JP4288485B2 - Solid oxide fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、固体電解質を用いた固体酸化物形燃料電池(SOFC)に関する。 The present invention relates to a solid oxide fuel cell (SOFC) using a solid electrolyte.
従来より、固体酸化物形燃料電池のセルデザインとして、平板型(スタック型)、円筒型(チューブ型)などが提案されている。 Conventionally, as a cell design of a solid oxide fuel cell, a flat plate type (stack type), a cylindrical type (tube type), and the like have been proposed.
平板型セルは、板状の電解質の表面及び裏面に燃料極及び空気極をそれぞれ配置したものであり、こうして形成されたセルはセパレーターを介して複数個積層された状態で使用される。セパレーターは各セルに供給される燃料ガスと空気とを完全に分離する役割を果たしており、各セルとセパレーターとの間にはガスシールが施されている(例えば、特許文献1)。しかしながら、この平板型セルでは、セルに対して圧力をかけてガスシールを施すため、セルが振動や熱サイクルなどに対して脆弱であるなどの欠点があり、実用化に大きな課題を有している。 A flat cell is one in which a fuel electrode and an air electrode are respectively arranged on the front and back surfaces of a plate-like electrolyte, and a plurality of cells formed in this way are used in a state where they are stacked via separators. The separator plays a role of completely separating the fuel gas and air supplied to each cell, and a gas seal is provided between each cell and the separator (for example, Patent Document 1). However, this flat cell has a drawback that the cell is vulnerable to vibration, thermal cycle, etc. because it applies pressure to the cell to provide a gas seal, and has a big problem in practical use. Yes.
一方、円筒型セルは、円筒形の電解質の外周面及び内周面に燃料極及び空気極をそれぞれ配置したものであり、円筒縦縞型、円筒横縞型などが提案されている(例えば、特許文献2)。ところが、円筒型セルは、ガスシール性に優れるという利点を有する一方、平板型セルに比べて構造が複雑であるため、製造プロセスが複雑になり、製造コストが高くなるという欠点がある。 On the other hand, a cylindrical cell has a fuel electrode and an air electrode arranged on the outer peripheral surface and inner peripheral surface of a cylindrical electrolyte, and a cylindrical vertical stripe type, a cylindrical horizontal stripe type, and the like have been proposed (for example, Patent Documents). 2). However, the cylindrical cell has an advantage of excellent gas sealing properties, but has a drawback that the manufacturing process is complicated and the manufacturing cost is high because the structure is more complicated than that of the flat plate cell.
さらに、次の問題もある。平板型セル及び円筒型セルのいずれも、性能を向上させるためには電解質の薄膜化が要求され、電解質材料のオーミック抵抗の低減が必要となるが、電解質が薄すぎると脆弱化してしまい、耐振性や耐久性が低下するという問題があった。 In addition, there are the following problems. In order to improve the performance of both the flat type cell and the cylindrical type cell, it is necessary to reduce the thickness of the electrolyte, and it is necessary to reduce the ohmic resistance of the electrolyte material. There was a problem that the durability and durability deteriorated.
このため、上述した平板型、円筒型に代わる燃料電池として、燃料極及び空気極を固体電解質からなる基板の同一面上に配置し、燃料および空気の混合ガスを供給することにより発電が可能な非隔膜式固体酸化物形燃料電池が提案されている(例えば、特許文献3)。この燃料電池によれば、燃料ガスと空気とを分離する必要がないため、セパレーター及びガスシールが不要となり、構造及び製造工程の大幅な簡略化を図ることができる。 Therefore, as a fuel cell that replaces the flat plate type and the cylindrical type described above, the fuel electrode and the air electrode are arranged on the same surface of the substrate made of a solid electrolyte, and power generation is possible by supplying a mixed gas of fuel and air. Non-membrane type solid oxide fuel cells have been proposed (for example, Patent Document 3). According to this fuel cell, since it is not necessary to separate the fuel gas and air, the separator and the gas seal are not required, and the structure and the manufacturing process can be greatly simplified.
