JP2020030991A - Solid oxide fuel cell - Google Patents

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Abstract

To provide a high-performance solid oxide fuel cell that maintains high electron conductivity required for a current collector layer while improving sulfur poisoning resistance in order to solve a problem of sulfur poisoning of an air electrode layer of a fuel cell by sulfur contained in air for power generation.SOLUTION: In a solid oxide fuel cell in which a fuel electrode layer and an air electrode layer are stacked with a solid oxide electrolyte layer interposed, a current-collecting layer containing silver is provided on the outer surface of the air electrode layer, and the current-collecting layer contains a perovskite-type oxide containing an alkaline earth metal, and the perimeter/area of the gas phase is 5.0 μmor more.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、原料ガスを改質して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する固体酸化物形燃料電池セルに関する。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell that generates power by a reaction between a fuel gas obtained by reforming a source gas and an oxidizing gas.

固体酸化物形燃料電池装置(Solid Oxide Fuel Cell:以下「SOFC」とも言う)は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付けた固体酸化物形燃料電池セルを複数モジュール容器内に配設し、その固体酸化物形燃料電池セルの一方の電極(燃料極)に燃料ガスを供給し、他方の電極(空気極)に酸化剤ガス(空気、酸素等)を供給することで発電反応により発電する電力を取り出す装置である。高分子電解質形燃料電池装置等の他の燃料電池装置に対して、例えば600〜1000℃程度の比較的高温で動作する。   A solid oxide fuel cell device (Solid Oxide Fuel Cell: hereinafter also referred to as “SOFC”) uses an oxide ion conductive solid electrolyte as an electrolyte and has a plurality of solid oxide fuel cells having electrodes attached to both sides thereof. It is arranged in a module container, and supplies fuel gas to one electrode (fuel electrode) and oxidant gas (air, oxygen, etc.) to one electrode (air electrode) of the solid oxide fuel cell. This is a device that takes out the power generated by the power generation reaction. It operates at a relatively high temperature of, for example, about 600 to 1000 ° C. with respect to other fuel cell devices such as a polymer electrolyte fuel cell device.

ここで一般に、固体酸化物形燃料電池装置に供給する酸化剤ガス中には、SO2等の硫黄化合物が含まれている。この硫黄化合物が空気極と反応することにより、空気極の触媒活性が低下してしまうという、いわゆる空気極の硫黄被毒の問題が知られている。酸化剤ガスとして大気中の空気を用いることが一般的であるため、特に硫黄化合物を多量に含有する自動車の排気ガスや硫黄ガスが放出される幹線道路沿いや温泉地等の設置場所においては、空気極の劣化が加速することになる。この対策として、固体酸化物形燃料電池装置内において酸化剤ガスに含まれる硫黄化合物が空気極に到達しないように、硫黄フィルターを取り付けることが考えられる。しかし、装置価格の上昇やメンテナンスの負荷の増大に鑑み、フィルターレスの装置構成で空気極の硫黄被毒の問題を解決することが求められてきた。 Here, in general, the oxidizing gas supplied to the solid oxide fuel cell device contains a sulfur compound such as SO 2 . It is known that the sulfur compound reacts with the air electrode to reduce the catalytic activity of the air electrode, that is, a problem of sulfur poisoning of the air electrode. Since it is common to use air in the atmosphere as the oxidizing gas, especially in locations where high levels of sulfur compounds such as automobile exhaust gas and sulfur gas are released along arterial roads and hot springs, The deterioration of the cathode will be accelerated. As a countermeasure, it is conceivable to attach a sulfur filter so that a sulfur compound contained in the oxidizing gas does not reach the air electrode in the solid oxide fuel cell device. However, in view of an increase in apparatus price and an increase in maintenance load, it has been required to solve the problem of sulfur poisoning of the air electrode by using a filterless apparatus configuration.

特別な硫黄フィルターを設けずに問題を解決するために、特許文献1では空気極層を電極反応層とSOx吸着層と集電層との3層構造とすることで、SOx吸着層により空気中のSOxを選択的に吸着するとともに、触媒活性機能と電子導電性の確保を両立することができることが記載されている。 To solve the problem without providing a special sulfur filter, by a three-layer structure of the Patent Document 1 to the air electrode layer electrode reaction layer and the SO x adsorption layer and the current collecting layer, the SO x adsorption layer while selectively adsorb sO x in the air, it is described that can achieve both the ensuring of catalytic activity function and electron conductivity.

特開2016−177987号公報JP-A-2006-177987

上述した特許文献1に記載のSOx吸着層は、La0.5Sr0.5CoO3に例示されるアルカリ土類金属(Sr)を含有する酸化物で構成される。SOx吸着層はアルカリ土類金属により空気中の硫黄化合物を選択的に吸着させるために別途設けた機能層であるため、硫黄被毒の影響がなければ本来設けることを回避したい層である。すなわち、電極反応層と集電層との間に酸化物でなるSOx吸着層を追加挿入することで、電極反応層から集電層への電子の伝導経路に抵抗成分が加わるため、燃料電池セルにおいて電流取出効率が低下してしまう。特に一般的な固体酸化物形燃料電池装置においては、燃料電池セルひとつでは出力可能な電圧は1V程度に限られるため、これらを複数直列的に接続することで必要な出力を確保している。このため、SOx吸着層の挿入により生じる抵抗成分が直列回路中で加算されることとなるため、固体酸化物形燃料電池セルを複数電気的に接続したセルスタックにおいては、抵抗成分の増加による電流取出効率の低下が顕著となる。 The SO x adsorption layer described in Patent Document 1 described above is composed of an oxide containing an alkaline earth metal (Sr) exemplified by La 0.5 Sr 0.5 CoO 3 . The SO x adsorbing layer is a separately provided functional layer for selectively adsorbing sulfur compounds in the air by the alkaline earth metal. Therefore, the SO x adsorbing layer should not be provided unless there is an influence of sulfur poisoning. That is, by additionally inserting an SO x adsorption layer made of an oxide between the electrode reaction layer and the current collecting layer, a resistance component is added to a conduction path of electrons from the electrode reaction layer to the current collecting layer. The current extraction efficiency is reduced in the cell. Particularly, in a general solid oxide fuel cell device, a voltage that can be output by one fuel cell is limited to about 1 V, and a necessary output is secured by connecting a plurality of these in series. For this reason, since the resistance component generated by the insertion of the SO x adsorption layer is added in the series circuit, in a cell stack in which a plurality of solid oxide fuel cells are electrically connected, the resistance component is increased. The reduction in current extraction efficiency becomes significant.

そこで本発明は、発電用の空気に含有する硫黄による固体酸化物形燃料電池セルの空気極層の硫黄被毒の課題を解決するために、硫黄被毒耐性を向上させつつ、集電層に必要とされる電子伝導性を高く保ち、高性能な固体酸化物形燃料電池セルを提供するものである。   In order to solve the problem of sulfur poisoning of the air electrode layer of the solid oxide fuel cell by the sulfur contained in the air for power generation, the present invention improves the sulfur poisoning resistance while improving the sulfur poisoning resistance. An object of the present invention is to provide a high-performance solid oxide fuel cell maintaining high required electron conductivity.

発明者は、原料粒子径の調整及びペロブスカイト型酸化物の添加量の調整により、空気透過性を確保しつつ、集電層において導電性能と硫黄捕集性能とを両立させることに想到した。   The inventor of the present invention has conceived that by adjusting the particle diameter of the raw material and the amount of the perovskite-type oxide added, it is possible to achieve both the conductive performance and the sulfur collecting performance in the current collecting layer while securing air permeability.

すなわち、本発明にかかる固体酸化物形燃料電池セルの一態様は、固体酸化物形の電解質層を間に挟んで燃料極層と空気極層とが積層された固体酸化物形燃料電池セルにおいて、空気極層の外表面に集電層を有し、集電層は、アルカリ土類金属を含むペロブスカイト型酸化物を含み、気相の周囲長/面積が5.0μm-1以上であるものである。 That is, one embodiment of the solid oxide fuel cell according to the present invention is a solid oxide fuel cell in which a fuel electrode layer and an air electrode layer are stacked with a solid oxide electrolyte layer interposed therebetween. Having a current collecting layer on the outer surface of the air electrode layer, the current collecting layer containing a perovskite oxide containing an alkaline earth metal, and having a perimeter / area of the gas phase of 5.0 μm −1 or more. It is.

本態様によれば、固体酸化物形燃料電池セルの電流取出効率を低下させることなく集電性能を維持したまま、且つ空気透過性を確保しつつ、硫黄化合物の捕集機能を付加することができる。このため、性能の低下なく耐久性の高い固体酸化物形燃料電池セルを提供することができる。気相の周囲長/面積が5.0μm-1未満になると、空気に含まれる硫黄が吸着除去されることなく空気極に達するショートパスの発生確率が高くなり、その結果、空気極と硫黄が反応して空気極の触媒活性が低下してしまう。 According to this aspect, it is possible to add a sulfur compound collection function while maintaining current collection performance without lowering the current extraction efficiency of the solid oxide fuel cell and ensuring air permeability. it can. Therefore, it is possible to provide a solid oxide fuel cell having high durability without deterioration in performance. When the perimeter / area of the gas phase is less than 5.0 μm −1 , the probability of occurrence of a short path reaching the air electrode without adsorbing and removing sulfur contained in the air increases, and as a result, the air electrode and sulfur The reaction causes a reduction in the catalytic activity of the air electrode.

