JP5198108B2 - Horizontally-striped solid oxide fuel cell stack and fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックおよびそれを収納容器内に複数収納してなる燃料電池に関する。 The present invention relates to a horizontally-striped solid oxide fuel cell stack and a fuel cell in which a plurality of them are accommodated in a storage container.
近年、次世代エネルギーとして、電気絶縁性の支持体の表面に複数個の燃料電池セルを電気的に接続してなる横縞型燃料電池セルスタックを収納容器に収容した燃料電池が種々提案されている。このような燃料電池セルとしては、固体高分子形燃料電池セル、リン酸形燃料電池セル、溶融炭酸塩形燃料電池セル、固体酸化物形燃料電池セルなど各種のものが知られている。とりわけ、固体酸化物形燃料電池セルは、発電効率が高く、また、作動温度が700℃〜1000℃と高いため、その排熱を有効利用することにより発電効率を高めることができるなどの利点を有しており、研究開発が推し進められている。 In recent years, as next-generation energy, various fuel cells have been proposed in which a horizontal stripe type fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are electrically connected to the surface of an electrically insulating support is accommodated in a storage container. . As such fuel cells, various types such as solid polymer fuel cells, phosphoric acid fuel cells, molten carbonate fuel cells, solid oxide fuel cells are known. In particular, solid oxide fuel cells have high power generation efficiency and high operating temperatures of 700 ° C. to 1000 ° C., so that the power generation efficiency can be increased by effectively using the exhaust heat. Have research and development.
図10は、従来公知の固体酸化物形燃料電池セルを複数備える固体酸化物形燃料電池セルスタックの一部を示す拡大縦断面である。この固体酸化物形燃料電池セルスタックは、電気絶縁体である円筒状の支持体21の表面に、内側電極層としての燃料極層23a、固体電解質層23bおよび外側電極層としての空気極層23cがこの順に積層された多層構造の固体酸化物形燃料電池セル23(以下、燃料電池セルと略す場合がある。)を、支持体21の長手方向G(紙面上下方向)に所定間隔をおいて複数形成して電気的に接続することにより構成されている(例えば、特許文献1参照)。なお、このような形状の燃料電池セルスタックは、いわゆる「横縞型」といわれている。 FIG. 10 is an enlarged longitudinal sectional view showing a part of a solid oxide fuel cell stack including a plurality of conventionally known solid oxide fuel cells. This solid oxide fuel cell stack has a fuel electrode layer 23a as an inner electrode layer, a solid electrolyte layer 23b, and an air electrode layer 23c as an outer electrode layer on the surface of a cylindrical support 21 that is an electrical insulator. Are stacked in this order with a predetermined interval in the longitudinal direction G (up and down direction on the paper surface) of the support 21 of the solid oxide fuel cell 23 having a multilayer structure (hereinafter sometimes abbreviated as fuel cell). A plurality are formed and electrically connected (for example, see Patent Document 1). The fuel cell stack having such a shape is called a so-called “horizontal stripe type”.
そして、互いに隣接する燃料電池セル23は、それぞれセル間接続部材としてのインターコネクタ24により電気的に直列に接続されている。すなわち、一方の燃料電池セル23の燃料極層23aと他方の燃料電池セル23の空気極層23cとが、インターコネクタ24により電気的に接続されている。また、支持体21の内部には1つまたは複数のガス流路27が支持体21の長手方向Gに沿って形成されている。 Adjacent fuel cells 23 are electrically connected in series by interconnectors 24 as inter-cell connecting members. That is, the fuel electrode layer 23 a of one fuel battery cell 23 and the air electrode layer 23 c of the other fuel battery cell 23 are electrically connected by the interconnector 24. Further, one or more gas flow paths 27 are formed along the longitudinal direction G of the support 21 inside the support 21.
支持体21上に、燃料極層23a、固体電解質層23bおよび空気極層23cをこの順に積層してなる固体酸化物形燃料電池セルスタックでは、固体電解質層23bの酸素イオン伝導性が600℃以上で高くなるため、このような温度の際に燃料電池セル23の周囲に酸素を含むガス(空気)を流し、ガス流路27に水素を含むガス(燃料ガス)を流すことにより、空気極層23cと燃料極層23aとの酸素濃度差が大きくなり、空気極層23cと燃料極層23aとの間で電位差が発生する。 In the solid oxide fuel cell stack in which the fuel electrode layer 23a, the solid electrolyte layer 23b, and the air electrode layer 23c are laminated in this order on the support 21, the oxygen ion conductivity of the solid electrolyte layer 23b is 600 ° C. or higher. Therefore, at such a temperature, a gas (air) containing oxygen is caused to flow around the fuel battery cell 23, and a gas (fuel gas) containing hydrogen is caused to flow through the gas flow path 27. The difference in oxygen concentration between the fuel electrode layer 23a and the fuel electrode layer 23a increases, and a potential difference is generated between the air electrode layer 23c and the fuel electrode layer 23a.
この電位差により、酸素イオンは、空気極層23cから固体電解質層23bを通じて燃料極層23aへ移動する。移動した酸素イオンが、燃料極層23aで水素と結合して水となり、同時に燃料極層23aで電子が発生する。すなわち、空気極層23cでは、下記式(1)の電極反応を生じ、燃料極層23aでは、下記式(2)の電極反応を生じる。 Due to this potential difference, oxygen ions move from the air electrode layer 23c to the fuel electrode layer 23a through the solid electrolyte layer 23b. The moved oxygen ions combine with hydrogen in the fuel electrode layer 23a to become water, and at the same time, electrons are generated in the fuel electrode layer 23a. That is, the electrode reaction of the following formula (1) occurs in the air electrode layer 23c, and the electrode reaction of the following formula (2) occurs in the fuel electrode layer 23a.
そして、燃料極層23aと空気極層23cとを電気的に接続することにより、燃料極層23aから空気極層23cへの電子の移動が起こり、両極層間で起電力が生じる。このように、固体酸化物形燃料電池セル23では、酸素(空気)と水素(燃料ガス)を供給することにより、前記の反応を連続して起こし、起電力を生じさせて発電する。 Then, by electrically connecting the fuel electrode layer 23a and the air electrode layer 23c, electrons move from the fuel electrode layer 23a to the air electrode layer 23c, and an electromotive force is generated between the electrode layers. In this way, in the solid oxide fuel cell 23, by supplying oxygen (air) and hydrogen (fuel gas), the above reaction is continuously caused to generate an electromotive force to generate electric power.
このような横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックでは、支持体21に絶縁体を用いて、各燃料電池セル23間の電気的ショートを防いでいる。支持体21としては、例えばNiとMgAl2O4(スピネル)との固溶体や、NiとMgOとの固溶体が用いられる(例えば、特許文献2〜特許文献6参照)。また、支持体21には、ガス流路27を流れる燃料ガスを燃料極層23aに効率よく供給し、効率よく発電できることが要求される。 In such a horizontal stripe type solid oxide fuel cell stack, an insulator is used as the support 21 to prevent electrical shorts between the fuel cells 23. As the support 21, for example, a solid solution of Ni and MgAl 2 O 4 (spinel) or a solid solution of Ni and MgO is used (for example, see Patent Documents 2 to 6). Further, the support 21 is required to efficiently supply the fuel gas flowing through the gas flow path 27 to the fuel electrode layer 23a and generate power efficiently.
ところが、支持体21をNiとMgOとを含む構成とした場合には、横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックの製造工程において、焼成により支持体21となる電気絶縁性の支持体成形体を900℃〜1200℃程度で仮焼すると、得られる支持体仮焼体の強度が低い場合がある。強度の低い支持体仮焼体は、ハンドリングが困難であり、該支持体仮焼体を焼成した支持体21の強度も低くなる。その結果、横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックが破損し、歩留まりが低下するという問題があった。 However, when the support 21 is configured to include Ni and MgO, an electrically insulating support molded body that becomes the support 21 by firing in the manufacturing process of the horizontal stripe solid oxide fuel cell stack is formed. When calcined at about 900 ° C. to 1200 ° C., the strength of the obtained support calcined body may be low. The support calcined body having low strength is difficult to handle, and the strength of the support 21 obtained by firing the support calcined body is also low. As a result, there is a problem that the horizontal stripe solid oxide fuel cell stack is damaged and the yield is lowered.
本発明の課題は、強度が高く、効率よく発電を行うことができる支持体を備えた横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックおよび燃料電池を提供することである。 An object of the present invention is to provide a horizontally striped solid oxide fuel cell stack and a fuel cell including a support having high strength and capable of generating power efficiently.