また、この非隔膜式固体酸化物形燃料電池では、酸素イオンの伝導が固体電解質の表層付近で起こり、燃料極と空気極とを固体電解質の同一面上に近接して形成するため、平板型や円筒型のように電解質の厚みが電池の性能に直接影響することはない。したがって、電池の性能を維持したまま電解質の厚みを増すことができ、これによって脆弱性を改善することが可能となる。
上記のように、特許文献3に記載の燃料電池では、電解質を基板として使用し、その一方面に複数の燃料極及び空気極を配置している。しかしながら、電解質において電池反応に必要とされるのは電極近傍の部分であるため、上記のように基板として用いた電解質では、電池反応に寄与していない部分が多く存在していた。ここで、電解質の材料コストは決して安くないことから、このように電池反応に寄与しない部分が存在すると、コストパフォーマンスが低下するという問題があった。
As described above, in the fuel cell described in
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、電池性能を低下させることなく、コストパフォーマンスを増大することが可能な固体酸化物形燃料電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell capable of increasing cost performance without deteriorating battery performance.
本発明は、電解質、燃料極、及び空気極を有する単電池セルを少なくとも1つ備えた燃料電池であって、上記問題を解決するためになされたものであり、前記単電池セルを支持する基板を備えており、前記電解質が前記基板の一方面に配置されるとともに、前記燃料極及び空気極のいずれか一方の電極が前記電解質上に配置され、他方の電極が、前記一方の電極と非接触状態で、しかも、少なくとも一部が前記基板の一方面に配置されて前記電解質と接触していることを特徴としている。 The present invention is a fuel cell including at least one single battery cell having an electrolyte, a fuel electrode, and an air electrode, and has been made to solve the above problem, and a substrate that supports the single battery cell. The electrolyte is disposed on one surface of the substrate, and one of the fuel electrode and the air electrode is disposed on the electrolyte, and the other electrode is not connected to the one electrode. In a contact state, at least a part of the substrate is disposed on one surface of the substrate and is in contact with the electrolyte.
この構成によれば、一方の電極を基板上の電解質の上に配置するとともに、他方の電極を基板上で電解質と接触させた状態で配置している。これにより、電池反応に不要な電解質をできるだけ用いることなく、単電池セルを構成することができるため、燃料電池のコストパフォーマンスを向上することができる。 According to this configuration, one electrode is disposed on the electrolyte on the substrate, and the other electrode is disposed in contact with the electrolyte on the substrate. Thereby, since a single battery cell can be comprised, without using the electrolyte unnecessary for battery reaction as much as possible, the cost performance of a fuel cell can be improved.
このとき、他方の電極と一方の電極とが非接触状態を維持できるのであれば、他方の電極を電解質上の一部に配置することもできる。また、他方の電極を基板上に配置する場合には、他方の電極の厚みを調節するだけで、両電極の非接触状態を形成することができる。すなわち、他方の電極の厚みを電解質の厚みよりも小さくすれば非接触状態を形成できるため、燃料電池が微小になっても、両電極間の距離の調整を容易に行うことができる。また、厚みの調整によって両電極間の距離の微小化を容易に行うことができる。 At this time, as long as the other electrode and the one electrode can maintain a non-contact state, the other electrode can be disposed on a part of the electrolyte. Further, when the other electrode is arranged on the substrate, a non-contact state between both electrodes can be formed only by adjusting the thickness of the other electrode. That is, since the non-contact state can be formed by making the thickness of the other electrode smaller than the thickness of the electrolyte, the distance between the two electrodes can be easily adjusted even if the fuel cell becomes minute. Moreover, the distance between both electrodes can be easily reduced by adjusting the thickness.
ここで、一方の電極を燃料極とし、他方の電極を空気極とすることで、次の効果を得ることができる。すなわち、燃料極を電解質上に配置することで、燃料極と電解質の界面、つまり電池反応に影響する三相界面を大きくすることができるため、安定した電池性能を得ることができる。 Here, the following effects can be obtained by using one electrode as a fuel electrode and the other electrode as an air electrode. That is, by disposing the fuel electrode on the electrolyte, the interface between the fuel electrode and the electrolyte, that is, the three-phase interface that affects the cell reaction can be increased, so that stable battery performance can be obtained.
