JP4028813B2 - Fuel cell and fuel cell - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池セル及び燃料電池に関し、特に、導電性支持体内に形成されたガス流路形状に関するものである。
【0002】
【従来技術】
近年、次世代エネルギーとして、燃料電池セルのスタックを収納容器内に収納した燃料電池が種々提案されている。
【0003】
図4は、従来の固体電解質型燃料電池の燃料電池セル1を示すもので、燃料電池セル1は、軸長方向に複数のガス流路3を有する多孔質の支持体を兼ねた扁平な内側電極1a上の外周面に、緻密質な固体電解質1b、多孔質な導電性セラミックスからなる外側電極1cが順次形成されている。また、固体電解質1b、外側電極1cから露出した内側電極1aには、外側電極1cに接続しないようにインターコネクタ1dが設けられ、内側電極1aと電気的に接続している。
【0004】
このような燃料電池セル1では、燃料電池セル1の形状を扁平状とすることにより、燃料電池セル1当たりの発電部の面積を増加させることができ、発電量を増加させることができる。
【0005】
燃料電池は、上記燃料電池セル1を収納容器内に複数収納して構成され、例えば、内側電極1a内部に酸素ガス注入管5を通じて酸素含有ガスを供給し、外側電極1cに燃料ガス(水素)を供給して約1000℃で発電される。
【0006】
この燃料電池セル1の内側電極1aと固体電解質1b、外側電極1cが重なり合っている部分が発電部であり、この発電部で発生した電流は内側電極1aを電流経路とし、インターコネクタ1dを介して他の燃料電池セル1へと接続される(特許文献1参照)。
【0007】
【特許文献1】
特開昭63−261678号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
このような燃料電池セル1では、燃料電池セル1の厚みを薄くすると電流経路が短くなるため、燃料電池セル1当たりの発電量を増加させることができるものの、燃料電池セル1の厚みを薄くするほど、燃料電池セル1の平坦部の最薄肉部Bに割れが発生する傾向にあり、信頼性を十分に確保できないといった問題があった。
【0009】
即ち、図4の燃料電池セル1では、内側電極1aに断面形状が円状のガス流路3が形成され、しかも最薄肉部におけるガス流路3の曲率が大きいため、ガス流路3と燃料電池セル1の外表面間の厚み(最薄肉部)が、ガス流路3が形成されていない部分に比べ、薄くなり、構造的に弱くなるため、燃料電池セル1の焼成、還元処理、及び発電時に発生する応力により割れが発生しやすいという問題があった。
【0010】
本発明は、歩留まりが高く、信頼性に優れた燃料電池セル及び燃料電池を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池セルは、複数のガス流路が形成された板状の導電性支持体の一方側主面に、燃料側電極、固体電解質、酸素側電極を順次設けて発電部を形成してなるとともに、他方側主面にインターコネクタを設けてなる燃料電池セルであって、前記ガス流路が楕円状で、前記板状の導電性支持体の厚み方向におけるガス流路の径をR1、前記板状の導電性支持体の厚みと直交する方向におけるガス流路の径をR2としたとき、R2>R1を満足することを特徴とする。
【0012】
このような燃料電池セルでは、ガス流路の径をR2>R1とすることで、ガス流路と燃料電池セルの外表面間の厚みが薄くなる部分(最薄肉部)が形成されるものの、最薄肉部におけるガス流路が燃料電池セルの平坦部に対して、曲率の小さい穴形状となるため、焼成時、還元処理時及び発電時に、燃料電池セルの最薄肉部に発生する応力を緩和することができ、燃料電池セルの最薄肉部の割れの発生を抑制できる。
【0013】
本発明の燃料電池セルは、複数のガス流路が形成された板状の支持体を兼ねる燃料側電極の一方側主面に、固体電解質、酸素側電極を順次設けて発電部を形成してなるとともに、他方側主面にインターコネクタを設けてなる燃料電池セルであって、前記ガス流路が楕円状で、前記板状の支持体を兼ねる燃料側電極の厚み方向におけるガス流路の径をR1、前記板状の支持体を兼ねる燃料側電極の厚みと直交する方向におけるガス流路の径をR2としたとき、R2>R1を満足することを特徴とする。
【0014】
このような燃料電池セルでは、ガス流路の径をR2>R1とすることで、焼成時に燃料電池セルの最薄肉部に発生する応力を緩和することができ、燃料電池セルの最薄肉部の割れの発生を抑制できる。
【0015】
また、本発明の燃料電池セルは、R2がR1の1.03倍以上であることを特徴とする。このような燃料電池セルでは、燃料電池セルの最薄肉部に発生する応力を効果的に緩和でき、燃料電池セルの最薄肉部の割れの発生を抑制できる。
【0018】
本発明の燃料電池は、上記した燃料電池セルを収納容器内に複数収納してなることを特徴とする。このような燃料電池では、燃料電池セルの破損を防止できるため、信頼性に優れた燃料電池セルおよび燃料電池を提供できる。
【0019】
【発明の実施の形態】
本発明の燃料電池セルは、図1に示すように、断面が板状で、全体的に見て柱状の多孔質な導電性支持体33aを具備するもので、この導電性支持体33aの一方側平坦面と両端の弧状面に、多孔質な燃料側電極33b、緻密質な固体電解質33c、多孔質な導電性セラミックスからなる酸素側電極33dが順次積層されている。また、前記酸素側電極33dと反対側の導電性支持体33aの平坦面に中間膜33e、ランタン−クロム系酸化物材料からなるインターコネクタ33f、P型半導体材料からなる集電膜33gが形成されている。
【0020】
