JP4942064B2 - Current collector and solid oxide fuel cell stack including the same - Google Patents

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Description

本発明は、集電体及びそれを備えた固体酸化物型燃料電池スタックに関する。 The present invention relates to a current collector and a solid oxide fuel cell stack including the current collector .

従来、電解質としてジルコニア系セラミックス等の固体電解質を用いた固体酸化物型燃料電池(SOFC)が種々開発されている。この固体酸化物型燃料電池は、燃料ガスとして水素ガス、天然ガス、メタノール、ナフサ、一酸化炭素を含む石炭ガス等が用いられ、通常50%〜60%の高い発電効率(ある燃料ガスの発熱量に対して同量の燃料ガスで発電を行った場合に得られる電力量の割合)を達成でき、運転温度は1000℃程度と高温であるため白金(Pt)等の貴金属触媒を用いる必要がなく、また排熱を利用できることから、高発電効率の排熱複合発電システム等に用いられている。
一般的に、固体酸化物型燃料電池には、特許文献1に示すような円筒型と特許文献2に示すような平板型とがある。
図6(a)は従来の円筒型固体酸化物型燃料電池のスタックを示す要部正面図であり、図6(b)は円筒型固体酸化物型燃料電池のセルを示す要部斜視図である。
図6において、60は円筒型固体酸化物型燃料電池スタック、61はセル、62は空気電極管、63は固体電解質層、64は燃料電極層、65はインタコネクタ層、66a,66bはニッケルフェルトである。なお、図6において矢印Xは電流の流れる方向を示す。
図6(b)に示すように、円筒型の固体酸化物型燃料電池セル61は、多孔質の円筒よりなる空気電極管62の外表面に、固体電解質層63及び燃料電極層64を順次円弧状に形成し、その円弧の切れた部分に、空気電極管62の外表面に接し長手方向に延びるインタコネクタ層65が形成されている。
以上のように構成された固体酸化物型燃料電池スタック60は、横方向に並ぶセル61をニッケルフェルト66aにより並列接続し、並列接続された各セル61を上下方向に直列接続して形成されている。なお、上下のセル61を直列接続するニッケルフェルト66bは下段のセル61のインタコネクタ層65と上段のセル61の燃料電極層63とを接続している。空気電極管62内部に空気を供給し、燃料電極層64の表面に燃料ガスを供給すると、矢印Xの示す方向に電流が流れる。
図7(a)は従来の平板型固体酸化物型燃料電池のスタックを示す要部斜視図であり、図7(b)は平板型固体酸化物型燃料電池のセルの集電体を示す要部斜視図である。
図7において、70は平板型固体酸化物型燃料電池スタック、70aはセル、71はインタコネクタ部、72は燃料流路、73は空気流路、74は空気電極層、75は固体電解質層、76は燃料電極層、77,78は集電板である。なお、図7(b)において、Yは空気の流れを示し、Zは燃料ガスの流れを示す。
以上のように構成された平板型固体酸化物型燃料電池スタック70においては、セル70aとして空気電極層74、固体電解質層75、及び燃料電極層76を順次積層したものを用いている。また、インタコネクタ部71として、表裏に燃料流路72と空気流路73としての溝を形成したものを用いている。セル70aとインタコネクタ部71とを積層し、その積層体の上下に集電板77,78を設けてスタック70を形成している。空気流路73には空気が矢印Yに示すように導入され、燃料流路72には燃料ガスが矢印Zのように導入される。
Conventionally, various solid oxide fuel cells (SOFC) using a solid electrolyte such as zirconia ceramics as an electrolyte have been developed. In this solid oxide fuel cell, hydrogen gas, natural gas, methanol, naphtha, coal gas containing carbon monoxide, or the like is used as a fuel gas, and usually high power generation efficiency of 50% to 60% The ratio of the amount of electric power obtained when power is generated with the same amount of fuel gas with respect to the amount), and the operating temperature is as high as about 1000 ° C., so it is necessary to use a noble metal catalyst such as platinum (Pt) In addition, since exhaust heat can be used, it is used in a combined exhaust heat power generation system with high power generation efficiency.
Generally, solid oxide fuel cells include a cylindrical type as shown in Patent Document 1 and a flat plate type as shown in Patent Document 2.
FIG. 6A is a front view of a main part showing a stack of a conventional cylindrical solid oxide fuel cell, and FIG. 6B is a perspective view of a main part showing a cell of the cylindrical solid oxide fuel cell. is there.
In FIG. 6, 60 is a cylindrical solid oxide fuel cell stack, 61 is a cell, 62 is an air electrode tube, 63 is a solid electrolyte layer, 64 is a fuel electrode layer, 65 is an interconnector layer, and 66a and 66b are nickel felts. It is. In FIG. 6, an arrow X indicates the direction of current flow.
As shown in FIG. 6 (b), a cylindrical solid oxide fuel cell 61 has a solid electrolyte layer 63 and a fuel electrode layer 64 sequentially formed on the outer surface of an air electrode tube 62 made of a porous cylinder. An interconnector layer 65 which is formed in an arc shape and extends in the longitudinal direction in contact with the outer surface of the air electrode tube 62 is formed in a portion where the arc is cut.
The solid oxide fuel cell stack 60 configured as described above is formed by connecting the cells 61 arranged in the horizontal direction in parallel by the nickel felt 66a and connecting the cells 61 connected in parallel in the vertical direction in series. Yes. The nickel felt 66b that connects the upper and lower cells 61 in series connects the interconnector layer 65 of the lower cell 61 and the fuel electrode layer 63 of the upper cell 61. When air is supplied into the air electrode tube 62 and fuel gas is supplied to the surface of the fuel electrode layer 64, a current flows in the direction indicated by the arrow X.
FIG. 7A is a perspective view of a main part showing a stack of a conventional flat plate solid oxide fuel cell, and FIG. 7B is a main view showing a current collector of a cell of the flat plate solid oxide fuel cell. FIG.
In FIG. 7, 70 is a flat solid oxide fuel cell stack, 70a is a cell, 71 is an interconnector section, 72 is a fuel flow path, 73 is an air flow path, 74 is an air electrode layer, 75 is a solid electrolyte layer, 76 is a fuel electrode layer, and 77 and 78 are current collector plates. In FIG. 7B, Y indicates the flow of air, and Z indicates the flow of fuel gas.
In the flat solid oxide fuel cell stack 70 configured as described above, a cell 70a in which an air electrode layer 74, a solid electrolyte layer 75, and a fuel electrode layer 76 are sequentially stacked is used. Further, as the interconnector portion 71, a structure in which grooves as fuel flow paths 72 and air flow paths 73 are formed on the front and back sides is used. The cell 70a and the interconnector 71 are stacked, and current collector plates 77 and 78 are provided above and below the stacked body to form the stack 70. Air is introduced into the air flow path 73 as indicated by arrow Y, and fuel gas is introduced into the fuel flow path 72 as indicated by arrow Z.

特開平10−125346号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-125346 特開平7−111158号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 7-111158

しかしながら上記従来技術では、以下のような課題を有していた。
(1)円筒型の固体酸化物型燃料電池スタック60では、円筒状のセル61を横方向及び上下方向に複数並べているので、セル61間に無駄な空間が形成される省スペース性にかけるという課題を有した。さらに、各セル61においては、電流は燃料電極層64或いは空気電極管62の円周方向に流れるため、電流の経路が長くなり、内部抵抗が大きくなるため出力が小さくなり、平板型と比較して出力密度(スタックの単位体積あたりに取り出せる出力)が小さいという課題を有していた。
(2)平板型の固体酸化物型燃料電池スタック70では、インタコネクタ部71の上下面でガスシールと電気的接続を両立する必要があり、これは技術的に難しくガスシール性或いは電気的接続の確実性に欠けるという課題を有していた。
(3)円筒型及び平板型のいずれのスタックにおいても、スタック内部の燃料ガス中の水素ガス等の濃度差により温度の高い部分と低い部分が生じ、温度の低い部分ではオーム抵抗及び活性化分極の増大等により発電量が低下するため、セル全体として発電性能が低下するという課題を有していた。なお、スタック内部において燃料ガス中の水素ガス等の濃度差が生じるのは、円筒型のスタック60では、燃料ガスが燃料電極層64の表面を円筒の軸方向に沿って流れる際に、電気化学反応により水素ガスが消費され水蒸気が生成されるため、水素ガス濃度は上流側で高く下流側で低くなり、平板型のスタック70においても同様の理由により、燃料ガス中の水素ガス濃度が燃料流路72の上流側で高く下流側で低くなるためである。水素ガス等の濃度差により温度の異なる部分が生じるのは、水素ガス等の濃度差によりセル内部において起電力の異なる部分が生じ、例えば水素ガス濃度が高いと起電力が大きくなるため発熱量が増加し、水素ガス濃度が低いと起電力が小さくなる発熱量が減少するためである。
(4)また、平板型のスタック70では、製造コストを低減するために金属製のインタコネクタ部71が多用されているが、インタコネクタ部71と脆弱なセラミック製のセル70aとの熱膨張差が大きく、スタック70を作動温度までの昇温させる間に、或いは作動中の上述したスタック70内の温度差で生じる熱応力により、セル70aが損傷し易いという課題を有していた。
However, the above prior art has the following problems.
(1) In the cylindrical solid oxide fuel cell stack 60, since a plurality of cylindrical cells 61 are arranged in the horizontal direction and the vertical direction, it is applied to the space-saving property that a useless space is formed between the cells 61. Had problems. Further, in each cell 61, since the current flows in the circumferential direction of the fuel electrode layer 64 or the air electrode tube 62, the current path becomes longer and the internal resistance increases, so that the output becomes smaller. Therefore, there is a problem that the output density (output that can be taken out per unit volume of the stack) is small.
(2) In the solid oxide fuel cell stack 70 of the flat type, it is necessary to achieve both gas sealing and electrical connection on the upper and lower surfaces of the interconnector portion 71, which is technically difficult and gas sealing or electrical connection is required. There was a problem of lack of certainty.
(3) In both stacks of the cylindrical type and the flat plate type, a high temperature portion and a low temperature portion are generated due to a difference in concentration of hydrogen gas or the like in the fuel gas inside the stack, and an ohmic resistance and activation polarization are generated in the low temperature portion. Since the amount of power generation is reduced due to an increase in the power consumption, the power generation performance of the entire cell is reduced. Note that the difference in concentration of hydrogen gas or the like in the fuel gas occurs inside the stack in the cylindrical stack 60 when the fuel gas flows on the surface of the fuel electrode layer 64 along the axial direction of the cylinder. Since hydrogen gas is consumed and water vapor is generated by the reaction, the hydrogen gas concentration is high on the upstream side and low on the downstream side, and in the flat stack 70, the hydrogen gas concentration in the fuel gas is the same as the fuel flow. This is because it is higher on the upstream side of the path 72 and lower on the downstream side. The part where the temperature differs due to the difference in concentration of hydrogen gas, etc. is caused by the difference in concentration of hydrogen gas, etc., where the part of the electromotive force is different inside the cell. This is because when the hydrogen gas concentration is increased and the hydrogen gas concentration is low, the calorific value of the electromotive force is reduced.
(4) Further, in the flat type stack 70, the metal interconnector portion 71 is frequently used to reduce the manufacturing cost. However, the thermal expansion difference between the interconnector portion 71 and the fragile ceramic cell 70a. The cell 70a is easily damaged by the thermal stress generated during the temperature increase of the stack 70 to the operating temperature or by the temperature difference in the stack 70 during operation.