上記のように構成された単電池セルを基板上に複数個配置し、これらをインターコネクターで接続することもできる。これによって、同一基板上に多数の燃料極及び空気極を形成できるため、高い発電出力を得ることができる。このとき、複数の単電池セルは、直列または並列に接続してもよいし、直列及び並列が混在した状態で接続することもできる。 It is also possible to arrange a plurality of unit cells configured as described above on a substrate and connect them with an interconnector. Accordingly, a large number of fuel electrodes and air electrodes can be formed on the same substrate, so that a high power generation output can be obtained. At this time, the plurality of single battery cells may be connected in series or in parallel, or may be connected in a mixed state of series and parallel.
特に、単電池セルを直列に接続した場合には次の効果を得ることができる。例えば、従来例では、一枚の基板上に燃料極及び空気極からなる電極体を複数個配置しているため、これら電極体の間の電解質によって起電力の相殺が発生する可能性があった。これに対して、本発明では、複数の単電池セルを直列に接続しても、隣り合う単電池セル間に電解質が存在しないため、起電力の相殺が発生する可能性がなく、高い出力を得ることができる。 In particular, the following effects can be obtained when the battery cells are connected in series. For example, in the conventional example, since a plurality of electrode bodies composed of the fuel electrode and the air electrode are arranged on one substrate, there is a possibility that the electromotive force is canceled by the electrolyte between these electrode bodies. . On the other hand, in the present invention, even if a plurality of single battery cells are connected in series, there is no electrolyte between adjacent single battery cells. Obtainable.
上記燃料電池においては、上記電解質、燃料極、及び空気極を、印刷によって形成することが好ましい。こうすることで、厚み、寸法の精密な調整が可能になり、両電極間の距離を正確に調整することができる。また、これに起因して電池反応に必要な部分に対して任意に電解質を形成することが可能になるため、使用する電解質の量を最小限に少なく抑えることができ、さらなるコストの低減が可能となる。 In the fuel cell, the electrolyte, the fuel electrode, and the air electrode are preferably formed by printing. By doing so, the thickness and dimensions can be precisely adjusted, and the distance between the electrodes can be accurately adjusted. In addition, because of this, it is possible to arbitrarily form an electrolyte for the part required for battery reaction, so the amount of electrolyte to be used can be minimized and further cost reduction is possible. It becomes.
上記燃料電池では、基板の一方面に単電池セルを配置しているが、基板の他方面にも配置することができる。すなわち、基板の一方面に加え、他方面に少なくとも1つの単電池セルを配置し、この単電池セルにおける電解質を基板の他方面に配置するとともに、燃料極及び空気極のいずれか一方の電極をこの電解質上に配置し、他方の電極を、一方の電極と非接触状態で、しかも、少なくとも一部が基板の他方面に配置されて電解質と接触するようにすればよい。これにより、同一基板上に上記構成の多数の単電池セルを形成できるため、燃料電池をコンパクトにしたままで、高い発電出力を得ることができる。 In the fuel cell described above, the single battery cell is disposed on one surface of the substrate, but can also be disposed on the other surface of the substrate. That is, in addition to one surface of the substrate, at least one single battery cell is disposed on the other surface, the electrolyte in this single battery cell is disposed on the other surface of the substrate, and either the fuel electrode or the air electrode is disposed. The electrode may be disposed on the electrolyte, and the other electrode may be in non-contact with the one electrode, and at least partly disposed on the other surface of the substrate so as to be in contact with the electrolyte. Thereby, since many single battery cells of the said structure can be formed on the same board | substrate, a high electric power generation output can be obtained, keeping a fuel cell compact.
また、この燃料電池に使用する基板は、耐熱性の観点から、絶縁性のセラミックス系材料で構成することが好ましい。 Moreover, it is preferable that the board | substrate used for this fuel cell is comprised with an insulating ceramic type material from a heat resistant viewpoint.