また、本発明の燃料電池セルは、全体的に見て柱状であり、その内部には複数の楕円状のガス流路34が軸長方向に形成されている。
【0021】
即ち、燃料電池セル33は、断面形状が、幅方向両端に設けられた弧状部mと、これらの弧状部mを連結する一対の平坦部aとから構成されており、一対の平坦部aは平坦であり、ほぼ平行に形成されている。これらの燃料電池セル33の平坦部aのうち一方は、導電性支持体33aの他方側主面上に中間膜33e、インターコネクタ33f、集電膜33gを形成して構成され、他方の平坦部aは、導電性支持体33aの一方側主面上に燃料側電極33b、固体電解質33c、酸素側電極33dを形成して構成されている。
【0022】
固体電解質33cは、導電性支持体33aの一方側主面から両側の弧状部mを形成するように他方側主面にまで延設され、インターコネクタ33eと重畳している。
【0023】
燃料側電極33b、固体電解質33c、酸素側電極33dが重なり合っている部分が発電部である。この発電部分は弧状部mにまで形成されていてもかまわない。なお、燃料電池セル33において、平坦部aに形成された発電部が主たる発電部である。
【0024】
なお、弧状部mは、発電に伴う加熱や冷却に伴い発生する熱応力を緩和するため、曲面となっていることが望ましい。
【0025】
また、導電性支持体33aの長径寸法(弧状部m−m間方向の距離)は15〜35mm、短径寸法(平坦部a−a間方向の距離)が2〜4mmであることが望ましい。なお、導電性支持体33aの形状は板状と表現しているが、長径寸法および短径寸法が変化することにより楕円状あるいは扁平状とも表現できる。
【0026】
また、この導電性支持体33aは、Y、Lu、Yb、Tm、Er、Ho、Dy、Gd、Sm及びPrから選ばれた1種以上からなる希土類元素酸化物と、Ni及び/又はNiOとを主成分とすることが望ましい。
【0027】
導電性支持体33aとインターコネクタ33fの間に形成される中間膜33eは、Ni及び/またはNiOと希土類元素を含有するZrO2を主成分とするものである。中間膜33e中のNi化合物のNi換算量は全量中35〜80体積%が望ましく、さらに50〜70体積%が望ましい。Niを35体積%以上とすることで、Niによる導電パスが増加し、中間膜33eの伝導度が向上し、電圧降下が小さくなる。また、Niを80体積%以下とすることで、導電性支持体33aとインターコネクタ33fの間の熱膨張係数差を小さくすることができ、両者の界面の亀裂が発生を抑制できる。
【0028】
また、電位降下が小さくなるという点から中間膜33eの厚みは20μm以下が望ましく、さらに、10μm以下が望ましい。
【0029】
中希土類元素や重希土類元素の酸化物の熱膨張係数は、固体電解質33cのY2O3を含有するZrO2の熱膨張係数より小さく、Niとのサーメット材としての導電性支持体33aの熱膨張係数を固体電解質33cの熱膨張係数に近づけることができ、固体電解質33cの割れや、固体電解質33cの燃料側電極33bからの剥離を抑制できる。熱膨張係数が小さい重希土類元素酸化物を用いることで、導電性支持体33a中のNiを多くでき、導電性支持体33aの電気伝導度を上げることができるという点からも重希土類元素酸化物を用いることが望ましい。
【0030】
なお、軽希土類元素のLa、Ce、Pr、Ndの酸化物は、希土類元素酸化物の熱膨張係数の総和が固体電解質33cの熱膨張係数未満である範囲であれば、中希土類元素、重希土類元素に加えて含有されていても何ら問題はない。
【0031】
また、精製途中の安価な複数の希土類元素を含む複合希土類元素酸化物を用いることにより原料コストを大幅に下げることができる。その場合も、複合希土類元素酸化物の熱膨張係数は固体電解質33cの熱膨張係数未満であることが望ましい。
【0032】
また、インターコネクタ33f表面にP型半導体、例えば、遷移金属ペロブスカイト型酸化物からなる集電膜33gを設けることが望ましい。インターコネクタ33f表面に直接金属の集電部材を配して集電すると非オーム接触により、電位降下が大きくなる。オーム接触をし、電位降下を少なくするためには、インターコネクタ33fにP型半導体からなる集電膜33gを接続する必要があり、P型半導体である遷移金属ペロブスカイト型酸化物を用いることが望ましい。遷移金属ペロブスカイト型酸化物としては、ランタン−マンガン系酸化物、ランタン−鉄系酸化物、ランタン−コバルト系酸化物、又は、それらの複合酸化物の少なくとも一種からなることが望ましい。
【0033】
導電性支持体33aの主面に設けられた燃料側電極33bは、Niと希土類元素が固溶したZrO2とから構成される。この燃料側電極33bの厚みは1〜30μmであることが望ましい。燃料側電極33bの厚みを1μm以上とすることで、燃料側電極33bとしての3層界面が十分に形成される。また、燃料側電極33bの厚みを30μm以下とすることで固体電解質33cとの熱膨張差による界面剥離を防止できる。
【0034】
この燃料側電極33bの主面に設けられた固体電解質33cは、3〜15モル%のY等の希土類元素を含有した部分安定化あるいは安定化ZrO2からなる緻密体なセラミックスから構成される。希土類元素としては、安価であるという点からYもしくはYbが望ましい。
【0035】
固体電解質33cの厚みは、10〜100μmであることが望ましい。固体電解質33cの厚みを10μm以上とすることで、ガス透過を防止できる。また、固体電解質33cの厚みを100μm以下にすることで、抵抗成分の増加を抑制できる。
【0036】
