JP5352943B2 - Solid oxide fuel cell and stack structure thereof - Google Patents

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Description

本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスにより発電を行う固体酸化物形燃料電池、及びそのスタック構造に関する。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell that generates power using a fuel gas and an oxidant gas, and a stack structure thereof.

従来より、固体酸化物形燃料電池のセルデザインとして、平板型、円筒型などが提案されている。しかし、現状のセルデザインには問題がある。平板型セル及び円筒型セルのいずれも、性能を向上させるためには電解質を薄膜化することによる内部抵抗の低減が必要となるが、電解質が薄すぎると振動や熱サイクルなどに対して脆弱化してしまい、耐振性や耐久性が低下するという問題である。そこで、基板上に単セルを配置することで、機械的特性を向上する電池も提案されている。例えば、特許文献1に記載の電池では、多孔質領域と、その周縁に配置された非多孔質領域とからなる基板上に、空気極、電解質、及び燃料極をこの順で積層し、さらにこの基板をフェライトステンレス鋼バイポーラプレートで支持している。
特開2004−512651号公報
Conventionally, a flat plate type, a cylindrical type, and the like have been proposed as cell designs for solid oxide fuel cells. However, there are problems with the current cell design. In order to improve the performance of both flat and cylindrical cells, it is necessary to reduce the internal resistance by thinning the electrolyte. However, if the electrolyte is too thin, it becomes vulnerable to vibration and thermal cycles. This is a problem that vibration resistance and durability are lowered. In view of this, a battery has also been proposed in which a single cell is arranged on a substrate to improve mechanical characteristics. For example, in the battery described in Patent Document 1, an air electrode, an electrolyte, and a fuel electrode are stacked in this order on a substrate composed of a porous region and a non-porous region disposed on the periphery thereof. The substrate is supported by a ferritic stainless steel bipolar plate.
JP 2004-512651 A

ところで、上記燃料電池は、空気極に供給する酸化剤ガスが燃料ガスと混合しないように、燃料極は基板と電解質との間に挟まれている。そして、燃料ガスが漏れないように、電解質は、基板の非多孔質領域と接合し、さらにこの非多孔質領域がバイポーラプレートと気密に接続されている。したがって、電池の構成がセルを含む基板と、バイポーラプレートの2部材からなるとともに、シール部が必要になるという問題があった。   By the way, in the fuel cell, the fuel electrode is sandwiched between the substrate and the electrolyte so that the oxidant gas supplied to the air electrode is not mixed with the fuel gas. The electrolyte is joined to the non-porous region of the substrate so that fuel gas does not leak, and this non-porous region is hermetically connected to the bipolar plate. Accordingly, there is a problem in that the battery is composed of two members, a substrate including cells and a bipolar plate, and a seal portion is necessary.

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、高い機械的特性を有しつつ、構造が簡単な固体酸化物形燃料電池を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell having a high structure and a simple structure.

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、多孔質の基板と、前記基板上に配置された燃料極と、前記燃料極上に配置された電解質と、前記電解質上に配置された空気極と、前記基板を支持する非多孔質性のセパレータと、を備え、前記電解質の周縁が前記燃料極の周縁を覆うように下方へ延び、前記基板及び前記セパレータに接合されることで、前記電解質とセパレータとの間に収容された前記燃料極が前記空気極から気密に隔離され、前記セパレータは、前記基板を外部と連通させるように構成され、前記基板は水素分離機能を有している。また、本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、多孔質の基板と、前記基板上に配置された燃料極(アノード) または空気極(カソード) のいずれか一方の電極と、前記一方の電極上に配置された電解質と、前記電解質上に配置された他方の電極と、前記基板を支持する非多孔質性のセパレータと、を備え、前記電解質の周縁が前記一方の電極の周縁を覆うように下方へ延び、前記基板及び前記セパレータに接合されることで、前記電解質とセパレータとの間に収容された前記一方の電極が前記他方の電極から気密に隔離され、前記セパレータは、前記基板を外部と連通させるように構成され、前記基板は、幅方向の両側に塗布されたガラスシールによって前記セパレータの凹部内に固定されており、前記電解質の周縁が前記一方の電極の周縁を覆うように下方へ延び、前記基板、前記ガラスシール及び前記セパレータに接合されている。 The present invention has been made to solve the above problems, and is a porous substrate, a fuel electrode disposed on the substrate, an electrolyte disposed on the fuel electrode, and disposed on the electrolyte. An air electrode and a non-porous separator that supports the substrate, the periphery of the electrolyte extends downward so as to cover the periphery of the fuel electrode, and is joined to the substrate and the separator. The fuel electrode accommodated between the electrolyte and the separator is hermetically isolated from the air electrode, and the separator is configured to communicate the substrate with the outside, and the substrate has a hydrogen separation function. ing. The present invention has been made in order to solve the above-described problem, and includes a porous substrate, and an electrode of either a fuel electrode (anode) or an air electrode (cathode) disposed on the substrate. An electrolyte disposed on the one electrode, the other electrode disposed on the electrolyte, and a non-porous separator that supports the substrate, the periphery of the electrolyte being the one electrode The one electrode accommodated between the electrolyte and the separator is hermetically isolated from the other electrode by extending downward to cover the periphery of the substrate and being joined to the substrate and the separator. is composed of the substrate so as to communicate with the outside, the substrate is fixed in a recess of the separator by a glass seal which is applied on both sides in the width direction, the peripheral edge of the electrolyte Serial extends downwardly to cover the periphery of one electrode, the substrate is bonded to the glass seal and the separator.

