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JP2007149509A - Fuel battery cell, and fuel cell - Google Patents

Fuel battery cell, and fuel cell Download PDF

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JP2007149509A
JP2007149509A JP2005342872A JP2005342872A JP2007149509A JP 2007149509 A JP2007149509 A JP 2007149509A JP 2005342872 A JP2005342872 A JP 2005342872A JP 2005342872 A JP2005342872 A JP 2005342872A JP 2007149509 A JP2007149509 A JP 2007149509A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide fuel battery cell and a fuel cell capable of suppressing deformations. <P>SOLUTION: This fuel battery cell, which on one-side main face of porous support substrates 31 where gas flow passages 31a are formed in the inner part has solid electrolyte layers 33, and which on the other-side main face of the supporting substrates 31, has interconnectors 35. The fuel battery cell is comprises, forming dense layers 38 having a plurality of through-holes on the other-side face of the support substrates 31, and forming, respectively, interconnectors 35 in the through-holes of the dense layers 38. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池セル及び燃料電池に関し、特に、内部にガス流路が形成された多孔質の支持体の一方側面に固体電解質層を、他方側面にインターコネクタを有する燃料電池セル及び燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell and a fuel cell, and in particular, a fuel cell and a fuel cell having a solid electrolyte layer on one side of a porous support having a gas flow path formed therein and an interconnector on the other side. It is about.

次世代エネルギーとして、近年、燃料電池セルのスタックを収納容器内に収容した燃料電池が種々提案されている。   In recent years, various fuel cells in which a stack of fuel cells is accommodated in a storage container have been proposed as next-generation energy.

図5は従来の中空平板型の固体電解質形燃料電池セルのセルスタックを示すもので、このセルスタックは、複数の燃料電池セル23(23a、23b)を集合させ、一方の燃料電池セル23aと他方の燃料電池セル23bとの間に金属フェルトなどからなる集電部材25を介在させ、一方の燃料電池セル23aの内側電極(酸素側電極)27と他方の燃料電池セル23bの外側電極(燃料側電極)28とを電気的に接続して構成されていた。   FIG. 5 shows a cell stack of a conventional hollow plate type solid oxide fuel cell. This cell stack is composed of a plurality of fuel cells 23 (23a, 23b) and one fuel cell 23a. A current collecting member 25 made of metal felt or the like is interposed between the other fuel cell 23b, and an inner electrode (oxygen side electrode) 27 of one fuel cell 23a and an outer electrode (fuel) of the other fuel cell 23b. Side electrode) 28 is electrically connected.

燃料電池セル23(23a、23b)は、扁平状の内側電極27の外周面に、固体電解質層29、外側電極28を順次設けて構成されており、固体電解質層29、外側電極28から露出した内側電極27には、外側電極28に接続しないようにインターコネクタ30が設けられている。内側電極27内にはガス流路を構成する複数のガス通過孔32が形成されている。   The fuel battery cell 23 (23a, 23b) is configured by sequentially providing a solid electrolyte layer 29 and an outer electrode 28 on the outer peripheral surface of the flat inner electrode 27, and is exposed from the solid electrolyte layer 29 and the outer electrode 28. An interconnector 30 is provided on the inner electrode 27 so as not to be connected to the outer electrode 28. In the inner electrode 27, a plurality of gas passage holes 32 constituting a gas flow path are formed.

一方の燃料電池セル23aと他方の燃料電池セル23bとの電気的接続は、一方の燃料電池セル23aの内側電極27を、該内側電極27に設けられたインターコネクタ30、集電部材25を介して、他方の燃料電池セル23bの外側電極28に接続することにより行われていた(例えば特許文献1、2参照)。
特開平1−169878号公報 特開平2005−243334号公報
The electrical connection between one fuel battery cell 23a and the other fuel battery cell 23b is achieved by connecting the inner electrode 27 of one fuel battery cell 23a via the interconnector 30 and the current collecting member 25 provided on the inner electrode 27. This is done by connecting to the outer electrode 28 of the other fuel cell 23b (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
JP-A-1-169878 JP-A-2005-243334

しかしながら、上記燃料電池セル23では、内側電極27の一方側主面には、ガス流路形成方向に連続して固体電解質29が形成され、他方側主面には、固体電解質29と対向するように、ガス流路形成方向に連続してインターコネクタ30が形成されているため、発電中に燃料電池セルが、インターコネクタ30側が背となるように反るという問題があった。   However, in the fuel cell 23, the solid electrolyte 29 is formed continuously on the one side main surface of the inner electrode 27 in the gas flow path formation direction, and the other side main surface is opposed to the solid electrolyte 29. In addition, since the interconnector 30 is continuously formed in the gas flow path forming direction, there is a problem that the fuel cell warps during power generation so that the interconnector 30 side is back.

即ち、上記燃料電池セルは、通常、大気中にて焼結して作製され、発電時には内部が還元性ガスに晒されるが、通常用いられるLaCrO系(ランタンクロマイ系組成物)からなるインターコネクタ材料は、還元雰囲気において寸法変化を起こすことが知られており、この還元雰囲気における寸法変化のために、燃料電池セルが変形するといった問題があった。 That is, the fuel cell is usually produced by sintering in the atmosphere, and the interior is exposed to a reducing gas during power generation, but it is an interconnector made of LaCrO 3 system (lanthanum chromi system composition) that is usually used. The material is known to cause a dimensional change in a reducing atmosphere, and there is a problem that the fuel cell is deformed due to the dimensional change in the reducing atmosphere.

つまり、内側電極27の一方側主面に形成された、ZrO系、CeO系、ランタンガレート系等からなる固体電解質29は還元雰囲気における寸法変化が小さいのに対し、他方側主面に設けられたインターコネクタ30は還元雰囲気において寸法変化が大きいため、図4(a)に示すように、インターコネクタ側を背に(インターコネクタ側が凸となるように)燃料電池セルが反るという問題点があった。この燃料電池セルの反りは、長さ方向に弓なりに反る場合のみならず、幅方向においても発生し、特に、セル一本当たりの発電量を大きくするため、燃料電池セルの長さを長くすると、図4(a−2)に示すように長さ方向に弓なりに反り易く、燃料電池セルの幅を大きくすると、図4(a−3)に示すように幅方向に反り易いという問題があった。 That is, the solid electrolyte 29 made of ZrO 2 , CeO 2 , lanthanum gallate, or the like formed on one main surface of the inner electrode 27 has a small dimensional change in a reducing atmosphere, but is provided on the other main surface. Since the interconnector 30 thus obtained has a large dimensional change in a reducing atmosphere, as shown in FIG. 4 (a), the fuel cell is warped with the interconnector side facing away (so that the interconnector side is convex). was there. This warpage of the fuel cell occurs not only in the case of bowing in the length direction but also in the width direction. In particular, in order to increase the amount of power generation per cell, the length of the fuel cell is increased. Then, as shown in FIG. 4 (a-2), it tends to warp in a bow direction in the length direction, and when the width of the fuel cell is increased, there is a problem that it tends to warp in the width direction as shown in FIG. 4 (a-3). there were.

そして、セルスタックは、複数の燃料電池セル23を集電部材25により電気的に接続し作製されるが、上記したように燃料電池セル23が反ると、複数の燃料電池セル23の集電部材25による電気的接続が解除され、複数の燃料電池セル23から集電することができなくなるというおそれがあった。   The cell stack is produced by electrically connecting a plurality of fuel cells 23 by the current collecting member 25, but when the fuel cells 23 are warped as described above, the current collection of the plurality of fuel cells 23 is performed. There is a fear that the electrical connection by the member 25 is released, and it is impossible to collect current from the plurality of fuel cells 23.

本発明は、変形を抑制できる燃料電池セル及び燃料電池を提供することを目的とする。   An object of this invention is to provide the fuel cell and fuel cell which can suppress a deformation | transformation.

本発明の燃料電池セルは、内部にガス流路が形成された多孔質の支持体の一方側面に固体電解質層を有するとともに、前記支持体の前記一方側面と対向する他方側面にインターコネクタを有する燃料電池セルであって、前記支持体の他方側面に複数の貫通孔を有する緻密質層を形成し、該緻密質層の貫通孔内にそれぞれ前記インターコネクタを形成してなることを特徴とする。   The fuel cell of the present invention has a solid electrolyte layer on one side of a porous support having a gas flow path formed therein, and an interconnector on the other side facing the one side of the support. In the fuel cell, a dense layer having a plurality of through holes is formed on the other side surface of the support, and the interconnector is formed in each through hole of the dense layer. .

