JP5554090B2 - Fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、筒型形状をなす燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell having a cylindrical shape.
固体酸化物型燃料電池(SOFC)は、炭化水素や含酸素炭化水素を水蒸気と反応させて改質した燃料ガスと酸素とが電気化学的反応をすることによって発電する燃料電池である。この発電時には、水が生成される。燃料電池により逆反応を行うと、水から水素と酸素が生成される。このように用いる燃料電池を水電解装置または水電解セルという。 A solid oxide fuel cell (SOFC) is a fuel cell that generates electric power by an electrochemical reaction between a fuel gas reformed by reacting a hydrocarbon or oxygen-containing hydrocarbon with water vapor and oxygen. During this power generation, water is generated. When a reverse reaction is performed by a fuel cell, hydrogen and oxygen are generated from water. The fuel cell used in this way is called a water electrolysis device or a water electrolysis cell.
この固体酸化物型燃料電池は、筒形状をなす基体管の外周面に、燃料極、固体酸化物の電解質、空気極を積層して発電素子を形成し、この発電素子を基体管の軸心方向に所定間隔(隙間)をあけて複数配置し、複数の発電素子をインターコネクタにより直列に接続して構成される。 In this solid oxide fuel cell, a power generation element is formed by laminating a fuel electrode, a solid oxide electrolyte, and an air electrode on the outer peripheral surface of a cylindrical base tube. A plurality of power generation elements are arranged in series in a predetermined interval (gap), and a plurality of power generation elements are connected in series by an interconnector.
従って、基体管内には燃料ガスが供給される一方、空気極には酸素が供給されると、空気極に供給された酸素は、イオン化されて電解質膜を透過し、燃料極に達する。そして、燃料極に達した酸素と燃料ガスとの電気化学的反応により、燃料極と空気極との間に電位差が発生し、この発生した電位差を外部に取り出すことで発電が行われる。 Accordingly, when the fuel gas is supplied into the base tube and oxygen is supplied to the air electrode, the oxygen supplied to the air electrode is ionized, permeates the electrolyte membrane, and reaches the fuel electrode. A potential difference is generated between the fuel electrode and the air electrode due to an electrochemical reaction between oxygen and fuel gas that has reached the fuel electrode, and electricity is generated by taking out the generated potential difference to the outside.
このような燃料電池としては、例えば、下記特許文献1に記載されたものがある。この特許文献1に記載された燃料電池は、燃料ガス流路が軸長方向に形成された柱状の支持体の表面に、燃料極、固体電解質、空気極を順次積層してなる発電素子を軸長方向に所定間隔をおいて複数個設け、複数の発電素子をそれぞれインターコネクタで直列に接続して構成し、支持体を、鉄族金属及び/または鉄族金属の酸化物と、無機粉末とを主成分とする多孔質な支持体基部の表面に、支持体基部と発電素子とを電気的に絶縁する多孔質な絶縁層を設けて構成している。 An example of such a fuel cell is described in Patent Document 1 below. The fuel cell described in Patent Document 1 includes a power generation element in which a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are sequentially stacked on the surface of a columnar support body in which a fuel gas passage is formed in the axial length direction. A plurality of power generation elements are provided in series in the longitudinal direction, and a plurality of power generation elements are connected in series with an interconnector, and the support is made of an iron group metal and / or an iron group metal oxide, inorganic powder, A porous insulating layer that electrically insulates the support base from the power generating element is provided on the surface of the porous support base that contains the main component.
ところで、この固体酸化物型燃料電池は、基体管の外表面に燃料極と電解質とインターコネクタと空気極の各材料を重ねて塗布し、これを焼成して製造する。この場合、インターコネクタと電解質とは、その組成が異なることから熱膨張率が相違し、焼成後に両者の間の境界面に微小隙間が発生する。そのため燃料電池の異常運転時に、基体管内に燃料ガスの供給量が低下すると、空気極に対して燃料極側の圧力が低下する差圧逆転現象が発生したとき、酸素が空気極側からインターコネクタと電解質の微小隙間を通って燃料極に漏洩する。すると、この漏洩した酸素が燃料極や基体管に含まれるニッケルと反応し、酸化ニッケルとを生成し、燃料極や基体管が膨張(再酸化膨張)することで基体管が破損してしまう可能性がある。即ち、燃料極と基体管の外周部が膨張すると、ここに圧縮応力が発生する一方、基体管の内周部に引張応力が作用し、結果として基体管が内部応力により破損することとなる。 By the way, this solid oxide fuel cell is manufactured by applying the fuel electrode, the electrolyte, the interconnector, and the air electrode on the outer surface of the base tube, and firing them. In this case, since the interconnector and the electrolyte have different compositions, their thermal expansion coefficients are different, and a minute gap is generated at the interface between the two after firing. Therefore, when the supply amount of fuel gas decreases in the base tube during abnormal operation of the fuel cell, when the differential pressure reversal phenomenon occurs in which the pressure on the fuel electrode side decreases with respect to the air electrode, oxygen is interconnected from the air electrode side. And leak through the minute gap between the electrolyte and the fuel electrode. Then, the leaked oxygen reacts with nickel contained in the fuel electrode and the base tube to generate nickel oxide, and the fuel electrode and the base tube expand (reoxidation expansion), so that the base tube may be damaged. There is sex. That is, when the outer peripheral portion of the fuel electrode and the base tube expands, compressive stress is generated here, while tensile stress acts on the inner peripheral portion of the base tube, and as a result, the base tube is damaged by the internal stress.
