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JP2008059793A - Horizontally-striped fuel cell and fuel cell - Google Patents

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JP2008059793A
JP2008059793A JP2006232384A JP2006232384A JP2008059793A JP 2008059793 A JP2008059793 A JP 2008059793A JP 2006232384 A JP2006232384 A JP 2006232384A JP 2006232384 A JP2006232384 A JP 2006232384A JP 2008059793 A JP2008059793 A JP 2008059793A
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fuel cell
cell
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fuel
solid electrolyte
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真 兒井
Yoshio Matsuzaki
良雄 松崎
Kenjiro Fujita
顕二郎 藤田
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Tokyo Gas Co Ltd
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Kyocera Corp
Tokyo Gas Co Ltd
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    • Y02E60/50Fuel cells

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Abstract

【課題】セル表面とセル裏面の電気的接続に外部端子を用いるのではなく、固体電解質と多孔質支持体との間に接続部材を形成することにより、外部との接触や断線の危険性を防止でき、信頼性の高い燃料電池セルおよび燃料電池を提供する。
【解決手段】多孔質支持体11の表面と裏面に発電素子13が形成された横縞型燃料電池セルにおいて、セル先端部における前記多孔質支持体11の対向する両表面の発電素子13同士が、前記多孔質支持体11の表面および/または内部に配設された対向面間接続部材30によって電気的に接続されている。
【選択図】図4
[PROBLEMS] To reduce the risk of external contact and disconnection by forming a connection member between a solid electrolyte and a porous support, rather than using an external terminal for electrical connection between the cell surface and the cell back surface. A fuel cell and a fuel cell that can be prevented and have high reliability are provided.
In a horizontally striped fuel cell in which power generation elements are formed on the front and back surfaces of a porous support, the power generation elements on both surfaces of the porous support facing each other at the cell tip are The porous support 11 is electrically connected by a connecting member 30 between the opposing surfaces disposed on the surface and / or inside thereof.
[Selection] Figure 4

Description

本発明は、横縞型燃料電池セルおよび燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a horizontal stripe fuel cell and a fuel cell.

近年、次世代エネルギーとして、燃料電池セルを複数接続してなるセルスタックを、収納容器に収容した燃料電池が種々提案されている。このような燃料電池セルとしては、固体高分子形燃料電池セル、リン酸形燃料電池セル、溶融炭酸塩形燃料電池セル、固体電解質形燃料電池セルなど、各種のものが知られている。とりわけ、固体電解質形燃料電池セルは発電効率が高く、また、作動温度が700℃〜1000℃と高いため、その排熱を利用できるなどの利点を有しており、研究開発が推し進められている。   In recent years, various types of fuel cells in which a cell stack formed by connecting a plurality of fuel cells is accommodated in a storage container have been proposed as next-generation energy. As such a fuel cell, various types such as a polymer electrolyte fuel cell, a phosphoric acid fuel cell, a molten carbonate fuel cell, and a solid electrolyte fuel cell are known. In particular, solid electrolyte fuel cells have advantages such as high power generation efficiency and high operating temperatures of 700 ° C. to 1000 ° C., so that the exhaust heat can be used, and research and development are being promoted. .

図11は、従来の固体電解質形燃料電池セルの一部を示す拡大縦断面図である。この固体電解質形燃料電池セルは、横縞型といって、多孔質絶縁体である円筒状の支持体(以下絶縁支持体という)11の表面に、燃料極3a、固体電解質3bおよび空気極3cが順次積層された多層構造の発電素子3を、図11に示す軸長方向に所定間隔をおいて複数形成することにより構成されている。互いに隣接する発電素子3は、それぞれ素子間接続部材(インターコネクタ)4により電気的に直列に接続されている。すなわち、一方の発電素子3の燃料極3aと他方の発電素子3の空気極3cとが、素子間接続部材4により接続されている。   FIG. 11 is an enlarged longitudinal sectional view showing a part of a conventional solid oxide fuel cell. This solid electrolyte fuel cell is called a horizontal stripe type, and a fuel electrode 3a, a solid electrolyte 3b and an air electrode 3c are formed on the surface of a cylindrical support 11 (hereinafter referred to as an insulating support) that is a porous insulator. A plurality of power generating elements 3 having a multilayer structure that are sequentially stacked are formed at predetermined intervals in the axial length direction shown in FIG. The power generating elements 3 adjacent to each other are electrically connected in series by inter-element connection members (interconnectors) 4 respectively. That is, the fuel electrode 3 a of one power generation element 3 and the air electrode 3 c of the other power generation element 3 are connected by the inter-element connection member 4.

また、絶縁支持体11の内部にはガス流路12が形成されている。
前記横縞型燃料電池セルにおいて、固体電解質3bの酸素イオン伝導性が600℃以上で高くなるため、このような温度で空気極3cに酸素を含むガスを流し、燃料極3aに水素を含むガスを流すことにより、空気極3cと燃料極3aとの酸素濃度差が高くなり、空気極3cと燃料極3aとの間で電位差が発生する。
A gas flow path 12 is formed inside the insulating support 11.
In the horizontally-striped fuel cell, the oxygen ion conductivity of the solid electrolyte 3b increases at 600 ° C. or higher. Therefore, a gas containing oxygen flows through the air electrode 3c at such a temperature, and a gas containing hydrogen flows through the fuel electrode 3a. By flowing, the oxygen concentration difference between the air electrode 3c and the fuel electrode 3a is increased, and a potential difference is generated between the air electrode 3c and the fuel electrode 3a.

この電位差により、酸素イオンは、空気極3cから固体電解質3bを通じて燃料極3aへ移動する。移動した酸素イオンが、燃料極3aで水素と結合して水となり、同時に燃料極3aで電子が発生する。
すなわち、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。
Due to this potential difference, oxygen ions move from the air electrode 3c to the fuel electrode 3a through the solid electrolyte 3b. The moved oxygen ions are combined with hydrogen at the fuel electrode 3a to become water, and at the same time, electrons are generated at the fuel electrode 3a.
That is, the electrode reaction of the following formula (1) occurs in the air electrode 3c, and the electrode reaction of the following formula (2) occurs in the fuel electrode 3a.

空気極3c: 1/2O2+2e- →O2- ・・(1)
燃料極3a: O2-+H2 → H2O+2e- ・・(2)
そして、燃料極3aと空気極3cとを電気的に接続することにより、燃料極3aから空気極3cへの電子の移動が起こり、両極間で起電力が生じる。
このように、固体電解質形燃料電池セルでは、酸素と水素を供給することにより、前記の反応を連続して起こし、起電力を生じさせて発電する(例えば、特許文献1参照)。
横縞型の燃料電池セルでは、以上の反応を起こす発電素子3が、絶縁支持体11表面に、軸長方向に複数形成され且つ直列に接続されているために、少ないセル数で高い電圧を得られるという利点がある。
Air electrode 3c: 1 / 2O 2 + 2e− → O 2 − (1)
Fuel electrode 3a: O 2 − + H 2 → H 2 O + 2e− (2)
Then, by electrically connecting the fuel electrode 3a and the air electrode 3c, electrons move from the fuel electrode 3a to the air electrode 3c, and an electromotive force is generated between both electrodes.
Thus, in the solid oxide fuel cell, by supplying oxygen and hydrogen, the above reaction is continuously caused to generate an electromotive force to generate electric power (see, for example, Patent Document 1).
In the horizontally striped fuel cell, a plurality of power generating elements 3 that cause the above reaction are formed on the surface of the insulating support 11 in the axial direction and connected in series, so that a high voltage can be obtained with a small number of cells. There is an advantage that

絶縁支持体の表面と裏面に発電素子3が形成された横縞型の中空平板状の固体電解質形燃料電池セルでは、絶縁支持体の表面と裏面との電気的な接続において、直列に接続する場合は、図10に示すように、絶縁支持体表面の先端の発電素子(図示せず)と、絶縁支持体裏面の先端の発電素子(図示せず)との接続には、セルの外部を周回する金属バンドを用いた方法が知られている(例えば、特許文献2参照)。なお、符号8は、隣設する燃料電池セルの発電素子を接続するセル間接続部材である。
特開平10−003932号公報 特開2006−019059号公報
In a horizontally striped hollow flat solid electrolyte fuel cell having a power generation element 3 formed on the front and back surfaces of the insulating support, the electrical connection between the front and back surfaces of the insulating support is performed in series. As shown in FIG. 10, the connection between the power generation element (not shown) at the front end of the insulating support and the power generation element (not shown) at the front end of the insulation support is performed around the outside of the cell. A method using a metal band is known (for example, see Patent Document 2). Reference numeral 8 denotes an inter-cell connecting member that connects power generating elements of adjacent fuel cells.
JP 10-003932 A JP 2006-019059 A

