlier.

なお、アノード2の側面221のうちの一部から燃料ガスFを供給する構成とされており、面方向流路22が活性層202に接している場合には、新鮮な燃料ガスFをアノード反応の場までより早く供給することができる。一方、アノード2の側面221のうちの一部から燃料ガスFを供給する構成とされており、面方向流路22が活性層202に接していない場合には、面方向流路22の固体電解質層3側の壁面と活性層202との間に、拡散層201の孔部が介在する。そのため、この場合には、面方向流路22を通じて供給された燃料ガスFは、拡散層201によって一旦拡散された後、活性層202に入る。そのため、この場合には、活性層202に燃料ガスFをより均一に供給することができる。   Note that the fuel gas F is supplied from a part of the side surface 221 of the anode 2, and when the planar flow path 22 is in contact with the active layer 202, the fresh fuel gas F is subjected to an anode reaction. It is possible to supply faster than before. On the other hand, when the fuel gas F is supplied from a part of the side surface 221 of the anode 2 and the planar channel 22 is not in contact with the active layer 202, the solid electrolyte of the planar channel 22. Between the wall surface on the layer 3 side and the active layer 202, the hole of the diffusion layer 201 is interposed. Therefore, in this case, the fuel gas F supplied through the planar flow path 22 is once diffused by the diffusion layer 201 and then enters the active layer 202. Therefore, in this case, the fuel gas F can be supplied to the active layer 202 more uniformly.

厚み方向流路21および面方向流路22は、各流路内を流れる燃料ガスFの混合を回避する、アノード強度を確保しやすくする等の観点から、互いに交わらないように配置されているとよい。また、厚み方向流路21および面方向流路22は、いずれも直線状とすることができる。この場合には、厚み方向流路21および面方向流路22が直線状でない場合に比べ、燃料ガスFの供給、排出の効率を向上させやすい燃料電池単セル1が得られる。   When the thickness direction flow path 21 and the surface direction flow path 22 are arranged so as not to cross each other from the viewpoint of avoiding the mixing of the fuel gas F flowing in each flow path and making it easy to ensure the anode strength. Good. Moreover, both the thickness direction flow path 21 and the surface direction flow path 22 can be made into linear form. In this case, it is possible to obtain the single fuel cell 1 in which the efficiency of supplying and discharging the fuel gas F can be easily improved as compared with the case where the thickness direction flow path 21 and the surface direction flow path 22 are not linear.

厚み方向流路21および面方向流路22の流路幅は、燃料ガスFの供給性向上、燃料ガスFの排出性向上、流路形成性等の観点から、好ましくは20μm以上、より好ましくは100μm以上、さらに好ましくは400μm以上とすることができる。また、厚み方向流路21および面方向流路22の流路幅は、アノード強度の確保等の観点から、好ましくは1500μm以下、より好ましくは800μm以下、さらに好ましくは500μm以下とすることができる。厚み方向流路21および面方向流路22の流路ピッチは、流路同士の短絡による強度劣化の抑制、製造上の難易度を低減させる等の観点から、好ましくは20μm以上、より好ましくは100μm以上、さらに好ましくは400μm以上とすることができる。また、厚み方向流路21および面方向流路22の流路ピッチは、燃料ガスFの供給性向上、燃料ガスFの排出性向上等の観点から、好ましくは1000μm以下、より好ましくは800μm以下、さらに好ましくは500μm以下とすることができる。   The channel widths of the thickness direction channel 21 and the surface direction channel 22 are preferably 20 μm or more, more preferably from the viewpoints of improving the supply of the fuel gas F, improving the discharge of the fuel gas F, forming the channel, and the like. The thickness can be 100 μm or more, more preferably 400 μm or more. Further, the channel widths of the thickness direction channel 21 and the surface direction channel 22 are preferably 1500 μm or less, more preferably 800 μm or less, and even more preferably 500 μm or less, from the viewpoint of ensuring anode strength and the like. The channel pitch of the thickness direction channel 21 and the surface direction channel 22 is preferably 20 μm or more, more preferably 100 μm, from the viewpoint of suppressing strength deterioration due to short circuit between the channels and reducing manufacturing difficulty. More preferably, it can be 400 μm or more. Further, the channel pitch of the thickness direction channel 21 and the surface direction channel 22 is preferably 1000 μm or less, more preferably 800 μm or less, from the viewpoint of improving the supply performance of the fuel gas F, improving the discharge performance of the fuel gas F, etc. More preferably, it can be 500 μm or less.

ここで、燃料電池単セル1は、側面開口222を除いたアノード2の側面221がガス封止可能な緻密体6で覆われている。本実施形態では、具体的には、拡散層201および活性層202の両方の側面が緻密体6により覆われている。   Here, in the fuel cell single cell 1, the side surface 221 of the anode 2 excluding the side surface opening 222 is covered with a dense body 6 that can be gas-sealed. Specifically, in this embodiment, both side surfaces of the diffusion layer 201 and the active layer 202 are covered with the dense body 6.

緻密体6は、具体的には、アノード2に供給される燃料ガスF、アノード2から排出される燃料ガスFに含まれるガス成分を透過させないものであればよい。上記ガス成分としては、より具体的には、H、CH、CO、CO、HO(水蒸気)等の気体を例示することができる。本実施形態では、燃料電池単セル1は、メタンガスを改質して燃料ガスFとする。そのため、かかる燃料ガスFのガス成分には、具体的には、H、CH、CO、CO、HO(水蒸気)等が含まれる。 Specifically, the dense body 6 may be any material that does not allow gas components contained in the fuel gas F supplied to the anode 2 and the fuel gas F discharged from the anode 2 to pass therethrough. More specifically, examples of the gas component include gases such as H 2 , CH 4 , CO, CO 2 , and H 2 O (water vapor). In the present embodiment, the fuel cell single cell 1 reforms methane gas into fuel gas F. Therefore, specifically, the gas component of the fuel gas F includes H 2 , CH 4 , CO, CO 2 , H 2 O (water vapor), and the like.

