JP3951132B2 - Solid oxide fuel cell and single cell for fuel cell - Google Patents

Solid oxide fuel cell and single cell for fuel cell Download PDF

Info

Publication number
JP3951132B2
JP3951132B2 JP2003179535A JP2003179535A JP3951132B2 JP 3951132 B2 JP3951132 B2 JP 3951132B2 JP 2003179535 A JP2003179535 A JP 2003179535A JP 2003179535 A JP2003179535 A JP 2003179535A JP 3951132 B2 JP3951132 B2 JP 3951132B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fuel cell
cell
conductive metal
metal substrate
electrically conductive
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2003179535A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2005019072A (en
Inventor
博美 杉本
格 柴田
貢 山中
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nissan Motor Co Ltd filed Critical Nissan Motor Co Ltd
Priority to JP2003179535A priority Critical patent/JP3951132B2/en
Publication of JP2005019072A publication Critical patent/JP2005019072A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3951132B2 publication Critical patent/JP3951132B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

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

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一対の電極で固体電解質を挟持する構成を電池要素として有する固体電解質型燃料電池及び燃料電池用単セルに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来の固体電解質型燃料電池としては、セルと、セル支持体と、セパレータを備えたものがあり、セル支持体及びセパレータの各々の外周部同士を接合することでセルを覆うセル包囲体を形成するようにしている(例えば、特許文献1参照。)。
【0003】
【特許文献1】
特開2003−45454号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した固体電解質型燃料電池において、セル包囲体を形成するセル支持体及びセパレータの各々の外周部同士は気密性が確保された状態で接合されているものの、セルとセル支持体との間にはガスシールが施されていないことから、ガスがクロスリークする恐れがあり、その結果、性能の低下を招き兼ねないという問題があり、この問題を解決することが従来の課題となっていた。
【0005】
【発明の目的】
本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、電気伝導性金属基板に電池要素を積層して成るガスリークのない燃料電池用単セルを提供すると共に、このガスリークのない燃料電池用単セルを積層することで、性能の低下を来すことのない軽量薄型の固体電解質型燃料電池を提供することを目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明の固体電解質型燃料電池は、貫通孔を有する電気伝導性金属基板及び一対の電極層間に電解質層を挟み込んで形成した電池要素を具備して上記電気伝導性金属基板の貫通孔上に上記電池要素を積層して成る燃料電池用単セルを備えた固体電解質型燃料電池において、上記燃料電池用単セルの電気伝導性金属基板の表面をガス透過性及び電気伝導性を有する一方の電極層で被覆すると共に該電気伝導性金属基板の貫通孔内に一方の電極層を充填し、上記燃料電池用単セルの電気伝導性金属基板とこの電気伝導性金属基板に貫通孔を覆うべく接触する一方の電極層の端部との間、及び、該電気伝導性金属基板と電解質層の端部との間に、シール材を含浸させた構成としたことを特徴としており、この固体電解質型燃料電池の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。
【0007】
本発明の固体電解質型燃料電池では、燃料電池用単セルの電気伝導性金属基板と電池要素の電極層の端部との間、及び、該電気伝導性金属基板と電解質層の端部との間に、シール材が含浸させてあるので、電気伝導性金属基板及び電池要素の間からのガスリークが阻止されることとなり、このようなガスリークのない燃料電池用単セルを積層することで、性能の低下を招くことなく軽量薄型化が図られることとなる。
【0008】
【発明の効果】
本発明によれば、上記した構成としているので、軽量で且つ薄型、しかも、ガスリークがほとんど生じることのない固体電解質型燃料電池を提供することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
【0009】
【発明の実施の形態】
本発明の固体電解質型燃料電池において、貫通孔を有する電気伝導性金属基板上に薄膜状の電池要素を積層した燃料電池用単セルは、その周縁部をガスタイトな電気伝導性金属基板としているものの、電気伝導性金属基板の貫通孔上に多孔質な電極層を配置している都合上、この電極層の周囲のガスシールを行う必要がある。また、貫通孔を覆う電極層の直上に100μmよりも薄い電解質層を形成する場合も、ヒートサイクルによって段差の部分から亀裂が生じ易く、クロスリークが起こって性能が低下してしまう。
【0010】
そこで、電極層の周囲を気密性を確保するべくシール材で覆うようになせば、電極層の端部の強度が増してガスのクロスリークを阻止し得ることとなる。この際、燃料電池用単セルの周縁部が電気伝導性金属基板であることから、燃料電池用単セルの電気伝導性金属基板の表面を被覆し且つ該電気伝導性金属基板の貫通孔内に充填したガス透過性及び電気伝導性を有する一方の電極層の端部のシールは電池要素を積層している片面だけでよく、このように、片面だけシールすればよいので、部材を拘束することなく応力の開放がなされて破損等の不具合が減ることとなって、耐久性が向上することとなる。
【0011】
電極層の周囲を覆うシール材としては、例えば、ガラスや、Agや、Ag合金などの作動温度以上の融点を有し、融点以上で軟化して多孔質の電極層中に含浸することでガスを遮断する材料が用いられる。
【0012】
本発明の固体電解質型燃料電池において、上記シール材を介して燃料電池用単セルの電気伝導性金属基板と接合するセル支持体を設けることが望ましい。このように電極層の周囲を覆うシール材を介してセル支持体を貼り付けることで、燃料電池用単セルの外周部分が補強されることとなり、燃料電池用単セルを加工せずにセル支持体のみを加工すればスタック化が可能であり、その結果、燃料電池用単セルの周辺部材の簡略化が図られる。
【0013】
また、セル支持体を燃料電池用単セルの片面だけに貼り付けるので、ガスシールのために燃料電池用単セルの外周部分を上下から押さえつける必要がなく、薄板状の燃料電池用単セルに大きな力をかけずにスタック化し得ることとなる。つまり、燃料電池用単セルを傷つけることなく加工することができ、その加工自体を簡単なものとすることが可能である。なお、セル支持体には10〜500μmの薄板を用いることが望ましく、セル支持体と電気伝導性金属基板との距離は0〜5mmとすることが望ましい。
【0014】
本発明の固体電解質型燃料電池において、セル支持体が複数の開口を有するものとし、これらの開口のそれぞれに燃料電池用単セルを配置して、上記シール材を介して開口の周縁部と燃料電池用単セルの電気伝導性金属基板とを接合することが望ましく、これにより、セル支持体に燃料電池用単セルを複数個設置し得ることとなる、すなわち、複数の燃料電池用単セルを同一平面上に設置したいわゆるセル板を得ることとなる。
【0015】
このように、複数の燃料電池用単セルを同一平面上に設置すれば、ヒートサイクルによって生じる熱応力を緩和し得ることとなる。また、発電時においてガス上流とガス下流との間に生じる燃料の濃度差によりセル面内に発熱温度の差が発生するため、燃料電池用単セルの面積が大きい場合には上記発熱温度の差で生じる応力によって破損等の不具合が起こる可能性を捨てきれないが、上記したように、燃料電池用単セル個々の面積を小さくしている分だけ温度差が小さくなるので、熱応力を緩和し得ることとなり、したがって、上記セル支持体を設けることで耐久性の向上が実現可能である。
【0016】
本発明の固体電解質型燃料電池において、セル支持体を導電性材料からなるものとし、絶縁性を有するものをシール材とすると、電池要素を積層するに際して、シール材で電気的な絶縁をとり得ることから、設計の自由度が広がることとなって、コンパクト化が実現可能である。
【0017】
この場合、セル支持体を構成する導電性材料としては、SUSや、インコネルなどのNi,Ag,Pt,Cuを含む耐熱合金を採用することができ、10〜500μmの金属箔とすることが望ましい。一方、絶縁性を有するシール材としては、融点以上で軟化してガスシール性を発揮するガラスや、セラミックス等の電気絶縁性材料が好適に使用される。
【0018】
一方、セル支持体を絶縁性材料からなるものとすると、電池要素を積層するに際して、セル支持体で電気的な絶縁をとり得ることから、上記と同様に設計の自由度が広がることとなって、コンパクト化が実現可能である。
【0019】
この場合、セル支持体を構成する絶縁性材料としては、Al,TiO等のセラミックスや、SiO等のガラスをはじめとする 絶縁体(<10−7S・cm−1 )部材が好適に使用される。また、セル支持体は、枠状を成していてもよいし、複数の開口を持つ形状を成していてもよい。
【0020】
セル支持体を絶縁性材料で構成することで、シール材には絶縁性材料及び導電性材料のいずれの材料も用いることができ、その分だけ、設計の自由度が広がることとなり、例えば、シール材として導電体である銀や銀合金を用いれば、隣接する単セルを電気的に並列接続することができ、一方、シール材として絶縁性材料を用いれば、単セルを電気的に分割し得ることとなる。