本発明は上記従来の課題を解決するもので、無駄な空間を形成しないので省スペース性に優れると共に出力密度が高く、ガスシールと電気的接続とを異なる場所で行うのでガスシール性を向上でき安全性に優れる固体酸化物型燃料電池スタックを提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems, and since it does not form a useless space, it is excellent in space-saving properties and has high output density, and the gas seal and the electrical connection are performed in different places, so that the gas seal performance can be improved. An object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell stack excellent in safety.

上記従来の課題を解決するために本発明は以下の構成を有している。
本発明の請求項1に記載の集電体は、固体酸化物型燃料電池セルを複数積み重ねて形成される固体酸化物型燃料電池スタックの電気的接続に用いる集電体であって、上部導電層、絶縁層、下部導電層の三層構造で波形或いは複数の凹凸を有する形状に形成され前記固体酸化物型燃料電池セル間に配設される構成を有している。
この構成により、以下のような作用を有する。
(1)集電体が波形或いは複数の凹凸を有する形状に形成されているので、集電体とセルとの熱膨張差により生じる応力を集電体で吸収することができる。
(2)集電体が波形或いは複数の凹凸を有する形状に形成されているので、空気電極層又は燃料電極層との間に空気流路又は燃料ガス流路を形成でき、空気電極層又は燃料電極層の全面に渡って均等に空気又は燃料ガスを供給することができる。
(3)集電体が上部導電層、絶縁層、下部導電層の三層構造なので、上下のセルの各々の空気電極層を絶縁することができると共に、低原価で量産性に優れる。
(4)集電体の表面積が広いのでセルから周囲雰囲気(外気)への熱伝達を促進でき、起動、停止による熱サイクル時や負荷変動時の熱衝撃を緩和できる。
ここで、集電体の上部導電層及び下部導電層としては、耐熱合金等の金属が用いられる。また、絶縁層としては、セラミックス等が用いられる。集電体は、一対の平板金属材料の間にセラミックフェルト(セラミック繊維をフェルト状等に成形したもの)等を挟んでプレス等により曲げ加工して波形或いは複数の凹凸を有する形状に成形して作製されるか、或いは、一対の平板材料を各々曲げ加工し、一方にセラミックスを溶射した後、貼り合わせる等して作製される。
本発明の請求項2に記載の固体酸化物型燃料電池スタックは、固体酸化物型燃料電池セルを請求項1に記載の集電体を介して複数積み重ねて形成された固体酸化物型燃料電池スタックであって、前記固体酸化物型燃料電池セルが、平板状又は断面長円状に形成された多孔質体からなる燃料電極基体と、前記燃料電極基体の内部に平行に穿設され前記燃料電極基体の一端面に開口した有底孔状の複数のガス導入孔と、管壁にガス噴出孔を有し各々の前記ガス導入孔に挿入された導電材からなる燃料ガス供給管と、前記燃料ガス供給管と前記ガス導入孔の内壁との間隙に充填された繊維状導電材と、前記燃料電極基体の外表面に形成された固体酸化物からなる固体電解質層と、前記固体電解質層の外表面上に積層された多孔質体からなる空気電極層と、前記燃料電極基体の前記ガス導入孔の開口側及び底部側の両端面を封止するガス封止部と、を備えた構成を有している。
この構成により、以下のような作用を有する。
(1)セルを積み重ねてスタックが形成されているので、無駄な空間を形成せず、円筒型に比べて省スペース性が向上でき出力密度を高くできる。
(2)セルを800℃〜1000℃程度に加熱した状態で、空気電極層に空気又は酸素が供給されると酸素は電子を得て酸化物イオンとなり固体電解質層を通過する。燃料電極基体のガス導入孔の内壁に燃料ガス(水素又は一酸化炭素、若しくはこれらを含むガス等)が供給されると水素又は一酸化炭素は酸化物イオンと反応して水又は二酸化炭素となり電子を放出し、セルにおいて発電が行われる。
(3)繊維状導電材と導電材からなる燃料ガス供給管とを備えているので、燃料電極基体で放出された電子を繊維状導電材及び燃料ガス供給管を介して外部に取り出すことができ、外部の露出した燃料ガス供給管の先端部を負極側の端子とすることができる。また、空気電極層の上面又は下面に集電体を接触させ正極側の端子とすることができる。
(4)セルが平板状又は断面長円状に形成された燃料電極基体に固体電解質層と空気電極層を積層して形成されているので、セルを重ねてスタックを形成した場合に、無駄な空間を形成せずスタックの省スペース性を向上でき単位容積当たりの出力密度を高くできる。
(5)管壁にガス噴出孔が形成された燃料ガス供給管を備えているので、ガス噴出孔の個数、位置、径を適宜設定することにより、燃料電極基体の全体に渡って均等に燃料ガスを供給することができ、電流密度及び温度分布を均一にでき熱歪の発生を防止できる。
(6)ガス導入孔に繊維状導電材が充填されているので、燃料ガス供給管と燃料電極基体との間に熱膨張差により生じる応力を繊維状導電材により吸収して非常に小さくできる。
(7)ガス封止部において燃料ガスの漏れを確実に防ぐことができると共に、セルのガスシールをガス封止部で行い、セル間の電気的接続を集電体により行うことにより、ガスシールと電気的接続とを異なる場所で行うことができ、簡単にガスシール性を向上でき、燃料ガスと空気との混合が生じず、高い信頼性が得られる。
In order to solve the above conventional problems, the present invention has the following configuration.
The current collector according to claim 1 of the present invention is a current collector used for electrical connection of a solid oxide fuel cell stack formed by stacking a plurality of solid oxide fuel cells, A three-layer structure of a layer, an insulating layer, and a lower conductive layer is formed in a shape having a waveform or a plurality of irregularities, and is arranged between the solid oxide fuel cells.
This configuration has the following effects.
(1) Since the current collector is formed into a waveform or a shape having a plurality of irregularities, the stress caused by the difference in thermal expansion between the current collector and the cell can be absorbed by the current collector.
(2) Since the current collector is formed in a waveform or a shape having a plurality of irregularities, an air channel or a fuel gas channel can be formed between the air electrode layer or the fuel electrode layer. Air or fuel gas can be supplied evenly over the entire surface of the electrode layer.
(3) Since the current collector has a three-layer structure of an upper conductive layer, an insulating layer, and a lower conductive layer, the air electrode layers of the upper and lower cells can be insulated, and the mass production is low at low cost.
(4) Since the current collector has a large surface area, heat transfer from the cell to the surrounding atmosphere (outside air) can be promoted, and thermal shocks during thermal cycles and load changes due to starting and stopping can be mitigated.
Here, a metal such as a heat-resistant alloy is used for the upper conductive layer and the lower conductive layer of the current collector. Moreover, ceramics etc. are used as an insulating layer. The current collector is formed into a waveform or a shape having a plurality of irregularities by bending a ceramic felt (ceramic fiber formed into a felt shape or the like) between a pair of flat metal materials and bending it with a press or the like. Alternatively, it is manufactured by bending a pair of flat plate materials, spraying ceramics on one side, and then bonding them together.
A solid oxide fuel cell stack according to claim 2 of the present invention is formed by stacking a plurality of solid oxide fuel cells via the current collector according to claim 1. A fuel electrode base comprising a porous body formed in a flat plate shape or an oval cross section, and a fuel electrode base that is formed parallel to the inside of the fuel electrode base. A plurality of gas introduction holes having a bottomed hole shape opened at one end surface of the electrode substrate, a fuel gas supply pipe made of a conductive material having a gas ejection hole on a tube wall and inserted into each of the gas introduction holes, A fibrous conductive material filled in a gap between a fuel gas supply pipe and an inner wall of the gas introduction hole, a solid electrolyte layer made of a solid oxide formed on an outer surface of the fuel electrode base, and a solid electrolyte layer Air electrode made of porous material laminated on the outer surface If, it has a configuration provided with a gas sealing portion for sealing the end faces on the opening side and the bottom side of the gas inlet hole of the fuel electrode substrate.
This configuration has the following effects.
(1) Since the stack is formed by stacking cells, a useless space is not formed, and space saving can be improved and the output density can be increased as compared with the cylindrical type.
(2) When air or oxygen is supplied to the air electrode layer in a state where the cell is heated to about 800 ° C. to 1000 ° C., oxygen obtains electrons and becomes oxide ions, and passes through the solid electrolyte layer. When fuel gas (hydrogen, carbon monoxide, or a gas containing these, etc.) is supplied to the inner wall of the gas introduction hole of the fuel electrode substrate, the hydrogen or carbon monoxide reacts with the oxide ions to become water or carbon dioxide and become an electron. And power is generated in the cell.
(3) Since it is provided with a fibrous conductive material and a fuel gas supply pipe made of a conductive material, electrons emitted from the fuel electrode substrate can be taken out through the fibrous conductive material and the fuel gas supply pipe. The exposed end portion of the exposed fuel gas supply pipe can be used as a negative electrode terminal. Moreover, a collector can be made to contact the upper surface or lower surface of an air electrode layer, and it can be set as the terminal of a positive electrode side.
(4) Since the cell is formed by laminating a solid electrolyte layer and an air electrode layer on a fuel electrode base having a flat plate shape or an oval cross section, it is useless when the cells are stacked to form a stack. The space saving performance of the stack can be improved without forming a space, and the output density per unit volume can be increased.
(5) Since the fuel gas supply pipe having the gas ejection holes formed in the pipe wall is provided, the number of fuel ejection holes, the position, and the diameter are appropriately set, so that the fuel can be evenly distributed over the entire fuel electrode base. Gas can be supplied, current density and temperature distribution can be made uniform, and thermal distortion can be prevented.
(6) Since the fibrous conductive material is filled in the gas introduction hole, the stress caused by the difference in thermal expansion between the fuel gas supply pipe and the fuel electrode base can be absorbed by the fibrous conductive material and can be made extremely small.
(7) The fuel seal can be surely prevented from leaking in the gas sealing portion, and the gas sealing of the cells is performed at the gas sealing portion, and the electrical connection between the cells is performed by the current collector. And electrical connection can be performed at different locations, the gas sealing performance can be easily improved, and the fuel gas and air are not mixed, and high reliability is obtained.

ここで、燃料電極基体の材質としては、サーメットや金属等を用いることができる。なお、金属を多く含むサーメットを用いた場合は、周囲の雰囲気(外気)への熱伝達を促進でき、起動停止による熱サイクル時や負荷変動時の熱衝撃を緩和できる。燃料電極基体を平板状又は断面長円状でガス導入孔を有する形状に形成する方法としては、押し出し成形法等が用いられる。
固体電解質層の材質としては、ジルコニアやランタンガレイト等の固体酸化物が用いられる。特に、イットリア或いはスカンジアを添加したジルコニアが、信頼性が高く、また酸化物イオンの伝導性が良い点等から好適に用いられる。空気電極層としては、例えば固体電解質層としてジルコニアを用いた場合は、ランタンストロンチウムマンガナイト等が用いられ、固体電解質層と共に、溶射或いはスラリーを塗布し焼成すること等により燃料電極基体の表面に積層される。
Here, as a material of the fuel electrode substrate, cermet, metal, or the like can be used. When a cermet containing a large amount of metal is used, heat transfer to the surrounding atmosphere (outside air) can be promoted, and thermal shock during a heat cycle or load change due to start / stop can be reduced. As a method of forming the fuel electrode substrate into a flat plate shape or a shape having an elliptical cross section and having a gas introduction hole, an extrusion molding method or the like is used.
As a material of the solid electrolyte layer, a solid oxide such as zirconia or lanthanum gallate is used. In particular, zirconia to which yttria or scandia is added is preferably used because of its high reliability and good conductivity of oxide ions. As the air electrode layer, for example, when zirconia is used as the solid electrolyte layer, lanthanum strontium manganite or the like is used, and it is laminated on the surface of the fuel electrode substrate by spraying or applying slurry and firing together with the solid electrolyte layer. Is done.

