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JP2017168245A - Electrochemical cell - Google Patents

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JP2017168245A
JP2017168245A JP2016050651A JP2016050651A JP2017168245A JP 2017168245 A JP2017168245 A JP 2017168245A JP 2016050651 A JP2016050651 A JP 2016050651A JP 2016050651 A JP2016050651 A JP 2016050651A JP 2017168245 A JP2017168245 A JP 2017168245A
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玄太 寺澤
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功一 古賀
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Masaharu Nanba
匡玄 難波
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Yuta Matsuno
雄多 松野
壮太 清水
Sota Shimizu
壮太 清水
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Makoto Omori
誠 大森
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrochemical cell which can be easily positioned when fixing to an insertion hole of a manifold.SOLUTION: A fuel cell 10 includes: a body 11; and a gas flow path 12 formed inside the body 11 and extending in a first direction. The width of the body 11 in a second direction perpendicular to the first direction gradually narrows from a central portion 11a toward a first end portion 11b.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、電気化学セルに関するものである。   The present invention relates to an electrochemical cell.

従来、電気化学セルの一種である複数の燃料電池と、各燃料電池を支持するマニホールドとを備えるセルスタックが知られている(例えば、特許文献1)。各燃料電池は、平板状に形成される。各燃料電池の一端部は、マニホールドに挿入された状態で固定されている。   Conventionally, a cell stack including a plurality of fuel cells, which are a kind of electrochemical cell, and a manifold that supports each fuel cell is known (for example, Patent Document 1). Each fuel cell is formed in a flat plate shape. One end of each fuel cell is fixed in a state of being inserted into the manifold.

特開2015−164094号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2015-164094

ところで、燃料電池の一端部をマニホールドに挿入して固定する際、燃料電池をマニホールドに挿入した状態で位置決めすることは必ずしも容易ではない。このような問題は、燃料電池に限られるものではなく、電解セルを含む電気化学セル全般において同様に生じる。   By the way, when the one end of the fuel cell is inserted into the manifold and fixed, it is not always easy to position the fuel cell in the state of being inserted into the manifold. Such a problem is not limited to the fuel cell, and similarly occurs in all electrochemical cells including an electrolytic cell.

本発明の課題は、マニホールドの挿入孔に固定する際に容易に位置決め可能な電気化学セルを提供することにある。   An object of the present invention is to provide an electrochemical cell that can be easily positioned when being fixed to an insertion hole of a manifold.

本発明に係る電気化学セルは、本体部と、本体部の内部に形成され、第1方向に延びるガス流路とを備える。第1方向に垂直な第2方向における本体部の幅は、中央部から第1端部に向かって徐々に狭まっている。   The electrochemical cell according to the present invention includes a main body portion and a gas flow path formed in the main body portion and extending in the first direction. The width of the main body portion in the second direction perpendicular to the first direction gradually decreases from the central portion toward the first end portion.

本発明によれば、マニホールドの挿入孔に固定する際に容易に位置決め可能な電気化学セルを提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, when fixing to the insertion hole of a manifold, the electrochemical cell which can be positioned easily can be provided.

燃料電池スタックの斜視図Perspective view of fuel cell stack 燃料電池の平面図Top view of fuel cell 燃料電池の側面図Fuel cell side view 図2のA−A断面図AA sectional view of FIG.

(燃料電池スタック100の構成)
図1は、燃料電池スタック100の斜視図である。燃料電池スタック100は、複数の燃料電池10と、マニホールド20とを備える。
(Configuration of fuel cell stack 100)
FIG. 1 is a perspective view of the fuel cell stack 100. The fuel cell stack 100 includes a plurality of fuel cells 10 and a manifold 20.

各燃料電池10は、マニホールド20によって支持される。各燃料電池10の一端部は、マニホールド20に形成された挿入孔21に挿入される。各燃料電池10の一端部は、図示しない接合材(例えば、非晶質ガラスなど)によってマニホールド20に固定される。各燃料電池10の他端部は自由端である。各燃料電池10同士は、所定間隔で並べられており、図示しない集電部材(例えば、酸化物系セラミックスや金属)によって互いに電気的に接続されている。燃料電池10の個数及び列数は、適宜変更可能である。   Each fuel cell 10 is supported by a manifold 20. One end of each fuel cell 10 is inserted into an insertion hole 21 formed in the manifold 20. One end of each fuel cell 10 is fixed to the manifold 20 by a bonding material (not shown) (for example, amorphous glass). The other end of each fuel cell 10 is a free end. The fuel cells 10 are arranged at a predetermined interval, and are electrically connected to each other by a current collecting member (not shown) (for example, oxide ceramics or metal). The number of fuel cells 10 and the number of rows can be changed as appropriate.

マニホールド20は、各燃料電池10を支持する。マニホールド20は、中空状に形成される。マニホールド20は、燃料ガスを内部に導入するための燃料導入路22を有する。マニホールド20の内部に導入された燃料ガスは、燃料電池10に供給される。   The manifold 20 supports each fuel cell 10. The manifold 20 is formed in a hollow shape. The manifold 20 has a fuel introduction path 22 for introducing fuel gas therein. The fuel gas introduced into the manifold 20 is supplied to the fuel cell 10.

燃料電池スタック100の稼働時、高温の燃料ガス(水素など)がマニホールド20に導入されるとともに、酸素含有ガス(空気など)が各燃料電池10の隙間を通過する。   During operation of the fuel cell stack 100, high-temperature fuel gas (such as hydrogen) is introduced into the manifold 20, and oxygen-containing gas (such as air) passes through the gaps between the fuel cells 10.

