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JP2016038984A - Solid oxide electrochemical device - Google Patents

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JP2016038984A
JP2016038984A JP2014160456A JP2014160456A JP2016038984A JP 2016038984 A JP2016038984 A JP 2016038984A JP 2014160456 A JP2014160456 A JP 2014160456A JP 2014160456 A JP2014160456 A JP 2014160456A JP 2016038984 A JP2016038984 A JP 2016038984A
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JP
Japan
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air electrode
gas
fuel
solid oxide
channel
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JP2014160456A
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Japanese (ja)
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大 西島
Masaru Nishijima
大 西島
悦也 池田
Etsuya Ikeda
悦也 池田
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Niterra Co Ltd
Original Assignee
NGK Spark Plug Co Ltd
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  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid oxide electrochemical device, the power performance degradation of which can be suppressed by reducing toxification of an air electrode.SOLUTION: An air electrode insulation frame 23 for use in the fuel cell cassette 7 of a fuel cell 1 contains pollutants such as Si, and a pollution control layer 46 composed of GDC, for example, is formed on the surface (e.g., both principal surfaces) of the air electrode insulation frame 23. Consequently, even if the fuel gas passes around the air electrode insulation frame 23 and leaks to an air passage 35, outflow of the pollutants contained in the air electrode insulation frame 23 into the fuel gas can be suppressed. Since toxification of the air electrode 55 due to the pollutants contained in the fuel gas can be reduced, power performance degradation of the air electrode 55 can be suppressed.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は、例えば電解質体と空気極と燃料極とを有する固体酸化物形燃料電池や固体酸化物形電解装置などの固体酸化物形電気化学装置に関する。   The present invention relates to a solid oxide electrochemical device such as a solid oxide fuel cell or a solid oxide electrolytic device having an electrolyte body, an air electrode, and a fuel electrode.

従来、燃料電池として、例えば固体電解質(固体酸化物)を用いた固体酸化物形燃料電池(以下SOFCとも記す)が知られている。
このSOFCでは、発電単位として、例えば固体電解質層の一方の側に燃料極を設けるとともに、他方の側に酸化剤極(空気極)を設けた板状の単セルが知られている。
Conventionally, as a fuel cell, for example, a solid oxide fuel cell (hereinafter also referred to as SOFC) using a solid electrolyte (solid oxide) is known.
In this SOFC, as a power generation unit, for example, a plate-shaped single cell in which a fuel electrode is provided on one side of a solid electrolyte layer and an oxidant electrode (air electrode) is provided on the other side is known.

また、この種のSOFCでは、単セルを内部に収容した燃料電池セル(燃料電池カセット)が使用されており、更に、所望の電圧を得るために、複数の燃料電池カセットを積層した燃料電池スタック(セルスタック)が開発されている(特許文献1参照)。   In addition, in this type of SOFC, a fuel cell (fuel cell cassette) in which a single cell is accommodated is used, and in order to obtain a desired voltage, a fuel cell stack in which a plurality of fuel cell cassettes are stacked. (Cell stack) has been developed (see Patent Document 1).

上述した燃料電池カセットとしては、例えば図9に示すように、上下一対のインターコネクタP1、P2の間に、単セルP3を配置したものがあり、空気極P4側には酸化剤ガス(例えば空気、詳しくは酸素ガス)が供給される空気流路P5が設けられ、燃料極P6側には燃料ガス(例えば水素ガス)が供給される燃料流路P7が設けられている。   As the above-described fuel cell cassette, for example, as shown in FIG. 9, there is one in which a single cell P3 is disposed between a pair of upper and lower interconnectors P1, P2, and an oxidant gas (for example, air) is disposed on the air electrode P4 side. Specifically, an air flow path P5 to which oxygen gas is supplied is provided, and a fuel flow path P7 to which fuel gas (for example, hydrogen gas) is supplied is provided on the fuel electrode P6 side.

また、単セルP3の(平面方向における)周囲には、平面視で例えば四角枠状の枠部(隔壁部)P8が設けられており、この枠部P8には、積層方向(同図上下方向)に貫くように、酸化剤ガスの流路P9や燃料ガスの流路P10が設けられている。   Further, for example, a square frame-shaped frame portion (partition wall portion) P8 is provided around the single cell P3 (in the plane direction) in a plan view, and the frame portion P8 has a stacking direction (vertical direction in the figure). ), An oxidant gas flow path P9 and a fuel gas flow path P10 are provided.

この枠部P8は、例えば、マイカ製の空気極絶縁フレームP11と、(単セルP3が接合された)金属製のセパレータP12と、金属製の燃料極フレームP13と、マイカ製の燃料極絶縁フレームP14とが積層されたものである。   The frame portion P8 includes, for example, an air electrode insulating frame P11 made of mica, a metal separator P12 (to which the single cell P3 is joined), a metal fuel electrode frame P13, and a fuel electrode insulating frame made of mica. P14 is laminated.

従って、上述した燃料電池カセットでは、酸化剤ガスは、酸化剤ガスの流路(導入側の流路)P9を通り、空気極絶縁フレームP11に設けられた連通路(図示せず)を介して、空気流路P5に導入される。なお、図示しないが、発電後の酸化剤ガスは、空気流路P5から、他の連通路を介して他の酸化剤ガスの流路に排出される。   Therefore, in the above-described fuel cell cassette, the oxidant gas passes through the oxidant gas flow path (introduction-side flow path) P9 and through the communication path (not shown) provided in the air electrode insulating frame P11. , Introduced into the air flow path P5. Although not shown, the oxidant gas after power generation is discharged from the air flow path P5 to another oxidant gas flow path via another communication path.

一方、燃料ガスは、燃料ガスの流路(導入側の流路)P10を通り、燃料極絶縁フレームP14に設けられた連通路P15を介して、燃料流路P7に導入される。なお、図示しないが、発電後の燃料ガスは、燃料流路P7から、他の連通路を介して他の燃料ガスの流路に排出される。   On the other hand, the fuel gas passes through the fuel gas flow path (introduction-side flow path) P10 and is introduced into the fuel flow path P7 via the communication path P15 provided in the fuel electrode insulation frame P14. Although not shown, the fuel gas after power generation is discharged from the fuel flow path P7 to another fuel gas flow path via another communication path.

なお、燃料ガスとしては、通常、例えば天然ガス等の原料ガスを水蒸気を用いて改質した改質ガスが使用されており、この改質ガス中には水蒸気が含まれている。   As the fuel gas, for example, a reformed gas obtained by reforming a raw material gas such as natural gas with water vapor is usually used, and the reformed gas contains water vapor.

特開2013−51128号公報JP2013-51128A

しかしながら、上述した従来技術では、空気流路P5と燃料ガスの流路P10とは、枠部P8によって分離されているものの、若干の燃料ガスは、燃料ガスの流路P10から、枠部P8を構成する空気極絶縁フレームP11の周囲などを通って、空気流路P5に漏出(リーク)することがあった。なお、このリークするガスをクロスリークガスと称する。   However, in the above-described prior art, although the air flow path P5 and the fuel gas flow path P10 are separated by the frame portion P8, some fuel gas passes through the frame P8 from the fuel gas flow path P10. Leakage (leakage) may occur in the air flow path P5 through the surroundings of the air electrode insulating frame P11 constituting the structure. This leaking gas is referred to as cross leak gas.

また、このクロスリークガスは、扁平筒型や円筒型の単セルを備える固体酸化物形燃料電池の場合でも、燃料極に燃料ガスを供給する流路につながる連通路と空気極に接する酸化剤ガス流路とを隔てている部分にシール(例えば、ガラスシールやコンプレッションシール等)を備えている場合には発生することがある。   In addition, this cross leak gas is an oxidant that is in contact with the air passage and the communication path connected to the flow path for supplying the fuel gas to the fuel electrode, even in the case of a solid oxide fuel cell having a flat or cylindrical single cell. This may occur when a seal (for example, a glass seal or a compression seal) is provided at a portion separating the gas flow path.

更に、例えばマイカからなる空気極絶縁フレームP11には、通常、空気極P4を汚染する物質(例えばSiのような汚染物質)が含まれており、しかも、燃料ガスに水蒸気が含まれる場合には、Si等は水蒸気中に蒸散され易いので、燃料ガスのリークに伴ってこの汚染物質が空気流路P5にリークして、空気極P4が被毒される恐れがあった。   Further, the air electrode insulating frame P11 made of, for example, mica usually contains a substance that pollutes the air electrode P4 (for example, a pollutant such as Si), and when the fuel gas contains water vapor. Since Si and the like are easily evaporated in the water vapor, the pollutant leaks to the air flow path P5 along with the leak of the fuel gas, and the air electrode P4 may be poisoned.

これは、ガラスシールの場合も同様であり、ガラスに含まれるSiのような汚染物質によって、空気極P4が被毒される恐れがあった。
この空気極P4が被毒されると、電極性能(特に出力電圧)が低下するという問題があった。そして、この電極性能が低下すると、単セルP8の寿命(従って燃料電池の寿命)が短くなってしまう。
The same applies to the glass seal, and there is a possibility that the air electrode P4 is poisoned by contaminants such as Si contained in the glass.
When the air electrode P4 is poisoned, there is a problem that electrode performance (particularly, output voltage) is lowered. And when this electrode performance falls, the lifetime (hence the lifetime of a fuel cell) of the single cell P8 will become short.

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、空気極の被毒を低減して、電力性能が低下することを抑制できる固体酸化物形電気化学装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a solid oxide electrochemical device that can reduce poisoning of the air electrode and suppress a reduction in power performance. To do.

(1)本発明の第1態様の固体酸化物形電気化学装置は、空気極及び燃料極と、前記空気極と前記燃料極との間に配置された電解質体と、を有する単セルを備え、前記空気極に接するガスの流路である空気極流路と、前記燃料極に接するガスの流路である燃料極流路とを備えるとともに、前記空気極流路と前記燃料極流路とのガスの流路が分離された構造を有する固体酸化物形電気化学装置において、前記燃料極流路と連通する連通ガス流路と、前記連通ガス流路と前記空気極流路とを隔てる隔壁部と、を備え、前記隔壁部は、前記空気極を汚染する物質を含むシール部材を含み、前記シール部材のうち前記シール部材に隣接する他の部材に対向する面の少なくとも一部に、前記物質による前記空気極の被毒を防止する汚染防止層が形成されていることを特徴とする。   (1) The solid oxide electrochemical device according to the first aspect of the present invention includes a single cell having an air electrode and a fuel electrode, and an electrolyte body disposed between the air electrode and the fuel electrode. An air electrode channel that is a gas channel in contact with the air electrode, and a fuel electrode channel that is a gas channel in contact with the fuel electrode, and the air electrode channel and the fuel electrode channel. In a solid oxide electrochemical device having a structure in which the gas flow paths are separated, a communication gas flow path communicating with the fuel electrode flow path, and a partition wall separating the communication gas flow path and the air electrode flow path And the partition includes a seal member containing a substance that contaminates the air electrode, and at least part of a surface of the seal member that faces another member adjacent to the seal member, A contamination prevention layer is formed to prevent the air electrode from being poisoned by substances. And said that you are.