この構成によれば、電解質の周縁がセパレータと接合することで、両電極が電解質によって隔離されるため、簡易な構造で、二室化を図ることができる。また、電極及び電解質からなる単セルは、基板及びセパレータによって支持されているため、機械的特性を高めることができる。なお、電解質の両端とセパレータとは、直接的に接合することもできるし、ガラスシール等の絶縁部材を介して間接的に接合することもでき、要するに両者の間に他方の電極とは隔離された空間が形成できればよい。   According to this structure, since the electrolyte is joined to the separator by the peripheral edge of the electrolyte, the two electrodes are isolated by the electrolyte, so that two chambers can be achieved with a simple structure. Moreover, since the single cell which consists of an electrode and an electrolyte is supported by the board | substrate and the separator, it can improve a mechanical characteristic. It should be noted that both ends of the electrolyte and the separator can be directly joined or indirectly joined via an insulating member such as a glass seal, and in short, the other electrode is isolated between the two. It is only necessary to form an open space.

ここで、電解質の周縁と基板とを接合し、電解質と基板との間に一方の電極を収容するように構成すると、一方の電極と他方の電極とをさらに確実に隔離することができる。   Here, when the periphery of the electrolyte and the substrate are joined and one electrode is accommodated between the electrolyte and the substrate, the one electrode and the other electrode can be more reliably isolated.

基板は、多孔質性を有しているため、これにガスを供給すれば、一方の電極にガスを供給することかできるが、基板とセパレータとが接触する面において、当該基板及びセパレータの少なくとも一方に、ガスが流通する溝を形成すると、電極に接触するガスの流量を増大することができ、出力を向上することができる。   Since the substrate has porosity, if a gas is supplied thereto, the gas can be supplied to one electrode. However, at least the substrate and the separator on the surface where the substrate and the separator contact each other. On the other hand, when the groove through which the gas flows is formed, the flow rate of the gas contacting the electrode can be increased, and the output can be improved.

上記一方の電極が燃料極である場合、基板が水素分離機能を有していると、供給された炭化水素系のガスから水素を分離することができる。これにより、燃料極に必要な水素を直接的に供給することができるため、ガスの供給効率を向上することができる。また、発電性能が向上し、燃料極上でのカーボン析出が減少でき、セルの耐久性を向上することができる。   In the case where the one electrode is a fuel electrode, if the substrate has a hydrogen separation function, hydrogen can be separated from the supplied hydrocarbon-based gas. Thereby, since hydrogen required for a fuel electrode can be supplied directly, the supply efficiency of gas can be improved. In addition, the power generation performance is improved, carbon deposition on the fuel electrode can be reduced, and the durability of the cell can be improved.

上記燃料電池における基板は、導電性を有する金属、または金属酸化物を有する材料から構成されることが好ましい The substrate in the fuel cell is preferably composed of a conductive metal or a material having a metal oxide .

上述した電池をスタックする場合には、次のように構成することができる。すなわち、本発明に係る電池のスタック構造は、上述した燃料電池を複数個有し、隣接する二個の前記燃料電池は、一方の燃料電池のセパレータと他方の燃料電池の他方の電極とが対向するように積層されるとともに、両燃料電池の間に、前記他方の燃料電池の電極、電解質及び基板が気密に収容され、前記一方の燃料電池のセパレータは、他方の燃料電池の他方の電極が外部と連通するように構成されている。   When stacking the above-described batteries, the battery can be configured as follows. That is, the cell stack structure according to the present invention includes a plurality of the fuel cells described above, and in the two adjacent fuel cells, the separator of one fuel cell and the other electrode of the other fuel cell face each other. The electrodes of the other fuel cell, the electrolyte, and the substrate are hermetically accommodated between the two fuel cells, and the separator of the one fuel cell is connected to the other electrode of the other fuel cell. It is configured to communicate with the outside.

