JP2005116289A - Solid electrolyte fuel cell - Google Patents
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Abstract
【課題】支持体の熱膨張係数を固体電解質に近づけ、燃料電池セルのクラックやガスリークを防止できる燃料電池セル及び燃料電池を提供する。
【解決手段】内部にガス流路を備えた電気絶縁性の多孔質支持体11の表面に、内側電極、固体電解質及び外側電極を順次積層した層構造を有する発電素子部を有する固体電解質形燃料電池セルにおいて、電気絶縁性の多孔質支持体は、NiもしくはNi酸化物と、ジルコン酸カルシウムまたは酸化イットリウムとからなり、NiもしくはNi酸化物は、Ni換算で10乃至25体積%の量で含有されていることを特徴とする。
【選択図】図1
The present invention provides a fuel cell and a fuel cell in which the thermal expansion coefficient of a support is brought close to that of a solid electrolyte and cracks and gas leaks of the fuel cell can be prevented.
A solid electrolyte fuel having a power generation element portion having a layer structure in which an inner electrode, a solid electrolyte, and an outer electrode are sequentially laminated on the surface of an electrically insulating porous support 11 having a gas flow path therein. In the battery cell, the electrically insulating porous support is made of Ni or Ni oxide and calcium zirconate or yttrium oxide, and Ni or Ni oxide is contained in an amount of 10 to 25% by volume in terms of Ni. It is characterized by being.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、固体電解質形燃料電池に関するものであり、より詳細には、絶縁性の多孔質支持体の表面に発電素子部を設けた固体電解質形の燃料電池セル、セルスタック及び燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a solid electrolyte fuel cell, and more particularly to a solid electrolyte fuel cell having a power generating element portion on the surface of an insulating porous support, a cell stack, and a fuel cell. It is.
次世代エネルギーとして、近年、燃料電池セルを複数接続したセルスタックを収納容器内に収容した燃料電池が種々提案されている。このような燃料電池には、固体高分子形、リン酸形、溶融炭酸塩形、固体電解質形など、各種のものが知られているが、中でも固体電解質形の燃料電池は、作動温度が800〜1000℃と高いものの、発電効率が高く、また排熱利用ができるなどの利点を有しており、その研究開発が推し進められている。 In recent years, various fuel cells in which a cell stack in which a plurality of fuel cells are connected are accommodated in a storage container have been proposed as next-generation energy. Various types of fuel cells such as a solid polymer type, a phosphoric acid type, a molten carbonate type, and a solid electrolyte type are known. Among them, a solid electrolyte type fuel cell has an operating temperature of 800. Although it is as high as ˜1000 ° C., it has advantages such as high power generation efficiency and the ability to use waste heat, and its research and development is being promoted.
従来公知の横縞形の固体電解質形燃料電池セルの一部の縦断面を図9に示す。この固体電解質形燃料電池セルは、多孔質絶縁体である円筒状の支持体1の表面に、燃料極3a、固体電解質3b及び空気極3cを順次積層した層構造の発電素子部3を、図9に示す軸長方向に所定間隔をおいて隣接して複数形成することにより構成されており、互いに隣り合う発電素子部3は、それぞれインターコネクタ4により直列に接続されている。即ち、一方の発電素子部3の燃料極3aと他方の発電素子部3の空気極3cとが、インターコネクタ4により接続されている。また、支持体1の内部にはガス流路7が形成されている。
FIG. 9 shows a longitudinal section of a part of a conventionally known horizontal stripe solid electrolyte fuel cell. This solid electrolyte fuel cell includes a power
電解質として固体電解質3bを用いる横縞形の固体電解質形燃料電池セルでは、固体電解質3bの酸素イオン伝導性は600℃程度から高くなるため、600℃以上の温度域で、空気極3cに酸素を含むガスを、燃料極3aに水素を含むガスを各々供給することで、空気極3cと燃料極3a間の酸素濃度差に基づき、空気極3cと燃料極3aとの間で電位差が発生する。
In the horizontal stripe type solid electrolyte fuel cell using the
空気極3cから固体電解質3bを通じて燃料極3aへ移動した酸素イオンは、燃料極3aで水素イオンと結合して水となる。このとき、同時に電子の移動が起こる。燃料電池では、酸素を含むガスと水素を含むガスとを供給することで、以上の反応を連続して起こし、発電する。即ち、空気極3cでは、下記式(1)の電極反応を生じ、燃料極3aでは、下記式(2)の電極反応を生じることによって発電する。
Oxygen ions that have moved from the
空気極3c: 1/2O2+2e− → O2−(固体電解質) …(1)
燃料極3a: O2−(固体電解質)+H2 → H2O+2e− …(2)
横縞形の燃料電池セルでは、以上の反応を起こす発電素子部3が、支持体1表面に、軸長方向に複数形成され且つ互いに直列に接続されているために、高い電圧を少ないセル数で得られるという利点がある。