しかしながら、絶縁支持体の表裏面の発電素子間の電気的接続を金属バンドからなる外部端子により行った場合、この外部端子が固体電解質外部にあり、露出しているため、外部との接触や断線の危険性が高かった。外部との接触は漏電の危険があり、断線はバンドル全体の発電が不可能となる危険がある。
本発明の課題は、多孔質支持体の対向する両表面に発電素子が形成された横縞型の固体電解質形燃料電池セルにおいて、多孔質支持体の対向する両表面の発電素子同士の電気的接続に外部端子を用いるのではなく、固体電解質と多孔質支持体との間に対向面間接続部材を形成することにより、外部との接触や断線の危険性を防止でき、信頼性の高い横縞型燃料電池セルおよび燃料電池を提供することにある。
However, when the electrical connection between the power generating elements on the front and back surfaces of the insulating support is performed by an external terminal made of a metal band, this external terminal is outside the solid electrolyte and exposed, so contact with the outside or disconnection The risk was high. Contact with the outside has a risk of electric leakage, and disconnection has a risk that the entire bundle cannot be generated.
An object of the present invention is to provide an electrical connection between power generating elements on both surfaces of a porous support in a horizontally striped solid oxide fuel cell in which power generating elements are formed on both surfaces of the porous support. Rather than using external terminals, the formation of an inter-face connection member between the solid electrolyte and the porous support prevents the risk of contact with the outside and disconnection, and is a highly reliable horizontal stripe type It is in providing a fuel cell and a fuel cell.

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、セル先端部における支持体の対向する両表面の発電素子同士とを電気的に接続する対向面間接続部材を、多孔質支持体の表面および/または内部に配設することにより、外部との接触による漏電や断線の危険性を防止できることを見出して、本発明を完成させるに至った。   As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have made a porous inter-face connection member that electrically connects the power generating elements on both surfaces of the support facing each other at the cell tip. It has been found that the risk of leakage and disconnection due to contact with the outside can be prevented by disposing on the surface and / or inside of the support, and the present invention has been completed.

即ち、本発明における燃料電池セルおよび燃料電池は、以下の構成を有する。
(1)ガス流路を内部に備えた電気絶縁性の多孔質支持体の対向する両表面に、内側電極、固体電解質および外側電極が順次積層された多層構造を有する発電素子をそれぞれ複数備え、前記多孔質支持体の対向する両表面のそれぞれにおいて、一方の前記発電素子の内側電極と、該一方の発電素子に隣設する他方の前記発電素子の外側電極とが電気的に接続され、前記複数の発電素子が直列に接続されている横縞型燃料電池セルにおいて、セル先端部における前記多孔質支持体の対向する両表面の発電素子同士が、前記多孔質支持体の表面および/または内部に配設された対向面間接続部材によって電気的に接続されていることを特徴とする横縞型燃料電池セル。
(2)前記対向面間接続部材は前記多孔質支持体と前記固体電解質との間に全周に亘って配設されていることを特徴とする前記(1)記載の横縞型燃料電池セル。
(3)前記対向面間接続部材は一方の面からこれに対向する他方の面まで前記多孔質支持体を貫通して構成されていることを特徴とする前記(1)記載の横縞型燃料電池セル。
(4)前記対向面間接続部材は電極材料又は金属からなることを特徴とする前記(1)〜(3)のいずれかに記載の横縞型燃料電池セル。
(5)前記(1)〜(4)のいずれかに記載の横縞型燃料電池セルを、収納容器内に複数収納してなることを特徴とする燃料電池。
That is, the fuel cell and the fuel cell in the present invention have the following configurations.
(1) A plurality of power generating elements each having a multilayer structure in which an inner electrode, a solid electrolyte, and an outer electrode are sequentially laminated on both opposing surfaces of an electrically insulating porous support having a gas flow path therein; In each of the opposing surfaces of the porous support, an inner electrode of one of the power generating elements is electrically connected to an outer electrode of the other power generating element adjacent to the one power generating element, In the horizontally striped fuel cell in which a plurality of power generation elements are connected in series, the power generation elements on both surfaces of the porous support facing each other at the cell tip are on the surface and / or inside of the porous support. A horizontally-striped fuel cell, wherein the fuel cell is electrically connected by a connecting member between opposed surfaces.
(2) The horizontal stripe fuel cell according to (1), wherein the connecting member between the opposing surfaces is disposed over the entire circumference between the porous support and the solid electrolyte.
(3) The horizontal stripe fuel cell according to (1), wherein the connecting member between the opposing surfaces is configured to penetrate through the porous support member from one surface to the other surface facing the connecting member. cell.
(4) The horizontal stripe fuel cell according to any one of (1) to (3), wherein the facing-surface connecting member is made of an electrode material or a metal.
(5) A fuel cell comprising a plurality of horizontally-striped fuel cells according to any one of (1) to (4) stored in a storage container.

本発明の横縞型燃料電池セルは、(1)〜(3)によれば、セル先端部において多孔質支持体の対向する両表面の発電素子同士を電気的に接続する対向面間接続部材を固体電解質より内側に形成することにより、該対向面間接続部材は固体電解質によって保護され、外部との接触による漏電や断線の危険性を防止でき、信頼性の高い横縞型燃料電池セルを提供できる。
また、(4)によれば、前記対向面間接続部材に電極材料または金属を用いることにより、多孔質支持体の対向する両表面の発電素子間の接続抵抗が減少するため、横縞型燃料電池セルから発電電力を効率よく取り出すことができる。
本発明の燃料電池によれば、発電性能の向上した横縞型燃料電池セルを複数用いることにより、少数の横縞型燃料電池セルで高い発電量を得ることができる。
According to (1) to (3), the laterally striped fuel cell of the present invention is provided with an inter-face connection member that electrically connects the power generating elements on both surfaces of the porous support facing each other at the cell tip. By forming it inside the solid electrolyte, the connecting member between the opposing surfaces is protected by the solid electrolyte, and it is possible to prevent the risk of leakage and disconnection due to contact with the outside, and to provide a highly reliable horizontal stripe fuel cell. .
According to (4), since an electrode material or a metal is used for the connecting member between the opposing surfaces, the connection resistance between the power generating elements on both surfaces of the porous support is reduced. The generated power can be efficiently extracted from the cell.
According to the fuel cell of the present invention, by using a plurality of horizontal stripe fuel cells having improved power generation performance, a high power generation amount can be obtained with a small number of horizontal stripe fuel cells.

以下、本発明の横縞型燃料電池セルの一実施形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は、本発明の横縞型燃料電池セルの構造を示す一部破断の斜視図であり、図2はその先端部のセル表面図およびセル裏面図である。この燃料電池セル1は、中空平板状の電気絶縁性の多孔質支持体(以下、絶縁支持体11という)の対向する両面に、複数の発電素子13を絶縁支持体11の軸長方向に沿って複数個配置し、それらを素子間接続部材17を介して直列に接続した「横縞型」といわれるものである。発電素子13は、絶縁支持体11の対向する表面および裏面にそれぞれ複数形成されている。
Hereinafter, an embodiment of a horizontal stripe fuel cell according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a partially broken perspective view showing the structure of a horizontally striped fuel cell of the present invention, and FIG. 2 is a cell surface view and a cell back view of the tip portion thereof. This fuel cell 1 has a plurality of power generating elements 13 along the axial length direction of the insulating support 11 on both opposing surfaces of a hollow flat plate-like electrically insulating porous support (hereinafter referred to as an insulating support 11). A plurality of such elements are arranged, and these are connected in series via the inter-element connection member 17. A plurality of power generating elements 13 are respectively formed on the front and back surfaces of the insulating support 11 that face each other.

図3(a)は、図2のA−A線で切った断面図であり、対向面間接続部材30が絶縁支持体11と固体電解質13bの間を周回して、セル先端部におけるセル表面(絶縁支持体表面)1aの発電素子13と、セル裏面(絶縁支持体裏面)1bの発電素子13とを接続している状態を示している。この接続は、セル表面1aの電流の方向と、セル裏面1bの電流の方向とが反対となっている。すなわち、セル(絶縁支持体)の表裏面の発電素子13間が直列的に接続されている。図3(b)は、図2のB−B線で切った、セル先端部の発電素子13のある位置での断面図である。   3A is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 2, and the inter-facing surface connection member 30 circulates between the insulating support 11 and the solid electrolyte 13b, and the cell surface at the cell tip portion. (Insulation support surface) The power generation element 13 of 1a and the power generation element 13 of the cell back surface (insulation support back surface) 1b are shown connected. In this connection, the direction of current on the cell surface 1a is opposite to the direction of current on the cell back surface 1b. That is, the power generating elements 13 on the front and back surfaces of the cell (insulating support) are connected in series. FIG. 3B is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG.

