JP4146738B2 - Fuel cell, cell stack 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、燃料電池セル及びセルスタック並びに燃料電池に関し、集電効果が良好な燃料電池セル及びセルスタック並びに燃料電池に関するものである。
【0002】
【従来技術】
次世代エネルギーとして、近年、複数の燃料電池セルからなるセルスタックを収納容器内に収容した燃料電池が種々提案されている。
【0003】
図5は、従来の固体電解質型燃料電池のセルスタックを示すもので、このセルスタックは、複数の燃料電池セル1(1a、1b)を集合させ、一方の燃料電池セル1aと他方の燃料電池セル1bとの間に金属フェルトからなる集電部材5を介在させ、一方の燃料電池セル1aの燃料側電極7と他方の燃料電池セル1bの酸素側電極11とを電気的に接続して構成されていた。
【0004】
燃料電池セル1(1a、1b)は、円筒状の金属を主成分とする燃料側電極7の外周面に、固体電解質9、導電性セラミックスからなる酸素側電極11を順次設けて構成されており、固体電解質9、酸素側電極11から露出した燃料側電極7には、酸素側電極11に接続しないようにインターコネクタ13が設けられ、燃料側電極7と電気的に接続している。
【0005】
このインターコネクタ13は、燃料側電極7の内部を流れる燃料ガスと、酸素側電極11の外側を流れる酸素含有ガスとを確実に遮断するため、また、燃料ガス及び酸素含有ガスで変質しにくい緻密な導電性セラミックスが用いられている。
【0006】
一方の燃料電池セル1aと他方の燃料電池セル1bとの電気的接続は、一方の燃料電池セル1aの燃料側電極7を、該燃料側電極7に設けられたインターコネクタ13、集電部材5を介して、他方の燃料電池セル1bの酸素側電極11に接続することにより行われていた。
【0007】
燃料電池は、上記セルスタックを収納容器内に収容して構成され、燃料側電極7内部に燃料(水素)を流し、酸素側電極11に空気(酸素)を流して600〜1000℃で発電される。
【0008】
そして、近年においては、固体電解質と燃料側電極の熱膨張係数を近づけるため、燃料側電極を、Niと、ZrO2よりも熱膨張係数の低いムライト(3Al2O3・2SiO2)やスピネル(MgAl2O4、CaAl2O4)とから形成することが行われている(特許文献1参照)。
【0009】
このような燃料電池セルでは、燃料側電極の熱膨張係数を固体電解質の熱膨張係数に近づけることができるため、固体電解質のクラックや、固体電解質の燃料側電極からの剥離を抑制できる。
【0010】
【特許文献1】
特開平7−029574号公報
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した燃料電池セル1は、金属を主成分とする燃料側電極7に導電性セラミックスからなるインターコネクタ13を設け、このインターコネクタ13を金属からなる集電部材5に接続していたため、集電部材5から燃料側電極7に至る電子伝導度が低く、発電効率が低いという問題があった。
【0012】
この理由は明確ではないが、以下のような理由によるものと考えられる。即ち、一般に、円筒状の導電性セラミックスからなる酸素側電極を支持管し、この支持管の外面に固体電解質、金属からなる燃料側電極を形成し、酸素側電極にセラミックスからなるインターコネクタを接続し、金属からなる集電部材を介して他の燃料電池セルの燃料側電極と電気的に接続する場合には、図6(a)に示すように、一方の燃料電池セルの酸素側電極から他方の燃料電池セルの燃料側電極に電流が流れるため、インターコネクタと集電部材との間には電位障壁は生ぜず、一方の燃料電池セルの酸素側電極からの電流を集電部材を介して他方の燃料電池セルに効率良く伝達できる。
【0013】
ところが、上記図5に示したように、燃料側電極7を支持管とし、この支持管の外面に固体電解質9、酸素側電極11を形成した場合には、燃料側電極7にインターコネクタ13が接続され、このインターコネクタ13に集電部材5が接続されることになるため、図6(b)に示すように、電流は他方の燃料電池セルの酸素側電極から一方の燃料電池セルの燃料側電極に流れるため、集電部材とインターコネクタの間で電位障壁が生じ、整流性が生じ、接触が非オーム性となり、他方の燃料電池セルの酸素側電極からの電流を集電部材を介して一方の燃料電池セルの燃料側電極に十分に伝達できないという問題があった。表現注意・・
本発明は、集電効果を向上できる燃料電池セル及びセルスタック並びに燃料電池を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池セルは、固体電解質の一方側に導電性セラミックスからなる酸素側電極、他方側に金属又は金属酸化物を含有する燃料側電極を設け、前記燃料側電極に導電性セラミックスからなるインターコネクタを設け、該インターコネクタに、セル同士の電気的接続用の集電部材に接続されるP型半導体を設けたことを特徴とする。
【0015】
このような燃料電池セルでは、理由は明確ではないが、他方の燃料電池セルの酸素側電極からの電流を、集電部材、P型半導体、インターコネクタを介して一方の燃料電池セルの燃料側電極に効率良く伝達できる。即ち、本発明では、燃料側電極にインターコネクタ、P型半導体を順次設け、他方のセルの酸素側電極との電気的接続を行う集電部材に接続可能としたので、集電部材からP型半導体に電流が流れた時、電位障壁は有るが、接触はオーム性であり、整流効果は無く、他方の燃料電池セルの酸素側電極から、一方の燃料電池セルのP型半導体、インターコネクタを介して燃料側電極への電流の流れを促進し、集電効果を向上することができる。これにより、発電性能の優れた燃料電池セルを提供できる。
【0016】
本発明の燃料電池セルは、燃料側電極は内部に1又は2以上の燃料ガス通路が設けられており、該燃料側電極の外面に固体電解質、酸素側電極が順次設けられていることが望ましい。このような燃料電池セルとしては、例えば、燃料側電極が板状であり、該燃料側電極の一方側主面に、固体電解質、酸素側電極が順次設けられており、他方側主面に、インターコネクタ、P型半導体が順次設けられたものがある。このような燃料電池セルでは、上記したように、理由は明確ではないが、他方の燃料電池セルの酸素側電極からの電流を、集電部材、燃料側電極の他方側主面に設けられたP型半導体、インターコネクタを介して燃料側電極に効率良く伝達できる。