In the horizontally-striped fuel cell, a plurality of power generating
上記の様な横縞形の燃料電池セルでは、各発電素子部3間の電気的ショートを防ぐため、支持体1に絶縁体を用いなくてはならないため、支持体1には、固体電解質3bに用いられる希土類元素酸化物などを固溶させたZrO2などと熱膨張係数が比較的近いCaOを固溶させ、完全に安定化させたZrO2などが利用されている(特許文献1参照)。
しかしながら、CaOを固溶させ、完全に安定化させたZrO2の熱膨張係数は9.5×10−6/℃で、固体電解質として用いられる希土類元素酸化物などを固溶させたZrO2など、例えば、Y2O3を8モル固溶させたZrO2の熱膨張係数は、10.8×10−6/℃であり、両者の熱膨張係数差は1.0×10−6/℃以上となっており、燃料電池の作製時や、燃料電池セルを発電のため加熱したり、発電の終了に伴い冷却する際に、固体電解質3bが割れたり、剥離したりするなどの問題があった。
However, the thermal expansion coefficient of ZrO 2 in which CaO is solid-solved and completely stabilized is 9.5 × 10 −6 / ° C., such as ZrO 2 in which a rare earth element oxide used as a solid electrolyte is dissolved. For example, the thermal expansion coefficient of ZrO 2 in which 8 mol of Y 2 O 3 is solid-solved is 10.8 × 10 −6 / ° C., and the difference in thermal expansion coefficient between the two is 1.0 × 10 −6 / ° C. As described above, there are problems such as the
また、支持体1の内部に燃料ガス(水素ガス)を流す場合には、支持体1が還元雰囲気に曝されるため、還元処理された場合においても、支持体1と固体電解質3bとの熱膨張係数を整合させておく必要があるが、従来公知の支持体1は、この点でも改善が求められている。
Further, when fuel gas (hydrogen gas) is allowed to flow inside the support 1, the support 1 is exposed to a reducing atmosphere. Therefore, even when the reduction treatment is performed, the heat of the support 1 and the
従って、本発明は、発電素子部を支持する支持体と固体電解質との熱膨張係数差が低減され、信頼性に優れた固体電解質形の燃料電池セル、セルスタック並びに燃料電池を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention provides a solid electrolyte fuel cell, a cell stack, and a fuel cell that have a reduced thermal expansion coefficient difference between the support that supports the power generation element portion and the solid electrolyte and that are excellent in reliability. Objective.
本発明によれば、内部にガス流路を備えた電気絶縁性の多孔質支持体の表面に、内側電極、固体電解質及び外側電極を順次積層した層構造を有する発電素子部を有する固体電解質形燃料電池セルにおいて、前記電気絶縁性の多孔質支持体は、NiもしくはNi酸化物と、希土類元素酸化物とからなり、NiもしくはNi酸化物は、Ni換算で10乃至25体積%の量で含有されていることを特徴とする燃料電池セルが提供される。 According to the present invention, a solid electrolyte type having a power generating element portion having a layer structure in which an inner electrode, a solid electrolyte, and an outer electrode are sequentially laminated on the surface of an electrically insulating porous support having a gas flow path therein. In the fuel battery cell, the electrically insulating porous support is composed of Ni or Ni oxide and a rare earth element oxide, and Ni or Ni oxide is contained in an amount of 10 to 25% by volume in terms of Ni. A fuel cell is provided.
本発明の燃料電池セルにおいては、
1.前記多孔質支持体が、中空の板状形状を有していること、
2.前記多孔質支持体が、複数のガス流路を内部に備えていること、
3.前記多孔質支持体の表面には、複数形成されており、少なくとも1つ以上の隣り合う発電素子部がインターコネクタにより直列に接続されていること、
が好ましい。
In the fuel battery cell of the present invention,
1. The porous support has a hollow plate-like shape;
2. The porous support has a plurality of gas flow paths therein;
3. A plurality of surfaces are formed on the surface of the porous support, and at least one adjacent power generation element portion is connected in series by an interconnector.
Is preferred.
また、本発明によれば、上記の燃料電池セルの複数を、集電部材を介して互いに電気的に接続してなるセルスタックが提供される。 In addition, according to the present invention, there is provided a cell stack formed by electrically connecting a plurality of the fuel battery cells to each other through a current collecting member.
本発明によれば、更に、上記セルスタックを収納容器内に複数収納してなる燃料電池が提供される。 The present invention further provides a fuel cell in which a plurality of the cell stacks are stored in a storage container.