本発明に係る固体酸化物形燃料電池及びこれを用いたスタック構造によれば、高い機械的特性を有しつつ、構造を簡単にすることができる。   According to the solid oxide fuel cell and the stack structure using the same according to the present invention, the structure can be simplified while having high mechanical characteristics.

以下、本発明に係る固体酸化物形燃料電池の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。図1は本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の断面図、図2は図1のA−A線断面図である。なお、以下では、図2の上下方向を「前後方向」、左右方向を「幅方向」と称することとし、これに基づいて他の図面も説明する。   Hereinafter, an embodiment of a solid oxide fuel cell according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view of a solid oxide fuel cell according to the present embodiment, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. In the following description, the vertical direction in FIG. 2 is referred to as “front-rear direction” and the left-right direction is referred to as “width direction”, and other drawings will be described based on this.

図1に示すように、本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池は、上面に凹部11が形成された非多孔質性のセパレータ1を備え、この凹部11内に多孔性の基板2が配置されている。図2に示すように、凹部11は、基板2が配置される平面視矩形状の収容部111と、その収容部111から前後に延長する平行四辺形状の延長部112a,bとで構成されている。延長部112a,bは、基板2の前端及び後端とほぼ同じ幅を有しており、後側の延長部112aの左側端部には凹部11内にガスを供給する供給口12が形成される一方、前側の延長部112bの右側端部には凹部11内のガスが排出される排出口13が形成されている。また、収容部11の底面には、延長部112a,bとほぼ同じ深さで前後方向に延びる複数の溝14が形成されており、供給口12から流入したガスは、溝14を介して後側の延長部111aから前側の延長部111bへ流れ、排出口13から排出される。この過程において、溝14を通過中のガスは基板2に接触する。   As shown in FIG. 1, the solid oxide fuel cell according to this embodiment includes a non-porous separator 1 having a recess 11 formed on the upper surface, and a porous substrate 2 is disposed in the recess 11. Has been. As shown in FIG. 2, the concave portion 11 is configured by a rectangular-shaped accommodation portion 111 in which the substrate 2 is disposed, and parallelogram-shaped extension portions 112 a and 112 b extending forward and backward from the accommodation portion 111. Yes. The extension portions 112a and 112b have substantially the same width as the front end and the rear end of the substrate 2, and a supply port 12 for supplying gas into the recess 11 is formed at the left end portion of the rear extension portion 112a. On the other hand, a discharge port 13 through which the gas in the recess 11 is discharged is formed at the right end of the front extension 112b. In addition, a plurality of grooves 14 extending in the front-rear direction at substantially the same depth as the extension portions 112a and 112b are formed on the bottom surface of the accommodating portion 11, and the gas flowing in from the supply port 12 is passed through the grooves 14 later. It flows from the side extension 111a to the front extension 111b and is discharged from the discharge port 13. In this process, the gas passing through the groove 14 contacts the substrate 2.

基板2は、幅方向の両側に塗布されたガラスシール3によって凹部11内に固定されている。そして、この基板2上には単セル4が配置されている。単セル4は、基板2上に配置される薄膜状の燃料極41、電解質42、及び空気極43がこの順で積層されることで構成されている。単セル4の周縁は、燃料極41の周縁を覆うように下方へと延び、基板2及びセパレータ1と接合されている。これにより、電解質42とセパレータ1との間には基板2と燃料極41とが収容されるとともに、電解質42と基板2との間に燃料極41が収容される。これにより、燃料極41と空気極43とが隔離される。   The substrate 2 is fixed in the recess 11 by glass seals 3 applied on both sides in the width direction. A single cell 4 is disposed on the substrate 2. The single cell 4 is configured by laminating a thin-film fuel electrode 41, an electrolyte 42, and an air electrode 43 disposed on the substrate 2 in this order. The peripheral edge of the unit cell 4 extends downward so as to cover the peripheral edge of the fuel electrode 41, and is joined to the substrate 2 and the separator 1. Thereby, the substrate 2 and the fuel electrode 41 are accommodated between the electrolyte 42 and the separator 1, and the fuel electrode 41 is accommodated between the electrolyte 42 and the substrate 2. Thereby, the fuel electrode 41 and the air electrode 43 are isolated.