【0021】
本発明の固体電解質型燃料電池において、上記燃料電池用単セルを互いに積層する場合、すなわち、複数の燃料電池用単セルをスタック化したり、複数の燃料電池用単セルを同一平面上に設置して成るセル板をスタック化したりする場合、接合部分の構造が簡略化されるので、部品の軽量化が図られ、薄型でしかも軽量な固体電解質型燃料電池を製造し得ることとなる。
【0022】
【実施例】
以下、本発明を図面に基づいて説明する。
【0023】
[実施例1]
図1は本発明の一実施例を示している。
【0024】
図1に示すように、この燃料電池用単セル1は、貫通孔2aを有する電気伝導性金属基板2及び一対の電極層3a,3b間に電解質層3cを挟み込んで形成した電池要素3を備えていて、この電池要素3を電気伝導性金属基板2の貫通孔2a上に積層して成っており、電気伝導性金属基板2の表面を電池要素3の一方の電極層(燃料極)3aで被覆すると共に該電気伝導性金属基板2の貫通孔2a内に一方の電極層3aを充填し、電気伝導性金属基板2とこの電気伝導性金属基板2に貫通孔2aを覆うべく接触する一方の電極層3aの端部との間、及び、該電気伝導性金属基板2と電解質層3cの端部との間には、シール材4が含浸させてある。
【0025】
この実施例において、電気伝導性金属基板2をフォトエッチングにより製造された板厚0.1mmのSUS430から成るエッチングボードとし、電池要素3を構成する燃料極層3aをスクリーン印刷により製造された層厚0.12mmのNiO+SDC(Sm添加セリア)、電解質層3cをスクリーン印刷により製造された層厚10umの10ScSZ(Sc添加安定化ジルコニア)、空気極層3bをスクリーン印刷により製造された層厚20umのSSC(Sm,Sr添加コバルト酸化物)とし、シール材4を低融点ガラスから成るガラスシールとしている。
【0026】
具体的に説明すると、電池要素3の燃料極層3aは、ペーストを塗布した後に、H還元雰囲気中において1100℃で焼成して成り、電解質層3cは、ペーストを塗布した後に、H還元雰囲気中において1200℃で焼成して成り、空気極層3bは、ペーストを塗布した後に、H還元雰囲気中において850℃で焼成して成っている。また、シール材4は、電気伝導性金属基板2の多孔質部分に塗布した後、800℃に保ちつつ溶融させて含浸させてある。
【0027】
この燃料電池用単セル1では、電池要素3の燃料極層3a、すなわち、電気伝導性金属基板2の表面を被覆し且つ該電気伝導性金属基板2の貫通孔2a内に充填した一方の電極層3aの周囲を気密性を確保するべくシール材4で覆っているので、燃料極層3aの端部の強度が増してガスのクロスリークを阻止し得ることとなり、この際、燃料電池用単セル1の周縁部が電気伝導性金属基板2であることから、燃料極層3aの端部のシールは少なくとも電池要素3を積層している片面(図示上面)だけでよく、このように、片面だけシールすればよいので、部材を拘束することなく応力の開放がなされて破損等の不具合が減ることとなり、その結果、耐久性が向上することとなる。
【0028】
[実施例2]
図2は本発明の他の実施例を示している。
【0029】
図2に示すように、この実施例における固体電解質型燃料電池では、実施例1の燃料電池用単セル1に、電気伝導性金属基板2とシール材4を介して接合する枠状を成すセル支持体5を設けており、このセル支持体5は、板厚50umのインコネルから成る導電性基板としてある。燃料電池用単セル1自体の構成は実施例1と同じである。
【0030】
この実施例における固体電解質型燃料電池では、電池要素3の燃料極層3a、すなわち、電気伝導性金属基板2の表面を被覆し且つ該電気伝導性金属基板2の貫通孔2a内に充填した一方の電極層3aの周囲を覆うシール材4を介してセル支持体5を貼り付けているので、燃料電池用単セル1自体の加工を必要とせずにセル支持体5のみの加工でスタック化が可能であり、その結果、燃料電池用単セル1の周辺部材の簡略化が図られることとなる。また、この実施例における固体電解質型燃料電池では、セル支持体5を導電性基板からなるものとし、低融点ガラスから成るガラスシールをシール材4としているので、電池要素3を積層するに際して、シール材4で電気的な絶縁をとり得ることから、設計の自由度が広がることとなって、コンパクト化が実現可能である。
【0031】
[実施例3]
図3は本発明のさらに他の実施例を示している。
【0032】
図3に示すように、この実施例における固体電解質型燃料電池では、実施例1の燃料電池用単セル1の他に、板厚100umのSUS430から成るセル支持体15を設けている。
【0033】
この場合、セル支持体15は複数の開口15aを具備した円板状を成すものであって、これらの開口15aのそれぞれに実施例1の燃料電池用単セル1を配置して、開口15aの周縁部と燃料電池用単セル1の電気伝導性金属基板2とをシール材4を介して接合してある。
【0034】
この実施例における固体電解質型燃料電池では、複数の開口15aを有するセル支持体15を用いることによって、複数の燃料電池用単セル1を同一平面上に設置したいわゆるセル板1Aを得ることとなり、このように、複数の燃料電池用単セル1を同一平面上に設置すれば、ヒートサイクルによって生じる熱応力を緩和し得ることとなって、耐久性の向上が実現可能である。
【0035】
[実施例4]
図4は本発明のさらに他の実施例を示している。
【0036】
図4に示すように、この実施例における固体電解質型燃料電池では、実施例1の燃料電池用単セル1に、板厚100umのAlから成る絶縁性を有するセル支持体25を設けている。
【0037】
このセル支持体25は複数の開口25aを具備した枠状を成すものであって、これらの開口25aのそれぞれに実施例1の燃料電池用単セル1を配置して、開口25aの周縁部と燃料電池用単セル1の電気伝導性金属基板2とをシール材4を介して接合してある。
【0038】
この場合、図4(b)に示すように、セル支持体25の中心を通過する縦枠25b及び横枠25cを電気伝導性金属基板2に接合するシール材4Aは、銀合金から成る導電性シールとしてある。
【0039】
この実施例における固体電解質型燃料電池においても、複数の燃料電池用単セル1を同一平面上に設置したセル板を得ることから、ヒートサイクルによって生じる熱応力を緩和し得ることとなって、耐久性の向上が実現可能である。
【0040】
また、この実施例では、セル支持体25がAlから成っているので、電池要素3を積層するに際して、このセル支持体25で電気的な絶縁をとり得ることから、設計の自由度が広がることとなって、コンパクト化が実現可能である。
【0041】
このように、セル支持体25を絶縁性材料であるAlで構成することで、絶縁性シール材4及び導電性シール材4Aのいずれをも用いることができ、その分だけ、設計の自由度が広がることとなり、この実施例のように、銀合金から成る導電シール材4Aを用いることで、隣接する燃料電池用単セル1同士を電気的に並列接続することができる。なお、セル支持体25の中心を通過する縦枠25b及び横枠25cの接合部分にも絶縁性シール材4を用いれば、燃料電池用単セル1同士を電気的に分割し得ることとなる。
【0042】
[実施例5]
図5は本発明のさらに他の実施例を示している。
【0043】
図5に示すように、この実施例における固体電解質型燃料電池は、複数の実施例3におけるセル板1Aと、厚さ150umのインコネルからなる導電性基板に流路を形成した複数のセパレータ6とを交互に積層して成っており、この固体電解質型燃料電池では、接合部分の構造が簡略化されるので、部品の軽量化が図られ、薄型でしかも軽量な固体電解質型燃料電池を製造し得ることとなる。
【0044】
なお、図5における符号7は多孔性導電体を示し、符号8は燃料流、符号9は空気流をそれぞれ示している。
【0045】
本発明の固体電解質型燃料電池及び燃料電池用単セルの詳細な構成は、上記した実施例に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の固体電解質型燃料電池の一実施例を示す断面説明図である。
【図2】本発明の固体電解質型燃料電池の他の実施例を示す平面説明図(a)及び断面説明図(b)である。
【図3】本発明の固体電解質型燃料電池のさらに他の実施例を示す平面説明図(a)及び断面説明図(b)である。
【図4】本発明の固体電解質型燃料電池のさらに他の実施例を示す平面説明図(a)及び断面説明図(b)である。
【図5】本発明の固体電解質型燃料電池のさらに他の実施例を示す断面説明図である。
【符号の説明】
1 燃料電池用単セル
2 電気伝導性金属基板
2a 貫通孔
3 電池要素
3a 燃料極層(電極層)
3b 空気極層(電極層)
3c 電解質層
4 絶縁性のシール材
4A 導電性のシール材
5,15,25 セル支持体
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a solid electrolyte fuel cell having a configuration in which a solid electrolyte is sandwiched between a pair of electrodes as a battery element, and a single cell for a fuel cell.
[0002]
[Prior art]
Conventional solid oxide fuel cells include a cell, a cell support, and a separator, and a cell enclosure that covers the cell is formed by joining the outer periphery of each of the cell support and the separator. (For example, refer to Patent Document 1).
[0003]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2003-45454
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described solid oxide fuel cell, the outer periphery of each of the cell support and the separator forming the cell enclosure is joined in a state where airtightness is ensured, but the cell and the cell support Since there is no gas seal between them, there is a risk that the gas may cross-leak, and as a result, there is a problem that the performance may be deteriorated, and it is a conventional problem to solve this problem It was.
