JP2005222774A - Solid oxide fuel cell - Google Patents
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Abstract
【課題】 電解質の同一面上に燃料極と空気極とが配置された混合ガス中で発電するタイプの固体酸化物形燃料電池において、さらなる発電効率の向上を目的とする。
【解決手段】 本発明に係る燃料電池は、電解質1と、燃料極3及び空気極5からなり、電解質1の一方面に配置される複数の電極体Eと、これら複数の電極体Eを直列に接続するインターコネクター7とを備え、複数の電極体Eは、隣接する電極体間において同極同士が対向配置された状態で並んでおり、電解質1の一方面との間に電極を収容する空間Sを形成するとともに、各電極体Eにおける燃料極3及び空気極5の間を仕切る隔壁部材11をさらに備え、燃料極3を収容する空間Sに燃料ガスが供給される一方、空気極5を収容する空間に空気等の酸化剤ガスが供給される。
【選択図】 図1PROBLEM TO BE SOLVED: To further improve power generation efficiency in a solid oxide fuel cell of a type that generates power in a mixed gas in which a fuel electrode and an air electrode are arranged on the same surface of an electrolyte.
A fuel cell according to the present invention comprises an electrolyte, a fuel electrode, and an air electrode, a plurality of electrode bodies arranged on one surface of the electrolyte, and the plurality of electrode bodies E in series. The plurality of electrode bodies E are arranged in a state where the same poles are arranged opposite to each other between adjacent electrode bodies, and accommodate the electrodes between one surface of the electrolyte 1. In addition to forming the space S and the partition member 11 for partitioning the fuel electrode 3 and the air electrode 5 in each electrode body E, the fuel gas is supplied to the space S in which the fuel electrode 3 is accommodated, while the air electrode 5 An oxidant gas such as air is supplied to the space containing the gas.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、固体電解質を用いた固体酸化物形燃料電池(SOFC)に関する。 The present invention relates to a solid oxide fuel cell (SOFC) using a solid electrolyte.
従来より、固体酸化物形燃料電池のセルデザインとして、平板型(スタック型)、円筒型(チューブ型)などが提案されている。 Conventionally, as a cell design of a solid oxide fuel cell, a flat plate type (stack type), a cylindrical type (tube type), and the like have been proposed.
平板型セルは、板状の電解質の表面及び裏面に燃料極及び空気極をそれぞれ配置したものであり、こうして形成されたセルはセパレーターを介して複数個積層された状態で使用される。セパレーターは各セルに供給される燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとを完全に分離する役割を果たしており、各セルとセパレーターとの間にはガスシールが施されている(例えば、特許文献1)。しかしながら、この平板型セルでは、セルに対して圧力をかけてガスシールを施すため、セルが振動や熱サイクルなどに対して脆弱であるなどの欠点があり、実用化に大きな課題を有している。 A flat cell is one in which a fuel electrode and an air electrode are respectively arranged on the front and back surfaces of a plate-like electrolyte, and a plurality of cells formed in this way are used in a state where they are stacked via separators. The separator plays a role of completely separating the fuel gas supplied to each cell and the oxidant gas such as air, and a gas seal is provided between each cell and the separator (for example, Patent Document 1). ). However, this flat cell has a drawback that the cell is vulnerable to vibration, thermal cycle, etc. because it applies pressure to the cell to provide a gas seal, and has a big problem in practical use. Yes.
一方、円筒型セルは、円筒形の電解質の外周面及び内周面に燃料極及び空気極をそれぞれ配置したものであり、円筒縦縞型、円筒横縞型などが提案されている(例えば、特許文献2)。ところが、円筒型セルは、ガスシール性に優れるという利点を有する一方、平板型セルに比べて構造が複雑であるため、製造プロセスが複雑になり、製造コストが高くなるという欠点がある。 On the other hand, a cylindrical cell has a fuel electrode and an air electrode arranged on the outer peripheral surface and inner peripheral surface of a cylindrical electrolyte, and a cylindrical vertical stripe type, a cylindrical horizontal stripe type, and the like have been proposed (for example, Patent Documents). 2). However, the cylindrical cell has an advantage of excellent gas sealing properties, but has a drawback that the manufacturing process is complicated and the manufacturing cost is high because the structure is more complicated than that of the flat plate cell.
さらに、次の問題もある。平板型セル及び円筒型セルのいずれも、性能を向上させるためには電解質の薄膜化が要求され、電解質材料のオーミックな抵抗の低減が必要となるが、電解質が薄すぎると脆弱化してしまい、耐振性や耐久性が低下するという問題があった。 In addition, there are the following problems. In order to improve the performance of both the flat cell and the cylindrical cell, it is required to reduce the thickness of the electrolyte, and it is necessary to reduce the ohmic resistance of the electrolyte material, but if the electrolyte is too thin, it becomes brittle. There was a problem that the vibration resistance and durability deteriorated.