本発明は、上述した課題を解決するものであり、ロバスト性を向上することで基体管の破損を防止して耐久性及び信頼性の向上を図る燃料電池を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell that improves durability and reliability by preventing damage to a base tube by improving robustness.
上記の目的を達成するための本発明の燃料電池は、筒形状をなす基体管の外面に、燃料極、固体電解質、空気極が順次積層されて発電素子が形成され、該発電素子が前記基体管の軸心方向に複数配置され、前記複数の発電素子がインターコネクタにより直列に接続される燃料電池において、前記基体管の外面上であって、前記インターコネクタと前記固体電解質との境界部にガス不透過層が前記基体管の軸心方向に所定間隔をあけて複数配置され、前記ガス不透過層の外側に該ガス不透過層と対向する前記境界部を構成する前記固体電解質を有する発電素子(以下、対向発電素子という)の燃料極が設けられると共に、このガス不透過層に隣接して、該対向発電素子の隣の発電素子の固体電解質が設けられ、前記対向発電素子の燃料極の外側に該対向発電素子の固体電解質が設けられることにより、隣り合うガス不透過層は、固体電解質により隔てられると共に、隣り合う発電素子をそれぞれ形成する燃料極同士も固体電解質により隔てられる、ことを特徴とするものである。 In order to achieve the above object, a fuel cell of the present invention includes a fuel cell, a solid electrolyte, and an air electrode that are sequentially laminated on the outer surface of a cylindrical substrate tube, and the power generation device is formed on the substrate. In the fuel cell in which a plurality of power generation elements are arranged in the axial direction of the tube and the plurality of power generation elements are connected in series by an interconnector, on the outer surface of the base tube, at the boundary between the interconnector and the solid electrolyte A plurality of gas-impermeable layers are arranged at predetermined intervals in the axial direction of the base tube, and the power generation includes the solid electrolyte that forms the boundary portion facing the gas-impermeable layer outside the gas-impermeable layer. element (hereinafter, referred to as the counter power device) with the fuel electrode of the is provided, adjacent to the gas impermeable layer, provided the solid electrolyte of the power generating element next to the counter generating element, a fuel electrode of the counter generating elements Outside By solid electrolyte the counter generating elements are provided, the gas impermeable layer adjacent, together are separated by a solid electrolyte, also fuel poles to form a power generating element adjacent each separated by a solid electrolyte, it and characterized To do.
本発明の燃料電池では、前記ガス不透過層は、前記基体管の外面に所定厚さを有する被覆膜として形成されることを特徴としている。 In the fuel cell of the present invention, the gas impermeable layer is formed as a coating film having a predetermined thickness on the outer surface of the base tube.
本発明の燃料電池では、前記ガス不透過層は、前記基体管の軸心方向の領域にて、前記燃料極と前記固体電解質と前記空気極のうち少なくとも一つが積層されていない素子間領域に設けられることを特徴としている。 In the fuel cell of the present invention, the gas-impermeable layer is formed in an inter-element region in which at least one of the fuel electrode, the solid electrolyte, and the air electrode is not stacked in a region in an axial direction of the base tube. It is characterized by being provided.
本発明の燃料電池では、前記ガス不透過層は、非孔質材料により形成されることを特徴としている。 In the fuel cell of the present invention, the gas impermeable layer is formed of a non-porous material.