図4は、図3(a)のC−C線で切った断面図であり、発電素子13が形成された部分を示すセルの縦断面図である。燃料電池セル1は、絶縁支持体11の表裏面に、その軸長方向に所定間隔をおいて、複数の発電素子13をそれぞれ配列することにより構成されている。それぞれの発電素子13は、集電燃料極層23、活性燃料極層13a、固体電解質13bおよび空気極層13cを順次積層した層構造となっている。   FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line C-C in FIG. 3A, and is a vertical cross-sectional view of a cell showing a portion where the power generating element 13 is formed. The fuel cell 1 is configured by arranging a plurality of power generating elements 13 on the front and back surfaces of the insulating support 11 at predetermined intervals in the axial length direction. Each power generating element 13 has a layer structure in which a current collecting fuel electrode layer 23, an active fuel electrode layer 13a, a solid electrolyte 13b, and an air electrode layer 13c are sequentially stacked.

絶縁支持体11の表裏面における互いに隣接する発電素子13同士は、第1集電層17aおよび第2集電層17bからなる素子間接続部材17により直列に接続されている。すなわち、一方の発電素子13の活性燃料極層13aの上に第1集電層17aが形成され、この第1集電層17aは、軸長方向両端部を含めその周囲が固体電解質13bによりガスシール状態で被覆され、固体電解質13bから帯状に露出している。この第1集電層17aの露出した部分が第2集電層17bにより被覆され、この第2集電層17bが、他方の発電素子13の空気極層13c上に形成され、これにより、発電素子13同士が直列に電気的に接続された構造となっている。   The power generating elements 13 adjacent to each other on the front and back surfaces of the insulating support 11 are connected in series by an inter-element connection member 17 including a first current collecting layer 17a and a second current collecting layer 17b. That is, the first current collecting layer 17a is formed on the active fuel electrode layer 13a of the one power generating element 13, and the first current collecting layer 17a includes the both ends in the axial length direction and is surrounded by the solid electrolyte 13b. It is covered in a sealed state and exposed in a strip shape from the solid electrolyte 13b. The exposed portion of the first current collecting layer 17a is covered with the second current collecting layer 17b, and this second current collecting layer 17b is formed on the air electrode layer 13c of the other power generating element 13, thereby generating power. The elements 13 are electrically connected in series.

絶縁支持体11は多孔質であり、さらにその内部には、内径の小さな複数の燃料ガス流路12が、隔壁51(図1参照)で隔てられて軸長方向に延びるようにして貫通して設けられている。前記ガス流路12の数は、発電性能および構造強度の点から、例えば2〜14個が好ましく、6〜10個であるのがより好ましい。このように、絶縁支持体11の内部にガス流路12を複数形成することにより、絶縁支持体11の内部に大きなガス流路を1本形成する場合に比べて、絶縁支持体11を扁平板状とすることができ、燃料電池セル1の体積当たりの発電素子13の面積を増加し発電量を大きくすることができる。よって、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る。また、セル間の接続箇所数を減少させることもできる。   The insulating support 11 is porous, and a plurality of fuel gas passages 12 with small inner diameters are separated by partition walls 51 (see FIG. 1) and extend in the axial length direction. Is provided. The number of the gas flow paths 12 is preferably 2 to 14, for example, and more preferably 6 to 10 in terms of power generation performance and structural strength. In this way, by forming a plurality of gas flow paths 12 inside the insulating support 11, the insulating support 11 is flattened compared to the case where one large gas flow path is formed inside the insulating support 11. It is possible to increase the power generation amount by increasing the area of the power generation element 13 per volume of the fuel cell 1. Therefore, the number of cells for obtaining the required power generation amount can be reduced. In addition, the number of connection points between cells can be reduced.

このガス流路12内に燃料ガス(水素ガス)を流し、かつ空気極層13cを空気等の酸素含有ガスに曝すことにより、活性燃料極層13aおよび空気極層13c間で前述した式(1)、(2)に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。   By flowing a fuel gas (hydrogen gas) through the gas flow path 12 and exposing the air electrode layer 13c to an oxygen-containing gas such as air, the above-described equation (1) is obtained between the active fuel electrode layer 13a and the air electrode layer 13c. ), Electrode reaction shown in (2) occurs, a potential difference is generated between the two electrodes, and power is generated.

上記した本実施形態の特徴は、図3、4に示したように、セル先端部においてセル表面1aとセル裏面1bに形成された発電素子13同士を電気的に接続するにあたって、絶縁支持体11の表面を周回するように形成された対向面間接続部材30で連結されていることである。対向面間接続部材30は、絶縁支持体11の一方側の面(例えば、セル表面1a)に形成された活性燃料極層13a、集電燃料極層23を、セル先端E側へ延設し、この延設された部分を、絶縁支持体11の他方側の面まで延設形成し、絶縁支持体11の外面を取り囲むように形成されている。なお、活性燃料極層13a、集電燃料極層23をセル先端E側へ延設することなく、活性燃料極層13a、集電燃料極層23の側面から、絶縁支持体11の側面を介して、絶縁支持体11の他方側の面まで形成して対向面間接続部材30を形成しても良い。このとき、反対側(例えばセル裏面1b)にのびた対向面間接続部材30上には素子間接続部材17の第1集電層17aを配置する。そして該第1集電層17aとその同じ面にあるセルの先端部の空気極13cとを素子間接続部材17の第2集電層17bにより電気的に接続する。ただし、このとき前記反対側(例えばセル裏面1b)セルの先端部の燃料極層13a、23と対向面間接続部材30との間は電解質材料により絶縁を確保する。また、第1集電層17aの周囲にも電解質材料が充填され、ガスシール状態とされている(図4参照)。
これにより、対向面間接続部材30は電解質材料(電解質)によって保護され、外部との接触による漏電や断線の危険性を防止することができる。
As shown in FIGS. 3 and 4, the above-described feature of the present embodiment is that when the power generating elements 13 formed on the cell surface 1 a and the cell back surface 1 b are electrically connected to each other at the cell tip, the insulating support 11 It is connected with the connection member 30 between opposing surfaces formed so that it may circulate around the surface of this. The facing inter-surface connection member 30 extends an active fuel electrode layer 13a and a current collecting fuel electrode layer 23 formed on one surface (for example, the cell surface 1a) of the insulating support 11 to the cell tip E side. The extended portion is formed so as to extend to the other surface of the insulating support 11 and surround the outer surface of the insulating support 11. The active fuel electrode layer 13a and the collector fuel electrode layer 23 are not extended to the cell tip E side, but from the side surfaces of the active fuel electrode layer 13a and the collector fuel electrode layer 23 through the side surface of the insulating support 11. Thus, the opposing surface connecting member 30 may be formed by forming the insulating support 11 up to the other surface. At this time, the first current collecting layer 17a of the inter-element connection member 17 is disposed on the opposing inter-surface connection member 30 extending on the opposite side (for example, the cell back surface 1b). The first current collecting layer 17 a and the air electrode 13 c at the tip of the cell on the same surface are electrically connected by the second current collecting layer 17 b of the inter-element connection member 17. However, at this time, insulation is ensured by the electrolyte material between the fuel electrode layers 13a, 23 at the tip of the opposite side (for example, the cell back surface 1b) and the inter-facing surface connecting member 30. Moreover, the electrolyte material is also filled around the first current collecting layer 17a to form a gas sealed state (see FIG. 4).
Thereby, the connection member 30 between opposing surfaces is protected by electrolyte material (electrolyte), and can prevent the danger of the electric leakage by the contact with the exterior, or a disconnection.

前記燃料電池セル1が複数集合して、図5に示すようなセルスタックを組み立てる。このセルスタックの両端に、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(図示せず)を取り付けて、収納容器内に収容して、燃料電池を作製することができる。この収納容器に空気等の酸素含有ガスを導入し、水素等の燃料ガスを導入管を通して燃料ガスマニホールド50に導入する。燃料ガスを燃料ガスマニホールド50を通して燃料電池セル1のガス流路12内部に導入し、上方に導入し、燃料電池セル1の先端Eから残余の燃料ガスが放出される。そして、燃料電池セル1を所定温度に加熱すれば、燃料電池セル1によって発電することができる。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。   A plurality of the fuel cells 1 are assembled to assemble a cell stack as shown in FIG. A conductive member (not shown) for taking out the electric power generated in the cell stack to the outside of the fuel cell is attached to both ends of the cell stack, and accommodated in a storage container to produce a fuel cell. An oxygen-containing gas such as air is introduced into the storage container, and a fuel gas such as hydrogen is introduced into the fuel gas manifold 50 through an introduction pipe. The fuel gas is introduced into the gas flow path 12 of the fuel cell 1 through the fuel gas manifold 50 and introduced upward, and the remaining fuel gas is discharged from the tip E of the fuel cell 1. If the fuel cell 1 is heated to a predetermined temperature, the fuel cell 1 can generate electric power. The used fuel gas and oxygen-containing gas are discharged out of the storage container.