このため、上述した平板型、円筒型に代わる燃料電池として、燃料極及び空気極を固体電解質からなる基板の同一面上に配置し、燃料ガスおよび酸化剤ガスの混合ガスを供給することにより発電が可能な非隔膜式固体酸化物形燃料電池が提案されている(例えば、特許文献3)。この燃料電池によれば、燃料ガスと酸化剤ガスとを分離する必要がないため、セパレーター及びガスシールが不要となり、構造及び製造工程の大幅な簡略化を図ることができる。 For this reason, as a fuel cell that replaces the flat plate type and the cylindrical type described above, the fuel electrode and the air electrode are arranged on the same surface of the substrate made of solid electrolyte, and power is generated by supplying a mixed gas of fuel gas and oxidant gas A non-diaphragm solid oxide fuel cell that can be used has been proposed (for example, Patent Document 3). According to this fuel cell, since it is not necessary to separate the fuel gas and the oxidant gas, the separator and the gas seal are not required, and the structure and the manufacturing process can be greatly simplified.
また、この非隔膜式固体酸化物形燃料電池では、酸素イオンの伝導が固体電解質の表層付近で起こり、燃料極と空気極とを固体電解質の同一面上に近接して形成するため、平板型や円筒型のように電解質の厚みが電池の性能に直接影響することはない。したがって、電池の性能を維持したまま電解質の厚みを増すことができ、これによって脆弱性を改善することが可能となる。
ところで、燃料極及び空気極には、それぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスが作用し、これによって電池反応を生じさせているが、特許文献3の燃料電池では、燃料ガスと酸化剤ガスとを混合した混合ガスを電極が配置された電解質上に供給している。そのため、このタイプの燃料電池では、燃料ガスと酸化剤ガスが互いに希釈し合うことから、電池反応の効率は必ずしも高いとは言えなかった。また、二つの電極が同じ燃料ガスと酸化剤ガスに曝されながらも、その間に電圧を発生させなければならず、電極にガス選択性を持たせることが必要となり、高効率化を妨げる要因になっていた。
By the way, the fuel gas and the oxidant gas act on the fuel electrode and the air electrode, respectively, thereby causing a cell reaction. In the fuel cell of
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、電解質の同一面上に燃料極と空気極とが配置されたタイプの固体酸化物形燃料電池において、さらなる発電効率の向上を目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and aims to further improve power generation efficiency in a solid oxide fuel cell of a type in which a fuel electrode and an air electrode are arranged on the same surface of an electrolyte. And
第1の本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、電解質と、燃料極及び空気極からなり、前記電解質の一方面に配置される少なくとも一つの電極体と、前記電解質の一方面との間に前記電極を収容する空間を形成するとともに、前記燃料極及び空気極の間を仕切る隔壁部材とを備え、前記燃料極を収容する空間に燃料ガスが供給される一方、前記空気極を収容する空間に酸化剤ガスが供給される固体酸化物形燃料電池を提供するものである。 The first aspect of the present invention has been made to solve the above-described problem, and comprises an electrolyte, a fuel electrode and an air electrode, at least one electrode body disposed on one surface of the electrolyte, and the electrolyte. A space for accommodating the electrode between the one surface and a partition member for partitioning the fuel electrode and the air electrode, and a fuel gas is supplied to the space for accommodating the fuel electrode, The present invention provides a solid oxide fuel cell in which an oxidant gas is supplied to a space that houses an air electrode.
この構成によれば、電解質上に燃料極及び空気極をそれぞれ個別に収容する空間が形成されているため、燃料ガスと酸化剤ガスとを燃料極側及び空気極側にそれぞれ供給することができる。これにより、従来のように混合ガスを供給するのに比べて発電効率を向上することができる。 According to this configuration, since the space for individually accommodating the fuel electrode and the air electrode is formed on the electrolyte, the fuel gas and the oxidant gas can be supplied to the fuel electrode side and the air electrode side, respectively. . As a result, the power generation efficiency can be improved as compared with the conventional case of supplying the mixed gas.
この燃料電池においては、電極体を電解質の一方面に複数個配置することもでき、このとき、これら電極体はインターコネクターによって接続される。各電極体は、インターコネクターによって直列に接続してもよいし、並列に接続してもよい。また、隔壁部材は、電極体の数に合わせて、各燃料極及び空気極の間の仕切りの数が決定される。 In this fuel cell, a plurality of electrode bodies can be arranged on one surface of the electrolyte, and at this time, these electrode bodies are connected by an interconnector. Each electrode body may be connected in series by an interconnector, or may be connected in parallel. In the partition member, the number of partitions between each fuel electrode and air electrode is determined in accordance with the number of electrode bodies.