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、以下の知見を見出した。すなわち、電気絶縁性の支持体を、Niと、MgOと、Fe2O3とを含んで構成し、Fe2O3の含有量を0.2モル%以下とする場合には、電気絶縁性の支持体の強度が向上してハンドリングが良好となり、電気絶縁性の支持体が破損することを抑制でき、歩留まりを改善することができる。また、電気絶縁性の支持体の開気孔率を30%以上とする場合には、ガス流路を流れるガスを内側電極層に効率よく供給することができ、効率よく発電を行なうことができる。 As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have found the following findings. That is, when the electrically insulating support is configured to include Ni, MgO, and Fe 2 O 3, and the Fe 2 O 3 content is 0.2 mol% or less, The strength of the support is improved, the handling becomes good, the damage of the electrically insulating support can be suppressed, and the yield can be improved. Further, when the open porosity of the electrically insulating support is 30% or more, the gas flowing through the gas flow path can be efficiently supplied to the inner electrode layer, and power can be generated efficiently.
すなわち、本発明の横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックは、内側電極層、固体電解質層および外側電極層をこの順に積層してなる燃料電池セルが、ガス流路を内部に備えた電気絶縁性の支持体の表面に複数並設され、一方の前記燃料電池セルの内側電極層と、該一方の燃料電池セルに隣接する他方の前記燃料電池セルの外側電極層とが電気的に接続されて、前記複数の燃料電池セルが直列に接続されているものであって、前記支持体は、Niと、MgOと、Fe2O3とを含んで構成され、前記Fe2O3の含有量が支持体総量に対して0.2モル%以下であるとともに、開気孔率が30%以上であることを特徴とする。 That is, the horizontally-striped solid oxide fuel cell stack of the present invention has a fuel cell formed by laminating an inner electrode layer, a solid electrolyte layer, and an outer electrode layer in this order. The inner electrode layer of one of the fuel battery cells is electrically connected to the outer electrode layer of the other fuel battery cell adjacent to the one fuel battery cell. The plurality of fuel cells are connected in series, and the support is configured to include Ni, MgO, and Fe 2 O 3, and the content of Fe 2 O 3 Is 0.2 mol% or less with respect to the total amount of the support, and the open porosity is 30% or more.
また、本発明の横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックは、前記支持体を構成するMgOに対するNiのモル%の比(Ni/MgO)が0.15〜0.25の範囲であるのが好ましく、これにより、発電時において支持体の先端部が破損することを抑制することができる。 Further, in the horizontally-striped solid oxide fuel cell stack according to the present invention, the molar ratio of Ni to MgO constituting the support (Ni / MgO) is in the range of 0.15 to 0.25. Preferably, it can suppress that the front-end | tip part of a support body is damaged by this at the time of electric power generation.
本発明の横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックは、電気絶縁性の支持体を構成するNiの含有量が支持体総量に対して10〜20モル%とするのが好ましく、これにより、都市ガス、メタンガス等の還元ガスの改質を十分に行うことができる。 In the horizontally-striped solid oxide fuel cell stack of the present invention, the content of Ni constituting the electrically insulating support is preferably 10 to 20 mol% based on the total amount of the support. Reforming gas such as gas and methane gas can be sufficiently reformed.
本発明の横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックは、支持体を中空平板状とするのが好ましく、これにより、支持体上に積層する燃料電池セルの面積を大きくすることができることから、所定の発電量を得るにあたり、セルスタックの本数を減らすことができる。 In the horizontally-striped solid oxide fuel cell stack of the present invention, the support is preferably formed into a hollow flat plate shape, which can increase the area of the fuel cell stacked on the support. Therefore, the number of cell stacks can be reduced.
本発明の燃料電池は、上述した燃料電池セルスタックを収納容器内に複数収納してなることから、信頼性を向上した燃料電池とすることができる。 Since the fuel cell according to the present invention includes a plurality of the above-described fuel cell stacks in a storage container, the fuel cell can be improved in reliability.
本発明によれば、電気絶縁性の支持体を、Niと、MgOと、Fe2O3とを含んで構成し、Fe2O3の含有量を0.2モル%以下とするので、支持体の強度を向上することができる。しかも前記支持体の開気孔率を30%以上とするので、ガス流路を流れるガスを内側電極層に効率よく供給して発電を行なうことができる。 According to the present invention, the electrically insulating support includes Ni, MgO, and Fe 2 O 3, and the content of Fe 2 O 3 is 0.2 mol% or less. The strength of the body can be improved. Moreover, since the open porosity of the support is 30% or more, power can be generated by efficiently supplying the gas flowing in the gas flow path to the inner electrode layer.
以下、本発明の横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック(以下、セルスタックと略する場合がある。)の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。図1は、本実施形態にかかるセルスタックの一部を拡大して示す縦断面図であり、図2はその横断面図である。 Hereinafter, an embodiment of a horizontal stripe type solid oxide fuel cell stack (hereinafter sometimes abbreviated as a cell stack) of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is an enlarged longitudinal sectional view showing a part of a cell stack according to the present embodiment, and FIG. 2 is a lateral sectional view thereof.
図1および図2に示すように、本実施形態にかかる横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック(以下、セルスタックと略す場合がある。)は、内部にガス流路12を有するとともに、電気絶縁性の支持体11の表面に、複数個の燃料電池セル13が所定間隔で並設されている。 As shown in FIG. 1 and FIG. 2, a horizontally-striped solid oxide fuel cell stack (hereinafter sometimes abbreviated as “cell stack”) according to the present embodiment has a gas flow path 12 therein and an electric circuit. A plurality of fuel cells 13 are arranged in parallel at a predetermined interval on the surface of the insulating support 11.
燃料電池セル13は、内側電極層としての燃料極層13a、固体電解質層13bおよび外側電極層としての空気極層13cを、支持体11の表面にこの順で順次積層して構成されている。また、互いに隣接する燃料電池セル13は、セル間接続部材としてのインターコネクタ14により電気的に接続されている。すなわち、一方の燃料電池セル13の燃料極層13aと他方の燃料電池セル13の空気極層13cとがインターコネクタ14により、支持体11の長手方向において、直列に接続された構造となっている。 The fuel battery cell 13 is configured by sequentially laminating a fuel electrode layer 13a as an inner electrode layer, a solid electrolyte layer 13b, and an air electrode layer 13c as an outer electrode layer on the surface of the support 11 in this order. Adjacent fuel cells 13 are electrically connected by an interconnector 14 as an inter-cell connecting member. That is, the fuel electrode layer 13 a of one fuel cell 13 and the air electrode layer 13 c of the other fuel cell 13 are connected in series in the longitudinal direction of the support 11 by the interconnector 14. .
このようなセルスタックは、ガス流路12内に水素を含有する燃料ガスを流して支持体11を還元雰囲気に曝し、また空気極層13cの表面に空気などの酸素含有ガスを流して空気極層13cを酸化雰囲気に曝すことにより、燃料極層13aおよび空気極層13cにおいて、上述した式(1)および式(2)で示す電極反応が生じ、両極間に電位差が発生し、発電することができる。 In such a cell stack, a fuel gas containing hydrogen is caused to flow into the gas flow path 12 to expose the support 11 to a reducing atmosphere, and an oxygen-containing gas such as air is caused to flow on the surface of the air electrode layer 13c. By exposing the layer 13c to an oxidizing atmosphere, the electrode reaction represented by the above-described formulas (1) and (2) occurs in the fuel electrode layer 13a and the air electrode layer 13c, and a potential difference is generated between the two electrodes to generate power. Can do.
支持体11は中空平板状に形成され、その内部には隔壁11aで隔てられた複数(図2においては6個)のガス流路12が設けられている。支持体11を中空平板状とすることにより、支持体11の体積当たりの燃料電池セル13の面積を増加することができ、セルスタックの体積当たりの発電量を大きくすることができる。そのため、必要とする発電量を得るためのセルスタックの個数・容積を低減することができる。その結果、構造が簡易になり、組み立てが簡単になるとともに、燃料電池(横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック)の信頼性を向上させることができる。また、支持体11の内部に複数のガス流路12が設けられていることにより、支持体11の構造強度を向上させることができ、セルスタックの機械強度を高めることができる。 The support 11 is formed in a hollow flat plate shape, and a plurality (six in FIG. 2) of gas flow paths 12 separated by a partition wall 11a are provided therein. By making the support 11 have a hollow plate shape, the area of the fuel cell 13 per volume of the support 11 can be increased, and the amount of power generation per volume of the cell stack can be increased. Therefore, the number and volume of cell stacks for obtaining the required power generation amount can be reduced. As a result, the structure is simplified, the assembly is simplified, and the reliability of the fuel cell (horizontal stripe solid oxide fuel cell stack) can be improved. Further, since the plurality of gas flow paths 12 are provided inside the support 11, the structural strength of the support 11 can be improved, and the mechanical strength of the cell stack can be increased.
