JP2016039004A - Fuel battery - Google Patents
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Abstract
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単セルを備えた固体酸化物形燃料電池などの燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell such as a solid oxide fuel cell including a single cell 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ガスに接する多孔質の燃料極を設けるとともに、他方の側に酸化剤ガス(例えば空気)と接する多孔質の酸化剤極(空気極)を設けた単セルが使用されている。
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 porous fuel electrode in contact with a fuel gas is provided on one side of a solid electrolyte layer, and a porous oxidant electrode (for example, air) in contact with an oxidant gas (for example, air) on the other side. A single cell provided with an air electrode) is used.
更に、所望の電圧を得るために、インターコネクタと燃料極や空気極の電極との間に集電体を配置し、このインターコネクタ及び集電体を介して、複数の単セル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。 Further, in order to obtain a desired voltage, a current collector is disposed between the interconnector and the electrode of the fuel electrode or the air electrode, and a fuel in which a plurality of single cells are stacked via the interconnector and the current collector. Battery stacks (cell stacks) have been developed.
また、近年では、集電体と燃料極との間の導電性を向上させるために、集電体と燃料極とを、導電性を有する接合剤からなる多孔質の接合層で接合する研究がなされている(特許文献1参照)。 In recent years, in order to improve the electrical conductivity between the current collector and the fuel electrode, research has been conducted to join the current collector and the fuel electrode with a porous bonding layer made of a conductive bonding agent. (See Patent Document 1).
なお、これとは別に、多孔質の材料を燃料電池スタックの構造体として利用する技術も開示されている(特許文献2参照)。 In addition to this, a technique of using a porous material as a structure of a fuel cell stack is also disclosed (see Patent Document 2).
しかしながら、上述したように、多孔質の接合層によって集電体と電極とを接合する技術では、下記のような問題があり、一層の改善が求められていた。
具体的には、図13に模式的に示すように、接合層P1の開気孔率が電極(例えば空気極)P2の開気孔率より小さい場合には、空気極P2側の流路(空気流路)P3に供給される酸化剤ガス(例えば空気:詳しくは酸素:O2)は、接合層P1内部よりは空気極P2内部の方が流れ易くなる。その結果、主として触媒反応を生ずる接合層P1と空気極P2との界面部分P4へ酸素が行き渡る速度が遅くなって、単セル(従って燃料電池スタック)にて発生する電圧が低下するという問題があった。
However, as described above, the technique for bonding the current collector and the electrode by the porous bonding layer has the following problems, and further improvement has been demanded.
Specifically, as schematically shown in FIG. 13, when the open porosity of the bonding layer P1 is smaller than the open porosity of the electrode (for example, air electrode) P2, the flow path (air flow) on the air electrode P2 side is used. Path) Oxidant gas (for example, air: oxygen: O 2 in detail) supplied to P3 is more likely to flow in the air electrode P2 than in the bonding layer P1. As a result, the speed at which oxygen spreads mainly to the interface portion P4 between the bonding layer P1 and the air electrode P2 that mainly causes a catalytic reaction is reduced, and the voltage generated in the single cell (and hence the fuel cell stack) is reduced. It was.
つまり、発電に寄与する触媒反応は、集電体P5を介して電子が供給される側である接合層P1と空気極P2との界面部分P4で生じ易いが、接合層P1の開気孔率が空気極P2の開気孔率より小さいと、多くの酸素は、界面部分P4から離れた空気極P2の表面から空気極P2の内部を介して界面部分P4に到達する。そのため、酸素が界面部分P4に供給される経路(パス)が長くなるので、空気極P4のガス拡散抵抗(従っていわゆる分極抵抗)が大きくなり、単セルにて発生する電圧が低下するという問題があった。 That is, the catalytic reaction that contributes to power generation is likely to occur at the interface portion P4 between the bonding layer P1 and the air electrode P2 on the side where electrons are supplied via the current collector P5, but the open porosity of the bonding layer P1 is high. If it is smaller than the open porosity of the air electrode P2, a large amount of oxygen reaches the interface portion P4 from the surface of the air electrode P2 away from the interface portion P4 through the inside of the air electrode P2. For this reason, the path through which oxygen is supplied to the interface portion P4 becomes longer, so that the gas diffusion resistance (and hence the so-called polarization resistance) of the air electrode P4 increases, and the voltage generated in the single cell decreases. there were.
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、主として触媒反応を行う電極の界面部分にガスを供給する際のガス拡散速度を高めることができ、それによって、発電性能を高めることができる燃料電池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 can increase the gas diffusion rate when supplying gas to the interface portion of the electrode that mainly performs the catalytic reaction, thereby improving the power generation performance. An object of the present invention is to provide a fuel cell capable of performing
(1)本発明の第1態様の燃料電池は、多孔質の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る燃料電池において、前記空気極及び前記燃料極の少なくとも一方の電極は、導電性を有する多孔質の接合層を介して導電部材と接合されており、前記接合層の開気孔率は、当該接合層が接合された前記電極の開気孔率より大である。 (1) A fuel cell according to a first aspect of the present invention includes a single cell having a porous air electrode and a fuel electrode, and an electrolyte body disposed between the air electrode and the fuel electrode. In this case, at least one of the air electrode and the fuel electrode is bonded to a conductive member via a porous bonding layer having conductivity, and the open porosity of the bonding layer is determined by the bonding layer being bonded. The open porosity of the electrode is larger.
本第1態様では、空気極及び燃料極の少なくとも一方の電極は、導電性を有する多孔質の接合層を介して導電部材と接合されており、しかも、この接合層の開気孔率は、接合層が接合された電極の開気孔率より大である。 In the first aspect, at least one of the air electrode and the fuel electrode is bonded to the conductive member via a porous bonding layer having conductivity, and the open porosity of the bonding layer is determined by bonding. It is greater than the open porosity of the electrode to which the layers are joined.
従って、図8に模式的に示すように、ガス(燃料ガス又は酸化剤ガス)が、電極や接合層の周囲から電極と接合層との界面部分(即ち触媒反応が最も生じ易い箇所)に供給される場合には、接合層の開気孔率は接合層が接合された電極の開気孔率より大であるので、ガスは電極の内部よりも接合層の内部からの方が界面部分に到達し易い。 Therefore, as schematically shown in FIG. 8, gas (fuel gas or oxidant gas) is supplied from the periphery of the electrode or the bonding layer to the interface portion between the electrode and the bonding layer (that is, the place where the catalytic reaction is most likely to occur). In this case, since the open porosity of the bonding layer is larger than the open porosity of the electrode to which the bonding layer is bonded, the gas reaches the interface portion from the inside of the bonding layer rather than the inside of the electrode. easy.
つまり、本第1態様では、従来に比べて、ガスが界面部分に到達する経路(パス)が短く、ガス拡散抵抗が小さいという特長がある。そのため、電極における分極抵抗が小さくなるので、単セル(従って燃料電池)にて発生する電圧が大きくなるという効果がある。 In other words, the first aspect is characterized in that the path (path) through which the gas reaches the interface portion is shorter and the gas diffusion resistance is smaller than in the prior art. Therefore, since the polarization resistance at the electrode is reduced, there is an effect that the voltage generated in the single cell (and hence the fuel cell) is increased.