このとき、電解質を所定間隔をおいて複数個に分離された状態にし、当該分離された各電解質上に各電極体を1個ずつ配置することが好ましい。こうすることで、隣接する電極体の間に電解質が存在しないようにできるため、発電時の酸素イオンの流れを遮断することができる。その結果、隣接する電極体間での起電力の相殺が防止され、安定した出力を得ることができる。 At this time, it is preferable that the electrolyte is separated into a plurality at a predetermined interval, and one electrode body is disposed on each of the separated electrolytes. By doing so, it is possible to prevent the electrolyte from being present between the adjacent electrode bodies, so that the flow of oxygen ions during power generation can be blocked. As a result, cancellation of electromotive force between adjacent electrode bodies is prevented, and a stable output can be obtained.
また、第2の本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、電解質と、燃料極及び空気極からなり、前記電解質の一方面に配置される複数の電極体と、前記複数の電極体を直列に接続するインターコネクターとを備え、前記複数の電極体は、隣接する当該電極体間において同極同士が対向配置された状態で並んでおり、前記電解質の一方面との間に前記電極を収容する空間を形成するとともに、前記各電極体における前記燃料極及び空気極の間を仕切る隔壁部材をさらに備え、前記燃料極を収容する空間に燃料ガスが供給される一方、前記空気極を収容する空間に酸化剤ガスが供給される固体酸化物形燃料電池を提供するものである。 The second aspect of the present invention is made to solve the above-described problem, and includes an electrolyte, a fuel electrode and an air electrode, a plurality of electrode bodies disposed on one surface of the electrolyte, and the plurality of electrodes. The electrode bodies are connected in series, and the plurality of electrode bodies are arranged in a state where the same poles are arranged opposite to each other between the adjacent electrode bodies, and between the one surface of the electrolyte Forming a space for accommodating the electrode, and further comprising a partition member for partitioning between the fuel electrode and the air electrode in each electrode body, while fuel gas is supplied to the space for accommodating the fuel electrode, The present invention provides a solid oxide fuel cell in which an oxidant gas is supplied to a space that houses an air electrode.
この構成によれば、第1の本発明と同様に、燃料極及び空気極に対して、燃料ガスと酸化剤ガスとが個別に供給されるため、発電効率を向上することができる。また、隣接する電極体おいて、同極同士が対向するように並んで配置されているため、発電時において、この同極間での酸素イオンの移動はない。したがって、電極体内で発生するはずの本来の起電力が減少するのを防止することができる。その結果、燃料電池トータルの電圧が大きく低下するのを防止することができ、高い発電出力を得ることができる。 According to this configuration, since the fuel gas and the oxidant gas are separately supplied to the fuel electrode and the air electrode as in the first aspect of the present invention, the power generation efficiency can be improved. Further, since adjacent electrodes are arranged side by side so that the same poles face each other, there is no movement of oxygen ions between the same poles during power generation. Therefore, it is possible to prevent a reduction in the original electromotive force that should be generated in the electrode body. As a result, the total voltage of the fuel cell can be prevented from greatly decreasing, and a high power generation output can be obtained.
このような電極の配置により、同極の電極が並んで配置されているため、燃料極と空気極とを仕切る仕切りの数は、両電極が一つおきに並んでいる場合の半分にすることができ、製造コストを低減することができる。 Since the electrodes of the same polarity are arranged side by side by such an electrode arrangement, the number of partitions separating the fuel electrode and the air electrode should be half that of the case where every other electrode is arranged side by side. Manufacturing cost can be reduced.
電極体を直列に接続する方法としては、種々のものが考えられるが、例えば、 隣接する電極体において、一方の電極体の燃料極と他方の電極体の空気極とをインターコネクターによって接続する方法がある。このようにすると、インターコネクターの配線長さを短くできるため、低コストで燃料電池を構成することができる。 Various methods are conceivable for connecting the electrode bodies in series. For example, in the adjacent electrode bodies, the fuel electrode of one electrode body and the air electrode of the other electrode body are connected by an interconnector. There is. In this way, the wiring length of the interconnector can be shortened, so that a fuel cell can be configured at low cost.
隔壁部材は、次のように構成することができる。すなわち、インターコネクターを、電解質の一方面に印刷によって形成するとともに、隔壁部材を、燃料極及び空気極の間を仕切る仕切り部材と、各仕切り部材を連結する連結部材とで構成し、インターコネクターを、電解質と仕切り部材との間に配置するように構成することができる。なお、インターコネクターは印刷で形成されて非常に薄いことから、インターコネクターを電解質と仕切り部材との間に挟むようにしても、仕切り部材と電解質との間にインターコネクターの厚みによって形成される隙間によって、空間の気密性が大きく低下することを防止することができる。 The partition member can be configured as follows. That is, the interconnector is formed on one surface of the electrolyte by printing, and the partition member is composed of a partition member that partitions between the fuel electrode and the air electrode, and a connecting member that connects each partition member. It can be configured to be disposed between the electrolyte and the partition member. In addition, since the interconnector is formed by printing and is very thin, even if the interconnector is sandwiched between the electrolyte and the partition member, due to the gap formed by the thickness of the interconnector between the partition member and the electrolyte, It is possible to prevent the airtightness of the space from greatly decreasing.