また、酸素側電極33dは、遷移金属ペロブスカイト型酸化物のランタン−マンガン系酸化物、ランタン−鉄系酸化物、ランタン−コバルト系酸化物、または、それらの複合酸化物の少なくとも一種の多孔質の導電性セラミックスから構成されている。酸素側電極33dは、800℃程度の中温域での電気伝導性が高いという点から(La,Sr)(Fe,Co)O3系が望ましい。酸素側電極33dの厚みは、集電性という点から30〜100μmであることが望ましい。
【0037】
インターコネクタ33fは、導電性支持体33aの内外の燃料ガス、酸素含有ガスの漏出を防止するため緻密体とされており、また、インターコネクタ33fの内外面は、燃料ガス、酸素含有ガスと接触するため、耐還元性、耐酸化性を有している。
【0038】
このインターコネクタ33fの厚みは、30〜200μmであることが望ましい。インターコネクタ33fの厚みを30μm以上とすることで、ガス透過を完全に防止でき、200μm以下とすることで、抵抗成分の増加を抑制できる。
【0039】
このインターコネクタ33fの端部と固体電解質33cの端部との間には、シール性を向上すべく例えば、Niと、Y2O3を固溶したZrO2とからなる接合層を介在させても良い。
【0040】
なお、上述した導電性支持体33aと、燃料側電極33bは、従来用いられている支持体を兼ねた燃料側電極に置き換えることが可能である。すなわち、導電性支持体33aと、燃料側電極33bとを、例えば、NiとYSZからなる燃料側電極等から形成してもよい。
【0041】
本発明の燃料電池セル33は、図1に示すように燃料電池セル33において、厚み方向のガス流路34の径をR1、厚み方向と直交する方向のガス流路34の径をR2としたとき、R2>R1の関係を満足している。即ち、ガス流路34の形状は、厚み方向に押しつぶされた様な形状であり、また、厚み方向に直交する方向に、幅広な形状とも表される。
【0042】
ガス流路34を、上記の形状とすることで、焼成時に最薄肉部Bに集中していた収縮による応力が緩和され、焼成時に多発していた最薄肉部Bの割れが抑制できるようになった。
【0043】
また、ガス流路34を、上記の形状とすることで、発電時にもわずかではあるが発生していた最薄肉部Bの割れを防止できるようになった。
【0044】
また、R2とR1の比率を1.03倍以上とすることで、より効果的に最薄肉部Bの割れを抑制できる。
【0045】
また、ガス流路34の形状は、R2>R1の関係を満足することに加え、最薄肉部Bにかかる応力を緩和するために、平坦部aに最も近いガス流路34の内壁が平坦部aと平行に形成されていることが望ましい。
【0046】
以上のような燃料電池セル33の製法について説明する。先ず、La、Ce、Pr、Ndの元素を除く希土類元素酸化物粉末とNi及び/又はNiO粉末を混合し、この混合粉末に、有機バインダーと、溶媒とを混合した導電性支持体材料を押し出し成形して、板状の導電性支持体成形体を作製し、これを乾燥、脱脂する。
【0047】
なお、例えば、押し出し成形用の金型のガス流路34を形成するためのピンの形状を、幅広形状とすることで、容易にR2>R1を満足させることができる。
【0048】
導電性支持体成形体の乾燥の際は、図2に示すように導電性支持体成形体を両面から荷重板40で挟み、さらに重し42をかけることが望ましい。
【0049】
なお、この荷重板40は溶剤を揮発させるため、多孔質であることが望ましい。また、導電性支持体成形体と荷重板40との間に摩擦が発生し、導電性支持体33aの幅方向の乾燥収縮を抑制させるため、荷重板40の導電性支持体成形体と接する側の面は、粗面からなることが望ましい。
【0050】
また、荷重板40を形成する材料は、仮に導電性支持体成形体に付着しても悪影響を及ぼさぬよう導電性支持体33aに含まれる成分からなることが望ましい。なお、荷重板40の重量で足りるのであれば、重し42は必ずしも乗せる必要はない。
【0051】
以上、記載した効果を十分に発揮するために、導電性支持体成形体にかける荷重は、1g/cm2以上とすることが望ましく、さらに2.5g/cm2以上とすることが望ましい。
【0052】
また、乾燥条件は、80℃〜150℃の温度範囲で、2時間以上乾燥することが望ましい。さらに、乾燥後に、800〜1100℃の温度域で仮焼する。
【0053】
次に、Ni及び/又はNiO粉末と希土類元素が固溶したZrO2粉末と有機バインダーと溶媒とを混合し作製した燃料側電極成形体となるスラリーを作製する。
【0054】
次に、前記導電性支持体成形体の一方側平坦部aの表面に前記燃料側電極成形体となるスラリーをメッシュ製版を用いて2〜10μm厚みになるように塗布し、80〜150℃の温度で乾燥する。
【0055】
次に、前記固体電解質成形体の一方側に前記燃料側電極となるスラリーを、焼成後5〜15μmの厚みになるように塗布し、前記導電性支持体成形体の一方側平坦面の表面に前記スラリーを塗布した面が当接するように、かつ、固体電解質成形体の両端面が、他方側平坦面で所定間隔をおいて離間するように覆い巻き付け、80〜150℃の温度で乾燥する。
【0056】
次に、ランタン−クロム系酸化物粉末と、有機バインダーと、溶媒を混合したインターコネクタ材料を用いてシート状のインターコネクタ成形体を作製する。
【0057】
次に、Ni及び/又はNiO粉末、希土類元素が固溶したZrO2粉末、有機バインダー、溶媒を混合した中間膜成形体となるスラリーを作製し、前記インターコネクタ成形体の片方の面に塗布する。
【0058】
次に、このシート状のインターコネクタ成形体にスラリーを塗布した面が、露出した導電性支持体成形体に当接するよう積層する。
【0059】
これにより、導電性支持体成形体の一方側平坦部aの表面に、燃料側電極成形体、固体電解質成形体を順次積層するとともに、他方の平坦部aの表面に中間膜成形体、インターコネクタ成形体が積層された積層成形体を作製する。なお、各成形体はドクターブレードによるシート成形や印刷、スラリーディップ、スプレーによる吹き付けなどにより作製することができ、または、これらの組み合わせにより作製してもよい。