このような燃料電池セルでは、支持体の一方側の面に固体電解質層、他方側の面にインターコネクタを有しており、この他方側の面に形成されたインターコネクタが複数に分割されているため、インターコネクタが発電中に還元雰囲気に晒されたとしても、分割されたインターコネクタはある程度還元雰囲気で寸法変形するものの、インターコネクタが連続して形成されていないため、還元雰囲気における寸法変化による反り量を減少することができる。   In such a fuel cell, the support has a solid electrolyte layer on one surface and an interconnector on the other surface, and the interconnector formed on the other surface is divided into a plurality of parts. Therefore, even if the interconnector is exposed to a reducing atmosphere during power generation, the divided interconnector deforms to some extent in the reducing atmosphere, but the interconnector is not continuously formed, so the dimensions change in the reducing atmosphere. The amount of warpage due to can be reduced.

また、本発明の燃料電池セルは、前記緻密質層が固体電解質材料からなることを特徴とする。このような燃料電池セルでは、支持体、例えば支持基板の両主面に固体電解質材料が形成されることになり、支持基板の両主面における材料構成を近づけることができ、支持基板の両側における変形差を抑制し、反り量を減少することができる。   In the fuel cell of the present invention, the dense layer is made of a solid electrolyte material. In such a fuel cell, a solid electrolyte material is formed on both main surfaces of the support, for example, the support substrate, and the material configuration on both main surfaces of the support substrate can be made closer, and on both sides of the support substrate. The deformation difference can be suppressed and the amount of warpage can be reduced.

さらに、本発明の燃料電池セルは、前記緻密質層の表面にインターコネクタ材料層が形成されており、該インターコネクタ材料層が前記緻密質層の複数の貫通孔内に形成された前記インターコネクタと電気的に接続していることを特徴とする。このような燃料電池セルでは、例えば、燃料電池セルを集電部材にて電気的に接続する場合、集電部材を緻密質層の貫通孔内のインターコネクタと電気的に接続する必要があるが、本発明では、緻密質層の表面に、複数の貫通孔内のインターコネクタと電気的に接続し、かつ複数のインターコネクタ同士を相互に電気的に接続するインターコネクタ材料層が形成されているため、集電部材をインターコネクタ材料層に接続することにより、集電部材と貫通孔内のインターコネクタとを電気的に接続することができ、燃料電池セルから電気を取り出しやすくなり、効率よく集電することができる。   Further, in the fuel cell of the present invention, an interconnector material layer is formed on a surface of the dense layer, and the interconnector material layer is formed in a plurality of through holes of the dense layer. It is characterized by being electrically connected to. In such a fuel cell, for example, when the fuel cell is electrically connected by the current collecting member, the current collecting member needs to be electrically connected to the interconnector in the through hole of the dense layer. In the present invention, an interconnector material layer that is electrically connected to the interconnectors in the plurality of through holes and electrically connected to each other is formed on the surface of the dense layer. Therefore, by connecting the current collecting member to the interconnector material layer, the current collecting member and the interconnector in the through-hole can be electrically connected, and it becomes easy to take out electricity from the fuel cell and efficiently collect. Can be electrified.

また、本発明の燃料電池セルは、前記支持体が導電性を有するとともに、該支持体の一方側面に電極層を介して前記固体電解質層を形成してなることを特徴とする。前記支持体の一方側面に形成された電極層は燃料極層であることを特徴とする。導電性の支持体の一方側の面に形成された電極層が、空気極層である場合も含まれる。   The fuel cell of the present invention is characterized in that the support has conductivity, and the solid electrolyte layer is formed on one side of the support via an electrode layer. The electrode layer formed on one side surface of the support is a fuel electrode layer. The case where the electrode layer formed on one surface of the conductive support is an air electrode layer is also included.

このような燃料電池セルでは、ガス透過性が要求される支持体、及びガスとの反応性が要求される電極層を別個に形成するため、それぞれの機能に対応した材料、組織等とすることができ、また集電も容易に行うことができ、最適な燃料電池セルを作製できる。   In such a fuel cell, since a support body that requires gas permeability and an electrode layer that requires reactivity with gas are separately formed, materials and structures corresponding to the respective functions should be used. In addition, current collection can be easily performed, and an optimal fuel cell can be manufactured.

さらに、本発明の燃料電池セルは、前記支持体が燃料極として機能するとともに、前記支持体の一方側面に前記固体電解質層が形成されていることを特徴とする。いわゆる燃料極支持の燃料電池セルであり、支持体を燃料極として併用できるため、簡易な構造となり製造上も有利となる。   Furthermore, the fuel battery cell of the present invention is characterized in that the support functions as a fuel electrode, and the solid electrolyte layer is formed on one side surface of the support. This is a so-called fuel electrode-supported fuel battery cell, and since the support can be used as a fuel electrode, it has a simple structure and is advantageous in production.

また、本発明の燃料電池セルは、前記支持体が基板状であり、前記支持体の一方側面が一方側主面であるとともに、前記支持体の他方側面が他方側主面であることを特徴とする。即ち、前記支持体が基板状であり、該支持体の一方側主面に前記固体電解質層を有するとともに、前記支持体の他方側主面に前記インターコネクタを有することを特徴とする。いわゆる中空平板型燃料電池セルである。このような中空平板型の燃料電池セルは、厚みが薄く変形しやすいため、特に本発明を好適に用いることができる。   In the fuel cell of the present invention, the support is in the form of a substrate, one side surface of the support is a main surface on one side, and the other side surface of the support is a main surface on the other side. And That is, the support is in the form of a substrate, and has the solid electrolyte layer on one main surface of the support and the interconnector on the other main surface of the support. This is a so-called hollow flat fuel cell. Such a hollow plate type fuel cell has a small thickness and is easily deformed, so that the present invention can be particularly preferably used.

本発明の燃料電池は、上記した燃料電池セルを収納容器内に複数収納してなることを特徴とする。このような燃料電池では、燃料電池セルの反りを抑制できるため、例えば、一方の燃料電池セルと他方の燃料電池セルとを集電部材により確実に接続でき、電気的接続信頼性を向上できる。   The fuel cell of the present invention is characterized in that a plurality of the above-described fuel cells are accommodated in a storage container. In such a fuel cell, since the warpage of the fuel cell can be suppressed, for example, one fuel cell and the other fuel cell can be reliably connected by the current collecting member, and the electrical connection reliability can be improved.

本発明の燃料電池セルでは、インターコネクタの還元による寸法変化による応力が緩和され、燃料電池セルの反り量を減少することができる。   In the fuel cell of the present invention, the stress due to the dimensional change due to the reduction of the interconnector is relieved, and the amount of warpage of the fuel cell can be reduced.

本発明の燃料電池セルの断面を示す図1、断面斜視図を示す図2において、全体として30で示す燃料電池セルは中空平板状であり、断面が扁平状で、全体的に見て細長基板状の多孔質支持基板(支持体)31を備えている。支持基板31の内部には、適当な間隔で6個の燃料ガス通路31a(ガス流路を形成する)が長さ方向(軸長方向)に貫通して形成されており、燃料電池セル30は、この支持基板31上に各種の部材が設けられた構造を有している。このような燃料電池セル30の複数を、図3に示すように、集電部材40により互いに直列に接続することにより、燃料電池を構成するセルスタックを形成することができる。   In FIG. 1 showing a cross section of the fuel cell of the present invention, and in FIG. 2 showing a cross-sectional perspective view, the fuel cell indicated by 30 as a whole has a hollow flat plate shape, a flat cross section, and an elongated substrate as a whole. A porous support substrate (support) 31 is provided. Inside the support substrate 31, six fuel gas passages 31a (forming gas passages) are formed penetrating in the length direction (axial direction) at appropriate intervals. The support substrate 31 has a structure in which various members are provided. A plurality of such fuel cells 30 are connected to each other in series by a current collecting member 40 as shown in FIG. 3, thereby forming a cell stack constituting the fuel cell.

支持基板31は、図1、2に示されている形状から理解されるように、平坦部Aと平坦部Aの幅方向両端の弧状部Bとからなっており、平坦部Aは主面を構成する。平坦部Aの両主面は互いにほぼ平行に形成されており、平坦部Aの一方の主面と両側の弧状部Bを覆うように多孔質な燃料極層32が設けられており、さらに、この燃料極層32を覆うように、緻密質な固体電解質層33が積層されており、この固体電解質層33の上には、燃料極層32と対面するように、平坦部Aの一方の主面に酸素極層34が積層されている。燃料極層32及び固体電解質層33は、平坦部Aの一方側主面に、ガス流路形成方向Gに連続して形成されている。   As is understood from the shapes shown in FIGS. 1 and 2, the support substrate 31 includes a flat portion A and arc-shaped portions B at both ends in the width direction of the flat portion A. The flat portion A has a main surface. Constitute. Both main surfaces of the flat portion A are formed substantially parallel to each other, and a porous fuel electrode layer 32 is provided so as to cover one main surface of the flat portion A and the arc-shaped portions B on both sides. A dense solid electrolyte layer 33 is laminated so as to cover the fuel electrode layer 32, and one main portion of the flat portion A is disposed on the solid electrolyte layer 33 so as to face the fuel electrode layer 32. An oxygen electrode layer 34 is laminated on the surface. The fuel electrode layer 32 and the solid electrolyte layer 33 are formed continuously on one side main surface of the flat portion A in the gas flow path forming direction G.