次に、上記燃料電池を構成する材料について説明する。電解質42の材料としては、固体酸化物形燃料電池の電解質として公知のものを使用することができ、例えば、サマリウムやガドリニウム等をドープしたセリア系酸化物、ストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・ガレード系酸化物、スカンジウムやイットリウムを含むジルコニア系酸化物などの酸素イオン伝導性セラミックス材料を用いることができる。   Next, materials constituting the fuel cell will be described. As the material of the electrolyte 42, those known as electrolytes for solid oxide fuel cells can be used. Oxygen ion conductive ceramic materials such as oxides, zirconia-based oxides containing scandium and yttrium can be used.

燃料極41及び空気極43は、セラミックス粉末材料により形成することができる。このとき用いられる粉末の平均粒径は、好ましくは10nm〜100μmであり、さらに好ましくは50nm〜50μmであり、特に好ましくは100nm〜10μmである。なお、平均粒径は、例えば、JISZ8901にしたがって計測することができる。   The fuel electrode 41 and the air electrode 43 can be formed of a ceramic powder material. The average particle size of the powder used at this time is preferably 10 nm to 100 μm, more preferably 50 nm to 50 μm, and particularly preferably 100 nm to 10 μm. In addition, an average particle diameter can be measured according to JISZ8901, for example.

燃料極41は、例えば、金属触媒と酸化物イオン導電体からなるセラミックス粉末材料との混合物を用いることができる。このとき用いられる金属触媒としては、ニッケル、鉄、コバルトや、貴金属(白金、ルテニウム、パラジウム等)等の還元性雰囲気中で安定で、水素酸化活性を有する材料を用いることができる。また、酸化物イオン導電体としては、蛍石型構造又はペロブスカイト型構造を有するものを好ましく用いることができる。蛍石型構造を有するものとしては、例えばサマリウムやガドリニウム等をドープしたセリア系酸化物、スカンジウムやイットリウムを含むジルコニア系酸化物などを挙げることができる。また、ペロブスカイト型構造を有するものとしてはストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・ガレード系酸化物を挙げることができる。上記材料の中では、酸化物イオン導電体とニッケルとの混合物で、燃料極12を形成することが好ましい。なお、酸化物イオン導電体からなるセラミックス材料とニッケルとの混合形態は、物理的な混合形態であってもよいし、ニッケルへの粉末修飾またはセラミックス材料へのニッケル修飾などの形態であってもよい。また、上述したセラミックス材料は、1種類を単独で、或いは2種類以上を混合して使用することができる。また、燃料極41は、金属触媒を単体で用いて構成することもできる。   As the fuel electrode 41, for example, a mixture of a metal catalyst and a ceramic powder material made of an oxide ion conductor can be used. As the metal catalyst used at this time, a material that is stable in a reducing atmosphere, such as nickel, iron, cobalt, or a noble metal (platinum, ruthenium, palladium, etc.) and has hydrogen oxidation activity can be used. In addition, as the oxide ion conductor, one having a fluorite structure or a perovskite structure can be preferably used. Examples of those having a fluorite structure include ceria-based oxides doped with samarium, gadolinium, and the like, and zirconia-based oxides containing scandium and yttrium. In addition, examples of those having a perovskite structure include lanthanum galide oxides doped with strontium and magnesium. Of the above materials, the fuel electrode 12 is preferably formed of a mixture of an oxide ion conductor and nickel. The mixed form of the ceramic material made of the oxide ion conductor and nickel may be a physical mixed form, or may be a powder modification to nickel or a nickel modification to ceramic material. Good. Moreover, the ceramic material mentioned above can be used individually by 1 type or in mixture of 2 or more types. Further, the fuel electrode 41 can be configured by using a metal catalyst alone.

空気極43を形成するセラミックス粉末材料としては、例えば、ペロブスカイト型構造等を有するCo,Fe,Ni,Cr又はMn等からなる金属酸化物を用いることができる。具体的には(Sm,Sr)CoO,(La,Sr)MnO,(La,Sr)CoO,(La,Sr)(Fe,Co)O,(La,Sr)(Fe,Co,Ni)Oなどの酸化物が挙げられ、好ましくは、(La,Sr)(Fe,Co)Oである。上述したセラミックス材料は、1種を単独で、或いは2種以上を混合して使用することができる。 As the ceramic powder material forming the air electrode 43, for example, a metal oxide made of Co, Fe, Ni, Cr, Mn or the like having a perovskite structure or the like can be used. Specifically, (Sm, Sr) CoO 3 , (La, Sr) MnO 3 , (La, Sr) CoO 3 , (La, Sr) (Fe, Co) O 3 , (La, Sr) (Fe, Co , Ni) O 3 and the like, and (La, Sr) (Fe, Co) O 3 is preferable. The ceramic material mentioned above can be used individually by 1 type or in mixture of 2 or more types.

