JP5240700B2 - Fuel cell stack and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、固体電解質の特性を利用して発電を行う燃料電池スタック及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell stack and a manufacturing how to generate power by utilizing the properties of the solid electrolyte.

従来より、燃料電池として、固体電解質(固体酸化物)を用いた固体電解質型燃料電池(固体酸化物型燃料電池:以下SOFCとも記す)が知られている。
このSOFCでは、通常、固体電解質膜(層)の各面に燃料極と空気極とを備えた固体電解質型燃料電池セル(単セル)を、複数個使用している。つまり、固体電解質型燃料電池セルを多数積層してスタックを形成し、燃料極に燃料ガスを供給するとともに、空気極に空気を供給し、燃料(例えば水素)と空気中の酸素とを固体電解質層を介して化学反応させることによって電力を発生させる。
Conventionally, a solid electrolyte fuel cell (solid oxide fuel cell: hereinafter also referred to as SOFC) using a solid electrolyte (solid oxide) is known as a fuel cell.
In this SOFC, normally, a plurality of solid electrolyte fuel cell cells (single cells) each having a fuel electrode and an air electrode on each surface of a solid electrolyte membrane (layer) are used. In other words, a stack is formed by stacking a large number of solid oxide fuel cells, and fuel gas is supplied to the fuel electrode, air is supplied to the air electrode, and the fuel (for example, hydrogen) and oxygen in the air are supplied to the solid electrolyte. Electric power is generated by chemical reaction through the layers.

前記固体電解質型燃料電池セルは、自立膜型セルと支持膜型セルとに大別される。このうち、支持膜型セルとしては、燃料極基体の上に固体電解質層が形成された、いわゆるアノードサポート型セルが一般的である。   The solid oxide fuel cell is roughly classified into a self-supporting membrane cell and a support membrane cell. Among these, as the support membrane type cell, a so-called anode support type cell in which a solid electrolyte layer is formed on a fuel electrode substrate is common.

また、固体電解質型燃料電池セルとしては、板状体以外に、例えば特許文献1に記載の様に、円筒形状の空気極(内側電極)の外側に固体電解質層を形成し、更に固体電解質層の外側に燃料極(外側電極)を形成した円筒体のものが提案されている。   In addition to the plate-like body, as the solid electrolyte fuel cell, a solid electrolyte layer is formed outside a cylindrical air electrode (inner electrode) as described in Patent Document 1, for example, and the solid electrolyte layer A cylindrical body in which a fuel electrode (outer electrode) is formed outside is proposed.

この特許文献1の技術では、外電電極は薄く形成されているが、外側電極は集電のための電流経路として使用しているため、電流を取り出すための経路が長くなり、内部抵抗が大きくなっていた。   In the technique of this patent document 1, the external electrode is formed thin, but since the outer electrode is used as a current path for current collection, the path for taking out the current becomes long and the internal resistance increases. It was.

それに対して、近年開発されている特許文献2の技術では、外側電極の外周に連続した集電材料である連続固相マトリックスを用いており、集電特性の向上、具体的には内部抵抗の低減が期待できる。
特許3217695号公報 特表2005−518075号公報
On the other hand, in the technique of Patent Document 2 that has been developed in recent years, a continuous solid phase matrix that is a current collecting material continuous on the outer periphery of the outer electrode is used, which improves the current collecting characteristics, specifically, the internal resistance. Reduction can be expected.
Japanese Patent No. 3217695 JP 2005-518075 gazette

しかしながら、前記特許文献2の技術では、連続固相マトリックスのスラリー中に、円筒状の燃料電池を漬けるので、燃料電池の位置決めの精度が悪いという問題があった。
また、集電特性の向上という効果はあるものの、ガス拡散の面では不利になるという問題もあった。つまり、ガス拡散性能が低いと、発電性能が低く、好ましくない。
However, the technique of Patent Document 2 has a problem in that the positioning accuracy of the fuel cell is poor because the cylindrical fuel cell is immersed in the slurry of the continuous solid phase matrix.
In addition, although there is an effect of improving the current collecting characteristics, there is a problem that it is disadvantageous in terms of gas diffusion. That is, if the gas diffusion performance is low, the power generation performance is low, which is not preferable.

発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、燃料電池の位置決めが容易で、例えば高い発電性能等の性能を有するとともに優れたガス拡散性能を有する燃料電池スタック及びその製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to facilitate the positioning of a fuel cell, for example, a fuel cell stack having a high power generation performance and the like and an excellent gas diffusion performance. and to provide a manufacturing how.

a)まず、燃料電池スタック及びその製造方法の各請求項について説明する。
(1)請求項1の発明は、筒状の内側電極とその外周面に形成された筒状の固体電解質層とを有する筒状の燃料電池部が、複数個並列(例えば平行)に配置された燃料電池層状部を備え、前記燃料電池層状部がその厚み方向にて多孔質導電性セラミックスからなる導電性板状体により挟まれるとともに、前記固体電解質層と導電性板状体との間に前記燃料電池部の外側電極を備えたことを特徴とする燃料電池スタックを要旨とする。
a) First, each claim of the fuel cell stack and the manufacturing method thereof will be described.
(1) In the invention of claim 1, a plurality of cylindrical fuel cell portions each having a cylindrical inner electrode and a cylindrical solid electrolyte layer formed on the outer peripheral surface thereof are arranged in parallel (for example, in parallel). The fuel cell layered portion is sandwiched between conductive plates made of porous conductive ceramics in the thickness direction, and between the solid electrolyte layer and the conductive plate-like body. The gist of the fuel cell stack is provided with an outer electrode of the fuel cell portion.

本発明では、複数の筒状の内側電極(従って筒状の燃料電池部)を並列(例えば平行)に配置した燃料電池層状部を導電性板状体(集電体)にて挟む構造であるので、複数の内側電極(従って燃料電池部)を揃えて配置することが容易であり、内側電極(従って燃料電池部)の位置決め精度を上げることができる。つまり、スラリー中に燃料電池を漬ける従来技術に比べて、燃料電池の位置決め精度が高いという効果がある。 In the present invention, the fuel cell layer portion in which a plurality of cylindrical inner electrode (hence the tubular fuel cell unit) in parallel (e.g. parallel), with the structure interposing a conductive plate (current collector) Therefore, it is easy to arrange a plurality of inner electrodes (and hence the fuel cell portion) in a uniform manner, and the positioning accuracy of the inner electrodes (and hence the fuel cell portion) can be increased. That is, there is an effect that the positioning accuracy of the fuel cell is higher than that of the conventional technique in which the fuel cell is immersed in the slurry.

また、固体電解質層の外側電極の活性を維持しながら、ガスの透過性も確保できる(即ち組織を外側電極と導電性板状体で変えられる)という利点もある。
尚、ここでは、燃料電池部とは、内側電極及び固体電解質層を備えたものであり、それに外側電極を備えたものが燃料電池(セル)である。また、燃料電池部は筒状(好ましくは円筒)であり、その外径としては3mm以下(多角形、楕円などの場合は最大外径)を採用できる。
Further, there is an advantage that gas permeability can be secured while maintaining the activity of the outer electrode of the solid electrolyte layer (that is, the structure can be changed between the outer electrode and the conductive plate).
Here, the fuel cell section is provided with an inner electrode and a solid electrolyte layer, and a fuel cell (cell) is provided with an outer electrode. Further, the fuel cell portion has a cylindrical shape (preferably a cylindrical shape), and the outer diameter thereof can be 3 mm or less (in the case of a polygon, an ellipse or the like, the maximum outer diameter).

(2)請求項2の発明では、前記導電性板状体は、その表面に前記燃料電池部が嵌め込まれる複数の平行な溝を備え、前記燃料電池部は、前記溝に嵌め込まれるとともに、前記導電性板状体に挟まれて固定されたことを特徴とする。   (2) In the invention of claim 2, the conductive plate-like body includes a plurality of parallel grooves into which the fuel cell part is fitted, and the fuel cell part is fitted into the groove. It is characterized by being sandwiched and fixed between conductive plate-like bodies.

本発明では、導電性板状体の表面の複数の平行な溝にそれぞれ燃料電池部を嵌め込み、複数の燃料電池部をその両側から導電性板状体で挟み込むので、燃料電池部をしっかりと固定できる。   In the present invention, the fuel cell portion is fitted into each of the plurality of parallel grooves on the surface of the conductive plate-like body, and the plurality of fuel cell portions are sandwiched by the conductive plate-like body from both sides thereof, so that the fuel cell portion is firmly fixed. it can.

(3)請求項3の発明では、導電性板状体は、その気体透過係数が5×10-5 cm 2 sec-1 Pa-1以上であることを特徴とする。
導電性板状体がこの気体透過係数の場合には、導入されるガスの量が確保され、高集積構造の利点(コンパクトにでき低温の場合でも十分な出力密度が実現できるという利点)が得られる。
(3) The invention of claim 3 is characterized in that the conductive plate has a gas permeability coefficient of 5 × 10 −5 cm 2 · sec −1 · Pa −1 or more.
When the conductive plate has this gas permeability coefficient, the amount of introduced gas is ensured, and the advantage of a highly integrated structure (advantage that it can be compact and can realize a sufficient output density even at low temperatures) is obtained. It is done.

つまり、本発明では、導電性板状体は高い気体透過係数を有しており、高集積密度で熱サイクルに強い構造の燃料電池スタックを実現できる。
例えば厚さ1cm程度の立方体状の導電性板状体に保持された円筒状の燃料電池にて2W/cm3の出力密度を達成する場合、図13の斜めの実線で示す様に、導電性板状体のガスの入口側と出口側に0.2MPa以上の差圧を設定し、更に燃料電池の冷却も踏まえて、導入ガスの利用率を30%とした場合には、気体透過係数が5×10-5 cm 2 sec-1 Pa-1以上であると、導入されて充填されるガスの量が十分であり、上述した高集積構造の利点が得られる。
In other words, in the present invention, the conductive plate has a high gas permeability coefficient, and a fuel cell stack having a structure with a high integration density and a resistance to thermal cycling can be realized.
For example, when an output density of 2 W / cm 3 is achieved in a cylindrical fuel cell held by a cubic conductive plate having a thickness of about 1 cm, as shown by an oblique solid line in FIG. When a differential pressure of 0.2 MPa or more is set on the gas inlet side and outlet side of the plate-like body, and further considering the cooling of the fuel cell, when the utilization rate of the introduced gas is 30%, the gas permeability coefficient is If it is 5 × 10 −5 cm 2 · sec −1 · Pa −1 or more, the amount of gas introduced and filled is sufficient, and the above-described advantages of the highly integrated structure can be obtained.

前記図13は、気体透過係数に対する透過可能なガス量と発電時に必要なガス量との関係を示したものである。即ち、1cm3の立方体セルで2W/cm3を得ることを想定した電流量から計算した空気の必要量と、各気体透過係数のときに透過可能なガス量を示したグラフである。なお、図13の縦軸が単位時間当たりのガス量、横軸が気体透過係数であり、空気の必要量は、立方体セルの冷却も踏まえて空気利用率(Efair)30%にて計算した。 FIG. 13 shows the relationship between the amount of gas that can be permeated and the amount of gas necessary for power generation with respect to the gas permeability coefficient. That is, it is a graph showing the required amount of air calculated from the amount of current assumed to obtain 2 W / cm 3 in a 1 cm 3 cubic cell and the amount of gas that can permeate at each gas permeability coefficient. In addition, the vertical axis | shaft of FIG. 13 is the gas amount per unit time, a horizontal axis is a gas permeation coefficient, and the required amount of air was calculated in the air utilization factor (Efair) 30% also considering the cooling of the cubic cell. .

(4)請求項4の発明では、前記導電性板状体は、その気体透過係数が1×10-4 cm 2 sec-1 Pa-1以上であることを特徴とする。
例えば厚さ1cm程度の立方体状の導電性板状体に保持された円筒状の燃料電池にて2W/cm3の出力密度を達成する場合、図1の斜めの破線で示す様に、導電性板状体のガスの入口側と出口側に0.1MPa以上の差圧を設定し、更に燃料電池の冷却も踏まえて、導入ガスの利用率を30%とした場合には、気体透過係数が1×10-4 cm 2 sec-1 Pa-1以上であると、導入されて充填されるガスの量が十分であり、上述した高集積構造の利点が得られる。
(4) The invention of claim 4 is characterized in that the conductive plate has a gas permeability coefficient of 1 × 10 −4 cm 2 · sec −1 · Pa −1 or more.
For example, when an output density of 2 W / cm 3 is achieved in a cylindrical fuel cell held by a cubic conductive plate having a thickness of about 1 cm, as shown by an oblique broken line in FIG. When a differential pressure of 0.1 MPa or more is set on the gas inlet side and outlet side of the plate-like body and the utilization rate of the introduced gas is 30% in consideration of cooling of the fuel cell, the gas permeability coefficient is When it is 1 × 10 −4 cm 2 · sec −1 · Pa −1 or more, the amount of gas introduced and filled is sufficient, and the above-described advantages of the highly integrated structure can be obtained.

(5)請求項5の発明では、前記導電性板状体は、その気体透過係数が5×10-4 cm 2 sec-1 Pa-1以上であることを特徴とする。
例えば厚さ1cm程度の立方体状の導電性板状体に保持された円筒状の燃料電池にて2W/cm3の出力密度を達成する場合、図13の斜めの一点鎖線で示す様に、導電性板状体のガスの入口側と出口側に0.02MPa以上の差圧を設定し、更に燃料電池の冷却も踏まえて、導入ガスの利用率を30%とした場合には、気体透過係数が5×10-4 cm 2 sec-1 Pa-1以上であると、導入されて充填されるガスの量が十分であり、上述した高集積構造の利点が得られる。
(5) The invention of claim 5 is characterized in that the conductive plate has a gas permeability coefficient of 5 × 10 −4 cm 2 · sec −1 · Pa −1 or more.
For example, in the case of achieving a power density of 2 W / cm 3 in a cylindrical fuel cell held by a cubic conductive plate having a thickness of about 1 cm, as shown by an oblique alternate long and short dash line in FIG. When the differential gas pressure of 0.02 MPa or more is set on the gas inlet side and outlet side of the porous plate, and the utilization rate of the introduced gas is set to 30% in consideration of the cooling of the fuel cell, the gas permeability coefficient Is 5 × 10 −4 cm 2 · sec −1 · Pa −1 or more, the amount of gas introduced and filled is sufficient, and the above-described advantages of the highly integrated structure can be obtained.

なお、燃料電池スタックにおいては、差圧が小さいほどシステム設計が容易になるので、(システム設計の観点からは)ガス透過係数が大きい方が望ましい。
(6)請求項6の発明は、前記導電性板状体の組織中の粒子が、平均粒子径10〜60μmで、且つ、前記導電性板状体の気孔率が、40〜60%であることを特徴とする。
In the fuel cell stack, the smaller the differential pressure, the easier the system design, so it is desirable that the gas permeability coefficient is large (from the viewpoint of system design).
(6) In the invention of claim 6, the particles in the structure of the conductive plate-like body have an average particle diameter of 10 to 60 μm, and the porosity of the conductive plate-like body is 40 to 60%. It is characterized by that.