【0017】
P型半導体は、インターコネクタ表面に、燃料側電極を介して酸素側電極に対向するように面状に形成されていることを特徴とする。このような燃料電池セルでは、他方の燃料電池セルの酸素側電極からP型半導体に流れてきた電流が燃料側電極に最短距離で流れ、しかもP型半導体と酸素側電極が対向しているため、固体電解質を燃料側電極と酸素側電極で挟持した複数の発電部を最短距離で連結したセルスタックを形成でき、電流ロスを最小限に抑制することができる。
【0018】
また、本発明の燃料電池セルでは、P型半導体は、酸素側電極と同一成分からなることが望ましい。これにより、燃料電池セルを構成する材料の種類を少なくできるとともに、例えば、燃料側電極の外側に固体電解質を形成し、燃料側電極にインターコネクタを設けた積層体を一体焼成で形成した後、固体電解質表面への酸素側電極の形成と、インターコネクタ表面へのP型半導体の形成を同時に行うことができる。
【0019】
さらに、本発明の燃料電池セルでは、P型半導体の厚みは10μm以上であることを特徴とする。P型半導体の厚みを10μm以上とすることにより、例えば、集電部材の一部がP型半導体に当接する場合でも、集電部材からの電流がP型半導体との当接部分から多方向に流れ、例えば、上記した板状の燃料側電極の場合、電流が燃料側電極を厚み方向に最短距離で流れ、電流ロスを最小限に抑制することができる。
【0020】
本発明のセルスタックは、上記した燃料電池セルが複数集合してなるとともに、一方の燃料電池セルと他方の燃料電池セルとの間に金属を含有する集電部材を介在させ、前記一方の燃料電池セルの燃料側電極を、該燃料側電極に設けられたインターコネクタ、P型半導体、前記集電部材を介して前記他方の燃料電池セルの酸素側電極に電気的に接続してなることが望ましい。
【0021】
本発明のセルスタックでは、一方の燃料電池セルの燃料側電極を、該燃料側電極に設けられたインターコネクタ、P型半導体、集電部材を介して他方の燃料電池セルの酸素側電極に電気的に接続されるため、電流は、他方の燃料電池セルのセラミックスからなる酸素側電極から、金属からなる集電部材を介して一方の燃料電池セルのP型半導体、導電性セラミックスからなるインターコネクタ、金属を主成分とする燃料側電極に効率良く流れ、セル間の電子伝導度を向上でき、燃料電池の発電効率を向上できる。
【0022】
本発明の燃料電池は、上記セルスタックを収納容器内に収容してなるものである。このような燃料電池では、上記したようにセル間の電子伝導度を向上できるため、燃料電池の発電特性を向上できる。
【0023】
【発明の実施の形態】
形態1
図1は本発明の燃料電池セルの横断面を示すもので、燃料電池セルは円筒形状とされている。この燃料電池セルは、円筒状の多孔質な金属を主成分とする燃料側電極31の外面に、緻密質な固体電解質33、多孔質な導電性セラミックスからなる酸素側電極35を順次積層し、燃料側電極31の外面にインターコネクタ37、P型半導体39を順次形成して構成されており、燃料側電極31が支持体となっている。
【0024】
燃料側電極31は、Ni、Co、Ti、Ruのうちいずれか一種の金属又は金属酸化物、もしくはこれらの合金又は合金酸化物を主成分とするものであり、これら以外に、外面の固体電解質33への接合強度を向上し、固体電解質33の熱膨張係数に近似させるため、固体電解質材料を含有することが望ましい。金属又は金属酸化物としては、コストの観点からNi又はNiOが望ましい。
【0025】
この燃料側電極31の内部には、燃料側電極31の軸長方向に同心円状に形成された一つの燃料ガス通路31aが形成されている。円筒状の燃料側電極31の外径は、体積あたりの出力密度の向上という点から3〜30mm、肉厚は、セル強度向上という点から0.5〜5mmであることが望ましい。尚、燃料側電極31は円筒状である必要はなく、楕円筒状であっても良く、四角筒状であっても良い。
【0026】
この燃料側電極31の外面に設けられた固体電解質33は、3〜15モル%のY、希土類元素を含有した部分安定化あるいは安定化ZrO2からなる緻密質なセラミックスが用いられている。燃料側電極31と固体電解質33との間には、燃料側電極31との接合強度を向上するため、緻密層からなる接合層を介在させても良い。この固体電解質33の厚みは、ガス透過を防止するという点から10〜100μmであることが望ましい。
【0027】
また、酸素側電極35は、LaMnO3系材料、LaFeO3系材料、LaCoO3系材料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35は、600〜1000℃程度の比較的低温での電気伝導性が高いという点からLaFeO3系材料が望ましい。酸素側電極35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。
【0028】
そして、燃料側電極31外面の一部には、その軸長方向に固体電解質33及び酸素側電極35が形成されていない部分を有しており、この固体電解質33及び酸素側電極35から露出した燃料側電極31の外面には、導電性セラミックスからなるインターコネクタ37が形成されている。
【0029】
このインターコネクタ37の厚みは、緻密性と電気抵抗という点から30〜200μmであることが望ましい。インターコネクタ37は、LaCrO3系材料の導電性セラミックスから構成されている。インターコネクタ37は、燃料側電極31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質とされており、また、インターコネクタ37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。
【0030】
このインターコネクタ37の端面と固体電解質33の端面との間には、シール性を向上すべく接合層を介在させても良い。
【0031】
そして、本発明の燃料電池セルでは、インターコネクタ37の外面には、多孔質のP型半導体39が全面に設けられている。このP型半導体39としては、使用環境下で作動させるために、一般の不純物半導体ではなく、インターコネクタ37を構成するLaCrO3系材料よりも電子伝導性が大きいセラミック製のP型半導体である酸素側電極35と同一成分、即ち、LaMnO3系材料、LaFeO3系材料、LaCoO3系材料の少なくとも一種からなることが望ましい。特に酸素側電極35と同一成分であることが望ましく、さらには同一組成であることが望ましい。