[0005]
OBJECT OF THE INVENTION
The present invention has been made by paying attention to the above-described conventional problems, and provides a single cell for a fuel cell free from gas leakage, which is formed by laminating battery elements on an electrically conductive metal substrate, and a fuel cell free from this gas leakage. It is an object of the present invention to provide a lightweight and thin solid oxide fuel cell that does not cause a decrease in performance by stacking single cells for use.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The solid electrolyte fuel cell according to the present invention includes an electrically conductive metal substrate having a through hole and a battery element formed by sandwiching an electrolyte layer between a pair of electrode layers, and the above-described electrode is formed on the through hole of the electrically conductive metal substrate. In a solid oxide fuel cell having a single cell for a fuel cell formed by stacking battery elements, one electrode layer having gas permeability and electrical conductivity on the surface of an electrically conductive metal substrate of the single cell for fuel cell contact order in filling the one electrode layer in electrical conductive metal substrate through hole with covering, covering the Symbol fuel cell single cell of an electrically conductive metal substrate Toko of electrically conductive metal substrate into the through hole between the end of one of the conductive electrode layer it, and, between the end portion of the electric conductive metal substrate and the electrolyte layer is characterized in that a structure impregnated with sealant, the solid The structure of the electrolyte fuel cell was described above. It is a means for solving the problems of come.
[0007]
In the solid oxide fuel cell of the present invention, between the electrically conductive metal substrate of the single cell for fuel cells and the end of the electrode layer of the battery element , and between the electrically conductive metal substrate and the end of the electrolyte layer. Since the sealing material is impregnated between them, gas leakage from between the electrically conductive metal substrate and the battery element will be prevented, and by stacking single cells for fuel cells without such gas leakage, performance will be improved. Thus, the weight and thickness can be reduced without incurring a decrease.
[0008]
【The invention's effect】
According to the present invention, since it has the above-described configuration, it is possible to provide a very excellent effect that it is possible to provide a solid oxide fuel cell that is lightweight and thin, and hardly causes gas leakage.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the solid oxide fuel cell according to the present invention, a single cell for a fuel cell in which a thin-film battery element is laminated on an electrically conductive metal substrate having a through-hole has a peripheral portion made of a gastight electrically conductive metal substrate. For the convenience of disposing a porous electrode layer on the through-hole of the electrically conductive metal substrate, it is necessary to perform a gas seal around this electrode layer. Also, when an electrolyte layer thinner than 100 μm is formed immediately above the electrode layer covering the through-hole, cracks are likely to occur from the stepped portion due to the heat cycle, and a cross leak occurs and the performance deteriorates.
[0010]
Therefore, if the periphery of the electrode layer is covered with a sealing material so as to ensure airtightness, the strength of the end of the electrode layer is increased and gas cross-leakage can be prevented. At this time, since the peripheral portion of the unit cell for the fuel cell is an electrically conductive metal substrate, the surface of the electrically conductive metal substrate of the unit cell for the fuel cell is covered and the through hole of the electrically conductive metal substrate is covered. sealing the ends of one of the conductive electrode layer with a fill gas permeability and electrical conductivity need only one side are stacked battery elements, thus, it is sufficient only seals one side, restraining member The stress is released without any problems such as breakage and the durability is improved.
[0011]
As a sealing material covering the periphery of the electrode layer, for example, a gas having a melting point equal to or higher than the operating temperature of glass, Ag, an Ag alloy, etc. is softened above the melting point and impregnated into the porous electrode layer. A material that shuts off is used.
[0012]