図5に示すように、燃料電池セル1同士は、下端部に配置されたセル間接続部材19を介して互いに電気的に接続されている。
すなわち、セルスタックの下端部において、一方の燃料電池セル1の下端部に素子間接続部材17が設けられ、該一方の燃料電池セルの活性燃料極層13aと導通している。この素子間接続部材17は、セル間接続部材19を介して、他方の燃料電池セル1の空気極層13cと導通している。
このように、セルスタックは、前記した燃料電池セル1同士が、セル間接続部材19を介して互いに電気的に接続されているため、燃料電池セル1を密に配置することができ、発電量当たりのセルスタックの体積を小さくすることができる。そのため、小型で、熱効率の高いセルスタックを提供することができる。尚、本発明において、セル先端部とは、マニホールド50に接続される側と反対側の燃料電池セル1の端部をいい、言い換えれば、燃料ガスの下流側(放出側)の燃料電池セル1の端部をいう。
As shown in FIG. 5, the fuel cells 1 are electrically connected to each other via an inter-cell connection member 19 disposed at the lower end.
That is, at the lower end portion of the cell stack, the inter-element connection member 17 is provided at the lower end portion of one fuel cell 1 and is electrically connected to the active fuel electrode layer 13a of the one fuel cell. The inter-element connection member 17 is electrically connected to the air electrode layer 13 c of the other fuel cell 1 via the inter-cell connection member 19.
Thus, since the above-mentioned fuel battery cells 1 are electrically connected to each other via the inter-cell connecting member 19, the cell stack can arrange the fuel battery cells 1 densely, and the power generation amount The volume of the hit cell stack can be reduced. Therefore, a small and highly efficient cell stack can be provided. In the present invention, the cell tip refers to the end of the fuel cell 1 on the side opposite to the side connected to the manifold 50, in other words, the fuel cell 1 on the downstream side (discharge side) of the fuel gas. The end of

以下、燃料電池セル1を構成する各部材の材質を詳しく説明する。
(絶縁支持体)
本発明に係る絶縁支持体11は、Ni若しくはNi酸化物(NiO)と、希土類元素酸化物とからなっている。なお、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、好ましくは、Y23やYb23、特にY23である。
Hereinafter, the material of each member constituting the fuel cell 1 will be described in detail.
(Insulating support)
The insulating support 11 according to the present invention is made of Ni or Ni oxide (NiO) and a rare earth element oxide. Examples of rare earth elements constituting rare earth element oxides include Y, La, Yb, Tm, Er, Ho, Dy, Gd, Sm, and Pr. Preferably, Y 2 O 3 or Yb 2 O 3 , especially Y 2 O 3 .

前記Niあるいは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、NiO換算で10〜25体積%、特に15〜20体積%の範囲で絶縁支持体11中に含有されているのがよい。
この絶縁支持体11の熱膨張係数は、通常、10.5〜12.5×10-6(1/K)程度である。
The Ni or NiO (NiO is usually reduced by hydrogen gas and present as Ni during power generation) is 10 to 25% by volume in terms of NiO, particularly 15 to 20% by volume in the insulating support 11. It should be contained.
The thermal expansion coefficient of the insulating support 11 is usually about 10.5 to 12.5 × 10 −6 (1 / K).

絶縁支持体11は、発電素子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以上の抵抗率を有することが望ましい。Ni等の含量が前記範囲を超えると、電気抵抗値が低下し易い。また、Ni等の含量が前記範囲よりも少ないと、希土類元素酸化物(例えばY23)を単独で用いた場合と変わらなくなってしまい、発電素子13との熱膨張係数の調整が困難となる傾向がある。 The insulating support 11 needs to be electrically insulating in order to prevent an electrical short circuit between the power generating elements 13, and it is generally desirable that the insulating support 11 has a resistivity of 10 Ω · cm or more. When the content of Ni or the like exceeds the above range, the electric resistance value tends to decrease. Further, when the content of Ni or the like is less than the above range, it is not different from the case where a rare earth element oxide (for example, Y 2 O 3 ) is used alone, and it is difficult to adjust the thermal expansion coefficient with the power generation element 13. Tend to be.

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。しかし、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、若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。
なお、前記絶縁支持体11は、燃料ガス流路12内の燃料ガスを活性燃料極層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る。一般に、その開気孔率は25%以上、特に30〜40%の範囲にあるのがよい。
Further, the remaining amount other than Ni or the like is usually at least one kind of rare earth element oxide. However, other oxides such as MgO and SiO 2 or composite oxides such as calcium zirconate may be contained in a small amount, for example, in the range of 5% by mass or less.
The insulating support 11 must be able to introduce the fuel gas in the fuel gas flow path 12 up to the surface of the active fuel electrode layer 13a, and therefore needs to be porous. In general, the open porosity should be 25% or more, especially in the range of 30-40%.

(燃料極層)
燃料極層は、前記式(2)の電極反応を生じさせるものであり、本実施形態においては、固体電解質13b側の活性燃料極層13aと、絶縁支持体11側の集電燃料極層23との二層構造に形成されている。
前記固体電解質13b側の活性燃料極層13aは、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および/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に使用されているものと同様のものを用いるのがよい。
(Fuel electrode layer)
The fuel electrode layer causes the electrode reaction of the above formula (2). In the present embodiment, the active fuel electrode layer 13a on the solid electrolyte 13b side and the current collecting fuel electrode layer 23 on the insulating support 11 side. And a two-layer structure.
The active fuel electrode layer 13a on the solid electrolyte 13b side is formed of a known porous conductive ceramic. For example, it is composed of ZrO 2 (stabilized zirconia) in which a rare earth element is dissolved, and Ni and / or NiO (hereinafter referred to as Ni or the like). As the stabilized zirconia in which the rare earth element is dissolved, the same one used for the solid electrolyte 13b described later is preferably used.

活性燃料極層13a中の安定化ジルコニア含量は、35〜65体積%の範囲にあることが好ましく、またNi等の含量は、良好な集電性能を発揮させるため、NiO換算で65〜35体積%の範囲にあるのがよい。
さらに活性燃料極層13aの開気孔率は、15%以上、特に20〜40%の範囲にあるのがよい。
The stabilized zirconia content in the active fuel electrode layer 13a is preferably in the range of 35 to 65% by volume, and the content of Ni or the like is 65 to 35% in terms of NiO in order to exhibit good current collecting performance. % Should be in the range.
Further, the open porosity of the active fuel electrode layer 13a is preferably 15% or more, particularly preferably in the range of 20 to 40%.

前記活性燃料極層13aの熱膨張係数は、通常、12.3×10-6(1/K)程度である。
また、固体電解質13bとの熱膨張差に起因して発生する熱応力を吸収し、活性燃料極層13aの割れや剥離などを防止するという点から、活性燃料極層13aの厚みは、5〜15μmの範囲にあることが望ましい。
燃料極層のうち、前記絶縁支持体11側の集電燃料極層23は、絶縁支持体11と同様、Ni若しくはNi酸化物と、希土類元素酸化物との混合体である。
The thermal expansion coefficient of the active fuel electrode layer 13a is usually about 12.3 × 10 −6 (1 / K).
The active fuel electrode layer 13a has a thickness of 5 to 5 because it absorbs thermal stress generated due to the difference in thermal expansion from the solid electrolyte 13b and prevents cracking or peeling of the active fuel electrode layer 13a. It is desirable to be in the range of 15 μm.
In the fuel electrode layer, the current collecting fuel electrode layer 23 on the insulating support 11 side is a mixture of Ni or Ni oxide and rare earth element oxide, like the insulating support 11.

前記Ni或いはNi酸化物(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、NiO換算で30〜60体積%の範囲で希土類元素酸化物中に含有されているのがよい。この範囲で調整することにより、絶縁支持体11と集電燃料極層23との熱膨張差を2×10-5(1/K)以下とすることができる。
集電燃料極層23は、電流の流れを損なわないように、導電性であることが必要であり、通常、400S/cm以上の導電率を有していることが望ましい。良好な電気伝導度を有するという点から、Ni等の含量は30体積%以上が望ましい。
The Ni or Ni oxide (NiO is usually reduced by hydrogen gas and present as Ni during power generation) is contained in the rare earth element oxide in a range of 30 to 60% by volume in terms of NiO. Is good. By adjusting within this range, the difference in thermal expansion between the insulating support 11 and the current collecting fuel electrode layer 23 can be made 2 × 10 −5 (1 / K) or less.
The current collecting fuel electrode layer 23 needs to be conductive so as not to impair the flow of current, and it is generally desirable that the current collecting fuel electrode layer 23 have a conductivity of 400 S / cm or more. From the viewpoint of having good electrical conductivity, the content of Ni or the like is desirably 30% by volume or more.