緻密体6の材料としては、具体的には、例えば、結晶化ガラス等のガラス、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)、スカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)等の酸化ジルコニウム系酸化物、CeO、または、CeOにGd、Sm、Y、La、Nd、Yb、Ca、および、Hoから選択される1種または2種以上の元素等がドープされたセリア系固溶体等の酸化セリウム系酸化物などを例示することができる。緻密体6の材料は、熱膨張差を小さくしやすくなる等の観点から、後述する固体電解質層3の材料と同じ材料を用いることができる。なお、本実施形態では、緻密体6の材料は、結晶化ガラスである。 Specifically, as the material of the dense body 6, for example, glass such as crystallized glass, zirconium oxide oxide such as yttria stabilized zirconia (YSZ), scandia stabilized zirconia (ScSZ), CeO 2 , or Examples include cerium oxides such as ceria solid solutions in which CeO 2 is doped with one or more elements selected from Gd, Sm, Y, La, Nd, Yb, Ca, and Ho. can do. The material of the dense body 6 can be the same material as the material of the solid electrolyte layer 3 described later from the viewpoint of easily reducing the difference in thermal expansion. In the present embodiment, the material of the dense body 6 is crystallized glass.

緻密体6の線熱膨張係数は、5×10−6〜20×10−6/Kの範囲内とすることができる。この場合には、燃料電池単セル1の昇温、降温時に生じる熱応力等によって緻密体6が破損し難くなる。そのため、この場合には、緻密体6の破損によりアノード2の側面から燃料ガスFが漏出するおそれがより小さくなり、燃料ガスFの供給、排出の効率向上に有利な燃料電池単セル1が得られる。 The linear thermal expansion coefficient of the dense body 6 can be in the range of 5 × 10 −6 to 20 × 10 −6 / K. In this case, the dense body 6 is unlikely to be damaged due to thermal stress generated when the temperature of the fuel cell unit cell 1 is increased or decreased. Therefore, in this case, the possibility that the fuel gas F leaks from the side surface of the anode 2 due to the breakage of the dense body 6 is further reduced, and the fuel cell unit cell 1 advantageous for improving the supply and discharge efficiency of the fuel gas F is obtained. It is done.

緻密体6の線熱膨張係数は、緻密体6の破損抑制等の観点から、好ましくは6×10−6/K以上、より好ましくは7×10−6/K以上、さらに好ましくは8×10−6/K以上、さらにより好ましくは9×10−6/K以上とすることができる。また、緻密体6の線熱膨張係数は、緻密体6の破損抑制等の観点から、好ましくは18×10−6/K以下、より好ましくは15×10−6/K以下、さらに好ましくは14×10−6/K以下、さらにより好ましくは13×10−6/K以下とすることができる。なお、緻密体6の線熱膨張係数は、基本的には、JIS R1618:2002 「ファインセラミックスの熱機械分析による熱膨張の測定方法」に準拠して測定される。具体的には、試料の緻密体6を、全膨張式熱機械分析装置にセットし、温度を10℃/分の昇温速度で上げていく。温度TがT(=100℃)からT(=700℃)に上がるまでに、試料は長さLからLまで膨張する。この際の線熱膨張係数(/K)を、(dL/dT)T=T1/Lの計算式より算出する。但し、(dL/dT)T=T1は、温度TがTのときにおける長さ曲線の傾きである。 The linear thermal expansion coefficient of the dense body 6 is preferably 6 × 10 −6 / K or more, more preferably 7 × 10 −6 / K or more, and even more preferably 8 × 10 from the viewpoint of suppressing breakage of the dense body 6. -6 / K or more, even more preferably 9 × 10 -6 / K or more. In addition, the linear thermal expansion coefficient of the dense body 6 is preferably 18 × 10 −6 / K or less, more preferably 15 × 10 −6 / K or less, and further preferably 14 from the viewpoint of suppressing breakage of the dense body 6. × 10 −6 / K or less, even more preferably 13 × 10 −6 / K or less. The linear thermal expansion coefficient of the dense body 6 is basically measured in accordance with JIS R1618: 2002 “Method of measuring thermal expansion by thermomechanical analysis of fine ceramics”. Specifically, the dense body 6 of the sample is set in a fully expanded thermomechanical analyzer, and the temperature is increased at a rate of temperature increase of 10 ° C./min. By the time T rises from T 0 (= 100 ° C.) to T 1 (= 700 ° C.), the sample expands from length L 0 to L 1 . The linear thermal expansion coefficient at this time (/ K), calculated from calculation formula (dL / dT) T = T1 / L 0. However, (dL / dT) T = T1 , the temperature T is the slope of the long curve at the time of T 1.

緻密体6の厚みは、具体的には、固体電解質層3の厚み以上とすることができる。この場合には、緻密体6とアノード2との接合強度を確保しやすくなる。緻密体6の厚みは、上記効果を得やすくなる観点から、好ましくは、固体電解質層3の厚みよりも大きいとよい。   Specifically, the thickness of the dense body 6 can be equal to or greater than the thickness of the solid electrolyte layer 3. In this case, it becomes easy to ensure the bonding strength between the dense body 6 and the anode 2. The thickness of the dense body 6 is preferably larger than the thickness of the solid electrolyte layer 3 from the viewpoint of easily obtaining the above effect.