本第1態様では、燃料極に接するガス(以下燃料極側ガスと記すこともある)の流路である燃料極流路と連通する連通ガス流路と、その連通ガス流路と空気極に接するガス(以下空気極側ガスと記すこともある)の流路である空気極流路とを隔てる隔壁部と、を備えている。また、その隔壁部は、空気極を汚染する物質(以下汚染物質と称することもある)を含むシール部材を含んでおり、しかも、シール部材のうちシール部材に隣接する他の部材に対向する面の少なくとも一部には、汚染物質による空気極の被毒を防止する汚染防止層が形成されている。   In the first aspect, a communication gas flow path that communicates with a fuel electrode flow path that is a flow path of a gas that contacts the fuel electrode (hereinafter also referred to as fuel electrode side gas), and the communication gas flow path and the air electrode And a partition wall that separates an air electrode flow path that is a flow path of a gas in contact (hereinafter also referred to as an air electrode side gas). Further, the partition wall portion includes a seal member containing a substance that pollutes the air electrode (hereinafter also referred to as a pollutant), and the surface of the seal member that faces another member adjacent to the seal member. At least a part of the film is formed with a pollution prevention layer for preventing the poisoning of the air electrode by the pollutant.

従って、燃料極側ガスが、隔壁部を構成するシール部材の周囲等を通過して空気極流路に漏出(リーク)した場合でも、シール部材の表面に形成された汚染防止層によって、シール部材に含まれる汚染物質が、リークした燃料極側ガス中に蒸散や飛散等によって流出することを抑制できる。これにより、リークした燃料極側ガス中に含まれた汚染物質による空気極の被毒を低減できるので、空気極の電力性能(特に出力電圧)の低下を抑制できる。その結果、単セル、従って、固体酸化物形電気化学装置の寿命が延びる(即ち耐久性が向上する)という顕著な効果を奏する。   Therefore, even when the fuel electrode side gas leaks (leaks) into the air electrode flow path through the periphery of the seal member constituting the partition wall portion, the seal member is formed by the contamination prevention layer formed on the surface of the seal member. Can be prevented from flowing out into the leaked fuel electrode side gas due to transpiration or scattering. Thereby, since the poisoning of the air electrode due to the pollutant contained in the leaked fuel electrode side gas can be reduced, it is possible to suppress a decrease in the power performance (particularly the output voltage) of the air electrode. As a result, there is a remarkable effect that the life of the single cell, and thus the solid oxide electrochemical device is extended (that is, the durability is improved).

なお、汚染防止層は、「燃料極側ガス(特に水蒸気を含む燃料極側ガス)によって、汚染物質がシール部材中から外部に流出すること」を抑制する機能を有しているので、シール部材の表面に形成する汚染防止層の面積は、広い方が好ましい。例えば他の部材に対向する面の全面を全て覆うように形成することが望ましい。   In addition, since the pollution prevention layer has a function which suppresses "a pollutant flows out from the inside of a sealing member by fuel electrode side gas (especially fuel electrode side gas containing water vapor | steam)", a sealing member The area of the contamination prevention layer formed on the surface is preferably wider. For example, it is desirable to form so as to cover the entire surface facing the other member.

また、前記汚染物質としては、例えば、Si、アルカリ元素(例えばK、Na)、S、Cr、B、Clや、それらを含有する物質(例えばそれらの化合物)、炭化物系アルコール等の炭素系化合物が挙げられる。   Examples of the pollutants include Si, alkali elements (eg, K, Na), S, Cr, B, Cl, substances containing them (eg, those compounds), and carbon-based compounds such as carbide alcohols. Is mentioned.

具体的には、S系化合物としては、SOx、Si系化合物としては、シロキサン、炭化物系化合物としては、CH、CHO、CH1634(ジエチレングリコールモノドデシルエーテルなどが挙げられる。 Specifically, SO-based compounds include SOx, Si-based compounds include siloxane, and carbide-based compounds include CH 3 H 6 , CH 4 O, and CH 16 H 34 O 3 (diethylene glycol monododecyl ether). It is done.

(2)本発明の第2態様の固体酸化物形電気化学装置では、前記シール部材の前記連通ガス流路側の表面及び前記空気極流路側の表面の少なくとも一方に、前記汚染防止層が形成されている。   (2) In the solid oxide electrochemical device according to the second aspect of the present invention, the contamination prevention layer is formed on at least one of the surface on the communication gas flow path side and the surface on the air electrode flow path side of the seal member. ing.

本第2態様では、シール部材において、他の部材に対向する面だけではなく、更に、シール部材の連通ガス流路側の表面及び空気極流路側の表面の少なくとも一方に、汚染防止層が形成されているので、シール部材に含まれる汚染物質の外部(詳しくは空気極流路側)への流出をより効果的に抑制できる。   In the second aspect, in the seal member, a contamination prevention layer is formed not only on the surface facing the other member but also on at least one of the surface on the communication gas flow path side and the surface on the air electrode flow path side of the seal member. Therefore, the outflow of the contaminant contained in the seal member to the outside (specifically, the air electrode channel side) can be more effectively suppressed.

(3)本発明の第3態様の固体酸化物形電気化学装置では、前記シール部材の表面全体を覆うように、前記汚染防止層が形成されている。
本第3態様では、シール部材の表面全体を覆うように、汚染防止層が形成されているので、シール部材に含まれる汚染物質の外部(詳しくは空気流路側)への流出をより一層効果的に抑制できる。
(3) In the solid oxide electrochemical device according to the third aspect of the present invention, the contamination prevention layer is formed so as to cover the entire surface of the seal member.
In the third aspect, since the contamination prevention layer is formed so as to cover the entire surface of the seal member, the outflow of the contaminant contained in the seal member to the outside (specifically, the air flow path side) is more effective. Can be suppressed.

(4)本発明の第4態様の固体酸化物形電気化学装置は、板状の前記単セルを積層したスタック構造を有し、前記連通ガス流路は、前記積層した方向に延びるように配置されて前記隔壁部を介して前記空気極流路と隣接しており、前記シール部材は、板状であって、前記シール部材の両主面の少なくとも一方に、前記汚染防止層が形成されている。   (4) The solid oxide electrochemical device according to the fourth aspect of the present invention has a stack structure in which the plate-like single cells are stacked, and the communication gas flow path is arranged to extend in the stacked direction. And is adjacent to the air electrode channel through the partition wall, the seal member is plate-shaped, and the contamination prevention layer is formed on at least one of both main surfaces of the seal member. Yes.

本第4態様では、固体酸化物形電気化学装置の構成を例示しており、本発明は、このような構成の装置に好適に適用できる。
(5)本発明の第5態様の固体酸化物形電気化学装置では、前記汚染防止層は、アルミナ、GDC、SDC、ジルコニア、ZnO、及びCuOの少なくとも1種を含む材料からなる。
In the fourth aspect, the configuration of the solid oxide electrochemical device is illustrated, and the present invention can be suitably applied to the device having such a configuration.
(5) In the solid oxide electrochemical device according to the fifth aspect of the present invention, the contamination prevention layer is made of a material containing at least one of alumina, GDC, SDC, zirconia, ZnO, and CuO.

本第5態様では、汚染防止層は、空気極を汚染しにくい、アルミナ、GDC(ガドリニウム ドープセリア)、SDC(サマリウム ドープセリア)、ジルコニア、ZnO、及びCuOの少なくとも1種を含む材料からなるので、好適に空気極の汚染を防止できる。   In the fifth aspect, the contamination prevention layer is preferably made of a material that hardly contaminates the air electrode and includes at least one of alumina, GDC (gadolinium doped ceria), SDC (samarium doped ceria), zirconia, ZnO, and CuO. In addition, contamination of the air electrode can be prevented.

このうち、GDCは、汚染物質であるSi等を捕集する機能に優れており、Si等の流出を効果的に抑制できる。
なお、汚染防止層は、上述した材料を主成分とすることが好ましく、更に、上述した材料から構成されると一層好適である。
Among these, GDC is excellent in the function of collecting contaminants such as Si, and can effectively suppress the outflow of Si and the like.
In addition, it is preferable that a contamination prevention layer has the above-mentioned material as a main component, and it is still more suitable when comprised from the material mentioned above.

また、シール部材にSi等の汚染物質が含まれると、その汚染物質によって空気極が被毒され易いので、汚染防止層はシール部材よりも汚染物質の含有量が少ないことが好ましく、特に汚染物質を含まないことが最も好ましい。   Further, if the sealing member contains contaminants such as Si, the air electrode is easily poisoned by the contaminants. Therefore, the contamination prevention layer preferably has a lower content of contaminants than the sealing member. Most preferably it does not contain.

(6)本発明の第6態様の固体酸化物形電気化学装置では、前記シール部材は、弾性体である。
本第6態様では、シール部材は弾性体であるので、前記他の部材等でシール部材を押圧することによって、好適にガスの漏出を抑制できる(ガスシールできる)。
(6) In the solid oxide electrochemical device according to the sixth aspect of the present invention, the seal member is an elastic body.
In the sixth aspect, since the sealing member is an elastic body, gas leakage can be suitably suppressed (gas sealing can be performed) by pressing the sealing member with the other member or the like.

つまり、シール部材は、コンプレッションシール材として用いることができる。
なお、シール部材の弾性としては、前記他の部材より弾性の程度が大きいもの(例えばヤング率が大きなもの)を採用できる。
That is, the seal member can be used as a compression seal material.
As the elasticity of the seal member, one having a higher degree of elasticity than the other members (for example, one having a large Young's modulus) can be employed.

(7)本発明の第7態様の固体酸化物形電気化学装置では、前記シール部材は、マイカ又はバーミキュライトからなる。
本第7態様は、シール部材として使用される材料(例えばセラミックガスケット)を例示したものである。マイカ又はバーミキュライトは、弾性に富むとともに、耐熱性が高く、高温下(例えば500℃〜900℃の範囲)でも好適にガスシールを行うことができる。
(7) In the solid oxide electrochemical device according to the seventh aspect of the present invention, the seal member is made of mica or vermiculite.
The seventh aspect exemplifies a material (for example, a ceramic gasket) used as a seal member. Mica or vermiculite is rich in elasticity, has high heat resistance, and can be suitably gas-sealed even at high temperatures (for example, in the range of 500 ° C. to 900 ° C.).

