JP4889288B2 - Cell stack and fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、セルスタック及び燃料電池に関し、特に、一対の平坦部を有する平板状の支持体の一方の平坦部に固体電解質層及び電極層を有し、他方の平坦部にインターコネクタ
を有する燃料電池セルを複数立設して配列し、該複数の燃料電池セルを電気的に直列に接続してなるセルスタック及び燃料電池に関する。
The present invention relates to a cell stack and a fuel cell, and in particular, a fuel having a solid electrolyte layer and an electrode layer on one flat portion of a flat support having a pair of flat portions and an interconnector on the other flat portion. The present invention relates to a cell stack and a fuel cell in which a plurality of battery cells are erected and arranged, and the plurality of fuel cells are electrically connected in series.

次世代エネルギーとして、近年、燃料電池セルの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。   In recent years, various fuel cells in which a stack of fuel cells is accommodated in a storage container have been proposed as next-generation energy.

図5は従来の中空平板型の固体電解質形燃料電池セル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13(13a、13b)を集合させ、一方の燃料電池セル13aと他方の燃料電池セル13bとの間に金属フェルトなどからなる集電部材15を多数介在させ、一方の燃料電池セル13aの内側電極(酸素側電極)17と他方の燃料電池セル13bの外側電極(燃料側電極)18とを電気的に接続して構成されていた。   FIG. 5 shows a conventional cell stack of a hollow plate type solid oxide fuel cell. This cell stack collects a plurality of fuel cells 13 (13a, 13b), A large number of current collecting members 15 made of metal felt or the like are interposed between the other fuel battery cell 13b, and an inner electrode (oxygen side electrode) 17 of one fuel battery cell 13a and an outer electrode of the other fuel battery cell 13b ( The fuel side electrode) 18 is electrically connected.

燃料電池セル13(13a、13b)は、扁平状の内側電極17の外周面に、固体電解質層19、外側電極18を順次設けて構成されており、固体電解質層19、外側電極18から露出した内側電極17には、外側電極18に接続しないようにインターコネクタ20が設けられている。内側電極17内にはガス流路を構成する複数のガス通過孔22が形成されている。   The fuel cell 13 (13 a, 13 b) is configured by sequentially providing a solid electrolyte layer 19 and an outer electrode 18 on the outer peripheral surface of the flat inner electrode 17, and is exposed from the solid electrolyte layer 19 and the outer electrode 18. An interconnector 20 is provided on the inner electrode 17 so as not to be connected to the outer electrode 18. A plurality of gas passage holes 22 constituting a gas flow path are formed in the inner electrode 17.

一方の燃料電池セル13aと他方の燃料電池セル13bとの電気的接続は、一方の燃料電池セル13aの内側電極17を、該内側電極17に設けられたインターコネクタ20、集電部材15を介して、他方の燃料電池セル13bの外側電極18に接続することにより行われていた(例えば特許文献1、2参照)。
特開平1−169878号公報 特開平2005−243334号公報
The electrical connection between one fuel battery cell 13a and the other fuel battery cell 13b is performed by connecting the inner electrode 17 of one fuel battery cell 13a via the interconnector 20 and the current collecting member 15 provided on the inner electrode 17. Then, it is performed by connecting to the outer electrode 18 of the other fuel battery cell 13b (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
JP-A-1-169878 JP-A-2005-243334

しかしながら、上記従来の燃料電池では、一方の燃料電池セル13aと他方の燃料電池セル13bとの間に集電部材15が多数介在していたため、これらの燃料電池セル13a、13b間にガスが入りにくく、発電性能が低下するという問題があった。また、集電部材15には、耐熱性に優れた耐熱性合金を多数使用しなければならず、コストが高くなるという問題があった。さらに、燃料電池セル13a、13b間に集電部材15を多数配置して接合しなければならず製造に手間がかかり、また、接合箇所も多いため接合不良も発生しやすいという問題があった。   However, in the conventional fuel cell, since many current collecting members 15 are interposed between one fuel cell 13a and the other fuel cell 13b, gas enters between these fuel cells 13a and 13b. There is a problem that power generation performance is reduced. In addition, the current collecting member 15 has to use a large number of heat resistant alloys having excellent heat resistance, which increases the cost. In addition, a large number of current collecting members 15 must be arranged and joined between the fuel cells 13a and 13b, and it takes time to manufacture. Further, since there are many joints, there is a problem that joint failure tends to occur.

本発明は、燃料電池セル間にガスを十分に供給することができるとともに、容易にかつ安価に燃料電池セル間を電気的に接続できるセルスタック及び燃料電池を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a cell stack and a fuel cell that can sufficiently supply gas between fuel cells and that can easily and inexpensively electrically connect the fuel cells.

本発明のセルスタックは、軸長方向にガス流路が形成され、一対の平坦部を有する平板状の支持体の一方の平坦部に、固体電解質層及び電極層を有するとともに、前記支持体の前記一方の平坦部と対向する他方の平坦部に、インターコネクタを有する燃料電池セルを複数立設して配列し、該複数の燃料電池セルを電気的に直列に接続してなるセルスタックであって、前記燃料電池セルの配列方向から見たとき、隣設する前記燃料電池セルの平坦部の一部が、前記軸長方向に沿って重畳するように前記複数の燃料電池セルを左右に交互に配列させ、重畳部における前記燃料電池セルの平坦部同士を接合してなることを特徴とする。
The cell stack of the present invention, the gas flow path is formed in the axial direction on one flat portion of the plate-like support having a pair of flat portions, and having a solid electrolyte layer and electrode layers, of the support A cell stack in which a plurality of fuel cells having interconnectors are arranged upright on the other flat portion opposite to the one flat portion , and the plurality of fuel cells are electrically connected in series. Te, when viewed from the arrangement direction of the fuel cells, a portion of the flat portion of the fuel cell to neighboring set is, the right and left of the plurality of fuel cells in so that be superimposed along said axial direction The flat portions of the fuel cells in the overlapping portion are joined to each other in an overlapping manner.

このようなセルスタックでは、燃料電池セルの配列方向から見たとき、隣設する燃料電池セルの平坦部の一部が、前記軸長方向に沿って重畳するように複数の燃料電池セルを千鳥状(左右に交互)に配列しているため、燃料電池セルの平坦部の端部だけが重なり、この部分で接合固定することができ、燃料電池セル間には空間が形成されており、この燃料電池セル間の空間を介して、ガス(燃料ガス又は酸素含有ガス)を十分に燃料電池セルに供給することができる。また、接合箇所も燃料電池セルの平坦部の端部のみとすることができ、耐熱性合金からなる集電部材を用いるとしてもその個数を大幅に低減でき、接合箇所を減少させることができ、容易にかつ安価にセルスタックを作製できる。
In such a cell stack, a plurality of fuel cells are staggered so that a part of the flat portion of the adjacent fuel cells overlaps along the axial length direction when viewed from the arrangement direction of the fuel cells. Since they are arranged in a shape (alternately on the left and right), only the end of the flat part of the fuel cell overlaps and can be joined and fixed at this part, and a space is formed between the fuel cells. Gas (fuel gas or oxygen-containing gas) can be sufficiently supplied to the fuel cells through the space between the fuel cells. In addition, the joining location can be only the end portion of the flat portion of the fuel cell, even if a current collecting member made of a heat-resistant alloy can be used, the number thereof can be greatly reduced, and the joining location can be reduced. A cell stack can be produced easily and inexpensively.