緻密体6の厚みは、緻密体6とアノード2との接合強度を確保しやすくなる等の観点から、好ましくは3μm以上、より好ましくは4μm以上、さらに好ましくは5μm以上とすることができる。緻密体6の厚みは、材料間の密着、ガスシール性等の観点から、好ましくは20μm以下、より好ましくは15μm以下、さらに好ましくは10μm以下とすることができる。   The thickness of the dense body 6 is preferably 3 μm or more, more preferably 4 μm or more, and even more preferably 5 μm or more, from the viewpoint of easily ensuring the bonding strength between the dense body 6 and the anode 2. The thickness of the dense body 6 is preferably 20 μm or less, more preferably 15 μm or less, and even more preferably 10 μm or less, from the viewpoints of adhesion between materials, gas sealability, and the like.

燃料電池単セル1において、固体電解質層3の材料としては、強度、熱的安定性に優れる等の観点から、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)、スカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)等の酸化ジルコニウム系酸化物を好適に用いることができる。固体電解質層3の材料としては、イオン伝導度、機械的安定性、他の材料との両立、空気雰囲気から燃料ガス雰囲気まで化学的に安定である等の観点から、イットリア安定化ジルコニアが好適である。本実施形態では、固体電解質層3の材料として、具体的には、イットリア安定化ジルコニアを用いることができる。   In the single fuel cell 1, the material of the solid electrolyte layer 3 is zirconium oxide based oxidation such as yttria stabilized zirconia (YSZ) and scandia stabilized zirconia (ScSZ) from the viewpoint of excellent strength and thermal stability. A thing can be used conveniently. The material of the solid electrolyte layer 3 is preferably yttria-stabilized zirconia from the viewpoints of ion conductivity, mechanical stability, compatibility with other materials, and chemical stability from an air atmosphere to a fuel gas atmosphere. is there. In the present embodiment, specifically, yttria-stabilized zirconia can be used as the material of the solid electrolyte layer 3.

また、固体電解質層3の厚みは、オーミック抵抗の低減などの観点から、好ましくは3〜20μm、より好ましくは4〜15μm、さらに好ましくは5〜10μmとすることができる。本実施形態では、固体電解質層3の厚みは、具体的には、5μmとすることができる。   The thickness of the solid electrolyte layer 3 is preferably 3 to 20 μm, more preferably 4 to 15 μm, and still more preferably 5 to 10 μm from the viewpoint of reducing ohmic resistance. In the present embodiment, the thickness of the solid electrolyte layer 3 can be specifically set to 5 μm.

燃料電池単セル1において、アノード2の材料としては、例えば、Ni、NiO等の触媒と、上記酸化ジルコニウム系酸化物等の固体電解質との混合物などを例示することができる。なお、NiOは、発電時の還元雰囲気でNiとなる。本実施形態では、アノード2の材料、具体的には、拡散層201の材料および活性層202の材料として、NiまたはNiOとイットリア安定化ジルコニアとの混合物を用いることができる。   In the fuel cell single cell 1, examples of the material of the anode 2 include a mixture of a catalyst such as Ni or NiO and a solid electrolyte such as the above-described zirconium oxide-based oxide. NiO becomes Ni in a reducing atmosphere during power generation. In the present embodiment, Ni or a mixture of NiO and yttria-stabilized zirconia can be used as the material of the anode 2, specifically, the material of the diffusion layer 201 and the material of the active layer 202.

また、拡散層201の厚みは、支持体としての強度確保等の観点から、好ましくは100μm以上、より好ましくは200μm以上、より好ましくは300μm以上とすることができる。拡散層201の厚みは、ガス拡散性の向上等の観点から、好ましくは800μm以下、より好ましくは700μm以下とすることができる。活性層202の厚みは、反応持続性、取り扱い性、加工性等の観点から、好ましくは10μm以上、より好ましくは15μm以上とすることができる。活性層202の厚みは、電極反応抵抗の低減等の観点から、好ましくは30μm以下、より好ましくは25μm以下とすることができる。本実施形態では、拡散層201の厚みは、具体的には、400μm、活性層202の厚みは、具体的には、25μmとすることができる。   In addition, the thickness of the diffusion layer 201 is preferably 100 μm or more, more preferably 200 μm or more, and more preferably 300 μm or more, from the viewpoint of securing strength as a support. The thickness of the diffusion layer 201 is preferably 800 μm or less, more preferably 700 μm or less, from the viewpoint of improving gas diffusibility. The thickness of the active layer 202 is preferably 10 μm or more, more preferably 15 μm or more, from the viewpoints of reaction persistence, handleability, workability, and the like. The thickness of the active layer 202 is preferably 30 μm or less, more preferably 25 μm or less, from the viewpoint of reducing electrode reaction resistance. In the present embodiment, the thickness of the diffusion layer 201 can be specifically 400 μm, and the thickness of the active layer 202 can be specifically 25 μm.