【0060】
次に、積層成形体を脱脂処理し、酸素含有雰囲気中で1300〜1600℃で同時焼成する。
【0061】
次に、P型半導体である遷移金属ペロブスカイト型酸化物粉末と、溶媒とを混合し、ペーストを作製し、前記積層体をこのペースト中に浸漬し、固体電解質33b、インターコネクタ33fの表面に酸素側電極成形体、集電膜成形体をディッピングにより形成するか、または、直接スプレー塗布し、1000〜1300℃で焼き付けることにより、本発明の燃料電池セル33を作製できる。
【0062】
なお、燃料電池セル33は、酸素含有雰囲気での焼成により、導電性支持体33a、燃料側電極33b、中間膜33e中のNi成分が、NiOとなっているため、その後、導電性支持体33a側から還元性の燃料ガスを流し、NiOを800〜1000℃で還元処理する。また、この還元処理は発電時に行ってもよい。
【0063】
セルスタックは、図3に示すように、複数の燃料電池セル33が複数集合してなり、一方の燃料電池セル33と他方の燃料電池セル33との間に、金属フェルト及び/又は金属板からなる集電部材43を介在させ、一方の燃料電池セル33の導電性支持体33aを、該導電性支持体33aに設けられた中間膜33e、インターコネクタ33f、集電膜33g、集電部材43を介して他方の燃料電池セル33の酸素側電極33dに電気的に接続して構成されている。
【0064】
集電部材43は、耐熱性、耐酸化性、電気伝導性という点から、Pt、Ag、Ni基合金、Fe−Cr鋼合金の少なくとも一種からなることが望ましい。
【0065】
なお、符号42は、燃料電池セルを直列に接続するための導電部材である。
【0066】
本発明の燃料電池は、図3のセルスタックを、収納容器内に収納して構成されている。この収納容器には、外部から水素等の燃料ガス及び空気等の酸素含有ガスを燃料電池セル33に導入する導入管が設けられており、燃料電池セル33が所定温度に加熱されることにより発電し、使用された燃料ガス、酸素含有ガスは、収納容器外に排出される。
【0067】
なお、本発明は上記形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、内側電極を酸素側電極から形成してもよい。また、酸素側電極33dと固体電解質33cとの間に、反応防止層を形成してもよい。
【0068】
また、導電性支持体33aと内側電極33bを同じ組成で形成してもよく、例えば、NiとY2O3を固溶したZrO2を用いてもよい。この場合には、導電性支持体33aと内側電極33bとが、支持体を兼ねる内側電極に置き換えられることになる。
【0069】
また、酸素側電極33d、集電膜33gの成形法も種々の方法を用いてもよいことは勿論である。
【0070】
【実施例】
先ず、NiO粉末をNi金属換算で48体積%、Y2O3粉末を52体積%となるよう混合し、この混合物に、ポアー剤と、セルロース系バインダーからなる有機バインダーと、水からなる溶媒とを加え、混合した導電性支持体材料を押出成形して、板状の導電性支持体成形体を作製した。
【0071】
なお、押し出し成形の際に、導電性支持体成形体の穴形状をR1、R2が、表1に示す比率になるよう変化させた。これらの導電性支持体成形体を130℃の条件で、乾燥した。
【0072】
この導電性支持体成形体を用いて、焼成後に長さが200mmとなるように導電性支持体成形体を加工し、1000℃で仮焼した。
【0073】
次に、8YSZ粉末(Y2O3を8モル含有するZrO2)にアクリル系バインダーとトルエンを加え、固体電解質成形体となるスラリーを作製し、ドクターブレード法にてシート状の固体電解質成形体を作製した。
【0074】
次に、NiO粉末を金属Ni換算量で48体積%、8YSZ粉末(Y2O3を8モル含有するZrO2)を52体積%となるように混合し、アクリル系バインダーとトルエンを加え、燃料側電極成形体となるスラリーを作製した。
【0075】
この燃料側電極成形体となるスラリーを、前記導電性支持体成形体の一方側平坦面の表面にメッシュ製版を用いて、厚みが5μmとなるよう塗布し、130℃の温度で乾燥した。
【0076】
また、上記燃料側電極成形体となるスラリーを、厚みが焼成後10μmとなるよう前記固体電解質成形体にスクリーン印刷し、130℃の温度で乾燥した。
【0077】
次に、燃料側電極成形体を形成した導電性支持体成形体の一方側の平坦面に、燃料側電極成形体となるスラリーが塗布された固体電解質成形体のスラリーが塗布された側の面が当接し、その両端間が他方側平坦面で所定間隔をおいて離間するように巻き付け、乾燥した。
【0078】
次に、ランタン−クロム系酸化物粉末と、有機バインダーと、溶媒を混合したインターコネクタ材料を用いてシート状のインターコネクタ成形体を作製した。
【0079】
次に、Ni及び/又はNiO粉末、希土類元素が固溶したZrO2粉末、有機バインダー、溶媒を混合した中間膜成形体となるスラリーを作製し、前記インターコネクタ成形体の片方の面に塗布した。
【0080】
次に、このシート状のインターコネクタ成形体にスラリーを塗布した面が、露出した導電性支持体成形体に当接するよう積層した。
【0081】
次に、この積層体を脱バインダ処理し、大気中にて1500℃で同時焼成した。
【0082】