本発明の請求項に記載の固体酸化物型燃料電池スタックは、固体酸化物型燃料電池セルを請求項1に記載の集電体を介して複数積み重ねて形成された固体酸化物型燃料電池スタックであって、前記固体酸化物型燃料電池セルが、平板状又は断面長円状に形成された多孔質体からなる空気電極基体と、前記空気電極基体の内部に平行に穿設され前記燃料電極基体の一端面に開口した有底孔状の複数のガス導入孔と、管壁にガス噴出孔を有し各々の前記ガス導入孔に挿入された導電材からなる空気供給管と、前記空気供給管と前記ガス導入孔の内壁との間隙に充填された繊維状導電材と、前記空気電極基体の外表面に形成された固体酸化物からなる固体電解質層と、前記固体電解質層の外表面上に積層された多孔質体からなる燃料電極層と、前記空気電極基体の前記ガス導入孔の開口側及び底部側の両端面を封止するガス封止部と、を備えた構成を有している。
この構成により、以下のような作用を有する。
(1)セルを積み重ねてスタックが形成されているので、無駄な空間を形成せず、円筒型に比べて省スペース性が向上でき出力密度を高くできる。
(2)セルを800℃〜1000℃程度に加熱した状態で、空気電極基体のガス導入孔の内壁に空気又は酸素が供給されると酸素は電子を得て酸化物イオンとなり固体電解質層を通過する。燃料電極層に燃料ガス(水素又は一酸化炭素、若しくはこれらを含むガス等)が供給されると水素又は一酸化炭素は酸化物イオンと反応して水又は二酸化炭素となり電子を放出し、セルにおいて発電が行われる。
(3)繊維状導電材と導電材からなる空気供給管とを備えているので、空気電極基体と繊維状導電材及び空気供給管とが電気的に接続され、外部の露出した空気供給管の先端部を正極側の端子とすることができる。また、燃料電極層の上面又は下面に集電体を接触させ負極側の端子とすることができる。
(4)セルが平板状又は断面長円状に形成された空気電極基体に固体電解質層と燃料電極層を積層して形成されているので、セルを重ねてスタックを形成した場合に、無駄な空間を形成せずスタックの省スペース性を向上でき単位容積当たりの出力密度を高くできる。
(5)ガス導入孔に繊維状導電材が充填されているので、空気供給管と空気電極基体との間に熱膨張差により生じる応力を繊維状導電材により吸収して非常に小さくできる。
(6)ガス封止部において空気又は酸素の漏れを確実に防ぐことができると共に、セルのガスシールをガス封止部で行い、セル間の電気的接続を集電体により行うことにより、ガスシールと電気的接続とを異なる場所で行うことができ、簡単にガスシール性を向上でき、燃料ガスと空気との混合が生じず、高い信頼性が得られる。
A solid oxide fuel cell stack according to claim 3 of the present invention is a solid oxide fuel cell formed by stacking a plurality of solid oxide fuel cells via the current collector according to claim 1. An air electrode substrate made of a porous body formed in a flat plate shape or an oval cross section, and the fuel electrode cell, which is formed in parallel with the inside of the air electrode substrate. A plurality of bottomed hole-like gas introduction holes opened on one end surface of the electrode substrate, an air supply pipe made of a conductive material having gas ejection holes on the pipe wall and inserted into the gas introduction holes, and the air A fibrous conductive material filled in a gap between the supply pipe and the inner wall of the gas introduction hole, a solid electrolyte layer made of a solid oxide formed on the outer surface of the air electrode substrate, and an outer surface of the solid electrolyte layer A fuel electrode layer made of a porous material laminated on the It has a gas sealing portion for sealing the end faces on the opening side and the bottom side of the gas inlet hole of the air electrode substrate, a structure having a.
This configuration has the following effects.
(1) Since the stack is formed by stacking cells, a useless space is not formed, and space saving can be improved and the output density can be increased as compared with the cylindrical type.
(2) When air or oxygen is supplied to the inner wall of the gas introduction hole of the air electrode substrate while the cell is heated to about 800 ° C. to 1000 ° C., oxygen obtains electrons and becomes oxide ions, and passes through the solid electrolyte layer. To do. When fuel gas (hydrogen, carbon monoxide, or a gas containing these) is supplied to the fuel electrode layer, hydrogen or carbon monoxide reacts with oxide ions to form water or carbon dioxide, releasing electrons, and in the cell Power generation is performed.
(3) Since it has a fibrous conductive material and an air supply pipe made of a conductive material, the air electrode base, the fibrous conductive material, and the air supply pipe are electrically connected to each other, and the externally exposed air supply pipe The tip can be a positive terminal. Further, the current collector can be brought into contact with the upper surface or the lower surface of the fuel electrode layer to form a terminal on the negative electrode side.
(4) Since the cell is formed by laminating the solid electrolyte layer and the fuel electrode layer on the air electrode base plate formed in a flat plate shape or an oval cross section, it is useless when the stack is formed by stacking the cells. The space saving performance of the stack can be improved without forming a space, and the output density per unit volume can be increased.
(5) Since the fibrous conductive material is filled in the gas introduction hole, the stress caused by the difference in thermal expansion between the air supply pipe and the air electrode base can be absorbed by the fibrous conductive material and can be made extremely small.
(6) Gas or gas can be reliably prevented from leaking in the gas-sealed part, and the gas sealing of the cells is performed in the gas-sealed part, and the electrical connection between the cells is performed by the current collector. Sealing and electrical connection can be performed at different locations, gas sealing performance can be easily improved, fuel gas and air are not mixed, and high reliability can be obtained.

ここで、空気電極基体の材質としては、ランタンストロンチウムマンガナイト等が用いられる。空気電極基体を平板状又は断面長円状でガス導入孔を有する形状に形成する方法としては、押し出し成形法等が用いられる。
固体電解質層の材質としては、ジルコニアやランタンガレイト等の固体酸化物が用いられる。特に、イットリア或いはスカンジアを添加したジルコニアが、信頼性が高く、また酸化物イオンの伝導性が良い点等から好適に用いられる。また、燃料電極層としては、サーメットや金属等が用いられ、固体電解質層と共に、溶射或いはスラリーを塗布し焼成すること等により空気電極基体の表面に積層される。
Here, lanthanum strontium manganite or the like is used as the material of the air electrode substrate. As a method for forming the air electrode substrate into a flat plate shape or an oval cross-sectional shape having gas introduction holes, an extrusion molding method or the like is used.
As a material of the solid electrolyte layer, a solid oxide such as zirconia or lanthanum gallate is used. In particular, zirconia to which yttria or scandia is added is preferably used because of its high reliability and good conductivity of oxide ions. As the fuel electrode layer, cermet, metal or the like is used, and is laminated on the surface of the air electrode substrate together with the solid electrolyte layer by spraying or applying slurry and firing.

固体酸化物型燃料電池セルの燃料ガス供給管又は空気供給管が、ガス導入孔の外部に屈曲可能な蛇腹状部を備えている場合、燃料ガス供給管又は空気供給管の上流側に接続されるヘッダーや燃料改質器等と各構成部材との熱膨張差により燃料ガス供給管又は空気供給管に生じる応力を蛇腹状部により吸収することができ、構成部材の機械的損傷等を防止できる。
応力吸収手段としては、蛇腹状部の他、略U字状や周壁の一部を膨出状に膨らませた形状等を採用できる。
When the fuel gas supply pipe or air supply pipe of the solid oxide fuel cell has a bendable bellows portion outside the gas introduction hole, it is connected to the upstream side of the fuel gas supply pipe or air supply pipe. The stress generated in the fuel gas supply pipe or the air supply pipe due to the difference in thermal expansion between the header, the fuel reformer, etc. and each component can be absorbed by the bellows-like portion, and mechanical damage of the component can be prevented .
As the stress absorbing means , in addition to the bellows-like portion, a substantially U shape, a shape in which a part of the peripheral wall is bulged, or the like can be adopted.

本発明の請求項に記載の発明は、請求項2又は3に記載の固体酸化物型燃料電池スタックであって、前記固体酸化物型燃料電池セルの前記燃料電極基体又は前記空気電極基体の前記ガス導入孔の底部側の前記ガス封止部に形成されたガス排出孔を備えた構成を有している。
この構成により、請求項2又は3の作用に加え、以下のような作用を有する。
(1)燃料ガス供給管に導入された燃料ガスの一部又は空気供給管に導入された空気の一部と、燃料電極基体で電気化学反応により発生した水蒸気又は二酸化炭素と、をガス排出孔から排出することができるので、セル内部を所定圧に保持して固体電解質層において円滑に電気化学反応をさせることができ、また、セルの内部が高圧になることを防止し、燃料電極基体又は空気電極基体、固体電解質層、空気電極層又は燃料電極層等に圧力負荷がかかることを防止できる。
(2)ガス排出孔から燃料ガス又は空気や酸素の一部を回収して再利用することができ、燃料ガスや酸素の利用度を高めることできる。
The invention according to claim 4 of the present invention is the solid oxide fuel cell stack according to claim 2 or 3 , wherein the fuel electrode base or the air electrode base of the solid oxide fuel cell is provided. The gas discharge hole formed in the gas sealing part on the bottom side of the gas introduction hole is provided.
With this configuration, in addition to the operation of the second or third aspect , the following operation is provided.
(1) Gas exhaust holes include a part of the fuel gas introduced into the fuel gas supply pipe or a part of the air introduced into the air supply pipe, and water vapor or carbon dioxide generated by an electrochemical reaction in the fuel electrode substrate. Therefore, the inside of the cell can be maintained at a predetermined pressure so that an electrochemical reaction can be smoothly performed in the solid electrolyte layer, and the inside of the cell can be prevented from becoming a high pressure. It is possible to prevent a pressure load from being applied to the air electrode substrate, the solid electrolyte layer, the air electrode layer, the fuel electrode layer, or the like.
(2) A part of the fuel gas or air or oxygen can be recovered from the gas discharge hole and reused, and the utilization of the fuel gas or oxygen can be increased.