燃料電池単セル1において、カソード5の材料としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物などを例示することができる。遷移金属ペロブスカイト型酸化物としては、具体的には、例えば、LaSr1−xCoO系酸化物、LaSr1−xCoFe1−y系酸化物、SmSr1−xCoO系酸化物(但し、上記において、0≦x≦1、0≦y≦1)などを例示することができる。これらは1種または2種以上併用することができる。本実施形態では、カソード5の材料として、具体的には、LaSr1−xCoFe1−y系酸化物(0≦x≦1、0≦y≦1)を用いることができる。 In the fuel cell single cell 1, examples of the material of the cathode 5 include transition metal perovskite oxides. The transition metal perovskite oxide, specifically, for example, La x Sr 1-x CoO 3 based oxide, La x Sr 1-x Co y Fe 1-y O 3 based oxide, Sm x Sr 1 Examples include -x CoO 3 oxides (wherein 0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1). These can be used alone or in combination of two or more. In the present embodiment, as the material of the cathode 5, in particular, be used La x Sr 1-x Co y Fe 1-y O 3 based oxide (0 ≦ x ≦ 1,0 ≦ y ≦ 1) it can.

また、カソード5の厚みは、ガス拡散性、電極反応抵抗、集電性などの観点から、好ましくは20〜100μm、より好ましくは30〜80μmとすることができる。本実施形態では、カソード5の厚みは、具体的には、50μmとすることができる。   Further, the thickness of the cathode 5 is preferably 20 to 100 μm, more preferably 30 to 80 μm, from the viewpoints of gas diffusibility, electrode reaction resistance, current collection, and the like. In the present embodiment, specifically, the thickness of the cathode 5 can be set to 50 μm.

燃料電池単セル1において、中間層4の材料としては、例えば、CeO、または、CeOにGd、Sm、Y、La、Nd、Yb、Ca、および、Hoから選択される1種または2種以上の元素等がドープされたセリア系固溶体等の酸化セリウム系酸化物などを例示することができる。これらは1種または2種以上併用することができる。本実施形態では、中間層4の材料として、具体的には、CeOにGdがドープされたセリア系固溶体を用いることができる。 In the fuel cell unit cell 1, the material of the intermediate layer 4 is, for example, CeO 2 or CeO 2 or one or two selected from Gd, Sm, Y, La, Nd, Yb, Ca, and Ho. Examples thereof include cerium oxide-based oxides such as ceria-based solid solutions doped with more than one element. These can be used alone or in combination of two or more. In this embodiment, specifically, a ceria-based solid solution in which CeO 2 is doped with Gd can be used as the material of the intermediate layer 4.

また、中間層4の厚みは、オーミック抵抗の低減、カソードからの元素拡散の抑制等の観点から、好ましくは1〜20μm、より好ましくは2〜5μmとすることができる。本実施形態では、中間層4の厚みは、具体的には、3μmとすることができる。   Further, the thickness of the intermediate layer 4 is preferably 1 to 20 μm, more preferably 2 to 5 μm, from the viewpoints of reducing ohmic resistance and suppressing element diffusion from the cathode. In the present embodiment, the thickness of the intermediate layer 4 can be specifically set to 3 μm.

燃料電池単セル1は、側面開口222を除いたアノード2の側面221がガス封止可能な緻密体6で覆われている。そのため、燃料電池単セル1は、アノード2の側面221のうち、側面開口222以外の部分から燃料ガスFが漏出するのを抑制することができる。その結果、燃料電池単セル1では、厚み方向流路21内の燃料ガスFの流れと面方向流路22内の燃料ガスFの流れとが整流される。それ故、燃料電池単セル1は、層面開口212から燃料ガスFを供給し、側面開口222から燃料ガスFを排出する、あるいは、側面開口222から燃料ガスFを供給し、層面開口212から燃料ガスFを排出する際における燃料ガスFの供給、排出の効率を向上させることができる。また、燃料電池単セル1は、発電により生じた水蒸気も燃料ガスFと一緒に効率よく排出することができる。したがって、燃料電池単セル1によれば、高電流密度下での運転に有利である。   In the fuel cell single cell 1, the side surface 221 of the anode 2 excluding the side surface opening 222 is covered with a dense body 6 capable of gas sealing. Therefore, the fuel cell single cell 1 can suppress leakage of the fuel gas F from the portion other than the side surface opening 222 in the side surface 221 of the anode 2. As a result, in the single fuel cell 1, the flow of the fuel gas F in the thickness direction flow path 21 and the flow of the fuel gas F in the plane direction flow path 22 are rectified. Therefore, the fuel cell single cell 1 supplies the fuel gas F from the layer surface opening 212 and discharges the fuel gas F from the side surface opening 222, or supplies the fuel gas F from the side surface opening 222 and supplies the fuel from the layer surface opening 212. The efficiency of supply and discharge of the fuel gas F when the gas F is discharged can be improved. Further, the single fuel cell 1 can efficiently discharge the water vapor generated by the power generation together with the fuel gas F. Therefore, the single fuel cell 1 is advantageous for operation under a high current density.

(実施形態2)
実施形態2の燃料電池単セルについて、図8を用いて説明する。なお、実施形態2以降において用いられる符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。
(Embodiment 2)
The fuel cell single cell of Embodiment 2 is demonstrated using FIG. Of the reference numerals used in the second and subsequent embodiments, the same reference numerals as those used in the above-described embodiments represent the same components as those in the above-described embodiments unless otherwise indicated.