本発明の燃料電池によれば、筒形状をなす基体管の外面に、燃料極、固体電解質、空気極を順次積層して発電素子を形成し、この発電素子を基体管の軸心方向に所定間隔をあけて複数配置し、複数の発電素子をインターコネクタにより直列に接続して構成し、基体管の外面上であって、インターコネクタと固体電解質との境界部にガス不透過層を基体管の軸心方向に所定間隔をあけて複数配置し、ガス不透過層の外側にガス不透過層と対向する境界部を構成する固体電解質を有する発電素子(以下、対向発電素子という)の燃料極が設けられると共に、このガス不透過層に隣接して、対向発電素子の隣の発電素子の固体電解質が設けられ、対向発電素子の燃料極の外側に該対向発電素子の固体電解質が設けられることにより、隣り合うガス不透過層は、固体電解質により隔てられると共に、隣り合う発電素子をそれぞれ形成する燃料極同士も固体電解質により隔てられるようにしている。従って、基体管と燃料極との間におけるインターコネクタと固体電解質との境界部に対応してガス不透過層を設けることで、空気極側から基体管側への空気の漏洩を抑制してロバスト性を向上することができ、その結果、基体管の破損を防止して耐久性及び信頼性の向上を図ることができる。 According to the fuel cell of the present invention, the fuel electrode, the solid electrolyte, and the air electrode are sequentially laminated on the outer surface of the cylindrical base tube to form a power generation element, and the power generation element is predetermined in the axial direction of the base tube. A plurality of power generation elements are arranged in series with an interconnector at intervals, and a gas-impermeable layer is formed on the outer surface of the substrate tube at the boundary between the interconnector and the solid electrolyte. A fuel electrode of a power generating element (hereinafter referred to as a counter power generating element) having a solid electrolyte that is arranged in a plurality of positions with a predetermined interval in the axial direction of the gas and has a boundary portion facing the gas impermeable layer outside the gas impermeable layer together are provided, adjacent to the gas impermeable layer, it provided the solid electrolyte of the power generating element next to the opposite power generation elements, the solid electrolyte of the counter generating element is provided outside the fuel electrode of the counter generating element Because of the adjacent gas Kaso, together separated by a solid electrolyte, also fuel poles to form a power generating element adjacent respectively as separated by a solid electrolyte. Therefore, by providing a gas impervious layer corresponding to the boundary between the interconnector and the solid electrolyte between the base tube and the fuel electrode, it is possible to suppress air leakage from the air electrode side to the base tube side and to be robust. As a result, it is possible to prevent damage to the base tube and improve durability and reliability.
本発明の燃料電池によれば、ガス不透過層を基体管の外面に所定厚さを有する被覆膜として形成するので、ガス不透過層を燃料極、固体電解質、空気極などと同様な手法で形成することができ、製造工程の複雑化を防止することができる。 According to the fuel cell of the present invention, since the gas impermeable layer is formed as a coating film having a predetermined thickness on the outer surface of the base tube, the same method as the fuel electrode, solid electrolyte, air electrode, etc. The manufacturing process can be prevented from becoming complicated.
本発明の燃料電池によれば、ガス不透過層を、基体管の軸心方向の領域にて燃料極と固体電解質と空気極のうち少なくとも一つが積層されていない素子間領域に設けるので、ガス不透過層、補強部による発電効率の低下を抑制することができる。 According to the fuel cell of the present invention, the gas-impermeable layer is provided in the inter-element region in which at least one of the fuel electrode, the solid electrolyte, and the air electrode is not stacked in the axial direction of the base tube. A decrease in power generation efficiency due to the impermeable layer and the reinforcing portion can be suppressed.