燃料電池セル30は、支持基板31が導電性を有するとともに、該導電性支持基板31の一方側主面に燃料極層32を介して固体電解質層33を形成することにより、ガス透過性が要求される支持基板31、及びガスとの反応性が要求される燃料極層32を、別個に形成するため、それぞれの機能に対応した材料、組織等とすることができ、また集電も容易に行うことができ、最適な燃料電池セルを作製できる。   The fuel battery cell 30 requires gas permeability by forming the solid electrolyte layer 33 via the fuel electrode layer 32 on the one side main surface of the conductive support substrate 31 while the support substrate 31 has conductivity. Since the support substrate 31 and the fuel electrode layer 32 required to react with the gas are separately formed, it is possible to use a material, a structure, or the like corresponding to each function, and to collect current easily. And an optimal fuel cell can be produced.

また、燃料極層32及び固体電極層33が積層されていない平坦部Aの他方側主面には、後述する緻密質な分割インターコネクタ35が多数分散して形成されている。図1から明らかな通り、燃料極層32及び固体電解質層33は、支持基板31の表面が外部に露出しないように構成されている。   In addition, a large number of dense divided interconnectors 35 to be described later are formed on the other main surface of the flat portion A where the fuel electrode layer 32 and the solid electrode layer 33 are not stacked. As is clear from FIG. 1, the fuel electrode layer 32 and the solid electrolyte layer 33 are configured such that the surface of the support substrate 31 is not exposed to the outside.

そして、本発明では、支持基板31の他方側主面には、多数の貫通孔を有する緻密質層38が形成されており、図1、図2、図4(b)に示すように、緻密質層38の貫通孔内には緻密なインターコネクタ35がそれぞれ形成され、それぞれのインターコネクタ35が導電性の支持基板31を介して燃料極層32に電気的に接続している。このようにインターコネクタ35が複数に分割され、緻密質層38の貫通孔内に形成されているため、発電中に還元雰囲気に晒されたとしても、インターコネクタ材料の還元による寸法変化が分散され、寸法変化による応力が緩和され、燃料電池セルの反り量を減少することができる。また、燃料電池セルの製造時においても、熱膨張差による変形を減少することができる。   In the present invention, a dense layer 38 having a large number of through-holes is formed on the other main surface of the support substrate 31. As shown in FIGS. Dense interconnectors 35 are respectively formed in the through-holes of the material layer 38, and each interconnector 35 is electrically connected to the fuel electrode layer 32 via the conductive support substrate 31. Thus, since the interconnector 35 is divided into a plurality of parts and is formed in the through hole of the dense layer 38, the dimensional change due to the reduction of the interconnector material is dispersed even if it is exposed to a reducing atmosphere during power generation. The stress due to the dimensional change is relieved, and the amount of warpage of the fuel cell can be reduced. In addition, deformation due to a difference in thermal expansion can be reduced even when the fuel cell is manufactured.

また、支持基板31の外周面は、固体電解質層33、緻密質層38及びインターコネクタ35により、緻密に被覆され、これにより、還元性ガス(例えば水素)と酸素含有ガス(例えば空気)とを確実に遮断でき、支持基板31の内部からのガスの漏出を有効に防止している。   In addition, the outer peripheral surface of the support substrate 31 is densely covered with the solid electrolyte layer 33, the dense layer 38, and the interconnector 35, whereby a reducing gas (for example, hydrogen) and an oxygen-containing gas (for example, air) are coated. Thus, the gas can be reliably shut off, and the gas leakage from the inside of the support substrate 31 is effectively prevented.

緻密質層38の貫通孔は、図4(b)に示すように、平面視円形状とされており、幅方向に3個形成された列と、2個形成された列が交互に行列をなしている。尚、図4(b)では円形状の貫通孔を形成した例について記載したが、図4(a)のように長さ方向に連続して形成された従来のインターコネクタを分割するものであれば、貫通孔はどのような形状でも良い。   As shown in FIG. 4B, the through holes of the dense layer 38 have a circular shape in plan view, and three columns formed in the width direction and two columns formed alternately form a matrix. There is no. In FIG. 4B, an example in which circular through holes are formed is described. However, as shown in FIG. 4A, a conventional interconnector formed continuously in the length direction may be divided. For example, the through hole may have any shape.

また、緻密質層38は、固体電解質層33を形成する固体電解質材料からなることが望ましい。これにより、支持基板31の両主面に固体電解質材料が形成され、層構造がほぼ同一となり、支持基板31の両主面における変形差をなくし、燃料電池セルの反りをさらに抑制することができる。尚、緻密質層38は、例えば、フォルステライト材料を用いることができる。   The dense layer 38 is preferably made of a solid electrolyte material that forms the solid electrolyte layer 33. Thereby, solid electrolyte materials are formed on both main surfaces of the support substrate 31, the layer structure becomes substantially the same, the deformation difference between both main surfaces of the support substrate 31 is eliminated, and the warpage of the fuel cell can be further suppressed. . For the dense layer 38, forsterite material can be used, for example.

さらに、本発明では、図4(c−1)(c−2)に示すように、緻密質層38表面に、インターコネクタ35を形成する材料と同一材料でインターコネクタ材料層47を形成し、このインターコネクタ材料層47を複数の貫通孔内のインターコネクタ35と電気的に接続させることができる。この場合には、図3に示すように、燃料電池スタックを構成する場合に、燃料電池セル同士を集電部材40により電気的に接続するが、集電部材40をインターコネクタ材料層47に接続することが容易となり、接続信頼性を向上できる。また、図4(c−2)に示すようにインターコネクタ材料層47上にP型半導体層39を形成できるため、形成が容易である。尚、インターコネクタ材料層47は緻密質層38上に形成されるため、還元雰囲気に晒されることがないため、還元雰囲気での寸法変形は殆ど生じない。また、図1、2では、インターコネクタ材料層47を有しない場合であり、この場合には、円形のインターコネクタ35表面のみにP型半導体層39が形成されている。   Furthermore, in this invention, as shown to FIG.4 (c-1) (c-2), the interconnector material layer 47 is formed in the dense material 38 surface by the same material as the material which forms the interconnector 35, The interconnector material layer 47 can be electrically connected to the interconnector 35 in the plurality of through holes. In this case, as shown in FIG. 3, when the fuel cell stack is configured, the fuel cells are electrically connected to each other by the current collecting member 40, but the current collecting member 40 is connected to the interconnector material layer 47. This makes it easier to improve the connection reliability. Moreover, since the P-type semiconductor layer 39 can be formed on the interconnector material layer 47 as shown in FIG. 4C-2, the formation is easy. Since the interconnector material layer 47 is formed on the dense layer 38, the interconnector material layer 47 is not exposed to the reducing atmosphere, so that there is almost no dimensional deformation in the reducing atmosphere. 1 and 2 show a case where the interconnector material layer 47 is not provided. In this case, the P-type semiconductor layer 39 is formed only on the surface of the circular interconnector 35.

尚、緻密質層38表面に、インターコネクタ35を形成する材料と同一材料でインターコネクタ材料層47を形成したが、本発明では、緻密質層38表面に、インターコネクタ35とは異なる導電性材料からなる被覆層を形成し、この被覆層により複数のインターコネクタ35同士を電気的に接続しても良い。例えば、緻密質層38を固体電解質材料以外の材料で形成した場合には、緻密質層38表面に酸素極材料で被覆層を形成し、インターコネクタ35同士を電気的に接続することができる。尚、貴金属、例えばAg含有の導電性材料から被覆層を形成しても良い。   The interconnector material layer 47 is formed on the surface of the dense layer 38 with the same material as that forming the interconnector 35. However, in the present invention, a conductive material different from the interconnector 35 is formed on the surface of the dense layer 38. A coating layer made of may be formed, and the plurality of interconnectors 35 may be electrically connected by this coating layer. For example, when the dense layer 38 is formed of a material other than the solid electrolyte material, a coating layer is formed on the surface of the dense layer 38 with an oxygen electrode material, and the interconnectors 35 can be electrically connected to each other. The covering layer may be formed from a noble metal, for example, an Ag-containing conductive material.