次に、La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3粉末と、ノルマルパラフィンからなる溶媒とから、酸素側電極スラリーを作製し、このスラリーを仮焼した固体電解質シート状成形体の表面に吹き付け、酸素側電極成形体を形成し、また、上記スラリーを焼成したインターコネクタ33fの外面に塗布し、1150℃で焼き付け、酸素側電極33dを形成するとともに、インターコネクタ33fの外面に集電膜33gを形成し、図1に示すような本発明の燃料電池セル33を作製した。
【0083】
なお、導電性支持体33aの長径(m−m間方向の距離)は26mm、短径は3.5mm(a−a間方向の距離)、燃料側電極33bと酸素側電極33dの間に形成された固体電解質33cの厚みは40μm、酸素側電極33dの厚みは50μm、燃料側電極33bの厚みは10μm、インターコネクタ33fの厚みは50μm、集電膜33gの厚みは50μmであった。また、それぞれの燃料電池セル33の両端部にはそれぞれ15mmの非発電部を形成した。
【0084】
次に、燃料電池セル33の内部に、水素ガスを流し、850℃で、導電性支持体33a及び燃料側電極33bの還元処理を施した。
【0085】
得られた燃料電池セル33のガス流路34に燃料ガスを流通させ、燃料電池セル33の外側に酸素含有ガスを流通させ、燃料電池セル33をガスバーナーを用いて850℃まで加熱し、発電試験を行った。
【0086】
燃料電池セル33の平坦部aにおける最薄肉部Bについて、R2/R1と同時焼成時、最終焼成時、還元時、発電試験時に発生した割れや剥離の有無とを確認し、表1に示した。
【0087】
なお、同時焼成以降の試料は、各々の条件で40本作製した。
【0088】
【表1】
【0089】
表1に示すように、燃料電池セル33のR2/R1=1であり、本発明の範囲外の試料No.1では、40本の試料のうち、同時焼成時に8本、最終焼成時に4本、還元時に4本、発電試験時に2本の割れによる不良がでた。最終的には、40本のうち、18本の燃料電池セル33の最薄肉部Bに割れや、クラックが確認され、歩留まりが低く、また、燃料電池セル33の信頼性も低いことが判る。
【0090】
一方、R2/R1が1.03である本発明の試料No.2では、同時焼成時、最終焼成時、還元時、発電試験時を通して発生した割れは、6本であり、不良の発生を半減させることができた。また、発電試験時の割れの発生は、確認できず、信頼性が大幅に向上した。
【0091】
また、R2/R1が1.10である本発明の試料No.3では、同時焼成時、最終焼成時、還元時、発電試験時を通して発生した割れは、3本であり、不良の発生を大幅に減少でき、また、発電試験時の割れもなく、信頼性が大幅に向上した。
【0092】
また、さらにR2/R1が1.26以上である本発明の試料No.3〜7では、同時焼成時、最終焼成時、還元時、発電試験時を通して発生した割れは、いずれも0本であり、不良の発生を抑制でき、また、信頼性を大幅に向上できた。
【0093】
【発明の効果】
本発明によれば、歩留まりが高く、信頼性に優れた燃料電池セル、燃料電池及びその製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の燃料電池セルを示す断面斜視図である。
【図2】本発明の導電性支持体の乾燥方法を示す横断面図である。
【図3】本発明のセルスタックを示す横断面図である。
【図4】従来の燃料電池セルを示す横断面図である。
【符号の説明】
33・・・燃料電池セル
33a・・・導電性支持体
33b・・・内側電極、燃料側電極
33c・・・固体電解質
33d・・・外側電極、酸素側電極
34・・・ガス流路
R1・・・導電性支持体の厚み方向におけるガス流路の径
R2・・・導電性支持体の厚みと直交する方向におけるガス流路の径[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell and a fuel cell, and more particularly to a gas flow path shape formed in a conductive support.
[0002]
[Prior art]
In recent years, various fuel cells in which a stack of fuel cells is stored in a storage container have been proposed as next-generation energy.
[0003]
FIG. 4 shows a
[0004]
In such a
[0005]
The fuel cell is configured by storing a plurality of the
[0006]
A portion where the inner electrode 1a, the solid electrolyte 1b, and the
[0007]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 63-261678
[Problems to be solved by the invention]
In such a
[0009]
That is, in the
[0010]