支持体11は、燃料電池セル13との電気的ショートを防止する観点から、通常、電気抵抗値10Ω・cm以上の範囲に設定することが好ましい。前記電気抵抗値は、角柱状の試料片の両端部に電圧、電流の両端子を接続する4端子法により測定することができる。 From the viewpoint of preventing an electrical short circuit with the fuel cell 13, the support 11 is usually preferably set in a range of an electric resistance value of 10 Ω · cm or more. The electric resistance value can be measured by a four-terminal method in which both terminals of voltage and current are connected to both ends of a prismatic sample piece.
支持体11は、一対の平坦部nとそれらの両端を繋ぐ弧状部mとを有し、断面における長径の寸法(両端の弧状部m間の距離に相当)は、例えば、15mm〜50mm、その短径寸法(一対の平坦部n間の距離に相当)は、例えば、2mm〜4mmの範囲とすることができる。 The support 11 has a pair of flat portions n and arc-shaped portions m connecting both ends thereof, and the major axis dimension in the cross section (corresponding to the distance between the arc-shaped portions m at both ends) is, for example, 15 mm to 50 mm, The minor axis dimension (corresponding to the distance between the pair of flat portions n) can be set in the range of 2 mm to 4 mm, for example.
ここで、本実施形態における支持体11は、Niと、MgOと、Fe2O3とを含んで構成され、Fe2O3の含有量が支持体11の総量に対して0.2モル%以下である。なお、NiはNiOとして含有することもできる(NiOは、発電時には、通常、水素ガスにより還元されてNiとして存在する)。これにより、セルスタックの製造工程において、支持体成形体を900℃〜1200℃程度で仮焼した場合に、支持体11の強度を向上することができ、ハンドリングを良好とすることができる。それにより、支持体11が破損することを抑制でき、歩留まりを改善することができる。 Here, the support 11 in the present embodiment is configured to include Ni, MgO, and Fe 2 O 3, and the content of Fe 2 O 3 is 0.2 mol% with respect to the total amount of the support 11. It is as follows. Ni can also be contained as NiO (NiO is usually reduced by hydrogen gas and present as Ni during power generation). Thereby, in the manufacturing process of a cell stack, when the support molded body is calcined at about 900 ° C. to 1200 ° C., the strength of the support 11 can be improved and the handling can be improved. Thereby, it can suppress that the support body 11 breaks, and can improve a yield.
一方、支持体11がFe2O3を含んでいないと、支持体11の強度を向上させることが難しい。また、Fe2O3の含有量が0.2モル%よりも多いと、支持体11の強度は向上するものの、下記で説明する支持体11の開気孔率が30%未満になり、効率よく発電を行うことができない。 On the other hand, if the support 11 does not contain Fe 2 O 3 , it is difficult to improve the strength of the support 11. Further, when the content of Fe 2 O 3 is more than 0.2 mol%, the strength of the support 11 is improved, but the open porosity of the support 11 described below is less than 30%, which is efficient. It cannot generate electricity.
本実施形態における支持体11の開気孔率は、30%以上である。これにより、ガス流路12内を流れる燃料ガスを燃料極層13aの表面まで効率よく流通させて燃料利用率を向上させることができ、セルスタックでの発電量を向上させることができる。それにより、所定の発電量を得るにあたり、セルスタックの本数を減らすことができる。また、燃料利用率をさらに向上させるにあたっては、支持体11の開気孔率を32%以上とすることがより好ましい。なお、支持体11の開気孔率は、45%以下とするのが好ましい。支持体11の気孔率が45%より大きい場合には、支持体11の強度が低下する場合があり、さらには支持体11の表面に燃料電池セル13を配置してなるセルスタックをガス流路12に燃料ガス等を供給するためのマニホールドに固定した場合に、セルスタック(支持体11)の下端側(マニホールド側)に割れが生じる場合がある。特に、支持体11の開気孔率は30〜37%が好ましく、32〜37%がより好ましい。 The open porosity of the support 11 in this embodiment is 30% or more. Thereby, the fuel gas which flows through the gas flow path 12 can be efficiently circulated to the surface of the fuel electrode layer 13a, the fuel utilization rate can be improved, and the power generation amount in the cell stack can be improved. Thereby, the number of cell stacks can be reduced in obtaining a predetermined power generation amount. In order to further improve the fuel utilization rate, the open porosity of the support 11 is more preferably 32% or more. The open porosity of the support 11 is preferably 45% or less. When the porosity of the support 11 is greater than 45%, the strength of the support 11 may decrease, and further, a cell stack in which the fuel cells 13 are arranged on the surface of the support 11 is used as a gas flow path. 12 is fixed to a manifold for supplying fuel gas or the like, cracks may occur on the lower end side (manifold side) of the cell stack (support 11). In particular, the open porosity of the support 11 is preferably 30 to 37%, more preferably 32 to 37%.
開気孔率は、アルキメデス法に従って算出することができる。開気孔率を所定の値にするには、例えば後述する支持体成形体51を作製する際に添加する焼失材等の量を調整することによって、任意に行うことができる。 The open porosity can be calculated according to the Archimedes method. The open porosity can be arbitrarily set, for example, by adjusting the amount of burned material added when producing the support molded body 51 described later.
ところで、上述したようなセルスタックを収納してなる燃料電池を用いて発電試験を行った際に、支持体11の先端部が破壊する場合がある。これは、支持体11の強度は十分なものの、先端部はセルスタック外周部に供給される酸素含有ガスが逆拡散を起こしやすく、そのため、一旦還元雰囲気に曝された支持体11が再酸化を引き起し、支持体11を構成するNiとNiOとの間の組成変化で体積膨張を起こして先端部破壊につながるものと推察できる。 By the way, when a power generation test is performed using a fuel cell containing the cell stack as described above, the tip of the support 11 may be broken. This is because the strength of the support 11 is sufficient, but the oxygen-containing gas supplied to the outer peripheral portion of the cell stack tends to back-diffusion at the tip, so that the support 11 once exposed to the reducing atmosphere is reoxidized. It can be inferred that this causes the expansion of the volume due to the composition change between Ni and NiO constituting the support 11 and leads to the destruction of the tip.
それゆえ、本実施形態のセルスタックにおいては、さらに支持体11を構成するMgOに対するNiのモル%の比(Ni/MgO)を0.15〜0.25の範囲とすることが好ましい。それにより、支持体11の改質能力を保持した上で、還元から再酸化への環境変化の状態において体積変化により支持体11の破壊が起こるのを抑制することができる。 Therefore, in the cell stack of this embodiment, it is preferable that the ratio (Ni / MgO) of Ni to MgO constituting the support 11 is in the range of 0.15 to 0.25. Thereby, it is possible to suppress the destruction of the support 11 due to the volume change in the state of the environmental change from the reduction to the re-oxidation while maintaining the reforming ability of the support 11.
また、支持体11を構成するNiの割合を、支持体11の総量に対して10〜20モル%とするのが好ましい。これにより、都市ガス、メタンガス等の還元ガスの改質を十分に行うことができる。なお、支持体11は、さらに後述する燃料極層13aや固体電解質層13b等の部材との熱膨脹率を整合させる目的でY2O3を含有することが好ましい。 Moreover, it is preferable that the ratio of Ni constituting the support 11 is 10 to 20 mol% with respect to the total amount of the support 11. Thereby, reforming | reforming gas, such as city gas and methane gas, can fully be performed. The support 11 preferably further contains Y 2 O 3 for the purpose of matching the thermal expansion coefficient with members such as a fuel electrode layer 13a and a solid electrolyte layer 13b described later.
このような支持体11の表面に形成される燃料電池セル13は、内側電極層としての燃料極層13a、固体電解質層13bおよび外側電極層としての空気極層13cを、支持体11の表面にこの順で順次積層して構成されている。また、互いに隣接する燃料電池セル13は、インターコネクタ14により電気的に接続されている。すなわち、一方の燃料電池セル13の燃料極層13aと他方の燃料電池セル13の空気極層13cとがインターコネクタ14により、支持体11の長手方向において、直列に接続された構造となっている。それにより、セルスタック当りの発電電圧を高くすることができ、少ない燃料電池セル数で高い電圧を得ることができる。 The fuel cell 13 formed on the surface of the support 11 has a fuel electrode layer 13a as an inner electrode layer, a solid electrolyte layer 13b, and an air electrode layer 13c as an outer electrode layer on the surface of the support 11. The layers are sequentially stacked in this order. Adjacent fuel cells 13 are electrically connected by an interconnector 14. That is, the fuel electrode layer 13 a of one fuel cell 13 and the air electrode layer 13 c of the other fuel cell 13 are connected in series in the longitudinal direction of the support 11 by the interconnector 14. . Thereby, the power generation voltage per cell stack can be increased, and a high voltage can be obtained with a small number of fuel cells.