また、本発明の中空平板型の燃料電池セルでは、長さが120mm以上、厚みが8mm以下、幅が20mm以上である場合に好適に用いることができる。即ち、中空平板型燃料電池セルでは、長さが長い場合、図4(a−2)に示すように、セルを長さ方向に見た場合に、インターコネクタ側を背にして弓なりに反り易くなるため、本発明を有効に用いることができ、また、幅が広くなると、図4(a−3)に示すように、セルの幅方向に、即ち、燃料電池セルを幅方向に見た場合に、インターコネクタ側を背にして三日月状に反り易くなるため、本発明を有効に用いることができる。   The hollow flat plate fuel cell of the present invention can be suitably used when the length is 120 mm or more, the thickness is 8 mm or less, and the width is 20 mm or more. That is, in a hollow flat plate type fuel cell, when the length is long, as shown in FIG. 4 (a-2), when the cell is viewed in the length direction, it tends to warp like a bow with the interconnector side as the back. Therefore, the present invention can be used effectively, and when the width is widened, as shown in FIG. 4A-3, when the fuel cell is viewed in the width direction, that is, in the width direction. In addition, the present invention can be used effectively because it tends to warp in a crescent shape with the interconnector side as the back.

また、燃料電池セルの厚みが8mm以下である場合には、対向する主面間の距離が薄いため、長さ方向や幅方向に反り易くなるため、本発明を有効に用いることができる。   In addition, when the thickness of the fuel cell is 8 mm or less, the distance between the main surfaces facing each other is small, so that the fuel cell tends to warp in the length direction and the width direction, so that the present invention can be used effectively.

上記のような構造の燃料電池セルでは、燃料極層32の酸素極層34と対面している部分が燃料極として作動して発電する。即ち、酸素極層34の外側に空気等の酸素含有ガスを流し、且つ支持基板31内のガス通路31aに燃料ガス(水素)を流し、所定の作動温度まで加熱することにより、酸素極層34で下記式(1)の電極反応を生じ、また燃料極層32の燃料極となる部分では例えば下記式(2)の電極反応を生じることによって発電する。   In the fuel cell having the above structure, the portion of the fuel electrode layer 32 facing the oxygen electrode layer 34 operates as a fuel electrode to generate electric power. That is, an oxygen-containing gas such as air is allowed to flow outside the oxygen electrode layer 34, and a fuel gas (hydrogen) is supplied to the gas passage 31 a in the support substrate 31, and the oxygen electrode layer 34 is heated to a predetermined operating temperature. Then, an electrode reaction of the following formula (1) is generated, and power is generated by generating an electrode reaction of the following formula (2), for example, in the portion that becomes the fuel electrode of the fuel electrode layer 32.

酸素極: 1/2O+2e → O2− (固体電解質) …(1)
燃料極: O2− (固体電解質)+ H → HO+2e…(2)
かかる発電によって生成した電流は、支持基板31に取り付けられているインターコネクタ35を介して集電される。
Oxygen electrode: 1 / 2O 2 + 2e → O 2− (solid electrolyte) (1)
Fuel electrode: O 2− (solid electrolyte) + H 2 → H 2 O + 2e (2)
The current generated by the power generation is collected through the interconnector 35 attached to the support substrate 31.

(支持基板31)
上記のような構造を有する燃料電池セル30において、支持基板31は、燃料ガスを燃料極層まで透過させるためにガス透過性であること、及びインターコネクタ35を介しての集電を行うために導電性であること、同時焼成時の熱膨張差による固体電解質層などのクラックや剥離がないことが要求されるが、このような要求を満たすと同時に、還元・酸化サイクルにおける支持基板31の体積膨張に起因した固体電解質層などのクラックを抑制する目的で、触媒活性金属及びその酸化物のいずれかと、触媒金属及びその酸化物との反応物を生成しない無機骨材、例えば、金属酸化物である固体電解質又は少なくとも一種の希土類元素を含有する希土類元素酸化物とを含有せしめて構成する。
(Support substrate 31)
In the fuel cell 30 having the structure as described above, the support substrate 31 is gas permeable to allow the fuel gas to permeate to the fuel electrode layer, and to collect current through the interconnector 35. It is required to be electrically conductive and to be free from cracks and peeling of the solid electrolyte layer due to a difference in thermal expansion during simultaneous firing. At the same time, the volume of the support substrate 31 in the reduction / oxidation cycle is satisfied. For the purpose of suppressing cracks in the solid electrolyte layer and the like caused by expansion, an inorganic aggregate that does not generate a reaction product between the catalytic active metal and its oxide and the catalytic metal and its oxide, such as a metal oxide. A solid electrolyte or a rare earth element oxide containing at least one rare earth element is included.

触媒金属としてはFe、Co、Niなどの鉄族成分があり、金属単体であってもよいし、また酸化物、合金もしくは合金酸化物であってもよい。本発明では、何れをも使用することができるが、安価であること及び燃料ガス中で安定であることからNi及び/またはNiOを含有していることが好ましい。   As the catalyst metal, there are iron group components such as Fe, Co, and Ni, which may be a single metal, or an oxide, an alloy, or an alloy oxide. In the present invention, any of them can be used, but it is preferable that Ni and / or NiO are contained because they are inexpensive and stable in fuel gas.

また、無機骨材としては、(2)の電極反応を促進するために、所謂三相界面(電解質/触媒金属/気相の界面)を増やすために、固体電解質層33を形成している安定化ジルコニアやランタンガレート系ペロブスカイト型組成物等と同等の材料を用いても良いし、熱膨張係数を下げて固体電解質層33と近似させるために希土類酸化物を用いても良い。後者には特にSc、Y、Lu、Yb、Tm、Er、Ho、Dy、Gd、Sm、Prからなる群より選ばれた少なくとも1種の希土類元素を含む酸化物が使用される。このような希土類酸化物の具体例としては、Sc、Y、Lu、Yb、Tm、Er、Ho、Dy、Gd、Sm、Prを例示することができ、特に安価であるという点で、Y3、Yb、さらにはYが好適である。 Further, as the inorganic aggregate, the solid electrolyte layer 33 is formed in order to increase the so-called three-phase interface (electrolyte / catalyst metal / gas phase interface) in order to promote the electrode reaction of (2). A material equivalent to zirconia bromide, a lanthanum gallate-based perovskite type composition, or the like may be used, or a rare earth oxide may be used to lower the thermal expansion coefficient and approximate the solid electrolyte layer 33. In particular, an oxide containing at least one rare earth element selected from the group consisting of Sc, Y, Lu, Yb, Tm, Er, Ho, Dy, Gd, Sm, and Pr is used for the latter. Specific examples of such rare earth oxides, Sc 2 O 3, Y 2 O 3, Lu 2 O 3, Yb 2 O 3, Tm 2 O 3, Er 2 O 3, Ho 2 O 3, Dy 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Sm 2 O 3 , Pr 2 O 3 can be exemplified, and Y 2 O 3, Yb 2 O 3 , and Y 2 O 3 are preferable in that they are particularly inexpensive. is there.

尚、支持基板31中には、要求される特性が損なわれない限りの範囲で他の金属成分や酸化物成分を含有していてもよい。   The support substrate 31 may contain other metal components and oxide components as long as required characteristics are not impaired.

上記のような支持基板31は、燃料ガス透過性を有していることが必要であるため、通常、開気孔率が30%以上、特に35〜50%の範囲にあることが好適である。また、支持基板31の導電率は、300S/cm以上、特に440S/cm以上であることが好ましい。   Since the support substrate 31 as described above needs to have fuel gas permeability, it is usually preferable that the open porosity is 30% or more, particularly 35 to 50%. Further, the conductivity of the support substrate 31 is preferably 300 S / cm or more, and particularly preferably 440 S / cm or more.

また、支持基板31の平坦部Aの長さは、通常、20〜35mm、弧状部Bの長さ(弧の長さ)は、3〜8mm程度であり、支持基板31の厚みは(平坦部Aの両面の間隔)は2.5〜8mm程度であることが望ましい。   Further, the length of the flat portion A of the support substrate 31 is usually 20 to 35 mm, the length of the arc-shaped portion B (arc length) is about 3 to 8 mm, and the thickness of the support substrate 31 is (flat portion). The distance between both surfaces of A) is preferably about 2.5 to 8 mm.

(燃料極層32)
本発明において、燃料極層32は、前述した式(2)の電極反応を生じせしめるものであり、それ自体公知の多孔質の導電性セラミックスから形成される。例えば、希土類元素が固溶しているZrOと、Ni及び/またはNiOとから形成される。この希土類元素が固溶しているZrO(安定化ジルコニア)としては、以下に述べる固体電解質層33の形成に使用されているものと同様のものを用いるのがよい。
(Fuel electrode layer 32)
In the present invention, the fuel electrode layer 32 causes the electrode reaction of the above-described formula (2), and is formed of a known porous conductive ceramic. For example, it is formed from ZrO 2 in which a rare earth element is dissolved, and Ni and / or NiO. As ZrO 2 (stabilized zirconia) in which the rare earth element is dissolved, the same one used for forming the solid electrolyte layer 33 described below is preferably used.