In the solid electrolyte fuel cell of the present invention, it is desirable to provide a cell support that junction and electric conductive metal substrate of the unit cell for a fuel cell through the sealing material. By sticking the cell support through the sealing material covering the periphery of the electrode layer in this way, the outer peripheral portion of the single cell for the fuel cell is reinforced, and the cell support is performed without processing the single cell for the fuel cell. If only the body is processed, stacking is possible, and as a result, the peripheral members of the fuel cell single cell can be simplified.
[0013]
In addition, since the cell support is attached to only one side of the fuel cell unit cell, there is no need to press the outer periphery of the fuel cell unit cell from above and below for gas sealing. It can be stacked without any effort. That is, the fuel cell single cell can be processed without damaging it, and the processing itself can be simplified. In addition, it is desirable to use a 10-500 micrometers thin plate for a cell support body, and it is desirable that the distance of a cell support body and an electroconductive metal substrate shall be 0-5 mm.
[0014]
In the solid electrolyte fuel cell of the present invention, it is assumed that the cell support has a plurality of openings, by placing the fuel cell single cell in each of these openings, and the peripheral portion of the apertures through the sealing material it is desirable to junction and electrically conductive metal substrate of the unit cell for a fuel cell, which makes it capable of installing a plurality of single cells for fuel cell to cell support, i.e., single for multiple fuel cells A so-called cell plate having cells arranged on the same plane is obtained.
[0015]
Thus, if a plurality of single cells for a fuel cell are installed on the same plane, the thermal stress caused by the heat cycle can be relaxed. In addition, since the difference in heat generation temperature occurs in the cell surface due to the difference in fuel concentration generated between the gas upstream and gas downstream during power generation, the difference in heat generation temperature may occur when the area of a single cell for a fuel cell is large. However, as described above, the temperature difference is reduced by reducing the area of each single unit cell for fuel cells, reducing the thermal stress. Accordingly, it is possible to improve durability by providing the cell support.
[0016]
In the solid oxide fuel cell of the present invention, when the cell support is made of a conductive material and the insulating material is a sealing material, the sealing material can be electrically insulated when the battery elements are stacked. For this reason, the degree of freedom in design is expanded, and a compact design can be realized.
[0017]
In this case, as the conductive material constituting the cell support, a heat resistant alloy containing Ni, Ag, Pt, Cu such as SUS or Inconel can be adopted, and it is desirable to use a metal foil of 10 to 500 μm. . On the other hand, as the sealing material having an insulating property, an electrically insulating material such as glass or ceramic that softens at a melting point or higher and exhibits a gas sealing property is suitably used.
[0018]
On the other hand, if the cell support is made of an insulating material, the cell support can be electrically insulated when the battery elements are stacked, so that the degree of freedom in design is expanded as described above. Compacting is possible.
[0019]
In this case, as an insulating material constituting the cell support, an insulator (<10 −7 S · cm −1 ) member such as ceramics such as Al 2 O 3 and TiO 2 and glass such as SiO 2 is used. Are preferably used. In addition, the cell support may have a frame shape or a shape having a plurality of openings.
[0020]
By configuring the cell support with an insulating material, both the insulating material and the conductive material can be used as the sealing material, and the degree of freedom of design is expanded accordingly. If silver or a silver alloy, which is a conductor, is used as a material, adjacent single cells can be electrically connected in parallel. On the other hand, if an insulating material is used as a sealing material, single cells can be electrically divided. It will be.
[0021]
In the solid oxide fuel cell of the present invention, when the fuel cell single cells are stacked on each other, that is, a plurality of fuel cell single cells are stacked, or a plurality of fuel cell single cells are installed on the same plane. When the cell plates are stacked, the structure of the joining portion is simplified, so that the weight of the parts can be reduced, and a thin and lightweight solid oxide fuel cell can be manufactured.
[0022]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings.
[0023]
[Example 1]