なお本明細書において示す固体酸化物形燃料電池セルは、燃料極層、電解質層、空気極層及び集電層を含むものであるが、その他の構成を除外するものでなく、例えば電解質層と空気極層との間に構成材料間の反応を防止するための反応防止層が設けられていてもよい。   Note that the solid oxide fuel cell described in this specification includes a fuel electrode layer, an electrolyte layer, an air electrode layer, and a current collecting layer, but does not exclude other configurations, for example, an electrolyte layer and an air electrode. A reaction preventing layer for preventing a reaction between constituent materials may be provided between the layer and the layer.

また本発明の一態様においては、集電層は1層のみからなることが好ましい。   In one embodiment of the present invention, the current collecting layer preferably includes only one layer.

例えば、SOx吸着層を、LSCFを多く含む層(LSCFの熱膨張15.4×10-6/℃)で形成し、集電層を、Agを多く含む層(Agの熱膨張係数24×10-6/℃)で形成した場合、熱膨張差により界面に大きな応力が発生し剥離を起こしやすくなる。1層にすることで信頼性を高くすることができる。 For example, the SO x adsorption layer is formed of a layer containing a large amount of LSCF (LSCF having a thermal expansion of 15.4 × 10 −6 / ° C.), and the current collecting layer is formed of a layer containing a large amount of Ag (Ag having a thermal expansion coefficient of 24 ×). When formed at a temperature of 10 −6 / ° C.), a large stress is generated at the interface due to a difference in thermal expansion, so that peeling is likely to occur. With one layer, reliability can be increased.

また本発明の一態様においては、集電層の気孔率は40%以下であることが好ましい。   In one embodiment of the present invention, the porosity of the current collecting layer is preferably 40% or less.

気孔率が大きくなりすぎると、空気に含まれる硫黄が吸着除去されることなく空気極に達するショートパスの発生確率が高くなり、その結果、空気極と硫黄が反応して空気極の触媒活性が低下してしまう。集電層の気孔率を40%以下にすることによりショートパスの発生を抑制することができる。また、より好ましくは、集電層の気孔率は33%以下であり、これにより高い導電率を得ることができる。   If the porosity becomes too large, the probability of occurrence of a short path reaching the air electrode without adsorbing and removing sulfur contained in the air increases, and as a result, the air electrode reacts with sulfur to increase the catalytic activity of the air electrode. Will drop. By setting the porosity of the current collecting layer to 40% or less, occurrence of a short path can be suppressed. Also, more preferably, the porosity of the current collecting layer is 33% or less, whereby high conductivity can be obtained.

発電用の空気に含有する硫黄による固体酸化物形燃料電池セルの空気極層の硫黄被毒の課題を解決するために、空気極層の上層に設ける集電層中に硫黄捕集機能が設けられるとともに、集電層本来の導通機能を確保された、耐久性の高い固体酸化物形燃料電池セルを提供することができる。   In order to solve the problem of sulfur poisoning of the air electrode layer of the solid oxide fuel cell by the sulfur contained in the air for power generation, a sulfur collection function was provided in the current collector layer provided above the air electrode layer. In addition, it is possible to provide a highly durable solid oxide fuel cell unit that secures the original conduction function of the current collecting layer.

本発明の固体酸化物形燃料電池セルの断面の一態様を示す模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing one embodiment of a cross section of a solid oxide fuel cell unit of the present invention. 固体酸化物形燃料電池システムを示す全体構成図である。1 is an overall configuration diagram showing a solid oxide fuel cell system. 固体酸化物形燃料電池システムの固体酸化物形燃料電池モジュールを示す側面断面図である。FIG. 2 is a side sectional view showing a solid oxide fuel cell module of the solid oxide fuel cell system. 固体酸化物形燃料電池システムの固体酸化物形燃料電池セルスタックを示す斜視図である。FIG. 2 is a perspective view showing a solid oxide fuel cell stack of the solid oxide fuel cell system. 固体酸化物形燃料電池システムの固体酸化物形燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。FIG. 2 is a partial cross-sectional view showing a solid oxide fuel cell unit of the solid oxide fuel cell system. 図3のIII−III線に沿う断面図である。FIG. 3 is a sectional view taken along line III-III in FIG. 3.

以下では、本明細書に開示する発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。以下の説明から、当業者にとって、本発明の多くの改良や他の実施の形態が明らかである。従って、以下の説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び/又は機能の詳細を実質的に変更することができる。   Hereinafter, embodiments of the invention disclosed in this specification will be described in detail with reference to the drawings. From the following description, many modifications and other embodiments of the present invention are obvious to one skilled in the art. Accordingly, the following description is to be construed as illustrative only and is provided for the purpose of teaching those skilled in the art the best mode of carrying out the invention. Details of its structure and / or function may be substantially changed without departing from the spirit of the invention.

本発明の固体酸化物形燃料電池セルの形状は、特定のものに限定されるものではなく、例えば円筒、板状、内部にガス流路を複数形成した中空板状などであってもよい。好ましくは、筒状形状を有する固体酸化物形燃料電池セルである。   The shape of the solid oxide fuel cell of the present invention is not limited to a specific shape, and may be, for example, a cylinder, a plate, or a hollow plate having a plurality of gas channels formed therein. Preferably, it is a solid oxide fuel cell having a cylindrical shape.

本発明にかかる固体酸化物形燃料電池セルは、固体酸化物形の電解質層を間に挟んで燃料極層と空気極層とが積層された固体酸化物形燃料電池セルにおいて、空気極層の外表面に集電層を有し、集電層は、アルカリ土類金属を含むペロブスカイト型酸化物を含み、気相の周囲長/面積が5.0μm-1以上であるものである。 The solid oxide fuel cell according to the present invention is a solid oxide fuel cell in which a fuel electrode layer and an air electrode layer are laminated with a solid oxide electrolyte layer interposed therebetween, A current collecting layer is provided on the outer surface, and the current collecting layer contains a perovskite-type oxide containing an alkaline earth metal and has a perimeter / area of a gas phase of 5.0 μm −1 or more.

[燃料極層]
燃料極層は、例えば、Niと、CaやY、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Niと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Niと、Sr、Mg、Co、Fe、Cuから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレートとの混合体、の少なくとも一種から形成される。
[Fuel electrode layer]
The fuel electrode layer is, for example, a mixture of Ni and zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Ca, Y and Sc, and a mixture of Ni and ceria doped with at least one selected from rare earth elements. And a mixture of Ni and lanthanum gallate doped with at least one selected from Sr, Mg, Co, Fe and Cu.

なお、本明細書において燃料極層は、供給された水素を含有する燃料ガスから含有されるNi等の金属触媒によって水素イオンを生成する燃料極触媒層や、燃料極触媒層等の機能層を積層するための支持体を含むものであってもよい。例えば燃料極層は、導電性支持体とその外表面に形成された燃料極触媒層との積層体であってもよく、絶縁性支持体とその外表面に形成された燃料極触媒層との積層体であってもよい。なお、絶縁支持体を用いる場合、燃料極触媒層との間に燃料極集電層(単に燃料極もしくは燃料極側導電層とも呼ばれる)が配置される。さらに燃料極層の機能の向上や耐久性の向上のために別途設けられた中間層や濃度傾斜層等を含む積層構造体であってもよい。   In the present specification, the fuel electrode layer refers to a fuel electrode catalyst layer that generates hydrogen ions by a metal catalyst such as Ni contained from a supplied hydrogen-containing fuel gas, or a functional layer such as a fuel electrode catalyst layer. It may include a support for lamination. For example, the fuel electrode layer may be a laminate of a conductive support and a fuel electrode catalyst layer formed on the outer surface thereof, or a laminate of the insulating support and the fuel electrode catalyst layer formed on the outer surface thereof. It may be a laminate. When an insulating support is used, a fuel electrode current collecting layer (also simply referred to as a fuel electrode or a fuel electrode side conductive layer) is arranged between the fuel electrode catalyst layer and the fuel electrode catalyst layer. Further, a laminated structure including an intermediate layer, a concentration gradient layer, and the like separately provided for improving the function and durability of the fuel electrode layer may be used.

同様に、電解質層及び空気極層も、これらの機能の向上や耐久性向上のために別途設けられた中間層や濃度傾斜層等を含む積層構造体であってもよい。   Similarly, the electrolyte layer and the air electrode layer may be a laminated structure including an intermediate layer, a concentration gradient layer, and the like separately provided for improving these functions and improving durability.

[電解質層]
電解質層は、燃料極層の外周面に沿って全周にわたって形成されており、下端は燃料極層の下端よりも上方で終端し、上端は燃料極層の上端よりも下方で終端している。電解質層は、例えば、Y、Sc等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Sr、Mgから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。
[Electrolyte layer]
The electrolyte layer is formed over the entire circumference along the outer peripheral surface of the fuel electrode layer, with the lower end terminating above the lower end of the fuel electrode layer and the upper end terminating below the upper end of the fuel electrode layer. . The electrolyte layer is, for example, zirconia doped with at least one selected from rare earth elements such as Y and Sc, ceria doped with at least one selected from rare earth elements, lanthanum gallate doped with at least one selected from Sr and Mg, It is formed from at least one.