尚、燃料電池セルの接合箇所を用いて、燃料電池セル同士の機械的固定と電気的接続を行うことができるが、接合箇所で燃料電池セル間を機械的に固定し、他の手段にて燃料電池セル間を電気的に接続しても良い。さらには、燃料電池セル間の機械的固定と電気的固定をそれぞれ別個に行う接合箇所を設けても良い。   In addition, although the fuel cell can be mechanically fixed and electrically connected to each other by using the joint portion of the fuel battery cell, the fuel cell is mechanically fixed at the joint portion by other means. The fuel cells may be electrically connected. Furthermore, you may provide the junction location which performs mechanical fixation and electrical fixation between fuel cells separately, respectively.

また、本発明のセルスタックは、隣設する前記燃料電池セルの前記重畳部における平坦部同士を導電性材料により接合することにより、電気的に接続するとともに機械的に接合することを特徴とする。このようなセルスタックでは、耐熱性合金からなる集電部
材を用いることがないため、さらに安価にかつ容易に作製できる。
The cell stack of the present invention, by joining a conductive material flat portions in the superposition portion of said fuel cell to neighboring set, and characterized in that mechanically bonded together to electrically connect To do. In such a cell stack, since a current collecting member made of a heat-resistant alloy is not used, the cell stack can be manufactured more inexpensively and easily.

さらに、本発明のセルスタックでは、前記電極層及び前記インターコネクタの少なくとも一方に、該電極層及びインターコネクタよりも高導電率の高導電率層を、前記燃料電池セルの重畳部に向けて幅方向に設けたことを特徴とする。
Furthermore, in the cell stack of the present invention, a high conductivity layer having a higher conductivity than the electrode layer and the interconnector is provided on at least one of the electrode layer and the interconnector with a width toward the overlapping portion of the fuel cell. It is provided in the direction.

インターコネクタには、一般に導電性セラミックが用いられ、抵抗が大きいため、また燃料電池の電極は固体電解質へのガス供給という目的のため多孔質であることから抵抗が大きいため、さらに、本発明では、発電した電流は、燃料電池セルの電極、燃料電池セルの重畳部に向けて幅方向に流れるため、一方の燃料電池セルで発電した電流が、電極層、インターコネクタを介して、他方の燃料電池セルまで流れるには抵抗が大きく、発電性能が低下する虞があったが、電極層及び/又はインターコネクタに、燃料電池セルの重畳部に向けて幅方向に、該電極層、インターコネクタよりも高導電率の高導電率層を設けたため、一方の燃料電池セルで発電した電流は高導電率層を介して、他方の燃料電池セルに流れ、抵抗を小さくすることができ、発電性能を向上することができる。
The interconnector is generally made of a conductive ceramic and has high resistance. Since the electrode of the fuel cell is porous for the purpose of supplying gas to the solid electrolyte, the resistance is high. , the generated electric current, the electrodes of the fuel cell, to flow in the width direction toward the superimposing unit of the fuel cell, current that is generated in one of the fuel cell, the electrode layers, through the interconnector, the other However, there is a possibility that the power generation performance may be reduced due to a large resistance to flow to the fuel cell of the battery. Since a high conductivity layer having a higher conductivity than the connector is provided, the current generated by one fuel cell flows to the other fuel cell via the high conductivity layer, and the resistance can be reduced. , It is possible to improve the power generation performance.

また、本発明のセルスタックでは、隣設する前記燃料電池セルの前記重畳部における前記電極層及び前記インターコネクタに沿って、かつ前記燃料電池セルの前記ガス流路に沿った方向に、前記電極層及び前記インターコネクタよりも高導電率の高導電率層がそれぞれ設けられており、該高導電率層により隣設する前記燃料電池セルの平坦部同士を接合していることを特徴とする。
Further, in the cell stack of the present invention, the electrode is disposed along the electrode layer and the interconnector in the overlapping portion of the adjacent fuel cell, and in the direction along the gas flow path of the fuel cell. A high conductivity layer having a higher conductivity than those of the interconnector and the interconnector is provided, and flat portions of the fuel cells adjacent to each other are joined by the high conductivity layer.

このようなセルスタックでは、高導電率層により抵抗を小さくできるとともに、燃料電池セルの機械的固定を行うことができる。   In such a cell stack, the resistance can be reduced by the high conductivity layer, and the fuel cell can be mechanically fixed.

さらに、本発明の燃料電池は、収納容器内に上記セルスタックを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、燃料電池セル間にガスを十分に供給することができるため、発電性能を向上し、また、燃料電池セル間を容易にかつ安価に接続できるため、安価な燃料電池を得ることができる。   Furthermore, the fuel cell of the present invention is characterized in that the cell stack is housed in a housing container. In such a fuel cell, since gas can be sufficiently supplied between the fuel cells, the power generation performance is improved, and the fuel cells can be easily and inexpensively connected. Obtainable.

本発明のセルスタックでは、燃料電池セル間には空間が形成されており、この燃料電池セル間の空間を介してガスを十分に燃料電池セルに供給することができ、発電性能を向上できるとともに、接合箇所も燃料電池セルの平坦部の端部のみで行うことができ、耐熱性合金からなる集電部材を用いるとしてもその個数を大幅に低減でき、容易にかつ安価に作製できる。
In the cell stack of the present invention, a space is formed between the fuel cells, and gas can be sufficiently supplied to the fuel cells through the space between the fuel cells, and the power generation performance can be improved. The joining location can be performed only at the end of the flat portion of the fuel cell, and even when a current collecting member made of a heat-resistant alloy is used, the number of the current collecting members can be greatly reduced and can be easily and inexpensively manufactured.

本発明の燃料電池セルの断面を示す図1、断面斜視図を示す図2において、全体として30で示す燃料電池セルは中空平板状であり、断面が扁平状で、全体的に見て棒状で細長基板状の多孔質支持基板(支持体)31を備えている。支持基板31の内部には、適当な間隔で6個の燃料ガス通路31a(ガス流路を形成する)が長さ方向(軸長方向)に貫通して形成されており、燃料電池セル30は、この支持基板31上に各種の部材が設けられた構造を有している。このような燃料電池セル30の複数を、図3、4に示すように、左右交互(千鳥状)に配列して直列に接続することにより、燃料電池を構成するセルスタックを形成することができる。   In FIG. 1 showing a cross section of the fuel battery cell of the present invention, and in FIG. 2 showing a cross-sectional perspective view, the fuel battery cell generally indicated by 30 has a hollow flat plate shape, a flat cross section, and a rod shape as a whole. An elongated substrate-like porous support substrate (support) 31 is provided. Inside the support substrate 31, six fuel gas passages 31a (forming gas passages) are formed penetrating in the length direction (axial direction) at appropriate intervals. The support substrate 31 has a structure in which various members are provided. As shown in FIGS. 3 and 4, by arranging a plurality of such fuel battery cells 30 alternately in the left and right direction (staggered) and connecting them in series, a cell stack constituting the fuel battery can be formed. .

支持基板31は、図1(a)、図2(a)に示されている形状から理解されるように、平坦部Aと平坦部Aの両端の弧状部Bとからなっており、平坦部Aは主面を構成する。平坦部Aの両主面は互いにほぼ平行に形成され、平坦部Aの一方の主面と両側の弧状部Bを覆うように燃料極層32が設けられ、さらに、この燃料極層32を覆うように、緻密質な固体電解質層33が積層されており、この固体電解質層33の上には、燃料極層32と対面するように、平坦部Aの一方側の主面に酸素極層34が積層されている。燃料極層32及び固体電解質層33は、平坦部Aの一方側の主面に、ガス流路形成方向Gに連続して形成されている。   As is understood from the shapes shown in FIGS. 1A and 2A, the support substrate 31 includes a flat portion A and arcuate portions B at both ends of the flat portion A. The flat portion A constitutes the main surface. Both main surfaces of the flat part A are formed substantially parallel to each other, and a fuel electrode layer 32 is provided so as to cover one main surface of the flat part A and the arcuate parts B on both sides, and further covers the fuel electrode layer 32. In this way, a dense solid electrolyte layer 33 is laminated, and on this solid electrolyte layer 33, an oxygen electrode layer 34 is formed on one main surface of the flat portion A so as to face the fuel electrode layer 32. Are stacked. The fuel electrode layer 32 and the solid electrolyte layer 33 are continuously formed on the main surface on one side of the flat portion A in the gas flow path forming direction G.