本発明においては、NiもしくはNi酸化物(NiO)と、希土類元素酸化物とから多孔質支持体を形成し、Ni換算でのNi或いはNiO量を10乃至25体積%の範囲内で調整することにより、多孔質支持体と固体電解質との熱膨張差を1.0×10−6/℃未満とすることができる。即ち、燃料電池セルの作製時、加熱時、冷却時において両者の熱膨張差に起因して発生する熱応力を小さくすることができるため、固体電解質の割れや剥離などを抑制することができる。しかも、本発明に従って形成された多孔質支持体は、還元処理後においても熱膨張係数の変動が著しく小さく、このため、燃料ガス(水素ガス)を流して発電を行う場合においても、固体電解質との熱膨張係数の整合性は安定に維持され、熱膨張差による不都合を有効に回避することができる。 In the present invention, a porous support is formed from Ni or Ni oxide (NiO) and a rare earth element oxide, and the amount of Ni or NiO in terms of Ni is adjusted within a range of 10 to 25% by volume. Thus, the difference in thermal expansion between the porous support and the solid electrolyte can be made less than 1.0 × 10 −6 / ° C. That is, since the thermal stress generated due to the difference in thermal expansion between the fuel cell when producing, heating, and cooling can be reduced, cracking and peeling of the solid electrolyte can be suppressed. Moreover, the porous support formed in accordance with the present invention has a remarkably small variation in the coefficient of thermal expansion even after the reduction treatment. Therefore, even in the case where power generation is performed by flowing a fuel gas (hydrogen gas), Thus, the consistency of the thermal expansion coefficient is maintained stably, and the disadvantage caused by the thermal expansion difference can be effectively avoided.
また、多孔質支持体を、中空板状形状とすることにより、燃料電池セルの体積当たりの発電素子部の面積を増加し、燃料電池セル当たりの発電量を大きくすることができ、必要とする発電量を得るためのセル本数を減らすことができ、セル間の接続箇所を減少させることができる。そのため、構造、組み立てが簡単になるとともに、信頼性が向上する。また、このような燃料電池セルを電気的に接続してなるセルスタックを収納容器に収納して燃料電池とする場合には、円筒形の燃料電池セルに比べ、燃料電池セルを密に配置できることから、発電量当たりのセルスタックの占める体積を小さくすることができ、小型で、熱効率の高い燃料電池を提供することができる。 In addition, by forming the porous support in a hollow plate shape, the area of the power generation element unit per volume of the fuel cell can be increased, and the amount of power generation per fuel cell can be increased, which is necessary. The number of cells for obtaining the amount of power generation can be reduced, and the number of connection points between cells can be reduced. Therefore, the structure and the assembly are simplified and the reliability is improved. In addition, when a cell stack formed by electrically connecting such fuel cells is housed in a storage container to form a fuel cell, the fuel cells can be arranged more densely than a cylindrical fuel cell. Thus, the volume occupied by the cell stack per power generation amount can be reduced, and a small and highly efficient fuel cell can be provided.
さらに、多孔質支持体の内部にガス流路を複数形成することにより、多孔質支持体の構造強度を向上させることができ、燃料電池セルの強度を高めることができる。そのため、燃料電池セルのハンドリングが容易になり、セルスタックや燃料電池の組み立てが容易になるとともに、燃料電池セルの急激な加熱や冷却による燃料電池セルの破壊を抑制することができる。 Furthermore, by forming a plurality of gas flow paths inside the porous support, the structural strength of the porous support can be improved, and the strength of the fuel cell can be increased. Therefore, handling of the fuel cell is facilitated, the assembly of the cell stack and the fuel cell is facilitated, and destruction of the fuel cell due to rapid heating and cooling of the fuel cell can be suppressed.
また、本発明の燃料電池セルでは、多孔質支持体表面に、発電素子部を隣接して(特に軸長方向に)所定間隔を置いて複数形成し、隣り合う発電素子部をインターコネクタにより直列に接続することにより、燃料電池セル当たりの発電電圧を高くすることができる。 In the fuel cell of the present invention, a plurality of power generation element portions are formed adjacent to each other on the surface of the porous support (especially in the axial length direction) at predetermined intervals, and the adjacent power generation element portions are connected in series by an interconnector. By connecting to, the generated voltage per fuel cell can be increased.