(燃料電池10の構成)
次に、燃料電池10の構成について図面を参照しながら説明する。図2は、燃料電池10の平面図である。図3は、燃料電池10の側面図である。
(Configuration of fuel cell 10)
Next, the configuration of the fuel cell 10 will be described with reference to the drawings. FIG. 2 is a plan view of the fuel cell 10. FIG. 3 is a side view of the fuel cell 10.

図2及び図3に示すように、燃料電池10は、本体部11と複数のガス流路12とを備える。燃料電池10は、いわゆる横縞型の固体酸化物型燃料電池である。   As shown in FIGS. 2 and 3, the fuel cell 10 includes a main body 11 and a plurality of gas flow paths 12. The fuel cell 10 is a so-called horizontal stripe type solid oxide fuel cell.

1.本体部11
本体部11は、平板状に形成される。本体部11は、主面(板面)11Sを有する。本体部11のサイズは特に制限されないが、第1方向の長さは5cm〜50cmとすることができ、第1方向に垂直な第2方向における幅は1cm〜10cmとすることができ、第1方向及び第2方向に垂直な第3方向(図2では不図示、図4参照)における厚みは1mm〜5mmとすることができる。本実施形態において、第1方向は本体部11の長手方向であり、第2方向は本体部11の短手方向であり、第3方向は本体部11の厚み方向である。
1. Body 11
The main body 11 is formed in a flat plate shape. The main body 11 has a main surface (plate surface) 11S. The size of the main body 11 is not particularly limited, but the length in the first direction can be 5 cm to 50 cm, the width in the second direction perpendicular to the first direction can be 1 cm to 10 cm, The thickness in the third direction (not shown in FIG. 2, see FIG. 4) perpendicular to the direction and the second direction can be 1 mm to 5 mm. In the present embodiment, the first direction is the longitudinal direction of the main body 11, the second direction is the short direction of the main body 11, and the third direction is the thickness direction of the main body 11.

本体部11は、中央部11a、第1端部11b及び第2端部11cを含む。中央部11aは、第1方向において本体部11の中央に位置する。第1端部11bは、第1方向において本体部11の一端に位置する。第2端部11cは、第1方向において本体部11の他端に位置する。第1端部11bは、第2端部11cの反対側に位置する。   The main body 11 includes a central portion 11a, a first end portion 11b, and a second end portion 11c. The central part 11a is located at the center of the main body part 11 in the first direction. The first end portion 11b is located at one end of the main body portion 11 in the first direction. The second end portion 11c is located at the other end of the main body portion 11 in the first direction. The first end portion 11b is located on the opposite side of the second end portion 11c.

本体部11は、主面11Sの平面視において、中央部11aから第1及び第2端部11b,11cそれぞれに向かってテーパ状に形成されている。すなわち、第2方向における本体部11の幅は、中央部11aから第1端部11bに向かって徐々に狭まっている。また、第2方向における本体部11の幅は、中央部11aから第2端部11cに向かって徐々に狭まっている。   The main body portion 11 is formed in a tapered shape from the central portion 11a toward the first and second end portions 11b and 11c in a plan view of the main surface 11S. That is, the width of the main body portion 11 in the second direction is gradually narrowed from the central portion 11a toward the first end portion 11b. Further, the width of the main body portion 11 in the second direction is gradually narrowed from the central portion 11a toward the second end portion 11c.

中央部11aの幅Waは、第1端部11bの幅Wbよりも大きい。従って、第1方向に垂直な断面において、本体部11の断面積は、第1端部11bから中央部11aに向かって徐々に大きくなっている。中央部11aの幅Waに対する第1端部11bの幅Wbの比(Wb/Wa)は1.0未満であればよく、特に制限されるものではない。燃料電池10の位置決めを容易にすることを考慮すると、比(Wb/Wa)は0.94以下が好ましく、0.92以下がより好ましく、0.90以下が特に好ましい。一方、温度上昇しやすい中央部11aの幅を広くすると、中央部11aの外表面積が広がって放熱性が向上するため、本体部11の全体的な温度分布を均一にすることができる。この点を考慮すると、比(Wb/Wa)は、0.94以上が好ましく、0.92以上がより好ましく、0.90以上が特に好ましい。   The width Wa of the central portion 11a is larger than the width Wb of the first end portion 11b. Therefore, in the cross section perpendicular to the first direction, the cross-sectional area of the main body portion 11 gradually increases from the first end portion 11b toward the central portion 11a. The ratio (Wb / Wa) of the width Wb of the first end portion 11b to the width Wa of the central portion 11a may be less than 1.0 and is not particularly limited. In view of facilitating positioning of the fuel cell 10, the ratio (Wb / Wa) is preferably 0.94 or less, more preferably 0.92 or less, and particularly preferably 0.90 or less. On the other hand, if the width of the central portion 11a where the temperature rises easily is increased, the outer surface area of the central portion 11a is increased and the heat dissipation is improved, so that the overall temperature distribution of the main body portion 11 can be made uniform. Considering this point, the ratio (Wb / Wa) is preferably 0.94 or more, more preferably 0.92 or more, and particularly preferably 0.90 or more.