本発明の燃料電池によれば、ガス不透過層を非孔質材料により形成するので、ガス不透過層、補強部の配合を簡素化することができ、製造コストを低減することができる。 According to the fuel cell of the present invention, since the gas-impermeable layer is formed of a non-porous material, the composition of the gas-impermeable layer and the reinforcing portion can be simplified, and the manufacturing cost can be reduced.
以下に添付図面を参照して、本発明に係る燃料電池の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではない。 Exemplary embodiments of a fuel cell according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, this invention is not limited by this Example.
図1は、本発明の実施例1に係る燃料電池を表す概略構成図である。 FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating a fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention.
実施例1の燃料電池は、図1に示すように、筒形状をなす基体管11の外面に外側に向けて、燃料極12、固体電解質13、空気極14を順次積層して発電素子15が形成され、この発電素子15が基体管11の軸心方向に所定間隔をあけて複数配置され、複数の発電素子15がインターコネクタ16により直列に接続されて構成されている。そして、基体管11と燃料極12との間であって、基体管11の軸方向に配置された各発電素子15間に対応して、基体管11の軸心方向に断続的にガス不透過層17が設けられる。本実施例では、基体管11の外面と燃料極12との間であって、インターコネクタ16と固体電解質13との境界部に対応して、このガス不透過層17が設けられている。
As shown in FIG. 1, the fuel cell of Example 1 is configured such that a
実施例1の燃料電池について具体的に説明する。基体管11は、セラミックス製の円筒であり、内部改質能を有する鉄属金属(例えば、Ni)や鉄属金属酸化物(例えば、NiO)、これらの合金や合金酸化物を含有するものであり、例えば、NiとCSZ(カルシア安定化ジルコニア−CaO安定化ZrO2)の混合物である。この場合、基体管11は、燃料通路の燃料ガスを燃料極12へ通過させる必要があることから、多孔質としており、混合物の粒子径を調整したり、ポアー材を混合させることが必要である。
The fuel cell of Example 1 will be specifically described. The base tube 11 is a ceramic cylinder and contains an iron group metal (for example, Ni), an iron group metal oxide (for example, NiO) having an internal reforming ability, an alloy or an alloy oxide thereof. Yes, for example, a mixture of Ni and CSZ (calcia stabilized zirconia-CaO stabilized ZrO 2 ). In this case, since the base tube 11 needs to pass the fuel gas in the fuel passage to the
燃料極12は、例えば、NiとYSZ(イットリウム安定化ジルコニア−Y2O3安定化ZrO2)の混合物であり、多孔質とする。また、固体電解質13は、例えば、YSZ(イットリウム安定化ジルコニア−Y2O3安定化ZrO2)であり、燃料極ガスと空気極ガスの接触を避けるために非孔質とする。空気極14は、例えば、LaMnO3系材料、LaFeO3系材料、LaCoO3系材料などの少なくとも一種の多孔質の導電性セラミックスから構成されている。
The
発電素子15を構成するために、燃料極12と、この燃料極12の外側に隣接する空気極14とが、インターコネクタ16により接続され、インターコネクタ16により被覆されていない燃料極12は、固体電解質13により覆われており、この固体電解質13は、隣接する燃料極12の隙間にも存在している。このインターコネクタ16は、例えば、SrTiO3などのペロブスカイト型酸化物、LaCrO3系材料などからなり、ガスの漏出を防止するために非孔質とする。
In order to constitute the
ガス不透過層17は、基体管11の軸心方向の領域にて、燃料極12と固体電解質13と空気極14の全てが積層されていない、つまり、燃料極12と固体電解質13と空気極14のうち少なくともいずれか一つが積層されていない素子間領域W0に設けられており、このガス不透過層17は、基体管11の外面に所定厚さを有する被覆膜として形成されている。
The gas-
また、ガス不透過層17は、少なくとも燃料極12と熱膨張係数が同じであることが望ましく、燃料極12、固体電解質13、空気極14と熱膨張係数が同じであることが更に望ましい。そして、このガス不透過層17は、基体管11より、気孔率が低く設定された緻密層として構成されている。
The gas
具体的に、本実施例の燃料電池では、基体管11の表面側に、燃料極12と固体電解質13と空気極14の全てが積層されていない領域が素子間領域W0である。つまり、基体管11の表面側に、燃料極12と固体電解質13と空気極14のうちの一つでも積層されていない領域が素子間領域W0である。一方、燃料極12と固体電解質13と空気極14の全てが積層されている領域が発電領域W1である。ガス不透過層17は、基体管11の表面を覆うようにこの素子間領域W0に設けられている。
Specifically, in the fuel cell of the present embodiment, the surface side of the substrate tube 11, the area where all of the
そして、インターコネクタ16は、固体電解質13の外側に積層され、内側が基体管11の軸方向に隣接する固体電解質13の間に配置され、燃料極12の外側に積層されている。そのため、このインターコネクタ16は、各固体電解質13との間に境界面(境界部)Bが形成され、この境界面Bに対応して、素子間領域W0にガス不透過層17が設けられている。
The
また、このガス不透過層17は、基体管11と発電素子15との間で、発電素子15側からのガス(主に酸素)を基体管11側に透過させないことが必要であり、非孔質としている。なお、ガス不透過層17が発電領域W1には設けられていないため、基体管11内の燃料ガスが燃料極12へ通過することに対して悪影響を与えることはほとんどない。
Further, the gas