本発明に係る固体酸化物形燃料電池によれば、電池性能を低下させることなく、コストパフォーマンスを増大することが可能となる。 According to the solid oxide fuel cell according to the present invention, it is possible to increase the cost performance without deteriorating the cell performance.
以下、本発明に係る固体酸化物形燃料電池の第1実施形態について図面を参照しつつ説明する。図1は本実施形態に係る燃料電池の一部断面図である。 Hereinafter, a first embodiment of a solid oxide fuel cell according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a partial cross-sectional view of a fuel cell according to this embodiment.
図1に示すように、この燃料電池は、電解質3、燃料極5、及び空気極7を有する1個の単電池セルCを備え、この単電池セルCが基板1上に支持されている。
As shown in FIG. 1, the fuel cell includes a single battery cell C having an
電解質3は、基板1の上面(一方面)に矩形状に形成されており、その上面には電解質3とほぼ同じ形状の燃料極5が形成されている。そして、基板1において電解質3と隣接する位置には、空気極7が形成されている。空気極7は、電解質3の側面に当接するとともに、その厚みが電解質3よりも小さくなっている。すなわち、空気極7の上面は、電解質3の上面よりも低い位置にある。これにより、燃料極5と空気極7とは、電解質3と空気極7との厚みの差Dに相当する距離をおいて配置されていることになる。
The
次に、上記燃料電池を構成する材料について説明する。基板1は、電解質3及び空気極7との密着性に優れ、且つ、1500℃以上の耐熱性に優れた材料で形成されることが好ましい。具体的には、アルミナ系材料、シリカ系材料、チタン系材料等のセラミックス系材料を好ましく用いることができる。なお、基板1の厚みは、ある程度の耐久性を維持するという観点から、100μm以上にすることが好ましい。
Next, materials constituting the fuel cell will be described. The
電解質3の材料としては、固体酸化物形燃料電池の電解質として公知のものを使用することができ、例えば(Ce,Sm)O3,(Ce,Gd)O3,(La,Sr)(Ga,Mg)O3,スカンジア安定化ジルコニア(ScSZ),イットリア安定化ジルコニア(YSZ)などの酸素イオン伝導性セラミックス系材料を用いることができる。また、電解質3の厚みは、例えば100μm〜1mmであることが好ましく、10〜500μmであることがさらに好ましく、50〜200μmであることが特に好ましい。
As the material of the
燃料極5及び空気極7は、セラミックス粉末材料により形成することができる。このとき用いられる粉末の粒径は、通常10nm〜100μmであり、好ましくは100nm〜10μmである。
The
燃料極5を形成するセラミックス粉末材料としては、例えば、ニッケルと酸素イオン伝導性材料との混合物を用いることができる。このとき用いられる酸素イオン伝導性材料としては、例えば(Ce,Sm)O3,(Ce,Gd)O3などのセリア系、(La,Sr)(Ga,Mg)O3などのランタン・ガレード系、スカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)やイットリア安定化ジルコニア(YSZ)などのジルコニア系などの酸素イオン伝導性セラミックス材料を挙げることができ、このようなセラミックス材料と、ニッケルとの混合物で燃料極5を形成することが好ましい。このうち、ニッケル−セリア系酸化物のサーメットで燃料極5を形成することが特に好ましい。なお、酸素イオン伝導性セラミックス材料とニッケルとの混合形態は、物理的な混合形態であってもよいし、ニッケルへの粉末修飾などの形態であってもよい。また、上述したセラミックス材料は、1種を単独で、或いは2種以上を混合して使用することができる。
As a ceramic powder material forming the
空気極7を形成するセラミックス粉末材料としては、例えば、ペロブスカイト型金属酸化物を使用することができる。具体的には(Sm,Sr)CoO3,(La,Sr)MnO3,(La,Sr)CoO3,(La,Sr)(Fe,Co)O3,(La,Sr)(Fe,Co,Ni)O3などを挙げることができる。これらセラミックス粉末は、1種を単独で使用することもできるし、2種以上を混合して使用することもできる。
As a ceramic powder material forming the
上記電解質3、燃料極5、及び空気極7は、上述した材料を主成分として、さらにワニス、感光性高分子、有機溶媒などが適量加えられることにより形成される。そして、これら空気極3及び燃料極5の膜厚は焼結後に1μm〜500μmとなるように形成するが、10μm〜100μmとすることが好ましい。但し、空気極7の厚みは、上記したように電解質3の厚みよりも小さくすることが好ましい。
The
次に、上記燃料電池の製造方法の一例を図2を参照して示す。まず、単電池セルを支持する基板1を準備する。基板1の材質は上述した通りである。続いて、上述した電解質3、燃料極5、及び空気極7用の粉末材料を主成分として、これらそれぞれにワニス、感光性高分子、有機溶媒などを適量加えて混練し、電解質ペースト、燃料極ペースト、空気極ペーストをそれぞれ作成する。各ペーストの粘度は、次に説明するスクリーン印刷に適合するように103〜106Pa・s程度であることが好ましい。