An object of the present invention is to provide a fuel cell and a fuel cell with high yield and excellent reliability.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The fuel battery cell of the present invention forms a power generation unit by sequentially providing a fuel side electrode, a solid electrolyte, and an oxygen side electrode on one main surface of a plate-like conductive support having a plurality of gas flow paths. together comprising Te, a fuel cell formed by providing the interconnector on the other side main surface, wherein the gas flow path in the elliptical shape, the diameter of the gas flow path in the thickness direction of the plate-shaped conductive support R1, R2> R1 is satisfied, where R2 is the diameter of the gas flow path in the direction orthogonal to the thickness of the plate-like conductive support.
[0012]
In such a fuel battery cell, by setting the diameter of the gas flow path to R2> R1, a portion where the thickness between the gas flow path and the outer surface of the fuel battery cell becomes thin (the thinnest part) is formed. The gas flow path in the thinnest part has a hole shape with a small curvature with respect to the flat part of the fuel cell, so the stress generated in the thinnest part of the fuel cell is reduced during firing, reduction treatment, and power generation It is possible to suppress the occurrence of cracks in the thinnest part of the fuel cell.
[0013]
The fuel battery cell according to the present invention includes a solid electrolyte and an oxygen side electrode sequentially provided on one side main surface of a fuel side electrode that also serves as a plate-like support in which a plurality of gas flow paths are formed. together comprising, a fuel cell formed by providing the interconnector on the other side main surface, wherein the gas flow path in the elliptical shape, the gas flow path in the thickness direction of the fuel-side electrode serves as the plate-like support R2> R1 is satisfied, where R1 is the diameter and R2 is the diameter of the gas flow path in the direction orthogonal to the thickness of the fuel side electrode serving also as the plate-like support.
[0014]
In such a fuel battery cell, by setting the diameter of the gas flow path to R2> R1, stress generated in the thinnest part of the fuel battery cell during firing can be relieved, and the thinnest part of the fuel battery cell Generation of cracks can be suppressed.
[0015]
Further, the fuel cell of the present invention is characterized in that R2 is 1.03 times or more of R1. In such a fuel cell, the stress generated in the thinnest portion of the fuel cell can be effectively relieved, and the occurrence of cracks in the thinnest portion of the fuel cell can be suppressed.