【0032】
P型半導体39の厚みは集電性という点から10μm以上、特には50μm以上であることが望ましく、他の部材(固体電解質等)との熱膨張差を小さくするという点から、100μm以下であることが望ましい。さらに、他の部材との熱膨張差を小さくするという点から、多孔質であることが望ましい。
【0033】
以上のような燃料電池セルの製造方法について説明する。先ず、例えば、NiO粉末と、Yを含有したZrO2(YSZ)粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合した燃料側電極材料を押出成形して、円筒状の燃料側電極成形体を作製し、これを乾燥する。
【0034】
次に、例えば、YSZ粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合した、固体電解質材料を用いてシート状成形体を作製し、このシート状成形体を、燃料側電極成形体上に、その両端間が所定間隔をおいて離間するように巻き付け、乾燥する。
【0035】
この後、例えば、LaCrO3系材料と、有機バインダーと、溶媒とを混合した、インターコネクタ材料を用いてシート状成形体を作製し、このシート状成形体を、露出した燃料側電極成形体の外面に積層し、円筒状の燃料側電極成形体に固体電解質のシート状成形体、インターコネクタのシート状成形体が積層された積層成形体を作製する。
【0036】
次に、積層成形体を脱バインダ処理し、酸素含有雰囲気中で1300〜1600℃で同時焼成し、この積層体を、例えば、LaFeO3系材料と、溶媒を含有するペースト中に浸漬し、固体電解質の表面に酸素側電極成形体をディッピングにより形成し、また、LaFeO3系材料を含有する上記ペーストを、インターコネクタの外面に塗布し、1000〜1300℃で焼き付けることにより、多孔質な酸素側電極35とP型半導体39を同時に形成し、本発明の燃料電池セルを作製できる。
【0037】
本発明のセルスタックは、図2に示すように、複数の燃料電池セル40(40a、40b)が複数集合してなり、一方の燃料電池セル40aと他方の燃料電池セル40b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41を介在させ、一方の燃料電池セル40aの燃料側電極31を、該燃料側電極31に設けられたインターコネクタ37、P型半導体39、集電部材41を介して他方の燃料電池セル40bの酸素側電極35に電気的に接続して構成されている。集電部材41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。
【0038】
本発明の燃料電池は、図2のセルスタックが、収納容器内に収容されて燃料電池が構成される。そして、発電時には、図2に矢印で示すように、他方の燃料電池セル40bの酸素側電極35からの電流を、集電部材41、一方の燃料電池セル40aのP型半導体39、インターコネクタ37を介して燃料側電極31に伝達されることになる。
【0039】
従って、電流は、図6(b)に示すように流れるが、集電部材41とインターコネクタ37の間にP型半導体39を設けたので、効率よく電流を流すことができる。
【0040】
形態2
図3は、本発明の燃料電池セルの他の形態を示すもので、図3の燃料電池セルは断面が扁平状で、全体的に見て平板状であり、その内部には複数の燃料ガス通路51が形成されている。
【0041】
この燃料電池セルは、断面が扁平状で、全体的に見て板状の多孔質な燃料側電極53の外面に、緻密質な固体電解質55、多孔質な導電性セラミックスからなる酸素側電極57を順次積層し、酸素側電極57と反対側の燃料側電極53の外面にインターコネクタ59を形成して構成されている。燃料側電極53には、複数の燃料ガス通路51が形成されている。
【0042】
即ち、燃料電池セルは、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nとから構成されており、一対の平坦部nは平坦であり、ほぼ平行に形成されている。これらの一対の平坦部nのうち一方は、板状の燃料側電53の一方側主面にインターコネクタ59を形成して構成され、他方の平坦部nは、板状の燃料側電極53の他方側主面に、固体電解質55、酸素側電極57を形成して構成されている。
【0043】
燃料電池セル33の弧状部m−m間の距離は、所望発電量を得るための燃料電池セルの小型化を図れるという点から10mm〜80mmの範囲が望ましく、さらに、15mm〜40mmの範囲が望ましい。また、平坦部n−n間の距離は、燃料側電極53における電位降下(電流ロス)を小さくするという点から、2mm〜10mmの範囲とすることが望ましく、さらに、3mm〜5mmの範囲が望ましい。
【0044】
そして、P型半導体61が、インターコネクタ59表面に、燃料側電極53を介して酸素側電極57に対向するように面状に形成されている。即ち、板状の燃料側電極53の一方側主面に、固体電解質55、酸素側電極57が設けられており、インターコネクタ59、P型半導体61が、板状の燃料側電極53の他方側主面に面状に設けられており、他方の燃料電池セルの酸素側電極からP型半導体61に流れてきた電流が、図3に矢印で示したように、板状の燃料側電極53を厚み方向に最短距離で流れ、しかもP型半導体61と酸素側電極57が対向しているため、固体電解質55を燃料側電極53と酸素側電極57で挟持した発電部同士を最短距離で連結することができ、セルスタックにおける電流ロスを最小限に抑制することができる。尚、固体電解質55は弧状部mまで形成され、燃料側電極53の他方側主面にのみ形成されたインターコネクタ59の端部と接合している。
【0045】
P型半導体61の厚みは10μm以上とされている。これにより、例えば、集電部材63がP型半導体61に点接触(線状に当接する場合も含む)する場合でも、集電部材63からの電流がP型半導体61との当接部分から多方向に分散して、電流が板状の燃料側電極53間を厚み方向に最短距離で流れ、燃料側電極53での電流ロスを最小限に抑制することができる。P型半導体61との当接部分から電流を多方向に分散するという点から50μm以上であることが望ましい。一方、他の部材との熱膨張差による剥離を抑制するという点から、P型半導体61の厚みは100μm以下が望ましく、さらには多孔質であることが望ましい。