電解質層は、Sr及びMgがドープされたランタンガレート系酸化物であることが好ましく、より好適には一般式La1-aSraGa1-b-cMgbCoc3(但し、0.05≦a≦0.3、0<b<0.3、0≦c≦0.15)で表されるランタンガレート系酸化物(LSGM)である。固体酸化物形燃料電池装置に用いる燃料電池セルの電解質層としてLSGMを用いる場合、LSGMの特徴である600℃〜700℃という比較的低温の作動温度領域において、空気極層と硫黄化合物との反応が特に顕著である。本発明の一態様においては、LSGMを用いた場合であっても空気極の硫黄被毒を十分抑制することができるため、固体酸化物形燃料電池装置として総合的に高いエネルギー効率を得ることができる。なお、電解質層は、微量成分として、上記に示した材料以外の成分を含んでいても良い。 The electrolyte layer is preferably Sr and Mg are doped lanthanum gallate-based oxide, more preferably the general formula La 1-a Sr a Ga 1 -bc Mg b Co c O 3 ( where 0.05 ≦ a ≦ 0.3, 0 <b <0.3, 0 ≦ c ≦ 0.15) is a lanthanum gallate-based oxide (LSGM). When LSGM is used as an electrolyte layer of a fuel cell used in a solid oxide fuel cell device, a reaction between an air electrode layer and a sulfur compound in a relatively low operating temperature range of 600 ° C. to 700 ° C. which is a characteristic of LSGM. Is particularly remarkable. In one embodiment of the present invention, even when LSGM is used, sulfur poisoning of the air electrode can be sufficiently suppressed, so that high overall energy efficiency can be obtained as a solid oxide fuel cell device. it can. The electrolyte layer may contain components other than the above-described materials as trace components.

[空気極層]
空気極層は、電解質層の外周面に沿って全周にわたって形成されており、下端は電解質層の下端よりも上方で終端し、上端は電解質層の上端よりも下方で終端している。
[Air electrode layer]
The air electrode layer is formed over the entire circumference along the outer peripheral surface of the electrolyte layer, with the lower end ending above the lower end of the electrolyte layer and the upper end ending below the upper end of the electrolyte layer.

空気極層は、集電層が含有するアルカリ土類金属と同一のアルカリ土類金属を含むペロブスカイト型酸化物を含有することが好ましい。集電層と、空気極層とにおいて同一のアルカリ土類金属を用いることで、集電層と空気極層との密着性を向上させることができ、膜剥がれを抑止して燃料電池セルの耐久性を向上させることができる。アルカリ土類金属としては、ストロンチウム(Sr)、カルシウム(Ca)およびバリウム(Ba)から選択される一種以上を用いることができる。   The air electrode layer preferably contains a perovskite oxide containing the same alkaline earth metal as the alkaline earth metal contained in the current collecting layer. By using the same alkaline earth metal for the current collecting layer and the air electrode layer, it is possible to improve the adhesion between the current collecting layer and the air electrode layer, prevent film peeling, and improve the durability of the fuel cell. Performance can be improved. As the alkaline earth metal, at least one selected from strontium (Sr), calcium (Ca), and barium (Ba) can be used.

空気極層に含まれるアルカリ土類金属は、ペロブスカイト型酸化物として含有されていることが好ましい。ペロブスカイト型酸化物としては、La1-xSrxCoO3(但し、x=0.1〜0.3)及びLaCo1-xNix3(但し、x=0.1〜0.6)などのランタンコバルト系酸化物、(La、Sr)FeO3系と(La、Sr)CoO3系の固溶体であるランタンコバルトフェライト系酸化物(La1-mSrmCo1-nFen3(但し、0.05<m<0.50、0≦n≦1))、サマリウム及びコバルトを含むサマリウムコバルト系酸化物(Sm0.5Sr0.5CoO3)などが挙げられる。好ましくは、ランタンストロンチウムコバルタイトフェライト(LSCF)である。 The alkaline earth metal contained in the air electrode layer is preferably contained as a perovskite oxide. As perovskite oxides, La 1-x Sr x CoO 3 (where x = 0.1-0.3) and LaCo 1-x Ni x O 3 (where x = 0.1-0.6) lanthanum cobalt oxides such as, (La, Sr) FeO 3 system and (La, Sr) CoO 3 lanthanum cobalt ferrite-based oxide is a solid solution of (La 1-m Sr m Co 1-n Fe n O 3 (However, 0.05 <m <0.50, 0 ≦ n ≦ 1)) and samarium-cobalt-based oxides containing samarium and cobalt (Sm 0.5 Sr 0.5 CoO 3 ). Preferably, it is lanthanum strontium cobaltite ferrite (LSCF).

空気極層の膜厚は、10μm以上60μm以下であることが好ましく、10μm以上45μm以下であることが更に好ましい。これにより、電極活性領域が確保されるため、高い性能が得られる。また、製造時の焼成収縮に伴う界面剥離を防止できる。さらに、下地層との密着性を高くでき、高いセル性能を得ることができる。   The thickness of the air electrode layer is preferably from 10 μm to 60 μm, more preferably from 10 μm to 45 μm. As a result, an electrode active region is secured, and high performance is obtained. Further, it is possible to prevent interfacial peeling due to shrinkage during firing during production. Further, the adhesion to the underlayer can be increased, and high cell performance can be obtained.

燃料極層は、上述する内部流路に燃料ガス流通する(−)極として機能し、空気極は燃料電池セルユニット1100の外部から供給される空気(酸化剤ガス)と接触する(+)極として機能する。   The fuel electrode layer functions as a (-) electrode through which the fuel gas flows through the above-described internal flow path, and the air electrode comes into contact with air (oxidizing gas) supplied from outside the fuel cell unit 1100 (+) electrode. Function as

[集電層]
集電層は、空気極層の外表面に形成される。集電層は、アルカリ土類金属を含むペロブスカイト型酸化物を有する。また、集電層は、気相の周囲長/面積が5.0μm-1以上であり、好ましくは5.0μm-1以上50μm-1以下である。気相の周囲長とは、集電膜断面に存在する気孔の周囲長さの合計である。面積とは、集電膜断面の周囲長計測に用いた前記気孔の面積の合計である。周囲長/面積が大きくなりすぎると、運転中に銀のシンタリング(=焼結)が進行し、その結果、銀同士のつながりが切れて導電性が低下し、発電性能が低下する。
[Current collecting layer]
The current collecting layer is formed on the outer surface of the air electrode layer. The current collecting layer has a perovskite oxide containing an alkaline earth metal. The current-collecting layer has a perimeter / area of a gas phase of 5.0 μm −1 or more, preferably 5.0 μm −1 or more and 50 μm −1 or less. The perimeter of the gas phase is the sum of the perimeters of the pores present in the cross section of the current collector film. The area is the total area of the pores used for measuring the perimeter of the cross section of the current collector film. If the perimeter / area is too large, sintering (= sintering) of silver proceeds during operation, and as a result, the connection between silver is broken, the conductivity is reduced, and the power generation performance is reduced.

本発明において、集電層は、発電に伴う電子を伝導する役割及び硫黄化合物を捕集する役割を果たす。酸素含有ガスに含まれるSOxなどの硫黄化合物を捕集し、空気極層に供給されないようにすることが可能となる。   In the present invention, the current collecting layer plays a role of conducting electrons accompanying power generation and a role of collecting sulfur compounds. It becomes possible to collect sulfur compounds such as SOx contained in the oxygen-containing gas and prevent them from being supplied to the air electrode layer.

集電層は、導電性を発現するために、好ましくは銀を含む。集電層は、銀を30wt%以上含むことが好ましく、60wt%以上含むことがさらに好ましく、70wt%以上含むことがさらにより好ましい。   The current collecting layer preferably contains silver in order to exhibit conductivity. The current collecting layer preferably contains 30 wt% or more of silver, more preferably 60 wt% or more, and even more preferably 70 wt% or more.

集電層に含まれるアルカリ土類金属としては、ストロンチウム(Sr)、カルシウム(Ca)およびバリウム(Ba)から選択される一種以上を用いることができる。   As the alkaline earth metal contained in the current collecting layer, at least one selected from strontium (Sr), calcium (Ca), and barium (Ba) can be used.

集電層に含まれるアルカリ土類金属は、ペロブスカイト型酸化物として含有されていることが好ましい。ペロブスカイト型酸化物としては、La1-xSrxCoO3(但し、x=0.1〜0.3)などのランタンコバルト系酸化物、(La、Sr)FeO3系と(La、Sr)CoO3系の固溶体であるランタンコバルトフェライト系酸化物(La1-mSrmCo1-nFen3(但し、0.05<m<0.50、0≦n≦1))、サマリウム及びコバルトを含むサマリウムコバルト系酸化物(Sm0.5Sr0.5CoO3)などが挙げられる。好ましくは、ランタンストロンチウムコバルタイトフェライト(LSCF)である。 The alkaline earth metal contained in the current collecting layer is preferably contained as a perovskite oxide. Perovskite oxides include lanthanum cobalt-based oxides such as La 1-x Sr x CoO 3 (x = 0.1 to 0.3), (La, Sr) FeO 3 -based and (La, Sr) CoO 3 lanthanum cobalt ferrite-based oxide is a solid solution of (La 1-m Sr m Co 1-n Fe n O 3 ( where, 0.05 <m <0.50,0 ≦ n ≦ 1)), samarium And a samarium-cobalt-based oxide containing cobalt (Sm 0.5 Sr 0.5 CoO 3 ). Preferably, it is lanthanum strontium cobaltite ferrite (LSCF).

集電層に含まれるペロブスカイト型酸化物の濃度は1wt%以上70wt%以下であることが好ましく、10wt%以上40wt%以下であることがさらに好ましく、20wt%以上30wt%以下であることがさらにより好ましい。これにより、導電性能と硫黄捕集性能を兼ね備えた長期信頼性の高い集電層とすることが可能である。すなわち、長期間にわたって硫黄捕集能力を発揮しつつ、集電層としての機能を発揮することが可能となる。また、集電層が銀を含む場合、製造時や運転中の銀シンタリングが過度に進んで膜が緻密化し、酸素透過能を損なうことを防止できる。   The concentration of the perovskite oxide contained in the current collecting layer is preferably 1 wt% or more and 70 wt% or less, more preferably 10 wt% or more and 40 wt% or less, and even more preferably 20 wt% or more and 30 wt% or less. preferable. Thereby, it is possible to provide a long-term reliable current collecting layer having both the conductive performance and the sulfur collecting performance. That is, it is possible to exhibit the function as a current collecting layer while exhibiting the sulfur collecting ability for a long period of time. Further, when the current collecting layer contains silver, it is possible to prevent the silver sintering during production or operation from excessively progressing, thereby preventing the film from becoming dense and impairing the oxygen permeability.