本発明の請求項に記載の発明は、請求項2乃至4の内いずれか1項に記載の固体酸化物型燃料電池スタックであって、各々の前記固体酸化物型燃料電池セルの前記燃料ガス供給管又は前記空気供給管と、前記固体酸化物型燃料電池セルの上部に配設された前記集電体の前記上部導電層、又は、下部に配設された前記集電体の前記下部導電層と、を電気的に接続する接続部を備えた構成を有している。
この構成により、請求項2乃至4の内いずれか1項の作用に加え、以下のような作用を有する。
(1)接続部により各セルを直列に接続することができ、高電圧型のスタックを構成できる。
The invention according to claim 5 of the present invention is the solid oxide fuel cell stack according to any one of claims 2 to 4 , wherein the fuel of each of the solid oxide fuel cells. A gas supply pipe or an air supply pipe; and the upper conductive layer of the current collector disposed on an upper part of the solid oxide fuel cell, or the lower part of the current collector disposed on a lower part. It has the structure provided with the connection part which electrically connects an electroconductive layer.
With this configuration, in addition to the operation of any one of claims 2 to 4 , the following operation is provided.
(1) Each cell can be connected in series by the connection part, and a high voltage type stack can be configured.

本発明の請求項に記載の発明は、請求項2乃至5の内いずれか1項に記載の固体酸化物型燃料電池スタックであって、各々の前記固体酸化物型燃料電池セルの上下に配設された一対の前記集電体の内、上側の前記集電体の前記下部導電層の側端部と、下側の前記集電体の前記上部導電層の側端部と、を連結する集電体側部構成部を備えた構成を有している。
この構成により、請求項2乃至5の内いずれか1項の作用に加え、以下のような作用を有する。
(1)集電体側部構成部を備えているので、集電体側部構成部と空気電極層又は燃料電極層の側部との間に空気流路又は燃料ガス流路が形成され空気電極層又は燃料電極層に十分な量の空気(酸素)又は燃料ガスを確実に供給することができる。
(2)集電体側部構成部により固体酸化物型燃料電池セルの上側の集電体の下部導電層と下側の集電体の上部導電層とを電気的に接続することができるので、電流は空気電極層又は燃料電極層の表面より電気抵抗の低い集電体側部構成部を流れ易くなり、内部抵抗を小さくすることができる。
(3)発電に伴って発生する熱を集電体側部構成部を介して放熱することができ、効率良く取り除くことができ、空気(酸素)や燃料ガスの供給量を少なくしながら冷却も十分に行うことができ、発電性能を高めることができる。
A sixth aspect of the present invention is the solid oxide fuel cell stack according to any one of the second to fifth aspects, wherein the solid oxide fuel cell is disposed above and below each solid oxide fuel cell. Of the pair of arranged current collectors, a side end portion of the lower conductive layer of the upper current collector is connected to a side end portion of the upper conductive layer of the lower current collector. The current collector has a configuration including a current collector side portion configuration portion.
With this configuration, in addition to the operation of any one of claims 2 to 5 , the following operation is provided.
(1) Since the current collector side part constituent part is provided, an air channel or a fuel gas channel is formed between the current collector side part constituent part and the side of the air electrode layer or fuel electrode layer. Alternatively, a sufficient amount of air (oxygen) or fuel gas can be reliably supplied to the fuel electrode layer.
(2) Since the current collector side part configuration unit can electrically connect the lower conductive layer of the upper current collector of the solid oxide fuel cell and the upper conductive layer of the lower current collector, The current can easily flow through the current collector side component having a lower electrical resistance than the surface of the air electrode layer or the fuel electrode layer, and the internal resistance can be reduced.
(3) Heat generated by power generation can be dissipated through the current collector side component, and can be efficiently removed, and cooling is sufficient while reducing the supply amount of air (oxygen) and fuel gas Power generation performance can be improved.

ここで、集電体側部構成部は、集電体の上部導電層や下部導電層に一体的に形成してもよく、別部材により形成し溶接等で上部導電層と下部導電層に接合してもよい。   Here, the current collector side part component may be formed integrally with the upper conductive layer or the lower conductive layer of the current collector, and is formed by a separate member and joined to the upper conductive layer and the lower conductive layer by welding or the like. May be.

以上説明したように、本発明によれば、以下のような有利な効果が得られる。
請求項1に記載の発明によれば、
(1)集電体が波形或いは複数の凹凸を有する形状に形成されているので、集電体とセルとの熱膨張差により生じる応力を集電体で吸収することができ、熱膨張による損傷等を防止でき耐久性に優れる固体酸化物型燃料電池スタックを提供することができる。
(2)集電体が波形或いは複数の凹凸を有する形状に形成されているので、空気電極層又は燃料電極層との間に空気流路又は燃料ガス流路を形成でき、空気電極層又は燃料電極層の全面に渡って均等に空気又は燃料ガスを供給することができ発電効率に優れ、且つ熱歪がなく耐久性に優れる固体酸化物型燃料電池スタックを提供することができる。
(3)集電体が上部導電層、絶縁層、下部導電層の三層構造なので、上下のセルの各々の空気電極層又は燃料電極層を絶縁することができると共に、低原価で量産性に優れた固体酸化物型燃料電池スタックを提供することができる。
(4)集電体の表面積が広いのでセルから周囲雰囲気(外気)への熱伝達を促進でき、起動、停止による熱サイクル時や負荷変動時の熱衝撃を緩和できる固体酸化物型燃料電池スタックを提供することができる。
請求項2に記載の発明によれば、
(1)セルを積み重ねてスタックが形成されているので、省スペースで容積効率を向上でき、単位容積当たりの出力密度を高くできコンパクトで高出力の固体酸化物型燃料電池スタックを提供することができる。
(2)繊維状導電材と導電材からなる燃料ガス供給管とを備えているので、繊維状導電材により燃料ガス供給管から燃料電極基体へ燃料ガスの供給を行いながら電気的接続を行え、また燃料ガス供給管で燃料ガスの供給と電力の取り出しを行えるので部品点数を削減できる低原価で生産性に優れた固体酸化物型燃料電池セルを提供することができる。
(3)セルを重ねてスタックを形成した場合に、無駄な空間を形成せずスタックの省スペース性を向上でき単位容積当たりの出力密度を高くできるコンパクトで高出力の固体酸化物型燃料電池セルを提供することができる。
(4)管壁にガス噴出孔が形成された燃料ガス供給管を備えているので、燃料電極基体の全体に渡って均等に燃料ガスを供給することができ、電流密度及び温度分布を均一にでき熱歪が少なく耐久性に優れる固体酸化物型燃料電池セルを提供することができる。
(5)燃料ガス供給管と燃料電極基体との間に熱膨張差により生じる応力を繊維状導電材により吸収して非常に小さくでき熱膨張や熱収縮による損傷等を防止できる固体酸化物型燃料電池セルを提供することができる。
(6)ガスシールと電気的接続とを異なる場所で行うことができ、簡単にガスシール性を向上でき、燃料ガスと空気との混合が生じず、安全性に優れると共に高い信頼性が得られる固体酸化物型燃料電池セルを提供することができる。
As described above, according to the present invention, the following advantageous effects can be obtained.
According to the invention of claim 1,
(1) Since the current collector is formed into a waveform or a shape having a plurality of irregularities, the current collector can absorb the stress caused by the difference in thermal expansion between the current collector and the cell and damage due to thermal expansion. It is possible to provide a solid oxide fuel cell stack with excellent durability and the like.
(2) Since the current collector is formed in a waveform or a shape having a plurality of irregularities, an air channel or a fuel gas channel can be formed between the air electrode layer or the fuel electrode layer. It is possible to provide a solid oxide fuel cell stack that can supply air or fuel gas evenly over the entire surface of the electrode layer, has excellent power generation efficiency, has no thermal distortion, and has excellent durability.
(3) Since the current collector has a three-layer structure of an upper conductive layer, an insulating layer, and a lower conductive layer, the air electrode layer or fuel electrode layer of each of the upper and lower cells can be insulated, and mass production can be achieved at low cost. An excellent solid oxide fuel cell stack can be provided.
(4) A solid oxide fuel cell stack that can promote heat transfer from the cell to the surrounding atmosphere (outside air) because the current collector has a large surface area, and can mitigate thermal shocks during start-up and shutdown thermal cycles and load fluctuations Can be provided.
According to invention of Claim 2,
(1) Since the stack is formed by stacking cells, it is possible to improve the volume efficiency in a space-saving manner, increase the output density per unit volume, and provide a compact and high output solid oxide fuel cell stack. it can.
(2) Since it is equipped with a fibrous conductive material and a fuel gas supply pipe made of a conductive material, electrical connection can be made while supplying the fuel gas from the fuel gas supply pipe to the fuel electrode substrate with the fibrous conductive material, Further, since the fuel gas can be supplied and the electric power can be taken out by the fuel gas supply pipe, it is possible to provide a solid oxide fuel cell having excellent productivity and low cost, which can reduce the number of parts.
(3) When a stack is formed by stacking cells, a compact and high-power solid oxide fuel cell that can improve the space-saving property of the stack without forming a useless space and increase the power density per unit volume. Can be provided.
(4) Since the fuel gas supply pipe having the gas ejection holes formed in the pipe wall is provided, the fuel gas can be supplied uniformly over the entire fuel electrode base, and the current density and temperature distribution are made uniform. Therefore, it is possible to provide a solid oxide fuel cell having a low thermal strain and excellent durability.
(5) A solid oxide fuel capable of absorbing stress caused by a difference in thermal expansion between the fuel gas supply pipe and the fuel electrode substrate by the fibrous conductive material so as to be very small and preventing damage due to thermal expansion and contraction. A battery cell can be provided.
(6) Gas sealing and electrical connection can be performed at different locations, gas sealing performance can be easily improved, fuel gas and air are not mixed, and safety and high reliability are obtained. A solid oxide fuel cell can be provided.

請求項に記載の発明によれば、請求項(1),(3),(5),(6)の効果の他、
(1)繊維状導電材と導電材からなる空気供給管とを備えているので、繊維状導電材により空気供給管から空気電極基体へ空気の供給を行いながら電気的接続を行え、また空気供給管で空気の供給と電力の取り出しを行えるので部品点数を削減できる低原価で生産性に優れた固体酸化物型燃料電池セルを提供することができる。
According to the invention described in claim 3 , in addition to the effects of (1), (3), (5), (6) of claim 2 ,
(1) Since it is provided with a fibrous conductive material and an air supply pipe made of a conductive material, electrical connection can be made while supplying air from the air supply pipe to the air electrode substrate by the fibrous conductive material. Since the air can be supplied and the electric power can be taken out by the pipe, it is possible to provide a solid oxide fuel cell having a low cost and excellent productivity that can reduce the number of parts.

請求項に記載の発明によれば、請求項2又は3の効果に加え、
(1)燃料ガス供給管に導入された燃料ガスの一部、又は空気供給管に導入された空気又は酸素の一部と、燃料電極基体又は空気電極基体で電気化学反応により発生した水蒸気又は二酸化炭素と、をガス排出孔から排出することができるので、セル内部を所定圧に保持して固体電解質層において円滑に電気化学反応をさせることができ、また、セルの内部が高圧になることを防止し安全性に優れると共に、燃料電極基体又は空気電極基体、固体電解質層、空気電極層又は燃料電極層に圧力負荷がかかることを防止でき機械的耐久性に優れる固体酸化物型燃料電池セルを提供することができる。
(2)ガス排出孔から燃料ガス又は空気や酸素の一部を回収して再利用することができ、燃料ガスや酸素の利用度を高めることできる省エネルギ性に優れた固体酸化物型燃料電池セルを提供することができる。
According to invention of Claim 4 , in addition to the effect of Claim 2 or 3 ,
(1) A part of fuel gas introduced into the fuel gas supply pipe, or a part of air or oxygen introduced into the air supply pipe, and water vapor or dioxide generated by an electrochemical reaction in the fuel electrode base or air electrode base Since carbon and carbon can be discharged from the gas discharge hole, the inside of the cell can be maintained at a predetermined pressure, and the electrochemical reaction can be smoothly performed in the solid electrolyte layer. A solid oxide fuel cell that is excellent in mechanical durability and is capable of preventing pressure load from being applied to the fuel electrode base or air electrode base, solid electrolyte layer, air electrode layer or fuel electrode layer. Can be provided.
(2) A solid oxide fuel cell excellent in energy saving that can recover a part of the fuel gas or air or oxygen from the gas discharge hole and reuse it, and can increase the utilization of the fuel gas or oxygen. A cell can be provided.