【0046】
このような燃料電池セルは、先ず、例えば、Ni及び/又はNiO粉末と、希土類元素、例えばYを含有するZrO2(YSZ)、有機バインダー、溶媒とを混合し、これを押し出し成形して、平板状の燃料側電極成形体を作製し、これを乾燥、脱脂する。
【0047】
次に、希土類元素を固溶したZrO2粉末と、有機バインダーと、溶媒を混合した固体電解質材料を用いて、シート状の固体電解質成形体を作製し、該シート状の固体電解質成形体を、燃料側電極成形体の一方主面上で両端部が所定距離をおいて離間するように積層巻き付けし、乾燥する。
【0048】
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、このインターコネクタ成形体を固体電解質成形体の両端部から露出した燃料側電極成形体上に積層する。
【0049】
これにより、平板状の燃料側電極成形体の一方側主面に、固体電解質成形体を積層するとともに、他方の平坦部の表面に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。尚、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。
【0050】
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。
【0051】
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、例えば、LaFeO3系粉末と、溶媒を混合し、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、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、固体電解質55、インターコネクタ61の表面にそれぞれ多孔質の酸素側電極57、P型半導体61を同時に形成し、本発明の燃料電池セルを作製する。
【0052】
尚、酸素側電極57、P型半導体61を異なる材料から構成してもよいが、作製が容易であるという点から、酸素側電極57、P型半導体61を同一成分から、特には同一組成から構成することが望ましい。
【0053】
このような平板状の燃料電池セルのセルスタックは、一方の燃料電池セルと他方の燃料電池セルとの間に、金属フェルト及び/又は金属板からなる集電部材63を介在させ、一方の燃料電池セルの燃料側電極53を、該燃料側電極53に設けられたインターコネクタ59、P型半導体61、集電部材63を介して他方の燃料電池セルの酸素側電極に電気的に接続して構成される。
【0054】
集電部材63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。
【0055】
本発明の燃料電池は、複数の図3の燃料電池セルからなるセルスタックを、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に導入する導入管が設けられており、燃料電池セルが所定温度に加熱されることにより発電し、余剰の燃料ガス、酸素含有ガスは燃焼させられ、燃焼ガスとして収納容器外に排出される。
【0056】
尚、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。
【0057】
【実施例】
先ず、平均粒径0.5μmのNiO粉末と、平均粒径0.5μmのYを8モル%含有したZrO2(YSZ)粉末と、ポアー剤、PVAからなる有機バインダーと、水からなる溶媒とを混合した燃料側電極材料を押出成形して、円筒状の燃料側電極成形体を作製し、これを乾燥した。
【0058】
次に、上記YSZ粉末と、アクリル樹脂からなる有機バインダーと、トルエンからなる溶媒とを混合した、固体電解質材料を用いてシート状成形体を作製し、このシート状成形体を、燃料側電極成形体上に、その両端間が所定間隔をおいて離間するように巻き付け、乾燥した。
【0059】
この後、平均粒径2μmのLaCrO3系材料と、アクリル樹脂からなる有機バインダーと、トルエンからなる溶媒とを混合した、インターコネクタ材料を用いてシート状成形体を作製し、このシート状成形体を、露出した燃料側電極成形体の外面に積層し、円筒状の燃料側電極成形体に固体電解質のシート状成形体、インターコネクタのシート状成形体が積層された積層成形体を作製した。
【0060】
次に、この積層成形体を脱バインダー処理し、大気中にて1500℃で同時焼成した。この積層体を、平均粒径2μmのLa0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3粉末と、ノルマルパラフィンからなる溶媒を含有するペースト中に浸漬し、固体電解質の表面に酸素側電極成形体をディッピングにより作製し、また、上記ペーストをインターコネクタの外面に塗布し、1150℃で焼き付け、多孔質の酸素側電極を形成するとともに、インターコネクタの外面に多孔質のP型半導体を形成し、図1に示すような本発明の燃料電池セルを作製した。
【0061】
この燃料電池セルの酸素側電極とP型半導体にPtペーストを塗布して、これにPtメッシュ(集電部材)を押しつけ、酸素側電極とP型半導体間に所定の電流密度を有する電流を流したときの燃料側電極とP型半導体間の電圧降下を測定し、図4に実線で記載した。
【0062】
尚、燃料側電極の外径は15mm、内径は12mmであり、固体電解質の厚みは40μm、酸素側電極の厚みは50μm、インターコネクタの厚みは50μm、P型半導体の厚みは50μmであった。
【0063】
また、P型半導体を形成しない以外は、上記と同様にして比較例の燃料電池セルを作製し、インターコネクタにPtメッシュ(集電部材)を押しつけ、上記と同様電圧降下を測定し、図4に破線で記載した。
【0064】
この図4から、インターコネクタの外面にP型半導体を形成した本発明の燃料電池セルでは、比較例の燃料電池セルよりも電圧降下が小さく、集電特性を大きくでき、高出力が得られることが判る。
【0065】
実施例2