燃料極層32中の安定化ジルコニア含量は、35〜65体積%の範囲にあるのが好ましく、またNi或いはNiO含量は、65〜35体積%であるのがよい。さらに、この燃料極層32の開気孔率は、15%以上、特に20〜40%の範囲にあるのがよく、その厚みは、1〜30μmであることが望ましい。例えば、燃料極層32の厚みがあまり薄いと、性能が低下するおそれがあり、またあまり厚いと、固体電解質層33と燃料極層32との間で熱膨張差による剥離等を生じるおそれがある。   The stabilized zirconia content in the fuel electrode layer 32 is preferably in the range of 35 to 65% by volume, and the Ni or NiO content is preferably 65 to 35% by volume. Further, the open porosity of the fuel electrode layer 32 is preferably 15% or more, particularly preferably in the range of 20 to 40%, and the thickness is preferably 1 to 30 μm. For example, if the thickness of the fuel electrode layer 32 is too thin, the performance may be deteriorated, and if it is too thick, there is a risk of peeling due to a difference in thermal expansion between the solid electrolyte layer 33 and the fuel electrode layer 32. .

また、この燃料極層32は、酸素極層34に対面する位置に存在して燃料極が形成されていればよいため、例えば酸素極層34が設けられている側の平坦部Aにのみ燃料極層32が形成されていてもよい。(固体電解質層33)
この燃料極層32上に設けられている固体電解質層33は、一般に3〜15モル%の希土類元素が固溶したZrO(通常、安定化ジルコニア)と呼ばれる緻密質なセラミックスから形成されている。希土類元素としては、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luを例示することができるが、安価であるという点からY、Ybが望ましい。
Further, since the fuel electrode layer 32 only needs to be present at a position facing the oxygen electrode layer 34 and the fuel electrode is formed, for example, the fuel electrode layer 32 has a fuel only in the flat portion A on the side where the oxygen electrode layer 34 is provided. The polar layer 32 may be formed. (Solid electrolyte layer 33)
The solid electrolyte layer 33 provided on the fuel electrode layer 32 is generally formed of a dense ceramic called ZrO 2 (usually stabilized zirconia) in which 3 to 15 mol% of a rare earth element is dissolved. . Examples of rare earth elements include Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu, but they are inexpensive. From the point, Y and Yb are desirable.

この固体電解質層33を形成する安定化ジルコニアセラミックスは、ガス透過を防止するという点から、相対密度(アルキメデス法による)が93%以上、特に95%以上の緻密質であることが望ましく、且つその厚みが10〜100μmであることが望ましい。固体電解質層3としては、安定化ジルコニア以外に、ランタンガレート系ペロブスカイト型組成物から構成されていても良い。   The stabilized zirconia ceramics forming the solid electrolyte layer 33 is desirably a dense material having a relative density (according to Archimedes method) of 93% or more, particularly 95% or more from the viewpoint of preventing gas permeation. It is desirable that the thickness is 10 to 100 μm. The solid electrolyte layer 3 may be composed of a lanthanum gallate perovskite type composition in addition to the stabilized zirconia.

(酸素極層34)
酸素極層34は、所謂ABO型のペロブスカイト型酸化物からなる導電性セラミックスから形成される。かかるペロブスカイト型酸化物としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物、特にAサイトにLaを有するLaMnO系酸化物、LaFeO系酸化物、LaCoO系酸化物の少なくとも1種が好適であり、600〜1000℃程度の作動温度での電気伝導性が高いという点からLaFeO系酸化物が特に好適である。尚、上記ペロブスカイト型酸化物においては、AサイトにLaと共にSrなどが存在していてもよいし、さらにBサイトには、FeとともにCoやMnが存在していてもよい。
(Oxygen electrode layer 34)
The oxygen electrode layer 34 is formed of a conductive ceramic made of a so-called ABO 3 type perovskite oxide. As such a perovskite oxide, at least one of transition metal perovskite oxides, particularly LaMnO 3 oxides, LaFeO 3 oxides, and LaCoO 3 oxides having La at the A site is preferable. LaFeO 3 -based oxides are particularly suitable because they have high electrical conductivity at an operating temperature of about 1000 ° C. In the perovskite oxide, Sr and the like may exist together with La at the A site, and Co and Mn may exist together with Fe at the B site.

また、酸素極層34は、ガス透過性を有していなければならず、従って、酸素極層34を形成する導電性セラミックス(ペロブスカイト型酸化物)は、開気孔率が20%以上、特に30〜50%の範囲にあることが望ましい。   The oxygen electrode layer 34 must have gas permeability. Therefore, the conductive ceramic (perovskite oxide) forming the oxygen electrode layer 34 has an open porosity of 20% or more, particularly 30. It is desirable to be in the range of ˜50%.

このような酸素極層34の厚みは、集電性という点から30〜100μmであることが望ましい。   The thickness of the oxygen electrode layer 34 is preferably 30 to 100 μm from the viewpoint of current collection.

(インターコネクタ35)
上記の酸素極層34に対面する位置において、支持基板31上に設けられているインターコネクタ35は、導電性セラミックスからなるが、燃料ガス(水素)及び酸素含有ガスと接触するため、耐還元性、耐酸化性を有していることが必要である。このため、かかる導電性セラミックスとしては、一般に、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物(LaCrO系酸化物)が使用される。また、支持基板31の内部を通る燃料ガス及び支持基板31の外部を通る酸素含有ガスのリークを防止するため、かかる導電性セラミックスは緻密質でなければならず、例えば93%以上、特に95%以上の相対密度を有していることが好適である。
(Interconnector 35)
The interconnector 35 provided on the support substrate 31 at the position facing the oxygen electrode layer 34 is made of conductive ceramics, but is in contact with the fuel gas (hydrogen) and the oxygen-containing gas. It is necessary to have oxidation resistance. For this reason, lanthanum chromite perovskite oxides (LaCrO 3 oxides) are generally used as the conductive ceramics. Further, in order to prevent leakage of the fuel gas passing through the inside of the support substrate 31 and the oxygen-containing gas passing through the outside of the support substrate 31, such conductive ceramics must be dense, for example, 93% or more, particularly 95%. It is preferable to have the above relative density.

かかるインターコネクタ35は、ガスのリーク防止と電気抵抗という点から、10〜200μmであることが望ましい。即ち、この範囲よりも厚みが薄いと、ガスのリークを生じやすく、またこの範囲よりも厚みが大きいと、電気抵抗が大きく、電位降下により集電機能が低下してしまうおそれがあるからである。   The interconnector 35 is desirably 10 to 200 μm from the viewpoint of preventing gas leakage and electrical resistance. That is, if the thickness is smaller than this range, gas leakage is likely to occur, and if the thickness is larger than this range, the electric resistance is large, and the current collecting function may be reduced due to a potential drop. .

インターコネクタ35の外面(上面)には、P型半導体層39が設けられている。集電部材40を、P型半導体層39を介してインターコネクタ35に接続させることにより、両者の接触がオーム接触となり、電位降下を少なくし、集電性能の低下を有効に回避することが可能となり、例えば、一方の燃料電池セル30の酸素極層34からの電流を、他方の燃料電池セル30の支持基板31に効率良く伝達できる。このようなP型半導体としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物を例示することができる。   A P-type semiconductor layer 39 is provided on the outer surface (upper surface) of the interconnector 35. By connecting the current collecting member 40 to the interconnector 35 via the P-type semiconductor layer 39, the contact between the two becomes an ohmic contact, the potential drop can be reduced, and the deterioration of the current collecting performance can be effectively avoided. Thus, for example, the current from the oxygen electrode layer 34 of one fuel battery cell 30 can be efficiently transmitted to the support substrate 31 of the other fuel battery cell 30. As such a P-type semiconductor, a transition metal perovskite oxide can be exemplified.

具体的には、インターコネクタ35を構成するLaCrO系酸化物よりも電子伝導性が大きいもの、例えば、BサイトにMn、Fe、Coなどが存在するLaMnO系酸化物、LaFeO系酸化物、LaCoO系酸化物などの少なくとも一種からなるP型半導体セラミックスを使用することができる。このようなP型半導体層39の厚みは、一般に、30〜100μmの範囲にあることが好ましい。 Specifically, those having higher electronic conductivity than LaCrO 3 oxides constituting the interconnector 35, for example, LaMnO 3 oxides and LaFeO 3 oxides in which Mn, Fe, Co, etc. exist at the B site P-type semiconductor ceramics made of at least one of LaCoO 3 -based oxides can be used. In general, the thickness of the P-type semiconductor layer 39 is preferably in the range of 30 to 100 μm.