この集電燃料極層23の熱膨張係数は、通常、11.5×10-6(1/K)程度である。
また、この集電燃料極層23の厚みは、電気伝導度を向上するという点から、80μm以上であることが望ましい。
以上のように、燃料極を固体電解質13b側の活性燃料極層13aと、絶縁支持体11側の集電燃料極層23と二層に形成した構造であれば、絶縁支持体11側の集電燃料極層23のNiO換算でのNi量或いはNiO量を30〜60体積%の範囲内で調整することにより、発電素子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の熱膨張係数に近づけることができ、例えば両者の熱膨張差を、2×10-6(1/K)未満とすることができる。したがって、燃料電池セル1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、燃料極の割れや剥離などを抑制することができる。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、絶縁支持体11との熱膨張係数の整合性は安定に維持され、熱膨張差による割れを有効に回避することができる。
The thermal expansion coefficient of the current collecting fuel electrode layer 23 is usually about 11.5 × 10 −6 (1 / K).
In addition, the thickness of the current collecting fuel electrode layer 23 is desirably 80 μm or more from the viewpoint of improving electric conductivity.
As described above, if the fuel electrode is formed in two layers, the active fuel electrode layer 13a on the solid electrolyte 13b side and the current collecting fuel electrode layer 23 on the insulating support member 11 side, the collector electrode on the insulating support member 11 side is used. By adjusting the Ni amount or NiO amount in terms of NiO of the electrofuel electrode layer 23 within the range of 30 to 60% by volume, the thermal expansion coefficient thereof will be described later without impairing the bondability with the power generating element 13. The thermal expansion coefficient of the solid electrolyte 13b can be approached, and for example, the difference in thermal expansion between the two can be less than 2 × 10 −6 (1 / K). Therefore, since the thermal stress generated due to the difference in thermal expansion between the two during the production, heating, and cooling of the fuel battery cell 1 can be reduced, cracking and peeling of the fuel electrode can be suppressed. . Therefore, even when fuel gas (hydrogen gas) is flowed to generate power, the consistency of the thermal expansion coefficient with the insulating support 11 is stably maintained, and cracks due to thermal expansion differences can be effectively avoided. .

(固体電解質)
固体電解質13bは、希土類またはその酸化物を固溶させたZrO2からなる安定化ZrO2からなる緻密質なセラミックスで構成されている。
ここで、固溶させる希土類元素またはその酸化物としては、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luなど、または、これらの酸化物などが挙げられ、好ましくは、Y、Yb、または、これらの酸化物が挙げられる。また、固体電解質13bは、8モル%のYが固溶している安定化ZrO2(8mol% Yttoria Stabilized Zirconia、以下、「8YSZ」という。)と熱膨張係数がほぼ等しいランタンガレート系(LaGaO3系)固体電解質を挙げることもできる。 また、固体電解質13bは、例えば、厚さが10〜100μmであり、例えば、相対密度(アルキメデス法による)が93%以上、好ましくは、95%以上の範囲に設定される。
このような固体電解質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、燃料ガスまたは酸素含有ガスのリーク(ガス透過)を防止するためにガス遮断性を有している。
(Solid electrolyte)
The solid electrolyte 13b is composed of a dense ceramic made of stabilized ZrO 2 composed of ZrO 2 which was a solid solution of rare earth or an oxide thereof.
Here, as rare earth elements to be dissolved or oxides thereof, Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, etc. Or these oxides etc. are mentioned, Preferably, Y, Yb, or these oxides are mentioned. The solid electrolyte 13b is a lanthanum gallate system (LaGaO 3 ) having a thermal expansion coefficient substantially equal to that of stabilized ZrO 2 (8 mol% Yttoria Stabilized Zirconia, hereinafter referred to as “8YSZ”) in which 8 mol% of Y is dissolved. System) solid electrolytes. The solid electrolyte 13b has a thickness of 10 to 100 μm, for example, and has a relative density (according to Archimedes method) of 93% or more, preferably 95% or more.
Such a solid electrolyte 13b has a function as an electrolyte for bridging electrons between electrodes, and at the same time has a gas barrier property to prevent leakage of fuel gas or oxygen-containing gas (gas permeation). .

(空気極層)
空気極層13cは、導電性セラミックスから形成されている。導電性セラミックスとしては、例えば、ABO3型のペロブスカイト型酸化物が挙げられ、このようなペロブスカイト型酸化物としては、例えば、遷移金属型ペロブスカイト酸化物、好ましくは、LaMnO3系酸化物、LaFeO3系酸化物、LaCoO3系酸化物など、特にAサイトにLaを有する遷移金属型ペロブスカイト酸化物を挙げることができる。さらに好ましくは、600〜1000℃程度の比較的低温での電気伝導性が高いという観点から、LaCoO3系酸化物が挙げられる。
また、前記したペロブスカイト型酸化物において、AサイトにLaおよびSrが共存してもよく、また、BサイトにFe、CoおよびMnが共存してもよい。
このような空気極層13cは、前記した式(1)の電極反応を生ずることができる。
また、空気極層13cは、その開気孔率が、例えば、20%以上、好ましくは、30〜50%の範囲に設定される。開気孔率が前記した範囲内にあれば、空気極層13cが良好なガス透過性を有することができる。
また、空気極層13cは、その厚さが、例えば、30〜100μmの範囲に設定される。前記した範囲内にあれば、空気極層13cが良好な集電性を有することができる。
(Air electrode layer)
The air electrode layer 13c is made of conductive ceramics. Examples of conductive ceramics include ABO 3 type perovskite oxides. Examples of such perovskite oxides include transition metal type perovskite oxides, preferably LaMnO 3 oxides, LaFeO 3 oxides. Examples thereof include transition metal type perovskite oxides having La at the A site, such as oxides based on oxides and LaCoO 3 oxides. More preferably, from the viewpoint of high electrical conductivity at a relatively low temperature of about 600 to 1000 ° C., a LaCoO 3 oxide is used.
In the perovskite oxide described above, La and Sr may coexist at the A site, and Fe, Co, and Mn may coexist at the B site.
Such an air electrode layer 13c can cause the electrode reaction of the above-described formula (1).
Further, the air electrode layer 13c has an open porosity of, for example, 20% or more, and preferably 30 to 50%. If the open porosity is within the above-described range, the air electrode layer 13c can have good gas permeability.
Moreover, the thickness of the air electrode layer 13c is set in a range of 30 to 100 μm, for example. If it exists in an above-described range, the air electrode layer 13c can have favorable current collection property.

(素子間接続部材)
隣接する発電素子13同士を直列に接続するために使用される素子間接続部材17(第1集電層17aおよび第2集電層17b)は、一方の発電素子13の活性燃料極層13aと他方の発電素子13の空気極層13cとを接続するものであり、これらは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、素子間接続部材17として、導電性セラミックス、金属、ガラスの入った金属ガラスを用いることができ、導電性セラミックスとしては、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、絶縁支持体11内のガス流路12を通る燃料ガスと空気極層13cの外部を通る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。なお、第1集電層17a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Y23)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。
第1集電層17aとしては、金属層と、ガラスの入った金属ガラス層との二層構造としてもよい。金属層は、例えば、AgとNiの合金からなり、金属ガラス層は、Agとガラスからなる。前記金属ガラス層により、絶縁支持体11内のガス流路12を通る燃料ガスの第2集電層17bへのリーク、および空気極層13cの外部を通る酸素含有ガスの前記金属層へのリークを有効に防止することができる。また、第2集電層17bとしては、例えばAg−Pdから構成された多孔質層を使用することができる。
素子間接続部材17は、一方の発電素子13の燃料極層13aと隣接する他方の発電素子13の空気極層13cとを電気的に接続するものであり、第1集電層17aと第2集電層17bとから構成され、これらは電気的に接続されている。
(Element connection member)
An inter-element connection member 17 (first current collecting layer 17a and second current collecting layer 17b) used for connecting adjacent power generating elements 13 in series is connected to the active fuel electrode layer 13a of one power generating element 13 and The other electrode element 13c is connected to the air electrode layer 13c of the other power generation element 13, and these are formed of conductive ceramics. However, since they are in contact with an oxygen-containing gas such as fuel gas (hydrogen gas) and air, they are resistant to reduction. It is necessary to have oxidation resistance.
For this reason, conductive ceramics, metal, and metal glass containing glass can be used as the inter-element connection member 17, and the lanthanum chromite perovskite oxide (LaCrO 3 oxide) is used as the conductive ceramic. used. In order to prevent leakage of fuel gas passing through the gas flow path 12 in the insulating support 11 and oxygen-containing gas such as air passing outside the air electrode layer 13c, such conductive ceramics must be dense. For example, it is preferable to have a relative density (Archimedes method) of 93% or more, particularly 95% or more. In addition, a sealing property can also be improved by interposing an appropriate bonding layer (for example, Y 2 O 3 ) between the end face of the first current collecting layer 17a and the end face of the solid electrolyte 13b.
The first current collecting layer 17a may have a two-layer structure of a metal layer and a metal glass layer containing glass. The metal layer is made of, for example, an alloy of Ag and Ni, and the metal glass layer is made of Ag and glass. Due to the metal glass layer, the fuel gas passing through the gas flow path 12 in the insulating support 11 leaks to the second current collecting layer 17b, and the oxygen-containing gas passes outside the air electrode layer 13c to the metal layer. Can be effectively prevented. Moreover, as the 2nd current collection layer 17b, the porous layer comprised, for example from Ag-Pd can be used.
The inter-element connection member 17 electrically connects the fuel electrode layer 13a of one power generation element 13 and the air electrode layer 13c of the other power generation element 13 adjacent to each other. It is comprised from the current collection layer 17b, and these are electrically connected.