Next, an example of a method for manufacturing the fuel cell will be described with reference to FIG. First, a
次に、基板1上にスクリーン印刷法によって電解質ペーストを矩形状に塗布した後、所定の時間及び温度で乾燥を行うことにより、電解質3を形成する(図2(a))。そして、燃料極ペーストをスクリーン印刷法により電解質3上に塗布した後、所定の時間及び温度で乾燥・焼結し、燃料極5を形成する(図2(b))。このとき、燃料極ペーストは、電解質3とほぼ同じ大きさに塗布する。これに続いて、基板1上の、電解質3と隣接する位置に空気極ペーストを矩形状に塗布する。このとき、空気極ペーストは、電解質3の側面と当接するようにし、さらに電解質3の厚みよりも薄くなるように塗布する。こうして塗布した空気極ペーストを、所定時間及び温度で乾燥・焼結して空気極7を形成する。以上の工程によって、図1に示す燃料電池が形成される。
Next, after applying an electrolyte paste in a rectangular shape on the
上記のように構成された燃料電池は、次のように発電が行われる。まず、各単電池セルCの一方面上に、メタンやエタンなどの炭化水素からなる燃料ガスと空気との混合ガスを高温の状態(例えば、400〜1000℃)で供給する。これにより、燃料極5と空気極7との間の電解質3で、酸素イオン伝導が起こって発電が行われる。
The fuel cell configured as described above generates power as follows. First, a mixed gas of a fuel gas composed of a hydrocarbon such as methane or ethane and air is supplied on one surface of each unit cell C in a high temperature state (for example, 400 to 1000 ° C.). As a result, oxygen ion conduction occurs in the
以上のように本実施形態に係る燃料電池では、空気極7と電解質5とを隣接した状態で配置するとともに、この電解質3上に燃料極5を配置している。これにより、従来例のように電池反応に不要な電解質3をできるだけ用いることなく、単電池セルを構成することができるため、燃料電池のコストパフォーマンスを向上することができる。
As described above, in the fuel cell according to the present embodiment, the
また、この燃料電池では、電解質3の厚みを空気極7の厚みよりも大きくし、これによって両電極5,7が接触しないようにしている。すなわち、電解質3の厚みと空気極7の厚みとの差が両電極5,7間の距離となっている。したがって、電解質3または空気極7の厚みを調整するだけで、両電極5,7間の距離を調整できるため、例えば、燃料電池が微小化しても、両電極5,7を容易に非接触状態にすることができ、燃料電池の製造を容易に行うことができる。
Further, in this fuel cell, the thickness of the
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態では、空気極7の厚みを電解質3の厚みよりも小さくすることで、両電極5,7の非接触状態を実現しているが、これ以外の形態によって非接触状態を実現することもできる。例えば、図3(a)に示すように、電解質3及び空気極7の厚みを略同一にしていても、燃料極5を電解質3上面全体に塗布せずに空気極7から隙間Sをあけて離間した状態にしておけば、上記実施形態と同様に燃料電池のコストパフォーマンスを向上することができる。或いは、図3(b)及び図3(c)に示すように、燃料極5と空気極7とが隙間Sをあけて離間していれば、空気極7の一部が電解質3の上面に形成されていてもよい。すなわち、図3(b)に示すように、空気極7の一部の厚みを大きくしてこの部分が電解質3上に配置されるようにしたり、図3(c)に示すように、空気極7全体の厚みを大きくしてその一部分が電解質3上に配置されるようにすることができる。こうすることで、図3(a)に示すように、電解質3と空気極7とを正確に同一の厚さにする必要がないので、印刷による燃料電池の形成が容易になる。
As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this, A various change is possible unless it deviates from the meaning. For example, in the above embodiment, the non-contact state of the
また、上記実施形態では、単電池セルCを1個用いて燃料電池を構成しているが、これを複数用いてもよい。この場合、複数の単電池セルは、インターコネクターで接続する。この場合の例を図4に示す。同図に示すように、この例では、2個の単電池セルCを示しているが、これ以上の単電池セルを用いることもできる。そして、各単電池セルC間では、一方の単電池セルC(同図の右側)の燃料極5と他方の単電池セルC(同図の左側)の空気極7とをインターコネクター9によって接続している。
Moreover, in the said embodiment, although the fuel cell is comprised using the single battery cell C, you may use two or more this. In this case, the plurality of single battery cells are connected by an interconnector. An example of this case is shown in FIG. As shown in the figure, in this example, two unit cells C are shown, but more unit cells can also be used. And between each unit cell C, the