また、インターコネクタ35は、固体電解質層33が設けられていない側の支持基板31の平坦部分A上に直接設けることもできるが、この部分にも燃料極材料が設けられ、この燃料極材料層上にインターコネクタ35を設けことができる。この場合には、支持基板31とインターコネクタ35との間の界面での電位降下を抑制することができる上で有利である。   The interconnector 35 can also be provided directly on the flat portion A of the support substrate 31 on the side where the solid electrolyte layer 33 is not provided, but this portion is also provided with a fuel electrode material, and this fuel electrode material layer. An interconnector 35 can be provided thereon. In this case, it is advantageous in that the potential drop at the interface between the support substrate 31 and the interconnector 35 can be suppressed.

(燃料電池セルの製造)
以上のような構造を有する燃料電池セルは、以下のようにして製造される。先ず、Ni等の鉄族金属或いはその酸化物粉末と、例えばY粉末と、有機バインダと、溶媒とを混合して坏土を調製し、この坏土を用いての押出成形により、支持基板成形体を作製し、これを乾燥する。
(Manufacture of fuel cells)
The fuel battery cell having the above structure is manufactured as follows. First, an iron group metal such as Ni or its oxide powder, for example, Y 2 O 3 powder, an organic binder, and a solvent are mixed to prepare a clay, and by extrusion molding using this clay, A support substrate molding is produced and dried.

次に、燃料極形成用材料(Ni或いはNiO粉末と安定化ジルコニア粉末)、有機バインダ及び溶媒を混合してスラリーを調製し、このスラリーを用いて燃料極用のシートを作製し、所定位置に積層する。また、燃料極用のシートを作製する代りに、燃料極形成用材料を溶媒中に分散したペーストを、上記で形成された支持基板成形体の所定位置に塗布し乾燥して、燃料極用のコーティング層を形成してもよい。   Next, a fuel electrode forming material (Ni or NiO powder and stabilized zirconia powder), an organic binder, and a solvent are mixed to prepare a slurry. Using this slurry, a sheet for the fuel electrode is prepared, and is placed in a predetermined position. Laminate. Further, instead of producing a sheet for the fuel electrode, a paste in which a material for forming a fuel electrode is dispersed in a solvent is applied to a predetermined position of the support substrate molded body formed as described above, and dried. A coating layer may be formed.

これを仮焼し、表面に燃料極仮焼体が形成された支持基板仮焼体を作製し、燃料極仮焼体の開気孔中に、樹脂材料を含浸する。樹脂材料としては、アクリル系の樹脂などが用いられ、含浸させるには、樹脂を溶解した有機溶媒中に浸漬すれば良い。一方、インターコネクタが形成される支持基板仮焼体の部分にはマスクして、固体電解質が形成されないようにする。   This is calcined to produce a support substrate calcined body on which the fuel electrode calcined body is formed, and the open pores of the fuel electrode calcined body are impregnated with a resin material. As the resin material, an acrylic resin or the like is used. For impregnation, the resin material may be immersed in an organic solvent in which the resin is dissolved. On the other hand, the portion of the support substrate calcined body on which the interconnector is formed is masked so that the solid electrolyte is not formed.

この後、燃料極仮焼体の表面に浸漬塗布法により固体電解質を形成する。先ず、固体電解質材料を含有する浸漬液を作製し、この浸漬液に上記支持基板仮焼体を浸漬する。固体電解質材料としては、例えば希土類元素が固溶したZrO粉を用い、その他に、浸漬液中には、有機バインダとしてアクリル系バインダと、溶媒としてトルエンが添加混合されている。この浸漬液は、所定の粘度を有するように、有機成分が調整されている。 Thereafter, a solid electrolyte is formed on the surface of the fuel electrode calcined body by a dip coating method. First, an immersion liquid containing a solid electrolyte material is prepared, and the support substrate calcined body is immersed in the immersion liquid. As the solid electrolyte material, for example, ZrO 2 powder in which a rare earth element is dissolved is used, and in addition, an acrylic binder as an organic binder and toluene as a solvent are added and mixed in the immersion liquid. The immersion liquid has an organic component adjusted so as to have a predetermined viscosity.

浸漬方向は、浸漬液中に支持基板仮焼体の長さ方向に浸漬するよりも、支持基板仮焼体の幅方向に浸漬することが望ましい。浸漬した後、引き上げる際に、支持基板仮焼体の燃料極仮焼体に着肉し、固体電解質成形体を形成し、また、支持基板仮焼体の表面に着肉し緻密質層成形体を形成する。   The dipping direction is preferably dipped in the width direction of the support substrate calcined body rather than dipping in the length direction of the support substrate calcined body in the dipping solution. When the substrate is immersed and then pulled up, the support substrate calcined body is deposited on the fuel electrode calcined body to form a solid electrolyte molded body, and the support substrate calcined body is also deposited on the surface of the dense calcined layer molded body. Form.

即ち、多孔質の支持基板仮焼体の表面に多孔質の燃料極仮焼体が形成され、燃料極仮焼体の開気孔中には樹脂材料が充填され、この燃料側電極仮焼体の表面に固体電解質成形体が形成され、インターコネクタが形成される支持基板仮焼体の表面に緻密質層成形体が形成される。燃料極仮焼体の開気孔中には、固体電解質材料が含浸されていない。マスクを除去することにより、固体電解質材料からなる緻密質層成形体に、貫通孔が形成されることになる。   That is, a porous fuel electrode calcined body is formed on the surface of the porous support substrate calcined body, and the open pores of the fuel electrode calcined body are filled with a resin material. A solid electrolyte molded body is formed on the surface, and a dense layer molded body is formed on the surface of the support substrate calcined body on which the interconnector is formed. The open pores of the fuel electrode calcined body are not impregnated with the solid electrolyte material. By removing the mask, through holes are formed in the dense layer molded body made of the solid electrolyte material.

尚、支持基板仮焼体は、Ni等の鉄族金属或いはその酸化物粒子と、Y粒子とからなり、燃料極仮焼体は、Ni或いはNiO粒子と安定化ジルコニア粒子とからなり、固体電解質成形体、緻密質層成形体は、安定化ジルコニア粉末と有機成分とから構成されている。 The support substrate calcined body is composed of iron group metal such as Ni or its oxide particles and Y 2 O 3 particles, and the fuel electrode calcined body is composed of Ni or NiO particles and stabilized zirconia particles. The solid electrolyte molded body and the dense layer molded body are composed of a stabilized zirconia powder and an organic component.

この後、インターコネクタ用材料(例えば、LaCrO系酸化物粉末)、有機バインダ及び溶媒を混合してスラリーを調製し、インターコネクタ用シートを作製する。このインターコネクタ用シートを、上記緻密質層成形体の貫通孔内に積層し、焼成用積層体を作製する。尚、緻密質層成形体上に、インターコネクタ材料層成形体を形成する場合には、例えば、インターコネクタ材料を含有する浸漬液を作成し、この浸漬液内に、緻密質層成形体に貫通孔が形成された支持基板仮焼体を浸漬し、緻密質層表面にインターコネクタ材料層を形成するとともに、緻密質層の貫通孔内にインターコネクタ材料を充填することができる。 Thereafter, a material for an interconnector (for example, LaCrO 3 oxide powder), an organic binder, and a solvent are mixed to prepare a slurry, and an interconnector sheet is prepared. This interconnector sheet is laminated in the through hole of the dense layer molded body to produce a fired laminate. When forming an interconnector material layer molded body on the dense layer molded body, for example, an immersion liquid containing the interconnector material is prepared, and the dense layer molded body is penetrated into the immersion liquid. The support substrate calcined body in which the holes are formed can be immersed to form an interconnector material layer on the dense layer surface, and the interconnector material can be filled into the through holes of the dense layer.

次いで、上記の焼成用積層体を脱バインダ処理し、酸素含有雰囲気中、1300〜1600℃で同時焼成し、得られた焼結体の所定の位置に、酸素極形成用材料(例えば、LaFeO系酸化物粉末)と溶媒を含有するペースト、及び必要により、P型半導体層形成用材料(例えば、LaFeO系酸化物粉末)と溶媒を含むペーストを、ディッピング等により塗布し、1000〜1300℃で焼き付けることにより、図1に示す構造の本発明の燃料電池セル30を製造することができる。 Next, the above laminate for firing is subjected to a binder removal treatment, and co-fired at 1300 to 1600 ° C. in an oxygen-containing atmosphere, and an oxygen electrode forming material (for example, LaFeO 3) is placed at a predetermined position of the obtained sintered body. And paste containing a P-type semiconductor layer forming material (for example, LaFeO 3 -based oxide powder) and a solvent by dipping or the like, if necessary. The fuel cell 30 of the present invention having the structure shown in FIG. 1 can be manufactured by baking.