なお、上述した例においては、絶縁支持体11上に形成される発電素子13は、内側電極が活性燃料極層13aであり、外側電極が空気極層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。すなわち、絶縁支持体11上に、空気極層13c、固体電解質13b、活性燃料極層13aをこの順に積層して発電素子13を形成することもできる。この場合、絶縁支持体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活性燃料極層13aの外面に供給されることとなる。   In the above-described example, the power generating element 13 formed on the insulating support 11 has a layer structure in which the inner electrode is the active fuel electrode layer 13a and the outer electrode is the air electrode layer 13c. However, it is of course possible to reverse the positional relationship between the two electrodes. That is, the power generation element 13 can be formed by laminating the air electrode layer 13c, the solid electrolyte 13b, and the active fuel electrode layer 13a in this order on the insulating support 11. In this case, an oxygen-containing gas such as air is introduced into the gas flow path 12 of the insulating support 11, and the fuel gas is supplied to the outer surface of the active fuel electrode layer 13a that is the outer electrode.

(対向面間接続部材)
対向面間接続部材30は、前記した電極を電気的に接続するものであれば特に制限されず、例えば、燃料極層(活性燃料極層13aおよび/または集電燃料極層23)と同様の材料を用いることができる。好ましくは集電燃料極23として用いるNi−Y23層を用いるのがよい。また、厚みは50〜200μmであることが望ましい。50μm以上とすることにより、抵抗を小さくすることができる。
また、対向面間接続部材30は、Pt、Ag、Ni基合金、Fe−Cr鋼合金の少なくとも一種以上からなる金属を用いることができる。
対向面間接続部材30に電極材料または金属を用いることにより、燃料電池セル1の表裏面間の接続抵抗が減少するため、燃料電池から発電電力を効率よく取り出すことができる。
なお、上記形態では、対向面間接続部材30を活性燃料極層13a、集電燃料極層23を延設して2層で形成した場合について説明したが、本発明は、例えば、活性燃料極層13a、集電燃料極層23を延設することなく、1層で対向面間接続部材を形成しても良い。この場合、対向面間接続部材の厚みは、活性燃料極層13a、集電燃料極層23の合計厚みとすることが望ましい。また、活性燃料極層13a、集電燃料極層23とは異なる材料で対向面間接続部材を形成することができる。
(Connecting member between opposing surfaces)
The inter-facing surface connection member 30 is not particularly limited as long as it electrically connects the electrodes described above, and is, for example, the same as the fuel electrode layer (the active fuel electrode layer 13a and / or the current collecting fuel electrode layer 23). Materials can be used. Preferably, a Ni—Y 2 O 3 layer used as the current collecting fuel electrode 23 is used. Further, the thickness is desirably 50 to 200 μm. By setting the thickness to 50 μm or more, the resistance can be reduced.
Moreover, the opposing surface connection member 30 can use the metal which consists of at least 1 type or more of Pt, Ag, Ni base alloy, and a Fe-Cr steel alloy.
By using an electrode material or a metal for the connecting member 30 between the opposing surfaces, the connection resistance between the front and back surfaces of the fuel cell 1 is reduced, so that the generated power can be efficiently taken out from the fuel cell.
In the above embodiment, the case where the facing inter-surface connection member 30 is formed of two layers by extending the active fuel electrode layer 13a and the current collecting fuel electrode layer 23 has been described. Instead of extending the layer 13a and the current collecting fuel electrode layer 23, the inter-facing surface connecting member may be formed as a single layer. In this case, the thickness of the connecting member between the opposing surfaces is preferably the total thickness of the active fuel electrode layer 13a and the current collecting fuel electrode layer 23. Further, the facing inter-surface connection member can be formed of a material different from that of the active fuel electrode layer 13a and the current collecting fuel electrode layer 23.

(セル間接続部材)
セル間接続部材19は、他方の燃料電池セル1の空気極層13cと導通し、前記した一方の素子間接続部材17と前記他方の燃料電池セル1の空気極層13cとを電気的に接続するものであれば特に制限されず、例えば、耐熱性金属、導電性セラミックスなどから形成される。
また、セル間接続部材19と、素子間接続部材17および空気極層13cとの接続部に、AgやPtなどの貴金属を含有するペーストなどの導電性接着剤を塗布することにより、セル間接続部材19の接続信頼性を向上させることもできる。
(Cell connecting member)
The inter-cell connection member 19 is electrically connected to the air electrode layer 13c of the other fuel battery cell 1, and electrically connects the one inter-element connection member 17 and the air electrode layer 13c of the other fuel battery cell 1 described above. If it does, it will not restrict | limit in particular, For example, it forms from a heat resistant metal, conductive ceramics, etc.
Further, by applying a conductive adhesive such as a paste containing a noble metal such as Ag or Pt to the connection portion between the inter-cell connection member 19, the inter-element connection member 17 and the air electrode layer 13c, the inter-cell connection The connection reliability of the member 19 can also be improved.

(製造方法)
次に、前記した横縞型燃料電池セルの製造方法について、図6および図7を参照して、説明する。
(Production method)
Next, a method for manufacturing the horizontal stripe fuel cell described above will be described with reference to FIGS.

まず、絶縁支持体成形体11を作製する。絶縁支持体成形体11の材料として、体積基準での平均粒径(D50)(以下、単に「平均粒径」という。)が0.1〜10.0μmのMgO粉末に、必要により熱膨張係数調整用または接合強度向上用として、Ni粉末、NiO粉末、Y23粉末、または、希土類元素安定化ジルコニア粉末(YSZ)などを所定の比率で配合して混合し、混合後の熱膨張係数が固体電解質13bのそれとほぼ一致するように調整する。この混合粉末を、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混合し、押し出し成形して、図6に示すように、内部にガス流路12を有する中空の板状形状で、扁平状の絶縁支持体成形体11を作製し、これを乾燥後、900℃〜1100℃にて仮焼処理する。 First, the insulating support body molded body 11 is produced. As a material of the insulating support molded body 11, an MgO powder having an average particle size (D 50 ) (hereinafter simply referred to as “average particle size”) on a volume basis is 0.1 to 10.0 μm, and if necessary, thermal expansion is performed. Ni powder, NiO powder, Y 2 O 3 powder, rare earth element stabilized zirconia powder (YSZ), etc. are mixed at a predetermined ratio and mixed for coefficient adjustment or bonding strength improvement, and thermal expansion after mixing The coefficient is adjusted so as to substantially match that of the solid electrolyte 13b. This mixed powder is mixed with a solvent composed of a pore agent, a cellulosic organic binder, and water, extruded, and formed into a hollow plate shape having a gas flow path 12 inside as shown in FIG. Then, a flat insulating support molded body 11 is prepared, dried, and calcined at 900 ° C. to 1100 ° C.

次いで、燃料極層、固体電解質を作製する。まず、例えば、NiO粉末、Ni粉末と、YSZ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とを混合してスラリーとし、ドクターブレード法にてスラリーを塗布して乾燥し、厚さ50〜60μmの活性燃料極層テープ13aを作製する(図7(a))。
次に、活性燃料極層テープ13aと同様にして、例えば、NiO粉末、Ni粉末と、Y23などの希土類元素酸化物とを混合し、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とを混合してスラリーとし、ドクターブレード法にてスラリーを塗布して乾燥し、厚さ50〜60μmの集電燃料極層テープ23を作製する。この集電燃料極層テープ23に前記活性燃料極層テープ13aを貼り付ける(図7(b))。当該貼り合わせたテープを発電素子13の形状にあわせて切断し、絶縁部を形成する部分を打ち抜く(図7(c))。
Next, a fuel electrode layer and a solid electrolyte are produced. First, for example, NiO powder, Ni powder, and YSZ powder are mixed, a pore agent is added thereto, an acrylic binder and toluene are mixed to form a slurry, and the slurry is applied by a doctor blade method and dried. Then, an active fuel electrode layer tape 13a having a thickness of 50 to 60 μm is produced (FIG. 7A).
Next, in the same manner as the active fuel electrode layer tape 13a, for example, NiO powder, Ni powder, and rare earth element oxide such as Y 2 O 3 are mixed, and a pore agent is added thereto, and an acrylic binder is added. Toluene is mixed to form a slurry, and the slurry is applied by a doctor blade method and dried to produce a current collecting fuel electrode layer tape 23 having a thickness of 50 to 60 μm. The active fuel electrode layer tape 13a is affixed to the current collecting fuel electrode layer tape 23 (FIG. 7B). The bonded tape is cut in accordance with the shape of the power generating element 13, and a portion for forming an insulating portion is punched out (FIG. 7C).