FIG. 1 shows an embodiment of the present invention.
[0024]
As shown in FIG. 1, this single cell 1 for fuel cells includes an electrically conductive metal substrate 2 having a through hole 2a and a battery element 3 formed by sandwiching an electrolyte layer 3c between a pair of electrode layers 3a and 3b. The battery element 3 is laminated on the through hole 2a of the electrically conductive metal substrate 2, and the surface of the electrically conductive metal substrate 2 is covered with one electrode layer (fuel electrode) 3a of the battery element 3. you contact to electrical in the through hole 2a of the conductive metal substrate 2 by filling the one electrode layer 3a, the electrically conductive metal substrate 2 of the electrical conductive metal substrate 2 Toko cover the through hole 2a with covering A sealing material 4 is impregnated between the end of one electrode layer 3a and between the end of the electroconductive metal substrate 2 and the electrolyte layer 3c .
[0025]
In this embodiment, the electrically conductive metal substrate 2 is an etching board made of SUS430 having a thickness of 0.1 mm manufactured by photoetching, and the fuel electrode layer 3a constituting the battery element 3 is manufactured by screen printing. 0.12 mm NiO + SDC (Sm-added ceria), electrolyte layer 3c having a thickness of 10 um 10ScSZ (Sc-added stabilized zirconia) produced by screen printing, air electrode layer 3b having a thickness of 20 um produced by screen printing (Sm, Sr-added cobalt oxide), and the sealing material 4 is a glass seal made of low-melting glass.
[0026]
Specifically, the fuel electrode layer 3a of the battery element 3 is formed by baking at 1100 ° C. in an H 2 reducing atmosphere after applying the paste, and the electrolyte layer 3c is formed by reducing the H 2 reduction after applying the paste. The air electrode layer 3b is formed by baking at 850 ° C. in an H 2 reducing atmosphere after applying the paste. Further, the sealing material 4 is applied to the porous portion of the electrically conductive metal substrate 2 and then melted and impregnated while being kept at 800 ° C.
[0027]
In this fuel cell single cell 1, the fuel electrode layer 3 a of the battery element 3 , that is, the surface of the electrically conductive metal substrate 2 is covered and filled in the through hole 2 a of the electrically conductive metal substrate 2. Since the periphery of the electrode layer 3a is covered with the sealing material 4 so as to ensure airtightness, the strength of the end of the fuel electrode layer 3a can be increased to prevent gas cross-leakage. Since the peripheral portion of the unit cell 1 is the electrically conductive metal substrate 2, the end portion of the fuel electrode layer 3a may be sealed only on one side (the upper surface in the figure) on which the battery element 3 is laminated. Since only one side needs to be sealed, stress is released without restraining the member, and problems such as breakage are reduced. As a result, durability is improved.
[0028]
[Example 2]
FIG. 2 shows another embodiment of the present invention.
[0029]
As shown in FIG. 2, in the solid oxide fuel cell of this embodiment, a frame-shaped cell joined to the fuel cell single cell 1 of Embodiment 1 via an electrically conductive metal substrate 2 and a sealing material 4. A support 5 is provided, and the cell support 5 is a conductive substrate made of Inconel having a thickness of 50 μm. The configuration of the fuel cell single cell 1 itself is the same as that of the first embodiment.
[0030]
In the solid oxide fuel cell in this embodiment, the fuel electrode layer 3 a of the cell element 3 , that is, the surface of the electrically conductive metal substrate 2 is covered and filled in the through hole 2 a of the electrically conductive metal substrate 2. Since the cell support 5 is affixed via the sealing material 4 covering the periphery of one electrode layer 3a , stacking can be performed by processing only the cell support 5 without the need for processing the single cell 1 for fuel cells. As a result, the peripheral members of the unit cell 1 for fuel cells can be simplified. Further, in the solid oxide fuel cell according to this embodiment, the cell support 5 is made of a conductive substrate, and the glass seal made of low-melting glass is used as the sealing material 4. Since the material 4 can be electrically insulated, the degree of freedom in design is increased and a compact design can be realized.
[0031]
[Example 3]
FIG. 3 shows still another embodiment of the present invention.
[0032]
As shown in FIG. 3, in the solid oxide fuel cell in this example, in addition to the single cell 1 for the fuel cell of Example 1, a cell support 15 made of SUS430 having a plate thickness of 100 μm is provided.
[0033]