ここで、マイカ(雲母)とは、層状ケイ酸塩鉱物の一種であり、主成分は、SiO・Al・KO及び結晶水である。
なお、一般的なマイカの化学組成は、IM2−31−010Aで表される。ここで、Iは主として、K、Na、Caであり、Mは主として、Al、Mg、Fe、Li、Tiであり、□は空孔で、Tは主として、Si、Al、Fe、Aは主として、OHである。なお、マイカには、通常、前記化学式の成分に加え、微量な例えばエポキシ系化合物やシリコン系化合物からなる接着剤成分が存在する。
Here, mica (mica) is a kind of layered silicate mineral, and the main components are SiO 2 · Al 2 O 3 · K 2 O and crystal water.
In addition, the chemical composition of general mica is represented by IM 2-31-0 T 4 O 10 A. Here, I is mainly K, Na, Ca, M is mainly Al, Mg, Fe, Li, Ti, □ is a void, T is mainly Si, Al, Fe, A is mainly. , OH. Note that mica usually contains a small amount of an adhesive component made of, for example, an epoxy compound or a silicon compound in addition to the component of the chemical formula.

また、弾性体のマイカとしては、硬質マイカであるKを主成分としたマスコバイト[KAl(SiAl)O10(OH)]や、軟質マイカであるMgを主成分としたフロゴパイト[KMg(SiAl)O10(OH)]が挙げられるが、このうち、軟質マイカは、耐熱性(耐熱分解性)に優れているので、高温で運転される燃料電池に使用される。 In addition, as elastic mica, muscovite [KAl 2 (Si 3 Al) O 10 (OH) 2 ] mainly composed of hard mica K and phlogopite mainly composed of soft mica Mg [ KMg 3 (Si 3 Al) O 10 (OH) 2 ], among which soft mica is excellent in heat resistance (heat decomposability), and is therefore used in fuel cells operated at high temperatures. .

なお、バーミキュライトとは、周知のように、原料の蛭石を加熱し焼結処理して得られるものである。
(8)本発明の第8態様の固体酸化物形電気化学装置は、酸化剤ガスと燃料ガスとを用いて発電を行う燃料電池であり、前記空気極流路に酸化剤ガスを供給するとともに、前記燃料極流路に前記連通ガス流路を介して燃料ガスを供給する構成を有する。
As is well known, vermiculite is obtained by heating and sintering a raw material meteorite.
(8) The solid oxide electrochemical device according to the eighth aspect of the present invention is a fuel cell that generates power using an oxidant gas and a fuel gas, and supplies the oxidant gas to the air electrode channel. The fuel electrode channel is configured to supply fuel gas via the communication gas channel.

本第8態様は、固体酸化物形電気化学装置として、酸化剤ガスと燃料ガスとを用いて発電を行う燃料電池(固体酸化物形燃料電池:SOFC)を例示したものである。
燃料電池に本発明を適用することにより、燃料ガスが隔壁部からリークして空気極に到達した場合でも、空気極の被毒を抑制することができる。それにより、空気極の電極性能の低下を抑制でき、よって、燃料電池の耐久性を高めることができる。
The eighth aspect exemplifies a fuel cell (solid oxide fuel cell: SOFC) that generates power using an oxidant gas and a fuel gas as a solid oxide electrochemical device.
By applying the present invention to the fuel cell, poisoning of the air electrode can be suppressed even when fuel gas leaks from the partition wall and reaches the air electrode. Thereby, it is possible to suppress a decrease in the electrode performance of the air electrode, and thus it is possible to improve the durability of the fuel cell.

なお、前記燃料ガスとは、燃料となる還元剤(例えば水素)を含むガスを示し、酸化剤ガスとは、酸化剤(例えば酸素)を含むガス(例えば空気)を示している。
この燃料ガスとしては、水素ガス、又は、各種の原料ガスから(例えば水蒸気によって水素リッチにする)改質によって得られる改質ガスが挙げられる。なお、原料ガスとしては、例えば天然ガス(例えばLNG)、都市ガス、LPG、灯油、メタノール、バイオメタノールなどを採用できる。
The fuel gas indicates a gas containing a reducing agent (for example, hydrogen) serving as a fuel, and the oxidant gas indicates a gas (for example, air) containing an oxidant (for example, oxygen).
Examples of the fuel gas include hydrogen gas or a reformed gas obtained by reforming various raw material gases (for example, hydrogen-rich with steam). In addition, as source gas, natural gas (for example, LNG), city gas, LPG, kerosene, methanol, biomethanol, etc. are employable, for example.

また、燃料電池としては、例えば、ZrO系セラミックなどを電解質とする固体酸化物形燃料電池(SOFC)、高分子電解質膜を電解質とする固体高分子形燃料電池(PEFC)、Li−Na/K系炭酸塩を電解質とする溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)、リン酸を電解質とするリン酸形燃料電池(PAFC)などの燃料電池が挙げられる。 Examples of the fuel cell include a solid oxide fuel cell (SOFC) having a ZrO 2 ceramic as an electrolyte, a solid polymer fuel cell (PEFC) having a polymer electrolyte membrane as an electrolyte, Li-Na / Examples of the fuel cell include a molten carbonate fuel cell (MCFC) using K-based carbonate as an electrolyte and a phosphoric acid fuel cell (PAFC) using phosphoric acid as an electrolyte.

(9)本発明の第9態様の固体酸化物形電気化学装置は、原料ガスを電解して電解ガスを生成する電解装置であり、前記燃料極流路に前記連通ガス流路を介して原料ガスを供給し、前記空気極と前記燃料極との間に電圧を印加することによって、前記空気極側にて第1電解ガスを発生させるとともに、燃料極側にて第2電解ガスを発生させる構成を有する。   (9) The solid oxide electrochemical device according to the ninth aspect of the present invention is an electrolytic device that electrolyzes a raw material gas to generate an electrolytic gas, and the raw material is provided in the fuel electrode passage through the communication gas passage. By supplying a gas and applying a voltage between the air electrode and the fuel electrode, a first electrolytic gas is generated on the air electrode side and a second electrolytic gas is generated on the fuel electrode side. It has a configuration.

本第9態様は、固体酸化物形電気化学装置として、原料ガスを電解して電解ガスを生成する電解装置(固体酸化物形電解装置:SOEC)を例示したものである。
電解装置に本発明を適用することにより、原料ガスが隔壁部からリークして空気極に到達した場合でも、空気極の被毒を抑制することができる。それにより、電解装置の耐久性を高めることができる。
The ninth aspect exemplifies an electrolytic device (solid oxide electrolytic device: SOEC) that electrolyzes a raw material gas to generate an electrolytic gas as a solid oxide electrochemical device.
By applying the present invention to the electrolyzer, poisoning of the air electrode can be suppressed even when the source gas leaks from the partition wall and reaches the air electrode. Thereby, durability of an electrolyzer can be improved.

なお、前記原料ガスとしては、水蒸気や炭化水素ガスが挙げられる。例えば炭化水素ガスとしては、前記原料ガスと同様なガス、例えば、天然ガス(例えばLNG)、都市ガス、LPG、灯油、メタノール、バイオメタノールなどが挙げられる。また、第1電解ガスとしては、酸素ガスが挙げられ、第2電解ガスとしては、水素ガスが挙げられる。   In addition, as said raw material gas, water vapor | steam and hydrocarbon gas are mentioned. For example, examples of the hydrocarbon gas include the same gases as the source gas, such as natural gas (for example, LNG), city gas, LPG, kerosene, methanol, biomethanol, and the like. Moreover, oxygen gas is mentioned as 1st electrolysis gas, Hydrogen gas is mentioned as 2nd electrolysis gas.

実施例1の燃料電池(燃料電池スタック)の斜視図である。1 is a perspective view of a fuel cell (fuel cell stack) of Example 1. FIG. 燃料電池スタックを積層方向に破断して示す(即ち図1のA−A断面を示す)断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing a fuel cell stack cut away in the stacking direction (that is, showing the AA cross section of FIG. 1). 燃料電池カセットを分解して示す斜視図である。It is a perspective view which decomposes | disassembles and shows a fuel cell cassette. 燃料電池カセットを積層方向に破断し、拡大してその一部を示す(即ち図1のA−A断面の一部を示す)断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of a fuel cell cassette broken in the stacking direction and enlarged to show a part thereof (that is, a part of the AA cross section of FIG. 1). 汚染防止層を備えた空気極絶縁フレームを示し、(a)はその平面図、(b)は(a)のB−B断面を示す断面図、(c)は(a)のC−C断面を示す断面図である。1 shows an air electrode insulating frame provided with a contamination prevention layer, wherein (a) is a plan view thereof, (b) is a sectional view showing a BB section of (a), and (c) is a CC section of (a). FIG. セパレータに接合された単セルを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the single cell joined to the separator. 実施例2の燃料電池に用いられる汚染防止層を備えた空気極絶縁フレームを、積層方向(厚み方向)に沿って破断し、その一部を拡大して示す断面図である。It is sectional drawing which fractures | ruptures the air electrode insulation frame provided with the pollution prevention layer used for the fuel cell of Example 2 along the lamination direction (thickness direction), and expands one part. 実施例3の電解装置における電解カセットを積層方向に破断し、拡大してその一部を示す(即ち図1のA−A断面に相当する一部を示す)断面図である。It is sectional drawing which fractures | ruptures the electrolysis cassette in the electrolysis apparatus of Example 3 in the lamination direction, expands, and shows a part (namely, showing a part corresponding to the AA cross section of FIG. 1). 従来技術の説明図である。It is explanatory drawing of a prior art.

以下、本発明が適用された固体酸化物形電気化学装置として、燃料電池及び電解装置を例に挙げて説明する。   Hereinafter, a fuel cell and an electrolysis device will be described as examples of a solid oxide electrochemical device to which the present invention is applied.

本実施例1では、燃料電池として、固体酸化物形燃料電池を例に挙げて説明する。なお、以下では、固体酸化物形を省略する。
a)まず、本実施例1の燃料電池の概略構成について説明する。
In the first embodiment, a solid oxide fuel cell will be described as an example of the fuel cell. In the following, the solid oxide form is omitted.
a) First, the schematic configuration of the fuel cell of Example 1 will be described.

図1に示す様に、本実施例1の燃料電池1は、燃料ガス(例えば水素)と酸化剤ガス(例えば空気、詳しくは空気中の酸素)との供給を受けて発電を行う装置である。なお、図面においては、酸化剤ガスは「O」で示し、燃料ガスは「F」で示す。また、「IN」はガスが導入されることを示し、「OUT」はガスが排出されることを示す(以下同様)。   As shown in FIG. 1, the fuel cell 1 according to the first embodiment is a device that generates power by receiving supply of a fuel gas (for example, hydrogen) and an oxidant gas (for example, air, specifically oxygen in the air). . In the drawings, the oxidant gas is indicated by “O”, and the fuel gas is indicated by “F”. “IN” indicates that gas is introduced, and “OUT” indicates that gas is discharged (the same applies hereinafter).