本発明において、集電層に含まれるアルカリ土類金属の濃度は、下記の方法にて求めることができる。作製した固体酸化物形燃料電池セルから集電層を削りとる。この削り取った材料を酸で溶解させたのち、ICP−発光分析法により求めることができる。   In the present invention, the concentration of the alkaline earth metal contained in the current collecting layer can be determined by the following method. The current collecting layer is scraped off from the manufactured solid oxide fuel cell. After dissolving the shaved material with an acid, it can be determined by ICP-emission spectrometry.

集電層は、焼結助剤などの添加剤を含んでいても良い。添加剤としては、パラジウム(Pd)、銅(Cu)、ビスマス(Bi)などが挙げられる。これにより、銀の焼結性が向上し、かつ空気極層との接合強度を確保することが可能となる。   The current collecting layer may include an additive such as a sintering aid. Examples of the additive include palladium (Pd), copper (Cu), bismuth (Bi), and the like. Thereby, the sinterability of silver is improved, and the bonding strength with the air electrode layer can be ensured.

集電層の膜厚は、10μm以上120μm以下であることが好ましく、10μm以上60μm以下であることがさらに好ましく、10μm以上40μm以下であることがさらにより好ましい。膜厚が10μm未満の場合、長期の硫黄捕集能力が劣り性能が低下する。また、120μmよりも厚い場合、空気の拡散抵抗が高く、空気極触媒への空気供給不足が発生し性能が低下する。この傾向は60μmを超えるとあらわれ始める。また1回の発電性能では差を生じないものの、40μmを超えると運転中の性能が低下する。また、集電層の導電率は、高ければ高いほど好ましいが、より好ましくは700℃で1000以上S/cm60000S/cm以下であり、さらにより好ましくは10000以上S/cm40000S/cm以下である。   The thickness of the current collecting layer is preferably from 10 μm to 120 μm, more preferably from 10 μm to 60 μm, even more preferably from 10 μm to 40 μm. When the film thickness is less than 10 μm, the long-term sulfur trapping ability is inferior and the performance is reduced. On the other hand, when the thickness is larger than 120 μm, the diffusion resistance of the air is high, and the air supply to the air electrode catalyst is insufficient, and the performance is reduced. This tendency begins to appear above 60 μm. In addition, although there is no difference in the single power generation performance, when the power generation performance exceeds 40 μm, the performance during operation is reduced. The higher the conductivity of the current collecting layer is, the more preferable it is. However, it is more preferably 1,000 to S / cm 60000 S / cm at 700 ° C., and still more preferably 10,000 to S / cm 40000 S / cm.

本発明においては、固体酸化物形燃料電池セルは、内側に配置された燃料極層の外側に向かって電解質層、空気極層及び集電層が設けられた筒状形状であってもよい。この場合、燃料極層は、固体酸化物形燃料電池セルの軸方向に燃料ガスを流通させる内部流路を有し、集電層は、少なくとも内部流路に燃料ガスが供給される燃料電池セルの一端側近傍に設けられていることが好ましい。ここで、本明細書において「筒状形状」とは一軸方向に延在した立体形状を有する燃料電池セルであって、軸方向に貫通した少なくともひとつの通路を有する中空の形状を含むものである。例えば、円筒形、扁平円筒形等の立体形状が含まれる。   In the present invention, the solid oxide fuel cell may have a cylindrical shape provided with an electrolyte layer, an air electrode layer, and a current collecting layer toward the outside of the fuel electrode layer disposed inside. In this case, the fuel electrode layer has an internal flow path through which the fuel gas flows in the axial direction of the solid oxide fuel cell, and the current collecting layer has a fuel cell in which the fuel gas is supplied to at least the internal flow path. Is preferably provided in the vicinity of one end side of the. Here, in the present specification, the “cylindrical shape” is a fuel cell having a three-dimensional shape extending in one axial direction, and includes a hollow shape having at least one passage penetrating in the axial direction. For example, three-dimensional shapes such as a cylindrical shape and a flat cylindrical shape are included.

筒状形状の固体酸化物形燃料電池セルを固体酸化物形燃料電池装置に用いた場合、燃料電池セルの形状が一軸方向に延在する形状であるため、供給された燃料ガス中の水素は一端側近傍でより多く発電に消費されることになる。またこの発電反応を実現するために、燃料電池セルの外部から一端側に向けて酸化剤ガスが供給される。このようにして、一端側での発電反応が固体酸化物形燃料電池セルの軸方向分布において高くなる。   When a cylindrical solid oxide fuel cell is used for a solid oxide fuel cell device, hydrogen in the supplied fuel gas is reduced because the shape of the fuel cell extends uniaxially. In the vicinity of one end, more power is consumed. In order to realize this power generation reaction, an oxidizing gas is supplied from the outside of the fuel cell toward one end. In this way, the power generation reaction at one end is increased in the axial distribution of the solid oxide fuel cell.

このように固体酸化物形燃料電池セルの一端側近傍では発電反応が活発であるため、空気極層に硫黄成分が吸着した場合には、空気極層中のアルカリ土類金属元素(例えば空気極層を構成するSr)を引き抜いて酸化物を形成してしまう(例えばSrSO4)、硫黄被毒が生じる。 As described above, since the power generation reaction is active near one end of the solid oxide fuel cell, when a sulfur component is adsorbed on the air electrode layer, an alkaline earth metal element (for example, an air electrode) in the air electrode layer is removed. Sr) constituting the layer is pulled out to form an oxide (for example, SrSO 4 ), and sulfur poisoning occurs.

筒状形状の固体酸化物形燃料電池セルの一端側近傍に集電層が設けられていると、空気極層の硫黄被毒を防止することができる。   When the current collecting layer is provided near one end of the cylindrical solid oxide fuel cell, the sulfur poisoning of the air electrode layer can be prevented.

さらに、発電反応により生じた電流は固体酸化物形燃料電池セルの集電端子に向かって流れるため、発電反応が活発な一端側で電流集中が発生する。特にこの一端側近傍に集電端子を設置した場合には、より一端側での電流集中が顕著となる。このような電流集中下においては、後述するように固体酸化物形燃料電池セルスタックや固体酸化物形燃料電池モジュールを構成する金属部材から蒸発するCr(クロム)が空気極層中を拡散し、反応場において析出することで空気極層を劣化させるクロム被毒の問題を発生させる。   Furthermore, since the current generated by the power generation reaction flows toward the current collecting terminal of the solid oxide fuel cell, current concentration occurs at one end where the power generation reaction is active. In particular, when a current collecting terminal is installed near this one end, current concentration at one end becomes more remarkable. Under such current concentration, as will be described later, Cr (chromium) evaporating from the metal members constituting the solid oxide fuel cell stack or the solid oxide fuel cell module diffuses in the air electrode layer, Precipitation in the reaction field causes the problem of chromium poisoning, which degrades the cathode layer.

アルカリ土類金属を含むペロブスカイト型酸化物を含有する集電層は、さらにCrについても捕集機能があることがわかった。このため、本発明は、筒状形状の固体酸化物形燃料電池セル構造に起因して生じる電流集中により顕著となるクロム被毒に対しても、抑止効果を発揮することができる。   It was found that the current-collecting layer containing a perovskite-type oxide containing an alkaline earth metal also had a function of collecting Cr. For this reason, the present invention can also exert an effect of suppressing chromium poisoning which becomes remarkable due to current concentration caused by the cylindrical solid oxide fuel cell structure.

図1は本発明の固体酸化物形燃料電池セルの断面の一態様を示す模式図であり、内側電極を燃料極層としたタイプについて示した。本発明における固体酸化物形燃料電池セル210は、例えば多孔質支持体201と、(第一/第二)燃料極層202、(第一/第二)電解質層203と、(第一/第二)空気極層204と、集電層205から構成される。本発明の固体酸化物形燃料電池セルにおいて、各層の好ましい厚さは、多孔質支持体が0.5〜2mm、第一燃料極層が10〜200μm、第二燃料極層が0〜30μm、第一電解質層が0〜20μm、第二電解質層が5〜60μm、空気極が10〜60μmである。ここで、(第一/第二)とは、「単層又は二層であって、二層の場合は第一層と第二層とを有する」ことを意味する。   FIG. 1 is a schematic view showing one embodiment of a cross section of a solid oxide fuel cell according to the present invention, and shows a type in which an inner electrode is a fuel electrode layer. The solid oxide fuel cell 210 according to the present invention includes, for example, a porous support 201, a (first / second) fuel electrode layer 202, a (first / second) electrolyte layer 203, and a (first / second) electrolyte layer. 2) It is composed of an air electrode layer 204 and a current collecting layer 205. In the solid oxide fuel cell unit of the present invention, the preferred thickness of each layer is 0.5 to 2 mm for the porous support, 10 to 200 μm for the first fuel electrode layer, 0 to 30 μm for the second fuel electrode layer, The first electrolyte layer is 0 to 20 μm, the second electrolyte layer is 5 to 60 μm, and the air electrode is 10 to 60 μm. Here, the (first / second) means "a single layer or two layers, and in the case of two layers, has a first layer and a second layer".