尚、支持基板31や燃料極層32の形成にNi単体を用いた場合には、酸素含有雰囲気での焼成により、Niが酸化されてNiOとなっているが、必要により、還元処理することにより、Niに戻すことができる。   In the case where Ni alone is used to form the support substrate 31 and the fuel electrode layer 32, Ni is oxidized to NiO by firing in an oxygen-containing atmosphere. , Ni can be returned.

(セルスタック)
セルスタックは、図3に示すように、上述した燃料電池セル30が複数集合して、上下に隣接する一方の燃料電池セル30と他方の燃料電池セル30との間に、金属フェルト及び/又は金属板からなる集電部材40を介在させ、両者を互いに直列に接続することにより構成されている。即ち、一方の燃料電池セル30の支持基板31は、インターコネクタ35、P型半導体層39、集電部材40を介して、他方の燃料電池セル30の酸素極34に電気的に接続されている。また、このようなセルスタックは、図3に示すように、サイドバイサイドに配置されており、隣接するセルスタック同士は、導電部材42によって直列に接続されている。尚、図3では、P型半導体層39の記載を省略した。
(Cell stack)
As shown in FIG. 3, the cell stack includes a plurality of the fuel cells 30 described above, and a metal felt and / or between one fuel cell 30 and the other fuel cell 30 adjacent to each other in the vertical direction. A current collecting member 40 made of a metal plate is interposed, and both are connected in series with each other. That is, the support substrate 31 of one fuel battery cell 30 is electrically connected to the oxygen electrode 34 of the other fuel battery cell 30 via the interconnector 35, the P-type semiconductor layer 39, and the current collecting member 40. . Such cell stacks are arranged side by side as shown in FIG. 3, and adjacent cell stacks are connected in series by a conductive member 42. In FIG. 3, the description of the P-type semiconductor layer 39 is omitted.

本発明の燃料電池は、図3のセルスタックを、収納容器内に収容して構成される。この収納容器には、外部から水素等の燃料ガスを燃料電池セル30に導入する導入管、及び空気等の酸素含有ガスを燃料電池セル30の外部空間に導入するための導入管が設けられており、燃料電池セルが所定温度(例えば、600〜900℃)に加熱されることにより発電し、使用された燃料ガス、酸素含有ガスは、収納容器外に排出される。   The fuel cell of the present invention is configured by accommodating the cell stack of FIG. 3 in a storage container. The storage container is provided with an introduction pipe for introducing a fuel gas such as hydrogen into the fuel battery cell 30 from the outside, and an introduction pipe for introducing an oxygen-containing gas such as air into the external space of the fuel battery cell 30. The fuel cell is heated to a predetermined temperature (for example, 600 to 900 ° C.) to generate electric power, and the used fuel gas and oxygen-containing gas are discharged out of the storage container.

尚、本発明は上記形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、上記形態では、支持基板31上に燃料極層32を形成した場合について説明したが、支持基板自体に燃料極としての機能を付与し、支持基板に固体電解質、酸素極層を形成しても良い。また、上記形態では、支持基板31上に燃料極層32を形成した場合について説明したが、支持基板に空気極層を形成したセルであってもよい。   In addition, this invention is not limited to the said form, A various change is possible in the range which does not change the summary of invention. For example, in the above embodiment, the case where the fuel electrode layer 32 is formed on the support substrate 31 has been described. However, the support substrate itself is provided with a function as a fuel electrode, and a solid electrolyte and an oxygen electrode layer are formed on the support substrate. Also good. Moreover, although the case where the fuel electrode layer 32 was formed on the support substrate 31 was demonstrated in the said form, the cell which formed the air electrode layer in the support substrate may be sufficient.

さらに、上記形態では、中空平板型燃料電池セルに本発明を適用した例について説明したが、本発明では、上記形態に限定されるものではなく、例えば、円筒型燃料電池セルであっても本発明を有効に適用することができる。   Furthermore, in the above embodiment, an example in which the present invention is applied to a hollow flat plate fuel cell has been described. However, the present invention is not limited to the above embodiment. For example, the present invention is applicable to a cylindrical fuel cell. The invention can be applied effectively.

平均粒径0.5μmのNiO粉末と、Y粉末(平均粒径は0.6〜0.9μm)を、NiOがNi換算で48体積%、Yが52体積%になるようにして混合し、この混合粉末に、ポアー剤、有機バインダ(ポリビニルアルコール)と、水(溶媒)とを混合して形成した支持基板用坏土を押出成形し、これを乾燥し、脱バインダ処理し、扁平状の支持基板用成形体を作製し、これを乾燥した。この後、1000℃で仮焼し、支持基板仮焼体を作製した。 NiO powder having an average particle size of 0.5 μm and Y 2 O 3 powder (average particle size is 0.6 to 0.9 μm), NiO is 48% by volume in terms of Ni, and Y 2 O 3 is 52% by volume. Then, the mixed powder is extruded to form a support substrate clay formed by mixing a pore agent, an organic binder (polyvinyl alcohol), and water (solvent), and then dried and debindered. It processed, the flat molded object for support substrates was produced, and this was dried. Then, it calcined at 1000 degreeC and produced the support substrate calcined body.

次に、8モル%Yを含有するZrO(YSZ)粉末と、NiO粉末と、有機バインダ(アクリル樹脂)と、溶媒(トルエン)とを混合したスラリーを用いて燃料極形成用シートを作製し、これを支持基板仮焼体の所定位置に積層し、1000℃で仮焼し、支持基板仮焼体の表面に燃料極仮焼体を形成した。 Next, a fuel electrode forming sheet using a slurry in which ZrO 2 (YSZ) powder containing 8 mol% Y 2 O 3 , NiO powder, organic binder (acrylic resin), and solvent (toluene) is mixed. Was laminated at a predetermined position on the support substrate calcined body and calcined at 1000 ° C. to form a fuel electrode calcined body on the surface of the support substrate calcined body.

この後、図4(b)のインターコネクタ形成位置(燃料極仮焼体表面)に貫通孔を形成できるようにマスクした。一方、上記YSZ粉末と、有機バインダー(アクリル樹脂)と、トルエンからなる溶媒とを混合した浸漬液を作製し、この浸漬液中に支持基板仮焼体を浸漬し、引き上げることにより燃料極仮焼体の表面、及び支持基板仮焼体表面に固体電解質材料の塗布膜を形成し、乾燥することにより固体電解質成形体、緻密質層成形体を形成した。   Thereafter, masking was performed so that a through-hole could be formed at the interconnector formation position (surface of the electrode calcined body) in FIG. On the other hand, an immersion liquid in which the YSZ powder, an organic binder (acrylic resin), and a solvent made of toluene are mixed is prepared, and the support substrate calcined body is dipped in the immersion liquid and pulled up, whereby the fuel electrode is calcined. A coating film of a solid electrolyte material was formed on the surface of the body and the surface of the support substrate calcined body, and dried to form a solid electrolyte molded body and a dense layer molded body.

次に、平均粒径2μmのLaCrO系酸化物粉末と、有機バインダー(アクリル樹脂)と、溶媒(トルエン)とを混合したスラリーを用いて、インターコネクタ用シートを作製し、これらのシートを、上記積層シートのマスクを剥離した部分に積層し、さらに平均粒径2μmのLaCrO系酸化物粉末と、有機バインダー(アクリル樹脂)と、溶媒(トルエン)とを混合したスラリーを、緻密質層成形体上に塗布し、インターコネクタ材料層成形体を形成した。 Next, using a slurry obtained by mixing LaCrO 3 oxide powder having an average particle diameter of 2 μm, an organic binder (acrylic resin), and a solvent (toluene), a sheet for an interconnector is produced. Dense layer molding is performed by laminating the laminated sheet mask on the peeled portion, and further mixing a slurry of LaCrO 3 oxide powder having an average particle diameter of 2 μm, an organic binder (acrylic resin), and a solvent (toluene). It apply | coated on the body and the interconnector material layer molded object was formed.

支持基板仮焼体、燃料極仮焼体、インターコネクタ用シート、インターコネクタ材料層成形体、固体電解質成形体からなる焼結用積層シートを作製し、この焼結用積層シートを脱バインダ処理し、大気中にて1500℃で同時焼成した。   A sintered laminated sheet consisting of a support substrate calcined body, a fuel electrode calcined body, an interconnector sheet, an interconnector material layer molded body, and a solid electrolyte molded body is produced, and the sintered laminated sheet is subjected to a binder removal treatment. And co-fired at 1500 ° C. in the air.