なお、例えば空気極が接合層(例えば空気極接合層)によって導電部材(例えば空気極導電体)と接合されている場合には、この空気極接合層の開気孔率は、空気極の開気孔率より大である。同様に、燃料極が接合層(例えば燃料極接合層)によって導電部材(例えば燃料極集電体)と接合されている場合には、この燃料極接合層の開気孔率は、燃料極の開気孔率より大である。 For example, when the air electrode is joined to a conductive member (eg, air electrode conductor) by a joining layer (eg, air electrode joining layer), the open porosity of the air electrode joining layer is the open pore of the air electrode. Greater than rate. Similarly, when the fuel electrode is bonded to a conductive member (for example, a fuel electrode current collector) by a bonding layer (for example, a fuel electrode bonding layer), the open porosity of the fuel electrode bonding layer is determined by the opening of the fuel electrode. Greater than porosity.
(2)本発明の第2態様の燃料電池では、前記単セルは、板状であり、前記燃料電池は、前記単セルが板厚方向に複数個積層された燃料電池スタックである。
本第2態様は、本発明が好適に適用できる燃料電池として、板状の単セルが積層された燃料電池スタックを例示している。
(2) In the fuel cell according to the second aspect of the present invention, the single cell has a plate shape, and the fuel cell is a fuel cell stack in which a plurality of the single cells are stacked in the thickness direction.
The second aspect exemplifies a fuel cell stack in which plate-shaped single cells are stacked as a fuel cell to which the present invention can be suitably applied.
(3)本発明の第3態様の燃料電池では、前記空気極と前記接合層によって接合された前記導電部材は、前記単セル間においてガスの流路を分離するとともに前記単セル間の導通を行うインターコネクタと別体の部材又は前記インターコネクタの一部である。 (3) In the fuel cell according to the third aspect of the present invention, the conductive member joined by the air electrode and the joining layer separates a gas flow path between the single cells and conducts between the single cells. The interconnector is a separate member or part of the interconnector.
本第3態様は、空気極側の導電部材の構成を例示したものである。この空気極側の導電部材として、インターコネクタと別体の部材又はインターコネクタと一体の構成を採用できる。 The third aspect illustrates the configuration of the conductive member on the air electrode side. As the conductive member on the air electrode side, an interconnector and a separate member or a structure integrated with the interconnector can be adopted.
インターコネクタと別体の部材としては、例えば空気極集電体を採用できる。また、インターコネクタと一体の構成としては、インターコネクタの表面から対向する空気極側に突出する凸部を採用できる。この一体の構成により、使用する部材点数を低減でき、構成を簡易化することができる。なお、この場合には、凸部の先端面と空気極との間に接合層を設けることができる。 As a member separate from the interconnector, for example, an air electrode current collector can be adopted. Moreover, as a structure integrated with the interconnector, a convex portion that protrudes from the surface of the interconnector to the air electrode side facing the interconnector can be employed. With this integrated configuration, the number of members used can be reduced, and the configuration can be simplified. In this case, a bonding layer can be provided between the tip end surface of the convex portion and the air electrode.
(4)本発明の第4態様の燃料電池では、前記燃料極と前記接合層によって接合された前記導電部材は、前記単セル間においてガスの流路を分離するとともに前記単セル間の導通を行うインターコネクタと別体の部材又は前記インターコネクタの一部である。 (4) In the fuel cell according to the fourth aspect of the present invention, the conductive member joined to the fuel electrode by the joining layer separates a gas flow path between the single cells and conducts between the single cells. The interconnector is a separate member or part of the interconnector.
本第4態様は、燃料極側の導電部材の構成を例示したものである。この燃料極側の導電部材として、インターコネクタと別体の部材又はインターコネクタと一体の構成を採用できる。 The fourth aspect illustrates the configuration of the conductive member on the fuel electrode side. As the conductive member on the fuel electrode side, a structure separate from the interconnector or a member integrated with the interconnector can be adopted.
インターコネクタと別体の部材としては、例えば燃料極集電体を採用できる。また、インターコネクタと一体の構成としては、インターコネクタの表面から対向する燃料極側に突出する凸部を採用できる。この一体の構成により、使用する部材点数を低減でき、構成を簡易化することができる。なお、この場合には、凸部の先端面と燃料極との間に接合層を設けることができる。 As a member separate from the interconnector, for example, a fuel electrode current collector can be adopted. Moreover, as a structure integrated with the interconnector, a convex portion that protrudes from the surface of the interconnector to the opposite fuel electrode side can be employed. With this integrated configuration, the number of members used can be reduced, and the configuration can be simplified. In this case, a bonding layer can be provided between the tip surface of the convex portion and the fuel electrode.
(5)本発明の第5態様の燃料電池では、前記空気極と前記空気極側の前記導電部材とに接合された接合層は、スピネル型酸化物からなる。
本第5態様は、空気極側の接合層を構成する材料を例示したものである。このスピネル型酸化物は、耐熱性及び導電性に優れているので、接合層の材料として好適である。
(5) In the fuel cell according to the fifth aspect of the present invention, the bonding layer bonded to the air electrode and the conductive member on the air electrode side is made of a spinel oxide.
The fifth aspect exemplifies the material constituting the bonding layer on the air electrode side. Since this spinel type oxide is excellent in heat resistance and conductivity, it is suitable as a material for the bonding layer.
なお、スピネル型酸化物は、酸化雰囲気中では分解されにくいので、空気極側の接合層の材料として使用すると好適である。
以下に、本発明の各構成について更に説明する。
In addition, since spinel type oxide is hard to be decomposed in an oxidizing atmosphere, it is preferable to use it as a material for the bonding layer on the air electrode side.
Below, each structure of this invention is further demonstrated.
・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。
なお、単セル(従って燃料電池)を用いて発電を行う場合、燃料極側に燃料ガスを導入し、空気極側に酸化剤ガスを導入する。
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).
When power generation is performed using a single cell (and hence a fuel cell), fuel gas is introduced to the fuel electrode side and oxidant gas is introduced to the air electrode side.
・前記開気孔率とは、多孔質の各構成(燃料極、空気極、接合層)における開気孔の割合を示している。また、開気孔とは、各構成において、ガスが内部から直接又は他の気孔等を介して表面に到るように、ガスの経路が連通している気孔を示している。なお、燃料電池の前記構成においては、気孔は実質的に開気孔と見なすことができる。 The open porosity indicates the ratio of open pores in each porous configuration (fuel electrode, air electrode, bonding layer). In addition, the open pores indicate pores in which gas paths communicate with each other so that the gas reaches the surface directly from inside or through other pores in each configuration. In the configuration of the fuel cell, the pores can be regarded as substantially open pores.
・前記燃料電池としては、例えば、ZrO2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。 As the fuel cell, for example, a solid oxide fuel cell (SOFC) using a ZrO 2 ceramic as an electrolyte, a solid polymer fuel cell (PEFC) using 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.
以下、本発明が適用された燃料電池として、固体酸化物形燃料電池を例に挙げて説明する。 Hereinafter, a solid oxide fuel cell will be described as an example of a fuel cell to which the present invention is applied.
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。
図1に示す様に、本実施例1の固体酸化物形燃料電池(以下固体酸化物形を省略する)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)。
a) First, the schematic configuration of the fuel cell of Example 1 will be described.
As shown in FIG. 1, a solid oxide fuel cell 1 (hereinafter abbreviated as a solid oxide type) 1 of Example 1 includes a fuel gas (for example, hydrogen) and an oxidant gas (for example, air, more specifically, in the air). This is a device that generates power by being supplied with oxygen. 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25段)の燃料電池セル7(以下燃料電池カセットと記す:図2参照)とが積層された燃料電池スタックである。 This 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, 25 stages) fuel cell cells 7 (hereinafter referred to as fuel cells) disposed between the end plates 3 and 5. This is a fuel cell stack in which a cassette is referred to (see FIG. 2).