[燃料電池セルの製造方法]
本発明の固体酸化物形燃料電池セルは、公知の方法に準じて従って、適宜製造することができる。好ましい製造方法を示せば下記のとおりである。
[Method of Manufacturing Fuel Cell]
The solid oxide fuel cell of the present invention can be appropriately manufactured according to a known method. The preferred production method is as follows.

空気極、電解質層および燃料極層は、各原料粉末に、溶媒(水、アルコールなど)、分散剤、バインダー等の成形助剤を添加してスラリーを作製し、それをコーティングし、乾燥した後、焼成(1100℃以上1400℃未満)することによって得ることができる。   The air electrode, the electrolyte layer, and the fuel electrode layer are prepared by adding a forming aid such as a solvent (water, alcohol, etc.), a dispersant, and a binder to each raw material powder to form a slurry, coating the slurry, and drying the slurry. And firing (1100 ° C. or higher and lower than 1400 ° C.).

コーティングは、スラリー液をコーティングするスラリーコート法、テープキャスティング法、ドクターブレード法、転写法などにより好ましく行うことができる。また印刷手法も利用可能であり、スクリーン印刷法やインクジェット法などを用いることができる。   The coating can be preferably performed by a slurry coating method of coating a slurry liquid, a tape casting method, a doctor blade method, a transfer method, or the like. A printing method is also available, and a screen printing method, an inkjet method, or the like can be used.

焼成は、各電極及び電解質層を形成する都度行ってもよいが、複数の層を一度に焼成する「共焼成」を行うことも可能である。また、電解質層がドーパントの拡散等により変性しないように、焼成は酸化雰囲気下で行なうことが好ましい。より好適には、空気と酸素との混合ガスを用い、酸素濃度20モル%以上30モル%以下の雰囲気で焼成を行う。   Firing may be performed each time each electrode and electrolyte layer is formed, but it is also possible to perform "co-firing" in which a plurality of layers are fired at once. In addition, it is preferable that the baking is performed in an oxidizing atmosphere so that the electrolyte layer is not denatured by diffusion of the dopant. More preferably, baking is performed in an atmosphere having an oxygen concentration of 20 mol% or more and 30 mol% or less using a mixed gas of air and oxygen.

本発明の好ましい態様によれば、内側電極に燃料極層を、外側電極に空気極層を用いる場合、燃料極と電解質層とを共焼成した後、空気極層を成形し、共焼成よりも低い温度で焼成する。   According to a preferred aspect of the present invention, when the fuel electrode layer is used for the inner electrode and the air electrode layer is used for the outer electrode, after co-firing the fuel electrode and the electrolyte layer, the air electrode layer is formed, and the co-firing is performed. Fire at low temperature.

集電層は、銀と、パラジウムと、アルカリ土類金属のペロブスカイト型酸化物の各粉体を用意し、最終的な集電部の組成と同一となる量を秤量する。これを樹脂と共に溶剤に混合・分散させたコーティング液とする。このコーティング液を空気極に塗布し、乾燥後、焼成して集電層を形成する。コーティング液の空気極への塗布は、スラリーコート法、テープキャスティング法、ドクターブレード法、スクリーン印刷法、スピンコート法、スプレー法、フローコート法、ロールコート法ならびにこれらを併用して行うことが出来る。また、ここで樹脂としては、ウレタン樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂などが挙げられる。また、溶剤としては、エタノール、メタノール、α−テルピネオール、ジヒドロターピネオール、n−メチル−2−ピロリドン、ベンジルアルコール、トルエン、アセトニトリル、2−フェノキシエタノール、およびそれらの混合溶剤が挙げられる。コーティング液の空気極への塗布量は、最終的な集電部の厚さを考慮して適宜決定されてよい。また、乾燥は、50〜150℃程度で0.5〜5時間行い、さらに焼成は400〜800℃程度で0.5〜5時間行うことが好ましい。   For the current collecting layer, powders of silver, palladium, and a perovskite-type oxide of an alkaline earth metal are prepared, and an amount that is the same as the final composition of the current collecting unit is weighed. This is a coating liquid mixed and dispersed in a solvent together with the resin. This coating liquid is applied to an air electrode, dried, and fired to form a current collecting layer. The application of the coating liquid to the air electrode can be performed by a slurry coating method, a tape casting method, a doctor blade method, a screen printing method, a spin coating method, a spray method, a flow coating method, a roll coating method, or a combination thereof. . Here, examples of the resin include a urethane resin, an acrylic resin, an epoxy resin, and a phenol resin. Examples of the solvent include ethanol, methanol, α-terpineol, dihydroterpineol, n-methyl-2-pyrrolidone, benzyl alcohol, toluene, acetonitrile, 2-phenoxyethanol, and a mixed solvent thereof. The amount of the coating liquid applied to the air electrode may be appropriately determined in consideration of the final thickness of the current collector. The drying is preferably performed at about 50 to 150 ° C. for 0.5 to 5 hours, and the calcination is preferably performed at about 400 to 800 ° C. for 0.5 to 5 hours.

本発明の固体酸化物形燃料電池セルを使用した固体酸化物形燃料電池システム1は、特定のものに限定されず、その製造や他の材料等は、公知のものが使用できる。図2は、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池システムを示す全体構成図である。この図2に示すように、固体酸化物形燃料電池システム1は、固体酸化物形燃料電池モジュール2と、補機ユニット4を備えている。   The solid oxide fuel cell system 1 using the solid oxide fuel cell of the present invention is not limited to a specific one, and a known material can be used for its production and other materials. FIG. 2 is an overall configuration diagram showing a solid oxide fuel cell system according to one embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, the solid oxide fuel cell system 1 includes a solid oxide fuel cell module 2 and an auxiliary unit 4.

固体酸化物形燃料電池モジュール2は、ハウジング6を備え、このハウジング6内部には、断熱材7を介して密封空間8が形成されている。なお、断熱材は設けないようにしても良い。この密封空間8の下方部分である発電室10には、燃料ガスと酸化剤(空気)とにより発電反応を行う固体酸化物形燃料電池セル集合体12が配置されている。この固体酸化物形燃料電池セル集合体12は、10個の固体酸化物形燃料電池セルスタック14(図4参照)を備え、この固体酸化物形燃料電池セルスタック14は、16本の固体酸化物形燃料電池セルユニット16(図5参照)から構成されている。このように、固体酸化物形燃料電池セル集合体12は、160本の固体酸化物形燃料電池セルユニット16を有し、これらの固体酸化物形燃料電池セルユニット16の全てが直列接続されている。   The solid oxide fuel cell module 2 includes a housing 6, in which a sealed space 8 is formed via a heat insulating material 7. Note that the heat insulating material may not be provided. A solid oxide fuel cell assembly 12 that performs a power generation reaction with a fuel gas and an oxidant (air) is disposed in a power generation chamber 10 below the sealed space 8. The solid oxide fuel cell assembly 12 includes ten solid oxide fuel cell stacks 14 (see FIG. 4), and the solid oxide fuel cell stack 14 has 16 solid oxide fuel cell stacks. It is composed of a physical fuel cell unit 16 (see FIG. 5). Thus, the solid oxide fuel cell assembly 12 has 160 solid oxide fuel cell units 16, and all of the solid oxide fuel cell units 16 are connected in series. I have.

固体酸化物形燃料電池モジュール2の密封空間8の上述した発電室10の上方には、燃焼室18が形成され、この燃焼室18で、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤(空気)とが燃焼し、排気ガスを生成するようになっている。また、この燃焼室18の上方には、燃料ガスを改質する改質器20が配置され、前記残余ガスの燃焼熱によって改質器20を改質反応が可能な温度となるように加熱している。さらに、この改質器20の上方には、改質器20の熱を受けて空気を加熱し、改質器20の温度低下を抑制するための空気用熱交換器22が配置されている。   Above the above-described power generation chamber 10 in the sealed space 8 of the solid oxide fuel cell module 2, a combustion chamber 18 is formed. In the combustion chamber 18, the remaining fuel gas not used for the power generation reaction and the remaining fuel gas are generated. The oxidant (air) burns to generate exhaust gas. Above the combustion chamber 18, a reformer 20 for reforming the fuel gas is disposed, and the reformer 20 is heated to a temperature at which a reforming reaction is possible by the combustion heat of the residual gas. ing. Further, above the reformer 20, an air heat exchanger 22 for heating the air by receiving the heat of the reformer 20 and suppressing a decrease in the temperature of the reformer 20 is arranged.

次に、補機ユニット4は、水道等の水供給源24からの水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク26と、この純水タンクから供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット28を備えている。また、補機ユニット4は、都市ガス等の燃料供給源30から供給された燃料ガスを遮断するガス遮断弁32と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器36と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット38を備えている。さらに、補機ユニット4は、空気供給源40から供給される酸化剤である空気を遮断する電磁弁42と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット44及び発電用空気流量調整ユニット45と、改質器20に供給される改質用空気を加熱する第1ヒータ46と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第2ヒータ48とを備えている。これらの第1ヒータ46と第2ヒータ48は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。   Next, the auxiliary unit 4 includes a pure water tank 26 for storing water from a water supply source 24 such as a water supply and purifying the pure water with a filter, and a water for adjusting the flow rate of the water supplied from the pure water tank. A flow control unit 28 is provided. The auxiliary unit 4 includes a gas shutoff valve 32 for shutting off fuel gas supplied from a fuel supply source 30 such as city gas, a desulfurizer 36 for removing sulfur from the fuel gas, and a flow rate of the fuel gas. A fuel flow adjustment unit 38 for adjustment is provided. Further, the auxiliary unit 4 includes an electromagnetic valve 42 for shutting off air as an oxidant supplied from an air supply source 40, a reforming air flow rate adjusting unit 44 for adjusting the flow rate of air, and an air flow rate adjusting unit for power generation. 45, a first heater 46 for heating the reforming air supplied to the reformer 20, and a second heater 48 for heating the power generating air supplied to the power generation chamber. The first heater 46 and the second heater 48 are provided for efficiently raising the temperature at the time of startup, but may be omitted.