その後、図7(d)に示すように、活性燃料極層テープ13aが貼り付けられた集電燃料極層テープ23を、前記仮焼した絶縁支持体成形体11に、横縞状に貼り付ける。これを繰り返し行い、絶縁支持体成形体11の表面に複数の集電燃料極層テープ23を貼り付ける。なお、このとき一方の集電燃料極層テープ23と、他方の集電燃料極層テープ23とは、幅3〜20mmの間隔をあけて配置する。そして、一方のセル先端部では活性燃料極層テープ13aが貼り付けられた集電燃料極層テープ23を対向面間接続部材30として、10mmの幅で絶縁支持体11の表面を周回して貼り付ける。
次に、この活性燃料極層テープ13a、集電燃料極層テープ23を貼り付けた状態で乾燥し、その後、900〜1100℃の温度範囲で仮焼する(図7(d))。そして、活性燃料極層13aの第1集電層17aを形成したい部分に、マスキングテープ21を貼り付ける(図7(e))。
Thereafter, as shown in FIG. 7D, the current collecting fuel electrode layer tape 23 to which the active fuel electrode layer tape 13a is attached is attached to the calcined insulating support molded body 11 in a horizontal stripe shape. This is repeated and a plurality of current collecting fuel electrode layer tapes 23 are attached to the surface of the insulating support body molded body 11. At this time, one current collecting fuel electrode layer tape 23 and the other current collecting fuel electrode layer tape 23 are arranged with an interval of 3 to 20 mm in width. At the tip of one cell, the current collecting fuel electrode layer tape 23 to which the active fuel electrode layer tape 13a is attached is used as the connecting member 30 between the opposing surfaces, and is attached around the surface of the insulating support 11 with a width of 10 mm. wear.
Next, the active fuel electrode layer tape 13a and the current collecting fuel electrode layer tape 23 are dried and then calcined in a temperature range of 900 to 1100 ° C. (FIG. 7D). Then, a masking tape 21 is affixed to a portion of the active fuel electrode layer 13a where the first current collecting layer 17a is to be formed (FIG. 7 (e)).

次に、この積層体を、8YSZ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た固体電解質溶液に漬けて、固体電解質溶液から取り出す。このディップにより、全面に固体電解質13bの層が塗布されるとともに、前記図7(c)で打ち抜いた空間にも絶縁体である固体電解質13bが充填される。
この状態で、1150〜1200℃、2〜4時間仮焼する。この仮焼中に、マスキングテープ21とその上に塗布された固体電解質13bの層を除去することができる(図7(f))。
Next, this laminate is immersed in a solid electrolyte solution that is a slurry obtained by adding an acrylic binder and toluene to 8YSZ, and is taken out from the solid electrolyte solution. By this dipping, a layer of the solid electrolyte 13b is applied to the entire surface, and the space cut out in FIG. 7C is filled with the solid electrolyte 13b as an insulator.
In this state, calcination is performed at 1150 to 1200 ° C. for 2 to 4 hours. During this calcination, the layer of the masking tape 21 and the solid electrolyte 13b applied thereon can be removed (FIG. 7 (f)).

次に、ランタンコバルタイト(LaCoO3)とイソプロピルアルコールとを混合したスラリーを印刷し、厚さ10〜100μmの空気極層13cを形成する。そして、950〜1150℃、2〜5時間焼き付ける(図7(g))。
そして、第1集電層17aを形成したい部分にAg/Niからなる金属層のシートを貼り付け、さらにAgとガラスを含む金属ガラス層のシートを貼り付けて(図7(g))、その後、1000〜1200℃で熱処理を行う。
最後に、第2集電層17bを所定位置に塗布して、横縞型燃料電池セルを得ることができる(図7(i))。
Next, a slurry obtained by mixing lanthanum cobaltite (LaCoO 3 ) and isopropyl alcohol is printed to form an air electrode layer 13c having a thickness of 10 to 100 μm. Then, baking is performed at 950 to 1150 ° C. for 2 to 5 hours (FIG. 7G).
And the sheet | seat of the metal layer which consists of Ag / Ni is affixed on the part which wants to form the 1st current collection layer 17a, Furthermore, the sheet | seat of the metal glass layer containing Ag and glass is affixed (FIG.7 (g)), and then , Heat treatment is performed at 1000 to 1200 ° C.
Finally, the second current collecting layer 17b can be applied at a predetermined position to obtain a horizontally striped fuel cell (FIG. 7 (i)).

なお、前記した各層の積層方法については、テープ積層、ペースト印刷、ディップ、および、スプレー吹きつけのいずれの積層法を用いてもよい。好ましくは、積層時の乾燥工程が短時間であり、工程の短時間化の観点から、ディップにより各層を積層する。   In addition, about the lamination | stacking method of each above-mentioned layer, you may use any lamination method of tape lamination | stacking, paste printing, dip, and spray spraying. Preferably, the drying process at the time of lamination is short, and each layer is laminated by dipping from the viewpoint of shortening the process.

<他の実施形態>
図8に示すように、セル先端部においてセル表面1aとセル裏面1bとを電気的に接続するにあたって、対向面間接続部材30は、絶縁支持体11の一方の面から対向する他方の面まで該絶縁支持体11を貫通して構成され、これによりセル表面1aの最先端部の発電素子13の燃料極層13a、23とこれに対向するセル裏面1bの第1集電層17aとが連結され電気的に接続されている。そして前記セル裏面1bの第1集電層17aはこれと同じ側のセル面の素子間接続部材17の第2集電層17bを介して同じ側のセル面の先端部の空気極13cに電気的に接続されている。
前記貫通する対向面間接続部材30の形状および個数は、電気的な接続が確保され、支持体11の強度を損なわない範囲であれば、特に限定されるものではない。形状は好ましくは円柱形であるのがよい。
これにより、対向面間接続部材30は絶縁支持体11、固体電解質13bによって保護され、外部との接触による漏電や断線の危険性を防止することができる。
<Other embodiments>
As shown in FIG. 8, when electrically connecting the cell surface 1a and the cell back surface 1b at the cell tip, the inter-facing surface connection member 30 extends from one surface of the insulating support 11 to the other surface facing it. The insulating support 11 is formed so as to penetrate through the insulating support 11, whereby the fuel electrode layers 13a and 23 of the power generating element 13 at the foremost portion of the cell surface 1a and the first current collecting layer 17a on the cell back surface 1b facing this are connected. Are electrically connected. The first current collecting layer 17a on the cell back surface 1b is electrically connected to the air electrode 13c at the tip of the cell surface on the same side via the second current collecting layer 17b of the inter-element connection member 17 on the cell surface on the same side. Connected.
There are no particular limitations on the shape and the number of the opposing inter-surface connection members 30 that penetrate therethrough as long as electrical connection is ensured and the strength of the support 11 is not impaired. The shape is preferably cylindrical.
Thereby, the connection member 30 between opposing surfaces is protected by the insulation support body 11 and the solid electrolyte 13b, and can prevent the risk of electric leakage and disconnection due to contact with the outside.

製造に際しては、絶縁支持体11の先端部における前記対向面間接続部材30を配設する位置に予めドリル等により貫通孔を形成しておく。そして、集電燃料極層テープ23を貼り付ける工程の前に前記貫通孔に、例えば集電燃料極層23と同じ材質のものを充填することで対向面間接続部材30を形成することができる。   At the time of manufacture, a through hole is previously formed by a drill or the like at a position where the inter-facing surface connection member 30 is disposed at the distal end portion of the insulating support 11. Then, before the step of attaching the current collecting fuel electrode layer tape 23, the opposing surface connecting member 30 can be formed by filling the through hole with, for example, the same material as the current collecting fuel electrode layer 23. .