図8に例示されるように、本実施形態の燃料電池単セル1では、緻密体6が、固体電解質層3の側面を覆っている。この場合には、アノード2の側面221のうち、側面開口222以外の部分から燃料ガスFが漏出するのを抑制しやすくなる。なお、緻密体6は、固体電解質層3の側面の全てを覆っていてもよいし、固体電解質層3の側面の一部を覆っていてもよい。図8では、後者の場合が示されている。   As illustrated in FIG. 8, in the fuel cell single cell 1 of the present embodiment, the dense body 6 covers the side surface of the solid electrolyte layer 3. In this case, it becomes easy to suppress leakage of the fuel gas F from the portion other than the side surface opening 222 in the side surface 221 of the anode 2. The dense body 6 may cover all of the side surfaces of the solid electrolyte layer 3 or may cover a part of the side surfaces of the solid electrolyte layer 3. FIG. 8 shows the latter case.

また、拡散層201は、複数の面方向流路22以外にも、アノード面方向に沿って配置された複数の面方向副流路23を有することができる。この場合には、アノード2の層面211から燃料ガスFを供給する際に、燃料ガスFが面方向副流路23を通ってアノード面方向に均一に拡散しやすくなる。本実施形態では、具体的には、複数の面方向流路22は活性層202に接しているが、複数の面方向副流路23は活性層202に接していない。また、複数の面方向副流路23は、複数の面方向流路22とは異なる面内に配置されている。より具体的には、複数の面方向副流路23は、厚み方向で互いに離間する複数の面内(図8では、2つの面内)に配置されている。なお、各面内における流路の配置、数は、面方向流路22と同様である。また、図8では、複数の面方向副流路23の両端部がアノード2の側面221に貫通せず、アノード2内に存在している例が示されている。その他の構成、作用効果は、実施形態1と同様である。   Further, the diffusion layer 201 can include a plurality of sub-direction channels 23 arranged along the anode surface direction in addition to the plurality of surface-direction channels 22. In this case, when the fuel gas F is supplied from the layer surface 211 of the anode 2, the fuel gas F easily diffuses uniformly in the anode surface direction through the surface direction sub-channel 23. In the present embodiment, specifically, the plurality of planar flow paths 22 are in contact with the active layer 202, but the multiple planar flow paths 23 are not in contact with the active layer 202. Further, the plurality of surface direction sub-channels 23 are arranged in a different plane from the plurality of surface direction channels 22. More specifically, the plurality of planar sub-channels 23 are arranged in a plurality of planes (two planes in FIG. 8) that are separated from each other in the thickness direction. The arrangement and number of flow paths in each plane are the same as those of the planar flow path 22. Further, FIG. 8 shows an example in which both end portions of the plurality of planar sub-channels 23 do not penetrate the side surface 221 of the anode 2 and exist in the anode 2. Other configurations and operational effects are the same as those of the first embodiment.

(実施形態3)
実施形態3の燃料電池単セルについて、図9を用いて説明する。
(Embodiment 3)
The fuel cell single cell of Embodiment 3 is demonstrated using FIG.

図9に例示されるように、本実施形態の燃料電池単セル1では、緻密体6が、層面開口212を除いたアノード2の層面211を覆っている。つまり、本実施形態では、アノード2の外表面のうち、側面開口222および層面開口212を除いた部分が、全て緻密体6により覆われている。この場合には、側面開口222を除いたアノード2の側面221ばかりでなく、層面開口212を除いたアノード2の層面211からも燃料ガスFが漏出するのを抑制することができる。その他の構成、作用効果は、実施形態1と同様である。   As illustrated in FIG. 9, in the single fuel cell 1 of the present embodiment, the dense body 6 covers the layer surface 211 of the anode 2 excluding the layer surface opening 212. That is, in the present embodiment, the portion of the outer surface of the anode 2 excluding the side surface opening 222 and the layer surface opening 212 is covered with the dense body 6. In this case, the fuel gas F can be prevented from leaking not only from the side surface 221 of the anode 2 excluding the side surface opening 222 but also from the layer surface 211 of the anode 2 excluding the layer surface opening 212. Other configurations and operational effects are the same as those of the first embodiment.

(実験例)
以下、実験例を用いてより具体的に説明する。
<試料1の燃料電池単セル>
−材料準備−
NiO粉末(平均粒子径:1.0μm)と、8YSZ粉末(平均粒子径:0.5μm)と、カーボン(造孔剤)と、ポリビニルブチラールと、酢酸イソアミルおよび1−ブタノールとをボールミルにて混合することによりスラリーを調製した。この際、NiO粉末と8YSZ粉末の質量比は、65:35とした。なお、上記平均粒子径は、レーザー回折・散乱法により測定した体積基準の累積度数分布が50%を示すときの粒子径(直径)d50である(以下、同様)。樹脂製のキャリアシート上に、ドクターブレード法を用いて上記スラリーを層状に塗工し、乾燥させた。これにより、キャリアシート付きの四角形状の未加工シートを準備した。未加工シートの厚みは、100μmである。
(Experimental example)
Hereinafter, it demonstrates more concretely using an experiment example.
<Single fuel cell of sample 1>
-Material preparation-
NiO powder (average particle size: 1.0 μm), 8YSZ powder (average particle size: 0.5 μm), carbon (pore forming agent), polyvinyl butyral, isoamyl acetate and 1-butanol are mixed in a ball mill. A slurry was prepared. At this time, the mass ratio of the NiO powder and the 8YSZ powder was set to 65:35. The average particle diameter is the particle diameter (diameter) d50 when the volume-based cumulative frequency distribution measured by the laser diffraction / scattering method shows 50% (hereinafter the same). The slurry was applied in a layer form on a resin carrier sheet using a doctor blade method and dried. This prepared the square-shaped raw sheet | seat with a carrier sheet. The thickness of the raw sheet is 100 μm.