上記電解質42、燃料極41、及び空気極43は、上述した材料を主成分として、さらにバインダー樹脂、有機溶媒などが適量加えられることにより形成される。より詳細には、上記主成分とバインダー樹脂との混合において、上記主成分が50〜95重量%となるように、バインダー樹脂等を加えることが好ましい。   The electrolyte 42, the fuel electrode 41, and the air electrode 43 are formed by adding the appropriate amount of binder resin, organic solvent, etc., with the above-described materials as the main components. More specifically, it is preferable to add a binder resin or the like so that the main component is 50 to 95% by weight in the mixing of the main component and the binder resin.

燃料極41、空気極43の形成方法としては、例えば印刷法を用いることができ、具体的には、スクリーン印刷法やナイフコ−ト法、ドクターブレード法、スプレーコート等の印刷方法を用いることができる。これ以外にも、シート上に塗布しておき(いわゆるグリーン体)、これらを転写することによって電極を形成することもできる。また、電解質42は、種々の方法で形成することができるが、燃料極41および空気極42を多孔体として形成するには、これらよりも低温で焼結することが好ましく、例えば真空法、溶射法等による低温焼成手法で形成することができる。   As a method of forming the fuel electrode 41 and the air electrode 43, for example, a printing method can be used. Specifically, a printing method such as a screen printing method, a knife coating method, a doctor blade method, or a spray coating method can be used. it can. In addition to this, it is also possible to form electrodes by applying them on a sheet (so-called green body) and transferring them. The electrolyte 42 can be formed by various methods. In order to form the fuel electrode 41 and the air electrode 42 as a porous body, it is preferable to sinter at a lower temperature than these, for example, vacuum method, thermal spraying It can be formed by a low-temperature firing method such as a method.

基板2は、電子伝導性を有するが、イオン伝導性が無視できる程度に小さいことが好ましい。また、熱力学的に安定な材料で構成されていることが好ましい。導電率については、燃料電池の運転温度において、10−2S・cm−1以上であることが好ましい。これにより、基板2は集電層としての役割を果たす。このような要求を満たすため、基板は次のように構成することができる。 The substrate 2 has electronic conductivity, but it is preferable that the ion conductivity is small enough to be ignored. Moreover, it is preferable to be comprised with the thermodynamically stable material. The electrical conductivity is preferably 10 −2 S · cm −1 or more at the operating temperature of the fuel cell. Thereby, the substrate 2 serves as a current collecting layer. In order to satisfy such requirements, the substrate can be configured as follows.

基板2の気孔率は、ガス透過性及びその強度を考慮すると、10〜80%の範囲にあることが好ましい。また、後述するように、基板2の前後方向の端面からガスを流入させる必要があるため、ある程度の厚みが必要となる。このような要求を満たすため、基板2を構成する材料は、Pt,Au,Ag,Ni,Ti,Cu,Fe,Cr等の導電性金属、又はLa(Cr,Mg)O,(La,Ca)CrO,(La,Sr)CrOなどのランタン・クロマイト系等の導電性セラミックス材料によって形成することができ、これらのうちの1種を単独で使用してもよいし、2種以上を混合して使用してもよい。 The porosity of the substrate 2 is preferably in the range of 10 to 80% in consideration of gas permeability and its strength. Further, as will be described later, a certain amount of thickness is required because it is necessary to allow gas to flow from the front and rear end faces of the substrate 2. In order to satisfy such a requirement, the material constituting the substrate 2 is made of a conductive metal such as Pt, Au, Ag, Ni, Ti, Cu, Fe, Cr, or La (Cr, Mg) O 3 , (La, It can be formed of a lanthanum chromite-based conductive ceramic material such as Ca) CrO 3 , (La, Sr) CrO 3, and one of these may be used alone, or two or more May be used in combination.

セパレータ1は、導電性材料が用いられ、例えば、ステンレス系の金属材料や、ランタンクロマイト系の金属セラミックス材料を使用することができる。   The separator 1 is made of a conductive material. For example, a stainless metal material or a lanthanum chromite metal ceramic material can be used.