次に、固体酸化物形燃料電池モジュール2には、排気ガスが供給される温水製造装置50が接続されている。この温水製造装置50には、水供給源24から水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。また、固体酸化物形燃料電池モジュール2には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス52が取り付けられている。さらに、固体酸化物形燃料電池モジュール2には、固体酸化物形燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部(電力変換部)であるインバータ54が接続されている。   Next, the solid oxide fuel cell module 2 is connected to a hot water production device 50 to which exhaust gas is supplied. Tap water is supplied to the hot water production device 50 from the water supply source 24, and the tap water becomes hot water by the heat of the exhaust gas and is supplied to a hot water storage tank of an external water heater (not shown). The solid oxide fuel cell module 2 is provided with a control box 52 for controlling the supply amount of fuel gas and the like. Further, the solid oxide fuel cell module 2 is connected to an inverter 54 which is a power take-out unit (power conversion unit) for supplying power generated by the solid oxide fuel cell module to the outside.

次に、図3及び図6により、固体酸化物形燃料電池システムの固体酸化物形燃料電池モジュールの内部構造を説明する。図3は、固体酸化物形燃料電池システムの固体酸化物形燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図6は、図3のIII−III線に沿った断面図である。図3及び図6に示すように、固体酸化物形燃料電池モジュール2のハウジング6内の密封空間8には、上述したように、下方から順に、固体酸化物形燃料電池セル集合体12、改質器20、空気用熱交換器22が配置されている。   Next, the internal structure of the solid oxide fuel cell module of the solid oxide fuel cell system will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a side sectional view showing a solid oxide fuel cell module of the solid oxide fuel cell system, and FIG. 6 is a sectional view taken along line III-III of FIG. As shown in FIGS. 3 and 6, in the sealed space 8 in the housing 6 of the solid oxide fuel cell module 2, as described above, the solid oxide fuel cell assembly 12, The porcelain container 20 and the air heat exchanger 22 are arranged.

改質器20は、その上流端側に純水を導入するための純水導入管60と改質される固体酸化物形燃料ガスと改質用空気を導入するための被改質ガス導入管62が取り付けられ、また、改質器20の内部には、上流側から順に、蒸発部20aと改質部20bが形成され、改質部20bには改質触媒が充填されている。この改質器20に導入された水蒸気が混合された燃料ガス及び空気は、改質器20内に充填された改質触媒により改質される。   The reformer 20 has a pure water introduction pipe 60 for introducing pure water at an upstream end thereof and a reformed gas introduction pipe for introducing a solid oxide fuel gas to be reformed and reforming air. An evaporator 20a and a reformer 20b are formed inside the reformer 20 in this order from the upstream side, and the reformer 20b is filled with a reforming catalyst. The fuel gas and the air mixed with the steam introduced into the reformer 20 are reformed by the reforming catalyst filled in the reformer 20.

この改質器20の下流端側には、燃料ガス供給管64が接続され、この燃料ガス供給管64は、下方に延び、さらに、固体酸化物形燃料電池セル集合体12の下方に形成されたマニホールド66内で水平に延びている。燃料ガス供給管64の水平部64aの下方面には、複数の燃料供給孔64bが形成されており、この燃料供給孔64bから、改質された燃料ガスがマニホールド66内に供給される。   A fuel gas supply pipe 64 is connected to the downstream end of the reformer 20. The fuel gas supply pipe 64 extends downward and is formed below the solid oxide fuel cell assembly 12. And extends horizontally within the manifold 66. A plurality of fuel supply holes 64b are formed in a lower surface of the horizontal portion 64a of the fuel gas supply pipe 64, and the reformed fuel gas is supplied into the manifold 66 from the fuel supply holes 64b.

このマニホールド66の上方には、上述した固体酸化物形燃料電池セルスタック14を支持するための貫通孔を備えた下支持板68が取り付けられており、マニホールド66内の燃料ガスが、固体酸化物形燃料電池セルユニット16内に供給される。   Above the manifold 66, a lower support plate 68 having a through hole for supporting the above-described solid oxide fuel cell stack 14 is attached. It is supplied into the fuel cell unit 16.

次に、改質器20の上方には、空気用熱交換器22が設けられている。この空気用熱交換器22は、上流側に空気集約室70、下流側に2つの空気分配室72を備え、これらの空気集約室70と空気分配室72は、6個の空気流路管74により接続されている。ここで、図6に示すように、3個の空気流路管74が一組(74a,74b,74c,74d,74e,74f)となっており、空気集約室70内の空気が各組の空気流路管74からそれぞれの空気分配室72へ流入する。   Next, an air heat exchanger 22 is provided above the reformer 20. The air heat exchanger 22 includes an air collecting chamber 70 on the upstream side and two air distribution chambers 72 on the downstream side. The air collecting chamber 70 and the air distribution chamber 72 are provided with six air flow pipes 74. Connected by Here, as shown in FIG. 6, the three air flow path tubes 74 form a set (74a, 74b, 74c, 74d, 74e, 74f), and the air in the air collecting chamber 70 is Air flows into the respective air distribution chambers 72 from the air flow pipes 74.

空気用熱交換器22の6個の空気流路管74内を流れる空気は、燃焼室18で燃焼して上昇する排気ガスにより予熱される。空気分配室72のそれぞれには、空気導入管76が接続され、この空気導入管76は、下方に延び、その下端側が、発電室10の下方空間に連通し、発電室10に予熱された空気を導入する。   The air flowing through the six air flow pipes 74 of the air heat exchanger 22 is preheated by the exhaust gas that burns in the combustion chamber 18 and rises. An air introduction pipe 76 is connected to each of the air distribution chambers 72. The air introduction pipe 76 extends downward, and its lower end communicates with the space below the power generation chamber 10 so that the air preheated to the power generation chamber 10 is cooled. Is introduced.

次に、マニホールド66の下方には、排気ガス室78が形成されている。また、図6に示すように、ハウジング6の長手方向に沿った面である前面6aと後面6bの内側には、上下方向に延びる排気ガス通路80が形成され、この排気ガス通路80の上端側は、空気用熱交換器22が配置された空間と連通し、下端側は、排気ガス室78と連通している。また、排気ガス室78の下面のほぼ中央には、排気ガス排出管82が接続され、この排気ガス排出管82の下流端は、図2に示す上述した温水製造装置50に接続されている。図3に示すように、燃料ガスと空気との燃焼を開始するための点火装置83が、燃焼室18に設けられている。   Next, an exhaust gas chamber 78 is formed below the manifold 66. As shown in FIG. 6, an exhaust gas passage 80 extending vertically is formed inside the front surface 6a and the rear surface 6b, which are surfaces along the longitudinal direction of the housing 6, and the upper end of the exhaust gas passage 80 Communicates with the space in which the air heat exchanger 22 is disposed, and the lower end side communicates with the exhaust gas chamber 78. Further, an exhaust gas exhaust pipe 82 is connected to substantially the center of the lower surface of the exhaust gas chamber 78, and a downstream end of the exhaust gas exhaust pipe 82 is connected to the above-described hot water production device 50 shown in FIG. As shown in FIG. 3, an ignition device 83 for starting the combustion of the fuel gas and the air is provided in the combustion chamber 18.

次に図4により固体酸化物形燃料電池セルスタック14について説明する。図4は、固体酸化物形燃料電池システムの固体酸化物形燃料電池セルスタックを示す斜視図である。図4に示すように、固体酸化物形燃料電池セルスタック14は、16本の固体酸化物形燃料電池セルユニット16を備え、これらの固体酸化物形燃料電池セルユニット16の下端側及び上端側が、それぞれ、固体酸化物形セラミック製の下支持板68及び上支持板100により支持されている。これらの下支持板68及び上支持板100には、内側電極端子86が貫通可能な貫通穴68a及び100aがそれぞれ形成されている。   Next, the solid oxide fuel cell stack 14 will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a perspective view showing a solid oxide fuel cell stack of the solid oxide fuel cell system. As shown in FIG. 4, the solid oxide fuel cell stack 14 includes 16 solid oxide fuel cell units 16, and the lower and upper ends of these solid oxide fuel cell units 16 Are supported by a lower support plate 68 and an upper support plate 100 made of solid oxide ceramic, respectively. The lower support plate 68 and the upper support plate 100 have through holes 68a and 100a, respectively, through which the inner electrode terminals 86 can pass.

さらに、固体酸化物形燃料電池セルユニット16には、集電体102及び外部端子104が取り付けられている。この集電体102は、燃料極である内側電極90に取り付けられた内側電極端子86と電気的に接続される燃料極用接続部102aと、空気極である外側電極92の外周面全体と電気的に接続される空気極用接続部102bとにより一体的に形成されている。空気極用接続部102bは、外側電極92の表面を上下方向に延びる鉛直部102cと、この鉛直部102cから外側電極92の表面に沿って水平方向に延びる多数の水平部102dとから形成されている。また、燃料極用接続部102aは、空気極用接続部102bの鉛直部102cから固体酸化物形燃料電池セルユニット16の上下方向に位置する内側電極端子86に向って斜め上方又は斜め下方に向って直線的に延びている。   Further, a current collector 102 and an external terminal 104 are attached to the solid oxide fuel cell unit 16. The current collector 102 is electrically connected to the fuel electrode connecting portion 102a electrically connected to the inner electrode terminal 86 attached to the inner electrode 90 serving as the fuel electrode, and to the entire outer peripheral surface of the outer electrode 92 serving as the air electrode. It is integrally formed with the air electrode connecting portion 102b that is connected to the air electrode. The air electrode connecting portion 102b is formed of a vertical portion 102c extending vertically on the surface of the outer electrode 92, and a number of horizontal portions 102d extending horizontally from the vertical portion 102c along the surface of the outer electrode 92. I have. Further, the fuel electrode connecting portion 102a is directed obliquely upward or obliquely downward from the vertical portion 102c of the air electrode connecting portion 102b toward the inner electrode terminal 86 located in the vertical direction of the solid oxide fuel cell unit 16. And extend linearly.