本発明では、導電性板状体の組織中の粒子が、平均粒子径10〜60μmと粗いので、気体透過係数(従ってガス拡散係数)が高いという効果がある。
よって、外側電極の組織中の粒子の粒径を小さくして電極面積を大きくし、発電性能を高くした場合でも、優れたガス拡散性能を有するので、結果として、一層優れた発電性能を有するという顕著な効果を奏する。
In the present invention, since the particles in the structure of the conductive plate-like body are coarse with an average particle diameter of 10 to 60 μm, there is an effect that the gas permeability coefficient (and hence the gas diffusion coefficient) is high.
Therefore, even when the particle size of the particles in the structure of the outer electrode is reduced to increase the electrode area and increase the power generation performance, it has excellent gas diffusion performance, and as a result, it has even better power generation performance. Has a remarkable effect.

更に、本発明では、気孔率が40%以上であるので、気体透過が十分であり、燃料電池の性能を得ることが容易である。また、気孔率が60%以下であるので、原料に粗大な粒子を用いても、導電性板状体の強度が高いという利点がある。   Furthermore, in the present invention, since the porosity is 40% or more, gas permeation is sufficient, and it is easy to obtain the performance of the fuel cell. Further, since the porosity is 60% or less, there is an advantage that the strength of the conductive plate-like body is high even if coarse particles are used as the raw material.

(7)請求項7の発明は、前記導電性板状体の組織中の粒子が、平均粒子径1〜10μmで、且つ、前記導電性板状体の気孔率が、50〜90%であることを特徴とする。
本発明では、気孔率が50〜90%と高いので、粒子径が1〜10μmでも、優れたガス拡散性能を有する。特に、粒子径を小さくすることにより、(高い気孔率による)高いガス拡散性能を実現できるとともに、導電性板状体に十分な強度が得られるという利点がある。
(7) In the invention according to claim 7, the particles in the structure of the conductive plate have an average particle size of 1 to 10 μm, and the porosity of the conductive plate is 50 to 90%. It is characterized by that.
In the present invention, since the porosity is as high as 50 to 90%, even if the particle diameter is 1 to 10 μm, the gas diffusion performance is excellent. In particular, by reducing the particle diameter, there is an advantage that high gas diffusion performance (due to high porosity) can be realized and sufficient strength can be obtained for the conductive plate-like body.

つまり、本発明では、気孔率が50%以上であるので、十分なガス透過性が得られ、また、気孔率が90%以下であるので、(粒径が小さいこともあり)導電性板状体に十分な強度が得られる。   That is, in the present invention, since the porosity is 50% or more, sufficient gas permeability is obtained, and since the porosity is 90% or less (the particle size may be small), the conductive plate shape Sufficient strength is obtained for the body.

また、本発明では、導電性板状体の組織中の粒子の粒径と、外側電極の組織中の粒子の粒径との差が小さくなるが(外側電極は発電性能を高めるために通常は導電性板状体より粒径が小さい)、例えば導電性板状体の作成段階において、原材料中に造孔材を導入することにより、本発明の構成を実現できる。   In the present invention, the difference between the particle size of the particles in the structure of the conductive plate and the particle size of the particles in the structure of the outer electrode is small. The particle size is smaller than that of the conductive plate), for example, by introducing a pore former into the raw material at the stage of producing the conductive plate, the configuration of the present invention can be realized.

(8)請求項8の発明は、前記導電性板状体は、その気孔の最大孔径が10〜300μmの範囲であり、且つ、各気孔同士の少なくとも一部が連通していることを特徴とする。
本発明では、導電性板状体の気孔の最大孔径が10μm以上であるので、ガス透過性能が高く、また、最大孔径が300μm以下であるので、各燃料電池部の配置間隔を広げる必要がなく、装置をコンパクトにできる。
(8) The invention according to claim 8 is characterized in that the conductive plate-like body has a maximum pore diameter in a range of 10 to 300 μm, and at least a part of each pore communicates. To do.
In the present invention, since the maximum pore diameter of the conductive plate-like body is 10 μm or more, the gas permeation performance is high, and since the maximum pore diameter is 300 μm or less, there is no need to increase the arrangement interval of each fuel cell part. The device can be made compact.

(9)請求項9の発明は、前記導電性板状体の気孔率と粒子径との関係は、(最大気孔径/100)<平均粒子径<(最大気孔径/4)であることを特徴とする。
本発明では、(最大気孔径/100)<平均粒子径の関係があるので、造孔材などにより形成された穴(気孔)同士が連結し易くなり、ガスの透過性が高い。また、平均粒子径<(最大気孔径/4)の関係があるので、気孔径と粒子径のバランスが良く、十分な強度を確保できる。
(9) In the ninth aspect of the invention, the relationship between the porosity and the particle diameter of the conductive plate-like body is (maximum pore diameter / 100) <average particle diameter <(maximum pore diameter / 4). Features.
In the present invention, since there is a relationship of (maximum pore diameter / 100) <average particle diameter, holes (pores) formed of a pore former or the like are easily connected to each other, and gas permeability is high. Further, since there is a relationship of average particle diameter <(maximum pore diameter / 4), the balance between the pore diameter and the particle diameter is good, and sufficient strength can be secured.

(10)請求項10の発明は、前記外側電極の組織中の粒子が、平均粒子径0.1〜2μmであることを特徴とする。
本発明は、外側電極の組織中の粒子の好ましい平均粒子径を例示したものであり、この範囲であれば、電極面積が広く高い電極性能(従って発電性能)を有する。
(10) The invention of claim 10 is characterized in that the particles in the structure of the outer electrode have an average particle diameter of 0.1 to 2 μm.
The present invention exemplifies a preferable average particle diameter of particles in the structure of the outer electrode, and within this range, the electrode area is wide and the electrode performance (and hence power generation performance) is high.

(11)請求項11の発明は、前記外側電極が、前記固体電解質層と導電性板状体とを接続していることを特徴とする。
本発明では、外側電極が固体電解質層と導電性板状体とを接続しているので、信頼性の高い電気的接続が得られるとともに、スタックの構造を簡易化することができる。
(11) The invention of claim 11 is characterized in that the outer electrode connects the solid electrolyte layer and a conductive plate-like body.
In the present invention, since the outer electrode connects the solid electrolyte layer and the conductive plate-like body, highly reliable electrical connection can be obtained, and the stack structure can be simplified.

(12)請求項12の発明は、前記内側電極が前記燃料電池部の支持体であり、前記固体電解質層の厚さが30μm以下であることを特徴とする。
本発明は、燃料電池部の構成を例示したものである。本発明では、内側電極が支持体であり、その表面に30μm以下の薄い固体電解質層が形成されているので、固体電解質層
における抵抗を小さくすることができる。
(12) The invention of claim 12 is characterized in that the inner electrode is a support for the fuel cell section, and the thickness of the solid electrolyte layer is 30 μm or less.
The present invention exemplifies the configuration of the fuel cell unit. In the present invention, since the inner electrode is a support and a thin solid electrolyte layer of 30 μm or less is formed on the surface thereof, the resistance in the solid electrolyte layer can be reduced.

なお、並列に配置されて隣り合う筒状の内側電極同士が一体に接続されるとともに、前記一体に接続された内側電極の外周を取り囲んで形成された環状の固体電解質層を有する燃料電池部を備え、前記燃料電池部がその厚み方向にて多孔質導電性セラミックスからなる導電性板状体により挟まれるとともに、前記固体電解質層と導電性板状体との間に前記燃料電池部の外側電極を備えた構成とすることができる
この構成は、内側電極同士が一体に接続されたものであるので、寸法精度が高く、また、取り扱いが容易であり、製造時の作業性が高いという利点がある。
Incidentally, with cylindrical inner electrode adjacent arranged in parallel are connected together, the fuel cell unit having a solid electrolyte layer annular and is surrounded by forming the outer periphery of the connected inner electrode to the integrated The fuel cell unit is sandwiched between conductive plates made of porous conductive ceramics in the thickness direction, and an outer electrode of the fuel cell unit is interposed between the solid electrolyte layer and the conductive plate member It can be set as the structure provided with.
This arrangement, since each other inner electrodes are those which are connected together, high dimensional accuracy, also are easy to handle, has an advantage of high workability in manufacturing.

また、前記燃料電池部の隣り合う内側電極が、導電性を有する連結部を介して一体に接続された構成とすることができる
この構成は、燃料電池部同士が一体に接続されたものであり、内側電極が(連結部を介して)一体であるので、電気的接続のための構造を簡易化できるという利点がある。
Moreover, it can be set as the structure by which the adjacent inner side electrode of the said fuel cell part was integrally connected through the connection part which has electroconductivity.
This configuration, the fuel cell unit to each other has been connected together, so that the inner electrode is (via the connecting part) integrally, there is an advantage that the structure for electrical connection can be simplified.

更に、前記燃料電池部の隣り合う内側電極の壁面部自体が一体に接続された構成とすることができる
この構成は、燃料電池部同士が一体に接続されたものであり、内側電極の壁面部が一体であるので、強度が高いという利点がある。
Furthermore , the wall surface part itself of the adjacent inner side electrode of the said fuel cell part can be set as the structure connected integrally.
This configuration has an advantage that the strength is high because the fuel cell portions are integrally connected and the wall surface of the inner electrode is integral.

13)請求項13の発明は、前記請求項1〜12のいずれか1項に記載の燃料電池スタックの製造方法において、前記内側電極とその表面に形成した固体電解質層からなる燃料電池部前駆体又は燃料電池部前駆体の焼結体を製造する第1工程と、前記多孔質導電性セラミックスの材料からなる導電性板状体前駆体又は導電性板状体前駆体の焼結体を製造する第2工程と、前記燃料電池部前駆体を導電性板状体前駆体で挟んでスタック化、前記燃料電池部前駆体の焼結体を導電性板状体前駆体で挟んでスタック化、前記燃料電池部前駆体を導電性板状体前駆体の焼結体で挟んでスタック化、又は前記燃料電池部前駆体の焼結体を導電性板状体前駆体の焼結体で挟んでスタック化する第3工程と、を備えたことを特徴とする。
( 13 ) A thirteenth aspect of the present invention is the fuel cell stack manufacturing method according to any one of the first to twelfth aspects of the present invention, wherein the fuel cell unit precursor is composed of the inner electrode and a solid electrolyte layer formed on the inner electrode. A first step of producing a sintered body of a battery body or a fuel cell part precursor, and a conductive plate precursor or a sintered body of a conductive plate precursor made of the porous conductive ceramic material And stacking the fuel cell part precursor with a conductive plate precursor, stacking the sintered body of the fuel cell part precursor with a conductive plate precursor, The fuel cell part precursor is stacked by sandwiching the sintered body of the conductive plate precursor, or the sintered body of the fuel cell part precursor is sandwiched by the sintered body of the conductive plate precursor. And a third step of stacking.

本発明は、燃料電池スタックの製造方法を例示したものであり、これにより、容易に燃料電池スタックを製造することができる。
尚、ここで、各前駆体とは、焼成前の成形体を示しており、例えば押出成形後の成形体が挙げられる(尚、仮焼成したものも含まれる)。また、前記第1工程と第2工程の順序は逆でも良い。
The present invention exemplifies a method for manufacturing a fuel cell stack, whereby the fuel cell stack can be easily manufactured.
In addition, here, each precursor has shown the molded object before baking, for example, the molded object after extrusion molding is mentioned (In addition, what was calcined is also included.). The order of the first step and the second step may be reversed.

14)請求項14の発明は、前記燃料電池部前駆体と前記導電性板状体前駆体との間、前記燃料電池部前駆体の焼結体と前記導電性板状体前駆体との間、前記燃料電池部前駆体と前記導電性板状体前駆体の焼結体との間、又は前記燃料電池部前駆体の焼成体と前記導電性板状体前駆体の焼成体との間に、前記外側電極の材料を配置して焼成することを特徴とする。 ( 14 ) According to the invention of claim 14 , between the fuel cell part precursor and the conductive plate precursor, between the sintered body of the fuel cell part precursor and the conductive plate precursor. Between the fuel cell part precursor and the sintered body of the conductive plate precursor, or between the fired body of the fuel cell part precursor and the fired body of the conductive plate precursor. Further, the material for the outer electrode is disposed and fired.

これにより、燃料電池部と導電性板状体との間に(燃料電池部と導電性板状体とが接触した状態で)外側電極を形成することができる。尚、この外側電極は、燃料電池部と導電性板状体とを接合する機能を発揮する。   Thereby, an outer electrode can be formed between the fuel cell part and the conductive plate (in a state where the fuel cell part and the conductive plate are in contact). This outer electrode exhibits a function of joining the fuel cell portion and the conductive plate-like body.

15)請求項15の発明は、内側電極前駆体を、押出成形により作製することを特徴とする。
本発明は、内側電極前駆体(内側電極の焼成前の成形体)の形成方法を例示したものである。これにより、大量の内側電極前駆体を容易に製造することができる。尚、この場合の内側電極前駆体は、焼成前の成形体である。
( 15 ) The invention of claim 15 is characterized in that the inner electrode precursor is produced by extrusion molding.
The present invention exemplifies a method of forming an inner electrode precursor (molded body before firing the inner electrode). Thereby, a large amount of inner electrode precursors can be easily manufactured. In this case, the inner electrode precursor is a molded body before firing.

16)請求項16の発明は、前記導電性板状体前駆体を、押出成形により作製することを特徴とする。
本発明は、導電性板状体前駆体の形成方法を例示したものであり、これにより、大量の導電性板状体前駆体を容易に製造することができる。尚、この場合の導電性板状体前駆体は、焼成前の成形体である。
( 16 ) The invention of claim 16 is characterized in that the conductive plate precursor is produced by extrusion.
The present invention exemplifies a method for forming a conductive plate precursor, whereby a large amount of conductive plate precursor can be easily produced. The conductive plate precursor in this case is a molded body before firing.

17)請求項17の発明は、前記請求項1〜12のいずれか1項に記載の燃料電池スタックの製造方法において、前記多孔質導電性セラミックスに球状の造孔材を加えた原材料を用いて導電性板状体前駆体を形成し、前記導電性板状体前駆体を焼成することにより、気孔を有する焼結体である前記導電性板状体を製造することを特徴とする。 ( 17 ) The invention of claim 17 is the method of manufacturing a fuel cell stack according to any one of claims 1 to 12 , wherein a raw material obtained by adding a spherical pore former to the porous conductive ceramics is used. Forming the conductive plate precursor and firing the conductive plate precursor to produce the conductive plate body which is a sintered body having pores.

本発明は、造孔材を用いた製造方法を例示したものである。本発明では、球状の造孔材を用いるので、前記請求項7の発明の様に、高い気孔率の導電性板状体を作製し易く、また、気孔径の制御が容易である。   The present invention exemplifies a manufacturing method using a pore former. In the present invention, since a spherical pore former is used, it is easy to produce a conductive plate having a high porosity as in the case of the seventh aspect of the invention, and the control of the pore diameter is easy.

18)請求項18の発明では、前記球状の造孔材の前記原材料(多孔質導電性セラミックス材料+造孔材の原料全体)に対する体積比が、60〜90体積%であることを特徴とする。 ( 18 ) The invention of claim 18 is characterized in that a volume ratio of the spherical pore former to the raw material (porous conductive ceramic material + the entire raw material of the pore former) is 60 to 90% by volume. To do.

本発明は、好ましい造孔材の割合を例示したものである。この割合は、前記請求項7の発明を実現するための最適な割合である。
19)請求項19の発明では、前記導電性板状体前駆体の焼成温度が、1300℃以上であることを特徴とする。
The present invention exemplifies a preferable ratio of the pore former. This ratio is an optimum ratio for realizing the invention of claim 7.
( 19 ) The invention according to claim 19 is characterized in that the firing temperature of the conductive plate precursor is 1300 ° C. or higher.