図1は、本発明の燃料電池セルの代表的な中空の板形状構造の一部分の縦断面図を示すものであり、燃料電池セルは、中空板状の多孔質支持体11表面に、その軸長方向に所定間隔をおいて、複数の発電素子部13を隣接して配列することにより構成されている。また、図2は、図1の発電素子13が形成された中空の板形状の横断面図である。
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a part of a typical hollow plate-like structure of a fuel cell of the present invention. The fuel cell is arranged on the surface of a hollow plate-like
図1及び図2から明らかな通り、発電素子部13は、それぞれ、燃料極13a、固体電解質13b及び空気極13cが、多孔質支持体11上に順次積層することにより形成されており、隣り合う発電素子部13は、インターコネクタ14により直列に接続されている。即ち、一方の発電素子部13の燃料極13aと他方の発電素子部13の空気極13cとがインターコネクタ14により電気的に接続された構造となっている。また、中空板状の多孔質支持体11の内部には、複数の燃料ガス流路12が隔壁11a(図2参照)で隔てられて軸方向に延びており、この燃料ガス流路12内に燃料ガス(水素ガス)を流し、且つ空気極13cを空気等の酸素含有ガスに曝すことにより、燃料極13a及び空気極13cで前述した式(1)、(2)で示す電極反応が生じ、両極間に電位差が発生し、発電するようになっている。
As is clear from FIGS. 1 and 2, the power
上記のような中空の板状形状の多孔質支持体11は、複数の燃料ガス流路12が隔壁11aで隔てられて設けられていることから高い強度を示すが、その横断面(図2)において、その平坦部nの寸法(長径寸法;両端の弧状部m間の距離に相当)は、一般に、15〜35mmの範囲にあり、その短径寸法(2つの平坦部n間の距離に相当)は、一般に、2〜4mmであることが望ましい。
The hollow plate-like
本発明において、多孔質支持体11は、NiもしくはNi酸化物(NiO)と、希土類元素酸化物とからなっていることが重要である。即ち、このような成分を組み合わせて多孔質支持体11を形成することにより、発電素子部13との接合性を損なうことなく、その熱膨張係数を、後述する固体電解質13bに近づけることができ、例えば両者の熱膨張差を、1.0×10−6/℃未満とすることができ、熱膨張差に起因して製造工程時等で発生する固体電解質13bの割れや剥離を防止することが可能となる。また、このような熱膨張差は、還元雰囲気中でも維持され、例えばガス流路12に水素ガスを流して発電を行う場合にも、熱膨張による固体電解質13bの割れや剥離を有効に回避することができる。
In the present invention, it is important that the
本発明において、上記のNi或いはNiO(NiOは、発電時には、通常、水素ガスにより還元されてNiとして存在する)は、10乃至25体積%、特に15乃至20体積%の範囲で多孔質支持体11中に含有されているべきである。即ち、多孔質支持体11は、Ni等の発電素子部13間の電気的ショートを防ぐために電気絶縁性であることが必要であり、通常、10Ω・cm以上の電気抵抗を有していなければならないが、Ni等の含量が上記範囲を超えると、電気抵抗値が低下し、電気絶縁性が損なわれてしまう。また、Ni等の含量が上記範囲よりも少ないと、希土類元素酸化物(例えばY2O3)を単独で用いた場合と変わらなくなってしまい、熱膨張係数の調整が困難となってしまうからである。
In the present invention, the above-mentioned Ni or NiO (NiO is usually reduced by hydrogen gas and exists as Ni during power generation) is in the range of 10 to 25% by volume, particularly 15 to 20% by volume. 11 should be contained. That is, the
また、Ni等以外の残量の全ては、通常、希土類元素酸化物の少なくとも1種であるが、固体電解質13bに熱膨張係数を近づけるという本発明の骨子が損なわれない限りにおいて、少量、例えば5質量%以下の範囲で、MgOやSiO2などの他の酸化物もしくは複合酸化物、例えばジルコン酸カルシウムなどを含有していてもよい。尚、希土類元素酸化物を構成する希土類元素としては、Y,La,Yb,Tm,Er,Ho,Dy,Gd,Sm,Prなどを例示することができるが、本発明において好ましいものは、Y2O3やYb2O3、特にY2O3である。
Further, all of the remaining amount other than Ni or the like is usually at least one kind of rare earth element oxide, but a small amount, for example, as long as the gist of the present invention that brings the coefficient of thermal expansion close to the
さらに、上記の多孔質支持体11は、燃料ガス流路12内の燃料ガスを燃料極13aの表面まで導入可能でなければならず、このため、多孔質であることが必要であり、一般に、その開気孔率は25%以上、特に30乃至40%の範囲にあるのがよい。
Further, the
発電素子部13において、支持体11の表面に形成される燃料極13aは、前記式(2)の電極反応を生じせしめるものであり、それ自体公知の多孔質の導電性セラミックスから形成される。例えば、希土類元素が固溶しているZrO2(安定化ジルコニア)と、Ni及び/又はNiO(以下、Ni等と呼ぶ)とからなる。この希土類元素が固溶した安定化ジルコニアとしては、後述する固体電解質13bの形成に使用されているものと同様のものを用いるのがよい。