或いは、次のようにすることもできる。すなわち、隔壁部材を、燃料極及び空気極の間を仕切る仕切り部材と、各仕切り部材を連結する連結部材とで構成し、仕切り部材には、電解質の一方面と対向する端部に、インターコネクターが通過する切欠部を形成する。こうすることで、空間内を気密に保つことができ、ガスが混合するのを確実に防止することができる。 Or it can also be as follows. That is, the partition member is composed of a partition member that partitions between the fuel electrode and the air electrode, and a connecting member that connects each partition member, and the partition member has an interconnector at an end facing the one surface of the electrolyte. A notch is formed through which passes. By doing so, the inside of the space can be kept airtight and gas can be reliably prevented from mixing.
さらに、上記のように仕切り部材に切欠部を形成する以外に、例えば、電解質の一方面において、仕切り部材と対向する位置にインターコネクターが通過する溝部を形成することもでき、この構成によっても同様の効果を得ることができる。 Further, in addition to forming the notch portion in the partition member as described above, for example, a groove portion through which the interconnector passes can be formed at a position facing the partition member on one surface of the electrolyte. The effect of can be obtained.
また、電解質を支持する基板を設けることもできる。このようにすると、電解質を薄膜化しても振動や熱サイクルに対する高い耐久性を維持することができる。特に、本発明に係る燃料電池では、電池反応に寄与する部分が主として電解質の表層付近であることから、基板を用いることで電解質を薄膜化することが可能であり、例えば印刷によって電解質を形成しても、電池の性能に影響を与えることはない。 A substrate that supports the electrolyte can also be provided. In this way, high durability against vibration and thermal cycle can be maintained even if the electrolyte is made thin. In particular, in the fuel cell according to the present invention, the portion that contributes to the cell reaction is mainly near the surface layer of the electrolyte. Therefore, it is possible to make the electrolyte thin by using a substrate. For example, the electrolyte is formed by printing. However, the battery performance is not affected.
本発明に係る固形酸化物形燃料電池によれば、高い発電出力を得ることができる。 According to the solid oxide fuel cell according to the present invention, high power generation output can be obtained.
以下、本発明に係る固体酸化物形燃料電池の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。図1は本実施形態に係る燃料電池の正面図であり、図2は図1のA−A線矢視図である。 Hereinafter, an embodiment of a solid oxide fuel cell according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a front view of a fuel cell according to the present embodiment, and FIG. 2 is a view taken along line AA in FIG.
図1及び図2に示すように、この燃料電池は、矩形の板状に形成された電解質1と、燃料極3及び空気極5からなり電解質1の一方面に配置された複数の電極体E(ここでは、5個の電極体E1〜E5を表示)とを備えており、これら電極体Eはインターコネクター7によって直列に接続されている。また、この電解質1の一方面には、各電極3,5に燃料ガスや空気等の酸化剤ガスを供給するための空間を形成する隔壁部材11が設けられている。
As shown in FIGS. 1 and 2, this fuel cell includes an
各電極体Eの燃料極3及び空気極5は、帯状に形成され所定間隔をおいて配置されている。このとき、燃料極3と空気極5との間隔は、例えば1〜1000μmであることが好ましく、10〜500μmであることがさらに好ましい。複数の電極体Eは、電解質1の一端から他端へと一方向(図2の左右方向)に並び、隣接する電極体Eにおいては、燃料極3及び空気極5の配置位置が反対になっている。すなわち、本実施形態では電極体E1,E3,E5は図2の左側に燃料極3が配置され、右側に空気極5が配置されている。一方、これらの電極体の間に配置される電極体E2,E4については、左側に空気極5が配置され右側に燃料極5が配置されている。このように、隣接する電極体E間で燃料極3及び空気極5の配置位置が反対になっているため、隣接する電極体E間では、同極同士、つまり燃料極3または空気極5同士が対向配置されている。このとき、隣接する電極体E間の間隔は、例えば10〜5000μmとすることが好ましく、1000〜3000μmとすることがさらに好ましい。また、電解質1の対角線上で対向する2つの角部(図2の左上と右下)には、電流を取り出すための集電部9がそれぞれ形成されている。