上記のように構成された燃料電池は、次のように発電が行われる。まず、電池に対して水素、又はメタン、エタンなどの炭化水素からなる燃料ガスをセパレータ1の供給口12から供給する。この燃料ガスは、供給口12から凹部11の延長部112aへ流入し、溝14を経て延長部112bに入った後、排出口13からセパレータ1の外部へ排出される。そして、溝14を通過中の燃料ガスは多孔質体である基板2を通って燃料極41に供給される。一方、空気等の酸化剤ガスは、電解質42の上面側から空気極43へ供給される。これらのガスは、高温の状態(例えば、400〜1000℃)で供給される。こうして、燃料極41及び空気極43がそれぞれ水素ガス及び酸化剤ガスと接触するため、各単セル4における燃料極41と空気極43との間で、電解質41を介した酸素イオン伝導が起こり、発電が行われる。   The fuel cell configured as described above generates power as follows. First, a fuel gas made of hydrogen or a hydrocarbon such as methane or ethane is supplied to the battery from the supply port 12 of the separator 1. This fuel gas flows from the supply port 12 into the extension 112 a of the recess 11, enters the extension 112 b through the groove 14, and then is discharged from the discharge port 13 to the outside of the separator 1. The fuel gas passing through the groove 14 is supplied to the fuel electrode 41 through the porous substrate 2. On the other hand, an oxidant gas such as air is supplied to the air electrode 43 from the upper surface side of the electrolyte 42. These gases are supplied in a high temperature state (for example, 400 to 1000 ° C.). Thus, since the fuel electrode 41 and the air electrode 43 come into contact with the hydrogen gas and the oxidant gas, respectively, oxygen ion conduction through the electrolyte 41 occurs between the fuel electrode 41 and the air electrode 43 in each single cell 4, Power generation is performed.

以上のように、本実施形態によれば、電解質42の周縁がセパレータ1と接合することで、その間に収容されている燃料極41と、空気極43とは隔離された状態になるため、簡易な構造で、二室化を図ることができる。また、電極41,43及び電解質42からなる単セル4は、基板2及びセパレータ1によって支持されているため、機械的特性を高めることができる。   As described above, according to the present embodiment, since the periphery of the electrolyte 42 is joined to the separator 1, the fuel electrode 41 and the air electrode 43 accommodated therebetween are separated from each other. With a simple structure, two chambers can be achieved. Moreover, since the single cell 4 which consists of the electrodes 41 and 43 and the electrolyte 42 is supported by the board | substrate 2 and the separator 1, it can improve a mechanical characteristic.

ここで、基板2を、例えば、Ro,Pd,Pt,Ru等の金属で構成すると、水素分離機能を付与することができる。これにより、例えば、炭化水素系のガスがこの基板2に接触または通過すると、水素のみが分離される。そのため、燃料極41に水素を直接的に供給することができ、ガスの供給効率を向上することができる。また、発電性能が向上し、燃料極41でのカーボン析出が低減でき、セルの耐久性が向上する。   Here, when the substrate 2 is made of a metal such as Ro, Pd, Pt, or Ru, a hydrogen separation function can be imparted. Thereby, for example, when a hydrocarbon gas contacts or passes through the substrate 2, only hydrogen is separated. Therefore, hydrogen can be directly supplied to the fuel electrode 41, and the gas supply efficiency can be improved. Further, the power generation performance is improved, the carbon deposition at the fuel electrode 41 can be reduced, and the durability of the cell is improved.

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、種々の変更が可能である。例えば、電解質42の両側とセパレータ1とは、図1に示すように、直接的に接合することもできるし、図3に示すように、ガラスシール等の絶縁部材7を介して間接的に接合することもできる。   As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this, A various change is possible unless it deviates from the meaning. For example, both sides of the electrolyte 42 and the separator 1 can be directly joined as shown in FIG. 1 or indirectly joined via an insulating member 7 such as a glass seal as shown in FIG. You can also

また、上記実施形態では、セパレータ1の凹部11に溝14を形成し、これにガスが供給されるようにしているが、図4に示すように、基板2側に溝21を形成することもできる。但し、基板2は、多孔質性を有しているため、これにガスを供給すれば、燃料極41にガスを供給することができるため、延長部112から基板2にガスが供給できるのであれば、溝は必ずしも必要ではない。但し、溝21を形成することにより、燃料極41に接触するガスの流量を増大することができ、出力を向上することができる。
また、上記実施形態のように、セパレータ1に収容部111と延長部112とからなる凹部11を形成し、これに供給口12からガスを供給する以外にも、セパレータ1が、基板2にガスを供給できるような構成であれば特には限定されない。
Moreover, in the said embodiment, although the groove | channel 14 is formed in the recessed part 11 of the separator 1 and gas is supplied to this, the groove | channel 21 may be formed in the board | substrate 2 side, as shown in FIG. it can. However, since the substrate 2 has porosity, if the gas is supplied to the substrate 2, the gas can be supplied to the fuel electrode 41, so that the gas can be supplied from the extension 112 to the substrate 2. For example, the groove is not always necessary. However, by forming the groove 21, the flow rate of the gas in contact with the fuel electrode 41 can be increased, and the output can be improved.
Further, as in the above embodiment, in addition to forming the recess 11 including the accommodating portion 111 and the extension portion 112 in the separator 1 and supplying gas from the supply port 12 to the separator 1, the separator 1 applies gas to the substrate 2. If it is the structure which can supply, it will not specifically limit.