請求項に記載の発明によれば、請求項2乃至4の内いずれか1項の効果に加え、
(1)接続部により各セルを直列に接続することができ、高電圧型のスタックを構成できる固体酸化物型燃料電池スタックを提供することができる。
According to the invention described in claim 5 , in addition to the effect of any one of claims 2 to 4 ,
(1) It is possible to provide a solid oxide fuel cell stack in which each cell can be connected in series by a connecting portion, and a high voltage type stack can be configured.

請求項に記載の発明によれば、請求項2乃至5の内いずれか1項の効果に加え、
(1)集電体側部構成部を備えているので、空気電極層又は燃料電極層に十分な量の空気(酸素)又は燃料ガスを確実に供給することができる固体酸化物型燃料電池スタックを提供することができる。
(2)集電体側部構成部により電流は空気電極層又は燃料電極層の表面より電気抵抗の低い集電体側部構成部を流れ易くなり、内部抵抗を小さくすることができる固体酸化物型燃料電池スタックを提供することができる。
(3)発電に伴って発生する熱を集電体側部構成部を介して放熱することができ、効率良く取り除くことができ、空気(酸素)や燃料ガスの供給量を少なくしながら冷却も十分に行うことができ、発電性能を高めることができる固体酸化物型燃料電池スタックを提供することができる。
According to invention of Claim 6 , in addition to the effect of any one of Claims 2 to 5 ,
(1) A solid oxide fuel cell stack capable of reliably supplying a sufficient amount of air (oxygen) or fuel gas to the air electrode layer or the fuel electrode layer since the current collector side portion is provided. Can be provided.
(2) The solid oxide fuel that makes it easier for the current to flow through the current collector side portion constituting part having a lower electric resistance than the surface of the air electrode layer or the fuel electrode layer, and to reduce the internal resistance. A battery stack can be provided.
(3) Heat generated by power generation can be dissipated through the current collector side component, and can be efficiently removed, and cooling is sufficient while reducing the supply amount of air (oxygen) and fuel gas Therefore, it is possible to provide a solid oxide fuel cell stack that can improve the power generation performance.

以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
(実施の形態1)
図1(a)は本実施の形態1における固体酸化物型燃料電池スタックに用いる固体酸化物型燃料電池セルの要部正面断面図であり、図1(b)は本実施の形態1における固体酸化物型燃料電池スタックに用いる固体酸化物型燃料電池セルの要部側面断面図であり、図2は燃料ガス供給管の要部斜視図である。
図中、1は固体酸化物型燃料電池セル、2は断面長円状の平板状に形成された多孔質体からなる燃料電極基体、3は燃料電極基体2の前面から内部に水平方向に平行に穿設された有底孔状の複数のガス導入孔、4は各々のガス導入孔3に挿入された有底管状の燃料ガス供給管、4aは燃料ガス供給管4のガス導入孔3の外部に位置する部分に屈曲可能に形成された蛇腹状部、5は燃料ガス供給管4の管壁に形成されたガス噴出孔、6は燃料ガス供給管4とガス導入孔3の内壁との間隙に充填された繊維状金属からなる繊維状導電材、7は燃料電極基体2の上面、下面、及び側面に渡って形成された固体酸化物からなる固体電解質層、8は固体電解質層7上に積層された多孔質体からなる空気電極層、9a,9bは燃料電極基体2の前面及び後面を封止するガス封止部、10は燃料電極基体2の後面のガス封止部9bに形成されたガス排出孔である。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
FIG. 1A is a front cross-sectional view of a main part of a solid oxide fuel cell used in the solid oxide fuel cell stack according to the first embodiment, and FIG. 1B is a solid diagram according to the first embodiment. FIG. 2 is a side sectional view of a main part of a solid oxide fuel cell used in an oxide fuel cell stack , and FIG. 2 is a perspective view of a main part of a fuel gas supply pipe.
In the figure, 1 is a solid oxide fuel cell, 2 is a fuel electrode base made of a porous body formed in a flat plate shape with an oval cross section, and 3 is parallel to the inside from the front of the fuel electrode base 2 in the horizontal direction. A plurality of bottomed hole-like gas introduction holes 4, 4 is a bottomed tubular fuel gas supply pipe inserted into each gas introduction hole 3, and 4 a is a gas introduction hole 3 of the fuel gas supply pipe 4. A bellows-like portion formed in a bendable portion at an externally located portion, 5 is a gas ejection hole formed in the tube wall of the fuel gas supply pipe 4, and 6 is a fuel gas supply pipe 4 and the inner wall of the gas introduction hole 3. Fibrous conductive material made of fibrous metal filled in the gap, 7 is a solid electrolyte layer made of a solid oxide formed over the upper surface, lower surface and side surface of the fuel electrode substrate 2, and 8 is on the solid electrolyte layer 7 Air electrode layers 9a and 9b made of a porous body laminated on the front and rear of the fuel electrode base 2 Gas sealing portions for sealing a 10 is a gas discharge holes formed in the gas sealing portion 9b of the rear surface of the fuel electrode substrate 2.

ここで、燃料電極基体2の材質としては、ニッケルを25〜50体積%含むニッケルジルコニアサーメットや、ニッケル−鉄/ジルコニアサーメット、ニッケル−アルミニウム/ジルコニアサーメット等が用いられる。燃料電極基体2を断面長円状の平板状でガス導入孔を有する形状に成形する方法としては、押し出し成形法等が用いられる。
また、固体電解質層7の材質としては、イットリアを3〜8モル%添加した安定ジルコニア(以下、YSZという)、スカンジアを8〜10モル%添加した安定化ジルコニア、サマリア或いはガドリアを添加したセリア、ランタンガレイト等が用いられる。固体電解質層7は、燃料電極基体2の表面にYSZ等の粉末を溶射、或いはセラミックスラリーを塗布し焼成することにより形成することができる。固体電解質層7の厚みは10μm〜100μmとすることが好ましい。固体電解質層7の厚みが100μmより大きくなるにつれオーム抵抗が増加しセル1の発電性能が大きく低下するため好ましくない。さらに、燃料電極基体2と固体電解質層7との熱膨張差により発生する応力により、固体電解質層7が割れたり剥離を起こし易くなったりするため好ましくない。また、固体電解質層7の厚みが10μmより小さくなるにつれ、製造工程における焼成時に固体電解質層7内への電極材料、特に空気電極層8中のマンガンの拡散が起こり、固体電解質層7のイオン伝導性が低下しセル1の性能が低下したり、機械的強度が低下したりするため好ましくない。
空気電極層8の材質としては、ランタンストロンチウムマンガナイト、ランタンストロンチウムコバルタイト等が用いられる。空気電極層8は、固体電解質層7の表面にランタンストロンチウムマンガナイト等の粉末を溶射、或いはスラリーを塗布し焼成することにより形成することができる。空気電極層8の厚みは、電極面に平行な方向の電流の流れによるオーム抵抗、電極反応に寄与する有効反応面積、固体電解質層7と空気電極層8との熱膨張差による応力等の観点から50μm〜200μmとすることが好ましい。
また、繊維状導電材6としては、ニッケル、鉄、クロム等の金属のフェルト状物等が用いられる。なお、繊維状導電材6は導電率が1000S/cm以上、ガスの透過率が10−3cm/(g・s)以上となるように好適な密度で且つ均一に充填することが好ましい。
ガス封止部9a,9bとしては、アルミナやマグネシアとシリカとの混合物等が用いられる。なお、燃料電極基体2の前面側に配設されたガス封止部9aには燃料ガス供給管4が挿入され、ガス導入孔3に燃料ガスを導入できるようになっている。
燃料ガス供給管4は導電性及び耐熱性を有する合金等の金属により形成されている。
Here, as a material of the fuel electrode substrate 2, nickel zirconia cermet containing 25 to 50% by volume of nickel, nickel-iron / zirconia cermet, nickel-aluminum / zirconia cermet, or the like is used. As a method of forming the fuel electrode substrate 2 into a shape having a flat plate shape with an oval cross section and a gas introduction hole, an extrusion molding method or the like is used.
Further, as the material of the solid electrolyte layer 7, stable zirconia (hereinafter referred to as YSZ) to which 3 to 8 mol% of yttria is added, stabilized zirconia to which 8 to 10 mol% of scandia is added, ceria to which samaria or gadria is added, Lantern gallate or the like is used. The solid electrolyte layer 7 can be formed by spraying a powder such as YSZ on the surface of the fuel electrode substrate 2 or applying and firing a ceramic slurry. The thickness of the solid electrolyte layer 7 is preferably 10 μm to 100 μm. As the thickness of the solid electrolyte layer 7 becomes larger than 100 μm, the ohmic resistance increases and the power generation performance of the cell 1 is greatly deteriorated. Furthermore, the stress generated by the difference in thermal expansion between the fuel electrode substrate 2 and the solid electrolyte layer 7 is not preferable because the solid electrolyte layer 7 is liable to crack or peel off. Further, as the thickness of the solid electrolyte layer 7 becomes smaller than 10 μm, diffusion of the electrode material, particularly manganese in the air electrode layer 8, into the solid electrolyte layer 7 occurs during firing in the manufacturing process, and ion conduction of the solid electrolyte layer 7 occurs. This is not preferable because the performance of the cell 1 is lowered and the mechanical strength is lowered.
As the material of the air electrode layer 8, lanthanum strontium manganite, lanthanum strontium cobaltite, or the like is used. The air electrode layer 8 can be formed by spraying a powder of lanthanum strontium manganite or the like on the surface of the solid electrolyte layer 7 or applying a slurry and baking. The thickness of the air electrode layer 8 is determined in view of the ohmic resistance due to the current flow in the direction parallel to the electrode surface, the effective reaction area contributing to the electrode reaction, the stress due to the thermal expansion difference between the solid electrolyte layer 7 and the air electrode layer 8, and the like. To 50 μm to 200 μm.
The fibrous conductive material 6 is made of a metal felt-like material such as nickel, iron, or chromium. In addition, it is preferable to fill the fibrous conductive material 6 at a suitable density and uniformly so that the electric conductivity is 1000 S / cm or more and the gas permeability is 10 −3 cm 4 / (g · s) or more.
As the gas sealing portions 9a and 9b, alumina, a mixture of magnesia and silica, or the like is used. A fuel gas supply pipe 4 is inserted into the gas sealing portion 9 a disposed on the front side of the fuel electrode base 2 so that the fuel gas can be introduced into the gas introduction hole 3.
The fuel gas supply pipe 4 is formed of a metal such as an alloy having conductivity and heat resistance.