In this case, the cell support 15 has a disk shape having a plurality of openings 15a. The single cell 1 for the fuel cell of Example 1 is disposed in each of the openings 15a, and the openings 15a The peripheral edge portion and the electrically conductive metal substrate 2 of the unit cell 1 for a fuel cell are joined via a sealing material 4.
[0034]
In the solid oxide fuel cell in this embodiment, by using the cell support 15 having a plurality of openings 15a, a so-called cell plate 1A in which a plurality of fuel cell single cells 1 are installed on the same plane is obtained. As described above, if a plurality of single cells 1 for a fuel cell are installed on the same plane, thermal stress generated by the heat cycle can be alleviated, and improvement in durability can be realized.
[0035]
[Example 4]
FIG. 4 shows still another embodiment of the present invention.
[0036]
As shown in FIG. 4, in the solid oxide fuel cell according to this example, the single cell 1 for the fuel cell of Example 1 is provided with an insulating cell support 25 made of Al 2 O 3 having a thickness of 100 μm. ing.
[0037]
The cell support 25 has a frame shape having a plurality of openings 25a. The single cell 1 for the fuel cell of Example 1 is disposed in each of the openings 25a, and the periphery of the opening 25a The electrically conductive metal substrate 2 of the unit cell 1 for a fuel cell is joined via a sealing material 4.
[0038]
In this case, as shown in FIG. 4B, the sealing material 4A for joining the vertical frame 25b and the horizontal frame 25c passing through the center of the cell support 25 to the electrically conductive metal substrate 2 is a conductive material made of a silver alloy. As a seal.
[0039]
Also in the solid oxide fuel cell in this embodiment, since a cell plate in which a plurality of single cells 1 for fuel cells are installed on the same plane is obtained, the thermal stress caused by the heat cycle can be alleviated, and durability is improved. An improvement in performance can be realized.
[0040]
In this embodiment, since the cell support 25 is made of Al 2 O 3 , the cell support 25 can be electrically insulated when the battery elements 3 are stacked. Therefore, it is possible to achieve a compact size.
[0041]
Thus, by constituting the cell support 25 with Al 2 O 3 which is an insulating material, both the insulating sealing material 4 and the conductive sealing material 4A can be used. The degree of freedom is widened, and by using the conductive sealing material 4A made of a silver alloy as in this embodiment, adjacent fuel cell single cells 1 can be electrically connected in parallel. In addition, if the insulating sealing material 4 is used also for the joint part of the vertical frame 25b and the horizontal frame 25c which pass through the center of the cell support body 25, the single cells 1 for fuel cells can be electrically divided.
[0042]
[Example 5]
FIG. 5 shows still another embodiment of the present invention.
[0043]
As shown in FIG. 5, the solid oxide fuel cell in this example includes a cell plate 1A in a plurality of examples 3 and a plurality of separators 6 each having a flow path formed on a conductive substrate made of Inconel having a thickness of 150 μm. In this solid oxide fuel cell, the structure of the joint is simplified, so the weight of the parts is reduced, and a thin and lightweight solid oxide fuel cell is manufactured. Will get.
[0044]
In addition, the code | symbol 7 in FIG. 5 shows a porous conductor, the code | symbol 8 has shown the fuel flow, and the code | symbol 9 has shown the air flow, respectively.
[0045]
The detailed configurations of the solid oxide fuel cell and the single cell for fuel cell of the present invention are not limited to the above-described embodiments.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory cross-sectional view showing one embodiment of a solid oxide fuel cell of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory plan view (a) and a sectional explanatory view (b) showing another embodiment of the solid oxide fuel cell of the present invention.
FIG. 3 is an explanatory plan view (a) and a sectional explanatory view (b) showing still another embodiment of the solid oxide fuel cell of the present invention.
FIG. 4 is an explanatory plan view (a) and a sectional explanatory view (b) showing still another embodiment of the solid oxide fuel cell of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional explanatory view showing still another embodiment of the solid oxide fuel cell of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Single cell for fuel cells 2 Electrically conductive metal substrate 2a Through-hole 3 Battery element 3a Fuel electrode layer (electrode layer)
3b Air electrode layer (electrode layer)
3c Electrolyte layer 4 Insulating sealing material 4A Conductive sealing material 5, 15, 25 Cell support