インターコネクター9は、Pt,Au,Ag,Ni,SUS,又はLa(Cr,Mg)O3,(La,Ca)CrO3,(La,Sr)CrO3などのクロム系材料によって形成することができ、これらのうちの1種を単独で使用してもよいし、2種以上を混合して使用してもよい。また、上記電解質等と同様に、これらの材料を主成分として、さらにワニス、感光性高分子、有機溶媒などが適量加え、焼結後の厚みが1μm〜500μmとなるように形成するのが好ましく、10μm〜100μmとすることがさらに好ましい。
The
このように、複数の単電池セルCを用いることで、高い発電出力を得ることができる。なお、複数の単電池セルCは、直列または並列に接続してもよいし、直列及び並列が混在した状態で接続することもできる。但し、直列に接続すると、次の利点がある。例えば、従来例では、一枚の基板上に燃料極及び空気極からなる電極体を複数個配置しているため、これら電極体の間の電解質によって起電力の相殺が発生する可能性があった。これに対して、本発明では、上記のように複数の単電池セルを直列に接続しても、各単電池セルCが所定間隔をおいて配置され、隣り合う単電池セルC間に電解質3が存在しないため、起電力の相殺が発生しない。したがって、従来例に比べ、高い出力を得ることができる。
Thus, a high power generation output can be obtained by using a plurality of single battery cells C. In addition, the several single battery cell C may be connected in series or in parallel, and can also be connected in the state in which series and parallel were mixed. However, connecting in series has the following advantages. For example, in the conventional example, since a plurality of electrode bodies composed of the fuel electrode and the air electrode are arranged on one substrate, there is a possibility that the electromotive force is canceled by the electrolyte between these electrode bodies. . On the other hand, in the present invention, even if a plurality of single battery cells are connected in series as described above, the single battery cells C are arranged at a predetermined interval, and the
また、上記実施形態では、基板1の一方面にのみ単電池セルCを形成しているが、基板1の他方面にこれらを形成してもよい。このときの製造方法としては、例えば基板1の一方面に電解質3、燃料極5、及び空気極7を形成する各工程において、基板1の他方面にも電解質、燃料極、及び空気極をそれぞれ同様に形成し、基板3の両面に同じ形態の単電池セルを形成する。こうすることで、燃料電池をコンパクトにしたままで、高い発電出力を得ることができる。
Moreover, in the said embodiment, although the single battery cell C is formed only in the one surface of the board |
また、上記実施形態では、電解質3の上面に燃料極5を形成し、電解質3と隣接する位置に空気極7を形成しているが、電極5,7の形成位置を反対にすることもできる。但し、燃料極5を電解質3の上面に配置すれば、燃料極5と電解質3との界面、つまり電池反応に影響する三相界面を容易に大きくすることができるため、安定した電池反応を得ることができて有利である。
Moreover, in the said embodiment, although the
上記実施形態では、各ペーストの塗布にスクリーン印刷法を用いているが、これに限定されるものではなく、リソグラフィー法、ロ−ルコ−ト法、グラビアロ−ルコ−ト法、ディスペンサーコート法、その他一般的な印刷法を用いることができる。また、印刷後の後工程として、静水圧プレス、油圧プレス、その他の一般的なプレス工程を用いることができる。 In the above-described embodiment, the screen printing method is used for applying each paste. However, the present invention is not limited to this, and the lithography method, the roll coating method, the gravure roll coating method, the dispenser coating method, and others. A general printing method can be used. Moreover, as a post-process after printing, a hydrostatic press, a hydraulic press, and other general press processes can be used.