次に、以上のように構成された固体酸化物型燃料電池セル1を集電体を介して複数積層して形成された固体酸化物型燃料電池スタックについて図を用いて説明する。
図3(a)は本実施の形態1における固体酸化物型燃料電池スタックの要部斜視図であり、図3(b)は固体酸化物型燃料電池スタックにおける各セルの電気的接続を示す接続状態図であり、図4は本実施の形態1における固体酸化物型燃料電池スタックの要部側面図であり、図5(a)は集電体を示す要部斜視図であり、図5(b)は集電体の他の例を示す要部斜視図である。
図中、11は固体酸化物型燃料電池スタック、12は波形状に形成された集電体、12′(図5(b)参照)は複数の凹凸を有する形状に形成された集電体であり、図5に示すように、集電体12,12′は各々、上部導電層13、絶縁層14、下部導電層15の三層構造に形成されている。12a,12b(図5参照)は集電体12,12の上面と下面に形成された上向き凸部及び下向き凸部である。16は燃料ガス供給管4とその上部に積層された集電体12の上部導電層13とを電気的に接続する接続部、17は各々の固体酸化物型燃料電池セル1の上下に配設された一対の集電体12において、上側の集電体12の下部導電層15の側端部から下側の集電体12の上部導電層13の側端部に連結され、固体酸化物型燃料電池セル1の側部を覆うように配設された集電体側部構成部であり、空気電極層8の側部に空気流路を形成すると共にセル1の上側の集電体12の下部導電層15と下側の集電体12の上部導電層13とを電気的に接続している。18は燃料ガス供給管4の内部に形成された燃料流路、19は集電体12と固体酸化物型燃料電池セル1の上面及び下面との間隙部に形成された空気流路である。
固体酸化物型燃料電池セル1は、上側の集電体12の下部導電層15と、下側の集電体12の上部導電層13と、両側の集電体側部構成部17と、により囲まれた空間内に配設されている。また、固体酸化物型燃料電池セル1の上面の空気電極層8は、その上部の集電体12の下向き凸部12bの頂部に当接し、下面の空気電極層8は、その下部の集電体12の上向き凸部12aの頂部に当接している。20aは最上部の集電体12の上部導電層13に接続された電流取り出し線、20bは最下部の集電体側部構成部17に接続された電流取り出し線である。
Next, a solid oxide fuel cell stack formed by stacking a plurality of solid oxide fuel cells 1 configured as described above via a current collector will be described with reference to the drawings.
FIG. 3A is a perspective view of a main part of the solid oxide fuel cell stack according to the first embodiment, and FIG. 3B is a connection showing electrical connection of each cell in the solid oxide fuel cell stack. FIG. 4 is a side view of a main part of the solid oxide fuel cell stack according to the first embodiment, FIG. 5 (a) is a main part perspective view showing a current collector, and FIG. b) is a perspective view showing a main part of another example of the current collector.
In the figure, 11 is a solid oxide fuel cell stack, 12 is a current collector formed in a wave shape, and 12 ′ (see FIG. 5B) is a current collector formed in a shape having a plurality of irregularities. As shown in FIG. 5, the current collectors 12 and 12 ′ are each formed in a three-layer structure of an upper conductive layer 13, an insulating layer 14, and a lower conductive layer 15. Reference numerals 12a and 12b (see FIG. 5) denote upward and downward convex portions formed on the upper and lower surfaces of the current collectors 12 and 12, respectively. Reference numeral 16 denotes a connection part for electrically connecting the fuel gas supply pipe 4 and the upper conductive layer 13 of the current collector 12 stacked on the upper part thereof, and 17 is provided above and below each solid oxide fuel cell 1. In the pair of current collectors 12, the solid oxide type is connected from the side end portion of the lower conductive layer 15 of the upper current collector 12 to the side end portion of the upper conductive layer 13 of the lower current collector 12. A current collector side portion that is disposed so as to cover the side of the fuel cell 1, forms an air flow path on the side of the air electrode layer 8, and is a lower portion of the current collector 12 on the upper side of the cell 1. The conductive layer 15 and the upper conductive layer 13 of the lower current collector 12 are electrically connected. 18 is a fuel flow path formed inside the fuel gas supply pipe 4, and 19 is an air flow path formed in the gap between the current collector 12 and the upper and lower surfaces of the solid oxide fuel cell 1.
The solid oxide fuel cell 1 is surrounded by a lower conductive layer 15 of an upper current collector 12, an upper conductive layer 13 of a lower current collector 12, and current collector side portion constituting portions 17 on both sides. It is arranged in the space. Further, the air electrode layer 8 on the upper surface of the solid oxide fuel cell 1 is in contact with the top of the downward convex portion 12b of the current collector 12 on the upper side, and the air electrode layer 8 on the lower surface is on the current collector on the lower side. The body 12 is in contact with the top of the upward convex portion 12a. Reference numeral 20a denotes a current extraction line connected to the upper conductive layer 13 of the uppermost current collector 12. Reference numeral 20b denotes a current extraction line connected to the lowermost current collector side part 17.

ここで、集電体12,12′の上部導電層13及び下部導電層15は、耐熱金属等により形成され、絶縁層はセラミックス等により形成されている。
また、集電体12,12′の厚みは、3mm以下となるように形成されている。また、上向き凸部12aの頂部から下向き凸部12bの頂部までの垂直方向の高さ、すなわち集電体12,12′の垂直方向の厚さ(高さ)は、4mm〜5mmとなるように形成されている。
Here, the upper conductive layer 13 and the lower conductive layer 15 of the current collectors 12 and 12 ′ are formed of a refractory metal or the like, and the insulating layer is formed of ceramics or the like.
Further, the current collectors 12 and 12 'are formed to have a thickness of 3 mm or less. Further, the vertical height from the top of the upward convex portion 12a to the top of the downward convex portion 12b, that is, the thickness (height) in the vertical direction of the current collectors 12 and 12 ′ is 4 mm to 5 mm. Is formed.

以上のように構成された本実施の形態1における固体酸化物型燃料電池スタック11について、以下その発電方法を図を用いて説明する。
まず、スタック11全体を断熱容器内においてガスバーナ或いはヒータ等で700℃程度に加熱する(加熱工程)。これにより、固体電解質層7を酸化物イオンが自由に通過できるようになる。
次に、燃料ガス供給管4の燃料流路18に600℃程度に加熱した燃料ガス(水素ガス)を導入する(燃料ガス導入工程)。また、空気流路19に空気(外気)を導入する(空気導入工程)。燃料流路18に導入された燃料ガスは燃料ガス供給管4の内部を通ってガス噴出孔5からガス導入孔3の内部に噴出される(燃料ガス噴出工程)。ガス導入孔3の内部は繊維状導電材6が充填されているので、燃料ガスはこれを通過して、多孔質体により形成された燃料電極基体2に供給される。一方、空気流路19に導入された空気は、多孔質体により形成された空気電極層8に供給される(空気供給工程)。
空気電極層8に空気が供給されると空気中の酸素は電子を得て酸化物イオンとなり固体電解質層7を通過する。燃料電極基体2に供給された燃料ガス中の水素は酸化物イオンと反応して水となり電子を放出する。このようにして各セル1において発電が行われる(発電工程)。
燃料電極基体2で放出された電子は繊維状導電材6及び燃料ガス供給管4を介して取り出されるので、外部に露出した燃料ガス供給管4が負極側の端子となる。また、空気電極層8の上面に集電体12の下部導電層15を接触させ、下面に別の集電体12の上部導電層13を接触させることで集電体12が正極側の端子となる。なお、負極側の端子である燃料ガス供給管4は接続部16により集電体12の上部導電層13に電気的に接続されている。
すなわち、隣接する上下のセル1の内、上側のセル1の正極側の端子(上部導電導13)は下側のセル1の負極側の端子(燃料ガス供給管4)に接続され、各セル1は直列に接続されてスタック11を構成している(図3(b)参照)。
このようにスタック11が構成され、各セル1の固体電解質層7における電気化学反応により発電が行われ、電流取り出し線20a,20b間に電圧が発生する。
なお、燃料ガス供給管4の燃料流路18に導入された燃料ガスの一部及び燃料電極基体2で電気化学反応により発生した水蒸気は、ガス排出孔10から排出される。なお、ガス排出孔10から燃料ガスの一部を回収して再利用することもできる。ガス排出孔10の内径は、燃料電極基体2において円滑に電気化学反応が行われ、且つセル1の内部が高圧にならないように適宜設定されている。
また、燃料ガスとしては、水素ガスに限らず、天然ガス(メタン)、プロパン、ブタン、メタノール、ナフサ、一酸化炭素を含む石炭ガス等を用いることができる。
The power generation method of the solid oxide fuel cell stack 11 according to the first embodiment configured as described above will be described below with reference to the drawings.
First, the entire stack 11 is heated to about 700 ° C. by a gas burner or a heater in a heat insulating container (heating process). Thereby, oxide ions can freely pass through the solid electrolyte layer 7.
Next, the fuel gas (hydrogen gas) heated to about 600 ° C. is introduced into the fuel flow path 18 of the fuel gas supply pipe 4 (fuel gas introduction process). Further, air (outside air) is introduced into the air flow path 19 (air introduction process). The fuel gas introduced into the fuel flow path 18 passes through the inside of the fuel gas supply pipe 4 and is ejected from the gas ejection hole 5 into the gas introduction hole 3 (fuel gas ejection process). Since the inside of the gas introduction hole 3 is filled with the fibrous conductive material 6, the fuel gas passes through this and is supplied to the fuel electrode substrate 2 formed of a porous body. On the other hand, the air introduced into the air flow path 19 is supplied to the air electrode layer 8 formed of a porous body (air supply process).
When air is supplied to the air electrode layer 8, oxygen in the air obtains electrons and becomes oxide ions, and passes through the solid electrolyte layer 7. Hydrogen in the fuel gas supplied to the fuel electrode substrate 2 reacts with oxide ions to become water and emit electrons. In this way, power generation is performed in each cell 1 (power generation process).
Since the electrons emitted from the fuel electrode substrate 2 are taken out via the fibrous conductive material 6 and the fuel gas supply pipe 4, the fuel gas supply pipe 4 exposed to the outside serves as a terminal on the negative electrode side. In addition, the lower conductive layer 15 of the current collector 12 is brought into contact with the upper surface of the air electrode layer 8, and the upper conductive layer 13 of another current collector 12 is brought into contact with the lower surface, so that the current collector 12 is connected to the positive terminal. Become. Note that the fuel gas supply pipe 4 serving as a negative electrode side terminal is electrically connected to the upper conductive layer 13 of the current collector 12 through a connection portion 16.
That is, of the adjacent upper and lower cells 1, the positive terminal (upper conductive conductor 13) of the upper cell 1 is connected to the negative terminal (fuel gas supply pipe 4) of the lower cell 1. 1 are connected in series to form a stack 11 (see FIG. 3B).
In this way, the stack 11 is configured, power is generated by an electrochemical reaction in the solid electrolyte layer 7 of each cell 1, and a voltage is generated between the current extraction lines 20a and 20b.
A part of the fuel gas introduced into the fuel flow path 18 of the fuel gas supply pipe 4 and water vapor generated by the electrochemical reaction in the fuel electrode base 2 are discharged from the gas discharge hole 10. A part of the fuel gas can be recovered from the gas discharge hole 10 and reused. The inner diameter of the gas discharge hole 10 is appropriately set so that the electrochemical reaction is smoothly performed in the fuel electrode base 2 and the inside of the cell 1 does not become a high pressure.
The fuel gas is not limited to hydrogen gas, and natural gas (methane), propane, butane, methanol, naphtha, coal gas containing carbon monoxide, and the like can be used.