実施例1と同一材料、製法を用いて、図3に示すような平板状の燃料電池セルを作製した。この際、燃料電池セルのm−m間の距離(幅)を26mm、n−n間の距離(厚み)を3.5mm、長さを200mmとし、緻密な固体電解質55の厚みを30μm、多孔質な酸素側電極57の厚みを50μm、緻密なインターコネクタ59の厚みを50μm、多孔質なP型半導体61の厚みを50μmとした。また、比較例として、P型半導体を形成しない燃料電池セルも作製した。
【0066】
これらの燃料電池セルの電圧降下を、上記実施例1と同様にして求めたところ、電流密度が1.25A/cm2の時、本発明の燃料電池セルでは電圧降下が0.6Vであったのに対して、比較例の燃料電池セルでは1.4Vと大きかった。また、本発明の燃料電池セルでは、熱膨張差に基づくP型半導体の剥離も見られなかった。
【0067】
また、本発明者等は、P型半導体61の厚みを10μm、70μm、100μmと変更させた以外は、上記と同様にして図3に示すような燃料電池セルを作製し、電圧降下を評価した。
【0068】
その結果、電流密度を1.25A/cm2とし、P型半導体61の厚みを10μm、70μm、100μmとした場合には、それぞれ電圧降下が0.62V、0.59V、0.58Vであった。また、本発明の燃料電池セルでは、熱膨張差に基づくP型半導体の剥離も見られなかった。
【0069】
【発明の効果】
本発明の燃料電池セルでは、固体電解質の一方側に導電性セラミックスからなる酸素側電極、他方側に金属又は金属酸化物を含有する燃料側電極を設け、燃料側電極に導電性セラミックスからなるインターコネクタを設け、該インターコネクタに、セル同士の電気的接続用の集電部材に接続されるP型半導体を設けたので、他方の燃料電池セルの酸素側電極からの電流を、集電部材を介して、一方の燃料電池セルのP型半導体、インターコネクタ、燃料側電極に効率良く伝達でき、集電性能を向上でき、これにより発電性能の優れた燃料電池セルを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の燃料電池セルを示すもので、(a)は横断面図、(b)は斜視図である。
【図2】本発明のセルスタックを示す横断面図である。
【図3】燃料側電極に複数の燃料ガス通路を形成した本発明の他の燃料電池セルを示す横断面図である。
【図4】P型半導体と燃料側電極間の電圧降下を示すグラフである。
【図5】従来のセルスタックを示す横断面図である。
【図6】セル間の接続構造及び電流の流れを示すもので、(a)は酸素側電極を支持管とした場合、(b)は燃料側電極を支持管とした場合を示す説明図である。
【符号の説明】
31、53・・・燃料側電極
33、55・・・固体電解質
35、57・・・酸素側電極
37、59・・・インターコネクタ
39、61・・・P型半導体
40(40a、40b)・・・燃料電池セル
41、63・・・集電部材[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell, a cell stack, and a fuel cell, and relates to a fuel cell, a cell stack, and a fuel cell that have a good current collecting effect.
[0002]
[Prior art]
In recent years, various types of fuel cells in which a cell stack composed of a plurality of fuel cells is accommodated in a storage container have been proposed as next-generation energy.
[0003]
FIG. 5 shows a cell stack of a conventional solid oxide fuel cell. This cell stack aggregates a plurality of fuel cells 1 (1a, 1b), and one fuel cell 1a and the other fuel cell. A current collecting
[0004]
The fuel cell 1 (1a, 1b) is configured by sequentially providing a
[0005]
The
[0006]
The electrical connection between one fuel cell 1a and the other fuel cell 1b is made by connecting the
[0007]
The fuel cell is configured by accommodating the cell stack in a storage container. Fuel (hydrogen) is caused to flow inside the
[0008]
In recent years, in order to make the thermal expansion coefficients of the solid electrolyte and the fuel side electrode closer, the fuel side electrode is made of Ni and ZrO. 2 Mullite (3Al 2 O 3 ・ 2SiO 2 ) And spinel (MgAl 2 O 4 , CaAl 2 O 4 ) Is formed (see Patent Document 1).
[0009]
In such a fuel cell, since the thermal expansion coefficient of the fuel side electrode can be brought close to the thermal expansion coefficient of the solid electrolyte, cracking of the solid electrolyte and separation of the solid electrolyte from the fuel side electrode can be suppressed.