The
そして、これら電極体Eは、次のようにして直列に接続されている。図2に示すように、隣接する電極体Eにおいて、一方の電極体Eの燃料極3または空気極5と、これと対向する同極を挟んで配置された他方の電極体Eの空気極5または燃料極3とがインターコネクター7によって接続されている。つまり、一つおきに並ぶ電極をインターコネクター7で接続している。例えば、電極体E1とE2とでは、電極体E1の右側の空気極5と電極体E2の右側の燃料極3とが接続されている。このとき、インターコネクター7は、空気極5及び燃料極3の一端部同士(図2の上端側)または他端部同士(図2の下端側)を接続している。また、インターコネクター7同士が交差するのを避けるため、ある電極体E同士が電極の一端部で接続されている場合には、これらと隣接する電極体とは、電極の他端部で接続される。例えば、図2に示すように、電極体E1及び電極体E2は、電極の他端部(図2の下側)で接続されているが、電極体E2及び電極体E3は、電極の一端部(図2の上部)で接続されている。
And these electrode bodies E are connected in series as follows. As shown in FIG. 2, in the adjacent electrode body E, the
隔壁部材11は、次のように構成されている。すなわち、図1に示すように、この隔壁部材11は、絶縁性の材料で構成され、各電極体Eにおける燃料極3と空気極5との間を仕切る仕切り部材11aと、各仕切り部材11aの上端部を連結する蓋部材(連結部材)11bとを備えている。仕切り部材11aは、電解質1上を各電極3,5に沿って延び、各電極3,5より高く形成されている。そして、この例では、5つの仕切り部材11aと蓋部材11bとで、隣接する一対の燃料極3或いは空気極5をそれぞれ収容する6つの空間Sが形成されている。なお、右から2番目及び左から2番目の仕切り部材11aは、それぞれインターコネクター7と交差しているが、この点について図3を参照しつつ説明する。図3は、図2のB−B線矢視図である。同図に示すように、仕切り部材11aの下端部には、2つの切欠部12が形成されており、この切欠部12と電解質1の表面とで、インターコネクター7が通過する通路を形成している。切欠部12の形状は、インターコネクター7の断面形状と同じであり、これによって切欠部12とインターコネクター7とが密接し、各空間Sを気密な状態に保っている。
The
次に、上記のように構成された燃料電池の材質について説明する。電解質1の材料としては、固体酸化物形燃料電池の電解質として公知のものを使用することができ、例えば(Ce,Sm)O3,(Ce,Gd)O3等のセリア系酸化物,(La,Sr)(Ga,Mg)O3等のランタン・ガレード系酸化物,スカンジウム安定化ジルコニア(ScSZ),イットリア安定化ジルコニア(YSZ)等のジルコニア系酸化物などの酸素イオン伝導性セラミックス系材料を用いることができる。電解質1は、基板として用いられるため、ある程度の強度が必要であることから、その厚みは、例えば200〜1000μmであることが好ましい。
Next, the material of the fuel cell configured as described above will be described. As the material of the
燃料極3及び空気極5は、セラミックス粉末材料により形成することができる。このとき用いられる粉末の平均粒径は、好ましくは10nm〜100μmであり、さらに好ましくは50nm〜50μmであり、特に好ましくは100nm〜10μmである。なお、平均粒径は、例えば、JISZ8901にしたがって計測することができる。
The
燃料極3を形成するセラミックス粉末材料としては、例えば、ニッケルと酸素イオン伝導性材料との混合物を用いることができる。このとき用いられる酸素イオン伝導性材料としては、例えば(Ce,Sm)O3,(Ce,Gd)O3などのセリア系酸化物、(La,Sr)(Ga,Mg)O3などのランタンガレード系酸化物、スカンジウム安定化ジルコニア(ScSZ)やイットリア安定化ジルコニア(YSZ)などのジルコニア系酸化物などの酸素イオン伝導性セラミックス材料を挙げることができ、このようなセラミックス材料と、ニッケルとの混合物で燃料極5を形成することが好ましい。このうち、ニッケル−セリア系酸化物のサーメットで燃料極5を形成することが特に好ましい。なお、酸素イオン伝導性セラミックス材料とニッケルとの混合形態は、物理的な混合形態であってもよいし、ニッケルへの粉末修飾などの形態であってもよい。また、上述したセラミックス材料は、1種を単独で、或いは2種以上を混合して使用することができる。
As the ceramic powder material forming the
空気極5を形成するセラミックス粉末材料としては、例えば、ペロブスカイト型金属酸化物を使用することができる。具体的には(Sm,Sr)CoO3,(La,Sr)MnO3,(La,Sr)CoO3,(La,Sr)(Fe,Co)O3,(La,Sr)(Fe,Co,Ni)O3などを挙げることができる。これらセラミックス粉末は、1種を単独で使用することもできるし、2種以上を混合して使用することもできる。
As the ceramic powder material forming the
また、インターコネクター7及び集電部9は、Pt,Au,Ag,Ni,Cu,SUS,又はLa(Cr,Mg)O3,(La,Ca)CrO3,(La,Sr)CrO3などのランタン・クロマイト系等の導電性セラミックス材料によって形成することができ、これらのうちの1種を単独で使用してもよいし、2種以上を混合して使用してもよい。
Further, the
隔壁部材11は、例えばアルミナ、シリカ系等のセラミックス系材料を使用することができ、300℃以上の耐熱性を有する材料で形成することが好ましい。