中央部11aの幅Waは、第2端部11cの幅Wcよりも大きい。従って、第1方向に垂直な断面において、本体部11の断面積は、中央部11aから第2端部11cに向かって徐々に小さくなっている。中央部11aの幅Waに対する第1端部11cの幅Wcの比(Wc/Wa)は1.0未満であればよく、特に制限されるものではない。中央部11aの幅を広くすることによって本体部11の温度分布を均一にすることを考慮すると、比(Wc/Wa)は、0.94以上が好ましく、0.92以上がより好ましく、0.90以上が特に好ましい。   The width Wa of the central portion 11a is larger than the width Wc of the second end portion 11c. Accordingly, in the cross section perpendicular to the first direction, the cross-sectional area of the main body portion 11 gradually decreases from the central portion 11a toward the second end portion 11c. The ratio (Wc / Wa) of the width Wc of the first end portion 11c to the width Wa of the central portion 11a is not particularly limited as long as it is less than 1.0. In consideration of making the temperature distribution of the main body part 11 uniform by widening the central part 11a, the ratio (Wc / Wa) is preferably 0.94 or more, more preferably 0.92 or more, and 90 or more is particularly preferable.

本実施形態において、第1端部11bの幅Wbは、第2端部11cの幅Wcと同等である。ただし、第1端部11bの幅Wbは、第2端部11cの幅Wcより小さくてもよいし、第2端部11cの幅Wcより大きくてもよい。   In the present embodiment, the width Wb of the first end portion 11b is equal to the width Wc of the second end portion 11c. However, the width Wb of the first end portion 11b may be smaller than the width Wc of the second end portion 11c, or may be larger than the width Wc of the second end portion 11c.

また、本体部11は、側面視においても、中央部11aから第1及び第2端部11b,11cそれぞれに向かってテーパ状に形成されている。すなわち、第3方向における本体部11の厚みは、中央部11aから第1端部11bに向かって徐々に薄くなっている。また、第3方向における本体部11の厚みは、中央部11aから第2端部11cに向かって徐々に薄くなっている。   Moreover, the main-body part 11 is formed in the taper shape toward the 1st and 2nd end parts 11b and 11c from the center part 11a also in the side view. That is, the thickness of the main body 11 in the third direction is gradually reduced from the central portion 11a toward the first end portion 11b. Further, the thickness of the main body 11 in the third direction is gradually reduced from the central portion 11a toward the second end portion 11c.

中央部11aの厚みTaは、第1端部11bの厚みTbよりも大きい。従って、第1方向に垂直な断面において、本体部11の断面積は、第1端部11bから中央部11aに向かって徐々に大きくなっている。中央部11aの厚みTaに対する第1端部11bの厚みTbの比(Tb/Ta)は1.0未満であればよく、特に制限されるものではない。燃料電池10の位置決めを容易にすることを考慮すると、比(Tb/Ta)は0.95以下が好ましく、0.90以下がより好ましく、0.85以下が特に好ましい。一方、中央部11aの厚みを厚くして燃料電池10どうしの隙間を狭くすると、燃料電池10どうしの隙間を通過する空気の流速が速まるため、各燃料電池10の冷却効率を向上させることができる。この点を考慮すると、比(Tb/Ta)は0.95以上が好ましく、0.90以上がより好ましく、0.85以上が特に好ましい。   The thickness Ta of the central portion 11a is larger than the thickness Tb of the first end portion 11b. Therefore, in the cross section perpendicular to the first direction, the cross-sectional area of the main body portion 11 gradually increases from the first end portion 11b toward the central portion 11a. The ratio (Tb / Ta) of the thickness Tb of the first end portion 11b to the thickness Ta of the central portion 11a may be less than 1.0 and is not particularly limited. In consideration of facilitating positioning of the fuel cell 10, the ratio (Tb / Ta) is preferably 0.95 or less, more preferably 0.90 or less, and particularly preferably 0.85 or less. On the other hand, if the thickness of the central portion 11a is increased to narrow the gap between the fuel cells 10, the flow rate of air passing through the gap between the fuel cells 10 increases, so that the cooling efficiency of each fuel cell 10 can be improved. . Considering this point, the ratio (Tb / Ta) is preferably 0.95 or more, more preferably 0.90 or more, and particularly preferably 0.85 or more.

中央部11aの厚みTaは、第2端部11cの厚みTcよりも大きい。従って、第1方向に垂直な断面において、本体部11の断面積は、中央部11aから第2端部11cに向かって徐々に小さくなっている。中央部11aの厚みTaに対する第1端部11cの厚みTcの比(Tc/Ta)は1.0未満であればよく、特に制限されるものではない。中央部11aの厚みを厚くすることによって燃料電池10の冷却効率を向上させることを考慮すると、中央部11aの厚みTaに対する第1端部11cの厚みTcの比は、0.95以上が好ましく、0.90以上がより好ましく、0.85以上が特に好ましい。   The thickness Ta of the central portion 11a is larger than the thickness Tc of the second end portion 11c. Accordingly, in the cross section perpendicular to the first direction, the cross-sectional area of the main body portion 11 gradually decreases from the central portion 11a toward the second end portion 11c. The ratio (Tc / Ta) of the thickness Tc of the first end portion 11c to the thickness Ta of the central portion 11a may be less than 1.0 and is not particularly limited. In consideration of improving the cooling efficiency of the fuel cell 10 by increasing the thickness of the central portion 11a, the ratio of the thickness Tc of the first end portion 11c to the thickness Ta of the central portion 11a is preferably 0.95 or more. 0.90 or more is more preferable, and 0.85 or more is particularly preferable.