この燃料電池1は、図1の上下方向の両端に配置されたエンドプレート3、5と、その間に配置された層状(板状)の複数(例えば20段)の燃料電池セル7(以下燃料電池カセットと記す)とが積層された燃料電池スタックである。   The fuel cell 1 includes end plates 3 and 5 disposed at both ends in the vertical direction of FIG. 1 and a plurality of (for example, 20 stages) fuel cell cells 7 (hereinafter referred to as fuel cells) disposed between the end plates 3 and 5. (Referred to as cassette).

エンドプレート3、5及び各燃料電池カセット7には、それらを積層方向(図1の上下方向)に貫く複数(例えば8個)の貫通孔9a、9b、9c、9d、9e、9f、9g、9h(9と総称する)が設けられている。   The end plates 3 and 5 and each fuel cell cassette 7 include a plurality of (for example, eight) through holes 9a, 9b, 9c, 9d, 9e, 9f, 9g that penetrate them in the stacking direction (vertical direction in FIG. 1), 9h (collectively referred to as 9) is provided.

そして、各貫通孔9に配置された各ボルト11a、11b、11c、11d、11e、11f、11g、11h(11と総称する)と各ボルト11に螺合する各ナット13とによって、エンドプレート3、5と各燃料電池カセット7とが一体に固定されている。   The end plate 3 is constituted by the bolts 11a, 11b, 11c, 11d, 11e, 11f, 11g, 11h (collectively referred to as 11) arranged in the through holes 9 and the nuts 13 screwed into the bolts 11. 5 and each fuel cell cassette 7 are fixed integrally.

また、ボルト11のうちの特定(4本)のボルト11b、11d、11f、11hには、軸方向(図1の上下方向)に沿って、酸化剤ガス又は燃料ガスが流れる内部流路15b、15d、15f、15h(15と総称する)が形成されている。   Further, specific (four) bolts 11b, 11d, 11f, and 11h among the bolts 11 have internal flow passages 15b through which an oxidant gas or a fuel gas flows along the axial direction (vertical direction in FIG. 1), 15d, 15f, and 15h (collectively referred to as 15) are formed.

更に、前記各ボルト11b、11d、11f、11hには、各ボルト11b、11d、11f、11hが貫挿される各貫通孔9b、9d、9f、9hと各内部流路15とがそれぞれ連通するように、各ガスの通過が可能な連通孔(図示せず)が設けられている。   Further, the through holes 9b, 9d, 9f, 9h through which the bolts 11b, 11d, 11f, 11h are inserted and the internal flow paths 15 communicate with the bolts 11b, 11d, 11f, 11h, respectively. In addition, a communication hole (not shown) through which each gas can pass is provided.

なお、ボルト11bの内部流路15b及び貫通孔9bは燃料ガスの排出に用いられ、ボルト11dの内部流路15d及び貫通孔9dは酸化剤ガスの排出に用いられ、ボルト11fの内部流路15f及び貫通孔9fは燃料ガスの導入に用いられ、ボルト11hの内部流路15h及び貫通孔9hは酸化剤ガスの導入に用いられる。   The internal flow path 15b and the through hole 9b of the bolt 11b are used for discharging the fuel gas, the internal flow path 15d and the through hole 9d of the bolt 11d are used for discharging the oxidant gas, and the internal flow path 15f of the bolt 11f. The through hole 9f is used for introducing fuel gas, and the internal flow path 15h of the bolt 11h and the through hole 9h are used for introducing oxidant gas.

ここで、図2に示すように、燃料電池1を積層方向に貫く燃料ガスの流路、即ち、ボルト11bの内部流路15b及び貫通孔9bからなる流路と、ボルト11fの内部流路15f及び貫通孔9fからなる流路が、本発明の連通ガス流路に該当する。   Here, as shown in FIG. 2, the flow path of the fuel gas that penetrates the fuel cell 1 in the stacking direction, that is, the flow path including the internal flow path 15b and the through hole 9b of the bolt 11b, and the internal flow path 15f of the bolt 11f. And the flow path consisting of the through holes 9f corresponds to the communication gas flow path of the present invention.

b)次に、燃料電池カセット7の構成について、詳しく説明する。
図3及び図4に示すように、燃料電池カセット7は、金属製のインターコネクタ21と、空気極絶縁フレーム23と、金属製のセパレータ25と、金属製の燃料極フレーム27と、燃料極絶縁フレーム29と、金属製のインターコネクタ31等が積層されたものである。
b) Next, the configuration of the fuel cell cassette 7 will be described in detail.
As shown in FIGS. 3 and 4, the fuel cell cassette 7 includes a metal interconnector 21, an air electrode insulating frame 23, a metal separator 25, a metal fuel electrode frame 27, and a fuel electrode insulation. A frame 29, a metal interconnector 31 and the like are laminated.

このうち、セパレータ25には、後述するように、固体電解質層51と燃料極53と空気極55とが積層された単セル33(図4参照)が接合されている。
なお、積層された各部材21〜31には、各ボルト11が挿通される各貫通孔9が形成されている。
Among these, a single cell 33 (see FIG. 4) in which a solid electrolyte layer 51, a fuel electrode 53, and an air electrode 55 are laminated is joined to the separator 25, as will be described later.
Each of the stacked members 21 to 31 is formed with each through hole 9 through which each bolt 11 is inserted.

以下、各構成について、更に詳しく説明する。
インターコネクタ21、31は、導電性を有する板材(例えばSUS430等のステンレス鋼等の金属板)からなる。このインターコネクタ21、31は、単セル33間の導通を確保し、且つ、単セル33間(従って燃料電池カセット7間)でのガスの混合を防止するものである。
Hereinafter, each configuration will be described in more detail.
The interconnectors 21 and 31 are made of a conductive plate material (for example, a metal plate such as stainless steel such as SUS430). The interconnectors 21 and 31 ensure conduction between the single cells 33 and prevent gas mixing between the single cells 33 (and thus between the fuel cell cassettes 7).

図4に示すように、インターコネクタ21、31の空気極55側(図4下側)の表面には、空気極55に接触するように、空気極55側に突出する凸部である多数の空気極集電体37が構成されている。この空気極集電体37は、平面視で縦横に複数列(格子状に)配置されている。   As shown in FIG. 4, the surface of the interconnectors 21, 31 on the air electrode 55 side (lower side in FIG. 4) has a number of convex portions protruding toward the air electrode 55 side so as to contact the air electrode 55. An air electrode current collector 37 is configured. The air electrode current collectors 37 are arranged in a plurality of rows (in a lattice pattern) vertically and horizontally in a plan view.

つまり、インターコネクタ21、31と空気極55との間において、空気極絶縁フレーム23の枠内には、酸化剤ガスが流れる空気流路35が設けられており、この空気流路35内に多数の空気極集電体37が間隔をあけて配置されている。これにより、酸化剤ガス、平面視で各空気極集電体37の周囲を通過することができる。   That is, between the interconnectors 21, 31 and the air electrode 55, an air flow path 35 through which an oxidant gas flows is provided in the frame of the air electrode insulating frame 23. Air electrode current collectors 37 are arranged at intervals. Accordingly, the oxidant gas can pass around each air electrode current collector 37 in a plan view.

同様に、インターコネクタ21、31の燃料極53側(図4上側)の表面には、燃料極53に接触するように、燃料極53側に突出する凸部である多数の燃料極集電体41が構成されている。この燃料極集電体41は、平面視で縦横に複数列(格子状に)配置されている(図3参照)。   Similarly, on the surface of the interconnectors 21, 31 on the fuel electrode 53 side (the upper side in FIG. 4), a number of fuel electrode current collectors that are convex portions protruding toward the fuel electrode 53 side so as to contact the fuel electrode 53. 41 is configured. The fuel electrode current collectors 41 are arranged in a plurality of rows (in a lattice pattern) vertically and horizontally in a plan view (see FIG. 3).

つまり、インターコネクタ21、31と燃料極53との間において、燃料極絶縁フレーム29の枠内には、燃料ガスが流れる燃料流路39が設けられ、この燃料流路39内に多数の燃料極集電体41が間隔をあけて配置されている。これにより、燃料ガスは、平面視で各燃料極集電体41の周囲を通過することができる。   That is, between the interconnectors 21, 31 and the fuel electrode 53, a fuel flow path 39 through which fuel gas flows is provided in the frame of the fuel electrode insulating frame 29, and a number of fuel electrodes are provided in the fuel flow path 39. Current collectors 41 are arranged at intervals. Thereby, fuel gas can pass the circumference | surroundings of each anode current collector 41 by planar view.

なお、空気流路35における空気の流れる方向は図4の紙面と垂直方向であり、燃料流路39における燃料ガスの流れる方向は図4の左右方向(左から右)である。
また、図示しないが、エンドプレート3、5の内側(単セル33側)の表面にも、前記インターコネクタ21、31と同様に、内側に突出するように、空気極集電体37又は燃料極集電体41を備えている。
The air flow direction in the air flow path 35 is perpendicular to the paper surface of FIG. 4, and the fuel gas flow direction in the fuel flow path 39 is the left-right direction (left to right) in FIG.
Further, although not shown, the air electrode current collector 37 or the fuel electrode is also projected on the inner surface (on the unit cell 33 side) of the end plates 3 and 5 so as to protrude inward, like the interconnectors 21 and 31. A current collector 41 is provided.

なお、本実施例1では、インターコネクタ21、31やエンドプレート3、5と一体に、空気極集電体37又は燃料極集電体41を設けたが、インターコネクタ21、31やエンドプレート3、5とは別体の、周知の各種の空気極集電体や燃料極集電体を用いてもよい。   In the first embodiment, the air electrode current collector 37 or the fuel electrode current collector 41 is provided integrally with the interconnectors 21 and 31 and the end plates 3 and 5, but the interconnectors 21 and 31 and the end plate 3 are provided. Various known air electrode current collectors and fuel electrode current collectors separate from 5 may be used.

図3に戻り、空気極絶縁フレーム23は、電気絶縁性を有する四角枠状の厚みが例えば1mmの板材であり、軟質マイカからなるマイカフレームである。なお、空気極絶縁フレーム23は、軟質マイカからなる弾性体であるので、ボルト11及びナット13によって押圧されてコンプレッションシールとして機能する。   Returning to FIG. 3, the air electrode insulating frame 23 is a mica frame made of soft mica, which is a plate material having a square frame thickness of 1 mm, for example, having electrical insulation properties. Since the air electrode insulating frame 23 is an elastic body made of soft mica, it is pressed by the bolt 11 and the nut 13 and functions as a compression seal.

前記空気極絶縁フレーム23には、(平面視で)その中央部に、空気流路35を構成する方形の開口部23aが形成されている。なお、この空気極絶縁フレーム23中には、汚染物質であるSi等が含まれている。   The air electrode insulating frame 23 is formed with a square opening 23a constituting an air flow path 35 at the center thereof (in plan view). The air electrode insulating frame 23 contains contaminants such as Si.