[0010]
[Patent Document 1]
JP-A-7-029574
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
However, since the
[0012]
The reason for this is not clear, but may be due to the following reasons. That is, generally, an oxygen side electrode made of a cylindrical conductive ceramic is supported, a fuel electrolyte electrode made of solid electrolyte and metal is formed on the outer surface of the support tube, and an interconnector made of ceramic is connected to the oxygen side electrode. When electrically connecting to the fuel side electrode of another fuel battery cell via a current collecting member made of metal, as shown in FIG. 6 (a), the oxygen side electrode of one fuel battery cell is used. Since a current flows through the fuel side electrode of the other fuel cell, no potential barrier is created between the interconnector and the current collecting member, and the current from the oxygen side electrode of one fuel cell passes through the current collecting member. Can be efficiently transmitted to the other fuel cell.
[0013]
However, as shown in FIG. 5, when the
An object of the present invention is to provide a fuel cell, a cell stack, and a fuel cell that can improve the current collection effect.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
The fuel battery cell of the present invention is provided with an oxygen side electrode made of conductive ceramics on one side of a solid electrolyte, a fuel side electrode containing a metal or metal oxide on the other side, and the fuel side electrode made of conductive ceramics. An interconnector is provided, and a P-type semiconductor connected to a current collecting member for electrical connection between cells is provided in the interconnector.
[0015]
In such a fuel cell, the reason is not clear, but the current from the oxygen side electrode of the other fuel cell is supplied to the fuel side of one fuel cell via a current collecting member, a P-type semiconductor, and an interconnector. It can be efficiently transmitted to the electrode. That is, in the present invention, an interconnector and a P-type semiconductor are sequentially provided on the fuel side electrode, and can be connected to a current collecting member for electrical connection with the oxygen side electrode of the other cell. When current flows through the semiconductor, there is a potential barrier, but the contact is ohmic, there is no rectifying effect, and the P-type semiconductor of one fuel cell and the interconnector are connected from the oxygen side electrode of the other fuel cell. Thus, the current flow to the fuel side electrode can be promoted, and the current collecting effect can be improved. Thereby, a fuel cell excellent in power generation performance can be provided.
[0016]
In the fuel battery cell of the present invention, it is desirable that one or more fuel gas passages are provided inside the fuel side electrode, and a solid electrolyte and an oxygen side electrode are sequentially provided on the outer surface of the fuel side electrode. . As such a fuel battery cell, for example, the fuel side electrode is plate-like, and a solid electrolyte and an oxygen side electrode are sequentially provided on one side main surface of the fuel side electrode, and on the other side main surface, Some interconnectors and P-type semiconductors are sequentially provided. In such a fuel cell, as described above, although the reason is not clear, the current from the oxygen side electrode of the other fuel cell is provided on the current collector and the other main surface of the fuel side electrode. It can be efficiently transmitted to the fuel side electrode via the P-type semiconductor and the interconnector.
[0017]
The P-type semiconductor is characterized in that it is formed in a planar shape on the surface of the interconnector so as to face the oxygen-side electrode through the fuel-side electrode. In such a fuel cell, the current flowing from the oxygen side electrode of the other fuel cell to the P-type semiconductor flows to the fuel side electrode at the shortest distance, and the P-type semiconductor and the oxygen side electrode are opposed to each other. In addition, a cell stack in which a plurality of power generation units sandwiching a solid electrolyte between a fuel side electrode and an oxygen side electrode can be connected at the shortest distance, and current loss can be minimized.
[0018]
In the fuel cell of the present invention, the P-type semiconductor is preferably made of the same component as the oxygen side electrode. Thereby, while reducing the kind of material which comprises a fuel battery cell, for example, after forming the solid electrolyte outside the fuel side electrode, and forming the laminated body which provided the interconnector in the fuel side electrode by integral firing, Formation of the oxygen side electrode on the surface of the solid electrolyte and formation of the P-type semiconductor on the surface of the interconnector can be performed simultaneously.
[0019]
Furthermore, in the fuel cell of the present invention, the thickness of the P-type semiconductor is 10 μm or more. By setting the thickness of the P-type semiconductor to 10 μm or more, for example, even when a part of the current collecting member comes into contact with the P-type semiconductor, the current from the current collecting member is directed in multiple directions from the contact part with the P-type semiconductor. For example, in the case of the plate-like fuel side electrode described above, current flows through the fuel side electrode in the thickness direction at the shortest distance, and current loss can be suppressed to a minimum.
[0020]
The cell stack of the present invention comprises a plurality of the above-described fuel cells, and a current collecting member containing metal interposed between one fuel cell and the other fuel cell, and the one fuel The fuel-side electrode of the battery cell may be electrically connected to the oxygen-side electrode of the other fuel battery cell via an interconnector provided on the fuel-side electrode, a P-type semiconductor, and the current collecting member. desirable.
[0021]
In the cell stack of the present invention, the fuel side electrode of one fuel battery cell is electrically connected to the oxygen side electrode of the other fuel battery cell via an interconnector, a P-type semiconductor, and a current collecting member provided on the fuel side electrode. Therefore, the electric current is connected from the oxygen side electrode made of ceramic of the other fuel cell to the P-type semiconductor of one fuel cell and the interconnector made of conductive ceramic through the current collecting member made of metal. It can flow efficiently to the fuel-side electrode containing metal as a main component, improve the electron conductivity between the cells, and improve the power generation efficiency of the fuel cell.