[0018]
The fuel cell of the present invention is characterized in that a plurality of the above-described fuel cells are accommodated in a storage container. In such a fuel cell, damage to the fuel cell can be prevented, so that a fuel cell and a fuel cell with excellent reliability can be provided.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
As shown in FIG. 1, the fuel battery cell of the present invention has a plate-like cross-section and a column-shaped porous
[0020]
Further, the fuel cell of the present invention is a columnar shape on the whole, a plurality of oval-
[0021]
That is, the
[0022]
The
[0023]
The portion where the
[0024]
In addition, it is desirable that the arc-shaped portion m has a curved surface in order to relieve the thermal stress generated by heating and cooling accompanying power generation.
[0025]
Further, it is desirable that the
[0026]
The
[0027]
The
[0028]
In addition, the thickness of the
[0029]
The thermal expansion coefficient of the medium rare earth element or heavy rare earth element oxide is smaller than the thermal expansion coefficient of ZrO 2 containing Y 2 O 3 of the
[0030]
The light rare earth elements La, Ce, Pr, and Nd oxides may be medium rare earth elements, heavy rare earth elements as long as the sum of the thermal expansion coefficients of the rare earth element oxides is less than the thermal expansion coefficient of the
[0031]
Moreover, the raw material cost can be significantly reduced by using a complex rare earth element oxide containing a plurality of inexpensive rare earth elements in the course of purification. Also in that case, it is desirable that the thermal expansion coefficient of the complex rare earth element oxide is less than the thermal expansion coefficient of the
[0032]
Further, it is desirable to provide a
[0033]
The
[0034]
The
[0035]
The thickness of the
[0036]
The
[0037]
The
[0038]
The thickness of the
[0039]
Between the end of the
[0040]
The
[0041]
In the
[0042]
By making the
[0043]
Further, by forming the
[0044]
Moreover, the crack of the thinnest part B can be suppressed more effectively by making the ratio of R2 and R1 1.03 times or more.
[0045]
In addition to satisfying the relationship of R2> R1, the shape of the
[0046]
The manufacturing method of the
[0047]
For example, when the shape of the pin for forming the
[0048]
When the conductive support molded body is dried, it is desirable to sandwich the conductive support molded body from both sides with a
[0049]
The
[0050]
Further, the material forming the
[0051]
As mentioned above, in order to fully exhibit the described effect, the load applied to the conductive support molded body is preferably 1 g / cm 2 or more, and more preferably 2.5 g / cm 2 or more.
[0052]
Moreover, as for drying conditions, it is desirable to dry for 2 hours or more in the temperature range of 80 degreeC-150 degreeC. Furthermore, after drying, calcination is performed in a temperature range of 800 to 1100 ° C.
[0053]
Next, a slurry to be a fuel-side electrode molded body prepared by mixing Ni and / or NiO powder, a ZrO 2 powder in which a rare earth element is dissolved, an organic binder, and a solvent is prepared.
[0054]
Next, a slurry to be the fuel-side electrode molded body is applied to the surface of the one side flat portion a of the conductive support molded body so as to have a thickness of 2 to 10 μm using a mesh plate making, and a temperature of 80 to 150 ° C. Dry at temperature.
[0055]
Next, a slurry to be the fuel side electrode is applied to one side of the solid electrolyte molded body so as to have a thickness of 5 to 15 μm after firing, and is applied to the surface of the one side flat surface of the conductive support molded body. It is covered and wound so that the surfaces to which the slurry is applied are in contact with each other and both end surfaces of the solid electrolyte molded body are spaced apart from each other by a flat surface on the other side, and dried at a temperature of 80 to 150 ° C.
[0056]
Next, a sheet-like interconnector molded body is prepared using an interconnector material in which a lanthanum-chromium oxide powder, an organic binder, and a solvent are mixed.
[0057]
Next, a slurry to be an intermediate film molded body in which Ni and / or NiO powder, ZrO 2 powder in which a rare earth element is solid-solved, an organic binder, and a solvent is mixed is prepared and applied to one surface of the interconnector molded body. .
[0058]
Next, the sheet-like interconnector molded body is laminated so that the surface on which the slurry is applied comes into contact with the exposed conductive support molded body.
[0059]
Thus, the fuel-side electrode molded body and the solid electrolyte molded body are sequentially laminated on the surface of the one flat portion a of the conductive support molded body, and the intermediate film molded body and the interconnector are stacked on the surface of the other flat portion a. A laminated molded body in which the molded bodies are laminated is produced. In addition, each molded object can be produced by sheet | seat shaping | molding by a doctor blade, printing, slurry dip, spraying by spraying, etc., or may be produced by a combination thereof.
[0060]
Next, the multilayer molded body is degreased and cofired at 1300 to 1600 ° C. in an oxygen-containing atmosphere.