本発明は、好ましい温度範囲を例示したものである。この温度範囲であれば、特に高い導電性が得られるので好適である。
b)以下、燃料電池スタックの各構成について詳細に説明する。
The present invention illustrates a preferred temperature range. If it is this temperature range, since especially high electroconductivity is obtained, it is suitable.
b) Hereinafter, each configuration of the fuel cell stack will be described in detail.

・内側電極及び外側電極は、それぞれ、燃料ガスと接触する燃料極、酸素源となる支燃性ガスと接触する空気極として使用される。
・「燃料極」は、水素源となる燃料ガスと接触し、単セルにおける負電極として機能する。
The inner electrode and the outer electrode are used as a fuel electrode in contact with the fuel gas and an air electrode in contact with the combustion-supporting gas serving as the oxygen source, respectively.
The “fuel electrode” is in contact with the fuel gas serving as the hydrogen source and functions as a negative electrode in the single cell.

この燃料極としては、金属(特にNi)粒子とセラミックス粒子からなるサーメットを採用できる。
金属としては、Ni以外に、Cu、Fe、Co、Ag、Pt、Pd、W、Mo、及びこれらの合金等を採用できる。
As the fuel electrode, a cermet made of metal (particularly Ni) particles and ceramic particles can be employed.
In addition to Ni, Cu, Fe, Co, Ag, Pt, Pd, W, Mo, and alloys thereof can be used as the metal.

セラミックスとしては、ジルコニア、YSZ、ScSZ、SDC、GDC、アルミナ、シリカ、チタニアなどが挙げられる。特に、YSZ、ScSZ、SDC、GDCが望ましい。これらは、酸素イオン導電性があり、燃料極の電気化学的活性を高めるからである。   Examples of the ceramic include zirconia, YSZ, ScSZ, SDC, GDC, alumina, silica, and titania. In particular, YSZ, ScSZ, SDC, and GDC are desirable. This is because they have oxygen ion conductivity and enhance the electrochemical activity of the fuel electrode.

・「空気極」は、酸素源となる支燃性ガスと接触し、単セルにおける正電極として機能する。
空気極の材料としては、固体電解質型燃料電池の使用条件等により適宜選択することができる。この材料としては、例えば金属、金属の酸化物、金属の複合酸化物等を用いることができる。金属としては、Pt、Au、Ag、Pd、Ir、Ru、Ru等の金属又は2種以上の金属を含有する合金が挙げられる。
The “air electrode” is in contact with a combustion-supporting gas that serves as an oxygen source and functions as a positive electrode in a single cell.
The material for the air electrode can be appropriately selected depending on the use conditions of the solid oxide fuel cell. As this material, for example, a metal, a metal oxide, a metal composite oxide, or the like can be used. Examples of the metal include metals such as Pt, Au, Ag, Pd, Ir, Ru, Ru, and alloys containing two or more metals.

更に、金属の酸化物としては、例えば、La、Sr、Ce、Co、Mn、Fe等の酸化物(例えば、La23、SrO、Ce23、Co23、MnO2、FeO等)が挙げられる。また、複酸化物としては、La、Pr、Sm、Sr、Ba、Co、Fe、Mn等のうちの少なくとも1種を含有する各種の複合酸化物(例えば、La1-xSrxCoO3系複合酸化物、La1-xSrxFeO3系複合酸化物、La1-xSrxCo1-yFey3系複合酸化物、La1-xSrxMnO3系複合酸化物、Pr1-xBaxCoO3系複合酸化物、Sm1-xSrxCoO3系複合酸化物等)が挙げられる。 Furthermore, examples of the metal oxide include oxides such as La, Sr, Ce, Co, Mn, and Fe (for example, La 2 O 3 , SrO, Ce 2 O 3 , Co 2 O 3 , MnO 2 , FeO). Etc.). Further, as the complex oxide, various complex oxides containing at least one of La, Pr, Sm, Sr, Ba, Co, Fe, Mn, etc. (for example, La 1-x Sr x CoO 3 series) Complex oxides, La 1-x Sr x FeO 3 complex oxides, La 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3 complex oxides, La 1-x Sr x MnO 3 complex oxides, Pr 1-x Ba x CoO 3 composite oxide, Sm 1-x Sr x CoO 3 composite oxide, and the like.

・「固体電解質層」としては、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、ScSZ(スカンジア安定化ジルコニア)、SDC(サマリアをドープしたセリア)、GDC(ガドリアをドープしたセリア)、ペロブスカイト系酸化物等が挙げられる。これらは、単一膜でもよいし、2種以上の組成が積層構造となっている多層膜でもよい。多層膜としては、例えばYSZ+SDC膜、YSZ+GDC膜などが挙げられる。   -Examples of the "solid electrolyte layer" include YSZ (yttria stabilized zirconia), ScSZ (scandia stabilized zirconia), SDC (ceria doped with samaria), GDC (ceria doped with gadria), perovskite oxide, etc. It is done. These may be a single film or a multilayer film in which two or more kinds of compositions have a laminated structure. Examples of the multilayer film include a YSZ + SDC film and a YSZ + GDC film.

この固体電解質層は、燃料電池の動作時に燃料極に導入される燃料ガス又は空気極に導入される支燃性ガスのうち一方の少なくとも一部をイオンとして移動させることができるイオン伝導性を有する。どのようなイオンを伝導することができるかは特に限定されないが、イオンとしては、例えば、酸素イオン及び水素イオン等が挙げられる。   The solid electrolyte layer has ionic conductivity capable of moving at least a part of one of the fuel gas introduced into the fuel electrode or the combustion-supporting gas introduced into the air electrode during operation of the fuel cell as ions. . Although what kind of ion can be conducted is not particularly limited, examples of the ion include oxygen ion and hydrogen ion.

・多孔質の導電性板状体の構成材料としては、Ag、La、Sr、Mn、Co、Fe、Sm、Ce、Pr、Nd、Ca、Ba、Ni、Mg、Tiのいずれかの元素、又はこれらの元素を1種類以上含む酸化物を採用できる。例えば、La1-xSrxCrO3系材料(外側が燃料極及び空気極のどちらの電極でも可)、La1-xSrxCo1-yFey3系材料(外側が空気極の場合のみ可)、La1-xSrxMnO3系材料(外側が空気極の場合のみ)、Sm1-xSrxCoO3系材料(外側が空気極の場合のみ)等の通気性を有する材料を採用できる。 -As a constituent material of the porous conductive plate-like body, any element of Ag, La, Sr, Mn, Co, Fe, Sm, Ce, Pr, Nd, Ca, Ba, Ni, Mg, Ti, Alternatively, an oxide containing one or more of these elements can be employed. For example, La 1-x Sr x CrO 3 -based material (the outer electrode can be either a fuel electrode or an air electrode), La 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3 -based material (the outer electrode is an air electrode) Only possible), La 1-x Sr x MnO 3 based material (only when the outside is an air electrode), Sm 1-x Sr x CoO 3 based material (only when the outside is an air electrode), etc. Material can be adopted.

・「燃料ガス」は、水素、水素源となる炭化水素、水素と炭化水素との混合ガス、及びこれらのガスを所定温度の水中を通過させ加湿した燃料ガス、これらのガスに水蒸気を混合させた燃料ガス等が挙げられる。   ・ "Fuel gas" refers to hydrogen, hydrocarbons that serve as hydrogen sources, mixed gases of hydrogen and hydrocarbons, fuel gases that have been humidified by passing these gases through water at a predetermined temperature, and water vapor mixed with these gases. Fuel gas and the like.

炭化水素は特に限定されず、例えば、天然ガス、ナフサ、石炭ガス化ガス等が挙げられる。更に、メタン、エタン、プロパン、ブタン及びペンタン等の炭素数が1〜10、好ましくは1〜7、より好ましくは1〜4の飽和炭化水素、並びにエチレン及びプロピレン等の不飽和炭化水素を主成分とするものが好ましく、飽和炭化水素を主成分とするものが更に好ましい。これらの燃料ガスは1種のみを用いてもよいし、2種以上を併用することもできる。また、窒素及びアルゴン等の不活性ガスを含有していてもよい。   The hydrocarbon is not particularly limited, and examples thereof include natural gas, naphtha, and coal gasification gas. Further, the main components are saturated hydrocarbons having 1 to 10, preferably 1 to 7, more preferably 1 to 4 carbon atoms such as methane, ethane, propane, butane and pentane, and unsaturated hydrocarbons such as ethylene and propylene. Those having a saturated hydrocarbon as a main component are more preferable. These fuel gas may use only 1 type and can also use 2 or more types together. Moreover, you may contain inert gas, such as nitrogen and argon.

・「支燃性ガス」は、酸素と他の気体との混合ガス等が挙げられる。また、この混合ガスには80体積%以下の窒素及びアルゴン等の不活性ガスが含有されていてもよい。これらの支燃性ガスのうちでは安全であって、且つ安価であるため空気(約80体積%の窒素が含まれている。)が好ましい。   -“Flame-supporting gas” includes a mixed gas of oxygen and other gases. The mixed gas may contain 80% by volume or less of an inert gas such as nitrogen and argon. Among these combustion-supporting gases, air (containing about 80% by volume of nitrogen) is preferable because it is safe and inexpensive.

c)以下に、本発明の構成を適用できるリアクタースタック及びその製造方法について説明する。
<1>筒状の内側多孔質セラミックス体とその外周面に形成された特定のイオン、原子、又は分子を透過可能な固体処理層とを有するリアクター部が、複数個並列に配置されたリアクター層状部を備え、前記リアクター層状部がその厚み方向にて多孔質セラミックスからなる板状体により挟まれるとともに、前記固体処理層と板状体との間に外側多孔質セラミックス体を備えたことを特徴とするリアクタースタック。
c) will be described below with the reactor stack and a manufacturing how applicable the structure of the present invention.
<1> Reactor layer shape in which a plurality of reactor sections each having a cylindrical inner porous ceramic body and a solid treatment layer that can permeate specific ions, atoms, or molecules formed on the outer peripheral surface thereof are arranged in parallel And the reactor layered portion is sandwiched by a plate-like body made of porous ceramics in the thickness direction, and an outer porous ceramic body is provided between the solid treatment layer and the plate-like body. reactor stack to be.

このリアクタースタックは、複数の筒状の内側多孔質セラミックス体を並列(例えば平行)に配置したリアクター層状部を板状体にて挟む構造であるので、内側多孔質セラミックス体を揃って配置することが容易であり、内側多孔質セラミックス体の位置決め精度を上げることができる。つまり、スラリー中にリアクターを漬ける従来技術に比べて、リアクターの位置決め精度が高いという利点がある。 Since this reactor stack has a structure in which a reactor layered portion in which a plurality of cylindrical inner porous ceramic bodies are arranged in parallel (for example, in parallel) is sandwiched between plate-like bodies, the inner porous ceramic bodies are arranged together. And the positioning accuracy of the inner porous ceramic body can be increased. That is, there is an advantage that the positioning accuracy of the reactor is higher than the conventional technique in which the reactor is immersed in the slurry.

尚、ここでは、リアクター部とは、内側多孔質セラミックス体(例えば触媒機能を有する内側電極)及び固体電解質層を備えたものであり、それに外側多孔質セラミックス体(例えば外側電極)を備えたものがリアクター(セル)である。   Here, the reactor section includes an inner porous ceramic body (for example, an inner electrode having a catalytic function) and a solid electrolyte layer, and an outer porous ceramic body (for example, an outer electrode). Is a reactor (cell).

また、内側多孔質セラミックス体及び外側多孔質セラミックス体として、導電性を有するものを採用する場合には、前記板状体として、前記燃料電池スタックに用いた様な多孔質導電性セラミックスを採用することもできる(以下同様)。   Further, when conductive materials are used as the inner porous ceramic body and the outer porous ceramic body, the porous conductive ceramic used in the fuel cell stack is used as the plate-like body. (The same applies to the following).

<2>前記外側多孔質セラミックス体の組織中の粒子が、平均粒子径0.1〜2μmであることを特徴とする。
これは、外側多孔質セラミックス体の組織中の粒子の好ましい平均粒子径を例示したものであり、この範囲であれば、高いガスの反応や分離の性能を有する。
<2> The particles in the structure of the outer porous ceramic body have an average particle diameter of 0.1 to 2 μm.
This exemplifies the preferable average particle diameter of the particles in the structure of the outer porous ceramic body, and within this range, it has high gas reaction and separation performance.

<3>筒状の内側多孔質セラミックス体とその外周面に形成された特定のイオン、原子、又は分子を透過可能な固体処理層とを有するリアクター部が、複数個並列に配置されたリアクター層状部を備え、前記リアクター層状部がその厚み方向にて多孔質セラミックスからなる板状体により挟まれたことを特徴とするリアクタースタック。 <3> Reactor layer shape in which a plurality of reactor parts having a cylindrical inner porous ceramic body and a solid treatment layer that is permeable to specific ions, atoms, or molecules formed on the outer peripheral surface thereof are arranged in parallel comprising a part, the reactor stack, wherein the reactor layer portion is sandwiched by the plate-like member made of a porous ceramic in the thickness direction thereof.

このリアクタースタックは、複数の筒状の内側多孔質セラミックス体を並列(例えば平行)に配置したリアクター層状部を板状体にて挟む構造であるので、内側多孔質セラミックス体を揃って配置することが容易であり、内側多孔質セラミックス体の位置決め精度を上げることができる。 Since this reactor stack has a structure in which a reactor layered portion in which a plurality of cylindrical inner porous ceramic bodies are arranged in parallel (for example, in parallel) is sandwiched between plate-like bodies, the inner porous ceramic bodies are arranged together. And the positioning accuracy of the inner porous ceramic body can be increased.

尚、これは、外側多孔質セラミックス体を要しないリアクタースタックである。
<4>前記板状体は、その表面に前記リアクター部が嵌め込まれる複数の平行な溝を備え、前記リアクター部は、前記溝に嵌め込まれるとともに、前記板状体に挟まれて固定されたことを特徴とする。
Note that this is a reactor stack that does not require an outer porous ceramic body.
<4> The plate-like body includes a plurality of parallel grooves into which the reactor portion is fitted on the surface thereof, and the reactor portion is fitted into the groove and fixed between the plate-like bodies. It is characterized by.

この構成では、板状体の表面の複数の平行な溝にそれぞれリアクター部を嵌め込み、複数のリアクター部をその両側から板状体で挟み込むので、リアクター部をしっかりと固定できる。 In this configuration, the reactor part is fitted into each of a plurality of parallel grooves on the surface of the plate-like body, and the plurality of reactor parts are sandwiched between the plate-like bodies from both sides, so that the reactor part can be firmly fixed.

<5>前記板状体は、その気体透過係数が5×10-5 cm 2 sec-1 Pa-1以上であることを特徴とする。
この板状体は高い気体透過係数を有しており、高集積密度で熱サイクルに強い構造のリアクタースタックを実現できる。
<5> The plate-like body has a gas permeability coefficient of 5 × 10 −5 cm 2 · sec −1 · Pa −1 or more.
This plate-like body has a high gas permeability coefficient, and can realize a reactor stack having a high integration density and a structure resistant to thermal cycling.