また、空気極絶縁フレーム23において、一対の貫通孔9(9d、9h)が設けられた各辺の枠部分には、各貫通孔9と連通するように、それぞれ長尺の連通孔43d、43hが設けられている。更に、空気極絶縁フレーム23には、各連通孔43d、43hと開口部23aとを連通するように、空気が通過する部分(連通部)として、複数の溝45d、45hが設けられている。   Further, in the air electrode insulating frame 23, the long side communication holes 43 d and 43 h are respectively connected to the frame portions on each side where the pair of through holes 9 (9 d and 9 h) are provided so as to communicate with the respective through holes 9. Is provided. Further, the air electrode insulating frame 23 is provided with a plurality of grooves 45d and 45h as portions (communication portions) through which air passes so that the communication holes 43d and 43h communicate with the opening 23a.

特に本実施例1では、図4及び図5に示すように、空気極絶縁フレーム23の両主面に、詳しくは空気極絶縁フレーム23の厚み方向(図4の上下方向)の両面側に、空気極絶縁フレーム23中のSi等の汚染物質が外部に流出することを防止する汚染防止層46a、46b(46と総称する)が形成されている。   In particular, in the first embodiment, as shown in FIGS. 4 and 5, on both main surfaces of the air electrode insulating frame 23, specifically on both sides in the thickness direction (vertical direction in FIG. 4) of the air electrode insulating frame 23, Contamination prevention layers 46a and 46b (collectively referred to as 46) for preventing contaminants such as Si in the air electrode insulating frame 23 from flowing out are formed.

この汚染防止層46は、厚さ5μm〜100μmの範囲(例えば20μm)であり、両主面の全面(詳しくは対向する部材と密着する表面)を覆うように形成されている。
汚染防止層46の材料としては、例えば、Si等の汚染物質は含まれていない材料を用いる。なお、汚染防止層46の材料としては、空気極絶縁フレーム23中のSi等の汚染物質の含有量より汚染物質の含有量の少ない材料を使用することもできる。
The contamination prevention layer 46 has a thickness in the range of 5 μm to 100 μm (for example, 20 μm), and is formed so as to cover the entire surface of both main surfaces (specifically, the surface in close contact with the opposing member).
As a material of the contamination prevention layer 46, for example, a material that does not contain a contaminant such as Si is used. As a material for the contamination prevention layer 46, a material having a contaminant content smaller than that of a contaminant such as Si in the air electrode insulating frame 23 may be used.

具体的には、ここでは、例えばGDCを用いるが、GDCを一部含む材料(例えば主成分とする材料)を用いてもよい。また、アルミナ、SDC、ジルコニア、ZnO、及びCuOの少なくとも1種、或いは、その1種を含む材料を用いてもよい。   Specifically, for example, GDC is used here, but a material partially including GDC (for example, a material having a main component) may be used. Alternatively, at least one of alumina, SDC, zirconia, ZnO, and CuO, or a material containing the one may be used.

図3に戻り、セパレータ25は、四角枠状の導電性を有する板材(例えばSUS430等のステンレス鋼等の金属板)である。このセパレータ25には、図6に示すように、その中央部の方形の開口部25aに沿った内周縁部(下面側)に、単セル33の外周縁部(上面側)がろう付け接合されている。つまり、単セル33は、セパレータ25の開口部25aを閉塞するように接合されている。   Returning to FIG. 3, the separator 25 is a plate material having a rectangular frame shape (for example, a metal plate such as stainless steel such as SUS430). As shown in FIG. 6, the outer peripheral edge portion (upper surface side) of the single cell 33 is brazed and joined to the separator 25 at the inner peripheral edge portion (lower surface side) along the square opening 25a at the center. ing. That is, the single cell 33 is joined so as to close the opening 25 a of the separator 25.

ここで、前記単セル33について説明する。
単セル33は、いわゆる燃料極支持膜形タイプの構造を有しており、薄膜の固体電解質層51と、その一方の側(図6の下方)に形成された燃料極(アノード)53と、他方の側(図5の上方)に形成された薄膜の空気極(カソード)55とが一体に積層されたものである。
Here, the single cell 33 will be described.
The unit cell 33 has a so-called fuel electrode support membrane type structure, a thin-film solid electrolyte layer 51, and a fuel electrode (anode) 53 formed on one side thereof (downward in FIG. 6), A thin film air electrode (cathode) 55 formed on the other side (upper side in FIG. 5) is laminated integrally.

なお、平面視で空気極55は固体電解質層51より小さい(内側にある)ので、セパレータ25は、固体電解質層51の外周縁部の上面に接合されている。
空気極55は多孔質の層であり、この空気極55を構成する材料としては、金属、金属の酸化物、金属の複合酸化物を挙げることができる。金属としては、Pt、Au、Ag、Pd、Ir、Ru等の金属やそれらの合金が挙げられる。金属の酸化物としては、La、Sr、Ce、Co、Mn、Fe等の酸化物、例えばLa、SrO、Ce、Co、MnO、FeOが挙げられる。複合酸化物としては、La、Pr、Sm、Sr、Ba、Co、Fe、Mn等を含有する複合酸化物(La1−xSrCoO系複合酸化物、La1−xSrFeO系複合酸化物、La1−xSrCo1−yFe系複合酸化物、La1−xSrMnO系複合酸化物、Pr1−xBaCoO系複合酸化物、Sm1−xSrCoO系複合酸化物)などを使用できる。
Since the air electrode 55 is smaller than (inside of) the solid electrolyte layer 51 in plan view, the separator 25 is bonded to the upper surface of the outer peripheral edge of the solid electrolyte layer 51.
The air electrode 55 is a porous layer, and examples of the material constituting the air electrode 55 include metals, metal oxides, and metal composite oxides. Examples of the metal include metals such as Pt, Au, Ag, Pd, Ir, Ru, and alloys thereof. Examples of the metal oxide include oxides such as La, Sr, Ce, Co, Mn, and Fe, such as La 2 O 3 , SrO, Ce 2 O 3 , Co 2 O 3 , MnO 2 , and FeO. As the composite oxide, composite oxides containing La, Pr, Sm, Sr, Ba, Co, Fe, Mn, etc. (La 1-x Sr x CoO 3 -based composite oxide, La 1-x Sr x FeO 3) system composite oxide, La 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3 composite oxide, La 1-x Sr x MnO 3 composite oxide, Pr 1-x Ba x CoO 3 composite oxide, Sm 1-x Sr x CoO 3 composite oxide) or the like can be used.

固体電解質層51は固体酸化物からなる層であり、燃料電池1の運転時(発電時)に、空気極55に導入される酸化剤ガス(酸素)をイオンとして移動させることができるイオン伝導性を有する。   The solid electrolyte layer 51 is a layer made of a solid oxide, and is capable of moving oxidant gas (oxygen) introduced into the air electrode 55 as ions during operation of the fuel cell 1 (power generation). Have

固体電解質層51を構成する材料としては、例えば、ジルコニア系、セリア系、ペロブスカイト系の電解質材料が挙げられる。ジルコニア系材料では、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)、スカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)、及びカルシア安定化ジルコニア(CaSZ)を挙げることができ、一般的には、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)が使用される例が多い。セリア系材料では、いわゆる希土類元素添加セリアが、ペロブスカイト系材料では、ランタン元素を含有するペロブスカイト型複酸化物が使われる。   Examples of the material constituting the solid electrolyte layer 51 include zirconia-based, ceria-based, and perovskite-based electrolyte materials. Examples of the zirconia-based material include yttria-stabilized zirconia (YSZ), scandia-stabilized zirconia (ScSZ), and calcia-stabilized zirconia (CaSZ). In general, yttria-stabilized zirconia (YSZ) is used. There are many examples. For ceria-based materials, so-called rare earth element-added ceria is used, and for perovskite-based materials, perovskite-type double oxides containing lanthanum elements are used.

燃料極53は多孔質の層である。この燃料極53を構成する材料としては、例えば、Ni及びFe等の金属と、Sc、Y等の希土類元素のうちの少なくとも1種により安定化されたジルコニア等のZrO系セラミック、CeO系セラミックなどのセラミックとの混合物が挙げられる。また、Ni等の金属、或いは、Niと前記セラミックとのサーメットやNi基合金を使用できる。 The fuel electrode 53 is a porous layer. Examples of the material constituting the fuel electrode 53 include ZrO 2 ceramics such as zirconia and CeO ceramics stabilized by at least one of metals such as Ni and Fe and rare earth elements such as Sc and Y. And mixtures with ceramics. Further, a metal such as Ni, or a cermet or Ni-based alloy of Ni and the ceramic can be used.

なお、燃料極53としては、図示しないが、電子の授受により触媒反応を起こす機能層とこれを支持する支持層とからなっていてもよい。
図3に戻り、燃料極フレーム27は、導電性を有する例えばSUS430等のステンレスなどからなる四角枠状の板材である。
Although not shown, the fuel electrode 53 may be composed of a functional layer that causes a catalytic reaction by exchange of electrons and a support layer that supports the functional layer.
Returning to FIG. 3, the fuel electrode frame 27 is a rectangular frame-shaped plate material made of stainless steel such as SUS430 having conductivity.

燃料極絶縁フレーム29は、空気極絶縁フレーム23と同様に、電気絶縁性を有する四角枠状の板材であり、軟質マイカからなるマイカフレームである。
この燃料極絶縁フレーム29には、空気極絶縁フレーム23と同様に、中央部の燃料流路39を構成する方形の開口部29aと、一対の貫通孔9(9b、9f)と連通する長尺の各連通孔57b、57fと、各連通孔57b、57fと開口部29aとを連通する各溝59b、59fが設けられている。
Like the air electrode insulating frame 23, the fuel electrode insulating frame 29 is a square frame-like plate material having electrical insulation, and is a mica frame made of soft mica.
Similar to the air electrode insulation frame 23, the fuel electrode insulation frame 29 has a long opening communicating with a rectangular opening 29 a constituting the fuel passage 39 in the center and the pair of through holes 9 (9 b, 9 f). The communication holes 57b and 57f, and the grooves 59b and 59f that connect the communication holes 57b and 57f and the opening 29a are provided.

なお、貫通孔9の周囲を構成する部材、例えば、エンドプレート3、5の一部(貫通孔9の周囲の部分)、インターコネクタ21、31の一部(貫通孔9の周囲の部分)、空気極絶縁フレーム23、セパレータ25、燃料極フレーム27、燃料極絶縁フレーム29等から、本発明における隔壁部60(図4参照)が構成されている。   In addition, members constituting the periphery of the through hole 9, for example, a part of the end plates 3 and 5 (part around the through hole 9), a part of the interconnectors 21 and 31 (part around the through hole 9), The air electrode insulating frame 23, the separator 25, the fuel electrode frame 27, the fuel electrode insulating frame 29, and the like constitute a partition wall 60 (see FIG. 4) in the present invention.

c)次に、燃料電池1の製造方法について説明する。
[各部材の作製工程]
まず、例えばSUS430からなる板材を打ち抜いて、インターコネクタ21、31、燃料極フレーム27、セパレータ25、エンドプレート3、5を作製した。
c) Next, a method for manufacturing the fuel cell 1 will be described.
[Manufacturing process of each member]
First, for example, a plate material made of SUS430 was punched out to produce interconnectors 21 and 31, a fuel electrode frame 27, a separator 25, and end plates 3 and 5.