燃料極層13aは、例えば、希土類元素が固溶しているZrO2(安定化ジルコニア)と、Niとからなる多孔質の導電性サーメットで形成することができる。また、後述する固体電解質層13bの材料を用いることもできる。燃料極層13aにおいて、安定化ジルコニアの配合割合は、燃料極層13aの総量に対して、35体積%〜65体積%の範囲が好ましく、Niの配合割合はNiO換算で、燃料極層13aの総量に対して、35体積%〜65体積%の範囲が好ましい。また、燃料極層13aは、その開気孔率を、例えば15%以上、さらには20%〜40%の範囲とするのが好ましく、その厚みを良好な集電性能を発揮させるため、例えば、1μm〜100μmの範囲とすることが好ましい。 The fuel electrode layer 13a can be formed of, for example, a porous conductive cermet made of ZrO 2 (stabilized zirconia) in which a rare earth element is dissolved and Ni. Moreover, the material of the solid electrolyte layer 13b described later can also be used. In the fuel electrode layer 13a, the blending ratio of the stabilized zirconia is preferably in the range of 35% by volume to 65% by volume with respect to the total amount of the fuel electrode layer 13a, and the blending ratio of Ni is calculated in terms of NiO in the fuel electrode layer 13a. The range of 35 volume%-65 volume% is preferable with respect to the total amount. In addition, the fuel electrode layer 13a preferably has an open porosity of, for example, 15% or more, more preferably in the range of 20% to 40%. It is preferable to be in a range of ˜100 μm.
固体電解質層13bは、希土類元素またはその酸化物を固溶させたZrO2からなる安定化ZrO2からなる緻密質のセラミックスで構成することができる。ここで、固溶させ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が挙げられる。なお安価であるという点から、Y、Yb、またはこれらの酸化物であるY2O3、Yb2O3を用いることが好ましい。より具体的には、固体電解質層13bとして、8モル%のYが固溶している安定化ZrO2(8モル% Yttria Stabilized Zirconia、以下「8YSZ」と言う。)が挙げられる。また、収縮率が8YSZとほぼ等しいランタンガレート系(LaGaO3系)を用いることもできる。 The solid electrolyte layer 13b may be composed of a dense ceramic made of stabilized ZrO 2 composed of ZrO 2 which was a solid solution of a rare earth element or its oxide. Here, examples of the rare earth element to be dissolved include Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu. From the viewpoint of being inexpensive, it is preferable to use Y, Yb, or Y 2 O 3 or Yb 2 O 3 which is an oxide thereof. More specifically, the solid electrolyte layer 13b includes stabilized ZrO 2 (8 mol% Yttria Stabilized Zirconia, hereinafter referred to as “8YSZ”) in which 8 mol% Y is dissolved. Alternatively, a lanthanum gallate system (LaGaO 3 system) having a shrinkage rate substantially equal to 8YSZ can be used.
固体電解質層13bは、その厚みを10μm〜100μmとすることが好ましく、また相対密度(アルキメデス法による)を93%以上、さらには95%以上の範囲に設定することが好ましい。このような固体電解質層13bは、電極間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有すると同時に、燃料ガスまたは酸素含有ガスのリーク(ガス透過)を防止するためにガス遮断性を有している。 The thickness of the solid electrolyte layer 13b is preferably 10 μm to 100 μm, and the relative density (according to Archimedes method) is preferably set to 93% or more, more preferably 95% or more. Such a solid electrolyte layer 13b has a function as an electrolyte for bridging electrons between electrodes, and at the same time has a gas barrier property to prevent leakage of fuel gas or oxygen-containing gas (gas permeation). Yes.
空気極層13cは、導電性セラミックスから形成される。導電性セラミックスとしては、例えば、ABO3型のペロブスカイト型酸化物が挙げられる。このようなペロブスカイト型酸化物としては、例えば、遷移金属型ペロブスカイト酸化物、好ましくは、LaMnO3系酸化物、LaFeO3系酸化物、LaCoO3系酸化物など、特にAサイトにLaを有する遷移金属型ペロブスカイト酸化物を用いることができる。なお、600℃〜1000℃程度の比較的低温での電気伝導性が高いという観点から、LaCoO3系酸化物を用いることが好ましい。また、前記したペロブスカイト型酸化物において、AサイトにLaおよびSrが共存してもよく、また、BサイトにFe、CoおよびMnが共存してもよい。 The air electrode layer 13c is formed from conductive ceramics. Examples of the conductive ceramic include ABO 3 type perovskite oxide. Examples of such perovskite oxides include transition metal perovskite oxides, preferably LaMnO 3 -based oxides, LaFeO 3 -based oxides, LaCoO 3 -based oxides, etc., particularly transition metals having La at the A site. A type perovskite oxide can be used. From the viewpoint of high electrical conductivity at a relatively low temperature of about 600 ° C. to 1000 ° C., it is preferable to use a LaCoO 3 -based oxide. In the perovskite oxide described above, La and Sr may coexist at the A site, and Fe, Co, and Mn may coexist at the B site.
このような空気極層13cは、前記した式(1)の電極反応を生ずることができる。また、空気極層13cは、その開気孔率が、例えば、20%以上、さらには30%〜50%の範囲に設定することが好ましい。空気極層13cの開気孔率をこの範囲内とすることにより、空気極層13cが良好なガス透過性を有することができる。さらに、空気極層13cの厚みを、例えば、30μm〜100μmの範囲に設定することにより、空気極層13cが良好な集電性を有することができる。 Such an air electrode layer 13c can cause the electrode reaction of the above-described formula (1). Moreover, it is preferable that the open porosity of the air electrode layer 13c is set in a range of, for example, 20% or more, and further 30% to 50%. By setting the open porosity of the air electrode layer 13c within this range, the air electrode layer 13c can have good gas permeability. Furthermore, by setting the thickness of the air electrode layer 13c to, for example, a range of 30 μm to 100 μm, the air electrode layer 13c can have good current collecting properties.
インターコネクタ14は、一方の燃料電池セル13の燃料極層13aと他方の燃料電池セル13の空気極層13cとを電気的に接続するものであり、導電性セラミックスから形成することができる。このような導電性セラミックスとしては、例えば、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物(LaCrO3系酸化物)が挙げられる。LaCrO3系酸化物は、耐還元性、耐酸化性が良好であるため、インターコネクタ14の腐食や劣化を有効に抑制することができる。 The interconnector 14 electrically connects the fuel electrode layer 13a of one fuel battery cell 13 and the air electrode layer 13c of the other fuel battery cell 13, and can be formed from conductive ceramics. Examples of such conductive ceramics include lanthanum chromite-based perovskite oxides (LaCrO 3 -based oxides). Since the LaCrO 3 oxide has good reduction resistance and oxidation resistance, corrosion and deterioration of the interconnector 14 can be effectively suppressed.
また、インターコネクタ14を形成する導電性セラミックスは、その相対密度(アルキメデス法)が、例えば、93%以上、さらには95%以上の範囲に設定することが好ましい。相対密度をこの範囲に設定することにより導電性セラミックスを緻密質とすることができ、支持体11内のガス流路12を通る燃料ガスと空気極層13cの外部を通る酸素含有ガスとのリークを有効に抑制することができる。また、このインターコネクタ14と固体電解質層13bとの接続部に、適宜、Y2O3などの接合層を介在させることにより、シール性を向上させることもできる。 Further, the conductive ceramic forming the interconnector 14 is preferably set to have a relative density (Archimedes method) in a range of, for example, 93% or more, and more preferably 95% or more. By setting the relative density within this range, the conductive ceramic can be made dense, and the leakage of the fuel gas passing through the gas flow path 12 in the support 11 and the oxygen-containing gas passing through the outside of the air electrode layer 13c. Can be effectively suppressed. Further, by appropriately interposing a bonding layer such as Y 2 O 3 in the connecting portion between the interconnector 14 and the solid electrolyte layer 13b, the sealing performance can be improved.
なお、前記した実施形態において、支持体11の表面に形成される燃料電池セル13は、内側電極層が燃料極層13aであって、外側電極層が空気極層13cである多層構造の例を示しているが、両電極層の位置関係を逆としてもよい。すなわち、支持体11の表面に、空気極層13c、固体電解質層13bおよび燃料極層13aをこの順で順次積層した燃料電池セル13を配置することもできる。この場合、支持体11のガス流路12内には、空気などの酸素含有ガスを流通させ、外側電極層としての燃料極層13aの表面には、水素含有ガスなどの燃料ガスを流通させる。 In the embodiment described above, the fuel cell 13 formed on the surface of the support 11 has an example of a multilayer structure in which the inner electrode layer is the fuel electrode layer 13a and the outer electrode layer is the air electrode layer 13c. Although shown, the positional relationship between both electrode layers may be reversed. That is, the fuel cell 13 in which the air electrode layer 13c, the solid electrolyte layer 13b, and the fuel electrode layer 13a are sequentially laminated in this order can be disposed on the surface of the support 11. In this case, an oxygen-containing gas such as air is circulated in the gas flow path 12 of the support 11, and a fuel gas such as a hydrogen-containing gas is circulated on the surface of the fuel electrode layer 13a as the outer electrode layer.