つまり、前記請求項3の発明と同様に、板状体がこの気体透過係数の場合には(特に板状体のガスの入口側と出口側に0.2MPa以上の差圧を設定したときには)、導入されるガスの量が確保され、高集積構造の利点(コンパクトにでき低温の場合でも十分な反応が実現できるという利点)が得られる。   That is, as in the invention of claim 3, when the plate-like body has this gas permeability coefficient (particularly when a differential pressure of 0.2 MPa or more is set on the gas inlet side and outlet side of the plate-like body). The amount of gas to be introduced is ensured, and the advantages of a highly integrated structure (advantages of being compact and capable of realizing a sufficient reaction even at low temperatures) are obtained.

<6>前記板状体は、その気体透過係数が1×10-4 cm 2 sec-1 Pa-1以上であることを特徴とする。
前記請求項4の発明と同様に、板状体がこの気体透過係数の場合には(特に板状体のガスの入口側と出口側に0.1MPa以上の差圧を設定したときには)、導入されるガスの量が確保され、高集積構造の利点が得られる。
<6> The plate-like body has a gas permeability coefficient of 1 × 10 −4 cm 2 · sec −1 · Pa −1 or more.
As in the invention of claim 4, when the plate-like body has this gas permeability coefficient (especially when a differential pressure of 0.1 MPa or more is set between the gas inlet side and the outlet side of the plate-like body), The amount of gas to be produced is ensured, and the advantages of a highly integrated structure can be obtained.

<7>前記板状体は、その気体透過係数が5×10-4 cm 2 sec-1 Pa-1以上であることを特徴とする。
前記請求項5の発明と同様に、板状体がこの気体透過係数の場合には(特に板状体のガスの入口側と出口側に0.02MPa以上の差圧を設定したときには)、導入されるガスの量が確保され、高集積構造の利点が得られる。
<7> The plate-like body has a gas permeability coefficient of 5 × 10 −4 cm 2 · sec −1 · Pa −1 or more.
As in the invention of claim 5, when the plate-like body has this gas permeability coefficient (especially when a differential pressure of 0.02 MPa or more is set between the gas inlet side and the outlet side of the plate-like body), The amount of gas to be produced is ensured, and the advantages of a highly integrated structure can be obtained.

なお、リアクタースタックにおいては、差圧が小さいほどシステム設計が容易になるので、(システム設計の観点からは)ガス透過係数が大きい方が望ましい。
<8>前記板状体の組織中の粒子が、平均粒子径10〜60μmで、且つ、前記板状体の気孔率が、40〜60%であることを特徴とする。
In the reactor stack, the smaller the differential pressure, the easier the system design, so it is desirable that the gas permeability coefficient be large (from the viewpoint of system design).
<8> The particles in the structure of the plate-like body have an average particle diameter of 10 to 60 μm, and the porosity of the plate-like body is 40 to 60%.

前記請求項6の発明と同様に、板状体の組織中の粒子が、平均粒子径10〜60μmと粗いので、気体透過係数(従ってガス拡散係数)が高いという効果がある。
よって、外側多孔質セラミックス体の組織中の粒子の粒径を小さくして表面積を大きくし、反応性能を高くした場合でも、優れたガス拡散性能を有するので、結果として、一層優れた反応性能を有するという顕著な効果を奏する。
Similar to the sixth aspect of the invention, since the particles in the plate-like structure are coarse with an average particle diameter of 10 to 60 μm, there is an effect that the gas permeability coefficient (and hence the gas diffusion coefficient) is high.
Therefore, even when the particle size of the particles in the structure of the outer porous ceramic body is reduced to increase the surface area and increase the reaction performance, it has excellent gas diffusion performance, resulting in even better reaction performance. There is a remarkable effect of having.

更に、この構成では、気孔率が40%以上であるので、気体透過が十分であり、リアクターの性能を得ることが容易である。また、気孔率が60%以下であるので、原料に粗大な粒子を用いても、板状体の強度が高いという利点がある。 Further, in this configuration , since the porosity is 40% or more, gas permeation is sufficient, and it is easy to obtain the performance of the reactor. Further, since the porosity is 60% or less, there is an advantage that the strength of the plate-like body is high even if coarse particles are used as the raw material.

<9>前記板状体の組織中の粒子が、平均粒子径1〜10μmで、且つ、前記板状体の気孔率が、50〜90%であることを特徴とする。
この構成では、前記請求項7の発明と同様に、気孔率が50〜90%と高いので、粒子径が1〜10μmでも、優れたガス拡散性能を有する。特に、粒子径を小さくすることにより、(高い気孔率による)高いガス拡散性能を実現できるとともに、板状体に十分な強度が得られるという利点がある。
<9> The particles in the structure of the plate-like body have an average particle diameter of 1 to 10 μm, and the porosity of the plate-like body is 50 to 90%.
In this configuration , the porosity is as high as 50 to 90% as in the case of the seventh aspect of the invention. Therefore, even if the particle diameter is 1 to 10 μm, the gas diffusion performance is excellent. In particular, by reducing the particle diameter, there is an advantage that high gas diffusion performance (due to high porosity) can be realized and sufficient strength can be obtained for the plate-like body.

また、この構成は、例えば板状体の作成段階において、原材料中に造孔材を導入することにより実現できる。
<10>前記板状体は、その気孔の最大孔径が10〜300μmの範囲であり、且つ、各気孔同士の少なくとも一部が連通していることを特徴とする。
Further, this configuration can be realized, for example, by introducing a pore former into the raw material at the stage of producing the plate-like body.
<10> The plate-like body is characterized in that the pores have a maximum pore diameter in the range of 10 to 300 μm, and at least a part of each pore communicates.

この構成では、前記請求項8の発明と同様に、板状体の気孔の最大孔径が10μm以上であるので、ガス透過性能が高く、また、最大孔径が300μm以下であるので、各リアクター部の配置間隔を広げる必要がなく、装置をコンパクトにできる。 In this configuration, similarly to the invention of claim 8, since the maximum pore diameter of the plate-like pores is 10 μm or more, the gas permeation performance is high, and the maximum pore diameter is 300 μm or less. There is no need to increase the arrangement interval, and the apparatus can be made compact.

<11>前記板状体の気孔率と粒子径との関係は、(最大気孔径/100)<平均粒子径<(最大気孔径/4)であることを特徴とする。
この構成では、前記請求項9の発明と同様に、(最大気孔径/100)<平均粒子径の関係があるので、造孔材などにより形成された穴(気孔)同士が連結し易くなり、ガスの透過性が高い。また、平均粒子径<(最大気孔径/4)の関係があるので、気孔径と粒子径のバランスが良く、十分な強度を確保できる。
<11> The relationship between the porosity of the plate-like body and the particle size is (maximum pore size / 100) <average particle size <(maximum pore size / 4).
In this configuration, as in the invention of claim 9, since there is a relationship of (maximum pore diameter / 100) <average particle diameter, the holes (pores) formed by the pore former and the like are easily connected to each other, High gas permeability. Further, since there is a relationship of average particle diameter <(maximum pore diameter / 4), the balance between the pore diameter and the particle diameter is good, and sufficient strength can be secured.

<12>前記リアクター層状部は、隣り合う内側多孔質セラミックス体同士が一体に接続された構成を有することを特徴とする。
この構成では内側多孔質セラミックス体同士が一体に接続された構造であるので、寸法精度が高く、また、取り扱いが容易であり、製造時の作業性が高いという利点がある。
<12> the reactor layer portion, the inner porous ceramic body adjacent to each other and having a structure that is integrally connected.
In this configuration, since the inner porous ceramic bodies are integrally connected, there are advantages that the dimensional accuracy is high, the handling is easy, and the workability at the time of manufacture is high.

<13>前記隣り合う内側多孔質セラミックス体が、連結部を介して一体に接続されたことを特徴とする。
内側多孔質セラミックス体同士が一体に接続された構造を例示したものであり、内側多孔質セラミックス体が(連結部を介して)一体であるので、構造を簡易化できるという利点がある。
<13> The next case earthenware pots in side the porous ceramic body, characterized in that connected together through a connecting portion.
This is an example of a structure in which the inner porous ceramic bodies are integrally connected, and the inner porous ceramic body is integral (via the connecting portion), so that there is an advantage that the structure can be simplified.

尚、内側多孔質セラミックス体が内側電極である場合には、連結部は導電性を有する。
<14>前記隣り合う内側多孔質セラミックス体の壁面部自体が一体に接続されたことを特徴とする。
When the inner porous ceramic body is an inner electrode, the connecting portion has conductivity.
<14> wall portion itself of the adjacent coupling power sale in side the porous ceramic body is characterized in that it is integrally connected.

内側多孔質セラミックス体同士が一体に接続された構造を例示したものであり、内側多孔質セラミックス体の壁面部が一体であるので、強度が高いという利点がある。
<15>上述したリアクタースタックの製造方法において、前記内側多孔質セラミックス体とその表面に形成した特定のイオン、原子、又は分子を透過可能な固体処理層からなるリアクター部前駆体又はリアクター部前駆体の焼結体を製造する第1工程と、前記多孔質セラミックスの材料からなる板状体前駆体又は板状体前駆体の焼結体を製造する第2工程と、前記リアクター部前駆体を前記板状体前駆体で挟んでスタック化、前記リアクター部前駆体の焼結体を前記板状体前駆体で挟んでスタック化、前記リアクター部前駆体を前記板状体前駆体の焼結体で挟んでスタック化、又は前記リアクター部前駆体の焼結体を前記板状体前駆体の焼結体で挟んでスタック化する第3工程と、を備えたことを特徴とする。
This is an example of a structure in which the inner porous ceramic bodies are integrally connected, and since the wall surface of the inner porous ceramic body is integral, there is an advantage that the strength is high.
<15> In the reactor stack manufacturing method described above, a reactor part precursor or a reactor part precursor comprising the inner porous ceramic body and a solid treatment layer capable of transmitting specific ions, atoms, or molecules formed on the surface thereof A first step of producing a sintered body of the above, a second step of producing a plate-like body precursor made of the porous ceramic material or a sintered body of the plate-like body precursor, and the reactor part precursor Stacked by sandwiching a plate-shaped precursor, stacked by sandwiching the sintered body of the reactor part precursor with the plate-shaped precursor, and sintering the reactor part precursor with the sintered body of the plate-shaped body precursor And a third step of stacking and stacking the sintered body of the reactor part precursor with the sintered body of the plate-like body precursor.

この構成は、リアクタースタックの製造方法を例示したものであり、これにより、容易にリアクタースタックを製造することができる。
尚、ここで、各前駆体とは、焼成前の成形体を示しており、例えば押出成形後の成形体が挙げられる(尚、仮焼成したものも含まれる)。また、前記第1工程と第2工程の順序は逆でも良い。
This configuration exemplifies a method for manufacturing a reactor stack, and thus the reactor stack can be easily manufactured.
In addition, here, each precursor has shown the molded object before baking, for example, the molded object after extrusion molding is mentioned (In addition, what was calcined is also included.). The order of the first step and the second step may be reversed.

<16>前記リアクター部前駆体と前記板状体前駆体との間、前記リアクター部前駆体の焼結体と前記板状体前駆体との間、前記リアクター部前駆体と前記板状体前駆体の焼結体との間、又は前記リアクター部前駆体の焼結体と前記板状体前駆体の焼結体との間に、前記外側多孔質セラミックス体の材料を配置して焼成することを特徴とする。 <16> Between the reactor part precursor and the plate precursor, between the sintered body of the reactor part precursor and the plate precursor, the reactor part precursor and the plate precursor. The outer porous ceramic body material is disposed and fired between the sintered body of the body or between the sintered body of the reactor part precursor and the sintered body of the plate-like body precursor. It is characterized by.

これにより、リアクター部と板状体との間に(リアクター部と板状体とが接触した状態で)外側多孔質セラミックス体を形成することができる。尚、この外側多孔質セラミックス体は、リアクター部と板状体とを接合する機能を発揮する。   Thereby, an outer porous ceramic body can be formed between the reactor part and the plate-like body (in a state where the reactor part and the plate-like body are in contact). The outer porous ceramic body exhibits a function of joining the reactor portion and the plate-like body.

<17>内側多孔質セラミックス体前駆体を、押出成形により作製することを特徴とする。
この構成は、内側多孔質セラミックス体前駆体の形成方法を例示したものである。これにより、大量の内側多孔質セラミックス体前駆体を容易に製造することができる。尚、この場合の内側多孔質セラミックス体前駆体は、焼成前の成形体である。
<17> An inner porous ceramic body precursor is produced by extrusion molding.
This configuration exemplifies a method for forming the inner porous ceramic body precursor. Thereby, a large amount of inner porous ceramic body precursors can be easily manufactured. In this case, the inner porous ceramic body precursor is a molded body before firing.

<18>前記板状体前駆体を、押出形成により形成することを特徴とする。
この構成は、板状体前駆体の形成方法を例示したものであり、これにより、大量の板状体前駆体を容易に製造することができる。尚、この場合の板状前駆体は、焼成前の成形体である。
<18> The plate-like body precursor is formed by extrusion.
This configuration exemplifies a method for forming a plate-like precursor, whereby a large amount of plate-like precursor can be easily produced. In this case, the plate-like precursor is a molded body before firing.

<19>上述したリアクタースタックの製造方法において、前記多孔質セラミックスに球状の造孔材を加えた原材料を用いて板状体前駆体を形成し、前記板状体前駆体を焼成することにより、気孔を有する焼結体である前記板状体を製造することを特徴とする。 <19> In the reactor stack manufacturing method described above, by forming a plate-like precursor using a raw material obtained by adding a spherical pore former to the porous ceramic, and firing the plate-like precursor, The plate-like body, which is a sintered body having pores, is manufactured.

前記請求項17の発明と同様に、この構成は、造孔材を用いた製造方法を例示したものである。ここでは、球状の造孔材を用いるので、高い気孔率の導電性板状体を作製し易く、また、気孔径の制御が容易である。 Similar to the invention of the seventeenth aspect , this configuration exemplifies a manufacturing method using a pore former. Here, since the spherical pore former is used, it is easy to produce a conductive plate having a high porosity, and the pore diameter can be easily controlled.

<20>前記球状の造孔材の前記原材料に対する体積比が、60〜90体積%であることを特徴とする。
前記請求項18の発明と同様に、この構成は、好ましい造孔材の割合を例示したものである。
<20> The volume ratio of the spherical pore former to the raw material is 60 to 90% by volume.
Similar to the eighteenth aspect of the present invention, this configuration illustrates a preferable proportion of the pore former.

<21>前記板状体前駆体の焼成温度が、1300℃以上であることを特徴とする。
前記請求項19の発明と同様に、この構成は、好ましい温度範囲を例示したものである。この温度範囲であれば、例えば板状体が導電性を有する場合には、高い導電性が得られるので好適である。
<21> The firing temperature of the plate-like body precursor is 1300 ° C. or higher.
Similar to the invention of the nineteenth aspect , this configuration exemplifies a preferable temperature range. Within this temperature range, for example, when the plate-like body has conductivity, it is preferable because high conductivity can be obtained.

尚、リアクタースタックの各構成については、前記燃料電池スタックの各構成とほぼ同様な構成であるので、簡単に説明する。
・「固体処理層」としては、前記燃料電池スタックで用いる固体電解質と同様な材料を使用できるが、それ以外にも、特定のイオン、原子、又は分子を透過可能な薄膜(固体処理層)を構成する各種の材料を利用できる。例えばパラジウム金属膜やパラジウム・銀合金膜を構成する材料を採用できる。
Since each configuration of the reactor stack is substantially the same as each configuration of the fuel cell stack, a brief description will be given.
-As the "solid treatment layer", the same material as the solid electrolyte used in the fuel cell stack can be used, but in addition, a thin film (solid treatment layer) that can transmit specific ions, atoms, or molecules can be used. Various materials can be used. For example, a material constituting a palladium metal film or a palladium / silver alloy film can be employed.