また、インターコネクタ21、31の両主面や、エンドプレート3、5の内側(単セル33側)の表面を研削して、凸状に空気極集電体37や燃料極集電体41を作製した。
また、周知の軟質マイカからなるマイカシートに対して、パンチング加工や溝加工などによって、前記図3に示す枠形状の空気極絶縁フレーム23と燃料極絶縁フレーム29を作製した。
Also, both the main surfaces of the interconnectors 21 and 31 and the inner side (single cell 33 side) surfaces of the end plates 3 and 5 are ground to form the air electrode current collector 37 and the fuel electrode current collector 41 in a convex shape. Produced.
Further, the frame-shaped air electrode insulating frame 23 and the fuel electrode insulating frame 29 shown in FIG. 3 were manufactured by punching or grooving a mica sheet made of known soft mica.

[汚染防止層46の作製工程]
平均粒径0.5μmのGDC粉末50gとビヒクル50gを3本ロールにて混合して、GDCペーストを作製した。ビヒクルは、エトセル10gと溶剤としてα−テルピネオールを100g混合して作製した。
[Process for Producing Contamination Prevention Layer 46]
A GDC paste was prepared by mixing 50 g of GDC powder having an average particle size of 0.5 μm and 50 g of vehicle with three rolls. The vehicle was prepared by mixing 10 g of etosel and 100 g of α-terpineol as a solvent.

また、空気極絶縁フレーム23の主面の形状と同様なマスク形状のスクリーンマスクを作製した。
そして、このスクリーンマスクを用いて、空気極絶縁フレーム23の一方の主面に対して、スクリーン印刷にて、GDCペーストを印刷し、その後、100℃で30分乾燥を行った。
A screen mask having the same mask shape as that of the main surface of the air electrode insulating frame 23 was produced.
And using this screen mask, GDC paste was printed by screen printing with respect to one main surface of the air electrode insulation frame 23, and it dried at 100 degreeC after that for 30 minutes.

同様にして、スクリーンマスクを用いて、空気極絶縁フレーム23の他方の主面に対して、スクリーン印刷にて、GDCペーストを印刷し、その後、100℃で30分乾燥を行った。   Similarly, a GDC paste was printed by screen printing on the other main surface of the air electrode insulating frame 23 using a screen mask, and then dried at 100 ° C. for 30 minutes.

なお、乾燥後の(片側の)印刷厚み(塗布層の厚み)は、30μm〜50μmであった。
[単セル33の作製工程]
単セル33を、定法に従って作製した。
The printing thickness (on one side) after drying (the thickness of the coating layer) was 30 μm to 50 μm.
[Production Process of Single Cell 33]
A single cell 33 was produced according to a conventional method.

具体的には、燃料極53の材料を用いて、燃料極スラリーを作製した。そして、この燃料極スラリーを用いて、周知のドクターブレード法によって燃料極グリーンシートを作製した。   Specifically, a fuel electrode slurry was prepared using the material of the fuel electrode 53. Then, using this fuel electrode slurry, a fuel electrode green sheet was prepared by a known doctor blade method.

また、固体電解質層51の材料を用いて、固体電解質スラリーを作製した。そして、この固体電解質スラリーを用いて、ドクターブレード法によって固体電解質グリーンシートを作製した。   A solid electrolyte slurry was prepared using the material of the solid electrolyte layer 51. Then, using this solid electrolyte slurry, a solid electrolyte green sheet was produced by a doctor blade method.

次に、燃料極グリーンシート上に、固体電解質グリーンシートを積層した。そして、その積層体を焼成して焼結させて、焼結積層体を形成した。
また、空気極55の材料を用いて、空気極ペーストを作製した。
Next, a solid electrolyte green sheet was laminated on the fuel electrode green sheet. The laminate was fired and sintered to form a sintered laminate.
In addition, an air electrode paste was produced using the material of the air electrode 55.

次に、前記焼結積層体における固体電解質層51の表面に、空気極ペーストを印刷した。そして、その印刷した空気極ペーストを焼成して空気極55を形成した。
これにより単セル33が完成した。なお、単セル33は、セパレータ25にろう付けして固定した。
Next, an air electrode paste was printed on the surface of the solid electrolyte layer 51 in the sintered laminate. The printed air electrode paste was fired to form the air electrode 55.
Thereby, the single cell 33 was completed. The single cell 33 was fixed to the separator 25 by brazing.

[燃料電池1の組み付け工程]
次に、上述したインターコネクタ21、31、(汚染防止層46となる塗布層を備えた)空気極絶縁フレーム23、燃料極フレーム27、燃料極集電体41、燃料極絶縁フレーム29等を、前記図3に示すように配置して積層し、各燃料電池カセット7を組み付けた。
[Assembly process of fuel cell 1]
Next, the above-described interconnectors 21 and 31, the air electrode insulating frame 23 (provided with a coating layer that becomes the contamination prevention layer 46), the fuel electrode frame 27, the fuel electrode current collector 41, the fuel electrode insulating frame 29, etc. As shown in FIG. 3, the fuel cell cassettes 7 were assembled by arranging and stacking them.

そして、このような各燃料電池カセット7を積層するとともに、その積層方向の両方の端部に、エンドプレート3、5を積層して、積層体を構成した。
そして、この積層体の貫通孔9にボルト11を嵌め込むとともに、各ボルト11にナット13を螺合させて締め付けて、積層体を押圧して一体化して固定した。これにより、燃料電池1の組付体を作製した。
Each fuel cell cassette 7 was stacked, and end plates 3 and 5 were stacked at both ends in the stacking direction to form a stack.
And while inserting the bolt 11 in the through-hole 9 of this laminated body, the nut 13 was screwed and tightened to each bolt 11, and the laminated body was pressed and integrated and fixed. Thereby, the assembly of the fuel cell 1 was produced.

そして、上述したようにして組み付けた燃料電池1の組付体に対して、空気流路35に空気2L/min、燃料流路39に窒素2L/minを流しながら、電気炉にて、炉温800℃まで2時間かけて昇温し、その後、空気流路35に空気2L/min、燃料流路39に水素2L/minを流した状態で800℃で2時間保持した。これによって、汚染防止層46が焼成されて形成される。   Then, with respect to the assembly of the fuel cell 1 assembled as described above, in the electric furnace, while flowing air 2 L / min through the air flow path 35 and nitrogen 2 L / min through the fuel flow path 39, the furnace temperature The temperature was raised to 800 ° C. over 2 hours, and then maintained at 800 ° C. for 2 hours with 2 L / min of air flowing through the air channel 35 and 2 L / min of hydrogen flowing through the fuel channel 39. Thereby, the contamination prevention layer 46 is baked and formed.

その後、自然冷却することによって燃料電池1を完成した。
d)次に、本実施例1の効果について説明する。
本実施例1では、空気極絶縁フレーム23として、Si等の汚染物質を含むマイカフレームを用いるが、この空気極絶縁フレーム23の両主面には、例えばGDCからなる汚染防止層46が形成されている。
Thereafter, the fuel cell 1 was completed by natural cooling.
d) Next, the effect of the first embodiment will be described.
In the first embodiment, a mica frame containing a contaminant such as Si is used as the air electrode insulating frame 23. On both main surfaces of the air electrode insulating frame 23, a pollution preventing layer 46 made of, for example, GDC is formed. ing.

従って、燃料ガスが、空気極絶縁フレーム23周囲等(例えば主面側の表面)を通過して空気流路35に漏出(リーク)した場合でも、空気極絶縁フレーム23の表面に形成された汚染防止層46により、空気極絶縁フレーム23に含まれる汚染物質が、空気極絶縁フレーム23中から燃料ガス中に蒸散や飛散等によって流出することを抑制できる。これにより、リークした燃料ガスによる空気極55の被毒を低減できるので、空気極55の電力性能(特に出力電圧)の低下を抑制できる。その結果、単セル33、従って、燃料電池1の寿命が延びる(即ち耐久性が向上する)という顕著な効果を奏する。   Accordingly, even when the fuel gas passes through the periphery of the air electrode insulating frame 23 (for example, the surface on the main surface side) and leaks (leaks) into the air flow path 35, the contamination formed on the surface of the air electrode insulating frame 23 The prevention layer 46 can prevent the contaminant contained in the air electrode insulating frame 23 from flowing out of the air electrode insulating frame 23 into the fuel gas due to transpiration or scattering. Thereby, since the poisoning of the air electrode 55 due to the leaked fuel gas can be reduced, a decrease in power performance (particularly, output voltage) of the air electrode 55 can be suppressed. As a result, there is a remarkable effect that the life of the single cell 33 and therefore the fuel cell 1 is extended (that is, the durability is improved).

(変形例)
本実施例1の変形例としては、空気極絶縁フレーム23の両主面の一方のみに汚染防止層61を設けてもよい。
(Modification)
As a modification of the first embodiment, the contamination prevention layer 61 may be provided only on one of the two main surfaces of the air electrode insulating frame 23.

また、空気極絶縁フレーム23の主面の全面ではなく、その一部に汚染防止層46を設けてもよい。
なお、汚染防止層46は、平面視で燃料ガスが通過する貫通孔9f、9bの全周を囲むように設けることが好ましい。
Further, the contamination prevention layer 46 may be provided not on the entire main surface of the air electrode insulating frame 23 but on a part thereof.
The contamination prevention layer 46 is preferably provided so as to surround the entire circumference of the through holes 9f and 9b through which the fuel gas passes in a plan view.

次に、実施例2について説明するが、前記実施例1と同様な内容の説明は省略する。
なお、実施例1と同様な構成には、同様な番号を付して説明する。
本実施例2では、図7に示すように、空気極絶縁フレーム23の全周(全表面)に、汚染防止層61が形成されている。
Next, the second embodiment will be described, but the description of the same contents as the first embodiment will be omitted.
In addition, the same number is attached | subjected and demonstrated to the structure similar to Example 1. FIG.
In the second embodiment, as shown in FIG. 7, the contamination prevention layer 61 is formed on the entire circumference (the entire surface) of the air electrode insulating frame 23.

つまり、空気極絶縁フレーム23の両主面だけではなく、貫通孔9側の表面や、空気流路35側の表面や、酸化剤ガス(空気)の流路である溝45d、45hの表面にも、汚染防止層61が形成されている。   That is, not only on both main surfaces of the air electrode insulating frame 23 but also on the surface on the through-hole 9 side, the surface on the air flow path 35 side, and the surfaces of the grooves 45d and 45h that are flow paths for the oxidant gas (air). Also, a contamination prevention layer 61 is formed.