この場合、ガス不透過層17は、例えば、La2ZrO7(ランタンジルコネート)、Y3Al5O12(イットリウムアルミネート)、SrTi1+xO3(ストロンチウムチタネート)、Al2O3(アルミナ)とMgAl2O4(マグネシウムアルミネート)の混合物とし、非孔質としてもよい。この場合、多孔質でないことから、粒子径を調整したり、ポアー材を混合させる必要もなく、結果として、ガス不透過層17は、基体管11より、気孔率が低くなる。
In this case, the gas-
また、本実施例の燃料電池は、基体管11の外面に、燃料極12、ガス不透過層17、固体電解質13、インターコネクタ16を積層して焼結(焼成)することから、この焼結時における割れを注意する必要がある。そのため、ガス不透過層17は、基体管11、燃料極12、固体電解質13、インターコネクタ16と熱膨張係数が同じになるように材料の配合が設定されている。
Further, since the fuel cell of this embodiment is formed by laminating the
このように構成された実施例1に係る燃料電池は、円柱形状をなす心棒(図示略)の外周面に、押出成形により基体管11を成形し、この基体管11の外側に、ガス不透過層17、燃料極12、固体電解質13、インターコネクタ16を積層した後、空気極14を成膜し、焼結(たとえば,1100℃〜1300℃にて1時間保持)して製造される。この場合、ガス不透過層17、燃料極12、固体電解質13、インターコネクタ16、空気極14は、上述した粉末材料に有機系の溶剤を混合して均一に混合されたスラリを形成し、スクリーン印刷法により基体管11の外面における所定の位置に所定の材料を塗布する。燃料極12の厚さは、基体管11の厚さの約30%であり、ガス不透過層17の厚さは、数十μmであり、燃料極12の厚さの10%以下にすることが望ましく、5%以下にすることが最適である。一方、ガス不透過層17における軸方向の長さは、固体電解質13とインターコネクタ16との境界面Bに対応する位置のみが最小長さであり、この境界面Bに対応する位置を含む素子間領域W0全てが最大長さであり、この長さ範囲にあればよいものである。なお、製造上、ガス不透過層17が素子間領域W0から発電領域W1側に少量だけ延びてしまうことは厭わない。
In the fuel cell according to Example 1 configured as described above, the base tube 11 is formed by extrusion molding on the outer peripheral surface of a cylindrical mandrel (not shown), and the gas impermeability is formed outside the base tube 11. After the
上述した本実施例の燃料電池は以下の動作によって電池反応をする。即ち、電池反応の燃料となる燃料ガスは、基体管11の内側を流れ、基体管11の細孔を通過して燃料極12に達する。この燃料ガスは、燃料極12に含まれる活性金属により水蒸気改質される。水蒸気改質により生成された水素は、燃料極12の細孔を通過して固体電解質13まで到達する。一方、空気は、基体管11(空気極14)の外側を流れる。空気中の酸素は、空気極14の細孔を通過する途中または固体電解質13まで到達してイオン化する。イオン化した酸素は固体電解質13を通過し、燃料極12に到達する。固体電解質13を通過した酸素イオンは燃料ガスと反応する。このような電池反応によって生じる電位差は、燃料極12及び空気極14から外部に取り出されて発電される。
The fuel cell of the above-described embodiment reacts by the following operation. That is, the fuel gas serving as the fuel for the cell reaction flows inside the base tube 11, passes through the pores of the base tube 11, and reaches the
この燃料電池による発電時に、異常が発生、例えば、基体管11内への燃料ガスの供給量が低下したとき、空気極14側に対して燃料極12側の圧力が低下する差圧逆転現象が発生する。このとき、空気極14側の酸素が固体電解質13とインターコネクタ16との微小隙間を通って燃料極12に漏洩する。しかし、本実施例では、固体電解質13とインターコネクタ16との境界面Bに対応して、基体管11と燃料極12の間にガス不透過層17が設けられている。そのため、この漏洩した酸素が、ガス不透過層17に阻止されて燃料極12から基体管11側に漏洩することはなく、基体管11の再酸化膨張が抑制され、基体管11の内部応力による破損が防止される。
When an abnormality occurs during power generation by the fuel cell, for example, when the amount of fuel gas supplied into the base tube 11 is reduced, a differential pressure reversal phenomenon occurs in which the pressure on the
この場合、ガス不透過層17は、非孔質(緻密層)であることから、基体管11自体の強度が増加している。そのため、空気極14側の酸素が固体電解質13、インターコネクタ16、燃料極12に到達してこれらが酸化するものの、基体管11は、再酸化膨張した燃料極12から作用する応力を十分に受け止めることができ、この点からも基体管11の破損が防止される。
In this case, since the gas
このように実施例1の燃料電池にあっては、筒形状をなす基体管11の外面に、燃料極12、固体電解質13、空気極14を順次積層して発電素子15を形成し、この発電素子15を基体管11の軸心方向に所定間隔をあけて複数配置し、複数の発電素子15をインターコネクタ16により直列に接続して構成し、基体管11と燃料極12との間であって、インターコネクタ16と固体電解質13との境界面Bに対応してガス不透過層17を設けている。
As described above, in the fuel cell of Example 1, the
従って、基体管11と燃料極12との間におけるインターコネクタ16と固体電解質13との境界面Bに対応してガス不透過層17を設けることで、空気極14側から基体管11側への空気の漏洩が抑制され、非常運転時における対応が可能となり、ロバスト性を向上することができ、その結果、基体管11の破損を防止して耐久性及び信頼性の向上を図ることができる。
Therefore, by providing the gas
また、実施例1の燃料電池では、ガス不透過層17を、基体管11の外面に所定厚さを有する被覆膜として形成している。従って、ガス不透過層17を燃料極12、固体電解質13、空気極14などと同様な手法で形成することができ、製造工程の複雑化を防止することができる。
In the fuel cell of Example 1, the gas
また、実施例1の燃料電池では、ガス不透過層17を、少なくとも燃料極12、固体電解質13と熱膨張係数を同じに設定している。従って、ガス不透過層17と燃料極12と固体電解質13とが隙間なく密着することとなり、焼成時における亀裂の発生を抑制することができる。
In the fuel cell of Example 1, the gas