Claims (9)

貫通孔を有する電気伝導性金属基板及び一対の電極層間に電解質層を挟み込んで形成した電池要素を具備して上記電気伝導性金属基板の貫通孔上に上記電池要素を積層して成る燃料電池用単セルを備えた固体電解質型燃料電池において
上記燃料電池用単セルの電気伝導性金属基板の表面をガス透過性及び電気伝導性を有する一方の電極層で被覆すると共に該電気伝導性金属基板の貫通孔内に一方の電極層を充填し、上記燃料電池用単セルの電気伝導性金属基板とこの電気伝導性金属基板に貫通孔を覆うべく接触する一方の電極層の端部との間、及び、該電気伝導性金属基板と電解質層の端部との間に、シール材を含浸させたことを特徴とする固体電解質型燃料電池。
A fuel cell comprising a conductive metal substrate having a through hole and a battery element formed by sandwiching an electrolyte layer between a pair of electrode layers, and the battery element is laminated on the through hole of the conductive metal substrate. In a solid oxide fuel cell with a single cell ,
The surface of the electrically conductive metal substrate of the unit cell for fuel cell is covered with one electrode layer having gas permeability and electrical conductivity, and one electrode layer is filled in the through hole of the electrically conductive metal substrate. , between the end of one of the conductive electrode layer you contact to the electrically conductive metal substrate of electrically conductive metal substrate Toko unit cell for the upper Symbol fuel cell cover the through-hole, and, the electrical conductive metal substrates A solid oxide fuel cell, wherein a sealing material is impregnated between the electrode and an end of the electrolyte layer .
記シール材を介して燃料電池用単セルの電気伝導性金属基板と接合するセル支持体を備えている請求項1に記載の固体電解質型燃料電池。Solid oxide fuel cell according to claim 1, further comprising a cell support which junction electrically conductive metal substrate of the unit cell for a fuel cell through the upper carboxymethyl Lumpur material. 上記セル支持体は複数の開口を具備し、これらの開口のそれぞれに燃料電池用単セルを配置して、上記シール材を介して開口の周縁部と燃料電池用単セルの電気伝導性金属基板とを接合してある請求項2に記載の固体電解質型燃料電池。The cell support comprises a plurality of apertures, each arranged unit cell for a fuel cell in these openings, electrically conductive metal rim portion and a fuel cell unit cell of apertures through the sealing material solid oxide fuel cell according to claim 2 which are engaged against the substrate. 上記セル支持体は導電性材料からなり、シール材が絶縁性を有している請求項2又は3に記載の固体電解質型燃料電池。The solid oxide fuel cell according to claim 2 or 3, wherein the cell support is made of a conductive material, and the sealing material has an insulating property. 上記セル支持体は絶縁性材料からなっている請求項2又は3に記載の固体電解質型燃料電池。4. The solid oxide fuel cell according to claim 2, wherein the cell support is made of an insulating material. 複数の燃料電池用単セルを互いに積層して成る請求項1〜5のいずれか1つの項に記載の固体電解質型燃料電池。The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein a plurality of single cells for a fuel cell are stacked on each other. 上記燃料電池用単セルの電気伝導性金属基板の表面を被覆し且つ該電気伝導性金属基板の貫通孔内に充填したガス透過性及び電気伝導性を有する一方の電極層が燃料極である請求項1〜6のいずれか1つの項に記載の固体電解質型燃料電池。One electrode layer covering the surface of the electrically conductive metal substrate of the single cell for a fuel cell and having gas permeability and electrical conductivity filled in the through hole of the electrically conductive metal substrate is a fuel electrode. Item 7. The solid oxide fuel cell according to any one of Items 1 to 6. 貫通孔を有する電気伝導性金属基板及び一対の電極層間に電解質層を挟み込んで形成した電池要素を具備して上記電気伝導性金属基板の貫通孔上に上記電池要素を積層して成る燃料電池用単セルにおいて、A fuel cell comprising a conductive metal substrate having a through hole and a battery element formed by sandwiching an electrolyte layer between a pair of electrode layers, and the battery element is laminated on the through hole of the conductive metal substrate. In a single cell,
上記電気伝導性金属基板の表面をガス透過性及び電気伝導性を有する一方の電極層で被覆すると共に該電気伝導性金属基板の貫通孔内に一方の電極層を充填し、上記電気伝導性金属基板とこの電気伝導性金属基板に貫通孔を覆うべく接触する一方の電極層の端部との間、及び、該電気伝導性金属基板と電解質層の端部との間に、シール材を含浸させたことを特徴とする燃料電池用単セル。  The surface of the electrically conductive metal substrate is covered with one electrode layer having gas permeability and electrical conductivity, and one electrode layer is filled in the through-hole of the electrically conductive metal substrate, and the electrically conductive metal A sealing material is impregnated between the substrate and the end of one electrode layer that contacts the electrically conductive metal substrate so as to cover the through hole, and between the electrically conductive metal substrate and the end of the electrolyte layer. A single cell for a fuel cell, wherein
上記電気伝導性金属基板の表面を被覆し且つ該電気伝導性金属基板の貫通孔内に充填したガス透過性及び電気伝導性を有する一方の電極層が燃料極である請求項8に記載の燃料電池用単セル。9. The fuel according to claim 8, wherein one electrode layer having gas permeability and electrical conductivity covering the surface of the electrically conductive metal substrate and filling the through-holes of the electrically conductive metal substrate is a fuel electrode. Single cell for battery.
JP2003179535A 2003-06-24 2003-06-24 Solid oxide fuel cell and single cell for fuel cell Expired - Fee Related JP3951132B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003179535A JP3951132B2 (en) 2003-06-24 2003-06-24 Solid oxide fuel cell and single cell for fuel cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003179535A JP3951132B2 (en) 2003-06-24 2003-06-24 Solid oxide fuel cell and single cell for fuel cell