得られた焼結体を、平均粒径2μmのLa0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8粉末と、溶媒(ノルマルパラフィン)をからなるペースト中に浸漬し、焼結体に形成されている固体電解質層の表面に酸素側電極用コーティング層を設け、同時に、上記ペーストを焼結体に形成されているインターコネクタ材料層の外面に塗布し、P型半導体用コーティング層を設け、さらに、1150℃で焼き付け、図4(c−2)に示すような燃料電池セルを作製した。 The obtained sintered body was immersed in a paste made of La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 powder having an average particle diameter of 2 μm and a solvent (normal paraffin), and sintered. A coating layer for oxygen-side electrode is provided on the surface of the solid electrolyte layer formed on the body, and at the same time, the paste is applied to the outer surface of the interconnector material layer formed on the sintered body, and the coating layer for P-type semiconductor Was further baked at 1150 ° C. to produce a fuel cell as shown in FIG.

作製した燃料電池セルの長さは145mm、幅は26mm、厚みは3.2mm、燃料極層の厚みは10μm、酸素極層の厚みは50μm、インターコネクタの厚みは50μm、P型半導体層の厚みは50μmであった。また、インターコネクタは、直径6mmで40個形成し、インターコネクタ材料層は厚さ50μmであった。   The produced fuel cell has a length of 145 mm, a width of 26 mm, a thickness of 3.2 mm, a fuel electrode layer thickness of 10 μm, an oxygen electrode layer thickness of 50 μm, an interconnector thickness of 50 μm, and a P-type semiconductor layer thickness. Was 50 μm. Further, 40 interconnectors having a diameter of 6 mm were formed, and the interconnector material layer had a thickness of 50 μm.

作製した燃料電池セルについて、インターコネクタの形成側と反対側の面の上下端に直線状の定規を当て、この定規とセル表面との最大距離を求め(図4(a−2))、長さ方向の反り量Lhとし、インターコネクタの形成側と反対側の面の幅方向両端に直線状の定規を当て、この定規とセル表面との最大距離を求め(図4(a−3))、幅方向の反り量Lbとした。この結果、セル作製後の長さ方向の反り量は0.1mm、幅方向の反り量は0.08mmであった。   For the manufactured fuel cell, linear rulers are applied to the upper and lower ends of the surface opposite to the interconnector formation side, and the maximum distance between this ruler and the cell surface is obtained (FIG. 4 (a-2)). A straight ruler is applied to both ends in the width direction of the surface opposite to the interconnector formation side, and the maximum distance between this ruler and the cell surface is obtained (Fig. 4 (a-3)). The amount of warpage Lb in the width direction was set. As a result, the amount of warpage in the length direction after cell fabrication was 0.1 mm, and the amount of warpage in the width direction was 0.08 mm.

さらに、得られた燃料電池セルを850℃の温度で水素ガスをガス通路31a内に12時間供給し、水素ガスを流しながら放冷した。その後、上記と同様にして長さ方向の反り量及び幅方向の反り量を求めたところ、長さ方向の反り量は0.3mm、幅方向の反り量は0.1mmであった。   Furthermore, hydrogen gas was supplied into the gas passage 31a at a temperature of 850 ° C. for 12 hours, and the obtained fuel cell was allowed to cool while flowing hydrogen gas. Then, when the amount of warpage in the length direction and the amount of warpage in the width direction were determined in the same manner as described above, the amount of warpage in the length direction was 0.3 mm, and the amount of warpage in the width direction was 0.1 mm.

一方、比較例として、インターコネクタを分割しない図4(a)に示すような燃料電池セルを作製し作製後の反り量、及び上記還元処理後の反り量を測定したところ、焼成後においては、長さ方向の反り量は0.5mm、幅方向の反り量は0.3mmであり、還元処理後では、長さ方向の反り量は1.8mm、幅方向の反り量は0.6mmであった。従って、本発明の燃料電池セルでは、反り量を抑制できることがわかる。   On the other hand, as a comparative example, a fuel cell as shown in FIG. 4 (a) without dividing the interconnector was prepared, and the amount of warpage after production and the amount of warpage after the reduction treatment were measured. The amount of warpage in the length direction is 0.5 mm and the amount of warpage in the width direction is 0.3 mm. After the reduction treatment, the amount of warpage in the length direction is 1.8 mm, and the amount of warpage in the width direction is 0.6 mm. It was. Therefore, it can be seen that the amount of warpage can be suppressed in the fuel battery cell of the present invention.

本発明の燃料電池セルを示すもので、(a)は横断面図、(b)は(a)のx−x線に沿った縦断面図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The fuel cell of this invention is shown, (a) is a cross-sectional view, (b) is a longitudinal cross-sectional view along the xx line of (a). 本発明の燃料電池セルの断面斜視図である。It is a section perspective view of the fuel battery cell of the present invention. 本発明の燃料電池セルのスタックを示す横断面図である。It is a cross-sectional view showing a stack of fuel cells of the present invention. インターコネクタの形成状態を示す説明図で、(a)は従来のもの、(b)は緻密質膜の貫通孔にインターコネクタを分割してそれぞれ形成した場合、(c)はインターコネクタを緻密質層上に形成したインターコネクタ材料層により接続したものである。It is explanatory drawing which shows the formation state of an interconnector, (a) is a conventional thing, (b) is the case where an interconnector is divided | segmented and formed in the through-hole of a dense membrane, respectively, (c) is a dense interconnector. It is connected by an interconnector material layer formed on the layer. 従来の燃料電池セルのスタックを示す横断面図である。It is a cross-sectional view showing a stack of conventional fuel cells.

符号の説明Explanation of symbols

31・・・支持基板(支持体)
31a・・・燃料ガス通路(ガス流路)
32・・・燃料極層
33・・・固体電解質層
34・・・酸素極層
35・・・インターコネクタ
38・・・緻密質層
40・・・集電部材
47・・・インターコネクタ材料層
31 ... Support substrate (support)
31a ... Fuel gas passage (gas passage)
32 ... Fuel electrode layer 33 ... Solid electrolyte layer 34 ... Oxygen electrode layer 35 ... Interconnector 38 ... Dense layer 40 ... Current collecting member 47 ... Interconnector material layer

Claims (8)

内部にガス流路が形成された多孔質の支持体の一方側面に固体電解質層を有するとともに、前記支持体の前記一方側面と対向する他方側面にインターコネクタを有する燃料電池セルであって、前記支持体の他方側面に複数の貫通孔を有する緻密質層を形成し、該緻密質層の貫通孔内にそれぞれ前記インターコネクタを形成してなることを特徴とする燃料電池セル。 A fuel cell having a solid electrolyte layer on one side of a porous support having a gas flow path formed therein and an interconnector on the other side facing the one side of the support, A fuel cell, wherein a dense layer having a plurality of through holes is formed on the other side surface of the support, and the interconnector is formed in each through hole of the dense layer. 前記緻密質層が固体電解質材料からなることを特徴とする請求項1記載の燃料電池セル。 The fuel cell according to claim 1, wherein the dense layer is made of a solid electrolyte material. 前記緻密質層の表面にインターコネクタ材料層が形成されており、該インターコネクタ材料層が前記緻密質層の複数の貫通孔内に形成された前記インターコネクタと電気的に接続していることを特徴とする請求項1又は2記載の燃料電池セル。 An interconnector material layer is formed on the surface of the dense layer, and the interconnector material layer is electrically connected to the interconnector formed in the plurality of through holes of the dense layer. The fuel cell according to claim 1 or 2, characterized in that: 前記支持体が導電性を有するとともに、該支持体の一方側面に電極層を介して前記固体電解質層を形成してなることを特徴とする請求項1乃至3のうちいずれかに記載の燃料電池セル。 4. The fuel cell according to claim 1, wherein the support has conductivity, and the solid electrolyte layer is formed on one side of the support via an electrode layer. cell. 前記電極層は燃料極層であることを特徴とする請求項4記載の燃料電池セル。 The fuel cell according to claim 4, wherein the electrode layer is a fuel electrode layer. 前記支持体が燃料極として機能するとともに、前記支持体の一方側面に前記固体電解質層が形成されていることを特徴とする請求項1乃至3のうちいずれかに記載の燃料電池セル。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the support functions as a fuel electrode, and the solid electrolyte layer is formed on one side surface of the support. 前記支持体が基板状であり、前記支持体の一方側面が一方側主面であるとともに、前記支持体の他方側面が他方側主面であることを特徴とする請求項1乃至6のうちいずれかに記載の燃料電池セル。 7. The support according to claim 1, wherein the support is in the form of a substrate, one side of the support is a main surface on one side, and the other side of the support is a main surface on the other side. A fuel battery cell according to claim 1. 請求項1乃至7のうちいずれかに記載の燃料電池セルを収納容器内に複数収納してなることを特徴とする燃料電池。 A fuel cell comprising a plurality of the fuel cells according to claim 1 in a storage container.
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