尚、特定のイオン、原子、又は分子としては、水素や酸素などのイオン、原子、又は分子が挙げられる。
・リアクターの各材料に関しては、リアクター種により異なるため、簡単にまとめることができないが、例えば、NOx浄化用の技術としては、前記燃料電池とまったく同様の材料構成にて、NOx浄化用のリアクターとして動作可能である。
The specific ion, atom, or molecule includes an ion, atom, or molecule such as hydrogen or oxygen.
-Reactor materials differ depending on the type of reactor and cannot be summarized easily. For example, as a technology for purifying NOx, the reactor has the same material structure as that of the fuel cell and is used as a reactor for purifying NOx. It is possible to operate.

また、例えば、水素製造技術の場合、特定のイオン透過性の薄膜には、水素透過能を有するパラジウム金属、または、パラジウムとPt、Au、Ag、Cu、Niなどのうち少なくとも一元素以上との合金、BaCeO3系のペロブスカイ構造を有する酸化物が考えられる。 Further, for example, in the case of hydrogen production technology, a specific ion-permeable thin film is made of palladium metal having hydrogen permeability or at least one element of palladium and Pt, Au, Ag, Cu, Ni, etc. An alloy and an oxide having a BaCeO 3 -based perovskite structure are conceivable.

・内側多孔質セラミックスや外側多孔質セラミックスには、触媒能を有しないもの、触媒能を有するものいずれを設置することも可能である。触媒能を有するものとしては、天然ガス、ナフサ、石炭ガス化ガス、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ペンタンなど炭化水素化合物を分解可能な材料であれば良く、Ni、Cu、Fe、Co、Ag、Pt、Pd、W、Moおよびこれらの合金などを採用することができる。また、触媒能を有しない材料としては、アルミナ、マグネシア、ジルコニア、チタニア、及び、これらの混合物、化合物などが考えられる。   -For the inner porous ceramics and the outer porous ceramics, either one having no catalytic ability or one having catalytic ability can be installed. The material having catalytic ability may be any material capable of decomposing hydrocarbon compounds such as natural gas, naphtha, coal gasification gas, methane, ethane, propane, butane, pentane, Ni, Cu, Fe, Co, Ag. , Pt, Pd, W, Mo and alloys thereof can be employed. In addition, examples of materials that do not have catalytic ability include alumina, magnesia, zirconia, titania, and mixtures and compounds thereof.

ここで、触媒能を有しない多孔質セラミックスを使用した場合について、簡易的な改質器にて処理後の一酸化炭素や水素などの混合ガスをリアクターに投入することで、パラジウム系金属薄膜のみで純水素を取り出すリアクターとして効果を発揮する。   Here, when using porous ceramics that do not have catalytic ability, only a palladium-based metal thin film can be obtained by introducing a mixed gas such as carbon monoxide and hydrogen after treatment with a simple reformer into the reactor. It is effective as a reactor for extracting pure hydrogen.

・多孔質の板状体の構成材料としては、導電性が必要な場合は、Ag、La、Sr、Mn、Co、Fe、Sm、Ce、Pr、Nd、Ca、Ba、Ni、Mg、Tiのいずれかの元素、又はこれらの元素を1種類以上含む酸化物を採用できる。多孔質の板状体は、電極を用いる場合以外は導電性である必要はなく、アルミナ等の各種の多孔質のセラミックス等を用いることができる。また、多孔質の板状体としては、上記多孔質セラミックスとしてあげた材料の粒子径が異なるものなどを採用することができる。   As the constituent material of the porous plate-like body, when conductivity is required, Ag, La, Sr, Mn, Co, Fe, Sm, Ce, Pr, Nd, Ca, Ba, Ni, Mg, Ti Any of these elements or an oxide containing one or more of these elements can be used. The porous plate-like body does not need to be conductive except when an electrode is used, and various porous ceramics such as alumina can be used. In addition, as the porous plate-like body, materials having different particle diameters from the materials mentioned as the porous ceramics can be employed.

以下、本発明の実施形態の例(実施例)について説明する。   Hereinafter, examples (examples) of the embodiments of the present invention will be described.

ここでは、固体電解質型燃料電池(以下単に燃料電池とも記す)スタック及びその製造方法について説明する。
a)まず、本実施例の燃料電池スタックの全体構成について説明する。
Here, a solid oxide fuel cell (hereinafter also simply referred to as a fuel cell) stack and a manufacturing method thereof will be described.
a) First, the overall configuration of the fuel cell stack of this embodiment will be described.

図1に示す様に、本実施例の燃料電池スタック1では、多数の円筒状の燃料電池部3がその軸方向に平行に配置されて、左右方向に1列に並んだ燃料電池層状部5が形成されており、この燃料電池層状部5は、図の上下方向に平行に複数層形成されている。   As shown in FIG. 1, in the fuel cell stack 1 of this embodiment, a large number of cylindrical fuel cell portions 3 are arranged in parallel in the axial direction, and the fuel cell layered portions 5 are arranged in a line in the left-right direction. The fuel cell layered portion 5 is formed in a plurality of layers parallel to the vertical direction of the figure.

また、燃料電池層状部5は、外側電極(空気極)7を介して導電性板状体(集電体)9により、上下方向から挟まれた状態となっている。つまり、燃料電池層状部5は、外側電極7や導電性板状体9を介して積層された状態となっており、図の上下方向から電気を取り出すことが可能となっており。   Further, the fuel cell layered portion 5 is sandwiched from above and below by a conductive plate (current collector) 9 through an outer electrode (air electrode) 7. That is, the fuel cell layered portion 5 is in a state of being stacked via the outer electrode 7 and the conductive plate-like body 9, and electricity can be taken out from the vertical direction in the figure.

詳しくは、図2に示す様に、燃料ガス(例えば水素)に接する円筒状の内側電極(燃料極)11の外周面に、酸素イオン導電性を有する固体電解質層13が形成されて燃料電池部3が構成され、固体電解質層13と接する様に、支燃性ガス(例えば空気中の酸素)に接触する外側電極7が形成されている。この外側電極7は、同図の横1列に配置された他の同様な燃料電池部3(従って各固体電解質層13)の外周面に接触し、他の燃料電池部3と共用されるものである。尚、溝15(図4参照)の中だけに外側電極7を形成する場合には、外側電極7は他の燃料電池部3と共用されない。   Specifically, as shown in FIG. 2, a solid electrolyte layer 13 having oxygen ion conductivity is formed on the outer peripheral surface of a cylindrical inner electrode (fuel electrode) 11 in contact with a fuel gas (for example, hydrogen) to form a fuel cell unit. 3 is formed, and an outer electrode 7 in contact with a combustion-supporting gas (for example, oxygen in the air) is formed so as to be in contact with the solid electrolyte layer 13. This outer electrode 7 is in contact with the outer peripheral surface of another similar fuel cell unit 3 (and hence each solid electrolyte layer 13) arranged in a horizontal row in the same figure, and is shared with other fuel cell units 3 It is. When the outer electrode 7 is formed only in the groove 15 (see FIG. 4), the outer electrode 7 is not shared with the other fuel cell units 3.

前記外側電極7は、各燃料電池部3と導電性板状体9の間に配置されるものであり、導通を確保するとともに、各燃料電池部3と導電性板状体9とを接続(接合)している。
従って、内側電極11と固体電解質層13と外側電極7とから燃料電池(セル)8が構成され、複数箇所(同図では4箇所)に分離した内側電極11及び固体電解質層13からなる燃料電池部3と一体に連続した層状の外側電極7とから燃料電池層状部5が構成されている。尚、燃料電池部3の本数は、説明が容易な様に各図では異なって記載されているが、当然ながら実際には同じ本数(例えば縦10本×横10本=合計100本)である。
このうち、前記燃料電池部3は、図3に示す様に、外径が3mm以下の円筒であり、円筒状の例えば厚み50〜400μmの内側電極11の外表面のうち、その両端を除いて例えば厚み2〜30μmの固体電解質層13で覆ったものである。
The outer electrode 7 is disposed between each fuel cell unit 3 and the conductive plate 9 to ensure electrical connection and connect each fuel cell unit 3 to the conductive plate 9 ( Joining).
Therefore, a fuel cell (cell) 8 is constituted by the inner electrode 11, the solid electrolyte layer 13 and the outer electrode 7, and the fuel cell is composed of the inner electrode 11 and the solid electrolyte layer 13 separated into a plurality of locations (four locations in the figure). The fuel cell layered portion 5 is composed of a layered outer electrode 7 that is continuous with the portion 3. The number of fuel cell units 3 is shown differently in each figure for easy explanation, but of course, the number is actually the same (for example, 10 vertical x 10 horizontal x 100 in total). .
Among these, the fuel cell unit 3 is a cylinder having an outer diameter of 3 mm or less, as shown in FIG. 3. Except for both ends of the cylindrical outer surface of the inner electrode 11 having a thickness of, for example, 50 to 400 μm. For example, it is covered with a solid electrolyte layer 13 having a thickness of 2 to 30 μm.

また、導電性板状体9は、図4に示す様に、上下両側に、燃料電池部3が嵌め込まれる断面形状が半円状の溝15が平行に形成されたものである。尚、燃料電池スタック1の上端及び下端の導電性板状体9には、1面側のみに溝15が形成されている。   In addition, as shown in FIG. 4, the conductive plate-like body 9 is formed by forming grooves 15 having a semicircular cross-sectional shape into which the fuel cell unit 3 is fitted in parallel on both upper and lower sides. The conductive plate 9 at the upper and lower ends of the fuel cell stack 1 has grooves 15 formed only on one surface side.

特に、本実施例では、外側電極7の組織(焼結体)の組織の粒子の平均粒子径は、0.1〜2μm(望ましくは0.1〜1μm、更に望ましくは0.3〜0.8μm)であり、非常に微細な粒子から構成されているが、外側電極7の組織(焼結体)の粒子の平均粒子径は、10〜60μm(望ましくは20〜50μm、更に望ましくは30〜50μm)であり、外側電極11より粗大な粒子から構成されている。   In particular, in this embodiment, the average particle diameter of the structure of the structure (sintered body) of the outer electrode 7 is 0.1 to 2 μm (desirably 0.1 to 1 μm, more desirably 0.3 to 0.00). The average particle diameter of the particles of the structure (sintered body) of the outer electrode 7 is 10 to 60 μm (desirably 20 to 50 μm, more desirably 30 to 8 μm). 50 μm), and is composed of coarser particles than the outer electrode 11.

そして、上述した燃料電池スタック1では、導電性板状体9を介して、図1のX方向に空気を流し、Y方向に燃料ガスを流すことにより、発電を行うことができる。また、発電された電気は、例えば、内側電極(燃料極)11側の集電を燃料電池部3の両端から、外側電極(空気極)7の側の集電を同図の上下平面から取り出すことができる。   In the fuel cell stack 1 described above, power can be generated by flowing air in the X direction in FIG. 1 and flowing fuel gas in the Y direction via the conductive plate-like body 9. For example, the electricity collected on the inner electrode (fuel electrode) 11 side is taken out from both ends of the fuel cell unit 3, and the current collection on the outer electrode (air electrode) 7 side is taken out from the upper and lower planes of FIG. be able to.

b)次に、前記燃料電池スタック1の製造方法について説明する。
例えば平均粒子径0.1〜2μm(望ましくは0.1〜1μm、更に望ましくは0.3〜0.8μm)のNiO:50重量%、平均粒子径0.1〜2μm(望ましくは0.1〜1μm、更に望ましくは0.3〜0.8μm)のGd0.2Ce0.81.9:39重量%、セルロース系バインダ:7重量%を、乾式ミキサで1時間混合後、水を粉末に対して14外重量%添加して、更に30分混合した。
b) Next, a method for manufacturing the fuel cell stack 1 will be described.
For example, NiO: 50% by weight with an average particle size of 0.1 to 2 μm (preferably 0.1 to 1 μm, more preferably 0.3 to 0.8 μm), an average particle size of 0.1 to 2 μm (preferably 0.1 Gd 0.2 Ce 0.8 O 1.9 : 39% by weight and cellulose binder: 7% by weight of 1 wt. The external weight% was added and mixed for another 30 minutes.

この混合物を3本ロールに通した後、作成した素地を1晩放置した。
その後、図5に示す様に、前記素地を一軸油圧シリンダ型押し出し成型機21にて、押し出し成形を行った。
After passing this mixture through three rolls, the prepared substrate was left overnight.
Thereafter, as shown in FIG. 5, the substrate was subjected to extrusion molding using a uniaxial hydraulic cylinder type extrusion molding machine 21.

また、Gd0.2Ce0.81.9に対し、ブチラール系バインダ:4外重量、メチルエチル
ケトン:100外重量%を加え、24時間混合してスラリー23とし、そのスラリー23中に、前記押し出し成形によって形成した燃料極成形体(即ち内側電極前駆体)25を浸漬した。これによって、燃料極成形体25の表面に固体電解質の被膜27を形成した。
Further, a butyral binder: 4 wt.% And methyl ethyl ketone: 100 wt.% Are added to Gd 0.2 Ce 0.8 O 1.9 and mixed for 24 hours to form a slurry 23. The fuel formed in the slurry 23 by the extrusion molding. The polar molded body (that is, the inner electrode precursor) 25 was immersed. As a result, a solid electrolyte coating 27 was formed on the surface of the fuel electrode molded body 25.

その後、被膜27を形成した燃料極成形体25(即ち燃料電池部前駆体)を、大気中にて1400℃で1時間同時焼成して、燃料電池部3を製造した。
一方、平均粒子径10〜60μm(望ましくは20〜50μm、更に望ましくは30〜50μm)のLa0.6Sr0.4Co0.2Fe0.83(LSCF粉末)93重量%、セルロース系バインダ7重量%を、乾式ミキサで1時間混合後、水を粉末に対して14外重量%添加して、更に30分混合した。
Thereafter, the fuel electrode molded body 25 (that is, the fuel cell part precursor) on which the coating film 27 was formed was simultaneously fired in the atmosphere at 1400 ° C. for 1 hour to produce the fuel cell part 3.
On the other hand, 93% by weight of La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 (LSCF powder) having an average particle size of 10 to 60 μm (preferably 20 to 50 μm, more preferably 30 to 50 μm) and 7% by weight of a cellulose binder are dry-treated. After mixing with a mixer for 1 hour, water was added in an external weight of 14% by weight with respect to the powder and mixed for another 30 minutes.

尚、上記LSCF粉末の様な粗大粒子を得る方法としては、LSCF粉末(0.1〜2μm程度)を仮焼成した後、粒度調整して使用する方法、又は、LSCF粉末(0.1〜2μm程度)を転動造粒機やスプレードライなどを用いて球状粒子とし、仮焼後使用する方法がある。   In addition, as a method of obtaining coarse particles such as the above LSCF powder, after calcination of the LSCF powder (about 0.1 to 2 μm), the particle size is adjusted, or the LSCF powder (0.1 to 2 μm) is used. Grade) is formed into spherical particles using a rolling granulator or spray dry, and used after calcination.

そして、前記混合物を3本ロールに通した後、作成した素地を1晩放置した。
その後、前記素地をスクリュー型押し出し成型機(図示せず)にて、押し出し成形を行った。
Then, after passing the mixture through three rolls, the prepared substrate was left overnight.
Then, the said base material was extrusion-molded with the screw-type extrusion molding machine (not shown).