また、実施例1の燃料電池では、ガス不透過層17を、基体管11の軸心方向の領域にて、燃料極12と固体電解質13のうち少なくとも一つが積層されていない素子間領域W0に設けている。従って、ガス不透過層17による発電効率の低下を抑制することができる。
Further, in the fuel cell of Example 1, the gas
また、実施例1の燃料電池では、ガス不透過層17を非孔質材料により形成している。従って、ガス不透過層17を製造するとき、粒子径を調整したり、ポアー材を混合させる必要がなく、ガス不透過層17の配合を簡素化でき、製造コストを低減することができる。
Further, in the fuel cell of Example 1, the gas
図2は、本発明の実施例2に係る燃料電池を表す概略構成図である。なお、前述した実施例で説明したものと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing a fuel cell according to
実施例2の燃料電池は、図2に示すように、筒形状をなす基体管11の外面に外側に向けて、燃料極12、固体電解質13、空気極14を順次積層して発電素子15が形成され、この発電素子15が基体管11の軸心方向に所定間隔をあけて複数配置され、複数の発電素子15がインターコネクタ16により直列に接続されて構成されている。そして、基体管11の内面であって、基体管11の軸方向に配置された各発電素子15間に対応して、基体管11の軸心方向に断続的に補強部21が設けられる。本実施例では、基体管11の内面であって、インターコネクタ16と固体電解質13との境界部に対応して、基体管11より高い強度を有する補強部21が設けられている。
As shown in FIG. 2, the fuel cell of Example 2 has a
実施例2の燃料電池は、上述した実施例1の燃料電池と、発電素子15の構成、この発電素子15がインターコネクタ16により直列に接続されている点は、ほぼ同様であることから、この点についての詳細な説明は省略する。
The fuel cell of Example 2 is substantially the same as the fuel cell of Example 1 described above, the configuration of the
補強部21は、基体管11の軸心方向の領域にて、燃料極12と固体電解質13と空気極14の全てが積層されていない、つまり、燃料極12と固体電解質13と空気極14のうち少なくともいずれか一つが積層されていない素子間領域W0に設けられており、この補強部21は、基体管11の内面に所定厚さを有する被覆膜として形成されている。この場合、補強部21は、基体管11の内面側に設けられ、内面がこの基体管11の内面と均一に設けられている。即ち、補強部21は、基体管11の内面側にて、その内部に埋設して配置されている。
The reinforcing
また、補強部21は、少なくとも基体管11と熱膨張係数が同じであることが望ましく、燃料極12、固体電解質13、空気極14と熱膨張係数が同じであることが更に望ましい。そして、この補強部21は、基体管11より、気孔率が低く設定された緻密層として構成されている。
The reinforcing
具体的に、本実施例の燃料電池では、基体管11の表面側に、燃料極12と固体電解質13と空気極14のうちの一つでも積層されていない領域が素子間領域W0である。一方、燃料極12と固体電解質13と空気極14の全てが積層されている領域が発電領域W1である。補強部21は、基体管11の内面を覆うようにこの素子間領域W0に設けられている。
Specifically, in the fuel cell of the present embodiment, the surface side of the substrate tube 11, the area not laminated in one of the
そして、インターコネクタ16は、固体電解質13の外側に積層され、内側が基体管11の軸方向に隣接する固体電解質13の間に配置され、燃料極12の外側に積層されている。そのため、このインターコネクタ16は、各固体電解質13との間に境界面(境界部)Bが形成され、この境界面Bに対応して、素子間領域W0に補強部21が設けられている。
The
また、この補強部21は、基体管11の内面側にてこの基体管11の強度より高い強度を有することが必要である。また、補強部21は、基体管11の内面側にて、発電素子15側からのガス(主に酸素)を基体管11側に透過させないことが有効であり、非孔質とすることが望ましい。なお、ガス不透過層17が発電領域W1には設けられていないため、基体管11内の燃料ガスが燃料極12へ通過することに対して悪影響を与えることはほとんどない。
The reinforcing
この場合、補強部21は、La2ZrO7(ランタンジルコネート)、Y3Al5O12(イットリウムアルミネート)、SrTi1+xO3(ストロンチウムチタネート)、Al2O3(アルミナ)とMgAl2O4(マグネシウムアルミネート)の混合物を用いる。この場合、補強部21は、多孔質であっても、非孔質であってもよい。
In this case, the reinforcing
また、本実施例の燃料電池は、基体管11の外面に、燃料極12、固体電解質13、インターコネクタ16を積層し、内面に補強部21を積層して焼結(焼成)することから、この焼結時における割れを注意する必要がある。そのため、補強部21は、基体管11、燃料極12、固体電解質13、インターコネクタ16と熱膨張係数が同じになるように材料の配合が設定されている。
Further, in the fuel cell of this embodiment, the
このように構成された実施例2に係る燃料電池は、円柱形状をなす心棒(図示略)の外周面に、多重(二重)押出成形により補強部21と基体管11を成形し、この基体管11の外側に、燃料極12、固体電解質13、インターコネクタ16、空気極14を積層した後、焼結(例えば、1350℃〜1400℃にて、1時間保持)して製造される。この場合、燃料極12、固体電解質13、インターコネクタ16、空気極14は、上述した粉末材料に有機系の溶剤を混合して均一に混合されたスラリを形成し、スクリーン印刷法により基体管11の外面における所定の位置に所定の材料を塗布する。この場合、補強部21における軸方向の長さは、固体電解質13とインターコネクタ16との境界面Bに対応する位置のみが最小長さであり、この境界面Bに対応する位置を含む素子間領域W0全てが最大長さであり、この長さ範囲にあればよいものである。なお、製造上、補強部21が素子間領域W0から発電領域W1側に少量だけ延びてしまうことは厭わない。
In the fuel cell according to Example 2 configured as described above, the reinforcing
そして、本実施例の燃料電池による発電時に、異常が発生、例えば、基体管11内への燃料ガスの供給量が低下したとき、空気極14側に対して燃料極12側の圧力が低下する差圧逆転現象が発生する。このとき、空気極14側の酸素が固体電解質13とインターコネクタ16との微小隙間を通って燃料極12に漏洩する。そのため、空気極14側の酸素が固体電解質13、インターコネクタ16、燃料極12に到達してこれらが酸化してしまう。しかし、補強部21が強固であることから、基体管11自体の強度が増加している。そのため、基体管11は、再酸化膨張した燃料極12から作用する応力を十分に受け止めることができ、この基体管11の破損が防止される。