以上のように本実施の形態1における固体酸化物型燃料電池セル1及び固体酸化物型燃料電池スタック11は構成されているので、以下のような作用を有する。
(1)固体酸化物型燃料電池セル1が平板状又は断面長円状に形成された燃料電極基体2に固体電解質層7と空気電極層8を積層して形成されているので、セル1を積み重ねてスタック11を形成した場合に、無駄な空間を形成せず、円筒型に比べてスタック11の省スペース性を向上でき出力密度を高くできる。
(2)管壁にガス噴出孔5が形成された燃料ガス供給管4を備えているので、ガス噴出孔5の個数、位置、径を適宜設定することにより、燃料電極基体2の全体に渡って均等に燃料ガスを供給することができ、電流密度及び温度分布を均一にできる。
(3)ガス導入孔3に繊維状導電材6が充填されているので、燃料ガス供給管4と燃料電極基体2との間に熱膨張差により生じる応力を繊維状導電材6により吸収して非常に小さくできる。
(4)ガス封止部9a,9bにおいて燃料ガスの漏れを確実に防ぐことができると共に、セル1のガスシールをガス封止部9a,9bで行い、セル1間の電気的接続を集電体12,12′により行うことにより、ガスシールと電気的接続とを異なる場所で行うことができ、簡単にガスシール性を向上でき、燃料ガスと空気との混合が生じず、高い信頼性が得られる。
(5)集電体12,12′が波形或いは複数の凹凸を有する形状に形成されているので、集電体12,12′とセル1との熱膨張差により生じる応力を集電体で吸収することができると共に、集電体12,12′により空気電極層8との間に空気流路19を形成でき、空気電極層8の全面に渡って均等に空気(酸素)を供給することができる。
(6)集電体12,12′が上部導電層13、絶縁層14、下部導電層15の三層構造なので、上下のセル1の各々の空気電極層8を互いに絶縁することができると共に、低原価、大量生産が可能で量産性に優れる。
(7)集電体12,12′によりセル1から周囲雰囲気(外気)への熱伝達を促進でき、起動、停止による熱サイクル時や負荷変動時の熱衝撃を緩和できる。
(8)燃料ガス供給管4の上流側に接続されるヘッダーや燃料改質器等と各構成部材との熱膨張差により燃料ガス供給管4に生じる応力を蛇腹状部4aにより吸収することができ、構成部材の機械的損傷等を防止できる。
(9)燃料ガス供給管4に導入された燃料ガスの一部と、燃料電極基体2で電気化学反応により発生した水蒸気とをガス排出孔10から排出することができるので、セル1内部を所定圧に保持して固体電解質層7において円滑に電気化学反応をさせることができ、また、セル1の内部が高圧になることを防止し、燃料電極基体2や固体電解質層7、空気電極層8に圧力負荷がかかることを防止できる。
(10)ガス排出孔10から燃料ガスの一部を回収して再利用することができ、燃料ガスを無駄なく利用することできる。
(11)接続部16により各セル1を直列に接続することができ、高電圧型のスタック11を構成できる。
(12)固体酸化物型燃料電池セル1の側部を覆うように形成された集電体側部構成部17を備えているので、空気電極層8の側部に空気流路を形成して空気電極層8に十分な量の空気(酸素)を確実に供給することができると共に、集電体側部構成部17によりセル1の上側の集電体12の下部導電層15と下側の集電体12の上部導電層13とを電気的に接続することで、電流は空気電極層8の表面より電気抵抗の低い集電体側部構成部17を流れ易くなり、内部抵抗を小さくすることができる。また、セル1における発電に伴って発生する熱を集電体12や集電体側部構成部17を介して放熱することができ、効率良く取り除くことができる。これにより、空気(酸素)の供給量を少なくしながら冷却も十分に行うことができ、セル1の発電性能を高めることができる。
As described above, the solid oxide fuel cell 1 and the solid oxide fuel cell stack 11 according to the first embodiment are configured, and thus have the following operations.
(1) Since the solid oxide fuel cell 1 is formed by laminating the solid electrolyte layer 7 and the air electrode layer 8 on the fuel electrode base 2 having a flat plate shape or an oval cross section, the cell 1 is When the stack 11 is formed by stacking, a useless space is not formed, and the space saving performance of the stack 11 can be improved and the output density can be increased as compared with the cylindrical type.
(2) Since the fuel gas supply pipe 4 having the gas ejection holes 5 formed in the pipe wall is provided, the number, position, and diameter of the gas ejection holes 5 are set as appropriate so that the entire fuel electrode base 2 can be provided. The fuel gas can be supplied evenly, and the current density and temperature distribution can be made uniform.
(3) Since the fibrous conductive material 6 is filled in the gas introduction hole 3, the fibrous conductive material 6 absorbs the stress caused by the thermal expansion difference between the fuel gas supply pipe 4 and the fuel electrode base 2. Can be very small.
(4) The gas sealing portions 9a and 9b can reliably prevent fuel gas from leaking, and the gas sealing of the cell 1 is performed by the gas sealing portions 9a and 9b to collect the electrical connection between the cells 1. By using the bodies 12 and 12 ', the gas seal and the electrical connection can be performed at different locations, the gas seal performance can be easily improved, the fuel gas and the air are not mixed, and high reliability is achieved. can get.
(5) Since the current collectors 12 and 12 'are formed in a waveform or a shape having a plurality of irregularities, the current collector absorbs stress caused by the difference in thermal expansion between the current collectors 12 and 12' and the cell 1. In addition, an air flow path 19 can be formed between the current collectors 12 and 12 ′ and the air electrode layer 8, and air (oxygen) can be supplied evenly over the entire surface of the air electrode layer 8. it can.
(6) Since the current collectors 12 and 12 'have a three-layer structure of the upper conductive layer 13, the insulating layer 14, and the lower conductive layer 15, the air electrode layers 8 of the upper and lower cells 1 can be insulated from each other, Low cost, mass production is possible, and mass productivity is excellent.
(7) Current transfer from the cell 1 to the ambient atmosphere (outside air) can be promoted by the current collectors 12 and 12 ', and thermal shock during thermal cycle or load change due to start and stop can be reduced.
(8) The bellows-like portion 4a can absorb the stress generated in the fuel gas supply pipe 4 due to the difference in thermal expansion between the constituent members and the header and fuel reformer connected to the upstream side of the fuel gas supply pipe 4. It is possible to prevent mechanical damage of the constituent members.
(9) Since part of the fuel gas introduced into the fuel gas supply pipe 4 and water vapor generated by an electrochemical reaction in the fuel electrode base 2 can be discharged from the gas discharge hole 10, the inside of the cell 1 is predetermined. The solid electrolyte layer 7 can be allowed to smoothly perform an electrochemical reaction while maintaining the pressure, and the inside of the cell 1 can be prevented from becoming a high pressure, and the fuel electrode substrate 2, the solid electrolyte layer 7, and the air electrode layer 8 can be prevented. It is possible to prevent a pressure load from being applied.
(10) A part of the fuel gas can be recovered from the gas discharge hole 10 and reused, and the fuel gas can be used without waste.
(11) Each cell 1 can be connected in series by the connecting portion 16, and a high voltage type stack 11 can be configured.
(12) Since the current collector side part constituting part 17 formed so as to cover the side part of the solid oxide fuel cell 1 is provided, an air flow path is formed on the side part of the air electrode layer 8 and air A sufficient amount of air (oxygen) can be reliably supplied to the electrode layer 8, and the lower conductive layer 15 of the upper current collector 12 of the cell 1 and the lower current collector are collected by the current collector side portion constituting unit 17. By electrically connecting the upper conductive layer 13 of the body 12, the current can easily flow through the current collector side component 17 having a lower electrical resistance than the surface of the air electrode layer 8, and the internal resistance can be reduced. . Further, the heat generated with the power generation in the cell 1 can be dissipated through the current collector 12 and the current collector side component 17 and can be efficiently removed. Thereby, cooling can fully be performed, reducing the supply amount of air (oxygen), and the power generation performance of the cell 1 can be improved.

なお、本実施の形態1においては、燃料電極基体2と固体電解質層7と空気電極層8とを備えた固体酸化物型燃料電池セル1について説明したが、これに限られるものではなく、燃料電極基体と空気電極層を入れ替えることもできる。すなわち、空気電極基体と固体電解質層と燃料電極層を備えた固体酸化物型燃料電池セルとすることができる。この場合、燃料電極基体2に替えてランタンストロンチウムマンガナイト、ランタンストロンチウムコバルタイト等により燃料電極基体2と同形状に形成した空気電極基体を用い、空気電極層8に替えてニッケルジルコニアサーメットや、ニッケル−鉄/ジルコニアサーメット等により形成した燃料電極層を用い、空気電極基体に空気又は酸素を供給し燃料電極層に燃料ガスを供給する点以外は、本実施の形態1で説明した固体酸化物型燃料電池セル1及び固体酸化物型燃料電池スタック11と同様であるので説明を省略する。   In the first embodiment, the solid oxide fuel cell 1 including the fuel electrode base 2, the solid electrolyte layer 7, and the air electrode layer 8 has been described. However, the present invention is not limited to this. The electrode substrate and the air electrode layer can be interchanged. That is, a solid oxide fuel cell including an air electrode substrate, a solid electrolyte layer, and a fuel electrode layer can be obtained. In this case, an air electrode substrate formed in the same shape as the fuel electrode substrate 2 by using lanthanum strontium manganite, lanthanum strontium cobaltite, or the like instead of the fuel electrode substrate 2 is used, and nickel zirconia cermet or nickel -Solid oxide type described in the first embodiment, except that a fuel electrode layer formed of iron / zirconia cermet or the like is used, air or oxygen is supplied to the air electrode substrate, and fuel gas is supplied to the fuel electrode layer. Since it is the same as that of the fuel cell 1 and the solid oxide fuel cell stack 11, the description thereof is omitted.

以上説明したように、本発明は電解質としてジルコニア系セラミックス等の固体電解質を用いた固体酸化物型燃料電池セルを集合した固体酸化物型燃料電池スタックに関し、特に本発明によれば、無駄な空間を形成しないので省スペース性に優れると共に出力密度が高く、ガスシールと電気的接続とを異なる場所で行うのでガスシール性を向上でき安全性に優れる固体酸化物型燃料電池スタックを提供することができる。 As described above, the present invention relates to a solid oxide fuel cell stack in which solid oxide fuel cells using a solid electrolyte such as zirconia-based ceramics as an electrolyte are assembled. Therefore, it is possible to provide a solid oxide fuel cell stack that is excellent in space saving and has high output density, and can be improved in gas sealing performance and safety because gas sealing and electrical connection are performed in different places. it can.