また、上記燃料電池をスタック化する場合には、例えば、図5のように構成すればよい。図5は、スタック化した燃料電池の断面図である。同図に示すように、このスタック構造では、各燃料電池Fのセパレータ1の下面に前後方向に延びる溝17を形成しておく。そして、隣接する燃料電池においては、一方の電池Fのセパレータ1の下面と、他方の電池Fのセル4とが対向するようにし、セル4の周囲に絶縁性のシール8を配置することで、隣接する燃料電池のセパレータ同士を接続する。このように絶縁性のシール8を設けることで、セル4が隣接するセパレータ1内に気密に保持される。そして、各セル4の空気極43には、セパレータ1の下面に形成された溝17を介してガスを供給する。以上の構成により、複数の燃料電池を簡単にスタック化することができ、これらが電気的に直列に接続される。なお、セパレータ下面の溝にガスを供給する構成は、特には限定されず、図2に示したように、セパレータの下面に延長部と収容部からなる凹部を形成することもできる。   Moreover, what is necessary is just to comprise as shown in FIG. 5, for example, when making the said fuel cell into a stack. FIG. 5 is a cross-sectional view of a stacked fuel cell. As shown in the figure, in this stack structure, a groove 17 extending in the front-rear direction is formed on the lower surface of the separator 1 of each fuel cell F. And in the adjacent fuel cell, the lower surface of the separator 1 of one battery F and the cell 4 of the other battery F are opposed to each other, and an insulating seal 8 is arranged around the cell 4, Adjacent fuel cell separators are connected. By providing the insulating seal 8 in this way, the cells 4 are kept airtight in the adjacent separators 1. The gas is supplied to the air electrode 43 of each cell 4 through the groove 17 formed on the lower surface of the separator 1. With the above configuration, a plurality of fuel cells can be easily stacked, and these are electrically connected in series. In addition, the structure which supplies gas to the groove | channel on the lower surface of a separator is not specifically limited, As shown in FIG. 2, the recessed part which consists of an extension part and an accommodating part can also be formed in the lower surface of a separator.

本発明の一実施形態に係る固体酸化物形燃料電池の断面図である1 is a cross-sectional view of a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention. 図1のA−A線断面図である。It is the sectional view on the AA line of FIG. 図1の燃料電池の他の例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other example of the fuel cell of FIG. 図1の燃料電池のさらに他の例を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing still another example of the fuel cell in FIG. 1. 図1の燃料電池をスタック化した状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state which made the fuel cell of FIG. 1 a stack.

符号の説明Explanation of symbols

1 セパレータ
2 基板
4 単セル
41 燃料極
42 電解質
43 空気極
8 シール部材(絶縁部材)
1 Separator 2 Substrate 4 Single cell 41 Fuel electrode 42 Electrolyte 43 Air electrode 8 Seal member (insulating member)

Claims (6)