以下に実施例を挙げて、本発明をさらに詳細に説明する。実施例として図1に示す固体酸化物形燃料電池を作成する。基板として厚さ1mmのAl2O3を使用する。電解質の材料としてSDC[(Ce,Sm)O3]粉末(0.1〜10μm、平均粒径5μm)を使用し、セルロース系ワニスを混合して電解質ペーストを作製した。電解質ペーストの粘度はスクリーン印刷法に適した5×105mPa・sとした。また、燃料極の材料として、酸化ニッケル(NiO)粉末(粒径0.01〜1μm、平均粒径0.1μm)と、SDC[(Ce,Sm)O3]粉末(粒径1〜10μm、平均粒径5μm)とを重量比で7:3となるように混合した後、セルロース系ワニスを混合し、燃料極ペーストを作製した。燃料極ペーストの粘度はスクリーン印刷に適した5×105mPa・sとした。また、空気極の材料として、SSC[(Sm,Sr)CoO3]粉末(0.1〜10μm、平均粒径3μm)を使用し、セルロース系ワニスを混合して空気極ペーストを作製した。空気極ペーストの粘度も同様に、スクリーン印刷法に適した5×105mPa・sとした。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. As an example, a solid oxide fuel cell shown in FIG. 1 is prepared. Al 2 O 3 having a thickness of 1 mm is used as the substrate. SDC [(Ce, Sm) O 3 ] powder (0.1 to 10 μm,
次に、基板上にスクリーン印刷によって電解質ペーストを520×7000μmの範囲、厚み200μmで塗工し、130℃で15分間乾燥した。続いて、電解質上に500×7000μmの範囲、厚み50μmで燃料極ペーストをスクリーン印刷によって塗工し、130℃で5分間乾燥した後、1450℃で1時間焼結した。これに続いて、空気極ペーストを電解質の側面と接触するように塗工し、130℃で5分間乾燥した後、1200℃で1時間焼結した。このとき、空気極ペーストは、500×7000μmの範囲で厚さ180μmとなるように塗工した。これにより、燃料極と空気極との距離が20μmとなる燃料電池が形成された。 Next, the electrolyte paste was applied on the substrate by screen printing in a range of 520 × 7000 μm and a thickness of 200 μm, and dried at 130 ° C. for 15 minutes. Subsequently, a fuel electrode paste was applied on the electrolyte in a range of 500 × 7000 μm and a thickness of 50 μm by screen printing, dried at 130 ° C. for 5 minutes, and then sintered at 1450 ° C. for 1 hour. Subsequently, the air electrode paste was applied so as to contact the side surface of the electrolyte, dried at 130 ° C. for 5 minutes, and then sintered at 1200 ° C. for 1 hour. At this time, the air electrode paste was applied to a thickness of 180 μm within a range of 500 × 7000 μm. As a result, a fuel cell in which the distance between the fuel electrode and the air electrode was 20 μm was formed.