本実施形態において、第1端部11bの厚みTbは、第2端部11cの厚みTcと同等である。ただし、第1端部11bの厚みTbは、第2端部11cの厚みTcより小さくてもよいし、第2端部11cの厚みTcより大きくてもよい。   In the present embodiment, the thickness Tb of the first end portion 11b is equal to the thickness Tc of the second end portion 11c. However, the thickness Tb of the first end portion 11b may be smaller than the thickness Tc of the second end portion 11c, or may be larger than the thickness Tc of the second end portion 11c.

2.複数のガス流路12
複数のガス流路12は、本体部11の内部に形成される。各ガス流路12は、第1方向に沿って延びる。各ガス流路12は、第2方向に並べられている。
2. Multiple gas flow paths 12
The plurality of gas flow paths 12 are formed inside the main body 11. Each gas flow path 12 extends along the first direction. The gas flow paths 12 are arranged in the second direction.

各ガス流路12は、本体部11の第1端部11bと第2端部11cに開口する。燃料ガスは、第1端部11b側の開口から流入し、第2端部11c側の開口から流出する。   Each gas flow path 12 opens to the first end portion 11 b and the second end portion 11 c of the main body portion 11. The fuel gas flows in from the opening on the first end portion 11b side, and flows out from the opening on the second end portion 11c side.

本実施形態では、図2に示すように、5本のガス流路12が本体部11に設けられているが、ガス流路12の本数、サイズ及び位置は適宜変更可能である。   In the present embodiment, as shown in FIG. 2, five gas flow paths 12 are provided in the main body 11, but the number, size, and position of the gas flow paths 12 can be changed as appropriate.

(燃料電池10の内部構造)
次に、燃料電池10の内部構造について図面を参照しながら説明する。図4は、図2のA−A断面図である。
(Internal structure of fuel cell 10)
Next, the internal structure of the fuel cell 10 will be described with reference to the drawings. 4 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.

燃料電池10は、支持基板2、燃料極3、固体電解質層4、反応防止層5、空気極6、空気極集電層7及びインターコネクタ8を備える。燃料極3、固体電解質層4、反応防止層5、空気極6、空気極集電層7及びインターコネクタ8は、発電部13を構成する。固体電解質層4は、支持基板2のうち発電部13以外の領域全体を覆っている。支持基板2と固体電解質層4は、本体部11を構成する。   The fuel cell 10 includes a support substrate 2, a fuel electrode 3, a solid electrolyte layer 4, a reaction preventing layer 5, an air electrode 6, an air electrode current collecting layer 7, and an interconnector 8. The fuel electrode 3, the solid electrolyte layer 4, the reaction preventing layer 5, the air electrode 6, the air electrode current collecting layer 7, and the interconnector 8 constitute a power generation unit 13. The solid electrolyte layer 4 covers the entire region of the support substrate 2 other than the power generation unit 13. The support substrate 2 and the solid electrolyte layer 4 constitute a main body 11.

支持基板2は、平板状に形成される。支持基板2は、本体部11の主体部である。従って、第2方向における支持基板2の幅は、中央部から両端部に向かって徐々に狭まっている。支持基板2の内部には、ガス流路12が設けられる。ガス流路12を流れる燃料ガスは、支持基板2内部を通って燃料極3に供給される。支持基板2の厚さは特に制限されないが、1mm〜5mmとすることができる。支持基板2の気孔率は特に制限されないが、還元雰囲気において20%〜60%とすることができる。   The support substrate 2 is formed in a flat plate shape. The support substrate 2 is a main part of the main body 11. Accordingly, the width of the support substrate 2 in the second direction is gradually narrowed from the central portion toward both end portions. A gas flow path 12 is provided inside the support substrate 2. The fuel gas flowing through the gas flow path 12 is supplied to the fuel electrode 3 through the inside of the support substrate 2. The thickness of the support substrate 2 is not particularly limited, but can be 1 mm to 5 mm. The porosity of the support substrate 2 is not particularly limited, but can be 20% to 60% in a reducing atmosphere.

支持基板2は、電気絶縁性の多孔質材料を主成分として含有する。支持基板2を構成する材料としては、MgO(酸化マグネシウム)、MgAl(マグネシアアルミナスピネル)とMgO(酸化マグネシウム)の混合物、CSZ(カルシア安定化ジルコニア)、8YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、Y(イットリア)、CZO(カルシウムジルコネート)などの絶縁性セラミックスを用いることができる。なお、本明細書において、「主成分として含有する」とは、対象成分を80重量%以上含有することを意味する。 The support substrate 2 contains an electrically insulating porous material as a main component. As a material constituting the support substrate 2, MgO (magnesium oxide), a mixture of MgAl 2 O 4 (magnesia alumina spinel) and MgO (magnesium oxide), CSZ (calcia stabilized zirconia), 8YSZ (yttria stabilized zirconia), Insulating ceramics such as Y 2 O 3 (yttria) and CZO (calcium zirconate) can be used. In the present specification, “containing as a main component” means containing 80% by weight or more of the target component.

支持基板2は、燃料ガスの改質反応を促す触媒として機能する遷移金属又は当該遷移金属の酸化物を含んでいてもよい。遷移金属としては、Ni(ニッケル)が好適である。   The support substrate 2 may contain a transition metal or an oxide of the transition metal that functions as a catalyst for promoting a reforming reaction of the fuel gas. Ni (nickel) is preferred as the transition metal.