貫通孔を形成するための突起を有する下型と、突起の先端が嵌合する嵌合穴を有する上型とからなる金型を用い、キャリアシートが下型側となるように下型と上型との間に未加工シートを挟み込んでキャリアシートごと未加工シートを打ち抜き、これを金型から分離した。これにより、複数の貫通孔を有する貫通孔形成シートを形成した。複数の貫通孔は、複数行×複数列、具体的には、70行×70列に配置されている。また、貫通孔の直径は100μm、貫通孔間のピッチは0.9mmである。なお、使用した金型における下型の突起には、シート打ち抜き後の脱型を容易にするため、上方に向かって横断面積が小さくなるようにテーパーが形成されている。   Using a mold consisting of a lower mold having a protrusion for forming a through hole and an upper mold having a fitting hole into which the tip of the protrusion is fitted, the lower mold and the upper mold are placed so that the carrier sheet is on the lower mold side. The raw sheet was sandwiched between the mold and the raw sheet was punched out together with the carrier sheet, which was separated from the mold. Thus, a through hole forming sheet having a plurality of through holes was formed. The plurality of through holes are arranged in a plurality of rows × a plurality of columns, specifically, 70 rows × 70 columns. The diameter of the through holes is 100 μm, and the pitch between the through holes is 0.9 mm. The lower mold protrusion in the used mold is tapered so that the cross-sectional area becomes smaller upward in order to facilitate demolding after sheet punching.

次いで、貫通孔形成シートから上記打ち抜きによって穴の空いたキャリアシートを剥離するとともに、キャリアシートの剥離側とは反対側の面に微粘着性シートを貼り付け、微粘着シートを下側にして配置した。   Next, the punched carrier sheet is peeled off from the through hole forming sheet, and a slightly adhesive sheet is attached to the surface opposite to the peeling side of the carrier sheet, and the slightly adhesive sheet is placed on the lower side. did.

次いで、アクリルビーズ、エチルセルロース、テルピネオール、分散剤、レベリング剤、沈降防止剤をプラネタリーミキサーにて撹拌した後、三本ロールにて混合することにより、消失剤ペーストを調製した。なお、消失剤ペーストには、他にも、Ag、Fe、CuO、MoO、Co、ZnOからなる群より選択される少なくとも1種を含有させることができる。この場合には、流路壁面に析出した上記元素、化合物により燃料ガスF中に含まれうるS分を捕捉することが可能となり、触媒の被毒によるアノードの失活を抑制することが可能となる。また、消失剤ペーストには、他にも、TiO、SiO、および、フッ素化合物からなる群より選択される少なくとも1種を含有させることができる。この場合には、流路壁面に析出した上記化合物により、撥水効果を付与することが可能となり、アノード反応により生じた水蒸気による流路の閉塞を抑制しやすくなる。 Next, after the acrylic beads, ethyl cellulose, terpineol, dispersant, leveling agent, and anti-settling agent were stirred with a planetary mixer, they were mixed with three rolls to prepare a vanishing agent paste. Note that the loss paste, Additional, Ag, Fe 2 O 3, CuO, may contain MoO 3, Co 3 O 4, at least one selected from the group consisting of ZnO. In this case, it becomes possible to capture the S component that can be contained in the fuel gas F by the elements and compounds deposited on the channel wall surface, and to suppress the deactivation of the anode due to catalyst poisoning. Become. In addition, the extinguishing agent paste may contain at least one selected from the group consisting of TiO 2 , SiO 2 , and fluorine compounds. In this case, the compound deposited on the channel wall surface can impart a water repellency effect, and it is easy to suppress blockage of the channel due to water vapor generated by the anode reaction.

次いで、微粘着性シート上の貫通孔形成シートにおける各貫通孔内に、スクリーン印刷法を用いて消失剤ペーストを充填し、乾燥させた。その後、微粘着性シートを剥離した。これにより、四角形状の加工シートAを形成した。   Subsequently, the vanishing agent paste was filled into each through-hole in the through-hole forming sheet on the slightly adhesive sheet using a screen printing method and dried. Thereafter, the slightly adhesive sheet was peeled off. Thereby, the square-shaped processed sheet A was formed.

加工シートAの表面に、スクリーン印刷法を用いて消失剤ペーストをパターン印刷することにより、加工シートBを形成した。加工シートBに形成した印刷パターンは、等間隔で並ぶ70本の線状ペーストより構成される線状パターンであり、面方向流路を形成するためのものである。なお、各線状ペーストは、各貫通孔と重ならないように各貫通孔の間に配置されている。各線状ペーストの線幅は125μm、線間ピッチは0.9mm、線厚みは55μmである。また、各線状ペーストの一方側端部は、加工シートBの端面に接しておらず、各線状ペーストの他方側端部は、加工シートBの上記端面と反対側の端面に接している。   A processed sheet B was formed on the surface of the processed sheet A by pattern printing of the disappearing agent paste using a screen printing method. The printed pattern formed on the processed sheet B is a linear pattern composed of 70 linear pastes arranged at equal intervals, and is for forming a planar flow path. In addition, each linear paste is arrange | positioned between each through-hole so that it may not overlap with each through-hole. Each linear paste has a line width of 125 μm, a line-to-line pitch of 0.9 mm, and a line thickness of 55 μm. Moreover, the one side edge part of each linear paste is not in contact with the end surface of the processed sheet B, and the other side edge part of each linear paste is in contact with the end surface on the opposite side to the end surface of the processed sheet B.