次に、この成形体(即ち導電性板状体前駆体)を、大気中にて1200〜1500℃で1〜3時間焼成して、導電性板状体9を製造した。これにより、平均粒子径が大きな導電性板状体9が得られる。   Next, this molded body (that is, the conductive plate precursor) was fired in the atmosphere at 1200 to 1500 ° C. for 1 to 3 hours to produce a conductive plate 9. Thereby, the electroconductive plate-like body 9 with a large average particle diameter is obtained.

その後、導電性板状体9の表面(燃料電池部3を挟む溝15側の表面)に、外側電極7の電極材料を塗布した。具体的には、平均粒子径0.1〜2μm(望ましくは0.1〜1μm、更に望ましくは0.3〜0.8μm)のLSCF粉末に対して、バインダとしてエチルセルロース:5外重量%、分散剤:1外重量%、ブチルカルビトール:13外重量%を加え、3本ロールにて混合したペースト10をスクリーン印刷にて溝15が埋まるように塗布した。   Thereafter, the electrode material of the outer electrode 7 was applied to the surface of the conductive plate 9 (the surface on the side of the groove 15 sandwiching the fuel cell unit 3). Specifically, with respect to LSCF powder having an average particle size of 0.1 to 2 μm (preferably 0.1 to 1 μm, more preferably 0.3 to 0.8 μm), ethyl cellulose as a binder: 5% by weight, dispersed Agent: 1 wt%, butyl carbitol: 13 wt% was added, and paste 10 mixed by three rolls was applied by screen printing so that the grooves 15 were filled.

そして、導電性板状体9の溝15上に、燃料電池部3を設置し、他の導電性板状体9で挟み込み積層した。
その後、大気中で1000℃で2時間焼成し、本実施例の燃料電池スタック1を形成する。尚、最後の焼成により、平均粒子径が導電性板状体9より小さな外側電極7が得られる。
Then, the fuel cell unit 3 was installed on the groove 15 of the conductive plate 9 and sandwiched and laminated by another conductive plate 9.
Thereafter, it is baked at 1000 ° C. for 2 hours in the atmosphere to form the fuel cell stack 1 of this example. In addition, the outer electrode 7 whose average particle diameter is smaller than the conductive plate 9 is obtained by the final firing.

上述した様に製造された燃料電池スタック1は、外側電極7の組織の粒子が0.1〜2μmと小さく粒子が細かいので、電極の表面積が大きい。そのため電気抵抗が小さく、発電性能が優れている。   The fuel cell stack 1 manufactured as described above has a small surface area of 0.1 to 2 [mu] m and a large surface area of the electrode because the tissue particles of the outer electrode 7 are as small as 0.1 to 2 [mu] m. Therefore, electric resistance is small and power generation performance is excellent.

また、導電性板状体9の組織の粒子が10〜60μmと大きく粒子が粗いので、導電性板状体9内部を空気が通過しやすい。よって、ガス拡散の能力が高いので、その点からも発電性能が向上するという利点がある。   Moreover, since the particle | grains of the structure | tissue of the electroconductive plate-shaped body 9 are as large as 10-60 micrometers and a particle | grain are coarse, air tends to pass through the inside of the electroconductive plate-shaped body 9. FIG. Therefore, since the ability of gas diffusion is high, there is an advantage that the power generation performance is improved from that point.

(実験例1)
次に、上述した燃料電池スタックで用いられる導電性板状体の特性、即ち気体透過係数と電気導電率と気孔率とを測定した実験例について説明する。
(Experimental example 1)
Next, an experimental example in which the characteristics of the conductive plate used in the fuel cell stack described above, that is, the gas permeability coefficient, the electrical conductivity, and the porosity are measured will be described.

本実験例では、前記実施例1の導電性板状体と同じ材料(造孔材の無い材料)を用い、同様な製造工程にて試料を作製した。尚、焼成温度は、下記表1に記載の様に、1100〜1400℃の範囲で焼成を行った。   In this experimental example, the same material as the conductive plate-like body of Example 1 (material without a pore-forming material) was used, and a sample was manufactured in the same manufacturing process. As shown in Table 1 below, the firing temperature was 1100 to 1400 ° C.

<気体透過係数の測定>
気体透過係数の測定に用いる試料の形状は、直径30mm×厚み1mmの円盤状である。
<Measurement of gas permeability coefficient>
The shape of the sample used for the measurement of the gas permeability coefficient is a disk shape with a diameter of 30 mm and a thickness of 1 mm.

図6に示した測定治具31中の上下のパッキン33、35の間に、試料37を挟み込み、上方治具39と上方治具41とを図示しないネジにより締め付け、シールする。
パッキン33、35の中央には、直径8mmの丸穴が開いており、下方よりガス圧を加え、上方から抜けて来るガス量を、石鹸膜流量計にて測定した。
A sample 37 is sandwiched between upper and lower packings 33 and 35 in the measurement jig 31 shown in FIG. 6, and the upper jig 39 and the upper jig 41 are tightened and sealed with screws (not shown).
A round hole with a diameter of 8 mm was opened at the center of the packings 33 and 35. Gas pressure was applied from below and the amount of gas coming out from above was measured with a soap film flow meter.

また、入口側ガス圧は、0.05〜0.2MPaの範囲で、石鹸膜流量計にて正確な流量を測定できる範囲に調整し、測定した。その結果を、下記表1に記す。
尚、気体透過係数Cは、下記式(1)により求めた。ここで、Fはガス流量(透過気体流量:mlmin-1)、tは試料厚さ(cm)、60は時間(秒)、Aはガス透過面積(試料面積:cm2)、Pは片面より加えたガス圧(入口出口のガス圧差:Pa)である。

気体透過係数C=Ft/60AP・・・(1)

<電気伝導率の測定>
電気伝導率は、縦3mm×横4mm×長さ40mmの柱状の試料を用い、JIS R1661の規定に定められたように電極を取り付けて評価用の試料とした。測定は、600℃の大気中の雰囲気にて、直流電源と電圧計を用いた。具体的には、試料両端から直流電流を印加して、そのときの電圧を記録することで、電流I(A)、電圧E(V)、試料断面積A(cm2)、電圧端子間距離L(cm)から、下記式(2)を用いて、電気伝導率k(Scm-1)を求めた。その結果を、同じく下記表1に記す。

電気伝導率k=IL/EA ・・(2)

<平均粒子径の測定>
平均粒子径は、走査型電子顕微鏡にて、導電性板状体を構成する粒子が100個以上観察できる視野にて観察し、それを平均化して求めた。その結果を、同じく下記表1に記す。なお、下記表1では、焼成後の平均粒子径を示している。
Moreover, the inlet side gas pressure was adjusted in the range which can measure an exact flow rate with a soap film flowmeter in the range of 0.05-0.2 MPa, and measured. The results are shown in Table 1 below.
In addition, the gas permeability coefficient C was calculated | required by following formula (1). Here, F is a gas flow rate (permeate gas flow rate: mlmin −1 ), t is a sample thickness (cm), 60 is a time (second), A is a gas permeation area (sample area: cm 2 ), and P is from one side. It is the added gas pressure (gas pressure difference at the inlet and outlet: Pa).

Gas permeability coefficient C = Ft / 60AP (1)

<Measurement of electrical conductivity>
The electrical conductivity was a sample for evaluation using a columnar sample having a length of 3 mm × width of 4 mm × length of 40 mm, and an electrode attached as defined in JIS R1661. The measurement was performed using a DC power source and a voltmeter in an atmosphere at 600 ° C. in the air. Specifically, by applying a direct current from both ends of the sample and recording the voltage at that time, current I (A), voltage E (V), sample cross-sectional area A (cm 2 ), distance between voltage terminals From L (cm), the electrical conductivity k (Scm −1 ) was determined using the following formula (2). The results are also shown in Table 1 below.

Electrical conductivity k = IL / EA (2)

<Measurement of average particle diameter>
The average particle diameter was obtained by observing with a scanning electron microscope in a visual field where 100 or more particles constituting the conductive plate-like body could be observed, and averaging them. The results are also shown in Table 1 below. In Table 1 below, the average particle diameter after firing is shown.

<気孔率の測定>
得られた試料について、乾燥重量W1、水中で15分間以上真空引きして水を含ませた含水重量W2、及び含水した試料の水中重量W3を測定して、下記式(3)により、気孔率Pを求めた。ここでは、水の密度はρw、構成材料の密度はρcである。その結果を、同じく下記表1に記す。

気孔率P={1−(W1×ρw)/((W2−W3)×ρc)}×100・・・(3)
<Measurement of porosity>
With respect to the obtained sample, dry weight W1, vacuum weight in water for 15 minutes or more, hydrous weight W2 containing water, and wet water weight W3 of the sample were measured. P was determined. Here, the density of water is ρw, and the density of the constituent material is ρc. The results are also shown in Table 1 below.

Porosity P = {1− (W1 × ρw) / ((W2−W3) × ρc)} × 100 (3)

尚、表1(及び下記表2)のハンドリング性とは、手で摘み上げるときの試料の状態のことであり、摘み上げても角が砕けるなど崩れる恐れがない場合を○とし、慎重に摘み上げないと崩れる場合を×とした。 The handling property in Table 1 (and Table 2 below) refers to the state of the sample when picked up by hand. The case where it would collapse if it was not raised was marked as x.

表1から明かな様に、試料No.2〜5では、平均粒子径が10μm以上60μm以下であるので、気体透過係数と電気伝導率と気孔率とが高く、燃料電池の多孔体の集電体として好適であることが分かる。   As is clear from Table 1, in Samples Nos. 2 to 5, the average particle diameter is 10 μm or more and 60 μm or less, so the gas permeability coefficient, electrical conductivity, and porosity are high, and the current collection of the porous body of the fuel cell It turns out that it is suitable as a body.

それに対して、試料No.1では、平均粒子径が2.1μmと小さく、気孔率も38%と低いので、発電に必要となる気体透過量が得ることが難しい。
また、試料No.6、7では、平均粒子径が70μmと粗く、セラミックスの焼結が困難であり、ハンドリングが難しい。なお、サポートをつけなければ気体透過係数や電気伝導率の測定は困難であるので、ここではその測定値は記載していない。
On the other hand, sample No. 1 has an average particle size as small as 2.1 μm and a porosity as low as 38%, so it is difficult to obtain a gas permeation amount necessary for power generation.
In Samples Nos. 6 and 7, the average particle diameter is as coarse as 70 μm, and it is difficult to sinter ceramics and handling is difficult. In addition, since measurement of a gas permeability coefficient and electrical conductivity is difficult if a support is not attached, the measured value is not described here.

(実験例2)
次に、造孔材を用いて導電性板状体を製造した場合の実験例について説明する。
<試料の作製>
平均粒子径0.1〜11μmのLa0.6Sr0.4Co0.2Fe0.83-δ(LSCF粉末)に、平均粒子径5〜350μmの球状のポリメタクリル酸メチルのビーズ粉末を50〜95体積%混合するとともに、LSCF粉末に対してセルロース系バインダ7重量%を添加し、それを乾式ミキサで1時間混合後、水をLSCF粉末に対して14外重量%添加して、更に30分混合した。
(Experimental example 2)
Next, an experimental example when a conductive plate-like body is manufactured using a pore former will be described.
<Preparation of sample>
La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 -δ (LSCF powder) having an average particle size of 0.1 to 11 μm and 50 to 95% by volume of spherical polymethyl methacrylate bead powder having an average particle size of 5 to 350 μm are mixed. In addition, 7% by weight of a cellulosic binder was added to the LSCF powder, and after mixing for 1 hour with a dry mixer, 14% by weight of water was added to the LSCF powder and mixed for another 30 minutes.

そして、前記混合物を3本ロールに通した後、作成した素地を1晩放置した。
その後、前記素地をスクリュー型押し出し成型機にて、押し出し成形を行った。
次に、この成形体(即ち導電性板状体前駆体)を、大気中にて1200〜1400℃で1時間焼成して、導電性板状体の試料を製造した。
Then, after passing the mixture through three rolls, the prepared substrate was left overnight.
Thereafter, the substrate was subjected to extrusion molding with a screw-type extrusion molding machine.
Next, this molded body (that is, a conductive plate precursor) was fired in the atmosphere at 1200 to 1400 ° C. for 1 hour to produce a conductive plate sample.

そして、この試料を用いて、以下の測定を行った。
<気体透過係数の測定>
気体透過係数の測定に用いる試料の形状は、直径20mm×厚み2mmの円盤状である。
And the following measurements were performed using this sample.
<Measurement of gas permeability coefficient>
The shape of the sample used for measurement of the gas permeability coefficient is a disk shape having a diameter of 20 mm and a thickness of 2 mm.

前記図6と同様な装置を用い、上方よりガス圧を加え、下方から抜けて来るガス量を、石鹸膜流量計にて測定した。
その他は、前記実験例1と同様にして、前記式(1)により、気体透過係数を求めた。その結果を、下記表2に記す。
Using the same apparatus as that shown in FIG. 6, the gas pressure was applied from above and the amount of gas coming out from below was measured with a soap film flow meter.
Others were the same as in Experimental Example 1, and the gas permeation coefficient was determined by the equation (1). The results are shown in Table 2 below.

<電気伝導率の測定>
電気伝導率は、前記実験例1と同様にして、前記式(2)により求めた。その結果を、同じく下記表2に記す。
<Measurement of electrical conductivity>
The electrical conductivity was determined by the above formula (2) in the same manner as in Experimental Example 1. The results are also shown in Table 2 below.

<平均粒子径の測定>
焼結前の原料粉末の粒子径は、レーザー回折式粒度分布測定装置により平均粒子径を求めた。また、各試料の焼結後の平均粒子径は、前記実験例1と同様にして求めた。その結果を、同じく下記表2に記す。
<Measurement of average particle diameter>
The particle diameter of the raw material powder before sintering was determined by an average particle diameter using a laser diffraction particle size distribution measuring device. Moreover, the average particle diameter after sintering of each sample was determined in the same manner as in Experimental Example 1. The results are also shown in Table 2 below.

<最大気孔径の測定>
最大気孔径は、走査型電子顕微鏡にて、造孔材などにより形成された気孔が20個以上観察できる視野にて、最も大きな気孔を確認し、その孔径を顕微鏡の倍率を上げて求めた。その結果を、同じく下記表2に記す。
<Measurement of maximum pore diameter>
The maximum pore diameter was determined by confirming the largest pore in a field of view where 20 or more pores formed of a pore-forming material could be observed with a scanning electron microscope, and increasing the magnification of the microscope. The results are also shown in Table 2 below.

<気孔率の測定>
前記実験例1と同様にして、前記式(3)により、気孔率を求めた。その結果を、同じく下記表2に記す。
<Measurement of porosity>
In the same manner as in Experimental Example 1, the porosity was determined by the above formula (3). The results are also shown in Table 2 below.

表2から明かな様に、試料No.1〜11は、請求項7〜9の条件を満たしており、これらの試料の気体透過係数は、発電性能を得るために必要なガス透過量を確保できているので好適である。 As apparent from Table 2, sample Nos. 1 to 11 satisfy the conditions of claims 7 to 9, and the gas permeation coefficients of these samples ensure the amount of gas permeation necessary for obtaining power generation performance. It is suitable because it is made.