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9が設けられ、その貫通孔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。 Each of the end plates 3 and 5 and each fuel cell cassette 7 is provided with a plurality of (for example, eight) through holes 9 penetrating them in the stacking direction (vertical direction in FIG. 1). The end plates 3, 5 and the fuel cell cassettes 7 are integrated by bolts 11 a, 11 b, 11 c, 11 d, 11 e, 11 f, 11 g, 11 h (collectively referred to as 11) and nuts 13 screwed into the bolts 11. It is fixed to.
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15が形成されている。なお、ボルト11bは燃料ガスの排出に用いられ、ボルト11dは酸化剤ガスの排出に用いられ、ボルト11fは燃料ガスの導入に用いられ、ボルト11hは酸化剤ガスの導入に用いられる。 In addition, the specific (four) bolts 11b, 11d, 11f, and 11h among the bolts 11 have an internal flow path 15 through which the oxidant gas or the fuel gas flows along the axial direction (vertical direction in FIG. 1). Is formed. The bolt 11b is used for discharging fuel gas, the bolt 11d is used for discharging oxidant gas, the bolt 11f is used for introducing fuel gas, and the bolt 11h is used for introducing oxidant gas.
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。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。
b) Next, the configuration of the fuel cell cassette 7 will be described in detail.
As shown in FIG. 3, 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 insulating frame 29. The metal interconnector 31 and the like are laminated. Each of the stacked members 21 to 31 is formed with each through hole 9 through which each bolt 11 is inserted.
また、セパレータ25には、後述する単セル33が接合され、空気極絶縁フレーム23の枠内の流路(酸化剤ガスが流れる空気流路)35には、導電部材である空気極集電体37が配置され、燃料極フレーム27(もしくは燃料極絶縁フレーム29)の枠内の流路(燃料ガスが流れる燃料流路)39には、導電部材である燃料極集電体41が配置されている。 In addition, a single cell 33 (to be described later) is joined to the separator 25, and an air electrode current collector that is a conductive member is provided in a flow path (air flow path in which the oxidant gas flows) 35 in the frame of the air electrode insulating frame 23. 37 is disposed, and a fuel electrode current collector 41, which is a conductive member, is disposed in a flow path (fuel flow path through which fuel gas flows) 39 in the frame of the fuel electrode frame 27 (or the fuel electrode insulating frame 29). Yes.
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。なお、インターコネクタ21、31は、隣接する単セル間33の間に配置される場合は、1枚配置されていればよい。
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). In addition, the interconnectors 21 and 31 should just be arrange | positioned when arrange | positioning between the adjacent single cells 33. FIG.
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。 The air electrode insulating frame 23 is a square frame-like plate material having electrical insulation, and is a mica frame made of soft mica. The air electrode insulating frame 23 is formed with a rectangular opening 23a constituting the air flow path 35 at the center (in plan view).
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.
空気極集電体37は、長尺の導電性を有する部材(例えばSUS430等のステンレス鋼の柱材:図4参照)である。この空気極集電体37は、空気極絶縁フレーム23の開口部23a内にて、一対の貫通孔9(9d、9h)の配置方向に沿って、即ち空気の流路に沿って複数本が配置されている。 The air electrode current collector 37 is a long conductive member (for example, a stainless steel column such as SUS430: see FIG. 4). A plurality of the air electrode current collectors 37 are arranged along the arrangement direction of the pair of through holes 9 (9d, 9h) in the opening 23a of the air electrode insulating frame 23, that is, along the air flow path. Is arranged.
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5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。 The separator 25 is a rectangular frame-like conductive plate material (for example, a metal plate such as stainless steel such as SUS430). As shown in FIG. 5, the outer peripheral edge (upper surface side) of the single cell 33 is brazed and joined to the separator 25 at the inner peripheral edge (lower surface side) along the rectangular opening 25 a at the center. ing. That is, the single cell 33 is joined so as to close the opening 25 a of the separator 25.
なお、後述するように、単セル33は、固体電解質体(固体電解質層)51と燃料極53と(平面視で固体電解質層51や燃料極53より外形が小さい)空気極55とが一体に積層されたものであり、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。 As will be described later, the single cell 33 has a solid electrolyte body (solid electrolyte layer) 51, a fuel electrode 53, and an air electrode 55 (whose outer shape is smaller than that of the solid electrolyte layer 51 and the fuel electrode 53 in plan view). The separators 25 are laminated, and the separator 25 is bonded to the upper surface of the outer peripheral edge of the solid electrolyte layer 51.
従って、上述した単セル33が接合されたセパレータ25により、燃料電池カセット7の内部において、酸化剤ガスと燃料ガスとが混合しないように、空気流路35と燃料流路39とが分離されている。 Therefore, the air flow path 35 and the fuel flow path 39 are separated by the separator 25 to which the single cells 33 are joined so that the oxidant gas and the fuel gas are not mixed in the fuel cell cassette 7. Yes.
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。
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。
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.
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.
燃料極集電体41は、図6に示すように、マイカ製の芯材であるスペーサ61と金属製の導電板(例えばニッケル製の平板形状の網や箔、等)63とが組み合わされた公知の格子状の部材(例えば特開2013−55042号公報に記載の集電部材19参照)である。 As shown in FIG. 6, the anode current collector 41 is a combination of a spacer 61, which is a core material made of mica, and a metal conductive plate (for example, a flat plate-like net or foil made of nickel) 63. It is a well-known lattice-like member (for example, refer to the current collecting member 19 described in JP2013-55042A).
詳しくは、燃料極集電体41は、多数の長孔61aが平行に開けられたスペーサ(梯子マイカ)61と、スペーサ61に導電板63自身の各片63aが折り曲げて取り付けられた導電板63とから構成されている。 Specifically, the fuel electrode current collector 41 includes a spacer (ladder mica) 61 in which a number of long holes 61a are opened in parallel, and a conductive plate 63 in which each piece 63a of the conductive plate 63 is bent and attached to the spacer 61. And is composed of.
次に、前記単セル33について説明する。
図7に示すように、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7の下方)に形成された燃料極(アノード)53と、他方の側(図7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。
Next, the single cell 33 will be described.
As shown in FIG. 7, the single cell 33 has a so-called fuel electrode support membrane type structure, and is a thin solid electrolyte layer 51 and a fuel formed on one side thereof (downward in FIG. 7). An electrode (anode) 53 and a thin film air electrode (cathode) 55 formed on the other side (upper side in FIG. 7) are integrally laminated.
また、単セル33の空気極55側には空気流路35が設けられ、燃料極53側には燃料流路39が設けられている。なお、空気流路35における空気の流れる方向は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7の左右方向(左から右)である。 Further, an air flow path 35 is provided on the air electrode 55 side of the single cell 33, and a fuel flow path 39 is provided on the fuel electrode 53 side. The air flow direction in the air flow path 35 is perpendicular to the paper surface, and the fuel gas flow direction in the fuel flow path 39 is the left-right direction (left to right) in FIG.
このうち、空気極55は酸化剤ガスが通過できる多孔質の層であり、その開気孔率は、20〜50%の範囲の例えば30%である。
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La2O3、SrO、Ce2O3、Co2O3、MnO2、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−xSrxCoO3系複合酸化物、La1−xSrxFeO3系複合酸化物、La1−xSrxCo1−yFeyO3系複合酸化物、La1−xSrxMnO3系複合酸化物、Pr1−xBaxCoO3系複合酸化物、Sm1−xSrxCoO3系複合酸化物)などを使用できる。
Among these, the air electrode 55 is a porous layer through which the oxidant gas can pass, and the open porosity thereof is, for example, 30% in the range of 20 to 50%.