次に、前記した横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックを複数個接続したもの(以降、本明細書においてバンドルと言う。)について、図3を参照して説明する。 Next, a structure in which a plurality of horizontal stripe solid oxide fuel cell stacks described above are connected (hereinafter referred to as a bundle in the present specification) will be described with reference to FIG.
図3は、上述したセルスタックを複数(2個)組み合わせたバンドルにおける端部(セルスタックの端部)を拡大して示す縦断面図である。図3に示すように、互いのセルスタックは、集電部材19を介して互いに電気的に接続されている。 FIG. 3 is an enlarged longitudinal sectional view showing an end portion (end portion of the cell stack) in a bundle in which a plurality (two) of the cell stacks described above are combined. As shown in FIG. 3, the cell stacks are electrically connected to each other via a current collecting member 19.
すなわち、セルスタックの端部において、セルスタック間接続部材15は、一方のセルスタックの端部に設けられるとともに、一方のセルスタックを構成する燃料電池セル13の燃料極層13aと導通している。また、セルスタック間接続部材15は、他方のセルスタックの端部において、集電部材19を介して、他方の燃料電池セル13の空気極層13cと導通している。 That is, at the end portion of the cell stack, the inter-cell stack connecting member 15 is provided at the end portion of one cell stack and is electrically connected to the fuel electrode layer 13a of the fuel cell 13 constituting the one cell stack. . In addition, the inter-cell stack connecting member 15 is electrically connected to the air electrode layer 13 c of the other fuel cell 13 through the current collecting member 19 at the end of the other cell stack.
このように、複数個のセルスタックを集電部材19を介して互いに電気的に接続することにより、セルスタックを密に配置することができるため、発電量当たりのセルスタックの体積を小さくすることができる。そのため、小型で、熱効率の高いセルスタックを提供することができる。 As described above, since the cell stacks can be arranged densely by electrically connecting the plurality of cell stacks via the current collecting member 19, the volume of the cell stack per power generation amount can be reduced. Can do. Therefore, a small and highly efficient cell stack can be provided.
なお、セルスタック間接続部材15は、一方のセルスタックの燃料極層13aと他方のセルスタックの空気極層13cとを電気的に接続するものであれば特に制限されず、例えば、インターコネクタ14と同様の材料から形成することができる。 The inter-cell stack connecting member 15 is not particularly limited as long as it electrically connects the fuel electrode layer 13a of one cell stack and the air electrode layer 13c of the other cell stack. For example, the interconnector 14 It can be formed from the same material.
また、集電部材19は、他方のセルスタックを構成する燃料電池セルの空気極層13cと導通するとともに、インターコネクタ14と空気極層13cとを電気的に接続するものであれば特に制限されず、例えば、耐熱性金属、導電性セラミックスなどから形成することができる。具体的には、例えば、金属フェルトおよび/または耐熱金属板、無機材料などが挙げられ、耐熱性、耐酸化性、電気伝導性という点から、Pt、Ag、Ni合金およびFe−Cr鋼合金の少なくとも1種を用いることが好ましい。 The current collecting member 19 is particularly limited as long as it is electrically connected to the air electrode layer 13c of the fuel cell constituting the other cell stack and electrically connects the interconnector 14 and the air electrode layer 13c. For example, it can be formed from a heat-resistant metal, conductive ceramics, or the like. Specifically, for example, a metal felt and / or a heat-resistant metal plate, an inorganic material, and the like are mentioned. From the viewpoint of heat resistance, oxidation resistance, and electrical conductivity, Pt, Ag, Ni alloy, and Fe—Cr steel alloy are used. It is preferable to use at least one kind.
また、集電部材19と、セルスタック間接続部材15および空気極層13cとの接続部に、AgやPtなどの貴金属を含有するペーストなどの導電性接着剤を塗布することにより、集電部材19の接続信頼性を向上させることもできる。なお、燃料極層13aが、外部電極層として形成されている場合には、集電部材19としては、例えば、Niフェルトから形成することができる。また、導電性接着剤としては、Ni金属を含有するペーストを例示することができる。 Further, by applying a conductive adhesive such as a paste containing a noble metal such as Ag or Pt to the connecting portion between the current collecting member 19, the inter-cell stack connecting member 15 and the air electrode layer 13c, the current collecting member The connection reliability of 19 can also be improved. When the fuel electrode layer 13a is formed as an external electrode layer, the current collecting member 19 can be formed from, for example, Ni felt. Moreover, as a conductive adhesive, the paste containing Ni metal can be illustrated.
図4は、前記したセルスタックを複数(3個)組み合わせたバンドルを示す縦断面図である。なお、図4では、燃料電池セル13およびインターコネクタ14、セルスタック間接続部材15を簡略化して示す。 FIG. 4 is a longitudinal sectional view showing a bundle in which a plurality (three) of the cell stacks described above are combined. In FIG. 4, the fuel cell 13, the interconnector 14, and the inter-cell stack connecting member 15 are shown in a simplified manner.
一方のセルスタックの端部のセルスタック間接続部材15と、他方のセルスタックの端部の空気極層13cとの間に集電部材19を介在させることにより、一方のセルスタックの支持体11の表面に形成された燃料極層13aは、セルスタック間接続部材15および集電部材19を介して、他方の燃料電池セルの空気極層13cに電気的に接続されている。また図4において、導電部材20は、セルスタックで発生した電力を取り出すための部材であり、これにより複数個のセルスタックで発電された電力を容易に引き出すことができる。 A current collecting member 19 is interposed between the inter-cell stack connecting member 15 at the end of one cell stack and the air electrode layer 13c at the end of the other cell stack, thereby supporting the support 11 of one cell stack. The fuel electrode layer 13a formed on the surface is electrically connected to the air electrode layer 13c of the other fuel battery cell via the inter-cell stack connecting member 15 and the current collecting member 19. In FIG. 4, the conductive member 20 is a member for taking out the electric power generated in the cell stack, whereby the electric power generated in the plurality of cell stacks can be easily drawn out.
そして、本発明の燃料電池は、上述したセルスタックの複数個を、収納容器内に収納して構成される。それにより、収納容器内にセルスタックを密に配置することができることから、発電量当たりの燃料電池の体積を小さくすることができ、小型で、熱効率の高い燃料電池を提供することができる。 The fuel cell of the present invention is configured by storing a plurality of the above-described cell stacks in a storage container. Accordingly, since the cell stack can be densely arranged in the storage container, the volume of the fuel cell per power generation amount can be reduced, and a small and highly efficient fuel cell can be provided.
なお、収納容器としては、外部から水素含有ガスなどの燃料ガスおよび空気などの酸素含有ガスを収納容器内に導入する導入管が設けられているほか、セルスタックの発電により使用された後の燃料ガスや酸素含有ガス(余剰のガス)を排気するための排気部を具備していることが好ましい。 The storage container is provided with an introduction pipe for introducing a fuel gas such as a hydrogen-containing gas and an oxygen-containing gas such as air from the outside into the storage container, and the fuel after being used by the power generation of the cell stack. It is preferable to have an exhaust part for exhausting gas or oxygen-containing gas (excess gas).
次に、前記した本実施形態にかかるセルスタックの製造方法について、図5から図8を参照して、説明する。
まず、図5に示すような支持体成形体51を作製する。なお支持体成形体51の構成成分であるNiとしてNiOを用いて作製する例を示す。支持体成形体51の材料としては、例えば平均粒径(D50)(以下、単に「平均粒径」と言う。)が0.1〜10.0μmのNiO粉末を10〜20モル%、平均粒径0.1〜5μmのFe2O3を0.2モル%以下、平均粒径0.5〜5μmのY2O3粉末を10〜15モル%、平均粒径0.5〜5μmのMgO粉末を65〜80モル%の割合で配合して混合する。前記割合は、支持体成形体51(すなわち支持体11)の総量に対する割合である。前記平均粒径は、レーザー回折散乱法を用いた粒度分布の測定で得られる値である。
Next, a method of manufacturing the cell stack according to the above-described embodiment will be described with reference to FIGS.
First, a support molded body 51 as shown in FIG. 5 is produced. An example in which NiO is used as Ni as a constituent component of the support molded body 51 is shown. Examples of the material of the support molded body 51 include 10 to 20 mol% of NiO powder having an average particle diameter (D50) (hereinafter simply referred to as “average particle diameter”) of 0.1 to 10.0 μm, and an average particle diameter. 0.2 to 0.1 mol% Fe 2 O 3 having a diameter of 0.1 to 5 μm, 10 to 15 mol% of Y 2 O 3 powder having an average particle diameter of 0.5 to 5 μm, and MgO having an average particle diameter of 0.5 to 5 μm The powder is blended at a ratio of 65 to 80 mol% and mixed. The said ratio is a ratio with respect to the total amount of the support body molded body 51 (namely, the support body 11). The average particle diameter is a value obtained by measurement of particle size distribution using a laser diffraction scattering method.