In the power
燃料極13a中の安定化ジルコニア含量は、35乃至65体積%の範囲にあることが好ましく、またNi等の含量は、65乃至35体積%の範囲にあるのがよく、さらに燃料極13aの開気孔率は、15%以上、特に20乃至40%の範囲にあるのがよく、且つその厚みは、良好な集電性能を発揮させるため、1〜100μmであることが望ましい。
The stabilized zirconia content in the
固体電解質13bは、電極間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有すると同時に、燃料ガスと空気等の酸素含有ガスとのリークを防止するためにガス遮断性を有していることが必要である。従って、固体電解質13bとしては、このような特性を備えている緻密質なセラミックス、例えば、3〜15モル%の希土類元素が固溶した安定化ZrO2を用いるのが好ましい。この安定化ZrO2中の希土類元素としては、Sc,Y,La,Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Luを例示することができるが、安価であるという点で、Y,Ybが好適である。また、8YSZ(8モル%のYが固溶している安定化ZrO2)と熱膨張係数がほぼ等しいランタンガレート系固体電解質なども好適に用いることができる。
The
上記の固体電解質13bは、ガス透過を防止するという点から10〜100μmの厚みを有し、さらに相対密度(アルキメデス法による)が93%以上、特に95%以上であることが望ましい。
The
固体電解質13b上に形成される空気極13cは、前述した式(1)の電極反応を生じせしめるものであり、所謂ABO3型のペロブスカイト型酸化物からなる導電性セラミックスから形成される。このようなペロブスカイト型酸化物としては、遷移金属型ペロブスカイト酸化物、特にAサイトにLaを有するLaMnO3系酸化物、LaFeO3系酸化物、LaCoO3系酸化物の少なくとも一種が好適であり、600〜1000℃程度の比較的低温での電気伝導性が高いという点から、LaFeO3系酸化物が特に好適である。尚、上記のペロブスカイト型酸化物においては、AサイトにLaと共にSrが存在していてもよいし、さらにBサイトには、Fe,Co,Mnが共存していてもよい。
The
また、上記の空気極13cは、ガス透過性を有していなければならず、その開気孔率は20%以上、特に30乃至50%の範囲にあるのがよい。さらに、その厚みは、集電性という点から30〜100μmであることが望ましい。
The
隣り合う発電素子13同士を直列に接続するために使用されるインターコネクタ14は、一方の発電素子部13の燃料極13aと他方の発電素子部13の空気極13cとを接続するものであり、導電性セラミックスから形成されるが、燃料ガス(水素ガス)及び空気等の酸素含有ガスと接触するため、耐還元性、耐酸化性を有していることが必要である。このため、かかる導電性セラミックスとしては、一般に、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物(LaCrO3系酸化物)が使用される。また、多孔質支持体11内のガス流路12を通る燃料ガスと空気極13cの外部を通る空気等の酸素含有ガスとのリークを防止するため、かかる導電性セラミックスは緻密質でなければならず、例えば93%以上、特に95%以上の相対密度(アルキメデス法)を有していることが好適である。尚、このインターコネクタ14の端面と、固体電解質13bの端面との間には、適当な接合層(例えばY2O3)を介在させることにより、シール性を向上させることもできる。
The
尚、上述した例においては、多孔質支持体上に形成される発電素子部13は、内側電極が燃料極13aであり、外側電極が空気極13cとなった層構造を有しているが、両電極の位置関係を逆とすることも勿論可能である。即ち、多孔質支持体11上に、空気極13c,固体電解質13b、燃料極13aをこの順に積層して発電素子部13を形成することもできる。この場合、多孔質支持体11のガス流路12内には、空気等の酸素含有ガスが導入され、燃料ガスは外側電極である燃料極13aの外面に供給されることとなる。
In the above-described example, the power
図3は、上述した燃料電池セルの接続構造を示すもので、燃料電池セルの一方の端部には、燃料極13aと導通する緻密なセル接続材15が設けられており、このセル接続部材15は、集電部材19を介して、他方の燃料電池セルの端部に形成されている発電素子部13の空気極13cに接続されている。セル接続材15は、インターコネクタ14と同様の機能を要求されるため、インターコネクタ14と同様の材料で形成される。
FIG. 3 shows the fuel cell connection structure described above, and a dense
このセル接続材15と他の燃料電池セルの空気極13cとを接続する集電部材19は、一般に、耐熱金属板や、空気極材料として用いられる無機材料などから形成されるが、集電部材19とセル接続材15或いは空気極13cとの接続部に、AgやPt等の貴金属を含有するペーストを導電性接着剤として用いて、接続信頼性を向上させることもできる。なお、燃料極13aが発電素子部13の外表面側に形成されている場合には、集電部材19として、Niフェルトが好適に用いられ、さらに上記の導電性接着剤としては、Ni金属を含有するペーストが安価であり、好適である。
The current collecting
複数の燃料電池セルを接合する場合、図3に示すように、一方のセルの端部と他方のセルの端部とで異なる構造となり、順次、互い違いに接続されることになる。 When joining a plurality of fuel cells, as shown in FIG. 3, the end portions of one cell and the end portion of the other cell have different structures and are sequentially connected alternately.