このような燃料電池セルは、支持基板31が導電性を有するとともに、該導電性支持基板31の一方側主面に燃料極層32を介して固体電解質層33を形成することにより、ガス透過性が要求される支持基板31、及びガスとの反応性が要求される燃料極層32を、別個に形成するため、それぞれの機能に対応した材料、組織等とすることができ、また集電も容易に行うことができ、最適な燃料電池セルを作製できる。   In such a fuel battery cell, the support substrate 31 has conductivity, and the solid electrolyte layer 33 is formed on one main surface of the conductive support substrate 31 with the fuel electrode layer 32 interposed therebetween. Since the support substrate 31 required for the gas and the fuel electrode layer 32 required for the reactivity with the gas are separately formed, the material, the structure and the like corresponding to each function can be used. This can be easily performed, and an optimal fuel cell can be produced.

また、燃料極層32及び固体電極層33が積層されていない平坦部Aの他方側の主面には、インターコネクタ35が形成されている。図1から明らかな通り、燃料極層32及び固体電解質層33は、インターコネクタ35の両サイドにまで延びており、支持基板31の表面が外部に露出しないように構成されている。   An interconnector 35 is formed on the other main surface of the flat portion A where the fuel electrode layer 32 and the solid electrode layer 33 are not stacked. As is clear from FIG. 1, the fuel electrode layer 32 and the solid electrolyte layer 33 extend to both sides of the interconnector 35 and are configured so that the surface of the support substrate 31 is not exposed to the outside.

上記のような構造の燃料電池セルでは、燃料極層32の酸素極層34と対面している部分が燃料極として作動して発電する。即ち、酸素極層34の外側に空気等の酸素含有ガスを流し、且つ支持基板31内のガス通路31aに燃料ガス(水素)を流し、所定の作動温度まで加熱することにより、酸素極層34で下記式(1)の電極反応を生じ、また燃料極層32の燃料極となる部分では例えば下記式(2)の電極反応を生じることによって発電する。   In the fuel cell having the above structure, the portion of the fuel electrode layer 32 facing the oxygen electrode layer 34 operates as a fuel electrode to generate electric power. That is, an oxygen-containing gas such as air is allowed to flow outside the oxygen electrode layer 34, and a fuel gas (hydrogen) is supplied to the gas passage 31 a in the support substrate 31, and the oxygen electrode layer 34 is heated to a predetermined operating temperature. Then, an electrode reaction of the following formula (1) is generated, and power is generated by generating an electrode reaction of the following formula (2), for example, in the portion that becomes the fuel electrode of the fuel electrode layer 32.

酸素極: 1/2O+2e → O2− (固体電解質) …(1)
燃料極: O2− (固体電解質)+ H → HO+2e…(2)
かかる発電によって生成した電流は、支持基板31に取り付けられているインターコネクタ35を介して集電される。
Oxygen electrode: 1 / 2O 2 + 2e → O 2− (solid electrolyte) (1)
Fuel electrode: O 2− (solid electrolyte) + H 2 → H 2 O + 2e (2)
The current generated by the power generation is collected through the interconnector 35 attached to the support substrate 31.

そして、本発明では、図1、2に示すように、酸素極層34、インターコネクタ35には、燃料電池セルの長さ方向に第1高導電率層38a、38bが形成されており、これらの第1高導電率層38a、38bが、それぞれ酸素極層34、インターコネクタ35の側面に接続し、酸素極層34、インターコネクタ35と第1高導電率層38a、38bとがそれぞれ電気的に導通している。これらの第1高導電率層38a、38b同士は、支持基板31を介して対向する位置に形成されている。   In the present invention, as shown in FIGS. 1 and 2, the oxygen electrode layer 34 and the interconnector 35 are formed with first high conductivity layers 38a and 38b in the length direction of the fuel cell, The first high conductivity layers 38a and 38b are connected to the side surfaces of the oxygen electrode layer 34 and the interconnector 35, respectively, and the oxygen electrode layer 34 and the interconnector 35 are electrically connected to the first high conductivity layers 38a and 38b, respectively. Is conducting. The first high conductivity layers 38 a and 38 b are formed at positions facing each other with the support substrate 31 therebetween.

この第1高導電率層38a、38bは、固体電解質層33表面に形成されており、例えば、Ag−Pd等の貴金属合金、導電性セラミックス等から構成されている。固体電解質層33表面に形成することにより、第1高導電率層38a、38bの燃料電池セルへの接合強度が向上し、後述する燃料電池セル同士の接合強度を向上することができる。   The first high conductivity layers 38a and 38b are formed on the surface of the solid electrolyte layer 33, and are made of, for example, a noble metal alloy such as Ag—Pd, conductive ceramics, or the like. By forming on the surface of the solid electrolyte layer 33, the bonding strength of the first high conductivity layers 38a, 38b to the fuel cells can be improved, and the bonding strength between the fuel cells described later can be improved.

また、酸素極層34、インターコネクタ35には、図2(b)(c)に示すように、第1高導電率層38a、38bと直交するように、燃料電池セルの幅方向(後述する接合箇所(重畳している平坦部)の反対側から接合箇所に向けて)に第2高導電率層39a、39bが形成されている。これらの第2高導電率層39a、39bは、例えば、Ag−Pd合金等の貴金属合金、導電性セラミックス等から構成されている。
Further, as shown in FIGS. 2B and 2C, the oxygen electrode layer 34 and the interconnector 35 have a fuel cell width direction (described later) so as to be orthogonal to the first high conductivity layers 38a and 38b. Second high-conductivity layers 39a and 39b are formed at the joining location (from the opposite side of the overlapping flat portion ) toward the joining location. These second high conductivity layers 39a and 39b are made of, for example, a noble metal alloy such as an Ag—Pd alloy, conductive ceramics, or the like.

第1高導電率層38a、第2高導電率層39aは、酸素極層34よりも高導電率とされており、上述したように酸素極層34とは別個の材料を用いて形成することもできるが、例えば、酸素極層34の表面に、再度酸素極材料を塗布し、酸素極層34よりも緻密な膜とすることにより形成することができ、この場合には、第1高導電率層38a、第2高導電率層39aを容易に形成できる。また、Ag−Pd合金のような貴金属合金を酸素極層34上に塗布して形成することもできる。さらに、酸素極層34を分割して形成し、これらの分割酸素極層の間に、酸素極層34よりも高導電率材料からなる層を形成することにより形成することもできる。この場合、第1高導電率層38a、第2高導電率層39aの燃料電池セルへの接合強度を向上できる。尚、高導電率か否かは抵抗値により判断できる。   The first high conductivity layer 38a and the second high conductivity layer 39a have higher conductivity than the oxygen electrode layer 34, and are formed using a material different from the oxygen electrode layer 34 as described above. However, it can be formed, for example, by applying the oxygen electrode material again to the surface of the oxygen electrode layer 34 to form a denser film than the oxygen electrode layer 34. In this case, the first high conductivity layer can be formed. The rate layer 38a and the second high conductivity layer 39a can be easily formed. Alternatively, a noble metal alloy such as an Ag—Pd alloy can be formed on the oxygen electrode layer 34 by coating. Further, the oxygen electrode layer 34 may be formed by being divided, and a layer made of a material having a higher conductivity than that of the oxygen electrode layer 34 may be formed between the divided oxygen electrode layers. In this case, the bonding strength of the first high conductivity layer 38a and the second high conductivity layer 39a to the fuel cell can be improved. Whether or not the conductivity is high can be determined from the resistance value.