[0022]
The fuel cell of the present invention is obtained by housing the cell stack in a storage container. In such a fuel cell, since the electron conductivity between cells can be improved as described above, the power generation characteristics of the fuel cell can be improved.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows a cross section of a fuel cell according to the present invention. The fuel cell has a cylindrical shape. In this fuel cell, a dense
[0024]
The fuel-
[0025]
Inside the
[0026]
The
[0027]
The
[0028]
A part of the outer surface of the
[0029]
The thickness of the
[0030]
A bonding layer may be interposed between the end face of the
[0031]
In the fuel cell of the present invention, a porous P-
[0032]
The thickness of the P-
[0033]
A method for manufacturing the fuel cell as described above will be described. First, for example, NiO powder and ZrO containing Y 2 A fuel-side electrode material in which (YSZ) powder, an organic binder, and a solvent are mixed is extruded to produce a cylindrical fuel-side electrode molded body, which is dried.
[0034]
Next, for example, a sheet-like molded body is prepared using a solid electrolyte material in which YSZ powder, an organic binder, and a solvent are mixed, and this sheet-shaped molded body is formed on the fuel-side electrode molded body at both ends thereof. It winds so that a space | interval may space apart, and it dries.
[0035]
After this, for example, LaCrO 3 A sheet-like molded body is prepared using an interconnector material in which a system material, an organic binder, and a solvent are mixed, and this sheet-shaped molded body is laminated on the exposed outer surface of the fuel-side electrode molded body to form a cylindrical shape. A laminated molded body in which a solid electrolyte sheet-shaped molded body and an interconnector sheet-shaped molded body are laminated on the fuel-side electrode molded body is prepared.
[0036]
Next, the laminated molded body is treated to remove the binder, and co-fired at 1300 to 1600 ° C. in an oxygen-containing atmosphere. 3 It is immersed in a paste containing a system material and a solvent, and an oxygen-side electrode molded body is formed on the surface of the solid electrolyte by dipping, and LaFeO 3 The above-mentioned paste containing the system material is applied to the outer surface of the interconnector and baked at 1000 to 1300 ° C., thereby forming the porous
[0037]
As shown in FIG. 2, the cell stack of the present invention includes a plurality of fuel battery cells 40 (40a, 40b), and between one
[0038]
In the fuel cell of the present invention, the cell stack of FIG. 2 is accommodated in a storage container to constitute a fuel cell. During power generation, as indicated by an arrow in FIG. 2, the current from the oxygen-
[0039]
Therefore, the current flows as shown in FIG. 6B. However, since the P-
[0040]
FIG. 3 shows another embodiment of the fuel battery cell of the present invention. The fuel battery cell of FIG. 3 has a flat cross section and a flat plate shape as a whole, and a plurality of fuel gases are contained therein. A
[0041]
This fuel battery cell has a flat cross section and an
[0042]
That is, the fuel cell has a cross-sectional shape including arc-shaped portions m provided at both ends in the width direction and a pair of flat portions n connecting these arc-shaped portions m, and the pair of flat portions n is flat. And are formed substantially in parallel. One of the pair of flat portions n is configured by forming an
[0043]
The distance between the arc-shaped portions mm of the
[0044]
The P-
[0045]
The thickness of the P-
[0046]
Such a fuel battery cell is first composed of, for example, Ni and / or NiO powder and a rare earth element such as ZrO containing Y. 2 (YSZ), an organic binder, and a solvent are mixed and extruded to produce a flat fuel-side electrode molded body, which is dried and degreased.
[0047]
Next, ZrO in which rare earth elements are dissolved 2 Using a solid electrolyte material in which powder, an organic binder, and a solvent are mixed, a sheet-shaped solid electrolyte molded body is produced, and the sheet-shaped solid electrolyte molded body is formed on one main surface of the fuel-side electrode molded body. Laminated and wound so that both ends are spaced apart by a predetermined distance, and dried.
[0048]
Next, a sheet-like interconnector molded body is produced using an interconnector material in which a lanthanum-chromium oxide powder, an organic binder, and a solvent are mixed, and the interconnector molded body is formed at both ends of the solid electrolyte molded body. Is laminated on the fuel side electrode molded body exposed from the portion.
[0049]
Thereby, while laminating | stacking a solid electrolyte molded object on the one side main surface of a flat fuel side electrode molded object, the laminated molded object by which the interconnector molded object was laminated | stacked on the surface of the other flat part is produced. Each molded body can be produced by sheet molding using a doctor blade, printing, slurry dip, spraying by spraying, or the like, or a combination thereof.
[0050]
Next, the multilayer molded body is degreased and cofired at 1300 to 1600 ° C. in an oxygen-containing atmosphere.
[0051]
Next, a transition metal perovskite oxide powder that is a P-type semiconductor, for example, LaFeO 3 A system powder and a solvent are mixed to prepare a paste, and the laminate is dipped in the paste or directly sprayed and baked at 1000 to 1300 ° C., so that the surface of the
[0052]
The
[0053]
In such a cell stack of flat fuel cells, a current collecting
[0054]
The current collecting
[0055]
The fuel cell of the present invention is configured by storing a cell stack including a plurality of the fuel cells shown in FIG. 3 in a storage container. The 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 fuel cell from outside, and generates electricity when the fuel cell is heated to a predetermined temperature. Excess fuel gas and oxygen-containing gas are burned and discharged out of the storage container as combustion gas.
[0056]
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.