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緻密な層であり、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 dense layer made of a solid oxide, and can move oxidant gas (oxygen) introduced into the air electrode 55 as ions during operation (power generation) of the fuel cell 1. Conductive.
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は燃料ガスが通過できる多孔質の層であり、その開気孔率は、20〜60%の範囲の例えば35%である。この燃料極53は、図示しないが、電子の授受により触媒反応を起こす活性層と、これを支持する支持層とから構成されている。 The fuel electrode 53 is a porous layer through which fuel gas can pass, and the open porosity thereof is, for example, 35% in the range of 20 to 60%. Although not shown, the fuel electrode 53 is composed of an active layer that causes a catalytic reaction by exchange of electrons and a support layer that supports the active layer.
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ZrO2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。 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 a mixture of these with ceramics. Further, a metal such as Ni, or a cermet or Ni-based alloy of Ni and the ceramic can be used.
本実施例1では、複数の空気極集電体37の空気極55側の先端面(底面)と空気極55の表面との間に、導電性を有するとともに酸化剤ガスが通過できる多孔質の接合層(空気極接合層)71が設けられ、この空気極接合層71によって空気極集電体37と空気極55とが接合されている。 In the first embodiment, a porous material that has conductivity and allows oxidant gas to pass between the front end surface (bottom surface) of the plurality of air electrode current collectors 37 on the air electrode 55 side and the surface of the air electrode 55. A bonding layer (air electrode bonding layer) 71 is provided, and the air electrode current collector 37 and the air electrode 55 are bonded by the air electrode bonding layer 71.
これにより、空気極55の表面に、複数の空気極接合層71がそれぞれ接触するとともに、各空気極接合層71に空気極集電体37が接触する構成とされている。即ち、空気極55の表面の一部に各空気極接合層71が接触するとともに、空気極55の表面が部分的に空気流路35に露出する構成とされている。 As a result, the plurality of air electrode bonding layers 71 are in contact with the surface of the air electrode 55, and the air electrode current collector 37 is in contact with each air electrode bonding layer 71. That is, each air electrode bonding layer 71 is in contact with a part of the surface of the air electrode 55, and the surface of the air electrode 55 is partially exposed to the air flow path 35.
なお、空気極集電体37は長尺の部材であるので、その底面に沿って形成される空気極接合層71も、所定方向に長い平面視で短冊状となる(前記図4参照)。
この空気極接合層71の開気孔率は、30〜60%の範囲の例えば40%であり、図8に模式的に示すように、空気極55の開気孔率より大きな開気孔率を有している。なお、空気極接合層71の厚みは、例えば5〜50μmである。
Since the air electrode current collector 37 is a long member, the air electrode bonding layer 71 formed along the bottom surface of the air electrode current collector 37 also has a strip shape in plan view long in a predetermined direction (see FIG. 4).
The open porosity of the air electrode bonding layer 71 is, for example, 40% in the range of 30 to 60%, and has an open porosity larger than the open porosity of the air electrode 55 as schematically shown in FIG. ing. The thickness of the air electrode bonding layer 71 is, for example, 5 to 50 μm.
従って、空気極55や空気極接合層71の周囲の空気流路35の酸化剤ガス(従って酸素:O2)は、空気極55の開気孔率より空気極接合層71の開気孔率が大きいことで、空気極55よりも空気極接合層71の方が容易に流通できるようになっている。つまり、空気極接合層71におけるガス拡散抵抗は、空気極55におけるガス拡散抵抗より小さくなっている。 Therefore, the oxidant gas (and hence oxygen: O 2 ) in the air flow path 35 around the air electrode 55 and the air electrode bonding layer 71 has a larger open porosity in the air electrode bonding layer 71 than in the air electrode 55. Thus, the air electrode bonding layer 71 can be more easily distributed than the air electrode 55. That is, the gas diffusion resistance in the air electrode bonding layer 71 is smaller than the gas diffusion resistance in the air electrode 55.
この空気極接合層71を構成する材料としては、導電性スピネル型酸化物が挙げられる。この導電性スピネル酸化物は、スピネル型の結晶構造を有する金属酸化物であり、導電性を有し多孔質を構成する限り、特に限定されない。 Examples of the material constituting the air electrode bonding layer 71 include a conductive spinel oxide. This conductive spinel oxide is a metal oxide having a spinel crystal structure, and is not particularly limited as long as it has conductivity and forms a porous structure.
導電性スピネル型酸化物は、AB2O4の組成式で示される酸化物であり、結晶中にAサイトとBサイトと称する陽イオンが配置される2つのサイトを有する。Aサイト及びBサイトを示す金属元素としては、Cu、Mn、Co、Fe、Cr、Ni、Zn等が挙げられる。導電性スピネル酸化物としては、CuMn2O4、MnCo2O4、CoMn2O4、MnFe2O4、ZnMn2O4、CuFe2O4、CuFe2O4、NiMn2O4、CoCr2O4等が挙げられる。これらの中でも、導電性が高いCuMn2O4が空気極接合層に含まれていることが好ましい。なお、Aサイト及びBサイトは、その一部が前記金属元素以外の金属元素により置換されていてもよい。 The conductive spinel oxide is an oxide represented by a composition formula of AB 2 O 4 and has two sites where cations called A site and B site are arranged in the crystal. Examples of the metal element indicating the A site and the B site include Cu, Mn, Co, Fe, Cr, Ni, and Zn. As the conductive spinel oxide, CuMn 2 O 4 , MnCo 2 O 4 , CoMn 2 O 4 , MnFe 2 O 4 , ZnMn 2 O 4 , CuFe 2 O 4 , CuFe 2 O 4 , NiMn 2 O 4 , CoCr 2 O 4 etc. are mentioned. Among these, it is preferable that CuMn 2 O 4 having high conductivity is included in the air electrode bonding layer. A part of the A site and the B site may be substituted with a metal element other than the metal element.
なお、燃料極集電体41については、前記図7に示すように、スペーサ61を挟むようにて配置された導電板63の片63aが、そのまま燃料極53に接触している。
c)次に、燃料電池1の製造方法について説明する。
As for the fuel electrode current collector 41, as shown in FIG. 7, the piece 63 a of the conductive plate 63 arranged so as to sandwich the spacer 61 is in contact with the fuel electrode 53 as it is.
c) Next, a method for manufacturing the fuel cell 1 will be described.
[各部材の製造工程]
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。
[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、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。 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.
[単セル33の製造工程]
単セル33を、定法に従って製造した。
具体的には、まず、燃料極53を上述した開気孔率を有する多孔質層とするために、例えば、平均粒径0.5〜5μmのイットリア安定化ジルコニア(YSZ)粉末を40〜70質量部と、平均粒径0.5〜5μmの酸化ニッケル粉末を40〜70質量部と、バインダー溶液とからなる材料を用いて、燃料極ペーストを作製した。なお、燃料極ペーストには、開気孔率を上げるために、例えば1〜5μmの樹脂製ビーズを5〜30質量部用いてもよい。そして、この燃料極ペーストを用いて、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。
[Manufacturing Process of Single Cell 33]
A single cell 33 was manufactured according to a conventional method.