The
上記燃料極3、及び空気極5は、上述した材料を主成分として、さらにワニス、有機溶媒などが適量加えられることにより形成される。そして、これら燃料極3及び空気極5の膜厚は焼結後に1μm〜500μmとなるように形成するが、10μm〜100μmとすることが好ましい。また、インターコネクター7及び集電部9も、上述した材料に上記添加物を加えることにより形成される。
The
次に、上述した燃料電池の製造方法の一例を説明する。まず、上述した材料からなる板状電解質1を準備する。続いて、上述した燃料極3、及び空気極5用の粉末材料を主成分として、これらそれぞれにワニス、感光性高分子、有機溶媒などを適量加えて混練し、燃料極ペースト、空気極ペーストをそれぞれ作成する。各ペーストの粘度は、次に説明するスクリーン印刷法に適合するように103〜106Pa・s程度であることが好ましい。同様に、インターコネクター用ペーストも、上述した粉末材料にワニス等の添加物を加えて作成しておく。このペーストの粘度は上述した燃料極ペースト等と同じである。
Next, an example of a method for manufacturing the above-described fuel cell will be described. First, the
続いて、図1に示すような電解質1上の複数の位置に、燃料極ペーストをスクリーン印刷法により帯状に塗布した後、所定の時間及び温度で乾燥・焼結し、燃料極3を形成する。次に、図1に示すように各電解質1上の燃料極3と対向する位置それぞれに、空気極ペーストをスクリーン印刷法によって塗布し、所定時間及び温度で乾燥・焼結することにより、空気極5を形成する。こうして、8個の電極体Eが形成される。そして、集電体9を電解質1の角部に形成した後、図1に示す位置にインターコネクター用ペーストをスクリーン印刷法によって線状に塗布し、インターコネクター1を形成する。
Subsequently, a fuel electrode paste is applied in a strip shape by screen printing at a plurality of positions on the
次に、各電極体Eにおける燃料極3と空気極5との間に、ペースト化した仕切り部材用材料をスクリーン印刷によって塗布し、仕切り部材11aを形成する。これに続いて、板状の蓋部材11bを各仕切り部材11aの上端にガラスシールを介して当接するように配置する。こうすることで、電解質1上に各電極3,5を個別に収容する6つの空間Sが形成される。以上の工程により、図1及び図2に示すような燃料電池が完成する。なお、ガラスシールとしては、例えば、ガラス系材料に適当量の結合材(例えばポリビニルブチラール系バインダー)、溶剤(例えばエタノール、トルエン)を加えたものを使用することができる。また、ガラス系材料以外に、セラミックス系材料、金属系材料を用いてシール材を構成することもできる。
Next, between the
上記のように構成された燃料電池は、次のように発電が行われる。すなわち、電解質1上の燃料極3を収容する空間Sに、水素、又はメタン、エタンなどの炭化水素を含む燃料ガスを供給する。一方、空気極5が収容された空間Sには、酸化剤ガス、例えば空気、オゾン等を供給する。これらの気体は、高温の状態、例えば、400〜1000℃)で供給される。これにより、各電極体Eにおける燃料極3と空気極5との間の電解質1の表層付近で、酸素イオン伝導が起こって発電が行われる。
The fuel cell configured as described above generates power as follows. That is, the fuel gas containing hydrogen or hydrocarbons, such as methane and ethane, is supplied to the space S that accommodates the
以上のように本実施形態に係る燃料電池では、電解質1上に燃料極3及び空気極5をそれぞれ個別に収容する空間Sが形成されているため、燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとを燃料極3側及び空気極5側に分離した状態で供給することができる。これにより、従来のように混合ガスを供給するのに比べて発電効率を向上することができる。
As described above, in the fuel cell according to the present embodiment, since the space S for individually accommodating the
また、次のような利点もある。上記燃料電池では、隣接する電極体Eにおいて、同極同士が対向するように配置されているため、発電時において、この同極間での酸素イオンの移動はない。したがって、従来例と異なり、電極体E内で発生する本来の起電力が相殺されるのを防止することができる。その結果、燃料電池トータルの電圧が大きく低下するのを防止することができ、高い発電出力を得ることができる。 There are also the following advantages. In the fuel cell described above, the adjacent electrode bodies E are arranged so that the same poles face each other. Therefore, there is no movement of oxygen ions between the same poles during power generation. Therefore, unlike the conventional example, it is possible to prevent the original electromotive force generated in the electrode body E from being canceled. As a result, the total voltage of the fuel cell can be prevented from greatly decreasing, and a high power generation output can be obtained.