When an abnormality occurs during power generation by the fuel cell of this embodiment, for example, when the amount of fuel gas supplied into the base tube 11 is reduced, the pressure on the
このように実施例2の燃料電池にあっては、筒形状をなす基体管11の外面に、燃料極12、固体電解質13、空気極14を順次積層して発電素子15を形成し、この発電素子15を基体管11の軸心方向に所定間隔をあけて複数配置し、複数の発電素子15をインターコネクタ16により直列に接続して構成し、基体管11の内面であって、インターコネクタ16と固体電解質13との境界面Bに対応して基体管11より高い強度を有する補強部21を設けている。
Thus, in the fuel cell of Example 2, the
従って、基体管11の内面におけるインターコネクタ16と固体電解質13との境界面Bに対応して基体管11より高い強度を有する補強部21を設けることで、基体管11自体の剛性をあげて非常運転時における対応が可能となり、ロバスト性を向上することができ、その結果、基体管11の破損を防止して耐久性及び信頼性の向上を図ることができる。
Therefore, by providing the reinforcing
また、実施例2の燃料電池では、補強部21を、基体管11の軸心方向の領域にて、燃料極12と固体電解質13のうち少なくとも一つが積層されていない素子間領域W0に設けている。従って、補強部21による発電効率の低下を抑制することができる。
Further, in the fuel cell of Example 2, the reinforcing
また、実施例2の燃料電池では、補強部21を非孔質材料により形成している。従って、補強部21を製造するとき、粒子径を調整したり、ポアー材を混合させる必要がなく、補強部21の配合を簡素化でき、製造コストを低減することができる。
Further, in the fuel cell of Example 2, the reinforcing
また、実施例2の燃料電池では、補強部21を基体管11の内面側に設け、内面を基体管11の内面と均一に設けている。従って、基体管11の内周面を凹凸のない平滑面とすることで、燃料ガスのガス流動性、基体管11のガス透過性への影響を最小限として基体管11の剛性を向上することができると共に、製造工程の複雑化を防止することができる。
Further, in the fuel cell of Example 2, the reinforcing
図3は、本発明の実施例3に係る燃料電池を表す概略構成図である。なお、前述した実施例で説明したものと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。 FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing a fuel cell according to Embodiment 3 of the present invention. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the member which has the same function as what was demonstrated in the Example mentioned above, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
実施例3の燃料電池は、図3に示すように、筒形状をなす基体管11の外面に外側に向けて、燃料極12、固体電解質13、空気極14を順次積層して発電素子15が形成され、この発電素子15が基体管11の軸心方向に所定間隔をあけて複数配置され、複数の発電素子15がインターコネクタ16により直列に接続されて構成されている。そして、基体管11の内面であって、基体管11の軸方向に配置された各発電素子15間に対応して、基体管11の軸心方向に断続的に補強部22が設けられる。本実施例では、基体管11の内面であって、インターコネクタ16と固体電解質13との境界部に対応して、基体管11より高い強度を有する補強部22が設けられている。
In the fuel cell of Example 3, as shown in FIG. 3, the
実施例3の燃料電池は、上述した実施例1、2の燃料電池と、発電素子15の構成、この発電素子15がインターコネクタ16により直列に接続されている点は、ほぼ同様であることから、この点についての詳細な説明は省略する。
The fuel cell of Example 3 is substantially the same as the fuel cell of Examples 1 and 2 described above, the configuration of the
補強部22は、基体管11の軸心方向の領域にて、燃料極12と固体電解質13と空気極14の全てが積層されていない、つまり、燃料極12と固体電解質13と空気極14のうち少なくともいずれか一つが積層されていない素子間領域W0に設けられており、この補強部22は、基体管11の内面に所定厚さを有する被覆膜として形成されている。この場合、補強部22は、基体管11の内面側に設けられ、基体管11の内面から内側に向けて突出するように配置されている。
In the region of the base tube 11 in the axial direction, the reinforcing
なお、この補強部22は、実施例2の補強部21と、その組成等は同様であることから、詳細な説明は省略する。
In addition, since this
実施例3に係る燃料電池は、円柱形状をなす心棒(図示略)の外周面に、押出成形により基体管11を成形し、この基体管11の外側に、燃料極12、固体電解質13、インターコネクタ16を積層した後、基体管11から心棒を抜取り、この基体管11の内面に補強部22を積層し、焼結(例えば、1350℃〜1400℃にて、1時間保持)し、この後,空気極14を成膜し,焼結(たとえば,1100℃〜1300℃にて1時間保持)して製造される。この場合、燃料極12、固体電解質13、インターコネクタ16、補強部22は、上述した粉末材料に有機系の溶剤を混合して均一に混合されたスラリを形成し、スクリーン印刷法により基体管11の外面及び内面における所定の位置に所定の材料を塗布する。
In the fuel cell according to Example 3, a base tube 11 is formed by extrusion molding on the outer peripheral surface of a cylindrical mandrel (not shown), and a
そして、本実施例の燃料電池による発電時に、異常が発生、例えば、基体管11内への燃料ガスの供給量が低下したとき、空気極14側に対して燃料極12側の圧力が低下する差圧逆転現象が発生する。このとき、空気極14側の酸素が固体電解質13とインターコネクタ16との微小隙間を通って燃料極12に漏洩する。そのため、空気極14側の酸素が固体電解質13、インターコネクタ16、燃料極12に到達してこれらが酸化してしまう。しかし、補強部22が強固であることから、基体管11自体の強度が増加している。そのため、基体管11は、再酸化膨張した燃料極12から作用する応力を十分に受け止めることができ、この基体管11の破損が防止される。