また、インターコネクタ35と電気的に接続される第1高導電率層38b、第2高導電率層39bは、インターコネクタ35よりも高導電率とされており、例えば、インターコネクタ35表面に高導電率材料を塗布することにより形成することができ、また、インターコネクタ35を分割して形成し、これらの分割インターコネクタ間に高導電率材料からなる層を形成することにより形成することもできる。
The first high conductivity layer 38b and the second high conductivity layer 39b that are electrically connected to the interconnector 35 have higher conductivity than the interconnector 35. For example, the surface of the interconnector 35 has a high conductivity. conductivity material can be more formed applying, also formed by dividing the interconnector 35, also it is formed by forming a layer made of a high conductivity material between these divided interconnector it can.

以下燃料電池セルの各部材について詳細に説明する。   Hereinafter, each member of the fuel cell will be described in detail.

(支持基板31)
上記のような構造を有する燃料電池セル30において、支持基板31は、燃料ガスを燃料極まで透過させるためにガス透過性であること、及びインターコネクタ35を介しての集電を行うために導電性であること、同時焼成時の熱膨張差による固体電解質層などのクラックや剥離がないことが要求されるが、このような要求を満たすと同時に、還元・酸化サイクルにおける支持基板31の体積膨張に起因した固体電解質層などのクラックを抑制する目的で、触媒活性金属及びその酸化物のいずれかと、触媒金属及びその酸化物との反応物を生成しない無機骨材、例えば、金属酸化物である固体電解質又は少なくとも一種の希土類元素を含有する希土類元素酸化物とを含有せしめて構成する。
(Support substrate 31)
In the fuel cell 30 having the above-described structure, the support substrate 31 is gas permeable so as to allow the fuel gas to permeate to the fuel electrode, and conductive for collecting current via the interconnector 35. It is required that the solid electrolyte layer does not crack or peel off due to the difference in thermal expansion during simultaneous firing, and at the same time, the volume expansion of the support substrate 31 in the reduction / oxidation cycle is satisfied. For the purpose of suppressing cracks in the solid electrolyte layer and the like caused by the above, it is an inorganic aggregate that does not generate a reaction product between the catalytic active metal and its oxide and the catalytic metal and its oxide, for example, a metal oxide A solid electrolyte or a rare earth element oxide containing at least one rare earth element is included.

触媒金属としてはFe、Co、Niなどの鉄族成分があり、金属単体であってもよいし、また酸化物、合金もしくは合金酸化物であってもよい。本発明では、何れをも使用することができるが、安価であること及び燃料ガス中で安定であることからNi及び/またはNiOを含有していることが好ましい。   As the catalyst metal, there are iron group components such as Fe, Co, and Ni, which may be a single metal, or an oxide, an alloy, or an alloy oxide. In the present invention, any of them can be used, but it is preferable that Ni and / or NiO are contained because they are inexpensive and stable in fuel gas.

また、無機骨材としては、(2)の電極反応を促進するために、所謂三相界面(電解質/触媒金属/気相の界面)を増やすために、固体電解質層33を形成している安定化ジルコニアやランタンガレート系ペロブスカイト型組成物等と同等の材料を用いても良いし、熱膨張係数を下げて固体電解質層33と近似させるために希土類酸化物を用いても良い。後者には特にSc、Y、Lu、Yb、Tm、Er、Ho、Dy、Gd、Sm、Prからなる群より選ばれた少なくとも1種の希土類元素を含む酸化物が使用される。このような希土類酸化物の具体例としては、Sc、Y、Lu、Yb、Tm、Er、Ho、Dy、Gd、Sm、Prを例示することができ、特に安価であるという点で、Y3、Yb、さらにはYが好適である。 Further, as the inorganic aggregate, the solid electrolyte layer 33 is formed in order to increase the so-called three-phase interface (electrolyte / catalyst metal / gas phase interface) in order to promote the electrode reaction of (2). A material equivalent to zirconia bromide, a lanthanum gallate-based perovskite type composition, or the like may be used, or a rare earth oxide may be used to lower the thermal expansion coefficient and approximate the solid electrolyte layer 33. In particular, an oxide containing at least one rare earth element selected from the group consisting of Sc, Y, Lu, Yb, Tm, Er, Ho, Dy, Gd, Sm, and Pr is used for the latter. Specific examples of such rare earth oxides, Sc 2 O 3, Y 2 O 3, Lu 2 O 3, Yb 2 O 3, Tm 2 O 3, Er 2 O 3, Ho 2 O 3, Dy 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Sm 2 O 3 , Pr 2 O 3 can be exemplified, and Y 2 O 3, Yb 2 O 3 , and Y 2 O 3 are preferable in that they are particularly inexpensive. is there.

尚、支持基板31中には、要求される特性が損なわれない限りの範囲で他の金属成分や酸化物成分を含有していてもよい。   The support substrate 31 may contain other metal components and oxide components as long as required characteristics are not impaired.

上記のような支持基板31は、燃料ガス透過性を有していることが必要であるため、通常、開気孔率が30%以上、特に35〜50%の範囲にあることが好適である。また、支持基板31の導電率は、300S/cm以上、特に440S/cm以上であることが好ましい。   Since the support substrate 31 as described above needs to have fuel gas permeability, it is usually preferable that the open porosity is 30% or more, particularly 35 to 50%. Further, the conductivity of the support substrate 31 is preferably 300 S / cm or more, and particularly preferably 440 S / cm or more.

また、支持基板31の平坦部Aの長さは、20〜35mm、弧状部Bの長さ(弧の長さ)は、3〜8mm程度であり、支持基板31の厚みは(平坦部Aの両面の間隔)は2.5〜8mmであることが望ましい。   Further, the length of the flat portion A of the support substrate 31 is 20 to 35 mm, the length of the arc-shaped portion B (the length of the arc) is about 3 to 8 mm, and the thickness of the support substrate 31 is (of the flat portion A). The distance between both surfaces is preferably 2.5 to 8 mm.

(燃料極層32)
本発明において、燃料極層32は、前述した式(2)の電極反応を生じせしめるものであり、それ自体公知の多孔質の導電性サーメットから形成される。例えば、希土類元素が固溶しているZrOと、Ni及び/またはNiOとから形成される。この希土類元素が固溶しているZrO(安定化ジルコニア)としては、以下に述べる固体電解質層33の形成に使用されているものと同様のものを用いるのがよい。
(Fuel electrode layer 32)
In the present invention, the fuel electrode layer 32 causes the electrode reaction of the above-described formula (2) and is formed from a known porous conductive cermet. For example, it is formed from ZrO 2 in which a rare earth element is dissolved, and Ni and / or NiO. As ZrO 2 (stabilized zirconia) in which the rare earth element is dissolved, the same one used for forming the solid electrolyte layer 33 described below is preferably used.

燃料極層32中の安定化ジルコニア含量は、35〜65体積%の範囲にあるのが好ましく、またNi或いはNiO含量は、65〜35体積%であるのがよい。さらに、この燃料極層32の開気孔率は、15%以上、特に20〜40%の範囲にあるのがよく、その厚みは、1〜30μmであることが望ましい。例えば、燃料極層32の厚みがあまり薄いと、性能が低下するおそれがあり、またあまり厚いと、固体電解質層33と燃料極層32との間で熱膨張差による剥離等を生じるおそれがある。   The stabilized zirconia content in the fuel electrode layer 32 is preferably in the range of 35 to 65% by volume, and the Ni or NiO content is preferably 65 to 35% by volume. Further, the open porosity of the fuel electrode layer 32 is preferably 15% or more, particularly preferably in the range of 20 to 40%, and the thickness is preferably 1 to 30 μm. For example, if the thickness of the fuel electrode layer 32 is too thin, the performance may be deteriorated, and if it is too thick, there is a risk of peeling due to a difference in thermal expansion between the solid electrolyte layer 33 and the fuel electrode layer 32. .