燃料極3は、アノードとして機能する。燃料極3は、燃料極集電層31と燃料極活性層32とを有する。   The fuel electrode 3 functions as an anode. The anode 3 includes an anode current collecting layer 31 and an anode active layer 32.

燃料極集電層31は、支持基板2上に配置される。燃料極集電層31は、NiOを含み、電子伝導性を有する物質によって構成される。燃料極集電部31は、酸素イオン伝導性を有する物質を含んでいてもよい。燃料極集電層31は、例えば、NiO−8YSZ、NiO−Y、NiO−CSZなどによって構成することができる。燃料極集電部31の厚さは特に制限されないが、50μm〜500μmとすることができる。燃料極集電部31は多孔質であればよく、その気孔率は特に制限されないが、25%〜50%とすることができる。 The anode current collecting layer 31 is disposed on the support substrate 2. The anode current collecting layer 31 is made of a material containing NiO and having electron conductivity. The fuel electrode current collector 31 may contain a substance having oxygen ion conductivity. The anode current collecting layer 31 can be made of, for example, NiO-8YSZ, NiO—Y 2 O 3 , NiO—CSZ, or the like. The thickness of the fuel electrode current collector 31 is not particularly limited, but may be 50 μm to 500 μm. The anode current collector 31 may be porous, and the porosity is not particularly limited, but may be 25% to 50%.

燃料極活性層32は、燃料極集電層31上に配置される。燃料極活性層32は、電子伝導性を有する物質と酸素イオン伝導性を有する物質とによって構成される。燃料極活性層32は、例えば、NiO−8YSZやNiO−GDC(ガドリニウムドープセリア)などによって構成することができる。燃料極活性層32における酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合は、燃料極集電部31における酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合よりも大きいことが好ましい。燃料極活性層32の厚さは特に制限されないが、5μm〜30μmとすることができる。燃料極活性層32の気孔率は特に制限されないが、25%〜50%とすることができる。   The anode active layer 32 is disposed on the anode current collecting layer 31. The anode active layer 32 is composed of a substance having electron conductivity and a substance having oxygen ion conductivity. The anode active layer 32 can be made of, for example, NiO-8YSZ, NiO-GDC (gadolinium-doped ceria), or the like. The volume ratio of the substance having oxygen ion conductivity in the anode active layer 32 is preferably larger than the volume ratio of the substance having oxygen ion conductivity in the anode current collector 31. The thickness of the anode active layer 32 is not particularly limited, but can be 5 μm to 30 μm. The porosity of the anode active layer 32 is not particularly limited, but can be 25% to 50%.

固体電解質層4は、燃料極3と空気極6の間に配置される。本実施形態において、固体電解質層4は、支持基板2のうち発電部13以外の領域全体を覆っている。固体電解質層4は、インターコネクタ8とともに、燃料極3に供給される燃料ガスと空気極6に供給される空気との混合を防止するためのシール膜を構成する。   The solid electrolyte layer 4 is disposed between the fuel electrode 3 and the air electrode 6. In the present embodiment, the solid electrolyte layer 4 covers the entire region of the support substrate 2 other than the power generation unit 13. The solid electrolyte layer 4 together with the interconnector 8 constitutes a sealing film for preventing mixing of the fuel gas supplied to the fuel electrode 3 and the air supplied to the air electrode 6.

固体電解質層4は、ジルコニアを主成分として含むことができる。固体電解質層4を構成する材料としては、例えば、3YSZ、8YSZ、ScSZ(スカンジア安定化ジルコニア)などを用いることができる。固体電解質層4の厚さは特に制限されないが、3μm〜50μmとすることができる。   The solid electrolyte layer 4 can contain zirconia as a main component. As a material constituting the solid electrolyte layer 4, for example, 3YSZ, 8YSZ, ScSZ (scandia stabilized zirconia) or the like can be used. The thickness of the solid electrolyte layer 4 is not particularly limited, but can be 3 μm to 50 μm.

反応防止層5は、固体電解質層4上に配置される。反応防止層5を構成する材料としては、例えば、セリア及びセリアに固溶した希土類金属酸化物を含むセリア系材料を用いることができる。このようなセリア系材料としては、GDC、SDC(サマリウムドープセリア)などが挙げられる。反応防止膜5の厚さは特に制限されないが、3μm〜50μmとすることができる。   The reaction preventing layer 5 is disposed on the solid electrolyte layer 4. As a material constituting the reaction preventing layer 5, for example, a ceria-based material containing ceria and a rare earth metal oxide solid-dissolved in ceria can be used. Examples of such ceria-based materials include GDC and SDC (Samarium-doped ceria). The thickness of the reaction preventing film 5 is not particularly limited, but can be 3 μm to 50 μm.

空気極6は、反応防止層5上に配置される。空気極6を構成する材料としては、例えば、(La,Sr)(Co,Fe)O(LSCF、ランタンストロンチウムコバルトフェライト)、(La,Sr)FeO(LSF、ランタンストロンチウムフェライト)、La(Ni,Fe)O(LNF、ランタンニッケルフェライト)、(La,Sr)CoO(LSC、ランタンストロンチウムコバルタイト)などが挙げられる。空気極6の厚さは特に制限されないが、10〜100μmとすることができる。 The air electrode 6 is disposed on the reaction preventing layer 5. Examples of the material constituting the air electrode 6 include (La, Sr) (Co, Fe) O 3 (LSCF, lanthanum strontium cobalt ferrite), (La, Sr) FeO 3 (LSF, lanthanum strontium ferrite), La ( Ni, Fe) O 3 (LNF, lanthanum nickel ferrite), (La, Sr) CoO 3 (LSC, lanthanum strontium cobaltite), and the like. The thickness of the air electrode 6 is not particularly limited, but can be 10 to 100 μm.