When an abnormality occurs during power generation by the fuel cell of this embodiment, for example, when the amount of fuel gas supplied into the base tube 11 is reduced, the pressure on the
このように実施例3の燃料電池にあっては、筒形状をなす基体管11の外面に、燃料極12、固体電解質13、空気極14を順次積層して発電素子15を形成し、この発電素子15を基体管11の軸心方向に所定間隔をあけて複数配置し、複数の発電素子15をインターコネクタ16により直列に接続して構成し、基体管11の内面であって、インターコネクタ16と固体電解質13との境界面Bに対応して基体管11より高い強度を有する補強部22を設けている。
Thus, in the fuel cell of Example 3, the
従って、基体管11の内面におけるインターコネクタ16と固体電解質13との境界面Bに対応して基体管11より高い強度を有する補強部22を設けることで、基体管11自体の剛性をあげて非常運転時における対応が可能となり、ロバスト性を向上することができ、その結果、基体管11の破損を防止して耐久性及び信頼性の向上を図ることができる。
Therefore, by providing the reinforcing
なお、上述した実施例2、3にて、補強部21,22を基体管11の内面に設けたが、実施例1のガス不透過層17のように、基体管11の外面に設けてもよい。
In Examples 2 and 3 described above, the reinforcing
本発明に係る燃料電池は、インターコネクタと固体電解質との境界部に対応してガス不透過層または補強部を設けることで、ロバスト性を向上して基体管の破損を防止して耐久性及び信頼性の向上を図るものであり、いずれの種類の燃料電池にも適用することができる。 The fuel cell according to the present invention is provided with a gas-impermeable layer or a reinforcing portion corresponding to the boundary between the interconnector and the solid electrolyte, thereby improving robustness and preventing damage to the base tube. This is intended to improve reliability and can be applied to any type of fuel cell.
11 基体管
12 燃料極
13 固体電解質
14 空気極
15 発電素子
16 インターコネクタ
17 ガス不透過層(補強部)
21,22 補強部
B 境界面(境界部)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11
21, 22 Reinforcement part B Boundary surface (boundary part)
Claims (1)
前記基体管の外面上であって、前記インターコネクタと前記固体電解質との境界部にガス不透過層が前記基体管の軸心方向に所定間隔をあけて複数配置され、
前記ガス不透過層の外側に該ガス不透過層と対向する前記境界部を構成する前記固体電解質を有する発電素子(以下、対向発電素子という)の燃料極が設けられると共に、このガス不透過層に隣接して、該対向発電素子の隣の発電素子の固体電解質が設けられ、前記対向発電素子の燃料極の外側に該対向発電素子の固体電解質が設けられることにより、
隣り合うガス不透過層は、固体電解質により隔てられると共に、隣り合う発電素子をそれぞれ形成する燃料極同士も固体電解質により隔てられる、
ことを特徴とする燃料電池。 A fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are sequentially laminated on the outer surface of a cylindrical base tube, and a plurality of power generation elements are arranged in the axial direction of the base tube, and the plurality of power generation elements Are connected in series by an interconnector,
A plurality of gas-impermeable layers are arranged on the outer surface of the base tube at a boundary portion between the interconnector and the solid electrolyte at a predetermined interval in the axial direction of the base tube,
Power generating element (hereinafter, referred to as the counter power device) having the solid electrolyte constituting the boundary portion facing the said gas impermeable layer on the outside of the gas impermeable layer with fuel electrode is provided, the gas impermeable layer A solid electrolyte of the power generation element next to the counter power generation element is provided adjacent to the counter power generation element, and the solid electrolyte of the counter power generation element is provided outside the fuel electrode of the counter power generation element ,
Adjacent gas impermeable layers are separated by a solid electrolyte, and the fuel electrodes forming the adjacent power generation elements are also separated by a solid electrolyte.
The fuel cell characterized by the above-mentioned.
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