また、図1の例では、この燃料極層32は、インターコネクタ35の両サイドにまで延びているが、酸素極層34に対面する位置に存在して燃料極が形成されていればよいため、例えば酸素極層34が設けられている側の平坦部Aにのみ燃料極層32が形成されていてもよい。さらには、支持基板31の全周にわたって燃料極層32を形成することも可能である。本発明においては、固体電解質層33と支持基板31との接合強度を高めるために、固体電解質層33の全体が燃料極層32上に形成されていることが好適である。   Further, in the example of FIG. 1, the fuel electrode layer 32 extends to both sides of the interconnector 35, but it is sufficient that the fuel electrode is formed by being present at a position facing the oxygen electrode layer 34. For example, the fuel electrode layer 32 may be formed only in the flat portion A on the side where the oxygen electrode layer 34 is provided. Furthermore, the fuel electrode layer 32 can be formed over the entire circumference of the support substrate 31. In the present invention, it is preferable that the entire solid electrolyte layer 33 is formed on the fuel electrode layer 32 in order to increase the bonding strength between the solid electrolyte layer 33 and the support substrate 31.

(固体電解質層33)
この燃料極層32上に設けられている固体電解質層33は、一般に3〜15モル%の希土類元素が固溶したZrO(通常、安定化ジルコニア)と呼ばれる緻密質なセラミックスから形成されている。希土類元素としては、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luを例示することができるが、安価であるという点からY、Ybが望ましい。
(Solid electrolyte layer 33)
The solid electrolyte layer 33 provided on the fuel electrode layer 32 is generally formed of a dense ceramic called ZrO 2 (usually stabilized zirconia) in which 3 to 15 mol% of a rare earth element is dissolved. . Examples of rare earth elements include Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu, but they are inexpensive. From the point, Y and Yb are desirable.

この固体電解質層33を形成する安定化ジルコニアセラミックスは、ガス透過を防止するという点から、相対密度(アルキメデス法による)が93%以上、特に95%以上の緻密質であることが望ましく、且つその厚みが10〜100μmであることが望ましい。固体電解質層33としては、安定化ジルコニア以外に、ランタンガレート系ペロブスカイト型組成物から構成されていても良い。   The stabilized zirconia ceramics forming the solid electrolyte layer 33 is desirably a dense material having a relative density (according to Archimedes method) of 93% or more, particularly 95% or more from the viewpoint of preventing gas permeation. It is desirable that the thickness is 10 to 100 μm. The solid electrolyte layer 33 may be composed of a lanthanum gallate perovskite type composition in addition to stabilized zirconia.

(酸素極層34)
酸素極層34は、所謂ABO型のペロブスカイト型酸化物からなる導電性セラミックスから形成される。かかるペロブスカイト型酸化物としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物、特にAサイトにLaを有するLaMnO系酸化物、LaFeO系酸化物、LaCoO系酸化物の少なくとも1種が好適であり、600〜1000℃程度の作動温度での電気伝導性が高いという点からLaFeO系酸化物が特に好適である。尚、上記ペロブスカイト型酸化物においては、AサイトにLaと共にSrなどが存在していてもよいし、さらにBサイトには、FeとともにCoやMnが存在していてもよい。
(Oxygen electrode layer 34)
The oxygen electrode layer 34 is formed of a conductive ceramic made of a so-called ABO 3 type perovskite oxide. As such a perovskite oxide, at least one of transition metal perovskite oxides, particularly LaMnO 3 oxides, LaFeO 3 oxides, and LaCoO 3 oxides having La at the A site is preferable. LaFeO 3 -based oxides are particularly suitable because they have high electrical conductivity at an operating temperature of about 1000 ° C. In the perovskite oxide, Sr and the like may exist together with La at the A site, and Co and Mn may exist together with Fe at the B site.

また、酸素極層34は、ガス透過性を有していなければならず、従って、酸素極層34を形成する導電性セラミックス(ペロブスカイト型酸化物)は、開気孔率が20%以上、特に30〜50%の範囲にあることが望ましい。   The oxygen electrode layer 34 must have gas permeability. Therefore, the conductive ceramic (perovskite oxide) forming the oxygen electrode layer 34 has an open porosity of 20% or more, particularly 30. It is desirable to be in the range of ˜50%.

このような酸素極層34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。   The thickness of the oxygen electrode layer 34 is preferably 30 to 100 μm from the viewpoint of current collection.

(インターコネクタ35)
上記の酸素極層34に対面する位置において、支持基板31上に設けられているインターコネクタ35は、導電性セラミックスからなるが、燃料ガス(水素)及び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ことが必要である。このため、かかる導電性セラミックスとしては、一般に、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物(LaCrO系酸化物)が使用される。また、支持基板31の内部を通る燃料ガス及び支持基板31の外部を通る酸素含有ガスのリークを防止するため、かかる導電性セラミックスは緻密質でなければならず、例えば93%以上、特に95%以上の相対密度を有していることが好適である。
(Interconnector 35)
The interconnector 35 provided on the support substrate 31 at the position facing the oxygen electrode layer 34 is made of conductive ceramics, but is in contact with the fuel gas (hydrogen) and the oxygen-containing gas. It is necessary to have oxidation resistance. For this reason, lanthanum chromite perovskite oxides (LaCrO 3 oxides) are generally used as the conductive ceramics. Further, in order to prevent leakage of the fuel gas passing through the inside of the support substrate 31 and the oxygen-containing gas passing through the outside of the support substrate 31, such conductive ceramics must be dense, for example, 93% or more, particularly 95%. It is preferable to have the above relative density.

かかるインターコネクタ35は、ガスのリーク防止と電気抵抗という点から、10〜200μmであることが望ましい。即ち、この範囲よりも厚みが薄いと、ガスのリークを生じやすく、またこの範囲よりも厚みが大きいと、電気抵抗が大きく、電位降下により集電機能が低下してしまうおそれがあるからである。一方、反り抑制という観点からは、100μm以下が望ましい。   The interconnector 35 is desirably 10 to 200 μm from the viewpoint of preventing gas leakage and electrical resistance. That is, if the thickness is smaller than this range, gas leakage is likely to occur, and if the thickness is larger than this range, the electric resistance is large, and the current collecting function may be reduced due to a potential drop. . On the other hand, 100 μm or less is desirable from the viewpoint of warpage suppression.

また、図1から明らかな通り、ガスのリークを防止するために、インターコネクタ35の両サイドには、緻密質の固体電解質層33が密着しているが、シール性を高めるために、例えばYなどからなる接合層(図示せず)をインターコネクタ35の両側面と固体電解質層33との間に設けることもできる。 Further, as is clear from FIG. 1, in order to prevent gas leakage, a dense solid electrolyte layer 33 is in close contact with both sides of the interconnector 35. A bonding layer (not shown) made of 2 O 3 or the like can be provided between both side surfaces of the interconnector 35 and the solid electrolyte layer 33.