この混合粉末に、焼失材と、セルロース系有機バインダーと、水とからなる溶媒とを混合し押し出し成形して、図5に示すように内部にガス流路52を有する中空平板状で、扁平状の支持体成形体51を作製し、これを乾燥後900℃〜1200℃にて仮焼処理する。 The mixed powder is mixed with a burned material, a cellulose organic binder, and a solvent composed of water and extruded to form a hollow flat plate having a gas flow passage 52 therein, as shown in FIG. The support body molded body 51 was prepared, and this was dried and calcined at 900 ° C. to 1200 ° C.
ここで、支持体11の開気孔率を30%以上とするには、前記焼失材を、支持体成形体51(すなわち支持体11)の総量に対して10〜20重量%の割合で添加するのが好ましい。また、前記焼失材の平均粒径としては、5〜30μmであるのが好ましい。なお、焼失材としては有機系の樹脂(例えば、アクリル系の樹脂、ポリエチレン系の樹脂等)を用いることができる。 Here, in order to set the open porosity of the support 11 to 30% or more, the burnout material is added at a ratio of 10 to 20% by weight with respect to the total amount of the support molded body 51 (that is, the support 11). Is preferred. The average particle size of the burned material is preferably 5 to 30 μm. An organic resin (for example, an acrylic resin, a polyethylene resin, or the like) can be used as the burnout material.
次いで、燃料極層材料および固体電解質層材料を作製する。例えば、NiO粉末と、Y2O3などの希土類元素酸化物が固溶したZrO2粉末とを混合し、これに焼失材を添加し、アクリル系バインダーとトルエンとを混合してスラリーとし、ドクターブレード法にてスラリーを塗布して乾燥し、図6(a)に示すように、厚さ80μm〜120μmの燃料極層テープ53aを作製する。 Next, a fuel electrode layer material and a solid electrolyte layer material are produced. For example, a NiO powder and a ZrO 2 powder in which a rare earth element oxide such as Y 2 O 3 is dissolved are mixed, a burned-out material is added thereto, and an acrylic binder and toluene are mixed to form a slurry. The slurry is applied by a blade method and dried to produce a fuel electrode layer tape 53a having a thickness of 80 μm to 120 μm, as shown in FIG.
別途、8YSZに、アクリル系バインダーとトルエンを混合してスラリーとし、ドクターブレード法にてスラリーを塗布して乾燥し、図6(a)に示すように、厚さ10μm〜50μmの固体電解質層テープ53bを作製する。 Separately, 8YSZ is mixed with an acrylic binder and toluene to form a slurry, and the slurry is applied by a doctor blade method and dried. As shown in FIG. 6A, a solid electrolyte layer tape having a thickness of 10 μm to 50 μm. 53b is produced.
次に、図6(b)に示すように、燃料極層テープ53aと固体電解質層テープ53bとを、両者の重なり合わない部分が、それぞれの端部から幅1mm〜5mmとなるように重ね合わせ、図6(c)に示すように貼り合せる。 Next, as shown in FIG. 6 (b), the fuel electrode layer tape 53a and the solid electrolyte layer tape 53b are overlapped so that the portions where they do not overlap each other have a width of 1 mm to 5 mm. And bonding as shown in FIG.
その後、図7(a)に示すように、図6(c)にて貼り合わせた燃料極層テープ53aと固体電解質層テープ53bを、燃料極層テープ53a側を下にして仮焼した支持体仮焼体51に横縞状に貼り付ける。これを繰り返し行い、支持体仮焼体51表面に複数の燃料極層テープ53aおよび固体電解質層テープ53bの積層体を貼り付ける。なお、このとき一方の燃料極層テープ53aおよび固体電解質層テープ53bの積層体と、他方の燃料極層テープ53aおよび固体電解質層テープ53bの積層体とは、幅3mm〜20mmの間隔をあけて配置する。次に、これらの積層体を貼り付けた状態で、支持体成形体51を乾燥し、その後900℃〜1300℃の温度範囲で仮焼する。 Thereafter, as shown in FIG. 7A, the fuel electrode layer tape 53a and the solid electrolyte layer tape 53b bonded in FIG. 6C are calcined with the fuel electrode layer tape 53a side down. Affixed to the calcined body 51 in a horizontal stripe pattern. This is repeated, and a laminate of a plurality of fuel electrode layer tapes 53a and solid electrolyte layer tape 53b is attached to the surface of the support calcined body 51. At this time, the laminate of one fuel electrode layer tape 53a and the solid electrolyte layer tape 53b and the laminate of the other fuel electrode layer tape 53a and the solid electrolyte layer tape 53b are spaced from each other by a width of 3 mm to 20 mm. Deploy. Next, the support body molded body 51 is dried in a state where these laminates are adhered, and then calcined in a temperature range of 900 ° C. to 1300 ° C.
次に、インターコネクタ成形体54、セルスタック間接続部材成形体59を形成する。なお、インターコネクタ14とセルスタック間接続部材15とは同じ材料を用いることができるので、ここでは同じ工程で両者を形成する。 Next, the interconnector molded body 54 and the inter-cell stack connecting member molded body 59 are formed. In addition, since the same material can be used for the interconnector 14 and the connection member 15 between cell stacks, both are formed in the same process here.
まず、ランタンクロマイト(LaCrO3)とポリビニルアルコール(PVA)系バインダーとで、ディップ用スラリーを作製する。次に、図7(a)に示すように、固体電解質層テープ53bの両端部を除いた部分(幅2mm〜5mm)を、マスキングテープ61でマスキングし、次いで、図7(b)に示すように、ディップ用スラリー中にディップし、インターコネクタ成形体54とセルスタック間接続部材成形体59を形成する。その後、乾燥させ、次いで、図7(c)に示すように、マスキングテープ61を除去する。その後、1450℃〜1550℃で焼成し、インターコネクタ14とセルスタック間接続部材15とが、燃料極層13aを覆い、かつ固体電解質層13bの端部に2mm〜5mm程度の幅で重なるようにする。 First, a dip slurry is prepared with lanthanum chromite (LaCrO 3 ) and a polyvinyl alcohol (PVA) binder. Next, as shown in FIG. 7A, the portion (width 2 mm to 5 mm) excluding both ends of the solid electrolyte layer tape 53b is masked with a masking tape 61, and then as shown in FIG. 7B. Then, dip in the slurry for dip to form the interconnector molded body 54 and the inter-cell stack connecting member molded body 59. Thereafter, drying is performed, and then the masking tape 61 is removed as shown in FIG. Thereafter, firing is performed at 1450 ° C. to 1550 ° C. so that the interconnector 14 and the inter-cell stack connection member 15 cover the fuel electrode layer 13a and overlap the end portion of the solid electrolyte layer 13b with a width of about 2 mm to 5 mm. To do.
次に、図8(a)に示すように、セルスタック間接続部材15の全面と、インターコネクタ14の全面(ただし、インターコネクタ14が燃料極層13aに接続されている側の反対側の一部を除く)とを、マスキングテープ63でマスキングする。 Next, as shown in FIG. 8A, the entire surface of the inter-cell stack connecting member 15 and the entire surface of the interconnector 14 (however, one side opposite to the side where the interconnector 14 is connected to the fuel electrode layer 13a). Are masked with a masking tape 63.
次いで、図8(b)に示すように、ランタンコバルタイト(LaCoO3)とイソプロピルアルコールとを混合したスラリーをマスキングした積層体に吹き付け、厚さ10μm〜100μmの空気極層成形体53cを形成する。その後、図8(c)に示すように、マスキングテープ63を除去し、1000℃〜1200℃で熱処理を行うことにより、横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックを得ることができる。 Next, as shown in FIG. 8B, a slurry obtained by mixing lanthanum cobaltite (LaCoO 3 ) and isopropyl alcohol is sprayed onto the masked laminate to form an air electrode layer molded body 53c having a thickness of 10 μm to 100 μm. . Thereafter, as shown in FIG. 8C, the masking tape 63 is removed, and heat treatment is performed at 1000 ° C. to 1200 ° C., whereby a horizontal stripe solid oxide fuel cell stack can be obtained.
なお、以上の説明では、各層の積層を、テープ積層、ディップおよびスプレー吹きつけを併用して行ったが、本発明は、いずれかの積層法のみを用いてもよい。特に、積層時の乾燥工程が短時間であり工程の短時間化の観点から、ディップにより各層を積層することが好ましい。 In the above description, each layer is laminated using tape lamination, dip and spray spraying, but the present invention may use only any lamination method. In particular, the drying process at the time of lamination is short, and it is preferable to laminate each layer by dipping from the viewpoint of shortening the process.