また、比較例を以下のように製造した。図5に示すように、この燃料電池は、電解質51の一方面に燃料極53と空気極55とを所定間隔をおいて配置したものである。燃料極53及び空気極55は500×7000μmの矩形状で厚みを50μmに形成し、両電極53,55の間隔を500μmにした。なお、電解質51、燃料極53、及び空気極55を構成する材料は、実施例と同じである。
Moreover, the comparative example was manufactured as follows. As shown in FIG. 5, this fuel cell has a
こうして、形成された実施例及び比較例に対して、次のような評価実験を行った。すなわち、メタンと空気との混合ガスを800℃で導入し、CH4+1/2O2→2H2+COの反応を起こさせることで、燃料極5である酸化ニッケルを還元処理した後、電流−電圧特性の評価を行った。なお、還元処理を行うには、上記混合ガスの代わりに水素ガスを導入してもよい。
Thus, the following evaluation experiment was performed with respect to the formed Example and the comparative example. That is, by introducing a mixed gas of methane and air at 800 ° C. and causing a reaction of CH 4 + 1 / 2O 2 → 2H 2 + CO, the nickel oxide as the
その結果、実施例では、作動温度800℃において、800±10mVの起電力が得られ、さらに250±10mA/cm2の出力を得ることができた。一方、比較例では、同じ作動温度で、600±10mVの起電力が得られ、さらに150±10mA/cm2の出力が得られた。したがって、実施例では、比較例と比べて約2/3の面積の電解質を用いても、両電極間の距離を小さくすることができるため、低コストで高い起電力及び出力を得ることができた。 As a result, in the example, an electromotive force of 800 ± 10 mV was obtained at an operating temperature of 800 ° C., and an output of 250 ± 10 mA / cm 2 could be obtained. On the other hand, in the comparative example, an electromotive force of 600 ± 10 mV was obtained at the same operating temperature, and an output of 150 ± 10 mA / cm 2 was obtained. Therefore, in the example, even when an electrolyte having an area of about 2/3 as compared with the comparative example is used, the distance between both electrodes can be reduced, so that high electromotive force and output can be obtained at low cost. It was.
1 基板
3 電解質
5 燃料極
7 空気極
9 インターコネクター
1
Claims (7)
前記単電池セルを支持する基板を備えており、
前記電解質が前記基板の一方面に配置されるとともに、前記燃料極及び空気極のいずれか一方の電極が前記電解質上に配置され、
他方の電極は、前記一方の電極と非接触状態で、しかも、少なくとも一部が前記基板の一方面に配置されて前記電解質と接触している固体酸化物形燃料電池。 A fuel cell comprising at least one unit cell having an electrolyte, a fuel electrode, and an air electrode,
A substrate for supporting the unit cell,
The electrolyte is disposed on one surface of the substrate, and one of the fuel electrode and the air electrode is disposed on the electrolyte,
The other electrode is in a non-contact state with the one electrode, and at least a part of the other electrode is disposed on one surface of the substrate and is in contact with the electrolyte.
前記電解質の厚みは、前記他方の電極の厚みよりも大きい請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池。 The other electrode is disposed adjacent to the electrolyte on one surface of the substrate,
The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein a thickness of the electrolyte is larger than a thickness of the other electrode.
前記電解質が前記基板の他方面に配置されるとともに、前記燃料極及び空気極のいずれか一方の電極が前記電解質上に配置され、
他方の電極は、前記一方の電極と非接触状態で、しかも、少なくとも一部が前記基板の他方面に配置されて前記電解質と接触している請求項1から5のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池。 The battery further includes at least one unit cell that is disposed on the other surface of the substrate and includes an electrolyte, a fuel electrode, and an air electrode.
The electrolyte is disposed on the other surface of the substrate, and one of the fuel electrode and the air electrode is disposed on the electrolyte,
6. The solid oxide according to claim 1, wherein the other electrode is in a non-contact state with the one electrode, and at least a part thereof is disposed on the other surface of the substrate and is in contact with the electrolyte. Physical fuel cell.
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