本実施例2では、前記実施例1と同様な効果を奏するとともに、実施例1よりも、一層汚染防止の効果が大きいという利点がある。
なお、他の例として、貫通孔9側表面又は空気流路35側の表面のどちらか一方のみに、汚染防止層61を形成してもよい。また、貫通孔9側表面や空気流路35側の表面の全表面ではなく、その一部に汚染防止層61を形成してもよい。
The second embodiment has the same effects as the first embodiment and has the advantage that the effect of preventing contamination is greater than that of the first embodiment.
As another example, the contamination prevention layer 61 may be formed only on either the surface on the through hole 9 side or the surface on the air flow path 35 side. Further, the contamination prevention layer 61 may be formed not on the entire surface on the through hole 9 side or on the air flow path 35 side but on a part thereof.

次に、実施例3について説明するが、前記実施例1と同様な内容の説明は省略する。
なお、実施例1と同様な構成には、同様な番号を付して説明する。
本実施例3では、固体酸化物形電気化学装置として、固体酸化物形電解装置(SOEC)を例に挙げて説明する。(以下固体酸化物形は省略する)
図8に示すように、本実施例3の電解装置71は、電解の単位である電解装置カセット73として、前記実施例1と同様に、金属製のインターコネクタ21、31と、空気極絶縁フレーム23と、金属製のセパレータ25と、金属製の燃料極フレーム27と、燃料極絶縁フレーム29と、金属製のインターコネクタ31等が積層されたものである。
Next, the third embodiment will be described, but the description of the same contents as the first embodiment will be omitted.
In addition, the same number is attached | subjected and demonstrated to the structure similar to Example 1. FIG.
In Example 3, a solid oxide electrolytic device (SOEC) will be described as an example of a solid oxide electrochemical device. (Hereafter, solid oxide form is omitted)
As shown in FIG. 8, the electrolyzer 71 of the third embodiment is made up of the metal interconnectors 21 and 31 and the air electrode insulating frame as the electrolyzer cassette 73 which is a unit of electrolysis, as in the first embodiment. 23, a metal separator 25, a metal fuel electrode frame 27, a fuel electrode insulating frame 29, a metal interconnector 31, and the like are laminated.

このうち、セパレータ25には、固体電解質層51と燃料極53と空気極55とが積層された単セル33が接合されている。
本実施例3においても、前記実施例1と同様に、空気極絶縁フレーム23の両主面に汚染防止層46が形成されている。なお、汚染防止層46は、実施例2のように全周に設けられていてもよく、実施例1、2の変形例のように設けられていてもよい。
Among these, the single cell 33 in which the solid electrolyte layer 51, the fuel electrode 53, and the air electrode 55 are laminated is joined to the separator 25.
Also in the third embodiment, as in the first embodiment, the contamination prevention layers 46 are formed on both main surfaces of the air electrode insulating frame 23. In addition, the contamination prevention layer 46 may be provided all around like Example 2, and may be provided like the modification of Example 1,2.

この電解装置71では、空気極55と燃料極53との両電極間で、空気極側が+(陽極)、燃料極51が−(陰極)となるように電圧が印加された状態で、貫通孔9fから、原料ガスとして例えば水蒸気が提供されると、空気極55側にて酸素ガスが発生し、燃料極53側で水素ガスが発生する。   In this electrolyzer 71, a voltage is applied between the air electrode 55 and the fuel electrode 53 so that the air electrode side is + (anode) and the fuel electrode 51 is-(cathode). When, for example, water vapor is provided as a source gas from 9f, oxygen gas is generated on the air electrode 55 side, and hydrogen gas is generated on the fuel electrode 53 side.

本実施例3においても、前記実施例1、2と同様な効果(即ち空気極55の被毒を抑制する効果)を奏する。
[実験例]
次に、本発明の効果を確認した実験例について説明する。
Also in the third embodiment, the same effects as those of the first and second embodiments (that is, the effect of suppressing the poisoning of the air electrode 55) are obtained.
[Experimental example]
Next, experimental examples in which the effect of the present invention has been confirmed will be described.

<実験例1>
本実験例1では、下記のようにして本発明例の試料(試料No.1、2)を作製するとともに、本発明の範囲外の試料(試料No.3)を作製し、燃料電池の耐久性(劣化率)を調べた。
<Experimental example 1>
In Experimental Example 1, the sample of the present invention (Sample Nos. 1 and 2) was prepared as described below, and a sample outside of the scope of the present invention (Sample No. 3) was prepared to improve the durability of the fuel cell. The property (deterioration rate) was examined.

具体的には、本発明例として、前記実施例1と同様にして、GDCからなる汚染防止層(塗布層)を備えた空気極絶縁フレーム(試料No.1のGDC印刷ガスケット)を作製した。   Specifically, as an example of the present invention, an air electrode insulating frame (GDC printing gasket of sample No. 1) provided with a contamination prevention layer (coating layer) made of GDC was produced in the same manner as in Example 1.

また、他の本発明例として、平均粒径1.0μmのアルミナ粉末50gと(実施例1と同様な)ビヒクル50g及び溶剤100gとを用いて、アルミナペーストを作製した。このアルミナペーストを用いて、実施例1と同様にして、アルミナからなる汚染防止層(塗布層)を備えた空気極絶縁フレーム(試料No.2のアルミナ印刷ガスケット)を作製した。   As another example of the present invention, an alumina paste was prepared using 50 g of an alumina powder having an average particle diameter of 1.0 μm, 50 g of a vehicle (similar to Example 1) and 100 g of a solvent. Using this alumina paste, an air electrode insulating frame (alumina printing gasket of sample No. 2) provided with a contamination prevention layer (coating layer) made of alumina was produced in the same manner as in Example 1.

更に、比較例として、汚染防止層を備えていない空気極絶縁フレーム(試料No.3の無印刷ガスケット)を作製した。
そして、前記GDC印刷ガスケット2枚、アルミナ印刷ガスケット2枚、無印刷ガスケット2枚を組み込んだ6段の燃料電池、即ち、試料No.1、2、3に対応するように各2枚の単セルが3組積層された燃料電池スタックを作製した。
Furthermore, as a comparative example, an air electrode insulating frame (sample No. 3 non-printing gasket) without a contamination prevention layer was produced.
Then, a six-stage fuel cell incorporating two GDC printing gaskets, two alumina printing gaskets, and two non-printing gaskets, that is, two single cells each corresponding to sample Nos. 1, 2, and 3. A fuel cell stack in which three sets of were stacked was manufactured.

次に、電気炉内に燃料電池スタックを配置し、空気流路に空気2L/min、燃料流路に窒素2L/minを流しながら、電気炉にて、炉温800℃まで2時間かけて昇温し、その後、空気流路に空気2L/min、燃料流路に水素2L/minを流した状態で800℃で2時間保持した。   Next, the fuel cell stack is placed in the electric furnace, and the temperature is raised to the furnace temperature of 800 ° C. over 2 hours in the electric furnace while flowing 2 L / min of air in the air channel and 2 L / min of nitrogen in the fuel channel. Thereafter, the temperature was maintained at 800 ° C. for 2 hours in a state where 2 L / min of air was supplied to the air flow path and 2 L / min of hydrogen was supplied to the fuel flow path.

その後、700℃に炉温を降温し、発電電流30Aにて、負荷一定で、500時間の通電耐久実験を行った。
そして、この実験の際には、後述するように、各単セルにおける電圧(セル電圧)の推移を記録し、各単セルの初期電圧と500時間後の電圧との差から劣化率を算出した。その結果を下記表1に記す。
Thereafter, the furnace temperature was lowered to 700 ° C., and a current-carrying durability experiment for 500 hours was performed at a generated current of 30 A with a constant load.
In this experiment, as described later, the transition of the voltage (cell voltage) in each single cell was recorded, and the deterioration rate was calculated from the difference between the initial voltage of each single cell and the voltage after 500 hours. . The results are shown in Table 1 below.

なお、劣化率とは、「[{(初期電圧−耐久後電圧)÷初期電圧}÷耐久時間]×1000時間」で定義されるものであり、実際の耐久時間を用いて1時間当たりの劣化率を計算し、1000時間を乗算することで1000時間後の劣化率を計算により求めるものである。   The deterioration rate is defined by “[{(initial voltage−post-endurance voltage) ÷ initial voltage} ÷ endurance time] × 1000 hours”, and deterioration per hour using actual endurance time. By calculating the rate and multiplying by 1000 hours, the deterioration rate after 1000 hours is obtained by calculation.

表1では、2枚(n=2)の単セルを備える燃料電池スタックにおいて、耐久前の電圧(初期電圧)を各単セルごとに測定し、500時間耐久後の電圧(耐久後電圧)を各単セルごとに測定し、2枚の単セルの電圧変化の平均値を用い、上記計算式を用いて劣化率を計算した値を示している。   In Table 1, in a fuel cell stack including two (n = 2) single cells, the voltage before durability (initial voltage) is measured for each single cell, and the voltage after durability for 500 hours (voltage after durability) is measured. The measurement is performed for each single cell, and the average value of the voltage change of two single cells is used, and the deterioration rate is calculated using the above formula.

この表1から明らかなように、本発明例の場合(試料No.1、2)には、劣化率は0.94以下と小さく、比較例に比べて劣化の程度が少なく好適であった。 As is apparent from Table 1, in the case of the example of the present invention (Sample Nos. 1 and 2), the deterioration rate was as small as 0.94 or less, and the degree of deterioration was less than that of the comparative example.

特に、GDCを汚染防止層に用いたもの(試料No.1)は、劣化率が0.78と非常に小さく一層好適である。
<実験例2>
本実験例2では、下記のようにして、燃料電池の空気極における被毒の状態を調べた。
In particular, a sample using GDC as a contamination prevention layer (Sample No. 1) has a very low deterioration rate of 0.78 and is more preferable.
<Experimental example 2>
In Experimental Example 2, the state of poisoning at the air electrode of the fuel cell was examined as follows.

具体的には、本実験例2では、前記実験例1における発電後の6段の燃料電池スタックを解体し、前記試料No.1〜3のガスケットが配置されている位置に対する単セル、詳しくは空気極における酸化剤ガスの流入側の端部に対して、各単セルについて同様の位置から平面視で1辺1cmの正方形の試料片を切り出した。   Specifically, in Experimental Example 2, the six-stage fuel cell stack after power generation in Experimental Example 1 was disassembled, and a single cell for the position where the gaskets of Sample Nos. 1 to 3 were disposed. A square sample piece having a side of 1 cm in a plan view was cut out from the same position of each unit cell with respect to the end portion of the air electrode on the inflow side of the oxidant gas.