[0061]
Next, a transition metal perovskite oxide powder, which is a P-type semiconductor, and a solvent are mixed to prepare a paste. The laminate is immersed in the paste, and oxygen is deposited on the surfaces of the
[0062]
In addition, since the Ni component in the
[0063]
As shown in FIG. 3, the cell stack is composed of a plurality of
[0064]
The current collecting
[0065]
[0066]
The fuel cell of the present invention is configured by storing the cell stack of FIG. 3 in a storage container. This storage container is provided with an introduction pipe for introducing a fuel gas such as hydrogen and an oxygen-containing gas such as air into the
[0067]
In addition, this invention is not limited to the said form, A various change is possible in the range which does not change the summary of invention. For example, the inner electrode may be formed from an oxygen side electrode. Further, a reaction preventing layer may be formed between the
[0068]
Further, the
[0069]
Of course, various methods may be used for forming the
[0070]
【Example】
First, NiO powder is mixed to 48 volume% in terms of Ni metal, and Y 2 O 3 powder is mixed to 52 volume%. To this mixture, a pore agent, an organic binder composed of a cellulose-based binder, and a solvent composed of water And the mixed conductive support material was extrusion molded to produce a plate-shaped conductive support molded body.
[0071]
In the extrusion molding, the hole shape of the conductive support molded body was changed so that R1 and R2 had the ratio shown in Table 1. These conductive support molded bodies were dried under conditions of 130 ° C.
[0072]
Using this conductive support molded body, the conductive support molded body was processed so as to have a length of 200 mm after firing, and calcined at 1000 ° C.
[0073]
Next, an acrylic binder and toluene are added to 8YSZ powder (ZrO 2 containing 8 mol of Y 2 O 3 ) to produce a slurry that becomes a solid electrolyte molded body, and a sheet-shaped solid electrolyte molded body is obtained by a doctor blade method. Was made.
[0074]
Next, 48% by volume of NiO powder in terms of metallic Ni and 8YSZ powder (ZrO 2 containing 8 mol of Y 2 O 3 ) are mixed to 52% by volume, an acrylic binder and toluene are added, and fuel is added. The slurry used as the side electrode molded object was produced.
[0075]
The slurry to be the fuel-side electrode molded body was applied to the surface of one flat surface of the conductive support molded body to a thickness of 5 μm using a mesh plate and dried at a temperature of 130 ° C.
[0076]
Further, the slurry to be the fuel-side electrode molded body was screen-printed on the solid electrolyte molded body so as to have a thickness of 10 μm after firing and dried at a temperature of 130 ° C.
[0077]
Next, the surface on the side where the slurry of the solid electrolyte molded body coated with the slurry to be the fuel side electrode molded body is applied to the flat surface on one side of the conductive support molded body on which the fuel side electrode molded body is formed. Was wound so that both ends thereof were separated from each other by a flat surface on the other side, and dried.
[0078]
Next, a sheet-like interconnector molded body was prepared using an interconnector material in which a lanthanum-chromium oxide powder, an organic binder, and a solvent were mixed.
[0079]
Next, a slurry to be an intermediate film molded body in which Ni and / or NiO powder, ZrO 2 powder in which a rare earth element is solid-solved, an organic binder, and a solvent was mixed was prepared and applied to one surface of the interconnector molded body. .
[0080]
Next, the sheet-like interconnector molded body was laminated so that the surface coated with the slurry was in contact with the exposed conductive support molded body.
[0081]
Next, this laminate was subjected to binder removal treatment and co-fired at 1500 ° C. in the air.
[0082]
Next, an oxygen-side electrode slurry was prepared from La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 powder and a solvent composed of normal paraffin, and this slurry was calcined to form a solid electrolyte sheet. The surface of the molded body is sprayed to form an oxygen-side electrode molded body, and the slurry is applied to the outer surface of the fired
[0083]
Note that the
[0084]
Next, hydrogen gas was allowed to flow inside the
[0085]
Fuel gas is circulated through the
[0086]
Regarding the thinnest part B in the flat part a of the
[0087]
In addition, 40 samples after co-firing were produced under each condition.
[0088]
[Table 1]
[0089]
As shown in Table 1, R2 / R1 = 1 of the
[0090]
On the other hand, the sample No. 1 of the present invention in which R2 / R1 is 1.03. In No. 2, there were six cracks that occurred during simultaneous firing, final firing, reduction, and power generation test, and the occurrence of defects could be halved. In addition, the occurrence of cracks during the power generation test could not be confirmed, and the reliability was greatly improved.
[0091]
In addition, sample No. 1 of the present invention in which R2 / R1 is 1.10. In No. 3, there were three cracks that occurred during simultaneous firing, final firing, reduction, and power generation test, which can greatly reduce the occurrence of defects, and there is no crack during power generation test, and reliability is improved. Greatly improved.
[0092]
Further, the sample No. 1 of the present invention in which R2 / R1 is 1.26 or more. In Nos. 3 to 7, cracks that occurred during simultaneous firing, final firing, reduction, and power generation test were all zero, and the occurrence of defects could be suppressed, and the reliability could be greatly improved.
[0093]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to provide a fuel cell, a fuel cell, and a method for manufacturing the same that have high yield and excellent reliability.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional perspective view showing a fuel battery cell of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a method for drying a conductive support according to the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a cell stack of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a conventional fuel cell.
[Explanation of symbols]
33 ...
Claims (4)
Priority Applications (5)
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