空気極集電層7は、空気極6上に形成される。空気極集電層7は、隣接する他の発電部13のインターコネクタ8に接続される。空気極集電層7は、電子伝導性を有する多孔質材料によって構成される。空気極集電層7は、例えば、LSCF、LSC、Ag(銀)、Ag−Pd(銀パラジウム合金)などによって構成することができる。空気極集電層7の厚さは特に制限されないが、50μm〜500μmとすることができる。   The air electrode current collecting layer 7 is formed on the air electrode 6. The air electrode current collecting layer 7 is connected to the interconnector 8 of another adjacent power generation unit 13. The air electrode current collecting layer 7 is made of a porous material having electron conductivity. The air electrode current collecting layer 7 can be made of, for example, LSCF, LSC, Ag (silver), Ag—Pd (silver palladium alloy), or the like. The thickness of the air electrode current collecting layer 7 is not particularly limited, but may be 50 μm to 500 μm.

インターコネクタ8は、燃料極3上に配置される。インターコネクタ8は、隣接する他の発電部13の空気極集電層7に接続される。インターコネクタ8は、支持基板2や燃料極3に比べて緻密な層である。インターコネクタ8は、例えば、LaCrO(ランタンクロマイト)、(Sr,La)TiO(ストロンチウムチタネート)などによって構成することができる。インターコネクタ8は燃料極3よりも緻密であればよく、その気孔率は特に制限されないが、20%以下が好ましく、10%以下がより好ましい。インターコネクタ8の厚さは特に制限されないが、10μm〜100μmとすることができる。 The interconnector 8 is disposed on the fuel electrode 3. The interconnector 8 is connected to the air electrode current collecting layer 7 of another adjacent power generation unit 13. The interconnector 8 is a dense layer compared to the support substrate 2 and the fuel electrode 3. The interconnector 8 can be composed of, for example, LaCrO 3 (lanthanum chromite), (Sr, La) TiO 3 (strontium titanate), or the like. The interconnector 8 only needs to be denser than the fuel electrode 3, and the porosity is not particularly limited, but is preferably 20% or less, more preferably 10% or less. The thickness of the interconnector 8 is not particularly limited, but can be 10 μm to 100 μm.

(燃料電池スタック100の製造方法)
次に、燃料電池スタック100の製造方法の一例について説明する。
(Manufacturing method of fuel cell stack 100)
Next, an example of a method for manufacturing the fuel cell stack 100 will be described.

まず、上述の支持基板材料を押出成形、圧粉成形、或いはテープ成形することによって、複数のガス流路12を有する支持基板2の成形体を形成する。この際、支持基板2の成形体の幅が中央部から両端部に向かって徐々に狭まるように成形する。押出成形によって支持基板2の成形体を形成する場合には、押出成形によって直方体の成形体を形成した後に所望の太鼓形状に切削加工すればよい。   First, a molded body of the support substrate 2 having a plurality of gas flow paths 12 is formed by extrusion molding, compacting molding or tape molding of the above-described support substrate material. At this time, the support substrate 2 is formed so that the width of the formed body gradually decreases from the central portion toward both end portions. When the molded body of the support substrate 2 is formed by extrusion molding, a rectangular parallelepiped molded body may be formed by extrusion molding and then cut into a desired drum shape.

次に、上述の燃料極材料をペースト化して支持基板2の成形体上にスクリーン印刷することによって、燃料極3の成形体を形成する。   Next, the above-described fuel electrode material is made into a paste and screen-printed on the formed body of the support substrate 2 to form the formed body of the fuel electrode 3.

次に、インターコネクタ材料をペースト化して燃料極3の成形体上にスクリーン印刷することによって、インターコネクタ8の成形体を形成する。   Next, the interconnector material is made into a paste and screen-printed on the molded body of the fuel electrode 3 to form the interconnector 8 molded body.

次に、支持基板2及び燃料極3の成形体上に固体電解質材料をディップ成形することによって、固体電解質層4の成形体を形成する。次に、固体電解質層4の成形体上に反応防止層材料をディップ成形することによって、反応防止層5の成形体を形成する。   Next, the solid electrolyte material 4 is formed on the support substrate 2 and the fuel electrode 3 by dip molding to form a solid electrolyte layer 4 compact. Next, the reaction preventive layer 5 is formed on the solid electrolyte layer 4 by dip forming the reaction preventive layer material.

次に、支持基板2、燃料極3、固体電解質層4、反応防止層5及びインターコネクタ8それぞれの成形体を共焼成(1300〜1600℃、2〜20時間)する。   Next, the molded bodies of the support substrate 2, the fuel electrode 3, the solid electrolyte layer 4, the reaction preventing layer 5, and the interconnector 8 are co-fired (1300 to 1600 ° C., 2 to 20 hours).