試料No.12は、(焼結後の)平均粒子径が1μm未満の試料であるが、この気体透過係数は、気孔率が58%であるにもかかわらず、低い値しか得られていない。この試料に対して電子顕微鏡により組織観察を行ったところ、気孔と気孔とがあまり連通しておらず、よって、細かい粒子径の粒子で構成された導電性板状体は、通気が困難であることが分かった。   Sample No. 12 is a sample having an average particle diameter (after sintering) of less than 1 μm, but this gas permeability coefficient has only a low value even though the porosity is 58%. When the structure of the sample was observed with an electron microscope, the pores were not in communication with each other. Therefore, it was difficult to ventilate the conductive plate-like body composed of particles having a fine particle size. I understood that.

試料No.13は、粒子径が11μm以上で気孔率が71%と高いが、この試料は非常にもろくハンドリングが困難であった。これは、粗大な粒子から導電性板状体を作製したために、焼結があまり進まず、なお且つ気孔が多数存在するため、もろくなったと考えられる。   Sample No. 13 had a particle size of 11 μm or more and a high porosity of 71%, but this sample was very fragile and difficult to handle. This is probably because the electroconductive plate-like body was produced from coarse particles, so that sintering did not proceed so much and many pores were present, and therefore it became brittle.

試料No.14は、気孔率が50%未満であり、その気体透過係数から発電性能を得るために十分なガス透過量が確保できないことがわかる。
試料No.15は、気孔率が90%を超えているが、ハンドリングが困難なもろい試料である。
Sample No. 14 has a porosity of less than 50%, and it can be seen from the gas permeability coefficient that a sufficient gas permeation amount cannot be secured to obtain power generation performance.
Sample No. 15 is a fragile sample having a porosity exceeding 90% but difficult to handle.

試料No.16は、最大気孔径が300μmを超える試料となっている。この試料は発電性能を得る為の気体透過性能を十分に持っているが、例えば円筒状燃料電池を配列する場合、300μm以上の間隔で円筒状燃料電池を配列しなければならず、サイズが大きくなってしまう。   Sample No. 16 is a sample having a maximum pore diameter exceeding 300 μm. This sample has sufficient gas permeation performance to obtain power generation performance. For example, when arranging cylindrical fuel cells, the cylindrical fuel cells must be arranged at intervals of 300 μm or more, and the size is large. turn into.

試料No.17では、気孔径が10μm以下となっているが、気孔率が61%あるにもかかわらず十分な気体透過性能を得ることができていない。電子顕微鏡観察により、気孔径が少ないときは連通孔が生成しにくいことがわかった。   In sample No. 17, the pore diameter was 10 μm or less, but sufficient gas permeation performance could not be obtained even though the porosity was 61%. It was found by electron microscope observation that when the pore diameter is small, communication holes are hardly formed.

試料No.18は、粒子径が最大気孔径の1/100以下となっているが、気孔率68%にもかかわらず十分な気体透過係数が得られていない。気孔に対し、粒子径が細かすぎ、気孔同士が連通していないことが、電子顕微鏡による組織観察で確認された。   Sample No. 18 has a particle size of 1/100 or less of the maximum pore size, but a sufficient gas permeability coefficient is not obtained despite the porosity of 68%. It was confirmed by structure observation with an electron microscope that the particle diameter was too small for the pores and the pores were not in communication with each other.

試料No.19においては、最大気孔径17μmに対し、粒子径が10μmである。このとき粒子の大きさに対し、気孔径が小さすぎるためか、もろいハンドリングが困難な試料しかえられなかった。   In sample No. 19, the particle size is 10 μm with respect to the maximum pore size of 17 μm. At this time, only a sample that was difficult to handle fragilely was obtained because the pore size was too small for the size of the particles.

これらの試料を確認すると、気孔率50〜90%の試料を得るためには、造孔材の添加量が60〜90%必要であることがわかる。
更に試料No.7〜9から、焼成温度を変化させたとき、気体透過係数の変化はわずかであるのに対し、電気伝導率が大きく変化している。これらの結果から、焼成温度が高い方が電気特性の良い試料が得られることがわかった。
When these samples are confirmed, in order to obtain a sample having a porosity of 50 to 90%, it is understood that the amount of pore former added is 60 to 90%.
Furthermore, from Sample Nos. 7 to 9, when the firing temperature was changed, the change in gas permeability coefficient was slight, but the electrical conductivity was greatly changed. From these results, it was found that a sample having better electrical characteristics can be obtained at a higher firing temperature.

次に、実施例2について説明するが、前記実施例1と同様な内容の説明は省略する。
a)まず、本実施例の燃料電池スタックの構成について説明する。
本実施例の燃料電池スタック51(図9参照)は、前記実施例1とほぼ同様なスタック(積層体)である。
Next, the second embodiment will be described, but the description of the same contents as the first embodiment will be omitted.
a) First, the configuration of the fuel cell stack of this embodiment will be described.
The fuel cell stack 51 of this embodiment (see FIG. 9) is a stack (laminate) that is substantially the same as that of the first embodiment.

特に、本実施例では、前記実施例1の様に、燃料電池部はバラバラに分離しているのではなく、図7に示す様に、燃料電池部53は一体の構造であり、その表面に固体電解質層55が帯状にて一体に形成されている。   In particular, in this embodiment, the fuel cell portion is not separated as in the first embodiment, but the fuel cell portion 53 has an integral structure as shown in FIG. The solid electrolyte layer 55 is integrally formed in a band shape.

詳しくは、図8に示す様に、円筒状の内側電極(燃料極)57が、同様な材料からなる連結部59により、横位一列に一体に形成されている。そして、その一体の内側電極57の外周を取り囲んで固体電解質層55が環状に形成されている。   Specifically, as shown in FIG. 8, cylindrical inner electrodes (fuel electrodes) 57 are integrally formed in a horizontal row by a connecting portion 59 made of the same material. A solid electrolyte layer 55 is formed in an annular shape so as to surround the outer periphery of the integral inner electrode 57.

b)次に、本実施例の燃料電池スタック51の製造方法について説明する。
本実施例の燃料電池スタックの製造方法は、基本的には前記実施例1と同様であるので、簡単に説明する。
b) Next, a method for manufacturing the fuel cell stack 51 of this embodiment will be described.
The manufacturing method of the fuel cell stack of this embodiment is basically the same as that of the first embodiment, and will be described briefly.

図9に示す様に、前記実施例1と同様に作製した素地を、一軸油圧シリンダ型押し出し成型機61にて、押し出し成形を行った。
また、同様に固体電解質の被膜63形成用のスラリー65中に、前記押し出し成形によって形成した(円筒が横方向に連接された)燃料極成形体67を浸漬した。これによって、燃料極成形体67の表面に固体電解質の被膜63を形成した。
As shown in FIG. 9, the substrate produced in the same manner as in Example 1 was extruded using a uniaxial hydraulic cylinder type extrusion molding machine 61.
Similarly, the fuel electrode molded body 67 formed by the extrusion molding (cylinder connected in the lateral direction) was immersed in the slurry 65 for forming the solid electrolyte coating 63. As a result, a solid electrolyte film 63 was formed on the surface of the fuel electrode molded body 67.

その後、被膜63を形成した燃料極成形体67を、同様に焼成して、燃料電池部69を製造した。
一方、前記実施例1と同様にして、導電性板状体71用の素地を、スクリュー型押し出し成型機(図示せず)にて、押し出し成形を行った。
Thereafter, the fuel electrode molded body 67 on which the coating 63 was formed was fired in the same manner to manufacture the fuel cell portion 69.
On the other hand, in the same manner as in Example 1, the substrate for the conductive plate-like body 71 was subjected to extrusion molding with a screw-type extrusion molding machine (not shown).

次に、この導電性板状体成形体を、同様に焼成して導電性板状体71を製造した。
その後、導電性板状体71の表面に、同様なペースト73を、スクリーン印刷にて溝75が埋まるように塗布した。
Next, the conductive plate-shaped body was fired in the same manner to produce a conductive plate-shaped body 71.
Thereafter, a similar paste 73 was applied to the surface of the conductive plate-like body 71 so that the grooves 75 were filled by screen printing.

そして、導電性板状体71上に、燃料電池部69の外周の凸部(円筒による凸部)が溝75に嵌り込むように設置し、他の導電性板状体71で挟み込み積層した。
その後、同様に焼成し、本実施例の燃料電池スタック51を形成する。
Then, on the conductive plate 71, the outer peripheral convex portion (cylindrical convex portion) of the fuel cell unit 69 was installed in the groove 75, and the other conductive plate 71 was sandwiched and laminated.
Thereafter, the fuel cell stack 51 of the present embodiment is formed by firing in the same manner.

本実施例においても、前記実施例1と同様な効果を奏するとともに、燃料電池部69がバラバラではなく一体であるので、その取り扱いが容易であるという利点がある。   Also in this embodiment, the same effects as those of the first embodiment can be obtained, and the fuel cell unit 69 is not separated but integrated, and thus there are advantages that it is easy to handle.

次に、実施例3について説明するが、前記実施例1と同様な内容の説明は省略する。
本実施例は、前記実施例1、2の燃料電池スタックとは異なり、固体電解質型リアクター(以下単にリアクター(反応器)とも記す)スタックに関するものであるが、その構造は、基本的に、燃料電池スタックとほぼ同様であり、主として、その材料と用途が異なる。
Next, the third embodiment will be described, but the description of the same contents as the first embodiment will be omitted.
Unlike the fuel cell stacks of the first and second embodiments, the present embodiment relates to a solid electrolyte reactor (hereinafter also simply referred to as a reactor (reactor)) stack. It is almost the same as the battery stack, and its material and application are mainly different.

本実施例におけるリアクタースタック(セラミックスリアクター)とは、固体電解質が、ある特定の元素を通過する特性を持ち、透過したガスを用いて反応を促したり、または、複数のガス種の混合物から特定元素を分離したり、反応を目的とするものである。   The reactor stack (ceramics reactor) in the present embodiment is a solid electrolyte having a characteristic of passing a specific element and promoting a reaction using a permeated gas, or a specific element from a mixture of a plurality of gas species. Or for the purpose of reaction.

このリアクタースタックに関しては、リアクタースタックに通電し、強制的に反応・分離を行うものであってもよい。また、通電しなくとも、材料そのものが持つ触媒能やイオン選択性により、反応や分離ができるものであってもよい。   Regarding this reactor stack, the reactor stack may be energized to forcibly react and separate. Moreover, even if it does not supply with electricity, what can react and isolate | separate by the catalytic ability and ion selectivity which material itself has may be sufficient.

これらは、いずれについても、リアクター内部にガスが効率良く拡散することが重要であるため、反応や分離する方法や、反応させるもの、分離するものの種類を選ばない。
前記リアクタースタックは、以下に述べる様に、NOx浄化技術や、水素製造技術に適用できる。
In any of these, since it is important that the gas diffuses efficiently inside the reactor, the reaction or separation method, the type of reaction, or the type of separation is not selected.
The reactor stack can be applied to NOx purification technology and hydrogen production technology as described below.

a)例えばリアクタースタックの内側電極(例えば燃料電池と同様な燃料極)に、ディーゼルエンジン自動車の排ガスを投入し強制的に通電すると、排ガス中に含まれるNOxが電極上で酸素原子を放出するため、浄化することができる。   a) For example, when exhaust gas from a diesel engine vehicle is introduced into an inner electrode (for example, a fuel electrode similar to a fuel cell) of a reactor stack and forcedly energized, NOx contained in the exhaust gas releases oxygen atoms on the electrode. Can be purified.

この場合、リアクタースタックの材料構成として、NOx導入側電極としては、Ni、Ptなどが考えられ、固体電解質としては酸素イオン導電性を有するものであればいずれでも良く ジルコニア系電解質、セリア系電解質、ランタンガレード系電解質いずれであっても良い。対極としては、酸素イオンを酸素化できる電極であれば良く、Pt、Agのほかに、前記燃料電池で用いられる空気極(例えば外側電極)といった組み合わせが考えられる。   In this case, the material structure of the reactor stack may be Ni, Pt, or the like as the NOx introduction side electrode, and any solid electrolyte having oxygen ion conductivity may be used. A zirconia electrolyte, a ceria electrolyte, Any lanthanum galade electrolyte may be used. The counter electrode may be any electrode that can oxygenate oxygen ions. In addition to Pt and Ag, combinations such as an air electrode (for example, an outer electrode) used in the fuel cell are conceivable.

従って、本実施例では、前記図1と同様なリアクタースタックを用い、例えば前記図1のX方向に排ガスを供給すると、NOxを含むガスは、リアクターの内側電極により窒素と酸素に分解され、X方向のガス出口においては、NOx量が低下し、分解された窒素を含むガスを取り出すことができる。   Therefore, in this embodiment, when the reactor stack similar to that in FIG. 1 is used and exhaust gas is supplied in the X direction of FIG. 1, for example, the gas containing NOx is decomposed into nitrogen and oxygen by the inner electrode of the reactor. At the gas outlet in the direction, the amount of NOx decreases and a gas containing decomposed nitrogen can be taken out.

b)例えばメタンなどのガスを高温化で水素化可能な触媒(例えば内側電極)を用い、固体電解質層(膜)に水素イオン導電性を有する膜を用いた場合、メタン側と水素取出側にガス差圧をつけることで水素を取り出し可能なリアクタースタックとして使用できる。   b) For example, when a catalyst capable of hydrogenating a gas such as methane at a high temperature (for example, the inner electrode) is used and a membrane having hydrogen ion conductivity is used for the solid electrolyte layer (membrane), the methane side and the hydrogen extraction side It can be used as a reactor stack that can extract hydrogen by applying a gas differential pressure.

このリアクタースタックにおいては、メタンなどを改質する触媒(従って電極)としては、Ni、Cu、Ptなどの金属が考えられ、また、水素透過能を有する固体電解質の薄膜としては、パラジウム金属膜やパラジウムとPt、Au、Ag、Cu、Niなどのうち少なくとも一元素以上との合金、BaCeO3系のペロブスカイ構造を有する電解質を採
用できる。更に、多孔質の板状体としては、アルミナ、ジルコニア、マグネシア、チタニア又はこれらの混合物、および化合物のうちいずれかを採用できる。
In this reactor stack, metals such as Ni, Cu, and Pt can be considered as catalysts for reforming methane and the like (and hence electrodes), and a thin film of a solid electrolyte having hydrogen permeability includes a palladium metal film and An alloy of palladium and at least one element of Pt, Au, Ag, Cu, Ni, or the like, or an electrolyte having a BaCeO 3 perovskite structure can be employed. Furthermore, any one of alumina, zirconia, magnesia, titania, a mixture thereof, and a compound can be adopted as the porous plate-like body.

この場合、差圧により水素取出しが可能であるため、対極は存在せず、ガス透過性を有した構造でリアクタースタックとして形状が維持できればいずれの材料も可能である。
尚、リアクタースタックと前記実施例1の燃料電池スタック1との構造的な関係を、前記図2で示すと、燃料電池部3、燃料電池層状部5、外側電極7、導電性板状体9、内側電極11、固体電解質層13、燃料電池セル8が、それぞれ、リアクター部、リアクター層状部、外側電極(又は外側多孔質セラミックス体)、多孔質の板状体、内側電極(又は内側多孔質セラミックス体)、固体電解質層(又は固体処理層)、リアクターセルに相当する。
In this case, since hydrogen can be taken out by differential pressure, there is no counter electrode, and any material can be used as long as the reactor stack can be maintained in a gas-permeable structure.
The structural relationship between the reactor stack and the fuel cell stack 1 of Example 1 is shown in FIG. 2. The fuel cell portion 3, the fuel cell layer portion 5, the outer electrode 7, and the conductive plate 9 , The inner electrode 11, the solid electrolyte layer 13, and the fuel cell 8 are respectively a reactor part, a reactor layer part, an outer electrode (or outer porous ceramic body), a porous plate-like body, and an inner electrode (or inner porous part). It corresponds to a ceramic body), a solid electrolyte layer (or solid treatment layer), and a reactor cell.