そして、その試料片の空気極側の表面に対して、蛍光X線分析にて、空気極の不純物の質量%(mass%)を求めた。その結果を、下記表2に記す。   And the mass% (mass%) of the impurity of the air electrode was calculated | required with the fluorescent X ray analysis with respect to the surface by the side of the air electrode of the sample piece. The results are shown in Table 2 below.

この表2から明らかなように、本発明例の場合(試料No.1、2)には、空気極において、不純物である(Si、Al、Mg、Ca、Cl、S)の含有量(質量%)が、比較例に比べて少なく好適であった。即ち、空気極を汚染する汚染物質(Si、Cl、S)の含有量が、比較例に比べて少なく好適であった。 As is apparent from Table 2, in the case of the present invention example (Sample Nos. 1 and 2), the content (mass) of impurities (Si, Al, Mg, Ca, Cl, S) in the air electrode %) Was less suitable than the comparative example. That is, the content of pollutants (Si, Cl, S) that pollute the air electrode is less than that of the comparative example, which is preferable.

特に、GDCを汚染防止層に用いたもの(試料No.1)は、汚染物質の含有量が非常に少なく一層好適である。
[本発明と実施例との対応関係]
本発明の電解質体が固体電解質層に、シール部材が空気極絶縁フレームに、他の部材がセパレータ、インターコネクタ、エンドプレートに、燃料極側ガスが燃料ガス又は原料ガスに、空気極側ガスが酸化剤ガスに、燃料極流路が燃料流路に、空気極流路が空気流路に、それぞれ該当する。
In particular, a sample using GDC as a contamination prevention layer (Sample No. 1) has a very low content of contaminants and is more preferable.
[Correspondence between the present invention and the embodiment]
The electrolyte body of the present invention is a solid electrolyte layer, a seal member is an air electrode insulating frame, other members are separators, interconnectors, end plates, fuel electrode side gas is fuel gas or raw material gas, and air electrode side gas is The oxidant gas, the fuel electrode channel corresponds to the fuel channel, and the air electrode channel corresponds to the air channel.

以上、本発明の実施例等について説明したが、本発明は、前記実施例等に限定されるものではなく、種々の態様を採ることができる。
(1)例えば、前記実施例1、2では、空気極絶縁フレームに、酸化剤ガスの流路となる溝を設けたが、溝の無い平板状の空気極絶縁フレームを用いてもよい。この場合には溝の機能を有する酸化剤ガスの流路を別に設ければよい。例えば空気極絶縁フレームに積層するように、例えば(空気極絶縁フレームと同様な形状の)金属製の空気極プレートを配置し、この空気極プレートに酸化剤ガスの流路を設ければよい。
As mentioned above, although the Example etc. of this invention were demonstrated, this invention is not limited to the said Example etc., A various aspect can be taken.
(1) For example, in the said Example 1, 2, although the groove | channel used as the flow path of oxidant gas was provided in the air electrode insulation frame, you may use the flat air electrode insulation frame without a groove | channel. In this case, an oxidizing gas channel having a groove function may be provided separately. For example, a metal air electrode plate (having the same shape as the air electrode insulating frame) may be disposed so as to be laminated on the air electrode insulating frame, and an oxidant gas flow path may be provided on the air electrode plate.

(2)また、単セルで発電された電気は、例えば集電体及びインターコネクタ及びエンドプレートを介して外部に取り出すことができるが、この場合、インターコネクタ及びエンドプレートと集電体とは、別部材で構成しても、一体の部材として構成してもよい。   (2) In addition, the electricity generated in the single cell can be taken out through, for example, a current collector, an interconnector, and an end plate. In this case, the interconnector, the end plate, and the current collector are It may be configured as a separate member or as an integral member.

(3)更に、空気極絶縁フレームとしては、マイカ以外に、バーミキュライトを用いることができる。
(4)本発明は、例えば、ZrO系セラミックなどを電解質とする固体酸化物形燃料電池(SOFC)、高分子電解質膜を電解質とする固体高分子形燃料電池(PEFC)、Li−Na/K系炭酸塩を電解質とする溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)、リン酸を電解質とするリン酸形燃料電池(PAFC)などの燃料電池の燃料電池スタックに適用できる。
(3) In addition to mica, vermiculite can be used as the air electrode insulating frame.
(4) The present invention provides, for example, a solid oxide fuel cell (SOFC) having a ZrO 2 ceramic as an electrolyte, a solid polymer fuel cell (PEFC) having a polymer electrolyte membrane as an electrolyte, Li-Na / The present invention can be applied to fuel cell stacks of fuel cells such as a molten carbonate fuel cell (MCFC) using K-based carbonate as an electrolyte and a phosphoric acid fuel cell (PAFC) using phosphoric acid as an electrolyte.

1、71…燃料電池(燃料電池スタック)
3、5…エンドプレート
7、73…燃料電池カセット
9、9a、9b、9c、9d、9e、9f、9g、9h…貫通孔
21、31…インターコネクタ
23…空気極絶縁フレーム
33…単セル
35…空気極流路(空気流路)
39…燃料極流路(燃料流路)
46、61…汚染防止層
51…固体電解質層
53…燃料極
55…空気極
60…隔壁部
1, 71 ... Fuel cell (fuel cell stack)
3, 5 ... End plate 7, 73 ... Fuel cell cassette 9, 9a, 9b, 9c, 9d, 9e, 9f, 9g, 9h ... Through-hole 21, 31 ... Interconnector 23 ... Air electrode insulation frame 33 ... Single cell 35 ... Air electrode channel (air channel)
39 ... Fuel electrode channel (fuel channel)
46, 61 ... Pollution prevention layer 51 ... Solid electrolyte layer 53 ... Fuel electrode 55 ... Air electrode 60 ... Partition wall

Claims (9)

空気極及び燃料極と、前記空気極と前記燃料極との間に配置された電解質体と、を有する単セルを備え、
前記空気極に接するガスの流路である空気極流路と、前記燃料極に接するガスの流路である燃料極流路とを備えるとともに、前記空気極流路と前記燃料極流路とのガスの流路が分離された構造を有する固体酸化物形電気化学装置において、
前記燃料極流路と連通する連通ガス流路と、前記連通ガス流路と前記空気極流路とを隔てる隔壁部と、を備え、
前記隔壁部は、前記空気極を汚染する物質を含むシール部材を含み、
前記シール部材のうち前記シール部材に隣接する他の部材に対向する面の少なくとも一部に、前記物質による前記空気極の被毒を防止する汚染防止層が形成されていることを特徴とする固体酸化物形電気化学装置。
A single cell having an air electrode and a fuel electrode, and an electrolyte body disposed between the air electrode and the fuel electrode;
An air electrode channel that is a gas channel that is in contact with the air electrode, and a fuel electrode channel that is a gas channel that is in contact with the fuel electrode, and the air electrode channel and the fuel electrode channel In a solid oxide electrochemical device having a structure in which gas flow paths are separated,
A communication gas flow channel communicating with the fuel electrode flow channel, and a partition wall that separates the communication gas flow channel and the air electrode flow channel,
The partition includes a seal member containing a substance that contaminates the air electrode,
A solid layer characterized in that a contamination prevention layer for preventing poisoning of the air electrode by the substance is formed on at least a part of a surface of the seal member facing another member adjacent to the seal member. Oxide-type electrochemical device.
前記シール部材の前記連通ガス流路側の表面及び前記空気極流路側の表面の少なくとも一方に、前記汚染防止層が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の固体酸化物形電気化学装置。   2. The solid oxide electrochemical according to claim 1, wherein the anti-contamination layer is formed on at least one of the surface on the communication gas flow path side and the surface on the air electrode flow path side of the seal member. apparatus. 前記シール部材の表面全体を覆うように、前記汚染防止層が形成されていることを特徴とする請求項2に記載の固体酸化物形電気化学装置。   The solid oxide electrochemical device according to claim 2, wherein the contamination prevention layer is formed so as to cover the entire surface of the seal member. 前記固体酸化物形電気化学装置は、板状の前記単セルを積層したスタック構造を有し、
前記連通ガス流路は、前記積層した方向に延びるように配置されて前記隔壁部を介して前記空気極流路と隣接しており、
前記シール部材は、板状であって、前記シール部材の両主面の少なくとも一方に、前記汚染防止層が形成されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の固体酸化物形電気化学装置。
The solid oxide electrochemical device has a stack structure in which the plate-like single cells are stacked,
The communication gas channel is disposed so as to extend in the stacked direction and is adjacent to the air electrode channel via the partition wall,
The said sealing member is plate shape, Comprising: The said pollution prevention layer is formed in at least one of the both main surfaces of the said sealing member, The Claim 1 characterized by the above-mentioned. Solid oxide electrochemical device.
前記汚染防止層は、アルミナ、GDC、SDC、ジルコニア、ZnO、及びCuOの少なくとも1種を含む材料からなることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の固体酸化物形電気化学装置。   5. The solid oxide electricity according to claim 1, wherein the contamination prevention layer is made of a material containing at least one of alumina, GDC, SDC, zirconia, ZnO, and CuO. Chemical equipment. 前記シール部材は、弾性体であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の固体酸化物形電気化学装置。   The solid oxide electrochemical device according to claim 1, wherein the seal member is an elastic body. 前記シール部材は、マイカ又はバーミキュライトからなることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の固体酸化物形電気化学装置。   The solid oxide electrochemical device according to claim 1, wherein the seal member is made of mica or vermiculite. 前記固体酸化物形電気化学装置は、酸化剤ガスと燃料ガスとを用いて発電を行う燃料電池であり、
前記空気極流路に酸化剤ガスを供給するとともに、前記燃料極流路に前記連通ガス流路を介して燃料ガスを供給する構成を有することを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の固体酸化物形電気化学装置。
The solid oxide electrochemical device is a fuel cell that generates power using an oxidant gas and a fuel gas,
The oxidant gas is supplied to the air electrode channel, and the fuel gas is supplied to the fuel electrode channel via the communication gas channel. The solid oxide electrochemical device according to Item.
前記固体酸化物形電気化学装置は、原料ガスを電解して電解ガスを生成する電解装置であり、
前記燃料極流路に前記連通ガス流路を介して原料ガスを供給し、前記空気極と前記燃料極との間に電圧を印加することによって、前記空気極側にて第1電解ガスを発生させるとともに、燃料極側にて第2電解ガスを発生させる構成を有することを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の固体酸化物形電気化学装置。
The solid oxide electrochemical device is an electrolytic device that electrolyzes a raw material gas to generate an electrolytic gas,
A source gas is supplied to the fuel electrode channel through the communication gas channel, and a voltage is applied between the air electrode and the fuel electrode to generate a first electrolytic gas on the air electrode side. The solid oxide electrochemical device according to claim 1, wherein the second electrolytic gas is generated on the fuel electrode side.
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