上述した燃料電池セルを用いて組み立てられるセルスタックは、図4に示すように、一方の燃料電池セルの端部のセル接続材15と、他方の燃料電池セルの端部の空気極13cとの間に、金属フェルト及び/又は耐熱金属板、空気極材料として用いられる無機材料などからなる集電部材19を介在させ、一方の燃料電池セルの支持体11上に形成された燃料極13aを、緻密なセル接続材15、集電部材19を介して、他方の燃料電池セルの空気極13cに、電気的に接続して、構成されている。なお、図4では、発電素子13及びインターコネクタ14、セル接続材15を簡略化して記載した。
As shown in FIG. 4, the cell stack assembled using the fuel cell described above includes a
集電部材19は、耐熱性、耐酸化性、電気伝導性という点から、Pt、Ag、Ni基合金、Fe−Cr鋼合金の少なくとも一種からなることが望ましい。また、図4において、符号21は、セルスタックと他のセルスタックを、電気的に接続するための導電部材であり、セルスタックで発生した電力を、燃料電池外に取り出すための導電部材である。
The current collecting
本発明の燃料電池は、図4のセルスタックを、収納容器内に収容して構成される。この収納容器には、外部から水素等の燃料ガス及び空気等の酸素含有ガスを、燃料電池セルに導入する導入管が設けられており、燃料電池セルが所定温度に加熱されることにより発電し、使用された燃料ガス、酸素含有ガスは、収納容器外に排出される。このような燃料電池では、容易に電圧を高めることができるとともに、発電素子部13間のショートや、熱による支持体11の構造の変化を抑制することができる。
The fuel cell of the present invention is configured by accommodating the cell stack of FIG. 4 in a storage container. The storage container is provided with an introduction pipe for introducing a fuel gas such as hydrogen and an oxygen-containing gas such as air from the outside into the fuel cell, and generates electricity when the fuel cell is heated to a predetermined temperature. The used fuel gas and oxygen-containing gas are discharged out of the storage container. In such a fuel cell, the voltage can be easily increased, and a short circuit between the power
本発明において、前述した燃料電池セルは、例えば以下のようにして製造することができる。 In the present invention, the fuel cell described above can be manufactured, for example, as follows.
先ず、支持体材料として、平均粒径が0.1〜10μmのY2O3粉末などの希土類元素酸化物粉末と、Ni粉末(NiO粉末でもよい)とを用意し、これらの粉末を、所定の比率で混合し、混合後の熱膨張係数が固体電解質13bとほぼ一致するようにする。この混合粉末に、ポアー剤と、セルロース系有機バインダーと、水とからなる溶媒とを混合し、押し出し成形して、図5に示すように、内部に燃料ガス流路52を有する中空の板状形状、つまり円筒状あるいは扁平状の支持体成形体51を作製し、これを乾燥後、900℃〜1100℃にて仮焼処理する。
First, as a support material, a rare earth element oxide powder such as a Y 2 O 3 powder having an average particle diameter of 0.1 to 10 μm and a Ni powder (or a NiO powder) are prepared. The thermal expansion coefficient after mixing is made to substantially match that of the
次に燃料極材料及び固体電解質材料を形成する。
例えば、NiO粉末、Ni粉末と、Y2O3等の希土類元素酸化物が固溶したZrO2粉末とを混合し、これにポアー剤を添加し、アクリル系バインダーとトルエンを加えてスラリーとし、図6(a)に示すようにドクターブレード法にて、厚み50〜60μmの燃料極テープ53aを作製する。
Next, a fuel electrode material and a solid electrolyte material are formed.
For example, NiO powder, Ni powder, and ZrO 2 powder in which a rare earth element oxide such as Y 2 O 3 is dissolved, are mixed with a pore agent, an acrylic binder and toluene are added to form a slurry, As shown in FIG. 6A, a
一方、8YSZ(8モル%のYが固溶したZrO2粉末)に、アクリル系バインダーとトルエンを加えてスラリーとし、図6(a)に示すように、ドクターブレード法にて、厚み10〜50μmの固体電解質テープ53bを作製する。
On the other hand, an acrylic binder and toluene are added to 8YSZ (ZrO 2 powder in which 8 mol% of Y is solid-dissolved) to form a slurry. As shown in FIG. 6A, the thickness is 10 to 50 μm by a doctor blade method. The
次に、図6(b)に示すように、これらの燃料極テープ53aと、固体電解質テープ53bとを、両者が重なり合わない部分がそれぞれ、1〜5mmできるように重ね合わせ、図6(c)に示すように、張り合わせた後、図7(a)に示すように、燃料極テープ53a側を、仮焼した支持体成形体51に、横縞状に貼り付ける。このとき、仮焼した支持体成形体51上に複数の燃料極テープ53a、固体電解質テープ53bの積層体を貼り付けることになるが、その際の燃料極テープ53a、固体電解質テープ53bの積層体と、他の燃料極テープ53a、固体電解質テープ53bの積層体とは3〜20mmの間隔をあけて、配置する。次に、この積層体を乾燥し、900〜1100℃の温度範囲で仮焼する。
Next, as shown in FIG. 6B, the
次に、インターコネクタ成形体54、セル接続材成形体59を形成する。インターコネクタ14とセル接続材15とは同じ材料を用いることが可能であるので、ここでは同じ工程で両者を形成する。
Next, the interconnector molded
例えば、ランタンクロマイトとPVA系バインダーで、ディップ用スラリーを作製する。 For example, a dip slurry is prepared with lanthanum chromite and a PVA binder.