以下、実施例を挙げて本発明についてさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated further in detail, this invention is not limited to a following example.
(支持体成形体の作製)
平均粒径0.5〜1.0μmのNiO粉末と、平均粒径0.8〜3.0μmのMgO粉末と、平均粒径0.3〜2μmのFe2O3と、平均粒径0.8〜1.5μmのY2O3粉末とを、表1の組成(試料No.1〜試料No.7)となるように配合して混合した。
(Preparation of support molded body)
NiO powder having an average particle size of 0.5 to 1.0 μm, MgO powder having an average particle size of 0.8 to 3.0 μm, Fe 2 O 3 having an average particle size of 0.3 to 2 μm, 8 to 1.5 μm of Y 2 O 3 powder was mixed and mixed so as to have the composition shown in Table 1 (Sample No. 1 to Sample No. 7).
それぞれの混合物に、平均粒径20μmの焼失材(アクリル系の樹脂)と、セルロース系からなる有機バインダーと、水とからなる溶媒とを配合して混合して、支持体材料を得た。なお、前記焼失材は、支持体材料の総量に対して15重量%の割合で添加した。 Each mixture was blended with a burned material (acrylic resin) having an average particle size of 20 μm, an organic binder made of cellulose, and a solvent made of water and mixed to obtain a support material. The burned-out material was added at a ratio of 15% by weight with respect to the total amount of the support material.
得られた支持体材料を押出成形して、図5に示すように、ガス流路52を内部に有する長径寸法35mm、短径寸法4.2mm、横断面が扁平状の支持体成形体51を作製し、これを乾燥した後、1200℃で脱脂・仮焼した。 As shown in FIG. 5, the obtained support material is extruded to form a support molded body 51 having a gas channel 52 inside having a major axis dimension of 35 mm, a minor axis dimension of 4.2 mm, and a flat cross section. After producing and drying, it degreased and calcined at 1200 degreeC.
仮焼した支持体成形体51の仮焼強度を3点曲げ強度〔MPa〕(JIS R1601)により測定した。その後、1485℃の条件で焼成し、焼成後の支持体の開気孔率をアルキメデス法により測定した。それぞれの結果を表1に示す。なお、仮焼強度は、試料No.1〜7の支持体成形体51を各6個用いて測定し(N=6)、その最大値および最小値を示した。開気孔率は、試料No.1〜7の支持体を各5個用いて測定し(N=5)、その平均値を示した。 The calcined strength of the calcined support molded body 51 was measured by a three-point bending strength [MPa] (JIS R1601). Then, it baked on 1485 degreeC conditions, and the open porosity of the support body after baking was measured by the Archimedes method. The results are shown in Table 1. The calcining strength is the same as that of Sample No. Measurement was carried out using six of the support molded bodies 51 of 1 to 7 (N = 6), and the maximum value and the minimum value thereof were shown. The open porosity is measured according to Sample No. The measurement was performed using 5 supports 1 to 7 (N = 5), and the average value was shown.
表1から明らかなように、Fe2O3を0.2モル%以下で含む本発明の試料No.1〜No.5の支持体51においては、仮焼強度の最小値がいずれも2MPaよりも大きい値を示し、十分な強度を保持することが確認できた。あわせて、開気孔率についてもいずれも30%以上の値を示した。 As apparent from Table 1, the sample No. of the present invention containing Fe 2 O 3 at 0.2 mol% or less is used. 1-No. In the support body 51 of No. 5, all the minimum values of the calcining strength were larger than 2 MPa, and it was confirmed that sufficient strength was maintained. In addition, all of the open porosity values were 30% or more.
一方、Fe2O3を含有しない試料No.6においては、支持体51の仮焼強度の最小値が2MPaよりも小さい値を示し、十分な強度を得られないことが確認でき、その後の製造工程において、支持体51が破損する場合があった。さらに、Fe2O3を0.2モル%よりも多く含有する試料No.7においては、支持体51の仮焼強度は十分な値を得られたものの、開気孔率が30%未満であった。 On the other hand, sample No. which does not contain Fe 2 O 3 . 6 shows that the minimum value of the calcining strength of the support 51 is less than 2 MPa, and it can be confirmed that sufficient strength cannot be obtained. In the subsequent manufacturing process, the support 51 may be damaged. It was. Furthermore, Sample No. containing Fe 2 O 3 in an amount of more than 0.2 mol%. In No. 7, the calcining strength of the support 51 was sufficient, but the open porosity was less than 30%.
(支持体成形体の作製)
表1に示す組成に代えて表2に示す組成(試料No.8〜試料No.13)にした以外は、実施例1と同様にして支持体材料を得た。この支持体材料を実施例1と同様にして押出成形し、図5に示すように、ガス流路52を内部に有する長径寸法35mm、短径寸法4.2mm、横断面が扁平状の支持体成形体51を作製した。
(Preparation of support molded body)
A support material was obtained in the same manner as in Example 1 except that the composition shown in Table 2 (Sample No. 8 to Sample No. 13) was used instead of the composition shown in Table 1. This support material was extruded in the same manner as in Example 1, and as shown in FIG. 5, a support having a major axis dimension of 35 mm, a minor axis dimension of 4.2 mm, and a transverse cross section having a flat shape as shown in FIG. A compact 51 was produced.
(燃料極層テープおよび固体電解質層テープの作製)
図6(a)に示すように、平均粒径0.5μmの8YSZ粉末に、アクリル系バインダーとトルエンとを混合したスラリーを、ドクターブレード法にて塗布して乾燥し、厚さ40μmの固体電解質層テープ53bを作製した。
(Production of fuel electrode layer tape and solid electrolyte layer tape)
As shown in FIG. 6 (a), a slurry obtained by mixing an acrylic binder and toluene with 8YSZ powder having an average particle size of 0.5 μm is applied by a doctor blade method and dried to obtain a solid electrolyte having a thickness of 40 μm. A layer tape 53b was produced.
次いで、平均粒径0.5μmのNi粉末と、平均粒径0.5μmの8YSZ粉末とを、Ni粉末と8YSZ粉末との体積比が48:52となるように配合して混合した。この混合物に、焼失材と、アクリル系バインダーと、トルエンとを混合したスラリーを、ドクターブレード法にて塗布して乾燥し、厚さ約80μmの燃料極層テープ53aを作製した。 Next, Ni powder having an average particle size of 0.5 μm and 8YSZ powder having an average particle size of 0.5 μm were blended and mixed so that the volume ratio of Ni powder to 8YSZ powder was 48:52. A slurry obtained by mixing a burned material, an acrylic binder, and toluene into this mixture was applied by a doctor blade method and dried to prepare a fuel electrode layer tape 53a having a thickness of about 80 μm.
次に、図6(b)に示すように、これらの燃料極層テープ53aと、固体電解質層テープ53bとを、両者の重なり合わない部分が、それぞれの端部に、幅3mmとなるように重ね合わせ、図6(c)に示すように、2000kg/cm2の圧力で貼り合わせた。これらの燃料極層テープ53aと固体電解質層テープ53bとを貼り合わせた積層テープを、表2に示した試料No.8〜No.13の組成により構成された各支持体成形体51上に横縞状に貼り付けた。また、1つの積層テープとこれと隣接する他の積層テープとは10mmの間隔をあけて配置した。その後、この支持体成形体51を乾燥し、1250℃で仮焼した。 Next, as shown in FIG. 6B, the fuel electrode layer tape 53a and the solid electrolyte layer tape 53b are such that the portions where they do not overlap each other have a width of 3 mm. As shown in FIG. 6 (c), the layers were bonded together at a pressure of 2000 kg / cm 2 . A laminated tape obtained by bonding these fuel electrode layer tape 53a and solid electrolyte layer tape 53b to the sample No. shown in Table 2 was used. 8-No. It was affixed in the shape of a horizontal stripe on each support body molded body 51 having a composition of 13. Further, one laminated tape and another laminated tape adjacent thereto were arranged with an interval of 10 mm. Then, this support body molded body 51 was dried and calcined at 1250 ° C.
(インターコネクタ成形体およびセルスタック間接続部材成形体の作製)
次に、ランタンクロマイト(LaCrO3)とPVA系バインダーで、ディップ用スラリーを作製し、次いで、図7(a)に示すように、先に作製した積層テープの両端部を除いた部分をマスキングテープ61で覆った。その後ディップ用スラリーでディップし、その後乾燥させ、マスキングテープを除去してインターコネクタ14とセルスタック間接続部材15とを形成した後、1485℃で2時間焼成した。
(Production of interconnector molded body and cell stack connecting member molded body)
Next, a slurry for dip is prepared with lanthanum chromite (LaCrO 3 ) and a PVA-based binder, and then, as shown in FIG. 7 (a), the portions excluding both ends of the previously prepared laminated tape are masked tape. Covered with 61. Thereafter, it was dipped with a slurry for dipping, then dried, the masking tape was removed to form the interconnector 14 and the inter-cell stack connection member 15, and then baked at 1485 ° C. for 2 hours.