Specifically, first, in order to make the fuel electrode 53 a porous layer having the above-described open porosity, for example, 40 to 70 mass of yttria-stabilized zirconia (YSZ) powder having an average particle size of 0.5 to 5 μm is used. A fuel electrode paste was prepared using a material composed of 40 parts by weight of nickel oxide powder having an average particle size of 0.5 to 5 μm and a binder solution. In addition, in order to raise an open porosity, you may use 5-30 mass parts of resin beads of 1-5 micrometers for a fuel electrode paste, for example. Then, using this fuel electrode paste, a fuel electrode green sheet was produced by a known doctor blade method.
また、固体電解質層51を作製するために、例えば平均粒径0.5〜3μmのYSZ粉末と、バインダー溶液とからなる材料を用いて、固体電解質ペーストを作製した。そして、この固体電解質ペーストを用いて、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。 Moreover, in order to produce the solid electrolyte layer 51, for example, a solid electrolyte paste was produced using a material composed of a YSZ powder having an average particle size of 0.5 to 3 μm and a binder solution. And using this solid electrolyte paste, the solid electrolyte green sheet was produced by the 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、1200〜1500℃で1〜10時間加熱することにより、焼結させて、焼結積層体を形成した。 Next, a solid electrolyte green sheet was laminated on the fuel electrode green sheet. And the laminated body was sintered by heating at 1200-1500 degreeC for 1 to 10 hours, and the sintered laminated body was formed.
また、空気極55を上述した開気孔率を有する多孔質層とするために、平均粒径1〜4μmのLa1−xSrxCo1−yFeyO3粉末と、バインダー溶液とからなる材料を用いて、空気極ペーストを作製した。 Further, in order to make the air electrode 55 a porous layer having the above-described open porosity, it is composed of La 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3 powder having an average particle diameter of 1 to 4 μm and a binder solution. Using the material, an air electrode paste was prepared.
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、焼成によって緻密とならないように、900〜1200℃にて1〜5時間焼成して、空気極55を形成した。 Next, an air electrode paste was printed on the surface of the solid electrolyte layer 51 in the sintered laminate. Then, the printed air electrode paste was baked at 900 to 1200 ° C. for 1 to 5 hours so as not to become dense by baking, and the air electrode 55 was formed.
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。
[空気極接合層71の製造工程]
平均粒径5μm以上(例えば5〜30μm)の金属粉末あるいは酸化物粉末30〜70質量部と、平均粒径5μm以下(例えば0.1〜5μm)の金属粉末あるいは金属酸化物粉末30〜70質量部とを含む金属混合粉末と、溶剤、バインダー、分散剤、可塑剤などを、混合・混連して空気極接合層ペーストを作製した。
Thereby, the single cell 33 was completed. The single cell 33 was fixed to the separator 25 by brazing.
[Manufacturing Process of Air Electrode Bonding Layer 71]
30 to 70 parts by mass of metal powder or oxide powder having an average particle size of 5 μm or more (for example, 5 to 30 μm), and 30 to 70 mass of metal powder or metal oxide powder having an average particle size of 5 μm or less (for example, 0.1 to 5 μm). An air electrode bonding layer paste was prepared by mixing and mixing a metal mixed powder containing a part, a solvent, a binder, a dispersant, a plasticizer, and the like.
なお、金属粉末としては、例えばCu、Mn、Co、Fe、Cr、Ni、Znのいずれか1種を用い、金属酸化物粉末としては、例えば上記金属の酸化物を用いた。
この空気極接合層ペーストを、空気極集電体37の空気極55側の表面(底面)と、空気極55の空気極集電体37と対向する表面とに、スクリーン印刷等によって塗布した。その後、空気極接合層ペーストの接着性が失われない温度(80〜120℃)で乾燥させた。
As the metal powder, for example, any one of Cu, Mn, Co, Fe, Cr, Ni, and Zn was used, and as the metal oxide powder, for example, the above metal oxide was used.
The air electrode bonding layer paste was applied to the surface (bottom surface) of the air electrode current collector 37 on the air electrode 55 side and the surface of the air electrode 55 facing the air electrode current collector 37 by screen printing or the like. Then, it dried at the temperature (80-120 degreeC) by which the adhesiveness of an air electrode joining layer paste is not lost.
[燃料電池スタック7の製造工程]
次に、上述した(空気極55の表面に空気極接合層ペーストを塗布した)単セル33と、(底面に空気極接合層ペーストを塗布した)空気極集電体37とを、対向する各空気極接合層ペーストにて接触するように重ね合わせた。
[Manufacturing process of fuel cell stack 7]
Next, the single cell 33 (with the air electrode bonding layer paste applied to the surface of the air electrode 55) and the air electrode current collector 37 (with the air electrode bonding layer paste applied to the bottom surface) are opposed to each other. They were superposed so as to be in contact with the air electrode bonding layer paste.
それとともに、上述したインターコネクタ21、31、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。 At the same time, the interconnectors 21 and 31, the air electrode insulating frame 23, the fuel electrode frame 27, the fuel electrode current collector 41, the fuel electrode insulating frame 29 and the like described above are arranged and stacked as shown in FIG. Each fuel cell cassette 7 was assembled.
そして、このような各燃料電池カセット7を積層し、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。
And each such fuel cell cassette 7 was laminated | stacked, and the end plates 3 and 5 were laminated | stacked on the both ends of the lamination direction, and the laminated body was comprised.
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.
次に、この積層体を酸化雰囲気で加熱して、空気極集電体37と空気極55とを空気極接合層71により接合した。
なお、酸化処理の条件としては、積層体を電気炉に入れ、300〜900℃の範囲で、燃料流路39に燃料ガスを供給し、空気流路35に酸素濃度15〜100%の酸化剤ガスを流しながら、2〜10時間保持する方法が挙げられる。
Next, this laminate was heated in an oxidizing atmosphere, and the air electrode current collector 37 and the air electrode 55 were bonded together by the air electrode bonding layer 71.
As the conditions for the oxidation treatment, the laminate is put in an electric furnace, the fuel gas is supplied to the fuel flow path 39 in the range of 300 to 900 ° C., and the oxidant having an oxygen concentration of 15 to 100% is supplied to the air flow path 35. The method of hold | maintaining for 2 to 10 hours, flowing gas is mentioned.
これによって、空気極接合層ペーストに含まれる金属粉末と金属酸化物粉末とが酸化処理されて、導電性スピネル型酸化物に変化する。また、この条件で熱処理することで、所定の開気孔率を維持したままで焼結させることができる。 As a result, the metal powder and the metal oxide powder contained in the air electrode bonding layer paste are oxidized to change into a conductive spinel oxide. Further, by performing heat treatment under these conditions, sintering can be performed while maintaining a predetermined open porosity.
これによって、本実施例1の燃料電池1が完成した。
d)次に、上述した製造方向によって形成された空気極55や空気極接合層71の開気孔率の測定方法について説明する。
Thereby, the fuel cell 1 of Example 1 was completed.
d) Next, a method for measuring the open porosity of the air electrode 55 and the air electrode bonding layer 71 formed in the manufacturing direction described above will be described.
上述した製造方法によって形成された空気極55及び空気極接合層71に対して、積層方向に沿って断面を出し、その断面を撮像して、例えば図9に示すようなSEM画像を得る。 For the air electrode 55 and the air electrode bonding layer 71 formed by the manufacturing method described above, a cross section is taken out along the stacking direction, and the cross section is imaged to obtain, for example, an SEM image as shown in FIG.
なお、このSEM画像の倍率は500倍である。
次に、SEM画像に対して、一定間隔(例えば1〜5μm間隔)で、前記積層方向に垂直な方向に対して平行な直線を複数本引く。
The magnification of this SEM image is 500 times.
Next, a plurality of straight lines parallel to the direction perpendicular to the stacking direction are drawn at a constant interval (for example, at an interval of 1 to 5 μm) from the SEM image.