次に、図7(a)に示すように、先に作製した支持体成形体51と、燃料極テープ53aと、固体電解質テープ53bの積層体の仮焼体の、固体電解質テープ53bの仮焼体の一部を除いた部分を、マスキングテープ61で覆い、その後、図7(b)に示すように、ディップ用スラリーでディップし、インターコネクタ成形体54とセル接続材成形体59を形成する。その後、乾燥し、図7(c)に示すように、マスキングテープ61を除去した後、1450℃〜1550℃で焼成し、インターコネクタ14とセル接続材15が、固体電解質13bの端部に2〜5mm程度重なるようにする。
Next, as shown in FIG. 7 (a), the calcined body of the
次に、図8(a)に示すように、セル接続材15の全面と、インターコネクタ14のインターコネクタ14が燃料極テープ13aと接続されていない側の一部を除いて、マスキングテープ63でマスキングする。
Next, as shown in FIG. 8A, with the masking
さらに、図8(b)に示すように、例えばランタンコバルタイトとイソプロピルアルコールとを混合して得られたスラリーを、マスキングした積層体に吹き付け、厚さ10〜100μmの空気極成形体53cを形成する。その後、図8(c)に示すように、マスキングテープ63を除去し、その後、1000℃〜1200℃で熱処理を行うことにより、目的とする構造の燃料電池セルを得ることができる。
Further, as shown in FIG. 8B, for example, a slurry obtained by mixing lanthanum cobaltite and isopropyl alcohol is sprayed onto the masked laminate to form an air electrode molded
なお、ここではテープ積層とディップ、スプレー吹きつけを併用して行ったが、本発明の要旨を変更しない限り、いずれの成形法を用いてもよい。特に、テープ積層法は、ディップと異なり、積層時の乾燥工程が短時間ですむため、上記の複数の部材をテープ成形し、積層することで、工程の短時間化が望め、望ましい。 Here, tape lamination, dipping, and spraying are performed together, but any molding method may be used as long as the gist of the present invention is not changed. In particular, the tape laminating method, unlike dip, requires a short drying process at the time of laminating. Therefore, it is preferable to tape-mold and laminate the above-mentioned members to shorten the process.
なお、燃料電池セルは、酸素含有雰囲気での焼成により、例えば、支持体11がNiを含有する場合には、支持体11や燃料極13aのNi成分がNiOとなっているため、その後、還元処理したり、発電中に還元雰囲気に曝されるため、この時に還元されることになる。
Note that the fuel battery cell is baked in an oxygen-containing atmosphere. For example, when the
なお、上記の例では多孔質支持体11は、中空の板状で内部に複数のガス流路12を有するものとして説明したが、多孔質支持体11は、円筒状でもよく、ガス流路12の数は一つでもよいことはいうまでもない。
In the above example, the
まず、平均粒径0.1〜10μmの酸化イットリウム粉末、さらに、平均球径0.1〜5μmのNiO粉末を、表1の割合となるように混合した。これらの混合物に、平均粒径30μmのポアー剤と、PVAからなる有機バインダーと、水からなる溶媒とを混合して形成した支持体材料を、押出成形して、図5に示すように内部に燃料ガス流路52を有する柱状で横断面が扁平状の支持体成形体51を作製し、これを乾燥した後、1050℃で仮焼した。
First, yttrium oxide powder having an average particle diameter of 0.1 to 10 μm and NiO powder having an average sphere diameter of 0.1 to 5 μm were mixed so as to have the ratio shown in Table 1. A support material formed by mixing these mixtures with a pore agent having an average particle size of 30 μm, an organic binder made of PVA, and a solvent made of water is extruded, and as shown in FIG. A
また、平均粒径0.5μmの8YSZ原料に、アクリル系パインダーとトルエンを加えて得たスラリーからドクタープレード法にて、厚み35μmの固体電解質テープ53bを作製した。
Further, a
次に、平均粒径0.5μmのNiO粉末、あるいは平均粒径0.5μmのNi粉末、平均粒径0.5μmの8YSZ粉末を、金属Niと8YSZとの比が、体積比で50:50となるように混合し、この混合物に対して、ポアー剤を添加し、アクリル系パインダーとトルエンを加えて、スラリーとし、図6に示すようにドクタープレード法にて厚み約50μmの燃料極テープ53aを作製した。