また、インターコネクタ35は、固体電解質層33が設けられていない側の支持基板31の平坦部分A上に直接設けることもできるが、この部分にも燃料極材料が設けられ、この燃料極材料層37上にインターコネクタ35が設けられている。即ち、燃料極材料を支持基板31の全周にわたって設け、燃料極材料層37上にインターコネクタ35を設けられており、この場合には、支持基板31とインターコネクタ35との間の界面での電位降下を抑制することができる上で有利である。   The interconnector 35 can also be provided directly on the flat portion A of the support substrate 31 on the side where the solid electrolyte layer 33 is not provided, but this portion is also provided with a fuel electrode material, and this fuel electrode material layer. An interconnector 35 is provided on 37. That is, the fuel electrode material is provided over the entire circumference of the support substrate 31, and the interconnector 35 is provided on the fuel electrode material layer 37. In this case, at the interface between the support substrate 31 and the interconnector 35. This is advantageous in that the potential drop can be suppressed.

(燃料電池セルの製造)
以上のような構造を有する燃料電池セルは、以下のようにして製造される。先ず、Ni等の鉄族金属或いはその酸化物粉末と、例えばY粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合して坏土を調製し、この坏土を用いての押出成形により、支持基板成形体を作製し、これを乾燥する。
(Manufacture of fuel cells)
The fuel battery cell having the above structure is manufactured as follows. First, an iron group metal such as Ni or its oxide powder, for example, Y 2 O 3 powder, an organic binder, and a solvent are mixed to prepare a clay, and by extrusion molding using this clay, A support substrate molding is produced and dried.

次に、燃料極形成用材料(Ni或いはNiO粉末と安定化ジルコニア粉末)、有機バインダー及び溶媒を混合してスラリーを調製し、このスラリーを用いて燃料極用のシートを作製する。また、燃料極用のシートを作製する代りに、燃料極形成用材料を溶媒中に分散したペーストを、上記で形成された支持基板成形体の所定位置に塗布し乾燥して、燃料極用のコーティング層を形成してもよい。これを仮焼し、表面に燃料極仮焼体が形成された支持基板仮焼体を作製する。この後、燃料極仮焼体の開気孔中に、樹脂材料を含浸することが望ましい。樹脂材料としては、アクリル系の樹脂などが用いられ、含浸させるには、樹脂を溶解した有機溶媒中に浸漬すれば良い。一方、インターコネクタが形成される部分にはマスクして、固体電解質が形成されないようにする。   Next, a fuel electrode forming material (Ni or NiO powder and stabilized zirconia powder), an organic binder and a solvent are mixed to prepare a slurry, and a sheet for the fuel electrode is prepared using this slurry. Further, instead of producing a sheet for the fuel electrode, a paste in which a material for forming a fuel electrode is dispersed in a solvent is applied to a predetermined position of the support substrate molded body formed as described above, and dried. A coating layer may be formed. This is calcined to produce a support substrate calcined body having a fuel electrode calcined body formed on the surface thereof. Thereafter, it is desirable to impregnate the open pores of the fuel electrode calcined body with a resin material. As the resin material, an acrylic resin or the like is used. For impregnation, the resin material may be immersed in an organic solvent in which the resin is dissolved. On the other hand, the portion where the interconnector is formed is masked so that the solid electrolyte is not formed.

この後、燃料極仮焼体の表面に浸漬塗布法により固体電解質を形成する。先ず、固体電解質材料を含有する浸漬液を作製し、この浸漬液に上記支持基板仮焼体を浸漬する。固体電解質材料としては、例えば希土類元素が固溶したZrO粉を用い、その他に、浸漬液中には、有機バインダーとしてアクリル系バインダーと、溶媒としてトルエンが添加混合されている。この浸漬液は、所定の粘度を有するように、有機成分が調整されている。 Thereafter, a solid electrolyte is formed on the surface of the fuel electrode calcined body by a dip coating method. First, an immersion liquid containing a solid electrolyte material is prepared, and the support substrate calcined body is immersed in the immersion liquid. As the solid electrolyte material, for example, ZrO 2 powder in which a rare earth element is dissolved is used, and in addition, an acrylic binder as an organic binder and toluene as a solvent are added and mixed in the immersion liquid. The immersion liquid has an organic component adjusted so as to have a predetermined viscosity.

浸漬方向は、浸漬液中に支持基板仮焼体の長さ方向に浸漬するよりも、支持基板仮焼体の幅方向に浸漬することが望ましい。浸漬した後、引き上げる際に、支持基板仮焼体の燃料極仮焼体に着肉し、固体電解質成形体を形成できる。   The dipping direction is preferably dipped in the width direction of the support substrate calcined body rather than dipping in the length direction of the support substrate calcined body in the dipping solution. After the immersion, when the substrate is pulled up, it can be attached to the fuel electrode calcined body of the support substrate calcined body to form a solid electrolyte molded body.

多孔質の支持基板仮焼体の表面に多孔質の燃料極仮焼体が形成され、燃料極仮焼体の開気孔中には樹脂材料が充填され、この燃料極仮焼体の表面に固体電解質成形体が形成される。燃料極仮焼体の開気孔中には、固体電解質材料が含浸されていない。   A porous fuel electrode calcined body is formed on the surface of the porous support substrate calcined body, and the open pores of the fuel electrode calcined body are filled with a resin material, and the surface of the fuel electrode calcined body is solid. An electrolyte molded body is formed. The open pores of the fuel electrode calcined body are not impregnated with the solid electrolyte material.

尚、支持基板仮焼体は、Ni等の鉄族金属或いはその酸化物粒子と、Y粒子とからなり、燃料極仮焼体は、Ni或いはNiO粒子と安定化ジルコニア粒子とからなり、固体電解質成形体は、安定化ジルコニア粉末と有機成分とから構成されている。 The support substrate calcined body is composed of iron group metal such as Ni or its oxide particles and Y 2 O 3 particles, and the fuel electrode calcined body is composed of Ni or NiO particles and stabilized zirconia particles. The solid electrolyte compact is composed of a stabilized zirconia powder and an organic component.

この後、インターコネクタ用材料(例えば、LaCrO系酸化物粉末)、有機バインダー及び溶媒を混合してスラリーを調製し、インターコネクタ用シートを作製する。このインターコネクタ用シートを、上記で得られた積層体の固体電解質層が形成されていない位置に積層し、焼成用積層体を作製する。 Thereafter, the interconnector material (e.g., LaCrO 3 based oxide powder), an organic binder and a solvent were mixed to prepare a slurry, to produce the interconnector sheet. This interconnector sheet is laminated at a position where the solid electrolyte layer of the laminate obtained above is not formed, to produce a laminate for firing.

次いで、上記の焼成用積層体を脱バインダ処理し、酸素含有雰囲気中、1300〜1600℃で同時焼成し、得られた焼結体の所定の位置に、酸素極形成用材料(例えば、LaFeO系酸化物粉末)と溶媒を含有するペーストと溶媒を含むペーストを、ディッピング等により塗布し、1000〜1300℃で焼き付けることにより、図1に示す構造の本発明の燃料電池セル30を製造することができる。 Next, the above laminate for firing is subjected to a binder removal treatment, and co-fired at 1300 to 1600 ° C. in an oxygen-containing atmosphere, and an oxygen electrode forming material (for example, LaFeO 3) is placed at a predetermined position of the obtained sintered body. A fuel cell 30 of the present invention having the structure shown in FIG. 1 is manufactured by applying a paste containing a system oxide powder) and a solvent and a paste containing the solvent by dipping or the like and baking at 1000 to 1300 ° C. Can do.

尚、支持基板31や燃料極層32の形成にNi単体を用いた場合には、酸素含有雰囲気での焼成により、Niが酸化されてNiOとなっているが、必要により、還元処理することにより、Niに戻すことができる。   In the case where Ni alone is used to form the support substrate 31 and the fuel electrode layer 32, Ni is oxidized to NiO by firing in an oxygen-containing atmosphere. , Ni can be returned.