(a)実施の形態1における固体酸化物型燃料電池スタックに用いる固体酸化物型燃料電池セルの要部正面断面図 (b)実施の形態1における固体酸化物型燃料電池スタックに用いる固体酸化物型燃料電池セルの要部側面断面図(A) used in the solid oxide fuel cell stack in Embodiment 1 of the solid oxide fuel partial front sectional view of a battery cell (b) a solid oxide used in solid oxide fuel cell stack in Embodiment 1 Side sectional view of the main part of a fuel cell 燃料ガス供給管の要部斜視図Perspective view of main part of fuel gas supply pipe (a)実施の形態1における固体酸化物型燃料電池スタックの要部斜視図 (b)固体酸化物型燃料電池スタックにおける各セルの電気的接続を示す接続状態図(A) Perspective view of main part of solid oxide fuel cell stack in Embodiment 1 (b) Connection state diagram showing electrical connection of each cell in solid oxide fuel cell stack 実施の形態1における固体酸化物型燃料電池スタックの要部側面図Side view of main part of solid oxide fuel cell stack according to Embodiment 1 (a)集電体を示す要部斜視図 (b)集電体の他の例を示す要部斜視図(A) Main part perspective view showing a current collector (b) Main part perspective view showing another example of the current collector (a)円筒型固体酸化物型燃料電池のスタックを示す要部正面図 (b)円筒型固体酸化物型燃料電池のセルを示す要部斜視図(A) Main part front view showing a stack of a cylindrical solid oxide fuel cell (b) Perspective perspective view of a main part showing a cell of a cylindrical solid oxide fuel cell (a)平板型固体酸化物型燃料電池のスタックを示す要部斜視図 (b)平板型固体酸化物型燃料電池のセルの集電体を示す要部斜視図(A) Main part perspective view showing a stack of a flat plate type solid oxide fuel cell (b) Main part perspective view showing a current collector of a cell of the flat plate type solid oxide fuel cell

符号の説明Explanation of symbols

1 固体酸化物型燃料電池セル
2 燃料電極基体
3 ガス導入孔
4 燃料ガス供給管
4a 蛇腹状部
5 ガス噴出孔
6 繊維状導電材
7 固体電解質層
8 空気電極層
9a,9b ガス封止部
10 ガス排出孔
11 固体酸化物型燃料電池スタック
12,12′ 集電体
12a 上向き凸部
12b 下向き凸部
13 上部導電層
14 絶縁層
15 下部導電層
16 接続部
17 集電体側部構成部
18 燃料流路
19 空気流路
20a,20b 電流取り出し線
60 円筒型固体酸化物型燃料電池スタック
61 セル
62 空気電極管
63 固体電解質層
64 燃料電極層
65 インタコネクタ層
66a,66b ニッケルフェルト
70 平板型固体酸化物型燃料電池スタック
70a セル
71 インタコネクタ部
72 燃料流路
73 空気流路
74 空気電極層
75 固体電解質層
76 燃料電極層
77,78 集電板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solid oxide fuel cell 2 Fuel electrode base | substrate 3 Gas introduction hole 4 Fuel gas supply pipe 4a Bellows-shaped part 5 Gas ejection hole 6 Fibrous conductive material 7 Solid electrolyte layer 8 Air electrode layer 9a, 9b Gas sealing part 10 Gas exhaust hole 11 Solid oxide fuel cell stack 12, 12 'Current collector 12a Upward convex portion 12b Downward convex portion 13 Upper conductive layer 14 Insulating layer 15 Lower conductive layer 16 Connection portion 17 Current collector side component 18 Fuel flow Path 19 Air flow path 20a, 20b Current extraction line 60 Cylindrical solid oxide fuel cell stack 61 Cell 62 Air electrode tube 63 Solid electrolyte layer 64 Fuel electrode layer 65 Interconnector layer 66a, 66b Nickel felt 70 Flat solid oxide Type fuel cell stack 70a cell 71 interconnector part 72 fuel flow path 73 air flow path 74 air electrode layer 75 Solid electrolyte layer 76 Fuel electrode layer 77, 78 Current collector plate

Claims (6)

固体酸化物型燃料電池セルを複数積み重ねて形成される固体酸化物型燃料電池スタックの電気的接続に用いる集電体であって、
上部導電層、絶縁層、下部導電層の三層構造で波形或いは複数の凹凸を有する形状に形成され前記固体酸化物型燃料電池セル間に配設されることを特徴とする集電体。
A current collector used for electrical connection of a solid oxide fuel cell stack formed by stacking a plurality of solid oxide fuel cells,
A current collector formed of a three-layer structure of an upper conductive layer, an insulating layer, and a lower conductive layer, having a waveform or a plurality of irregularities and disposed between the solid oxide fuel cells.
固体酸化物型燃料電池セルを請求項1に記載の集電体を介して複数積み重ねて形成された固体酸化物型燃料電池スタックであって、
前記固体酸化物型燃料電池セルが、
平板状又は断面長円状に形成された多孔質体からなる燃料電極基体と、
前記燃料電極基体の内部に平行に穿設され前記燃料電極基体の一端面に開口した有底孔状の複数のガス導入孔と、
管壁にガス噴出孔を有し各々の前記ガス導入孔に挿入された導電材からなる燃料ガス供給管と、
前記燃料ガス供給管と前記ガス導入孔の内壁との間隙に充填された繊維状導電材と、
前記燃料電極基体の外表面に形成された固体酸化物からなる固体電解質層と、
前記固体電解質層の外表面上に積層された多孔質体からなる空気電極層と、
前記燃料電極基体の前記ガス導入孔の開口側及び底部側の両端面を封止するガス封止部と、
を備えていることを特徴とする固体酸化物型燃料電池スタック。
A solid oxide fuel cell stack formed by stacking a plurality of solid oxide fuel cells via the current collector according to claim 1,
The solid oxide fuel cell is
A fuel electrode substrate made of a porous body formed in a flat plate shape or an elliptical cross section; and
A plurality of bottomed hole-like gas introduction holes that are formed in parallel with the inside of the fuel electrode substrate and open at one end surface of the fuel electrode substrate;
A fuel gas supply pipe made of a conductive material having a gas ejection hole in the pipe wall and inserted into each of the gas introduction holes;
A fibrous conductive material filled in a gap between the fuel gas supply pipe and the inner wall of the gas introduction hole;
A solid electrolyte layer made of a solid oxide formed on the outer surface of the fuel electrode substrate;
An air electrode layer composed of a porous body laminated on the outer surface of the solid electrolyte layer;
A gas sealing portion that seals both the opening side and bottom side surfaces of the gas introduction hole of the fuel electrode base;
A solid oxide fuel cell stack comprising:
固体酸化物型燃料電池セルを請求項1に記載の集電体を介して複数積み重ねて形成された固体酸化物型燃料電池スタックであって、
前記固体酸化物型燃料電池セルが、
平板状又は断面長円状に形成された多孔質体からなる空気電極基体と、
前記空気電極基体の内部に平行に穿設され前記燃料電極基体の一端面に開口した有底孔状の複数のガス導入孔と、
管壁にガス噴出孔を有し各々の前記ガス導入孔に挿入された導電材からなる空気供給管と、
前記空気供給管と前記ガス導入孔の内壁との間隙に充填された繊維状導電材と、
前記空気電極基体の外表面に形成された固体酸化物からなる固体電解質層と、
前記固体電解質層の外表面上に積層された多孔質体からなる燃料電極層と、
前記空気電極基体の前記ガス導入孔の開口側及び底部側の両端面を封止するガス封止部と、
を備えていることを特徴とする固体酸化物型燃料電池スタック。
A solid oxide fuel cell stack formed by stacking a plurality of solid oxide fuel cells via the current collector according to claim 1,
The solid oxide fuel cell is
An air electrode substrate made of a porous body formed in a flat plate shape or an elliptical cross section; and
A plurality of bottomed hole-like gas introduction holes that are drilled in parallel to the inside of the air electrode substrate and open to one end surface of the fuel electrode substrate;
An air supply pipe made of a conductive material having a gas ejection hole in the pipe wall and inserted into each of the gas introduction holes;
A fibrous conductive material filled in a gap between the air supply pipe and the inner wall of the gas introduction hole;
A solid electrolyte layer made of a solid oxide formed on the outer surface of the air electrode substrate;
A fuel electrode layer comprising a porous body laminated on the outer surface of the solid electrolyte layer;
A gas sealing portion that seals both the opening side and bottom side of the gas introduction hole of the air electrode base;
A solid oxide fuel cell stack comprising:
前記固体酸化物型燃料電池セルの前記燃料電極基体又は前記空気電極基体の前記ガス導入孔の底部側の前記ガス封止部に形成されたガス排出孔を備えていることを特徴とする請求項2又は3に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。 The gas discharge hole formed in the gas sealing part on the bottom side of the gas introduction hole of the fuel electrode base or the air electrode base of the solid oxide fuel cell is provided. 4. The solid oxide fuel cell stack according to 2 or 3 . 各々の前記固体酸化物型燃料電池セルの前記燃料ガス供給管又は前記空気供給管と、前記固体酸化物型燃料電池セルの上部に配設された前記集電体の前記上部導電層、又は、下部に配設された前記集電体の前記下部導電層と、を電気的に接続する接続部を備えていることを特徴とする請求項2乃至4の内いずれか1項に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。 The fuel gas supply pipe or the air supply pipe of each of the solid oxide fuel cells, and the upper conductive layer of the current collector disposed above the solid oxide fuel cells, or 5. The solid oxide according to claim 2 , further comprising a connecting portion that electrically connects the lower conductive layer of the current collector disposed in a lower portion. 6. Physical fuel cell stack. 各々の前記固体酸化物型燃料電池セルの上下に配設された一対の前記集電体の内、上側の前記集電体の前記下部導電層の側端部と、下側の前記集電体の前記上部導電層の側端部と、を連結する集電体側部構成部を備えていることを特徴とする請求項2乃至5の内いずれか1項に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。 Of the pair of current collectors disposed above and below each of the solid oxide fuel cells, side end portions of the lower conductive layer of the upper current collector and the current collector on the lower side 6. The solid oxide fuel cell stack according to claim 2 , further comprising a current collector side portion constituting a side end portion of the upper conductive layer. .
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP5117019B2 (en) * 2006-08-31 2013-01-09 古河電気工業株式会社 Composite connector
US8097384B2 (en) * 2008-07-08 2012-01-17 Siemens Energy, Inc. Solid oxide fuel cell with transitioned cross-section for improved anode gas management at the open end
KR101811195B1 (en) * 2011-04-25 2017-12-21 주식회사 미코 Interconnectors for tubular solid oxide fuel-cells and stacks of tubular solid oxide fuel-cells having the same
JP6183777B2 (en) * 2013-03-28 2017-08-23 Toto株式会社 Solid oxide fuel cell device
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP0410166A1 (en) * 1989-07-24 1991-01-30 Asea Brown Boveri Ag Construction element for current conduction for high temperature fuel cells
JP3706959B2 (en) * 1994-03-18 2005-10-19 関西電力株式会社 Structure of a cylindrical solid oxide fuel cell having a conductive tube inserted therein, a structure of a bundle in which a plurality of such cells are bundled, and a structure of a power generation module using the bundle
JPH1021942A (en) * 1996-07-01 1998-01-23 Kansai Electric Power Co Inc:The Solid electrolyte fuel cell
JP4240806B2 (en) * 2000-12-22 2009-03-18 三菱重工業株式会社 Fuel cell
JP4884596B2 (en) * 2001-04-02 2012-02-29 三菱重工業株式会社 Solid oxide fuel cell module
JP4057822B2 (en) * 2002-03-14 2008-03-05 京セラ株式会社 Fuel cell, cell stack and fuel cell
JP3764693B2 (en) * 2002-03-19 2006-04-12 京セラ株式会社 Fuel cell

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