尚、本発明は前記実施例等になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
(1)例えば図10に示す様に、複数の内側電極81の壁(壁面部)自体が一体となって、板状の燃料電池部83(又はリアクター部)となる構成を採用できる。
Needless to say, the present invention is not limited to the above-described embodiments and the like, and can be implemented in various modes without departing from the scope of the present invention.
(1) As shown in FIG. 10, for example, a configuration in which the walls (wall surface portions) of the plurality of inner electrodes 81 are integrated to form a plate-like fuel cell portion 83 (or a reactor portion) can be employed.

(2)また、内側電極と外側電極とを逆にしてもよい。例えばガスの流路を入れ替えて、内側電極を空気極とし、外側電極を燃料極としてもよい。
(3)更に、多数の円筒状の燃料電池部の配列方法としては、前記実施例1の様な、縦横同数の配列以外に、縦横の配列数が異なる方法を採用できる。従って、その場合は、軸方向から見ると、燃料電池スタックは長方形となる。
(2) The inner electrode and the outer electrode may be reversed. For example, the gas flow path may be switched so that the inner electrode is an air electrode and the outer electrode is a fuel electrode.
(3) Furthermore, as a method for arranging a large number of cylindrical fuel cell units, a method in which the number of arrangements in the vertical and horizontal directions is different from the arrangement in the same vertical and horizontal numbers as in the first embodiment. Therefore, in this case, the fuel cell stack is rectangular when viewed from the axial direction.

また、図11に示す様に、燃料電池部91の配列方法としては、前記実施例1の様に、軸方向から見て正方格子状以外に、例えば上下の列で半個づつ位置をずらして千鳥格子状としてもよい。   As shown in FIG. 11, as a method of arranging the fuel cell units 91, as in the first embodiment, in addition to the square lattice shape as viewed from the axial direction, for example, the positions are shifted by half in the upper and lower rows. It may be a houndstooth pattern.

(4)その上、燃料電池スタックの構造としては、図12に示す様に、多孔質の導電性板状体101の一方の面(同図上方)にのみ、円筒状の燃料電池部103が完全に嵌り込む溝105を設け、一方の面(同図下方)は溝を設けずにフラットとしてもよい。   (4) In addition, as shown in FIG. 12, the structure of the fuel cell stack is such that the cylindrical fuel cell portion 103 is formed only on one surface (upper side of the figure) of the porous conductive plate 101. A groove 105 to be completely fitted may be provided, and one surface (downward in the figure) may be flat without providing a groove.

(5)また、リアクターに関しては、固体処理層として固体電解質を用いたもの以外に、例えば上述したパラジウム金属膜やパラジウム・銀合金膜などを用いたリアクターにも、本発明は適用可能である。   (5) In addition to the reactor using the solid electrolyte as the solid processing layer, the present invention can be applied to a reactor using the above-described palladium metal film, palladium / silver alloy film, or the like.

(6)更に、前記実施例3では、多孔質の導電性板状体を用いる例を挙げたが、導電性を必要とないリアクターの場合には、導電性の無い多孔質の板状体(ただし前記実施例3と同様な平均粒子径)を用いることができる。例えばアルミナ、ジルコニア、マグネシア、チアニア、又はこれらの混合物、及び化合物のうちいずれかを用いることができる。   (6) Further, in Example 3, an example using a porous conductive plate was given. However, in the case of a reactor that does not require conductivity, a porous plate (with no conductivity) ( However, the same average particle diameter as in Example 3 can be used. For example, any of alumina, zirconia, magnesia, thania, a mixture thereof, and a compound can be used.

実施例1の固体電解質型燃料電池スタックを示す斜視図である。1 is a perspective view showing a solid oxide fuel cell stack of Example 1. FIG. 図1のA−A断面の一部を拡大して示す断面図である。It is sectional drawing which expands and shows a part of AA cross section of FIG. 実施例1の固体電解質型燃料電池スタックに用いられる燃料電池部を示す斜視図である。1 is a perspective view showing a fuel cell unit used in a solid oxide fuel cell stack of Example 1. FIG. 実施例1の固体電解質型燃料電池スタックに用いられる導電性板状体を示す斜視図である。2 is a perspective view showing a conductive plate used in the solid oxide fuel cell stack of Example 1. FIG. 実施例1の固体電解質型燃料電池スタックの製造方法を示す説明図である。2 is an explanatory diagram showing a method for manufacturing a solid oxide fuel cell stack of Example 1. FIG. 実験例の実験方法を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the experimental method of an experiment example. 実施例2の固体電解質型燃料電池スタックに用いられる燃料電池部を示す斜視図である。6 is a perspective view showing a fuel cell unit used in the solid oxide fuel cell stack of Example 2. FIG. 実施例2に用いられる燃料電池部の断面を拡大して示す断面図である。6 is an enlarged cross-sectional view of a fuel cell unit used in Example 2. FIG. 実施例2の固体電解質型燃料電池スタックの製造方法を示す説明図である。6 is an explanatory view showing a method for producing a solid oxide fuel cell stack of Example 2. FIG. その他の燃料電池部の内部電極の断面を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the cross section of the internal electrode of another fuel cell part. 燃料電池部の他の配列方法を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the other arrangement | sequence method of a fuel cell part. 燃料電池スタックの他の構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the other structure of a fuel cell stack. 気体透過係数に対する透過可能なガス量と発電時に必要なガス量との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the gas amount permeate | transmitted with respect to a gas permeability coefficient, and the gas amount required at the time of electric power generation.

符号の説明Explanation of symbols

1…燃料電池スタック
3、91、103…燃料電池部
5…燃料電池層状部
7…空気極(外側電極)
8…燃料電池セル
9、101…導電性板状体
11…燃料極(内側電極)
13…固体電解質層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell stack 3, 91, 103 ... Fuel cell part 5 ... Fuel cell layered part 7 ... Air electrode (outer electrode)
8 ... Fuel cell 9, 101 ... Conductive plate 11 ... Fuel electrode (inner electrode)
13 ... Solid electrolyte layer

Claims (19)

筒状の内側電極とその外周面に形成された筒状の固体電解質層とを有する筒状の燃料電池部が、複数個並列に配置された燃料電池層状部を備え、
前記燃料電池層状部がその厚み方向にて多孔質導電性セラミックスからなる導電性板状体により挟まれるとともに、前記固体電解質層と導電性板状体との間に前記燃料電池部の外側電極を備えたことを特徴とする燃料電池スタック。
A cylindrical fuel cell unit having a cylindrical inner electrode and a cylindrical solid electrolyte layer formed on the outer peripheral surface thereof includes a plurality of fuel cell layered units arranged in parallel,
The fuel cell layered portion is sandwiched between conductive plates made of porous conductive ceramics in the thickness direction, and an outer electrode of the fuel cell unit is interposed between the solid electrolyte layer and the conductive plate-shaped body. A fuel cell stack comprising the fuel cell stack.
前記導電性板状体は、その表面に前記燃料電池部が嵌め込まれる複数の平行な溝を備え、前記燃料電池部は、前記溝に嵌め込まれるとともに、前記導電性板状体に挟まれて固定されたことを特徴とする前記請求項1に記載の燃料電池スタック。   The conductive plate-like body includes a plurality of parallel grooves into which the fuel cell unit is fitted on the surface thereof, and the fuel cell unit is fitted into the groove and fixed between the conductive plate-like members. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the fuel cell stack is formed. 前記導電性板状体は、その気体透過係数が5×10-5 cm 2 sec-1 Pa-1以上であることを特徴とする前記請求項1又は2に記載の燃料電池スタック。 3. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the conductive plate member has a gas permeability coefficient of 5 × 10 −5 cm 2 · sec −1 · Pa −1 or more. 前記導電性板状体は、その気体透過係数が1×10-4 cm 2 sec-1 Pa-1以上であることを特徴とする前記請求項3に記載の燃料電池スタック。 4. The fuel cell stack according to claim 3, wherein the conductive plate-like body has a gas permeability coefficient of 1 × 10 −4 cm 2 · sec −1 · Pa −1 or more. 前記導電性板状体は、その気体透過係数が5×10-4 cm 2 sec-1 Pa-1以上であることを特徴とする前記請求項4に記載の燃料電池スタック。 5. The fuel cell stack according to claim 4, wherein the conductive plate-like body has a gas permeability coefficient of 5 × 10 −4 cm 2 · sec −1 · Pa −1 or more. 前記導電性板状体の組織中の粒子が、平均粒子径10〜60μmで、且つ、前記導電性板状体の気孔率が、40〜60%であることを特徴とする前記請求項1〜5のいずれか1項に記載の燃料電池スタック。   The particles in the structure of the conductive plate-like body have an average particle diameter of 10 to 60 µm, and the porosity of the conductive plate-like body is 40 to 60%. The fuel cell stack according to any one of 5. 前記導電性板状体の組織中の粒子が、平均粒子径1〜10μmで、且つ、前記導電性板状体の気孔率が、50〜90%であることを特徴とする前記請求項1〜5のいずれか1項に記載の燃料電池スタック。   The particles in the structure of the conductive plate-like body have an average particle diameter of 1 to 10 µm, and the porosity of the conductive plate-like body is 50 to 90%. The fuel cell stack according to any one of 5. 前記導電性板状体は、その気孔の最大孔径が10〜300μmの範囲であり、且つ、各気孔同士の少なくとも一部が連通していることを特徴とする前記請求項7に記載の燃料電池スタック。   8. The fuel cell according to claim 7, wherein the conductive plate-like body has a maximum pore diameter of 10 to 300 [mu] m, and at least a part of the pores communicates with each other. stack. 前記導電性板状体の気孔率と粒子径との関係は、(最大気孔径/100)<平均粒子径<(最大気孔径/4)であることを特徴とする前記請求項7又は8に記載の燃料電池スタック。   The relationship between the porosity and the particle diameter of the conductive plate-like body is (maximum pore diameter / 100) <average particle diameter <(maximum pore diameter / 4), The fuel cell stack described. 前記外側電極の組織中の粒子が、平均粒子径0.1〜2μmであることを特徴とする前記請求項1〜9のいずれか1項に記載の燃料電池スタック。   The fuel cell stack according to any one of claims 1 to 9, wherein the particles in the structure of the outer electrode have an average particle diameter of 0.1 to 2 µm. 前記外側電極が、前記固体電解質層と導電性板状体とを接続していることを特徴とする前記請求項1〜10のいずれか1項に記載の燃料電池スタック。   The fuel cell stack according to any one of claims 1 to 10, wherein the outer electrode connects the solid electrolyte layer and a conductive plate-like body. 前記内側電極が前記燃料電池部の支持体であり、前記固体電解質層の厚さが30μm以下であることを特徴とする前記請求項1〜11のいずれか1項に記載の燃料電池スタック。   The fuel cell stack according to any one of claims 1 to 11, wherein the inner electrode is a support of the fuel cell unit, and the thickness of the solid electrolyte layer is 30 µm or less. 前記請求項1〜12のいずれか1項に記載の燃料電池スタックの製造方法において、
前記内側電極とその表面に形成した固体電解質層からなる燃料電池部前駆体又は燃料電池部前駆体の焼結体を製造する第1工程と、
前記多孔質導電性セラミックスの材料からなる導電性板状体前駆体又は導電性板状体前駆体の焼結体を製造する第2工程と、
前記燃料電池部前駆体を導電性板状体前駆体で挟んでスタック化、前記燃料電池部前駆体の焼結体を導電性板状体前駆体で挟んでスタック化、前記燃料電池部前駆体を導電性板状体前駆体の焼結体で挟んでスタック化、又は前記燃料電池部前駆体の焼結体を導電性板状体前駆体の焼結体で挟んでスタック化する第3工程と、
を備えたことを特徴とする燃料電池スタックの製造方法。
In the manufacturing method of the fuel cell stack according to any one of claims 1 to 12 ,
A first step of producing a fuel cell part precursor comprising the inner electrode and a solid electrolyte layer formed on the inner electrode or a sintered body of the fuel cell part precursor;
A second step of producing a conductive plate precursor or a sintered body of a conductive plate precursor made of the porous conductive ceramic material;
Stacking the fuel cell part precursor with a conductive plate precursor, stacking the fuel cell part precursor with a conductive plate precursor, and stacking the fuel cell part precursor A third step of stacking the fuel cell part precursor with a sintered body of the conductive plate precursor, or stacking the fuel cell part precursor with a sintered body of the conductive plate precursor When,
A method for producing a fuel cell stack, comprising:
前記燃料電池部前駆体と前記導電性板状体前駆体との間、前記燃料電池部前駆体の焼結体と前記導電性板状体前駆体との間、前記燃料電池部前駆体と前記導電性板状体前駆体の焼結体との間、又は前記燃料電池部前駆体の焼成体と前記導電性板状体前駆体の焼成体との間に、前記外側電極の材料を配置して焼成することを特徴とする前記請求項13に記載の燃料電池スタックの製造方法。 Between the fuel cell part precursor and the conductive plate precursor, between the sintered body of the fuel cell part precursor and the conductive plate precursor, the fuel cell part precursor and the The material of the outer electrode is disposed between the sintered body of the conductive plate precursor or between the fired body of the fuel cell unit precursor and the fired body of the conductive plate precursor. 14. The method of manufacturing a fuel cell stack according to claim 13 , wherein firing is performed. 内側電極前駆体を、押出成形により作製することを特徴とする前記請求項13又は14に記載の燃料電池スタックの製造方法。 The method for producing a fuel cell stack according to claim 13 or 14 , wherein the inner electrode precursor is produced by extrusion molding. 前記導電性板状体前駆体を、押出成形により作製することを特徴とする前記請求項13〜15のいずれか1項に記載の燃料電池スタックの製造方法。 The method for producing a fuel cell stack according to any one of claims 13 to 15 , wherein the conductive plate precursor is produced by extrusion molding. 前記請求項1〜12のいずれか1項に記載の燃料電池スタックの製造方法において、
前記多孔質導電性セラミックスに球状の造孔材を加えた原材料を用いて導電性板状体前駆体を形成し、前記導電性板状体前駆体を焼成することにより、気孔を有する焼結体である前記導電性板状体を製造することを特徴とする燃料電池スタックの製造方法。
In the manufacturing method of the fuel cell stack according to any one of claims 1 to 12 ,
A sintered plate having pores by forming a conductive plate precursor using a raw material obtained by adding a spherical pore former to the porous conductive ceramic, and firing the conductive plate precursor. A method for producing a fuel cell stack, comprising producing the conductive plate-like body.
前記球状の造孔材の前記原材料に対する体積比が、60〜90体積%であることを特徴とする前記請求項17に記載の燃料電池スタックの製造方法。 The method for manufacturing a fuel cell stack according to claim 17 , wherein a volume ratio of the spherical pore former to the raw material is 60 to 90% by volume. 前記導電性板状体前駆体の焼成温度が、1300℃以上であることを特徴とする前記請求項17又は18に記載の燃料電池スタックの製造方法。 The method for producing a fuel cell stack according to claim 17 or 18 , wherein a firing temperature of the conductive plate precursor is 1300 ° C or higher.
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