NiO粉末(平均粒子径:1.0μm)と、8YSZ粉末(平均粒子径:0.2μm)と、カーボンと、ポリビニルブチラールと、酢酸イソアミルおよび1−ブタノール(混合溶媒)とをボールミルにて混合することによりスラリーを調製した。この際、NiO粉末と8YSZ粉末の質量比は、65:35とした。ドクターブレード法を用いて、樹脂シート上に上記スラリーを層状に塗工し、乾燥させた後、樹脂シートを剥離することにより、四角形状の活性層形成用シートを準備した。活性層形成用シートの厚みは、30μmとした。なお、活性層形成用シートにおけるカーボン量は、加工シートAと比較して少量とされている。   NiO powder (average particle size: 1.0 μm), 8YSZ powder (average particle size: 0.2 μm), carbon, polyvinyl butyral, isoamyl acetate and 1-butanol (mixed solvent) are mixed in a ball mill. A slurry was prepared. At this time, the mass ratio of the NiO powder and the 8YSZ powder was set to 65:35. Using the doctor blade method, the slurry was applied in layers on a resin sheet, dried, and then the resin sheet was peeled off to prepare a square active layer forming sheet. The thickness of the active layer forming sheet was 30 μm. Note that the amount of carbon in the active layer forming sheet is smaller than that of the processed sheet A.

8YSZ粉末(平均粒子径:0.5μm)と、ポリビニルブチラールと、酢酸イソアミルおよび1−ブタノールとをボールミルにて混合することによりスラリーを調製した。ドクターブレード法を用いて、樹脂シート上に上記スラリーを層状に塗工し、乾燥させた後、樹脂シートを剥離することにより、四角形状の固体電解質層形成用シートを準備した。固体電解質層形成用シートの厚みは、5μmとした。   A slurry was prepared by mixing 8YSZ powder (average particle size: 0.5 μm), polyvinyl butyral, isoamyl acetate and 1-butanol with a ball mill. Using the doctor blade method, the slurry was applied in layers on a resin sheet, dried, and then the resin sheet was peeled off to prepare a rectangular solid electrolyte layer forming sheet. The thickness of the solid electrolyte layer forming sheet was 5 μm.

10mol%のGdがドープされたCeO(10GDC)粉末(平均粒子径:0.3μm)と、ポリビニルブチラールと、酢酸イソアミル、2−ブタノールおよびエタノールとをボールミルにて混合することによりスラリーを調製した。ドクターブレード法を用いて、樹脂シート上に上記スラリーを層状に塗工し、乾燥させた後、樹脂シートを剥離することにより、四角形状の中間層形成用シートを準備した。中間層形成用シートの厚みは、4μmとした。 A slurry was prepared by mixing CeO 2 (10GDC) powder (average particle size: 0.3 μm) doped with 10 mol% Gd, polyvinyl butyral, isoamyl acetate, 2-butanol and ethanol with a ball mill. . Using the doctor blade method, the slurry was applied in layers on a resin sheet, dried, and then the resin sheet was peeled off to prepare a rectangular intermediate layer forming sheet. The thickness of the intermediate layer forming sheet was 4 μm.

LSC(La0.6Sr0.4CoO)粉末(平均粒子径:2.0μm)と、エチルセルロースと、テルピネオールとを3本ロールにて混合することにより、カソード形成用ペーストを準備した。 A cathode forming paste was prepared by mixing LSC (La 0.6 Sr 0.4 CoO 3 ) powder (average particle size: 2.0 μm), ethyl cellulose, and terpineol with three rolls.

―セル作製―
加工シートA、加工シートA、加工シートA、加工シートB、活性層形成用シート、固体電解質層形成用シート、および、中間層形成用シートをこの順に積層し、圧着することにより、積層体を得た。なお、各加工シートは、それぞれ貫通孔の位置を合わせて積層した。積層された貫通孔により厚み方向流路を構成するためである。また、積層体の四つの端面のうちの一つには、線状ペーストの端部が露出している。拡散層の側面に側面開口を形成するためである。また、圧着には、CIP成形法を用いた。CIP成形条件は、温度80℃、加圧力50MPa、加圧時間10分という条件とした。また、上記圧着後、積層体を脱脂した。
-Cell fabrication-
By laminating processed sheet A, processed sheet A, processed sheet A, processed sheet B, active layer forming sheet, solid electrolyte layer forming sheet, and intermediate layer forming sheet in this order, and press-bonding, a laminate is obtained. Obtained. Each processed sheet was laminated with the positions of the through holes aligned. This is because the thickness direction flow path is constituted by the stacked through holes. Moreover, the edge part of a linear paste is exposed to one of the four end surfaces of a laminated body. This is because a side opening is formed on the side surface of the diffusion layer. In addition, a CIP molding method was used for pressure bonding. The CIP molding conditions were a temperature of 80 ° C., a pressing force of 50 MPa, and a pressing time of 10 minutes. Moreover, the laminated body was degreased after the pressure bonding.

次いで、上記積層体を1350℃で2時間焼成した。これにより、拡散層(350μm)、活性層(25μm)、固体電解質層(4μm)、および、中間層(3μm)がこの順に積層された焼結体を得た。なお、上記焼成により、消失剤ペーストは消失し、拡散層には、図1〜図7に例示されるように、積層された貫通孔に対応した厚み方向流路、線状パターンに対応した面方向流路がそれぞれ形成された。   Next, the laminate was fired at 1350 ° C. for 2 hours. As a result, a sintered body was obtained in which a diffusion layer (350 μm), an active layer (25 μm), a solid electrolyte layer (4 μm), and an intermediate layer (3 μm) were laminated in this order. In addition, by the said baking, a vanishing agent paste lose | disappears, and the surface corresponding to the thickness direction flow path corresponding to the laminated | stacked through-hole, and a linear pattern in a diffused layer so that it may be illustrated in FIGS. Each directional flow path was formed.