さらに、固体酸化物形燃料電池セルスタック14の端(図4では左端の奥側及び手前側)に位置する2個の固体酸化物形燃料電池セルユニット16の上側端及び下側端の内側電極端子86には、それぞれ外部端子104が接続されている。これらの外部端子104は、隣接する固体酸化物形燃料電池セルスタック14の端にある固体酸化物形燃料電池セルユニット16の外部端子104(図示せず)に接続され、上述したように、160本の固体酸化物形燃料電池セルユニット16の全てが直列接続されるようになっている。   Furthermore, the inner electrodes at the upper end and the lower end of the two solid oxide fuel cell units 16 located at the ends of the solid oxide fuel cell stack 14 (the left and rear sides in FIG. 4). External terminals 104 are connected to the terminals 86, respectively. These external terminals 104 are connected to external terminals 104 (not shown) of the solid oxide fuel cell unit 16 at the end of the adjacent solid oxide fuel cell stack 14, and as described above, are connected to 160. All of the solid oxide fuel cell units 16 are connected in series.

次に図5により固体酸化物形燃料電池セルユニット16について説明する。図5は、固体酸化物形燃料電池システムの固体酸化物形燃料電池セルユニットを示す部分断面図である。図5に示すように、固体酸化物形燃料電池セルユニット16は、固体酸化物形燃料電池セル84と、この固体酸化物形燃料電池セル84の上下方向端部にそれぞれ接続された内側電極端子86とを備えている。固体酸化物形燃料電池セル84は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路88を形成する円筒形の多孔質支持体91上に内側電極90と、外側電極92と、内側電極90と外側電極92との間にある電解質層94とを備えている。   Next, the solid oxide fuel cell unit 16 will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a partial cross-sectional view showing a solid oxide fuel cell unit of the solid oxide fuel cell system. As shown in FIG. 5, the solid oxide fuel cell unit 16 includes a solid oxide fuel cell 84 and inner electrode terminals respectively connected to upper and lower ends of the solid oxide fuel cell 84. 86. The solid oxide fuel cell 84 is a tubular structure extending vertically, and has an inner electrode 90, an outer electrode 92 on a cylindrical porous support 91 forming a fuel gas flow path 88 therein, An electrolyte layer 94 is provided between the inner electrode 90 and the outer electrode 92.

固体酸化物形燃料電池セル84の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子86は、同一構造であるため、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子86について具体的に説明する。内側電極90の上部90aは、電解質層94と外側電極92に対して露出された外周面90bと上端面90cとを備えている。内側電極端子86は、導電性のシール材96を介して内側電極90の外周面90bと接続され、さらに、内側電極90の上端面90cとは直接接触することにより、内側電極90と電気的に接続されている。内側電極端子86の中心部には、内側電極90の燃料ガス流路88と連通する燃料ガス流路98が形成されている。固体酸化物形燃料電池セル84として本発明の固体酸化物形燃料電池セルを用いる。   Since the inner electrode terminals 86 attached to the upper and lower ends of the solid oxide fuel cell 84 have the same structure, the inner electrode terminals 86 attached to the upper end will be specifically described here. The upper portion 90a of the inner electrode 90 has an outer peripheral surface 90b and an upper end surface 90c exposed to the electrolyte layer 94 and the outer electrode 92. The inner electrode terminal 86 is connected to the outer peripheral surface 90 b of the inner electrode 90 via a conductive sealing material 96, and further, is in direct contact with the upper end surface 90 c of the inner electrode 90, thereby electrically connecting to the inner electrode 90. It is connected. A fuel gas passage 98 communicating with the fuel gas passage 88 of the inner electrode 90 is formed at the center of the inner electrode terminal 86. The solid oxide fuel cell of the present invention is used as the solid oxide fuel cell 84.

本発明を以下の実施例によってさらに詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。   The present invention will be described in more detail with reference to the following examples, but the present invention is not limited to these examples.

(実施例1及び2、並びに比較例1及び2)
[固体酸化物形燃料電池セルの作製]
NiO粉末と10YSZ(10mol%Y23−90mol%ZrO2)粉末とを重量比65:35で混合して、押し出し成形機にてせん断を加え1次粒子化させながら円筒状に成形し、燃焼極支持体を作製した。この燃料極支持体上に、燃料極の反応を促進させる燃料極触媒層を形成した。燃料極触媒層は、NiOとGDC10(10mol%GdO1.5−90mol%CeO2)とを、重量比50:50で混合したものをスラリーコート法により燃料極支持体上に製膜し形成した。さらに、燃料極反応触媒層上にLDC40(40mol%LaO1.5−60mol%CeO2)、La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.23の組成のLSGMをスラリーコート法により順次積層し、電解質層を形成し、成形体を得た。得られた成形体を1300℃にて焼成した。その後、空気極層用スラリーをスラリーコート法にて製膜し、1050℃で焼成することで空気極層を形成した。空気極層用スラリーは、(La0.6Sr0.4)(Co0.2Fe0.8)O3の原料粉末(LSCF粉末)と、溶媒と、バインダーとを混合粉砕することにより空気極層用スラリーを作製した。
(Examples 1 and 2, and Comparative Examples 1 and 2)
[Preparation of solid oxide fuel cell]
NiO powder and 10 YSZ (10 mol% Y 2 O 3 -90 mol% ZrO 2 ) powder were mixed at a weight ratio of 65:35, and the mixture was subjected to shearing by an extruder and formed into a cylindrical shape while forming primary particles. A burning electrode support was prepared. An anode catalyst layer for accelerating the reaction of the anode was formed on the anode support. The fuel electrode catalyst layer was formed by mixing a mixture of NiO and GDC10 (10 mol% GdO 1.5 -90 mol% CeO 2 ) at a weight ratio of 50:50 on a fuel electrode support by a slurry coating method. Further, LSGM having a composition of LDC40 (40 mol% LaO 1.5 -60 mol% CeO 2 ) and La 0.8 Sr 0.2 Ga 0.8 Mg 0.2 O 3 is sequentially laminated on the fuel electrode reaction catalyst layer by a slurry coating method to form an electrolyte layer. To obtain a molded product. The obtained molded body was fired at 1300 ° C. Thereafter, a film for the air electrode layer was formed by a slurry coating method, and fired at 1050 ° C. to form an air electrode layer. The air electrode layer slurry was prepared by mixing and pulverizing a raw material powder (LSCF powder) of (La 0.6 Sr 0.4 ) (Co 0.2 Fe 0.8 ) O 3 , a solvent, and a binder.

次に、空気極層の外表面に集電層を形成した。集電層を形成するためのコーティング液は、銀粉末と、パラジウム粉末と、LSCF粉末と、溶媒と、バインダーとを混合させたものとした。銀とパラジウムは重量比率で90:1とした。銀パラジウム混合粉末とLSCFの重量比は、100−X:Xとした。銀粉末の粒径(D50)及びLSCF粉末の重量比(X)は、表1に示されている。パラジウム粉末の粒径(D50)は0.7μm、LSCF粉末の粒径(D50)は0.3μmを用いた。なお、銀、パラジウムおよびLSCF粉末の粒径はレーザー回折式粒度測定装置によって測定したものである。このコーティング液を、空気極層の外表面に、インクジェット法により塗布した後、乾燥機中150℃にて乾燥させ、室温にて冷却後、700℃1時間焼成した。これにより、空気極層の外表面に集電層を形成した。   Next, a current collecting layer was formed on the outer surface of the air electrode layer. The coating liquid for forming the current collecting layer was a mixture of silver powder, palladium powder, LSCF powder, a solvent, and a binder. Silver and palladium were in a weight ratio of 90: 1. The weight ratio between the silver-palladium mixed powder and the LSCF was 100-X: X. The particle size (D50) of the silver powder and the weight ratio (X) of the LSCF powder are shown in Table 1. The particle size (D50) of the palladium powder was 0.7 μm, and the particle size (D50) of the LSCF powder was 0.3 μm. The particle diameters of the silver, palladium and LSCF powders were measured by a laser diffraction particle size analyzer. This coating solution was applied to the outer surface of the air electrode layer by an inkjet method, dried at 150 ° C. in a drier, cooled at room temperature, and baked at 700 ° C. for 1 hour. Thus, a current collecting layer was formed on the outer surface of the air electrode layer.

作製した固体酸化物形燃料電池セルは、以下に示される通りであった。燃料極支持体が外径10mm、肉厚1mmであった。燃料極反応触媒層の厚さが20μmであった。LDC層の厚みが5μmであった。LSGM層の厚みが30μmであった。空気極層の厚みが20μmであり、かつ、空気極の面積が35cm2であった。集電層の膜厚は、30μmであった。 The manufactured solid oxide fuel cell was as shown below. The fuel electrode support had an outer diameter of 10 mm and a wall thickness of 1 mm. The thickness of the fuel electrode reaction catalyst layer was 20 μm. The thickness of the LDC layer was 5 μm. The thickness of the LSGM layer was 30 μm. The thickness of the air electrode layer was 20 μm, and the area of the air electrode was 35 cm 2 . The thickness of the current collecting layer was 30 μm.