次に、引いた直線上の気孔にあたる部分の長さを測定する。
ここで、1本の直線上にある複数の気孔部分の長さの和を、直線総長さで割った値が気孔率に相当する。
Next, the length of the portion corresponding to the pores on the drawn straight line is measured.
Here, a value obtained by dividing the sum of the lengths of a plurality of pore portions on one straight line by the total straight line length corresponds to the porosity.
そして、複数(例えば3〜30本)の直線の気孔率の平均値を求め、その平均値を(空気極55や空気極接合層71の)気孔率とする。
なお、本発明のような構成の燃料電池においては、通常は、各気孔の殆どは他の気孔と連通しているので、この気孔率が開気孔率に相当する。つまり、本発明においては、上述した測定方法によって得られた気孔率を、本発明の開気孔率として採用することができる。
And the average value of the porosity of a plurality of (for example, 3 to 30) straight lines is obtained, and the average value is set as the porosity (of the air electrode 55 and the air electrode bonding layer 71).
In the fuel cell configured as in the present invention, normally, most of the pores communicate with other pores, and this porosity corresponds to the open porosity. That is, in the present invention, the porosity obtained by the measurement method described above can be adopted as the open porosity of the present invention.
なお、本測定では、500倍のSEM画像を用いて開気孔率の測定を行ったが、500〜2000倍のSEM画像を用いても、上記の測定方法で開気孔率の測定が可能である。
e)本実施例1の効果について説明する。
In this measurement, the open porosity was measured using a 500-fold SEM image. However, the open-pore ratio can be measured by the above measurement method using a 500-2000-fold SEM image. .
e) The effect of the first embodiment will be described.
本実施例1では、空気極55は、導電性を有する多孔質の空気極接合層71を介して空気極集電体37と接合されており、しかも、この空気極接合層71の開気孔率は、空気極55の開気孔率より大である。 In the first embodiment, the air electrode 55 is bonded to the air electrode current collector 37 via a porous air electrode bonding layer 71 having conductivity, and the open porosity of the air electrode bonding layer 71 is also determined. Is larger than the open porosity of the air electrode 55.
従って、前記図8に示すように、酸化剤ガスが、空気流路35から空気極5と空気極接合層71との界面部分73(即ち触媒反応が主として生じる箇所)等に供給される場合には、空気極接合層71の開気孔率は空気極接合層71が接合された空気極55の開気孔率より大であるので、酸化剤ガスは空気極55の内部よりも空気極接合層71の内部から界面部分73に到達し易い。 Therefore, as shown in FIG. 8, when the oxidant gas is supplied from the air flow path 35 to the interface portion 73 between the air electrode 5 and the air electrode bonding layer 71 (that is, the place where the catalytic reaction mainly occurs) or the like. Since the open porosity of the air electrode bonding layer 71 is larger than the open porosity of the air electrode 55 to which the air electrode bonding layer 71 is bonded, the oxidant gas is more in the air electrode bonding layer 71 than inside the air electrode 55. It is easy to reach the interface portion 73 from inside.
つまり、本実施例1では、従来に比べて、酸化剤ガスが界面部分73に到達する経路(パス)が短く、ガス拡散抵抗が小さいという特長がある。そのため、空気極55における分極抵抗が小さく、単セル33(従って燃料電池1)にて発生する電圧が大きくなるという効果がある。 That is, the first embodiment is characterized in that the path (path) through which the oxidant gas reaches the interface portion 73 is shorter and the gas diffusion resistance is smaller than in the prior art. Therefore, there is an effect that the polarization resistance in the air electrode 55 is small and the voltage generated in the single cell 33 (and hence the fuel cell 1) is large.
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の燃料電池は、空気極側だけでなく、燃料極側にも、多孔質の接合層を設けるものである。以下、詳細に説明する。
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 fuel cell of Example 2, a porous bonding layer is provided not only on the air electrode side but also on the fuel electrode side. Details will be described below.
a)まず、本実施例2の燃料電池の構成について説明する。
なお、燃料電池カセットの内部の構成以外は、前記実施例1と同様であるので、以下では、燃料電池カセットの構成について説明する。
a) First, the configuration of the fuel cell of the second embodiment will be described.
In addition, since it is the same as that of the said Example 1 except the structure inside a fuel cell cassette, below, the structure of a fuel cell cassette is demonstrated.
図10に示すように、本実施例2の燃料電池1における燃料電池カセット7では、前記実施例1と同様に、インターコネクタ21、31の間に、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等が積層されている。 As shown in FIG. 10, in the fuel cell cassette 7 in the fuel cell 1 of the second embodiment, the air electrode insulating frame 23, the separator 25, the fuel electrode are interposed between the interconnectors 21 and 31, as in the first embodiment. A frame 27, a fuel electrode insulating frame 29, and the like are laminated.
また、セパレータ25には、(空気極55と固体電解質層51と燃料極53とが一体となった)単セル33が接合され、空気流路35には、空気極集合体37が配置され、燃料流路39には、燃料極集合体41が配置されている。 The separator 25 is joined with a single cell 33 (in which the air electrode 55, the solid electrolyte layer 51, and the fuel electrode 53 are integrated), and an air electrode assembly 37 is disposed in the air flow path 35. A fuel electrode assembly 41 is disposed in the fuel flow path 39.
更に、空気極集電体37と空気極55とは、多孔質の接合層(空気極接合層)71によって接合されている。
特に本実施例2では、燃料極集電体41と燃料極53とは、燃料ガスが通過可能な多孔質の接合層(燃料極接合層)81によって接合されている。なお、燃料極接合層81は、発電時の燃料極53雰囲気下で酸化されない金属、例えばNi、Fe、Co、貴金属類のいずれか1種から構成されている。
Further, the air electrode current collector 37 and the air electrode 55 are joined by a porous joining layer (air electrode joining layer) 71.
In particular, in the second embodiment, the fuel electrode current collector 41 and the fuel electrode 53 are joined by a porous joining layer (fuel electrode joining layer) 81 through which the fuel gas can pass. The fuel electrode bonding layer 81 is made of any one of metals that are not oxidized in the atmosphere of the fuel electrode 53 during power generation, such as Ni, Fe, Co, and noble metals.
詳しくは、燃料極集電体41の導電板63の片63aの表面(燃料極53側の表面)と、その片63aに対向する燃料極53との間に燃料極接合層81が形成されている。
即ち、燃料極接合層81は、燃料極53の表面の一部に、燃料極53が部分的に表面に露出するように配置されている。詳しくは、燃料極接合層81は、平面視で格子の枠内(前記図6における片63aの表面)に配置されるように、縦横に複数列形成されている。
Specifically, a fuel electrode bonding layer 81 is formed between the surface of the piece 63a (surface on the fuel electrode 53 side) of the conductive plate 63 of the fuel electrode current collector 41 and the fuel electrode 53 facing the piece 63a. Yes.
That is, the fuel electrode bonding layer 81 is arranged on a part of the surface of the fuel electrode 53 so that the fuel electrode 53 is partially exposed on the surface. Specifically, the fuel electrode bonding layers 81 are formed in a plurality of rows vertically and horizontally so as to be disposed within the lattice frame (the surface of the piece 63a in FIG. 6) in plan view.