(空気極層成形体の作製)
次いで、図8(a)に示すように、セルスタック間接続部材15の全面と、インターコネクタ14の、インターコネクタ14が燃料極層テープ13aと接続されている側の反対側の一部を除く面とを、マスキングテープ63でマスキングした。次いで、図8(b)に示すように、平均粒径0.7μmのランタンコバルタイト(LaCoO3)とイソプロピルアルコールとを混合したスラリーを、マスキングした積層体に吹き付け、厚さ20μmの空気極層成形体53cを形成した。
(Preparation of air electrode layer compact)
Next, as shown in FIG. 8 (a), the entire surface of the inter-cell stack connecting member 15 and a part of the interconnector 14 on the opposite side of the interconnector 14 to the fuel electrode layer tape 13a are excluded. The surface was masked with a masking tape 63. Next, as shown in FIG. 8B, a slurry obtained by mixing lanthanum cobaltite (LaCoO 3 ) having an average particle diameter of 0.7 μm and isopropyl alcohol was sprayed on the masked laminate, and an air electrode layer having a thickness of 20 μm. A molded body 53c was formed.
(横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックの作製)
次いで、空気極層成形体53cを形成した積層体のマスキングテープ63を除去し、その後、1100℃で処理を行い、図1に示す横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタックを作製した。
(Production of horizontal stripe type solid oxide fuel cell stack)
Next, the masking tape 63 of the laminated body on which the air electrode layer molded body 53c was formed was removed, and thereafter, the treatment was performed at 1100 ° C. to produce the horizontal stripe solid oxide fuel cell stack shown in FIG.
(セルスタック先端部割れの評価)
上記で得られた試料No.8〜No.13の各セルスタックを構成する支持体のガス流路内部に還元ガス(N2/H2)、外周部に酸素含有ガス(空気)を導入し、セルスタックの中心部が750℃(先端部近傍が800〜850℃)になるように昇温し、200時間保持した。その後、炉内よりセルスタックを取り出し、先端部の割れの有無を顕微鏡にて観察した。その結果を表2に示す。
(Evaluation of cracking of cell stack tip)
Sample No. obtained above. 8-No. The reducing gas (N 2 / H 2 ) is introduced into the gas flow path of the support constituting each of the cell stacks 13 and the oxygen-containing gas (air) is introduced into the outer peripheral portion. The temperature was raised so that the vicinity was 800 to 850 ° C., and the temperature was maintained for 200 hours. Thereafter, the cell stack was taken out from the furnace, and the presence or absence of cracks at the tip was observed with a microscope. The results are shown in Table 2.
表2から明らかなように、Ni/MgO比が0.15〜0.25の範囲である試料No.8〜試料No.13のセルスタックにおいては、先端部の割れは確認できなかった。それにより、Ni/MgO比を0.15〜0.25の範囲とすることにより、先端部の割れを抑制することができることが分かった。 As is apparent from Table 2, the sample No. having a Ni / MgO ratio in the range of 0.15 to 0.25. 8 to Sample No. In 13 cell stacks, no cracks at the tip were observed. Thereby, it turned out that the crack of a front-end | tip part can be suppressed by making Ni / MgO ratio into the range of 0.15-0.25.
図9は、燃料電池セルを支持体上に積層して焼成した後に、燃料電池セルをすべて剥離した支持体の開気孔率と燃料電池セルにおける限界燃料利用率との関係を示したグラフである。すなわち、この実施例における開気孔率とは、燃料電池セルをすべて剥離した支持体の開気孔率を意味し、上述の試料No.11の組成に平均粒径20μmの焼失材を所定量加えることにより、図9に示した各開気孔率の支持体を作製して試験を行なった。なお、限界燃料利用率とは、燃料電池セルにおいて燃料利用率がその値を下回ると急激に発電量が低下する点を示している。 FIG. 9 is a graph showing the relationship between the open porosity of the support body from which all of the fuel battery cells have been peeled and the limit fuel utilization ratio in the fuel battery cell after the fuel battery cells are stacked on the support body and fired. . That is, the open porosity in this example means the open porosity of the support from which all the fuel cells have been peeled. A test was conducted by preparing a support having each open porosity shown in FIG. 9 by adding a predetermined amount of a burned material having an average particle diameter of 20 μm to the composition No. 11. The limit fuel utilization rate indicates that the amount of power generation rapidly decreases when the fuel utilization rate in the fuel cell falls below the value.
限界燃料利用率は、燃料電池セルを支持体上に積層して焼成した状態、すなわち燃料電池セルを剥離する前のセルスタックの状態で測定した。該セルスタックは、図9に示した各開気孔率の支持体を作製した以外は、前記実施例2と同様にして作製した。限界燃料利用率の測定は、まず、支持体のガス流路内部に還元ガス(N2/H2)、外周部に酸化ガス(空気)を導入し、セルスタックの中心部が750℃(先端部近傍が800〜850℃)になるように昇温し、200時間保持した。その後、還元ガス(N2/H2)流量を調整することにより燃料利用率を変化させ、同時にセルスタックのセル電圧を測定評価することによって行った。 The critical fuel utilization was measured in a state where the fuel cells were stacked on the support and fired, that is, in a state of the cell stack before peeling the fuel cells. The cell stack was produced in the same manner as in Example 2 except that the support having each open porosity shown in FIG. 9 was produced. The critical fuel utilization rate is measured by first introducing reducing gas (N 2 / H 2 ) into the gas flow path of the support, and oxidizing gas (air) into the outer periphery, and 750 ° C. at the center of the cell stack (front end The temperature was raised so that the vicinity of the part was 800 to 850 ° C., and the temperature was maintained for 200 hours. Thereafter, the fuel utilization was changed by adjusting the flow rate of the reducing gas (N 2 / H 2 ), and at the same time, the cell voltage of the cell stack was measured and evaluated.
図9から明らかなように、支持体の開気孔率が30%未満の場合には、限界燃料利用率が65%を下回っており、燃料電池セル(セルスタック)において効率よく発電を行なうことが難しいことが分かる。一方、支持体の開気孔率が30%以上の場合には、限界燃料利用率が65%を上回っており、さらに開気孔率が32%以上の場合には、限界燃料利用率が70%を上回り、燃料電池セル(セルスタック)において効率よく発電を行なうことができる。それゆえ、セルスタックを構成する支持体の開気孔率は30%以上必要であり、32%以上とすることが好ましい。 As is apparent from FIG. 9, when the open porosity of the support is less than 30%, the limit fuel utilization rate is less than 65%, and power can be generated efficiently in the fuel cell (cell stack). I find it difficult. On the other hand, when the open porosity of the support is 30% or more, the limit fuel utilization rate exceeds 65%, and when the open porosity is 32% or more, the limit fuel utilization rate is 70%. The power generation can be efficiently performed in the fuel cell (cell stack). Therefore, the open porosity of the support constituting the cell stack needs to be 30% or more, preferably 32% or more.
11 支持体
12 ガス流路
13 燃料電池セル
13a 燃料極層
13b 固体電解質層
13c 空気極層
14 インターコネクタ
15 セルスタック間接続部材
20 導電部材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Support body 12 Gas flow path 13 Fuel cell 13a Fuel electrode layer 13b Solid electrolyte layer 13c Air electrode layer 14 Interconnector 15 Inter-cell stack connection member 20 Conductive member
Claims (3)
前記支持体は、支持体総量に対してNiO換算で11.3〜17.62モル%の含有量のNiと、支持体総量に対して70.48〜75.54モル%の含有量のMgOと、0.20モル%以下の含有量のFe2O3と、支持体総量に対して10.285〜13.32モル%の含有量のY 2 O 3 とを含んでなるとともに、開気孔率が30%以上であることを特徴とする横縞型固体酸化物形燃料電池セルスタック。 A plurality of fuel cells, each of which is formed by laminating an inner electrode layer, a solid electrolyte layer, and an outer electrode layer in this order, are arranged side by side on the surface of an electrically insulating support provided with a gas flow path. A horizontal stripe type in which an inner electrode layer of a cell and an outer electrode layer of the other fuel cell adjacent to the one fuel cell are electrically connected, and the plurality of fuel cells are connected in series A solid oxide fuel cell stack,
The support includes Ni having a content of 11.3 to 17.62 mol% in terms of NiO with respect to the total amount of the support, and MgO having a content of 70.48 to 75.54 mol% with respect to the total amount of the support. When a Fe 2 O 3 of 0.20 mol% or less of the content, comprise Do Rutotomoni and Y 2 O 3 of from 10.285 to 13.32 mole% of the content with respect to the support amount, open A horizontally-striped solid oxide fuel cell stack having a porosity of 30% or more.
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