酸素極層34に、第1高導電率層38a、第2高導電率層39aを形成するには、上記したように、酸素極層34の表面の所定位置に、再度酸素極形成用材料を含有するペーストを塗布し、再度熱処理し、焼き付けることにより形成することができる。また、酸素極層34の表面の所定位置にAg−Pd合金のような貴金属合金を含有するペーストを塗布し、熱処理して焼き付けても良い。さらに、酸素極層34を分割して形成し、これらの分割酸素極層の間に、酸素極層34よりも高導電率材料を含有するペーストを塗布し熱処理して焼き付けることにより形成することもできる。   In order to form the first high conductivity layer 38a and the second high conductivity layer 39a on the oxygen electrode layer 34, as described above, the oxygen electrode forming material is again applied to a predetermined position on the surface of the oxygen electrode layer 34. It can be formed by applying the paste containing, heat-treating again, and baking. Alternatively, a paste containing a noble metal alloy such as an Ag—Pd alloy may be applied to a predetermined position on the surface of the oxygen electrode layer 34 and then heat-treated and baked. Further, the oxygen electrode layer 34 may be formed by being divided, and a paste containing a material having a higher conductivity than that of the oxygen electrode layer 34 may be applied between these divided oxygen electrode layers, followed by heat treatment and baking. it can.

また、インターコネクタ35に第1高導電率層38b、第2高導電率層39bを形成するには、インターコネクタ35形成後に、その表面の所定位置にAg−Pd合金のような貴金属合金を含有するペーストを塗布し、熱処理して焼き付けても形成することができる。また、インターコネクタ35を分割して形成し、これらの分割インターコネクタ間にAg−Pd合金のような貴金属合金を含有するペーストを塗布し、熱処理して焼き付けても形成することができる。第2高導電率層38bについては、インターコネクタ35の側面に沿ってペーストを塗布し、焼き付けて形成する。   In order to form the first high conductivity layer 38b and the second high conductivity layer 39b on the interconnector 35, a precious metal alloy such as an Ag—Pd alloy is included in a predetermined position on the surface after the interconnector 35 is formed. It can also be formed by applying a paste to be applied, heat-treating and baking. Alternatively, the interconnector 35 can be formed by being divided, and a paste containing a noble metal alloy such as an Ag—Pd alloy is applied between the divided interconnectors, followed by heat treatment and baking. The second high conductivity layer 38b is formed by applying a paste along the side surface of the interconnector 35 and baking it.

(セルスタック)
セルスタックは、図3、4に示すように、上述した燃料電池セル30を左右に交互(千鳥状)に複数配列し、それらの燃料電池セルの平坦部同士を接合して形成されている。即ち、複数の燃料電池セルの配列方向から見たとき、隣設する燃料電池セルの平坦部同士の一部が重畳するように(重なるように)千鳥状に配列されており、重畳した部分における燃料電池セルの平坦部同士が接合されて、セルスタックが形成されている。
(Cell stack)
As shown in FIGS. 3 and 4, the cell stack is formed by arranging a plurality of the above-described fuel cells 30 in the left and right directions (staggered) and joining the flat portions of the fuel cells. That is, when viewed from the arrangement direction of a plurality of fuel cells, the flat portions of the adjacent fuel cells are arranged in a staggered manner so as to overlap (overlapping), The flat portions of the fuel cells are joined together to form a cell stack.

尚、図3、4では、隣設する燃料電池セルの第1高導電率層38a、38b同士を接合して配列したが、隣設する燃料電池セルの第1高導電率層38a、38b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を介在させ、両者を互いに直列に接続することもできる。   3 and 4, the first high conductivity layers 38 a and 38 b of the adjacent fuel battery cells are joined and arranged, but the first high conductivity layers 38 a and 38 b of the adjacent fuel battery cells and A current collecting member made of a metal felt and / or a metal plate may be interposed between the two, and both may be connected in series.

セルスタックは、図3(b)に示すように、側方から酸素極層34を見て右側に第1高導電率層38aが形成された燃料電池セルと、側方から酸素極層34を見て左側に第1高導電率層38aが形成された燃料電池セルとの2種類(第1高導電率層38bは、第1高導電率層38aと支持基板31を介して対向する位置に形成されている)を作製し、一方の燃料電池セルの酸素極層34に電気的に接続されている第1高導電率層38aを、他方の燃料電池セルのインターコネクタ35に電気的に接続されている第1高導電率層38bに接合して構成されている。隣設する燃料電池セルの第1高導電率層38aと第1高導電率層38bとの間に、Ag−Pd合金のような導電性接合材料を用いて接合することもできる。   As shown in FIG. 3 (b), the cell stack includes a fuel cell in which the first high conductivity layer 38a is formed on the right side when the oxygen electrode layer 34 is viewed from the side, and the oxygen electrode layer 34 from the side. Two types of fuel cells in which the first high conductivity layer 38a is formed on the left side when viewed (the first high conductivity layer 38b is located at a position facing the first high conductivity layer 38a via the support substrate 31). The first high conductivity layer 38a electrically connected to the oxygen electrode layer 34 of one fuel cell is electrically connected to the interconnector 35 of the other fuel cell. The first high conductivity layer 38b is joined to the first high conductivity layer 38b. It is also possible to bond between the first high conductivity layer 38a and the first high conductivity layer 38b of the adjacent fuel cell by using a conductive bonding material such as an Ag—Pd alloy.

このようなセルスタックは、図4に示すように、ガスマニホールド55に立設して形成されており、本発明の燃料電池は、図3、4のセルスタックを、収納容器内に収容して構成される。この収納容器には、外部から水素等の燃料ガスを燃料電池セル30に導入する導入管、及び空気等の酸素含有ガスを燃料電池セル30の外部空間に導入するための導入管が設けられており、燃料電池セルが所定温度(例えば、600〜900℃)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。   As shown in FIG. 4, such a cell stack is formed upright on the gas manifold 55. The fuel cell of the present invention accommodates the cell stack of FIGS. 3 and 4 in a storage container. Composed. The storage container is provided with an introduction pipe for introducing a fuel gas such as hydrogen into the fuel battery cell 30 from the outside, and an introduction pipe for introducing an oxygen-containing gas such as air into the external space of the fuel battery cell 30. The fuel cell is heated to a predetermined temperature (for example, 600 to 900 ° C.) to generate electric power, and the used fuel gas and oxygen-containing gas are discharged out of the storage container.

本発明のセルスタックでは、図3、4に示すように、燃料電池セル30を複数千鳥状に配列し、それらの燃料電池セルの平坦同士を接合して形成したため、図5の従来のセルスタックのように燃料電池セル間にガス供給の邪魔になる集電部材を配置することがないため、燃料電池セル間に燃料ガス、この形態では酸素含有ガス(空気等)を十分に供給することができ、燃料電池セルの発電性能を十分に発揮させることができる。



In the cell stack of the present invention, as shown in FIGS. 3 and 4, a plurality of fuel cells 30 are arranged in a staggered manner and the flat portions of these fuel cells are joined to each other. Thus, there is no current collecting member arranged between the fuel cells to obstruct gas supply. Therefore, the fuel gas, in this embodiment, oxygen-containing gas (air, etc.) can be sufficiently supplied between the fuel cells. And the power generation performance of the fuel cell can be sufficiently exhibited.



また、耐熱性合金等からなるコスト高の集電部材を使用せずにセルスタックを構成することができるため、製造コストも低減できる。さらに、耐熱性合金からなる集電部材で多数箇所燃料電池セルを接合する必要がないため、接続信頼性を向上できる。   In addition, since the cell stack can be configured without using an expensive current collecting member made of a heat resistant alloy or the like, the manufacturing cost can be reduced. Furthermore, since there is no need to join the fuel cells at multiple locations with a current collecting member made of a heat resistant alloy, connection reliability can be improved.