Next, NiO powder with an average particle size of 0.5 μm, or Ni powder with an average particle size of 0.5 μm, 8YSZ powder with an average particle size of 0.5 μm, the ratio of metal Ni to 8YSZ is 50:50 in volume ratio. Then, a pore agent is added to the mixture, and an acrylic binder and toluene are added to form a slurry. As shown in FIG. 6, a
これらの燃料極テープ53aと、8YSZ系固体電解質テープ53bとを、両者が重なり合わない部分がそれぞれ、3mmできるように重ね合わせ、2ton/cm2の圧力で張り合わせた後、燃料極テープ53a側を支持体成形体51の仮焼体に横縞状に貼り付けた。このとき、図7に示すように支持体成形体51の仮焼体上に複数の燃料極テープ53a、固体電解質テープ53bの積層テープを貼り付けることになるが、その際の燃料極テープ53aと、固体電解質テープ53bの積層テープと、隣接する他の燃料極テープ53aと、電解質テープ53bの積層テープとは、10mmの間隔をあけて配置した。その後、この積層体を乾燥し、1050℃で仮焼した。
These
次に、インターコネクタ成形体54、セル接続材成形体59を形成した。まず、平均粒径0.8μmのランタンクロマイトとPVA系パインダーで、ディップ用スラリーを作製し、次に、先に作製した燃料極テープ53aと、固体電解質テープ53bの積層テープとが支持体成形体51上に配置された仮焼体の、固体電解質テープ53bの仮焼体上の一部を除いた部分をマスキングテープ61で覆い、その後ディップ用スラリーでディップし、インターコネクタ成形体54とセル接続材成形体59を成形した。このとき、インターコネクタ成形体54とセル接続材成形体59は、固体電解質テープ53bの仮焼体の端部から3mm程度重なるようにし、その後、乾燥し、マスキングテープ61を除去した後、1450℃で焼成した。
Next, an interconnector molded
次に、図8に示すように空気極成形体53cを形成した。まず、セル接続材成形体59の焼結体の全面と、インターコネクタ成形体54の焼結体が、燃料極テープ53aの焼結体と接続されていない側の一部を除いた部分を、マスキングテープ63を用いて、マスキングし、次に、平均粒径0.7μmのランタンコバルトとイソプロピルアルコールとを混合して得られたスラリーを、マスキングした積層体に吹き付け、厚さ20μmの空気極成形体53cを成形した。その後、マスキングテープ63を除去し、その後1100℃で処理を行い、図2に示すような燃料電池セルを作製した。
Next, as shown in FIG. 8, an air electrode molded
なお、支持体11は断面が楕円であり、その長径は26mm、短径は3.5mm、燃料極13aの厚みは40μm、固体電解質13bの厚みは30μm、空気極13cの厚みは40μm、インターコネクタ14、セル接続材15の厚みは100μmであった。また、セルの長さは150mmであった。
The
燃料ガスとして、水素ガスを、得られた燃料電池セルの支持体11のガス流路12内に流し、空気極13c側に空気を流して、各組成の燃料電池セルをそれぞれ10本、850℃において、100時間発電させ、冷却した後、顕微鏡による視察と、ガスリーク試験を行った。
As a fuel gas, hydrogen gas is caused to flow in the
ガスリーク試験は、燃料電池セルのガス流路12の片側を封止し、他方の端部からガス流路12に1気圧のHeガスを導入し、燃料電池セルを水中に浸して行い、泡の発生の有無でガスリークの有無を判断した。
The gas leak test is performed by sealing one side of the
また、作製した燃料電池セルの支持体11から熱膨張係数測定用試験片を切り出し、25〜1000℃の熱膨張係数を測定した。
Moreover, the test piece for a thermal expansion coefficient measurement was cut out from the
表1に支持体11に用いた酸化イットリウム粉末、NiO粉末の含有量、支持体11の熱膨張係数、導通の有無、850×100時間発電試験後の燃料電池セルのクラック、ガスリークの有無を記載した。
本発明の試料No.1〜4ではいずれも固体電解質13bとの熱膨張差が、1×10−6未満となり、クラック、ガスリークともに皆無であり、燃料電池セルの信頼性が格段に向上している。
Sample No. of the present invention. In each of 1-4, the difference in thermal expansion from the
さらに本発明の範囲外の試料No.5では、支持体11に導電性が認められ、燃料電池セルとして機能しなかった。
Furthermore, sample no. In No. 5, the
11・・・多孔質支持体
12・・・燃料ガス流路
13・・・発電素子
13a・・・燃料極
13b・・・固体電解質
13c・・・空気極
14・・・インターコネクタ
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