さらに、このような電極の配置により、同極の電極が並んで配置されているため、燃料極3と空気極5とを仕切る仕切りの数は、両電極3,5が一つおきに並んでいる場合の半分にすることができ、製造コストを低減することができる。
Furthermore, since the electrodes of the same polarity are arranged side by side by such an arrangement of electrodes, the number of partitions separating the
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態では、仕切り部材の下端にインターコネクターが通過する切欠部を形成しているが、これ以外の構成でもよい。すなわち、図4(a)に示すように、電解質1の表面に溝部13を形成し、この溝部13にインターコネクター7を充填した後、その上方に仕切り部材11aを配置すれば、空間S内を気密な状態にすることができる。また、図4(b)に示すように、電解質1の上面にインターコネクター7を形成し、その上面に仕切り部材11aを配置することもできる。この場合、インターコネクター7によって電解質1と仕切り部材11aとの間には隙間tが形成されるが、インターコネクター7を印刷によって形成した場合には、その厚みが数μmであるので、空間Sの気密性に与える影響を小さくすることができる。
As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this, A various change is possible unless it deviates from the meaning. For example, in the above-described embodiment, the cutout portion through which the interconnector passes is formed at the lower end of the partition member, but other configurations may be used. That is, as shown in FIG. 4 (a), if the
また、上記実施形態では、電解質1上に仕切り部材11aを形成した後、その上面に蓋部材11bを配置しているが、次のようにすることもできる。すなわち、図5に示すように、蓋部材11bの下面に予め仕切り部材11aを形成した隔壁部材11を予め準備しておき、この隔壁部材11を電解質1上に配置することもできる。この場合、隔壁部材11は、次のように形成することができる。例えば、板状の材料を準備し、これをサンドブラスト法、リソグラフィー法等を用いて加工し、上記空間に相当する凹部を形成し、これを隔壁部材11として用いる。
Moreover, in the said embodiment, after forming the
上記実施形態では、電極体E間をインターコネクター7で接続するのに、一つおきに並ぶ電極を接続しているが、これに限定されるものではない。電極体Eが直列に接続される限りは、例えば、図6に示すように接続することもできる。但し、インターコネクター7の配線長さを短くするという観点からは、図1に示す接続方法にすることが好ましい。
In the above-described embodiment, every other electrode is connected to connect the electrode bodies E with the
また、上記実施形態では、各ペーストの塗布にスクリーン印刷法を用いているが、これに限定されるものではなく、ドクターブレード法、スプレーコート法、リソグラフィー法、泳動電着法、グラビアコート法、ロールコート法、ディスペンサーコート法、CVD,EVD,スパッタリング、転写法等の印刷方法等、その他一般的な印刷法を用いることができる。また、印刷後の後工程として、静水圧プレス、油圧プレス、その他の一般的なプレス工程を用いることができる。 In the above embodiment, the screen printing method is used for applying each paste, but is not limited thereto, doctor blade method, spray coating method, lithography method, electrophoretic electrodeposition method, gravure coating method, Other general printing methods such as a roll coating method, a dispenser coating method, a printing method such as CVD, EVD, sputtering, and a transfer method can be used. Moreover, as a post-process after printing, a hydrostatic press, a hydraulic press, and other general press processes can be used.
また、上記実施形態では板状の電解質を用いているが、電解質の他方面に基板を配置し、この基板によって各電解質を支持するようにすることもできる。こうすることで、電解質1を薄くしたとしても、燃料電池が脆弱化するのを防止することができる。このとき用いられる基板は、例えば、アルミナ系、シリカ系、チタン系等のセラミックス系材料、或いはSUSで構成することができる。また、電解質は、印刷によって薄膜化して基板上に形成することができる。
In the above embodiment, a plate-like electrolyte is used. However, a substrate may be disposed on the other surface of the electrolyte, and each electrolyte may be supported by this substrate. By doing so, even if the
また、インターコネクターは、上記のような印刷形成膜以外にも種々の構成をとることができ、例えばワイヤーによって電極間を接続することもでき、また、上記材料を網目状にしたメッシュ形状にすることもできる。 In addition, the interconnector can have various configurations other than the above-described printed film, for example, the electrodes can be connected to each other by a wire, and the above material is formed into a mesh shape. You can also
さらに、上記実施形態では、電極体の配置方法を図2のようにしているが、これに限定されるものではなく、燃料極と空気極とが一つおきに並ぶようにしてもよい。すなわち、図7に示すように、電極体Eを異極同士が隣接するように配置し、各電極3,5の間に仕切り部材11aを配置するようにすることもできる。そして、燃料極3が収容された空間Sに燃料ガスを導入し、空気極5が収容された空間Sに酸化剤ガスを導入すれば、上述した効果を得ることができる。
Furthermore, in the above embodiment, the electrode body is arranged as shown in FIG. 2, but the present invention is not limited to this, and every other fuel electrode and air electrode may be arranged. That is, as shown in FIG. 7, the electrode body E can be disposed so that the different poles are adjacent to each other, and the
この場合、隣接する電極体Eの間において異極同士が並ぶように配置されているため、電極体E内で発生する本来の起電力が相殺されるおそれがある。これに対しては、例えば、図8に示すように、電解質1を複数個に分離し、所定間隔をおいて基板2上に配置すればよい。そして、分離された各電解質1上に、電極体Eを1個ずつ配置する。また、隣接する電極体E間には、基板2上を通過するようにインターコネクター7を配置して接続する。こうすることにより、隣接する電極体Eの間には電解質が存在しないため、発電時の酸素イオンの流れを遮断することができる。その結果、起電力が相殺されるのを防止することができ、安定した出力を得ることができる。なお、電解質1は、上記のように印刷によって基板2上に形成することができる。或いは、板状の電解質1を分断し、所定間隔をおいて配置してもよい。