<さらに他の実施形態>
図9(a)に示すように、セル先端部においてセル表面1aとセル裏面1bの発電素子13とを電気的に接続するにあたって、対向面間接続部材30は発電素子13の側面から、絶縁支持体11の側面を介してセル裏面1bの発電素子の側方まで形成されており、対向面間接続部材30は、絶縁支持体11の表面を周回して形成され、反対側(セル裏面1b)の素子間接続部材17の第1集電層17aに連結され電気的に接続されている。このとき、対向面間接続部材30は前記反対側(例えばセル裏面1b)の発電素子13の燃料極層13a、23とは電解質材料により絶縁が確保されている。
これにより、対向面間接続部材30は固体電解質13bによって保護され、外部との接触による漏電や断線の危険性を防止することができる。なお、図9(b)は、図9(a)のセルのセル表面1aとセル裏面1bを示す。
<Still another embodiment>
As shown in FIG. 9 (a), when electrically connecting the power generating element 13 on the cell front surface 1a and the cell back surface 1b at the cell tip, the inter-facing surface connection member 30 is insulated and supported from the side surface of the power generating element 13. It is formed to the side of the power generation element on the cell back surface 1b through the side surface of the body 11, and the inter-facing surface connection member 30 is formed around the surface of the insulating support 11 and is on the opposite side (cell back surface 1b). The inter-element connection member 17 is connected to and electrically connected to the first current collecting layer 17a. At this time, the inter-facing surface connection member 30 is insulated from the fuel electrode layers 13a and 23 of the power generating element 13 on the opposite side (for example, the cell back surface 1b) by an electrolyte material.
Thereby, the connection member 30 between opposing surfaces is protected by the solid electrolyte 13b, and the risk of electric leakage and disconnection due to contact with the outside can be prevented. FIG. 9B shows the cell surface 1a and the cell back surface 1b of the cell of FIG. 9A.

製造に際しては、上記した一実施形態の製造方法において、セル先端部に、活性燃料極層テープ13aが貼り付けられた集電燃料極層テープ23を対向面間接続部材30として、支持体11の表面を周回して貼り付ける際、反対側(例えば、セル裏面1b)の発電素子13の活性燃料極層13a、集電燃料極層テープ23に接触しない程度に間隔を開けて巻きつける。そして、該発電素子13と前記対向面間接続部材30との間にできた間隙には固体電解質材料が塗布され絶縁される。このとき対向面間接続部材30をその上面に形成される素子間接続部材17の第1集電体層17aと接続できるように、巻きつけた端部にマスキングテープを貼り付けておく。そして、固体電解質13bを塗布した後、マスキングテープを剥がし、対向面間接続部材30と同じ材質のものを充填することで固体電解質13b表面に対向面間接続部材30を引き出すことができる。   At the time of manufacture, in the manufacturing method of the above-described embodiment, the current collector electrode layer tape 23 having the active fuel electrode layer tape 13a attached to the cell tip is used as the inter-face connection member 30, and the support 11 When affixing around the surface, the winding is performed with an interval so as not to contact the active fuel electrode layer 13a and the collector fuel electrode layer tape 23 of the power generation element 13 on the opposite side (for example, the cell back surface 1b). A solid electrolyte material is applied and insulated in the gap formed between the power generating element 13 and the inter-facing surface connecting member 30. At this time, a masking tape is attached to the wound end so that the connecting member 30 between the opposing surfaces can be connected to the first current collector layer 17a of the connecting member 17 formed on the upper surface. And after apply | coating the solid electrolyte 13b, a masking tape is peeled off and it can fill with the same material as the connection member 30 between opposing surfaces, and the connection member 30 between opposing surfaces can be pulled out on the surface of the solid electrolyte 13b.

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、前記の形態に限定されるものではない。例えば、前記の例では絶縁支持体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、絶縁支持体11は、円筒状でもよく、ガス流路12の数は一つでもよく、さらに絶縁体であればその材質も問わない。その他、本発明の範囲内で種々の変更を施すことが可能である。   Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above embodiments. For example, in the above example, the insulating support 11 is described as a hollow plate having a plurality of gas flow paths 12 inside, but the insulating support 11 may be cylindrical and the number of gas flow paths 12 There may be only one, and any material may be used as long as it is an insulator. In addition, various modifications can be made within the scope of the present invention.

本発明の燃料電池セル1の構造を示す一部破断斜視図である。It is a partially broken perspective view which shows the structure of the fuel battery cell 1 of this invention. (a)は図1の平面図、(b)は図1の底面図である。(A) is a top view of FIG. 1, (b) is a bottom view of FIG. (a)は図2のA−A線断面の拡大図、(b)は図2のB−B線断面の拡大図である。(A) is the enlarged view of the AA line cross section of FIG. 2, (b) is the enlarged view of the BB line cross section of FIG. 図3(a)のC−C線断面図である。It is CC sectional view taken on the line of Fig.3 (a). 本発明の燃料電池セルスタックの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the fuel cell stack of the present invention. 本発明の絶縁支持体の製造工程図である。It is a manufacturing-process figure of the insulation support body of this invention. 本発明の燃料電池セルの製造工程図である。It is a manufacturing-process figure of the fuel battery cell of this invention. 本発明に係る他の実施形態の構造を示す横断面図である。It is a cross-sectional view showing the structure of another embodiment according to the present invention. (a)は本発明に係るさらに他の実施形態の構造を示す横断面図、(b−1)は(a)の平面図、(b−2)は(a)の底面図である。(A) is a cross-sectional view showing the structure of still another embodiment of the present invention, (b-1) is a plan view of (a), and (b-2) is a bottom view of (a). 従来のセル間接続部材の接続構造の一例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows an example of the connection structure of the conventional connection member between cells. 従来の横縞型の固体電解質形燃料電池セルの一例を示す縦断面の拡大図である。It is an enlarged view of a longitudinal section showing an example of a conventional horizontal stripe type solid electrolyte fuel cell.

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池セル
11 絶縁支持体
12 燃料ガス流路
13 発電素子(13a:活性燃料極層、13b:固体電解質、13c:空気極層)
17 素子間接続部材(17a:第1集電層、17b:第2集電層)
30 対向面間接続部材


DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell 11 Insulation support body 12 Fuel gas flow path 13 Electric power generation element (13a: Active fuel electrode layer, 13b: Solid electrolyte, 13c: Air electrode layer)
17 Inter-element connection member (17a: first current collecting layer, 17b: second current collecting layer)
30 Connecting member between opposing faces


Claims (5)

ガス流路を内部に備えた電気絶縁性の多孔質支持体の対向する両表面に、内側電極、固体電解質および外側電極が順次積層された多層構造を有する発電素子をそれぞれ複数備え、前記多孔質支持体の対向する両表面のそれぞれにおいて、一方の前記発電素子の内側電極と、該一方の発電素子に隣設する他方の前記発電素子の外側電極とが電気的に接続され、前記複数の発電素子が直列に接続されている横縞型燃料電池セルにおいて、セル先端部における前記多孔質支持体の対向する両表面の発電素子同士が、前記多孔質支持体の表面および/または内部に配設された対向面間接続部材によって電気的に接続されていることを特徴とする横縞型燃料電池セル。   A plurality of power generating elements each having a multilayer structure in which an inner electrode, a solid electrolyte, and an outer electrode are sequentially laminated on both opposing surfaces of an electrically insulating porous support having a gas flow path therein; On each of the opposing surfaces of the support, an inner electrode of one of the power generation elements is electrically connected to an outer electrode of the other power generation element adjacent to the one power generation element, and the plurality of power generation elements In a horizontal stripe fuel cell in which elements are connected in series, power generating elements on both surfaces of the porous support facing each other at the cell tip are disposed on the surface and / or inside the porous support. A horizontally-striped fuel cell, wherein the fuel cell is electrically connected by a connecting member between opposing surfaces. 前記対向面間接続部材は前記多孔質支持体と前記固体電解質との間に全周に亘って配設されていることを特徴とする請求項1記載の横縞型燃料電池セル。   2. The horizontal stripe fuel cell according to claim 1, wherein the connection member between the opposing surfaces is disposed over the entire circumference between the porous support and the solid electrolyte. 前記対向面間接続部材は一方の面からこれに対向する他方の面まで前記多孔質支持体を貫通して構成されていることを特徴とする請求項1記載の横縞型燃料電池セル。   2. The horizontal stripe fuel cell according to claim 1, wherein the connecting member between the opposing surfaces is configured to penetrate the porous support from one surface to the other surface facing the one. 前記対向面間接続部材は電極材料または金属からなることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の横縞型燃料電池セル。   The horizontal stripe fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the facing inter-surface connection member is made of an electrode material or a metal. 請求項1〜4のいずれかに記載の横縞型燃料電池セルを、収納容器内に複数収納してなることを特徴とする燃料電池。   A fuel cell comprising a plurality of horizontally-striped fuel cells according to any one of claims 1 to 4 housed in a housing container.
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