次に、空気極材料をペースト化して反応防止層5上にスクリーン印刷することによって、空気極6の成形体を形成する。次に、空気極集電層材料をペースト化して空気極6の成形体上にスクリーン印刷することによって、空気極集電層7の成形体を形成する。次に、空気極6及び空気極集電層7の成形体を焼成(900〜1100℃、1〜20時間)する。以上によって、燃料電池10が作製される。   Next, the air electrode material is made into a paste and screen-printed on the reaction preventing layer 5 to form a molded body of the air electrode 6. Next, the air electrode current collecting layer material is formed into a paste and screen-printed on the air electrode 6 shaped body to form the air electrode current collecting layer 7 shaped body. Next, the molded object of the air electrode 6 and the air electrode current collection layer 7 is baked (900-1100 degreeC, 1 to 20 hours). Thus, the fuel cell 10 is manufactured.

次に、マニホールド20を準備し、治具を用いて複数の燃料電池10それぞれを挿入孔21に挿入する。この際、燃料電池10の本体部11の幅が、中央部11aから第1端部11bに向かって徐々に狭まっているため、第1端部11bを挿入孔21に差し込むだけで燃料電池10を容易に位置決めすることができる。   Next, the manifold 20 is prepared, and each of the plurality of fuel cells 10 is inserted into the insertion hole 21 using a jig. At this time, since the width of the main body portion 11 of the fuel cell 10 is gradually narrowed from the central portion 11a toward the first end portion 11b, the fuel cell 10 can be removed by simply inserting the first end portion 11b into the insertion hole 21. It can be easily positioned.

次に、例えば非晶質材料(例えば、非晶質ガラスなど)のペーストを第1端部11bの周りに塗布する。次に、塗布されたペーストを熱処理(800℃〜1050℃、1時間〜10時間)することによって固化する。   Next, a paste of, for example, an amorphous material (for example, amorphous glass) is applied around the first end portion 11b. Next, the applied paste is solidified by heat treatment (800 ° C. to 1050 ° C., 1 hour to 10 hours).

(作用及び効果)
(1)本実施形態に係る燃料電池10において、本体部11の第2方向における幅が、中央部11aから第1端部11bに向かって徐々に狭まっている。
従って、第1端部11bを挿入孔21に差し込むことによって、挿入孔21に第1端部11bを嵌め込むことができるため、燃料電池10を容易に位置決めすることができる。
また、中央部11aの断面積が第1端部11bの断面積よりも大きいため、第1端部11bから中央部11aに向かう燃料ガスの流速が低減される。そのため、燃料ガスを発電部13に効率的に供給することによって、燃料電池10の発電効率を向上させることができる。さらに、温度上昇しやすい中央部11aの幅を広くして、中央部11aの放熱性を向上させることによって、本体部11の全体的な温度分布を均一化することができる。
(Function and effect)
(1) In the fuel cell 10 according to the present embodiment, the width of the main body 11 in the second direction gradually decreases from the central portion 11a toward the first end portion 11b.
Therefore, since the first end portion 11b can be fitted into the insertion hole 21 by inserting the first end portion 11b into the insertion hole 21, the fuel cell 10 can be easily positioned.
Further, since the cross-sectional area of the central portion 11a is larger than the cross-sectional area of the first end portion 11b, the flow rate of the fuel gas from the first end portion 11b toward the central portion 11a is reduced. Therefore, the power generation efficiency of the fuel cell 10 can be improved by efficiently supplying the fuel gas to the power generation unit 13. Furthermore, the overall temperature distribution of the main body 11 can be made uniform by increasing the width of the central portion 11a, which is likely to rise in temperature, and improving the heat dissipation of the central portion 11a.

(2)燃料電池10において、本体部11の第2方向における幅が、中央部11aから第2端部11cに向かって徐々に狭まっている。
従って、中央部11aの幅を広くすることによって、本体部11の温度分布を均一化することができる。
(2) In the fuel cell 10, the width of the main body portion 11 in the second direction is gradually narrowed from the central portion 11a toward the second end portion 11c.
Therefore, the temperature distribution of the main body 11 can be made uniform by increasing the width of the central portion 11a.

(3)燃料電池10において、本体部11の第3方向における厚みが、中央部11aから第1端部11bに向かって徐々に薄くなっている。
従って、第1端部11bを挿入孔21に差し込むことによって、挿入孔21に第1端部11bを嵌め込むことができるため、燃料電池10をより容易に位置決めすることができる。また、中央部11aの厚みを厚くして燃料電池10どうしの隙間を狭くして、燃料電池10どうしの隙間を通過する空気の流速を速めることによって、燃料電池10の冷却効率を向上させることができる。
(3) In the fuel cell 10, the thickness of the main body portion 11 in the third direction is gradually reduced from the central portion 11a toward the first end portion 11b.
Therefore, by inserting the first end portion 11b into the insertion hole 21, the first end portion 11b can be fitted into the insertion hole 21, so that the fuel cell 10 can be positioned more easily. Further, the cooling efficiency of the fuel cell 10 can be improved by increasing the thickness of the central portion 11a to narrow the gap between the fuel cells 10 and increasing the flow velocity of air passing through the gap between the fuel cells 10. it can.

(4)燃料電池10において、本体部11の第3方向における厚みが、中央部11aから第2端部11cに向かって徐々に薄くなっている。従って、中央部11aの厚みを厚くして燃料電池10どうしの隙間を狭くすることによって、燃料電池10の冷却効率を向上させることができる。   (4) In the fuel cell 10, the thickness of the main body 11 in the third direction gradually decreases from the central portion 11a toward the second end portion 11c. Therefore, the cooling efficiency of the fuel cell 10 can be improved by increasing the thickness of the central portion 11a and narrowing the gap between the fuel cells 10.