本実施例2においては、空気極接合層71の開気孔率は、空気極55の開気孔率より大きく、且つ、燃料極接合層81の開気孔率は、燃料極53の開気孔率より大きく設定されている。なお、空気極55の開気孔率は、燃料極53の開気孔率よりは小さい。 In the second embodiment, the open porosity of the air electrode bonding layer 71 is larger than the open porosity of the air electrode 55, and the open porosity of the fuel electrode bonding layer 81 is larger than the open porosity of the fuel electrode 53. Is set. Note that the open porosity of the air electrode 55 is smaller than the open porosity of the fuel electrode 53.
例えば、空気極接合層71の開気孔率は30〜60%、空気極55の開気孔率は20〜50%、燃料極接合層81の開気孔率は30〜60%、燃料極53の開気孔率は20〜50%である。 For example, the air electrode bonding layer 71 has an open porosity of 30 to 60%, the air electrode 55 has an open porosity of 20 to 50%, the fuel electrode bonding layer 81 has an open porosity of 30 to 60%, and the fuel electrode 53 is open. The porosity is 20-50%.
b)次に、燃料電池カセット7の製造方法について説明する。
なお、燃料極接合層81の形成方法以外は、前記実施例1と同様であるので、ここでは、燃料電池接合層81の形成方法について説明する。
b) Next, a method for manufacturing the fuel cell cassette 7 will be described.
In addition, since it is the same as that of the said Example 1 except the formation method of the fuel electrode joining layer 81, here, the formation method of the fuel cell joining layer 81 is demonstrated.
平均粒径1〜10μmのNi、Fe、Co、貴金属類のいずれか1種からなる金属粉末あるいは上記金属の酸化物粉末と、溶剤、バインダー、分散剤、可塑剤などを、混合・混連して燃料極接合層ペーストを作製する。 Mixing / mixing metal powder consisting of any one of Ni, Fe, Co and precious metals with an average particle size of 1-10 μm or oxide powder of the above metal, solvent, binder, dispersant, plasticizer, etc. To produce a fuel electrode bonding layer paste.
この燃料極接合層ペーストを、燃料極集電体41の導電板63の片63a表面(燃料極53側の表面)と、燃料極53の片63aと対向する表面とに、スクリーン印刷等によって塗布した。その後、燃料極接合層ペーストの接着性が失われない温度(80〜120℃)で乾燥させた。 The fuel electrode bonding layer paste is applied to the surface of the conductive plate 63 of the fuel electrode current collector 41 (the surface on the fuel electrode 53 side) and the surface facing the piece 63a of the fuel electrode 53 by screen printing or the like. did. Then, it dried at the temperature (80-120 degreeC) which does not lose the adhesiveness of a fuel electrode joining layer paste.
次に、(前記実施例1と同様に)空気極55の表面に空気極接合層ペーストを塗布し且つ燃料極53の表面に燃料極接合層ペーストを塗布した単セル33に対して、空気極接合層ペーストを塗布した空気極集電体37を、対向する各空気極接合層ペーストにて接触するように重ね合わせた。それとともに、燃料極接合層ペーストを塗布した燃料極集電体41とを、対向する各燃料極接合層ペーストにて接触するように重ね合わせた。 Next, the air electrode is applied to the single cell 33 in which the air electrode bonding layer paste is applied to the surface of the air electrode 55 and the fuel electrode bonding layer paste is applied to the surface of the fuel electrode 53 (as in the first embodiment). The air electrode current collector 37 coated with the bonding layer paste was superposed so as to be in contact with each facing air electrode bonding layer paste. At the same time, the fuel electrode current collector 41 coated with the fuel electrode bonding layer paste was superposed so as to be in contact with each facing fuel electrode bonding layer paste.
そして、上述したインターコネクタ21、31、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。 Then, the interconnectors 21 and 31, the air electrode insulating frame 23, the fuel electrode frame 27, the fuel electrode current collector 41, the fuel electrode insulating frame 29 and the like described above are arranged and stacked as shown in FIG. The fuel cell cassette 7 was assembled.
その後、前記実施例1と同様にして燃料電池1を製造した。
c)本実施例2においても、前記実施例1と同様な効果を奏するとともに、燃料極接合層81の開気孔率は、燃料極53の開気孔率より大きく設定されているので、燃料ガスが燃料極接合層81と燃料極53との界面部分に到達し易く、よって、燃料電池カセット7等における電圧の低下を一層好適に抑制できるという利点がある。
Thereafter, the fuel cell 1 was produced in the same manner as in Example 1.
c) Also in the second embodiment, the same effect as in the first embodiment is obtained, and the open porosity of the fuel electrode bonding layer 81 is set larger than the open porosity of the fuel electrode 53, so that the fuel gas is reduced. It is easy to reach the interface portion between the fuel electrode bonding layer 81 and the fuel electrode 53, and therefore there is an advantage that the voltage drop in the fuel cell cassette 7 and the like can be more suitably suppressed.
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の燃料電池は、空気極集電体や燃料極集電体が、インターコネクタと一体に形成されているものである。即ち、凸部を備えたインターコネクタを導電部材として用いるものである。
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 the fuel cell of Example 3, the air electrode current collector and the fuel electrode current collector are formed integrally with the interconnector. That is, an interconnector having a convex portion is used as a conductive member.
以下、本実施例3の燃料電池の構成について説明するが、燃料電池カセットの内部の構成以外は、前記実施例1と同様であるので、以下では、燃料電池カセットの構成について説明する。 Hereinafter, the configuration of the fuel cell according to the third embodiment will be described. Since the configuration other than the internal configuration of the fuel cell cassette is the same as that of the first embodiment, the configuration of the fuel cell cassette will be described below.
図11に示すように、本実施例3の燃料電池1における燃料電池カセット101では、前記実施例1と同様に、インターコネクタ103、105の間に、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が積層されている。 As shown in FIG. 11, in the fuel cell cassette 101 in the fuel cell 1 of the third embodiment, the air electrode insulating frame 23, the separator 25, the fuel electrode are interposed between the interconnectors 103 and 105, as in the first embodiment. A frame 27 and a fuel electrode insulating frame 29 are stacked.
また、セパレータ25には、(空気極55と固体電解質層51と燃料極53とが一体となった)単セル33が接合されている。
特に本実施例3では、インターコネクタ103、105の空気極集電体107、109と燃料極集電体111、113とは、インターコネクタ103、105と一体に構成されている。
In addition, a single cell 33 (in which the air electrode 55, the solid electrolyte layer 51, and the fuel electrode 53 are integrated) is joined to the separator 25.
Particularly in the third embodiment, the air electrode current collectors 107 and 109 and the fuel electrode current collectors 111 and 113 of the interconnectors 103 and 105 are integrally formed with the interconnectors 103 and 105.
詳しくは、インターコネクタ103、105は、板状のインターコネクタ本体115、117と、インターコネクタ本体115、117から空気極55側(同図下方)に突出する(例えば平面視で縦横に複数列配置された)凸部である空気極集電体107、109と、インターコネクタ本体115、117から燃料極53側(同図上方)に突出する(例えば平面視で縦横に複数列配置された)凸部である燃料極集電体111、113とから構成されている。 Specifically, the interconnectors 103 and 105 project from the interconnector bodies 115 and 117 to the air electrode 55 side (downward in the figure) from the interconnector bodies 115 and 117 (for example, arranged in a plurality of rows vertically and horizontally in plan view). The cathode current collectors 107 and 109 which are projections and the projections protruding from the interconnector bodies 115 and 117 toward the fuel electrode 53 (upward in the figure) (for example, arranged in a plurality of rows vertically and horizontally in plan view) It is comprised from the fuel electrode current collectors 111 and 113 which are parts.