In this case, since the different polarities are arranged between the adjacent electrode bodies E, the original electromotive force generated in the electrode bodies E may be offset. For example, as shown in FIG. 8, the
1 電解質
3 燃料極
5 空気極
7 インターコネクター
11 隔壁部材
11a 仕切り部材
11b 蓋部材(連結部材)
DESCRIPTION OF
Claims (9)
燃料極及び空気極からなり、前記電解質の一方面に配置される少なくとも一つの電極体と、
前記電解質の一方面との間に前記電極を収容する空間を形成するとともに、前記燃料極及び空気極の間を仕切る隔壁部材と
を備え、
前記燃料極を収容する空間に燃料ガスが供給される一方、前記空気極を収容する空間に酸化剤ガスが供給される固体酸化物形燃料電池。 Electrolyte,
At least one electrode body comprising a fuel electrode and an air electrode and disposed on one surface of the electrolyte;
A space for accommodating the electrode between the one surface of the electrolyte and a partition member for partitioning the fuel electrode and the air electrode;
A solid oxide fuel cell in which a fuel gas is supplied to a space containing the fuel electrode, and an oxidant gas is supplied to a space containing the air electrode.
燃料極及び空気極からなり、前記電解質の一方面に配置される複数の電極体と、
前記複数の電極体を直列に接続するインターコネクターとを備え、
前記複数の電極体は、隣接する当該電極体間において同極同士が対向配置された状態で並んでおり、
前記電解質の一方面との間に前記電極を収容する空間を形成するとともに、前記各電極体における前記燃料極及び空気極の間を仕切る隔壁部材をさらに備え、
前記燃料極を収容する空間に燃料ガスが供給される一方、前記空気極を収容する空間に酸化剤ガスが供給される固体酸化物形燃料電池。 Electrolyte,
A plurality of electrode bodies composed of a fuel electrode and an air electrode and disposed on one surface of the electrolyte;
An interconnector for connecting the plurality of electrode bodies in series;
The plurality of electrode bodies are arranged in a state where the same poles are arranged opposite to each other between the adjacent electrode bodies,
A partition member for forming a space for accommodating the electrode between the one surface of the electrolyte and partitioning the fuel electrode and the air electrode in each electrode body is further provided,
A solid oxide fuel cell in which a fuel gas is supplied to a space containing the fuel electrode, and an oxidant gas is supplied to a space containing the air electrode.
前記隔壁部材は、前記燃料極及び空気極の間を仕切る仕切り部材と、前記各仕切り部材を連結する連結部材とを有しており、
前記インターコネクターは、前記電解質と仕切り部材との間に配置されている、請求項2から5のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。 The interconnector is formed on one surface of the electrolyte by printing,
The partition member includes a partition member that partitions the fuel electrode and the air electrode, and a connecting member that connects the partition members,
6. The solid oxide fuel cell according to claim 2, wherein the interconnector is disposed between the electrolyte and the partition member.
前記仕切り部材は、前記電解質の一方面と対向する端部に、前記インターコネクターが通過する切欠部を備えている、請求項2から5のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。 The partition member includes a partition member that partitions the fuel electrode and the air electrode, and a connecting member that connects the partition members,
6. The solid oxide fuel cell according to claim 2, wherein the partition member includes a notch through which the interconnector passes, at an end facing the one surface of the electrolyte. 7.
前記電解質の一方面には、前記仕切り部材と対向する位置に前記インターコネクターが通過する溝部が形成されている、請求項3から5のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。 The partition member includes a partition member that partitions the fuel electrode and the air electrode, and a connecting member that connects the partition members,
6. The solid oxide fuel cell according to claim 3, wherein a groove portion through which the interconnector passes is formed on one surface of the electrolyte at a position facing the partition member.
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KR100724120B1 (en) | 2006-08-18 | 2007-06-04 | 한국과학기술연구원 | Single solid oxide fuel cell with separation barrier and its manufacturing method |
JP2008060001A (en) * | 2006-09-01 | 2008-03-13 | Dainippon Printing Co Ltd | Single-cell solid oxide fuel cell and its stack structure |
JP2008282653A (en) * | 2007-05-10 | 2008-11-20 | Kyocera Corp | Horizontally-striped fuel cell and fuel cell |
JP2010086800A (en) * | 2008-09-30 | 2010-04-15 | Dainippon Printing Co Ltd | Solid-oxide fuel cell and method of manufacturing the same |
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