多孔質の基板と、
前記基板上に配置された燃料極と
前記燃料極上に配置された電解質と、
前記電解質上に配置された空気極と、
前記基板を支持する非多孔質性のセパレータと、を備え、
前記電解質の周縁が前記燃料極の周縁を覆うように下方へ延び、前記基板及び前記セパレータに接合されることで、前記電解質とセパレータとの間に収容された前記燃料極が前記空気極から気密に隔離され、
前記セパレータは、前記基板を外部と連通させるように構成され
前記基板は水素分離機能を有している、固体酸化物形燃料電池。
A porous substrate;
A fuel electrode disposed on the substrate;
An electrolyte disposed on said anode,
An air electrode disposed on the electrolyte;
A non-porous separator that supports the substrate,
The periphery of the electrolyte extends downward so as to cover the periphery of the fuel electrode , and is joined to the substrate and the separator so that the fuel electrode accommodated between the electrolyte and the separator is airtight from the air electrode. Isolated
The separator is configured to communicate the substrate with the outside ;
A solid oxide fuel cell, wherein the substrate has a hydrogen separation function .
多孔質の基板と、
前記基板上に配置された燃料極または空気極のいずれか一方の電極と、
前記一方の電極上に配置された電解質と、
前記電解質上に配置された他方の電極と、
前記基板を支持する非多孔質性のセパレータと、を備え、
前記電解質の周縁が前記一方の電極の周縁を覆うように下方へ延び、前記基板及び前記セパレータに接合されることで、前記電解質とセパレータとの間に収容された前記一方の電極が前記他方の電極から気密に隔離され、
前記セパレータは、前記基板を外部と連通させるように構成され
前記基板は、幅方向の両側に塗布されたガラスシールによって前記セパレータの凹部内に固定されており、
前記電解質の周縁が前記一方の電極の周縁を覆うように下方へ延び、前記基板、前記ガラスシール及び前記セパレータに接合されている、固体酸化物形燃料電池。
A porous substrate;
Either one of a fuel electrode and an air electrode disposed on the substrate;
An electrolyte disposed on the one electrode;
The other electrode disposed on the electrolyte;
A non-porous separator that supports the substrate,
The peripheral edge of the electrolyte extends downward so as to cover the peripheral edge of the one electrode, and is joined to the substrate and the separator so that the one electrode accommodated between the electrolyte and the separator is the other electrode. Airtightly isolated from the electrodes,
The separator is configured to communicate the substrate with the outside ;
The substrate is fixed in the recess of the separator by glass seals applied on both sides in the width direction,
A solid oxide fuel cell , wherein a peripheral edge of the electrolyte extends downward so as to cover a peripheral edge of the one electrode, and is joined to the substrate, the glass seal, and the separator .
前記一方の電極は燃料極であり、前記基板は水素分離機能を有している、請求項に記載の固体酸化物形燃料電池。 The solid oxide fuel cell according to claim 2 , wherein the one electrode is a fuel electrode, and the substrate has a hydrogen separation function. 前記基板とセパレータとが接触する面において、当該基板及びセパレータの少なくとも一方に、ガスが流通する溝が形成されている、請求項1から3のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。 The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 3 , wherein a groove through which a gas flows is formed in at least one of the substrate and the separator on a surface where the substrate and the separator are in contact with each other . 前記基板が、導電性を有する金属または金属酸化物を有する材料からなる、請求項1からのいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。 Wherein the substrate is made of a material having a metal or metal oxide having conductivity, solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 4. 請求項1から5のいずれかに記載の燃料電池を複数個有し、
隣接する二個の前記燃料電池は、一方の燃料電池のセパレータと他方の燃料電池の他方の電極とが対向するように積層されるとともに、
両燃料電池の間に、前記他方の燃料電池の電極、電解質及び基板が気密に収容され、
前記一方の燃料電池のセパレータは、他方の燃料電池の他方の電極が外部と連通するように構成されている、固体酸化物形燃料電池のスタック構造。
A plurality of the fuel cells according to any one of claims 1 to 5 ,
The two adjacent fuel cells are stacked so that the separator of one fuel cell and the other electrode of the other fuel cell face each other,
Between the two fuel cells, the electrode, electrolyte and substrate of the other fuel cell are hermetically accommodated,
The separator of the one fuel cell is a stack structure of a solid oxide fuel cell configured such that the other electrode of the other fuel cell communicates with the outside.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5233148B2 (en) * 2007-03-30 2013-07-10 大日本印刷株式会社 Solid oxide fuel cell
NL2002113C (en) * 2008-10-20 2010-04-21 Stichting Energie SOFC-STACK WITH CORRUGATED SEPARATOR PLATE.
KR101245552B1 (en) * 2009-11-27 2013-03-20 한국전력공사 Solid oxide fuel cell and manufacturing method thereof
JP2016207630A (en) * 2015-04-24 2016-12-08 株式会社村田製作所 Metal support solid oxide fuel cell and manufacturing method therefor
JP6309587B2 (en) * 2016-09-05 2018-04-11 日本碍子株式会社 Fuel cell
US20240204304A1 (en) * 2022-12-16 2024-06-20 Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd. Solid oxide cell and solid oxide cell stack

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3207984B2 (en) * 1993-10-15 2001-09-10 日本碍子株式会社 Power generator
JPH10312818A (en) * 1997-05-14 1998-11-24 Fuji Electric Co Ltd Solid electrolyte type fuel cell
CN100544099C (en) * 2002-07-01 2009-09-23 加利福尼亚大学董事会 Have integrated catalytic fuel processor based on MEMS fuel cell and manufacture method thereof
JP2005019041A (en) * 2003-06-24 2005-01-20 Chiba Inst Of Technology Battery using solid electrolyte layer and hydrogen permeable metal film, fuel battery, and its manufacturing method
JP2005251550A (en) * 2004-03-04 2005-09-15 Toyota Motor Corp Fuel cell

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