そして、空気極集電体107と空気極55との間に、前記実施例1と同様な空気極接合層121が形成されている。一方、燃料極集電体113と燃料極53とは、直接に接触している。 An air electrode bonding layer 121 similar to that of the first embodiment is formed between the air electrode current collector 107 and the air electrode 55. On the other hand, the fuel electrode current collector 113 and the fuel electrode 53 are in direct contact.
なお、空気極55、空気極接合層121、燃料極53は、前記実施例1と同様な開気孔率を有する多孔質層である。
本実施例3においても、前記実施例1と同様な効果を奏するとともに、別体の集電体を使用しないので、部品点数を低減でき、構成を簡易化することができる。
The air electrode 55, the air electrode bonding layer 121, and the fuel electrode 53 are porous layers having the same open porosity as in the first embodiment.
Also in the third embodiment, the same effects as in the first embodiment can be obtained, and since a separate current collector is not used, the number of parts can be reduced and the configuration can be simplified.
次に、実施例4について説明するが、前記実施例3と同様な内容の説明は省略する。
なお、実施例3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4の燃料電池は、前記実施例3と同様に、空気極集電体や燃料極集電体が、インターコネクタと一体に形成されているもの(即ち、凸部を備えたインターコネクタを導電部材として用いるもの)であり、特に、燃料極集電体も燃料極接合層によって接合されている。
Next, the fourth embodiment will be described, but the description of the same contents as the third embodiment will be omitted.
In addition, the same number is attached | subjected and demonstrated to the structure similar to Example 3. FIG.
In the fuel cell of Example 4, as in Example 3, the air electrode current collector and the fuel electrode current collector are formed integrally with the interconnector (that is, the interconnector provided with a convex portion). In particular, the fuel electrode current collector is also joined by the fuel electrode joining layer.
図12に示すように、本実施例4の燃料電池1における燃料電池カセット101では、前記実施例3と同様に、インターコネクタ103、105の間に、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が積層されている。 As shown in FIG. 12, in the fuel cell cassette 101 in the fuel cell 1 of the fourth embodiment, the air electrode insulating frame 23, the separator 25, the fuel electrode are interposed between the interconnectors 103 and 105, as in the third embodiment. A frame 27 and a fuel electrode insulating frame 29 are stacked.
また、セパレータ25には、(空気極55と固体電解質層51と燃料極53とが一体となった)単セル33が接合されている。
更に、インターコネクタ103、105の空気極集電体107、109と燃料極集電体111、113とは、一体に構成されている。
In addition, a single cell 33 (in which the air electrode 55, the solid electrolyte layer 51, and the fuel electrode 53 are integrated) is joined to the separator 25.
Further, the air electrode current collectors 107 and 109 and the fuel electrode current collectors 111 and 113 of the interconnectors 103 and 105 are integrally formed.
詳しくは、インターコネクタ103、105は、板状のインターコネクタ本体115、117と、インターコネクタ本体115、117から空気極55側(同図下方)に突出する凸部である空気極集電体107、109と、インターコネクタ本体115、117から燃料極53側(同図上方)に突出する凸部である燃料極集電体111、113とから構成されている。 Specifically, the interconnectors 103 and 105 include plate-like interconnector bodies 115 and 117 and an air electrode current collector 107 that is a convex portion protruding from the interconnector bodies 115 and 117 toward the air electrode 55 (downward in the figure). , 109, and fuel electrode current collectors 111, 113 which are convex portions protruding from the interconnector bodies 115, 117 to the fuel electrode 53 side (upward in the figure).
そして、空気極集電体107と空気極55との間に、前記実施例1、3と同様な空気極接合層121が形成され、且つ、燃料極集電体113と燃料極55との間に、前記実施例2と同様な燃料極接合層123が形成されている。 Then, an air electrode bonding layer 121 similar to those in the first and third embodiments is formed between the air electrode current collector 107 and the air electrode 55, and the fuel electrode current collector 113 and the fuel electrode 55 are interposed between them. In addition, a fuel electrode joining layer 123 similar to that of the second embodiment is formed.
なお、空気極55、空気極接合層121、燃料極53、燃料極接合層123は、前記実施例2と同様な開気孔率を有する多孔質層である。
本実施例4においても、前記実施例2と同様な効果を奏するとともに、別体の集電体を使用しないので、部品点数を低減でき、構成を簡易化することができる。
The air electrode 55, the air electrode bonding layer 121, the fuel electrode 53, and the fuel electrode bonding layer 123 are porous layers having the same open porosity as in the second embodiment.
Also in the fourth embodiment, the same effects as in the second embodiment can be obtained, and since a separate current collector is not used, the number of parts can be reduced and the configuration can be simplified.
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は、前記実施例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、本発明は、例えば、ZrO2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)などの燃料電池に適用できる。
As mentioned above, although the Example of this invention was described, this invention is not limited to the said Example, A various aspect can be taken.
(1) For example, the present invention provides, for example, a solid oxide fuel cell (SOFC) using a ZrO 2 ceramic as an electrolyte, a solid polymer fuel cell (PEFC) using a polymer electrolyte membrane as an electrolyte, Li- The present invention can be applied to fuel cells such as a molten carbonate fuel cell (MCFC) using Na / K carbonate as an electrolyte, and a phosphoric acid fuel cell (PAFC) using phosphoric acid as an electrolyte.
(2)また、実施例1、2において、空気極集電体又は燃料極集電体の一方のみを、実施例3、4のように、インターコネクタと一体の凸部としてもよい。
(3)更に、本発明は、各実施例1〜4のような板状の単セルが積層された燃料電池スタック以外に、導電部材と多孔質の電極とを多孔質の接合層によって接合する各種の形状の燃料電池に適用できる。
(2) In the first and second embodiments, only one of the air electrode current collector and the fuel electrode current collector may be a convex portion integrated with the interconnector as in the third and fourth embodiments.
(3) Further, in the present invention, in addition to the fuel cell stack in which the plate-shaped single cells as in each of Examples 1 to 4 are stacked, the conductive member and the porous electrode are bonded by the porous bonding layer. It can be applied to various types of fuel cells.
1…燃料電池(燃料電池スタック)
3、5…エンドプレート
7、101…燃料電池セル(燃料電池カセット)
21、31、103、105…インターコネクタ
33…単セル
35…空気流路
37、107…空気極集電体
39…燃料流路
41、113…燃料極集電体
51…固体電解質層
53…燃料極
55…空気極
71、121…空気極接合層
81、123…燃料極接合層
1. Fuel cell (fuel cell stack)
3, 5 ... End plate 7, 101 ... Fuel cell (fuel cell cassette)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 21, 31, 103, 105 ... Interconnector 33 ... Single cell 35 ... Air flow path 37, 107 ... Cathode current collector 39 ... Fuel flow path 41, 113 ... Fuel electrode current collector 51 ... Solid electrolyte layer 53 ... Fuel Electrode 55 ... Air electrode 71, 121 ... Air electrode bonding layer 81,123 ... Fuel electrode bonding layer
Claims (5)
前記空気極及び前記燃料極の少なくとも一方の電極は、導電性を有する多孔質の接合層を介して導電部材と接合されており、
前記接合層の開気孔率は、当該接合層が接合された前記電極の開気孔率より大であることを特徴とする燃料電池。 In a fuel cell comprising a single cell having a porous air electrode and a fuel electrode, and an electrolyte body disposed between the air electrode and the fuel electrode,
At least one of the air electrode and the fuel electrode is bonded to a conductive member via a porous bonding layer having conductivity,
The fuel cell according to claim 1, wherein an open porosity of the bonding layer is larger than an open porosity of the electrode to which the bonding layer is bonded.
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