[集電層の導電率の測定]
集電層の導電率は、作製した固体酸化物形燃料電池セルに電位線間隔35mmになるようにAg線を巻きつけ、大気炉内700℃にて直流4端子法で測定した値を、集電膜断面積を用いて計算した。
[Measurement of conductivity of current collecting layer]
The electrical conductivity of the current collecting layer was determined by collecting a value measured by a DC four-terminal method at 700 ° C. in an atmospheric furnace by winding an Ag wire around the manufactured solid oxide fuel cell so as to have a potential line interval of 35 mm. It was calculated using the electromembrane cross-sectional area.

[集電層の気孔率の測定]
集電層の気孔率は、周囲長/面積を測定した際に得られる画像を解析して得た。
[Measurement of porosity of current collecting layer]
The porosity of the current collecting layer was obtained by analyzing an image obtained when measuring the perimeter / area.

[固体酸化物形燃料電池セルスタックの作製]
作製した実施例および比較例の固体酸化物形燃料電池セルを用いて下記の方法にて固体酸化物形燃料電池セルスタックを作製した。
[Preparation of solid oxide fuel cell stack]
A solid oxide fuel cell stack was manufactured by the following method using the manufactured solid oxide fuel cells of Examples and Comparative Examples.

まず、燃料極を兼ねた多孔質支持体の両端部に集電体とガスシールを兼ね備えた導電性のシール材を取付け、さらに前記多孔質支持体の両端部に導電性のシール材を覆うように内側電極端子を設け、固体酸化物形燃料電池セルユニットを作製した。内側電極端子は燃料ガス流路となる燃料極を兼ねた多孔質支持体の内径より縮径し、前記固体酸化物形燃料電池セルのそれぞれの端部から固体酸化物形燃料電池セルの外方向に伸びる縮径部を有するものとした。この固体酸化物形燃料電池セルユニットを16本一組とし、燃料極と空気極を接続するコネクタで16本を直列につなぎ固体酸化物形燃料電池セルスタックを作製した。   First, a conductive sealing material having both a current collector and a gas seal is attached to both ends of a porous support also serving as a fuel electrode, and furthermore, a conductive sealing material is covered on both ends of the porous support. Was provided with an inner electrode terminal to produce a solid oxide fuel cell unit. The inner electrode terminal has a diameter smaller than the inner diameter of the porous support serving also as a fuel electrode serving as a fuel gas flow path, and extends from each end of the solid oxide fuel cell to the outside of the solid oxide fuel cell. It has a reduced diameter portion that extends. The solid oxide fuel cell unit was made up of a set of 16 solid oxide fuel cell units, and 16 were connected in series by a connector for connecting the fuel electrode and the air electrode to produce a solid oxide fuel cell stack.

[固体酸化物形燃料電池セルスタックにおける耐久試験]
作製した固体酸化物形燃料電池セルスタックを用いて耐久試験を行った。燃料ガスとして水素−窒素混合ガスを利用し、燃料利用率は75%に設定した。酸化剤ガスとして、ガスボンベ由来の二酸化硫黄/空気混合ガスをコンプレッサーエアーで希釈することにより、0.5ppmの二酸化硫黄成分を含む空気を供給した。これは、実際の固体酸化物形燃料電池システム使用環境の約100倍にあたる硫黄濃度となる。なお、空気利用率は40%に設定した。発電定常温度は700℃、電流値を空気極の面積で除した平均電流密度を0.2Acm-2に設定し、約1000時間にわたり連続運転を行った。電圧変化率から破過までの時間を求めた。結果を表1に示す。
[Durability test on solid oxide fuel cell stack]
An endurance test was performed using the manufactured solid oxide fuel cell stack. A hydrogen-nitrogen mixed gas was used as the fuel gas, and the fuel utilization was set to 75%. Air containing a sulfur dioxide component of 0.5 ppm was supplied as an oxidizing gas by diluting a sulfur dioxide / air mixed gas derived from a gas cylinder with compressor air. This is a sulfur concentration that is about 100 times that of the actual usage environment of the solid oxide fuel cell system. The air utilization rate was set to 40%. The power generation steady temperature was set to 700 ° C., the average current density obtained by dividing the current value by the area of the air electrode was set to 0.2 Acm −2 , and continuous operation was performed for about 1000 hours. The time until breakthrough was determined from the voltage change rate. Table 1 shows the results.

[気相の周囲長/面積の測定]
固体酸化物形燃料電池セルを樹脂で包埋し、硬化後、切断し、切断面をハンドラップ機で研磨(耐水研磨紙#600および#1500)し、イオンミリング(日立製IM4000PLUS)で2時間加工して集電層断面を得た。
次いで、SEM(日立製SU8220)により倍率1500倍、加速電圧:12kV、エミション電流:20μA、コンデンサレンズ:7で得られた二次電子像で集電膜の画像を取得した。
得られた画像を画像処理ソフト(WinROOF2015)にて二次電子像で黒色に見える気孔部を二値化処理により色づけし、周囲長の計測項目を選択して計測した。
[Measurement of perimeter / area of gas phase]
The solid oxide fuel cell is embedded in resin, cut after hardening, and the cut surface is polished (water-resistant abrasive paper # 600 and # 1500) with a hand wrapping machine, and ion milled (Hitachi IM4000PLUS) for 2 hours. Processing was performed to obtain a cross section of the current collecting layer.
Next, an image of the current collecting film was obtained with a secondary electron image obtained by a SEM (SU8202 manufactured by Hitachi) at a magnification of 1500, an acceleration voltage of 12 kV, an emission current of 20 μA, and a condenser lens of 7.
The obtained image was colored by an image processing software (WinROOF 2015) using a binarization process to color pores that appeared black in a secondary electron image, and a measurement item of the perimeter was selected and measured.

Figure 2020030991

Figure 2020030991
Figure 2020030991

Figure 2020030991

1 固体酸化物形燃料電池システム
2 固体酸化物形燃料電池モジュール
4 補機ユニット
6 ハウジング
7 断熱材
8 密封空間
10 発電室
12 固体酸化物形燃料電池セル集合体
14 固体酸化物形燃料電池セルスタック
16 固体酸化物形燃料電池セルユニット
18 燃焼室
20 改質器
22 空気用熱交換器
24 水供給源
28 水流量調整ユニット
30 燃料供給源
32 ガス遮断弁
36 脱硫器
38 燃料流量調整ユニット
40 空気供給源
42 電磁弁
44 改質用空気流量調整ユニット
45 発電用空気流量調整ユニット
46 第1ヒータ
48 第2ヒータ
50 温水製造装置
52 制御ボックス
54 インバータ
60 純水導入管
62 被改質ガス導入管
64 燃料ガス供給管
66 マニホールド
68 下支持板
70 空気集約室
72 空気分配室
74 空気流路管
76 空気導入管
80 排気ガス通路
82 排気ガス排出管
83 点火装置
84 燃料電池セル
86 内側電極端子
88 燃料ガス流路
90 内側電極
91 多孔質支持体
92 外側電極
94 電解質
100 上支持板
102 集電体
REFERENCE SIGNS LIST 1 solid oxide fuel cell system 2 solid oxide fuel cell module 4 auxiliary unit 6 housing 7 heat insulating material 8 sealed space 10 power generation room 12 solid oxide fuel cell assembly 14 solid oxide fuel cell stack 16 Solid oxide fuel cell unit 18 Combustion chamber 20 Reformer 22 Air heat exchanger 24 Water supply source 28 Water flow rate adjustment unit 30 Fuel supply source 32 Gas shutoff valve 36 Desulfurizer 38 Fuel flow rate adjustment unit 40 Air supply Source 42 Solenoid valve 44 Reforming air flow adjustment unit 45 Power generation air flow adjustment unit 46 First heater 48 Second heater 50 Hot water production device 52 Control box 54 Inverter 60 Pure water introduction pipe 62 Reformed gas introduction pipe 64 Fuel Gas supply pipe 66 Manifold 68 Lower support plate 70 Air collecting chamber 72 Air distribution chamber 74 Air flow pipe 76 Empty Air introduction pipe 80 Exhaust gas passage 82 Exhaust gas exhaust pipe 83 Ignition device 84 Fuel cell 86 Inner electrode terminal 88 Fuel gas passage 90 Inner electrode 91 Porous support 92 Outer electrode 94 Electrolyte 100 Upper support plate 102 Current collector

Claims (4)

固体酸化物形の電解質層を間に挟んで燃料極層と空気極層とが積層された固体酸化物形燃料電池セルにおいて、
前記空気極層の外表面に集電層を有し、
前記集電層は、アルカリ土類金属を含むペロブスカイト型酸化物を含み、気相の周囲長/面積が5.0μm-1以上であることを特徴とする固体酸化物形燃料電池セル。
In a solid oxide fuel cell in which a fuel electrode layer and an air electrode layer are stacked with a solid oxide electrolyte layer interposed therebetween,
Having a current collecting layer on the outer surface of the air electrode layer,
The solid oxide fuel cell according to claim 1 , wherein the current collecting layer includes a perovskite-type oxide containing an alkaline earth metal, and has a perimeter / area of a gas phase of 5.0 μm −1 or more.
前記集電層は1層のみからなる、請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池セル。   The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the current collecting layer includes only one layer. 前記集電層の気孔率は40%以下である、請求項1又は2に記載の固体酸化物形燃料電池セル。   3. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the porosity of the current collecting layer is 40% or less. 前記集電層は銀を含有する集電層である、請求項1乃至3に記載の固体酸化物形燃料電池セル。   4. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the current collecting layer is a current collecting layer containing silver.
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