次いで、上記焼結体における側面開口を除いたアノードの側面、および、固体電解質層の側面に、ディップコート法を用いて、結晶化ガラス材料を塗布した。その後、これを850℃で2時間焼付けることより、結晶化ガラスよりなる緻密体を形成した。緻密体の厚みは、8μmであり、緻密体の線熱膨張係数は、5×10−6〜20×10−6/Kの範囲内にある。 Next, a crystallized glass material was applied to the side surface of the anode excluding the side surface opening in the sintered body and the side surface of the solid electrolyte layer using a dip coating method. Thereafter, this was baked at 850 ° C. for 2 hours to form a dense body made of crystallized glass. The thickness of the dense body is 8 μm, and the linear thermal expansion coefficient of the dense body is in the range of 5 × 10 −6 to 20 × 10 −6 / K.

次いで、上記焼結体における中間層の表面に、カソード形成用ペーストをスクリーン印刷法により塗布し、950℃で2時間焼付けることにより、層状のカソード(50μm)を形成した。これにより、試料1の燃料電池単セルを得た。   Next, a cathode forming paste was applied to the surface of the intermediate layer in the sintered body by a screen printing method and baked at 950 ° C. for 2 hours to form a layered cathode (50 μm). Thus, a fuel cell single cell of Sample 1 was obtained.

本発明は、上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。また、各実施形態に示される各構成は、任意に組み合わせることができる。実施形態2において、拡散層201は、面方向副流路23を有していなくてもよい。実施形態3において、緻密体6は、固体電解質層3の側面を覆っていてもよい。   The present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Moreover, each structure shown by each embodiment can be combined arbitrarily. In the second embodiment, the diffusion layer 201 may not have the surface direction sub-channel 23. In the third embodiment, the dense body 6 may cover the side surface of the solid electrolyte layer 3.

1 燃料電池単セル
2 アノード
21 厚み方向流路
211 層面
212 層面開口
22 面方向流路
221 側面
222 側面開口
3 固体電解質層
5 カソード
6 緻密体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell single cell 2 Anode 21 Thickness direction flow path 211 Layer surface 212 Layer surface opening 22 Surface direction flow path 221 Side surface 222 Side surface opening 3 Solid electrolyte layer 5 Cathode 6 Dense body

Claims (6)

アノード(2)と固体電解質層(3)とカソード(5)とを有し、上記アノードを支持体とする平板形の燃料電池単セル(1)であって、
上記アノードは、アノード厚み方向に沿って配置され、上記固体電解質層側と反対側の層面(211)に層面開口(212)を備える複数の厚み方向流路(21)と、アノード面方向に沿って配置され、上記アノードの側面(221)に側面開口(222)を備える複数の面方向流路(22)とを内部に有しており、
上記側面開口を除いた上記アノードの側面がガス封止可能な緻密体(6)で覆われている、燃料電池単セル(1)。
A flat fuel cell unit cell (1) having an anode (2), a solid electrolyte layer (3), and a cathode (5), and using the anode as a support,
The anode is arranged along the anode thickness direction, and has a plurality of thickness direction channels (21) having a layer surface opening (212) on the layer surface (211) opposite to the solid electrolyte layer side, and the anode surface direction. A plurality of planar flow paths (22) provided with side openings (222) on the side surface (221) of the anode,
A fuel cell single cell (1) in which the anode side surface excluding the side opening is covered with a gas-sealable dense body (6).
上記緻密体の線熱膨張係数は、5×10−6〜20×10−6/Kの範囲内にある、請求項1に記載の燃料電池単セル。 2. The fuel cell single cell according to claim 1, wherein the dense body has a linear thermal expansion coefficient in a range of 5 × 10 −6 to 20 × 10 −6 / K. 上記緻密体の厚みは、上記固体電解質層の厚み以上である、請求項1または2に記載の燃料電池単セル。   3. The fuel cell single cell according to claim 1, wherein a thickness of the dense body is equal to or greater than a thickness of the solid electrolyte layer. 上記緻密体は、さらに、上記固体電解質層の側面を覆っている、請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池単セル。   The fuel cell unit cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the dense body further covers a side surface of the solid electrolyte layer. 上記緻密体は、さらに、上記層面開口を除いた上記アノードの層面を覆っている、請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池単セル。   The fuel cell unit cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the dense body further covers a layer surface of the anode excluding the layer surface opening. 上記アノードは、上記アノードに供給される燃料ガス(F)を層面内に拡散させる拡散層(201)と、該拡散層の上記固体電解質層側に配置され、アノード反応の場となる活性層(202)とを有しており、
上記厚み方向流路および上記面方向流路は、上記拡散層に含まれている、請求項1〜5のいずれか1項に記載の燃料電池単セル。
The anode includes a diffusion layer (201) for diffusing the fuel gas (F) supplied to the anode in a layer surface, and an active layer (disposed on the solid electrolyte layer side of the diffusion layer) and serving as an anode reaction field ( 202)
The fuel cell single cell according to any one of claims 1 to 5, wherein the thickness direction flow path and the planar direction flow path are included in the diffusion layer.
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