さらに本発明のセルスタックでは、発電した電流は、酸素極層34、インターコネクタ35に形成された第2高導電率層39a、39bを介して流れるため、抵抗が小さくなり、燃料電池セルとしての発電性能を向上することができる。さらに、発電した電流は、燃料電池セル同士を機械的に接続する機能を有する第1高導電率層38a、38bにより隣設する燃料電池セルに流れるため、燃料電池セル間における抵抗を小さくでき、セルスタックとしての発電性能を向上できる。   Furthermore, in the cell stack of the present invention, the generated current flows through the oxygen electrode layer 34 and the second high conductivity layers 39a and 39b formed in the interconnector 35, so that the resistance is reduced and the fuel cell is formed. Power generation performance can be improved. Furthermore, since the generated current flows to the adjacent fuel cells by the first high conductivity layers 38a, 38b having a function of mechanically connecting the fuel cells, the resistance between the fuel cells can be reduced, Power generation performance as a cell stack can be improved.

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。例えば、上記形態では、支持基板31上に燃料極層32を形成した場合について説明したが、支持基板自体に燃料極としての機能を付与し、支持基板に固体電解質、酸素極層を形成しても良い。また、上記形態では、支持基板31上に燃料極層32を形成した場合について説明したが、支持基板に酸素極層を形成したセルや、支持基板自体に酸素極としての機能を付与し、支持基板に固体電解質、燃料極層を形成しても良い。   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, in the above embodiment, the case where the fuel electrode layer 32 is formed on the support substrate 31 has been described. However, the support substrate itself is provided with a function as a fuel electrode, and a solid electrolyte and an oxygen electrode layer are formed on the support substrate. Also good. Moreover, although the case where the fuel electrode layer 32 was formed on the support substrate 31 was described in the above embodiment, the function as an oxygen electrode was added to the cell in which the oxygen electrode layer was formed on the support substrate or the support substrate itself, and the support substrate 31 was supported. A solid electrolyte and a fuel electrode layer may be formed on the substrate.

また、上記形態では、中空平板型の燃料電池セルを用いたセルスタックについて記載したが、本発明では、上記形態に限定されるものではなく、円筒型の燃料電池セルを用いたセルスタックにおいても適用できる。   In the above embodiment, the cell stack using the hollow flat plate fuel cell is described. However, the present invention is not limited to the above embodiment, and the cell stack using the cylindrical fuel cell is also used. Applicable.

さらに、上記形態では、酸素極層34と、インターコネクタ35に第2高導電率層39a、39bを形成した例について説明したが、酸素極層34又はインターコネクタ35に第2高導電率層を形成してもよく、或いは第2高導電率層を形成しなくても、燃料電池セル間に燃料ガスを供給することができる。   Further, in the above embodiment, the example in which the oxygen electrode layer 34 and the second high conductivity layer 39a, 39b are formed on the interconnector 35 has been described. However, the oxygen electrode layer 34 or the interconnector 35 has the second high conductivity layer formed thereon. The fuel gas can be supplied between the fuel cells without forming the second high conductivity layer.

本発明の燃料電池セルを示すもので、(a)は横断面図、(b)は(a)のx−x線に沿う縦断面図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The fuel cell of this invention is shown, (a) is a cross-sectional view, (b) is a longitudinal cross-sectional view which follows the xx line of (a). (a)は本発明の燃料電池セルの断面斜視図、(b)は燃料電池セルを酸素極層側から見た側面図、(c)は燃料電池セルをインターコネクタ側から見た側面図である。(A) is the cross-sectional perspective view of the fuel cell of this invention, (b) is the side view which looked at the fuel cell from the oxygen electrode layer side, (c) is the side view which looked at the fuel cell from the interconnector side is there. (a)は本発明のセルスタックを示す平面図であり、(b)は一部を模式的に示す(a)の拡大平面図である。(A) is a top view which shows the cell stack of this invention, (b) is an enlarged plan view of (a) which shows a part typically. マニホールドにセルスタックを立設した状態を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the state which stood the cell stack in the manifold. 従来のセルスタックを示す横断面図である。It is a cross-sectional view showing a conventional cell stack.

符号の説明Explanation of symbols

31・・・支持基板(支持体)
31a・・・燃料ガス通路(ガス流路)
32・・・燃料極層
33・・・固体電解質
34・・・酸素極層
35・・・インターコネクタ
38a、38b・・・第1高導電率層
39a、39b・・・第2高導電率層
31 ... Support substrate (support)
31a ... Fuel gas passage (gas passage)
32 ... Fuel electrode layer 33 ... Solid electrolyte 34 ... Oxygen electrode layer 35 ... Interconnectors 38a, 38b ... First high conductivity layers 39a, 39b ... Second high conductivity layers

Claims (5)

軸長方向にガス流路が形成され、一対の平坦部を有する平板状の支持体の一方の平坦部に、固体電解質層及び電極層を有するとともに、前記支持体の前記一方の平坦部と対向する他方の平坦部に、インターコネクタを有する燃料電池セルを複数立設して配列し、該複数の燃料電池セルを電気的に直列に接続してなるセルスタックであって、前記燃料電池セルの配列方向から見たとき、隣設する前記燃料電池セルの平坦部の一部が、前記軸長方向に沿って重畳するように前記複数の燃料電池セルを左右に交互に配列させ、重畳部における前記燃料電池セルの平坦部同士を接合してなることを特徴とするセルスタック。 It is in the axial direction gas flow path formed on one of the flat portion of the plate-like support having a pair of flat portions, and having a solid electrolyte layer and electrode layers, opposed to the one flat portion of the support A cell stack comprising a plurality of fuel cells each having an interconnector arranged upright on the other flat portion , and the plurality of fuel cells connected electrically in series, when viewed from the arrangement direction, a portion of the flat portion of the fuel cell to neighboring set is alternately are arranged a plurality of fuel cells to the left and right in so that be superimposed along said axial direction, overlapping unit A cell stack formed by joining flat portions of the fuel cells in the above. 隣設する前記燃料電池セルの前記重畳部における平坦部同士を導電性材料により接合することにより、電気的に接続するとともに機械的に接合したことを特徴とする請求項1記載のセルスタック。 By joining a conductive material flat portions in the superposition portion of said fuel cell to adjacent set, the cell stack according to claim 1, characterized in that mechanically bonded together to electrically connect. 前記電極層及び前記インターコネクタの少なくとも一方に、該電極層及びインターコネクタよりも高導電率の高導電率層を、前記燃料電池セルの重畳部に向けて幅方向に設けたことを特徴とする請求項1又は2記載のセルスタック。 A high conductivity layer having a higher conductivity than the electrode layer and the interconnector is provided in at least one of the electrode layer and the interconnector in the width direction toward the overlapping portion of the fuel cell. The cell stack according to claim 1 or 2. 隣設する前記燃料電池セルの前記重畳部における前記電極層及び前記インターコネクタに沿って、かつ前記燃料電池セルの前記ガス流路に沿った方向に、前記電極層及び前記インターコネクタよりも高導電率の高導電率層がそれぞれ設けられており、該高導電率層により隣設する前記燃料電池セルの平坦部同士を接合していることを特徴とする請求項1乃至3のうちいずれかに記載のセルスタック。 Higher conductivity than the electrode layer and the interconnector in the direction along the electrode layer and the interconnector in the overlapping portion of the adjacent fuel cell and the gas flow path of the fuel cell. 4. The fuel cell according to claim 1, wherein high-conductivity layers each having a high conductivity are provided, and flat portions of the fuel cells adjacent to each other are joined by the high-conductivity layers. The cell stack described. 収納容器内に請求項1乃至4のうちいずれかに記載のセルスタックを収納してなることを特徴とする燃料電池。   A fuel cell comprising the cell stack according to any one of claims 1 to 4 stored in a storage container.
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