(他の実施形態)
本発明は以上のような実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない範囲で種々の変形又は変更が可能である。
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the embodiment described above, and various modifications or changes can be made without departing from the scope of the present invention.

上記実施形態では、本発明に係る本体部を固体酸化物型燃料電池に適用した場合について説明したが、本発明に係る本体部は、固体酸化物型燃料電池のほか、固体酸化物型電解セルを含む固体酸化物型電気化学セルに適用可能である。   In the above embodiment, the case where the main body according to the present invention is applied to a solid oxide fuel cell has been described. However, the main body according to the present invention is not only a solid oxide fuel cell but also a solid oxide electrolytic cell. It is applicable to a solid oxide electrochemical cell containing

上記実施形態では、本体部11の第2方向における幅が、中央部11aから第2端部11cに向かって徐々に狭まっていることとしたが、中央部11aから第2端部11cに向かって一定であってもよい。   In the said embodiment, although the width | variety in the 2nd direction of the main-body part 11 decided to become narrow gradually toward the 2nd end part 11c from the center part 11a, toward the 2nd end part 11c from the center part 11a. It may be constant.

上記実施形態では、中央発電部13aの幅が、末端発電部13bの幅よりも大きいこととしたが、末端発電部13bの幅と同程度であってもよい。   In the said embodiment, although the width | variety of the center electric power generation part 13a was larger than the width | variety of the terminal electric power generation part 13b, it may be comparable as the width | variety of the terminal electric power generation part 13b.

上記実施形態では、固体電解質層4が、支持基板2の外面を覆うシール膜であることとしたが、これに限られるものではない。支持基板2の外面を覆うシール膜は、固体電解質材料以外の緻密質材料によって構成されていてもよい。この場合、シール膜は、固体電解質層4と一体的に連結されていればよい。   In the above embodiment, the solid electrolyte layer 4 is a sealing film that covers the outer surface of the support substrate 2, but the present invention is not limited to this. The seal film covering the outer surface of the support substrate 2 may be made of a dense material other than the solid electrolyte material. In this case, the sealing film only needs to be integrally connected to the solid electrolyte layer 4.

上記実施形態では特に触れていないが、本体部11の内部に形成されたガス流路12は、第1端部11bから中央部11aに近づくにつれて徐々に太くなっていてもよい。これによって、燃料ガスの流速をさらに低減させることができる。   Although not particularly mentioned in the above embodiment, the gas flow path 12 formed inside the main body 11 may gradually become thicker from the first end 11b toward the center 11a. Thereby, the flow rate of the fuel gas can be further reduced.

2 支持基板
3 燃料極
4 固体電解質層
5 反応防止層
6 空気極
7 空気極集電層
8 インターコネクタ
10 燃料電池
11 本体部
11a 中央部
11b 第1端部
11c 第2端部
11S 主面
12 ガス流路
13 発電部
13a 中央発電部
13b 第1末端発電部
13c 第2末端発電部
20 マニホールド
21 挿入孔
100 燃料電池スタック
2 Support Substrate 3 Fuel Electrode 4 Solid Electrolyte Layer 5 Reaction Prevention Layer 6 Air Electrode 7 Air Electrode Current Collection Layer 8 Interconnector 10 Fuel Cell 11 Main Body 11a Central Part 11b First End 11c Second End 11S Main Surface 12 Gas Flow path 13 Power generation unit 13a Central power generation unit 13b First terminal power generation unit 13c Second terminal power generation unit 20 Manifold 21 Insertion hole 100 Fuel cell stack

Claims (4)

本体部と、
前記本体部の内部に形成され、第1方向に延びるガス流路と、
を備え、
前記第1方向に垂直な第2方向における前記本体部の幅は、中央部から第1端部に向かって徐々に狭まっている、
電気化学セル。
The main body,
A gas channel formed inside the main body and extending in the first direction;
With
The width of the main body in the second direction perpendicular to the first direction is gradually narrowed from the center toward the first end,
Electrochemical cell.
前記第2方向における前記本体部の幅は、前記本体部の前記中央部から第2端部に向かって徐々に狭まっている、
請求項1に記載の電気化学セル。
The width of the main body portion in the second direction is gradually narrowed from the central portion of the main body portion toward the second end portion,
The electrochemical cell according to claim 1.
本体部と、
前記本体部の内部に形成され、第1方向に延びるガス流路と、
を備え、
前記第1方向及び前記第1方向に垂直な第2方向それぞれに垂直な第3方向における前記本体部の厚みは、前記本体部の中央部から第1端部に向かって徐々に薄くなっている、
電気化学セル。
The main body,
A gas channel formed inside the main body and extending in the first direction;
With
The thickness of the main body portion in the third direction perpendicular to the first direction and the second direction perpendicular to the first direction gradually decreases from the central portion of the main body portion toward the first end portion. ,
Electrochemical cell.
前記第3方向における前記本体部の厚みは、前記本体部の前記中央部から第2端部に向かって徐々に薄くなっている、
請求項3に記載の電気化学セル。
The thickness of the main body portion in the third direction is gradually reduced from the central portion of the main body portion toward the second end portion,
The electrochemical cell according to claim 3.
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