[0057]
【Example】
First, NiO powder having an average particle diameter of 0.5 μm and ZrO containing 8 mol% of Y having an average particle diameter of 0.5 μm. 2 (YSZ) The fuel side electrode material which mixed the powder, the organic binder which consists of a pore agent and PVA, and the solvent which consists of water was extrusion-molded, the cylindrical fuel side electrode molded object was produced, and this was dried. .
[0058]
Next, the YSZ powder, an organic binder made of an acrylic resin, and a solvent made of toluene are mixed to produce a sheet-like molded body, and the sheet-shaped molded body is formed into a fuel-side electrode. It was wound on the body so that the both ends thereof were separated from each other with a predetermined interval, and dried.
[0059]
After this, LaCrO having an average particle diameter of 2 μm 3 A sheet-like molded body is prepared using an interconnector material in which a system material, an organic binder made of an acrylic resin, and a solvent made of toluene are mixed, and this sheet-like molded body is made of an exposed fuel-side electrode molded body. A laminated molded body was prepared by laminating on the outer surface and laminating a sheet-shaped molded body of solid electrolyte and a sheet-shaped molded body of interconnector on a cylindrical fuel-side electrode molded body.
[0060]
Next, the laminated molded body was debindered and co-fired at 1500 ° C. in the air. This laminate is made of La having an average particle diameter of 2 μm. 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 Immerse in a paste containing a powder and a normal paraffin solvent and dip an oxygen-side electrode molded body on the surface of the solid electrolyte. Apply the paste to the outer surface of the interconnector and bake at 1150 ° C. A porous oxygen-side electrode was formed, and a porous P-type semiconductor was formed on the outer surface of the interconnector to produce a fuel cell of the present invention as shown in FIG.
[0061]
A Pt paste is applied to the oxygen side electrode and the P-type semiconductor of the fuel cell, and a Pt mesh (current collecting member) is pressed against the P-type semiconductor to pass a current having a predetermined current density between the oxygen side electrode and the P-type semiconductor. The voltage drop between the fuel side electrode and the P-type semiconductor was measured and shown in FIG. 4 with a solid line.
[0062]
The outer diameter of the fuel side electrode was 15 mm, the inner diameter was 12 mm, the thickness of the solid electrolyte was 40 μm, the thickness of the oxygen side electrode was 50 μm, the thickness of the interconnector was 50 μm, and the thickness of the P-type semiconductor was 50 μm.
[0063]
Further, a fuel cell of a comparative example was produced in the same manner as described above except that no P-type semiconductor was formed, a Pt mesh (current collecting member) was pressed against the interconnector, and the voltage drop was measured in the same manner as described above. Is indicated by a broken line.
[0064]
From FIG. 4, the fuel cell of the present invention in which a P-type semiconductor is formed on the outer surface of the interconnector has a smaller voltage drop than the fuel cell of the comparative example, can increase the current collection characteristics, and can obtain a high output. I understand.
[0065]
Example 2
A flat fuel cell as shown in FIG. 3 was produced using the same material and production method as in Example 1. At this time, the distance (width) between m and m of the fuel cell is 26 mm, the distance (thickness) between nn is 3.5 mm, the length is 200 mm, the thickness of the dense
[0066]
When the voltage drop of these fuel cells was determined in the same manner as in Example 1, the current density was 1.25 A / cm. 2 At that time, the voltage drop was 0.6 V in the fuel cell of the present invention, whereas it was as large as 1.4 V in the fuel cell of the comparative example. Moreover, in the fuel battery cell of the present invention, the P-type semiconductor was not peeled off due to the difference in thermal expansion.
[0067]
Further, the present inventors produced a fuel cell as shown in FIG. 3 in the same manner as described above except that the thickness of the P-
[0068]
As a result, the current density was 1.25 A / cm. 2 When the thickness of the P-
[0069]
【The invention's effect】
In the fuel battery cell of the present invention, an oxygen-side electrode made of conductive ceramics is provided on one side of the solid electrolyte, a fuel-side electrode containing a metal or metal oxide is provided on the other side, and an interface made of conductive ceramics is provided on the fuel-side electrode. Since a connector is provided and a P-type semiconductor connected to a current collecting member for electrical connection between cells is provided in the interconnector, the current from the oxygen side electrode of the other fuel cell is supplied to the current collecting member. Thus, the fuel cell can be efficiently transmitted to the P-type semiconductor, the interconnector, and the fuel side electrode of one of the fuel cells, and the current collecting performance can be improved, thereby providing a fuel cell having excellent power generation performance.
[Brief description of the drawings]
1A and 1B show a fuel cell of the present invention, in which FIG. 1A is a cross-sectional view and FIG. 1B is a perspective view.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a cell stack of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing another fuel battery cell of the present invention in which a plurality of fuel gas passages are formed in a fuel side electrode.
FIG. 4 is a graph showing a voltage drop between a P-type semiconductor and a fuel-side electrode.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a conventional cell stack.
6A and 6B show a connection structure between cells and a current flow. FIG. 6A is an explanatory diagram showing a case where an oxygen side electrode is used as a support tube, and FIG. 6B is an explanatory diagram showing a case where a fuel side electrode is used as a support tube. is there.
[Explanation of symbols]
31, 53 ... Fuel side electrode
33, 55 ... Solid electrolyte
35, 57 ... Oxygen side electrode
37, 59 ... interconnector
39, 61... P-type semiconductor
40 (40a, 40b): Fuel cell
41, 63 ... current collecting member
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