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2005019072A JP2005019072A (en) 2005-01-20
JP3951132B2 true JP3951132B2 (en) 2007-08-01

Family

ID=34180834

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2003179535A Expired - Fee Related JP3951132B2 (en) 2003-06-24 2003-06-24 Solid oxide fuel cell and single cell for fuel cell

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3951132B2 (en)

Also Published As

Publication number Publication date
JP2005019072A (en) 2005-01-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8691474B2 (en) Fuel cell stack components and materials
WO2014208739A1 (en) Fuel cell and method for manufacturing same
WO2016047048A1 (en) Solid oxide fuel cell stack
US20230268591A1 (en) Battery package and battery module
JP2013157191A (en) Cell stack device and fuel cell device
JP2012230875A (en) Solid oxide fuel cell and manufacturing method of the same
US7855030B2 (en) Inhibitor for prevention of braze migration in solid oxide fuel cells
JP2009545851A (en) Elongated sealed solid oxide fuel cell element
JP2002319413A (en) Solid electrolyte fuel cell plate and stack
JP2016062655A (en) Separator-fitted single fuel cell
JP2003045454A (en) Fuel cell
JP2014049321A (en) Fuel battery cell with separator, and fuel battery
JP3951132B2 (en) Solid oxide fuel cell and single cell for fuel cell
WO2006090464A1 (en) Solid polymer fuel cell and method for producing same
JP6118230B2 (en) Fuel cell stack
JP4028352B2 (en) Electrolyte membrane / electrode structure
JP5705636B2 (en) Solid oxide fuel cell
JP2015032557A (en) Solid oxide fuel cell stack and interconnector with separator
JP6264733B2 (en) Solid oxide fuel cell
JP4287364B2 (en) Molten carbonate fuel cell and manufacturing method thereof
KR101898738B1 (en) Method for oxide catalyst collector of sofc stack having metal support cell
JPH0945356A (en) Stack structure of plate type solid electrolyte fuel cell
JP2002270198A (en) Fuel cell
JP6452516B2 (en) Separator for solid oxide fuel cell and solid oxide fuel cell
JP2654502B2 (en) Solid electrolyte fuel cell with mechanical seal structure

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20050526

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20060629

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20060814

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20061005

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

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20070328

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20070410

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110511

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130511

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140511

Year of fee payment: 7

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees