JP3914990B2 - Cylindrical fuel cell - Google Patents
Cylindrical fuel cell Download PDFInfo
- Publication number
- JP3914990B2 JP3914990B2 JP2003388532A JP2003388532A JP3914990B2 JP 3914990 B2 JP3914990 B2 JP 3914990B2 JP 2003388532 A JP2003388532 A JP 2003388532A JP 2003388532 A JP2003388532 A JP 2003388532A JP 3914990 B2 JP3914990 B2 JP 3914990B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- film
- interconnector
- porous
- fuel cell
- cylindrical fuel
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims description 53
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 38
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 claims description 34
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 21
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 20
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 18
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 17
- 230000002265 prevention Effects 0.000 claims description 17
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 12
- 229910017563 LaCrO Inorganic materials 0.000 claims description 10
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910002084 calcia-stabilized zirconia Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims description 4
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims description 4
- 229910002087 alumina-stabilized zirconia Inorganic materials 0.000 claims 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 63
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 63
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 17
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 11
- 229910001233 yttria-stabilized zirconia Inorganic materials 0.000 description 11
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 8
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 8
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 8
- 238000007751 thermal spraying Methods 0.000 description 8
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 description 6
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 4
- 238000010285 flame spraying Methods 0.000 description 4
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 4
- 229910001293 incoloy Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910001026 inconel Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 239000011195 cermet Substances 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 238000007750 plasma spraying Methods 0.000 description 3
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 3
- 239000004449 solid propellant Substances 0.000 description 3
- 229910018487 Ni—Cr Inorganic materials 0.000 description 2
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N Phosphoric acid Chemical compound OP(O)(O)=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- WABPQHHGFIMREM-UHFFFAOYSA-N lead(0) Chemical compound [Pb] WABPQHHGFIMREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L Carbonate Chemical compound [O-]C([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000943 NiAl Inorganic materials 0.000 description 1
- NPXOKRUENSOPAO-UHFFFAOYSA-N Raney nickel Chemical compound [Al].[Ni] NPXOKRUENSOPAO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GEIAQOFPUVMAGM-UHFFFAOYSA-N ZrO Inorganic materials [Zr]=O GEIAQOFPUVMAGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000809 air pollutant Substances 0.000 description 1
- 231100001243 air pollutant Toxicity 0.000 description 1
- 229910000147 aluminium phosphate Inorganic materials 0.000 description 1
- VNNRSPGTAMTISX-UHFFFAOYSA-N chromium nickel Chemical compound [Cr].[Ni] VNNRSPGTAMTISX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003034 coal gas Substances 0.000 description 1
- -1 composed of NiCrAlY Substances 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- DTDCCPMQHXRFFI-UHFFFAOYSA-N dioxido(dioxo)chromium lanthanum(3+) Chemical class [La+3].[La+3].[O-][Cr]([O-])(=O)=O.[O-][Cr]([O-])(=O)=O.[O-][Cr]([O-])(=O)=O DTDCCPMQHXRFFI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004299 exfoliation Methods 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 229910001120 nichrome Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- AHKZTVQIVOEVFO-UHFFFAOYSA-N oxide(2-) Chemical compound [O-2] AHKZTVQIVOEVFO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- SIWVEOZUMHYXCS-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoyttriooxy)yttrium Chemical compound O=[Y]O[Y]=O SIWVEOZUMHYXCS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 230000002250 progressing effect Effects 0.000 description 1
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 1
- 238000002407 reforming Methods 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 230000000452 restraining effect Effects 0.000 description 1
- 238000009751 slip forming Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 1
- 229910001928 zirconium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Description
本発明は円筒型燃料電池に関し、特に電解質にイットリア安定化ジルコニア(YSZ)を用いた円筒直列接続型(横縞円筒型)の高温固体電解質燃料電池(SOFC:solid
oxide fuel cell)に関するものである。
The present invention relates to a cylindrical fuel cell, and in particular, a cylindrical series connection type (horizontal stripe cylindrical type) high-temperature solid electrolyte fuel cell (SOFC) using yttria-stabilized zirconia (YSZ) as an electrolyte.
oxide fuel cell).
高温固体電解質燃料電池(SOFC)は高温域で発電プロセスが可能であることから、数百kW級分散電源は勿論のこと、ガスタービンや汽力タービンを複合併置した数百MW級大容量高効率複合型のベースロード用発電プラントの実現も可能であるとされている。SOFCによる発電方式は電気エネルギーへのエネルギー変換効率が高く、発電に伴う大気汚染物質の排出を極小化することができ、内部改質による水素の精製機能により石炭ガスや都市ガス等使用燃料の多様化にも対応が可能である。これ等の理由から、固体電解質燃料電池は、リン酸型燃料電池(PAFC)や溶融炭酸塩型燃料電池(MCFC)に続く、高温動作の燃料電池として大きな期待が寄せられ、国内はもとより海外でも研究開発が進展している。
固体電解質燃料電池は、平板型と円筒型に大別されるが、円筒型は強度的に優れまたガスの分離が比較的容易であるとされる。円筒型は、さらに縦縞型(ウエスティングハウスタイプ:高電流型)と横縞型(直列接続型:高電圧型)に分類されるが、本発明は後者に係る。
The high-temperature solid electrolyte fuel cell (SOFC) is capable of power generation processes at high temperatures, so it can be used for several hundred kW class distributed power sources, as well as several hundred MW class large-capacity, high-efficiency composites combined with gas turbines and steam turbines. It is said that it is possible to realize a type of base load power plant. The power generation method using SOFC has high energy conversion efficiency to electric energy, can minimize the emission of air pollutants accompanying power generation, and has a variety of fuels such as coal gas and city gas due to the hydrogen purification function through internal reforming. It is also possible to respond to For these reasons, solid electrolyte fuel cells are highly expected as high-temperature operation fuel cells following phosphoric acid fuel cells (PAFCs) and molten carbonate fuel cells (MCFCs). Research and development is progressing.
Solid electrolyte fuel cells are roughly classified into a flat plate type and a cylindrical type. The cylindrical type is excellent in strength and relatively easy to separate gases. The cylindrical type is further classified into a vertical stripe type (Westinghouse type: high current type) and a horizontal stripe type (series connection type: high voltage type), but the present invention relates to the latter.
図11は、従来の横縞円筒型固体電解質燃料電池の上半分を断面図で示す正面図である。図11に示されるように、多孔質セラミック基体管50の円周上に緻密セラミック膜51を成膜し気密部(非発電部)と通気性部(発電部)とを形成する。その後、燃料電極52、固体電解質膜53、インターコネクタ54、電流取り出し用の端子リード55、緻密セラミック膜56、空気電極57を順次成膜すると、燃料電池スタックができあがる。これに電流取り出し用のリード線58およびガス給排気用のセラミックエンドキャップ59を両端に取り付けて、横縞円筒型SOFC200の製作工程が完了する。このように、材料の多少の相違はあるが、横縞円筒型SOFCは、基体管上に形成した燃料電極−固体電解質−空気電極の3層積層構造の単位セルをインターコネクタを介して直列に接続した構成を有するものである。 FIG. 11 is a front view showing the upper half of a conventional horizontal stripe cylindrical solid electrolyte fuel cell in a cross-sectional view. As shown in FIG. 11, a dense ceramic film 51 is formed on the circumference of the porous ceramic base tube 50 to form an airtight part (non-power generation part) and a gas permeable part (power generation part). Thereafter, when the fuel electrode 52, the solid electrolyte membrane 53, the interconnector 54, the terminal lead 55 for extracting current, the dense ceramic membrane 56, and the air electrode 57 are sequentially formed, a fuel cell stack is completed. A lead wire 58 for current extraction and a ceramic end cap 59 for gas supply / exhaust are attached to both ends to complete the manufacturing process of the horizontal stripe cylindrical SOFC 200. As described above, although there are some differences in materials, the horizontal-striped cylindrical SOFC connects unit cells of a three-layer structure of fuel electrode-solid electrolyte-air electrode formed on a base tube in series via an interconnector. The configuration is as follows.
ここで、固体電解質燃料電池の動作について簡単に説明する。固体電解質燃料電池は、固体電解質をガス透過性の良い電極板で挟んだ構造を基本とする。固体電解質としては室温から高温まで蛍石型立方晶の結晶構造が維持されてそして化学的にも安定な複合酸化物である、例えば(Y2O3)0.08(ZrO2)0.92の組成を有するイットリア安定化ジルコニア(YSZ)が使用されている。イットリア安定化ジルコニアは4価のジルコニウム酸化物中に3価のイットリウム酸化物を固溶しているため、結晶内に酸化物イオン空孔を生じており、高温になると、この空孔は結晶内を自由に移動する。両面に気体透過性の電極を付け、両面に酸素濃度差を与えると、高濃度側(カソード、一般に空気電極と呼ばれる)から酸素はO2−となってYSZ内に入り、濃度差によって低酸素側(アノード、一般に燃料電極と呼ばれる)に移動して電子を運ぶ。アノードに到達したO2−イオンは燃料と反応して電子を放出し、放出された電子は外部回路を流れ負荷に仕事をする。 Here, the operation of the solid electrolyte fuel cell will be briefly described. A solid electrolyte fuel cell basically has a structure in which a solid electrolyte is sandwiched between electrode plates having good gas permeability. The solid electrolyte is a complex oxide which maintains a fluorite-type cubic crystal structure from room temperature to high temperature and is chemically stable. For example, (Y 2 O 3 ) 0.08 (ZrO 2 ) 0.92 Yttria stabilized zirconia (YSZ) having the following composition is used. Yttria-stabilized zirconia has trivalent yttrium oxide in solid solution in tetravalent zirconium oxide, which causes oxide ion vacancies in the crystal. Move freely. When gas permeable electrodes are attached to both surfaces and an oxygen concentration difference is given to both surfaces, oxygen becomes O 2− from the high concentration side (cathode, generally called an air electrode) and enters YSZ. Carries electrons by moving to the side (anode, commonly called fuel electrode). The O 2− ions that have reached the anode react with the fuel to emit electrons, and the emitted electrons flow through an external circuit to work on the load.
固体電解質燃料電池(SOFC)では、高温(例えば800〜1000℃)で運転することによってその長所を最大限に活用することができることから、熱応力をいかに低く抑えるかが重大な課題となっており、SOFCのすべての構成要素を熱膨張率のあった材料を組み合わせて構成するのが望ましいとされる。そこで、SOFCのインターコネクタ材料としては、ランタンクロマイト系酸化物(LaCrO3:熱膨張係数調整のためMg、CaやTiを含むものが通常良く使用されている。)などの酸化物導電材料が用いられる(例えば、特許文献1、2参照)。しかし、縦縞型(ウエスティングハウスタイプ:高電流型)ではインターコネクタ部分の導電路が短いため(本来、この導電路を短くする工夫を考えた構造であるため)LaCrO3系材料でも特に問題とはならないが、横縞型(直列接続型:高電圧型)では構造上導電路が長いため導電性が悪い酸化物系材料を使用するとセル内部抵抗が非常に高くなり問題となる。そこで、より導電性の高いNiAlやNiCrなどの合金系材料のサーメットを用いてインターコネクタを構成することが提案されている(例えば、特許文献3、4参照)。
インターコネクタには、気密(ガスタイト)性を確保することと導電性が高いことが求められる。燃料電極や空気電極にも導電性材料は用いられるが、これらは多孔質膜であるため、比較的熱応力の影響は受けにくいが、インターコネクタは気密性の確保のために緻密膜で形成しなければならないため、ここに大きな内部応力が発生する。特に、横縞円筒型の場合、インターコネクタの膜厚が厚くなるため、合金系材料を用いる場合、例えサーメット化しても固体電解質との熱膨張係数差は大きく、運転−停止の繰り返しによりインターコネクタ部の劣化が進行し易い。すなわち、ここで剥離、クラックが発生し易い。一方で、インターコネクタは、その材料として合金系のものを用いる場合であっても、サーメット化して用いているため、セル接続部での抵抗値が上がり、高い変換効率の確保が難しくなる。
本願発明は、上記の問題点を解決すべくなされたものであって、その目的は、第1に、インターコネクタ部で発生する内部応力を低く抑えうるようにすることであり、第2に、インターコネクタ部での抵抗を低く抑えうるようにすることであって、これにより、剥離、クラックの発生の抑制された、信頼性の高い長寿命かつ高変換効率の高温固体電解質燃料電池を提供できるようにしようとするものである。
The interconnector is required to ensure hermeticity (gas tightness) and high conductivity. Conductive materials are also used for fuel electrodes and air electrodes, but these are porous membranes, so they are relatively unaffected by thermal stress, but interconnectors are made of dense membranes to ensure airtightness. As a result, a large internal stress is generated here. In particular, in the case of a horizontal stripe cylindrical type, the thickness of the interconnector becomes thick. Therefore, when using an alloy-based material, even if it is made cermet, the difference in thermal expansion coefficient from the solid electrolyte is large, and the interconnector part is repeatedly operated and stopped. It is easy for deterioration to progress. That is, peeling and cracking are likely to occur here. On the other hand, even if the interconnector is made of an alloy-based material, the interconnector is used as a cermet, so that the resistance value at the cell connection portion increases and it is difficult to ensure high conversion efficiency.
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and its purpose is first to be able to suppress the internal stress generated in the interconnector portion, and secondly, The resistance at the interconnector portion can be kept low, thereby providing a high-temperature solid electrolyte fuel cell with high reliability, long life and high conversion efficiency, in which the occurrence of peeling and cracking is suppressed. Is something to try to do.
上記の目的を達成するため、本発明によれば、セルが下層から順に環状に積層された第1多孔質インターコネクタ膜、第1電極、固体電解質膜、第2電極、第2多孔質インターコネクタ膜を有しており、隣接するセル間の第1多孔質インターコネクタ膜と第2多孔質インターコネクタ膜とが中間インターコネクタ膜の上下面にまで延伸されるとともに、中間インターコネクタ膜によって接続されている円筒型燃料電池であって、前記中間インターコネクタ膜が少なくとも1層の緻密導電膜を有していることを特徴とする円筒型燃料電池、が提供される。
そして、好ましくは、前記中間インターコネクタ膜は、単一緻密導電膜、または、多孔質導電膜と該多孔質を上下より挟む上層緻密導電膜および下層緻密導電膜とによって構成されている。また、好ましくは、前記中間インターコネクタ膜が、導電性酸化物、NiCrAlY、SUS(ステンレス鋼)、インコネル(inconel:登録商標)またはインコロイ(incoloy:登録商標)のいずれかによって形成されている。
また、好ましくは、前記第1および第2多孔質インターコネクタ膜は、NiCrAlY、SUS(ステンレス鋼)、インコネル(inconel:登録商標)、インコロイ(incoloy:登録商標)を主体とする材料によって形成されている。
To achieve the above object, according to the present invention, first porous interconnector film which cells are stacked in the annular sequentially from a lower layer, a first electrode, a solid electrolyte film, a second electrode, a second porous interconnector The first porous interconnector membrane and the second porous interconnector membrane between adjacent cells are extended to the upper and lower surfaces of the intermediate interconnector membrane and connected by the intermediate interconnector membrane. The cylindrical fuel cell is characterized in that the intermediate interconnector membrane has at least one dense conductive film.
Preferably, the intermediate interconnector film is composed of a single dense conductive film or a porous conductive film and an upper dense conductive film and a lower dense conductive film sandwiching the porous from above and below. Preferably, the intermediate interconnector film is formed of any one of conductive oxide, NiCrAlY, SUS (stainless steel), inconel ( registered trademark ), or incoloy ( registered trademark ).
Preferably, the first and second porous interconnector films are formed of a material mainly composed of NiCrAlY, SUS (stainless steel), inconel ( registered trademark ), and incoloy ( registered trademark ). Yes.
本発明によれば、インターコネクタ構造は、燃料電極から延長された第1多孔質インターコネクタ膜と、空気電極から延長された第2多孔質インターコネクタ膜と、第1、第2多孔質インターコネクタ膜に挟まれた中間インターコネクタ膜とによって構成される。この構造によれば、中間インターコネクタ膜の電気伝導は、垂直方向となるため、気密性が確保できる範囲内で薄膜化することができる(20〜300μm程度)。薄膜化することができれば、電解質と熱膨張係数に差のある合金材料を用いても発生する内部応力を低く抑えることができる。また、中間インターコネクタ膜が薄膜化したことによりセル接続部の電気抵抗を低減させることができる。さらに、中間インターコネクタ膜が薄膜化したことにより、LaCrO3系などの酸化物系導電材料の利用が可能になる。すなわち、中間インターコネクタ膜に酸化物系導電材料を用いてもセル接続部の抵抗値を低く抑えることができる。 According to the present invention, the interconnector structure includes a first porous interconnector membrane extending from the fuel electrode, a second porous interconnector membrane extending from the air electrode, and the first and second porous interconnectors. And an intermediate interconnector film sandwiched between the films. According to this structure, since the electrical conduction of the intermediate interconnector film is in the vertical direction, the film can be thinned within a range in which airtightness can be secured (about 20 to 300 μm). If the film thickness can be reduced, the internal stress generated can be kept low even when an alloy material having a difference in thermal expansion coefficient from that of the electrolyte is used. In addition, since the intermediate interconnector film is thinned, the electric resistance of the cell connection portion can be reduced. Furthermore, since the intermediate interconnector film is made thinner, it is possible to use an oxide-based conductive material such as LaCrO 3 . That is, the resistance value of the cell connection portion can be kept low even if an oxide-based conductive material is used for the intermediate interconnector film.
また、本発明のインターコネクタ構造によれば、中間インターコネクタ膜の周辺部(すなわち、第2多孔質インターコネクタ膜との接続部を除く領域)を電解質膜にて押さえ込むようにすることができる。中間インターコネクタ膜が例えばNiCrAlYなどの合金材料により形成されている場合、熱膨張係数の大きい材料からなる中間インターコネクタ膜を熱膨張係数の小さい酸化物によって押さえ込むことになりインターコネクタ膜が剥離する可能性をより低くすることができる。 Further, according to the interconnector structure of the present invention, the peripheral portion of the intermediate interconnector membrane (that is, the region excluding the connecting portion with the second porous interconnector membrane) can be pressed by the electrolyte membrane. When the intermediate interconnector film is made of an alloy material such as NiCrAlY, the intermediate interconnector film made of a material having a large thermal expansion coefficient is pressed by an oxide having a small thermal expansion coefficient, and the interconnector film can be peeled off. The sex can be made lower.
また、本発明によれば、第1、第2多孔質インターコネクタ膜間に挿入される中間インターコネクタ膜として、緻密膜、多孔質膜、緻密膜などの多層構造をとることができる。この構造によれば、緻密膜間に緩衝膜が挿入されたことになり、さらに、緻密膜が分割されたことにより応力が分散され、より耐久性の高いインターコネクタを実現することができる。また、中間インターコネクタ膜が分割されたことにより、インターコネクタ膜に課せられた機能を各膜に分散させることが可能になり、材料の選択の幅が広がる。すなわち、例えば、燃料側の緻密膜を耐還元性の高い材料により形成し、空気側の緻密膜を耐酸化性の高い材料により形成するようにすることができる。例えば、燃料側、空気側双方の緻密膜をNiCrAlYなどの合金により形成してインターコネクタ部の抵抗値の低減を図るようにすることもできるが、燃料側の緻密膜をNiCrAlYにより形成して燃料側の耐還元性を確保し、また空気側の緻密膜をLaCrO3により形成するようにして耐酸化性をより高めるようにすることもできる。 Furthermore, according to the present invention, the intermediate interconnector film inserted between the first and second porous interconnector films can have a multilayer structure such as a dense film, a porous film, and a dense film. According to this structure, the buffer film is inserted between the dense films, and further, the stress is dispersed by dividing the dense film, so that a more durable interconnector can be realized. Further, since the intermediate interconnector film is divided, the function imposed on the interconnector film can be dispersed in each film, and the range of material selection is widened. That is, for example, the fuel-side dense film can be formed of a material having high reduction resistance, and the air-side dense film can be formed of a material having high oxidation resistance. For example, the dense film on both the fuel side and the air side can be formed of an alloy such as NiCrAlY to reduce the resistance value of the interconnector part. However, the dense film on the fuel side is formed of NiCrAlY and the fuel is reduced. The oxidation resistance can be further enhanced by securing the reduction resistance on the side and forming a dense film on the air side with LaCrO 3 .
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
[第1の実施の形態]
図1は、本発明の第1の実施の形態のセル接続部の構造を模式的に示す断面図である。図1に示すように、基体管1上には多孔質金属IC(インターコネクタ)膜2が形成され、その上に燃料電極3と緻密金属IC膜4が形成されている。そして、燃料電極3と緻密金属IC膜4との上に、燃料電極3上を全面的に覆いかつ緻密金属IC膜4の周辺部を覆うように固体電解質膜5が形成されている。に固体電解質膜5上には空気電極6が形成され、その上には空気電極上を覆いかつ緻密金属IC膜4の露出部を覆うように多孔質金属IC膜7が形成されている。さらに、多孔質金属IC膜7の切れ目部分には、緻密金属IC膜4上を覆うように剥離防止膜8が形成されている。
Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[First Embodiment]
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the structure of the cell connection portion according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, a porous metal IC (interconnector) film 2 is formed on a substrate tube 1, and a fuel electrode 3 and a dense metal IC film 4 are formed thereon. A solid electrolyte film 5 is formed on the fuel electrode 3 and the dense metal IC film 4 so as to cover the entire surface of the fuel electrode 3 and cover the periphery of the dense metal IC film 4. Further, an air electrode 6 is formed on the solid electrolyte membrane 5, and a porous metal IC film 7 is formed thereon so as to cover the air electrode and to cover the exposed portion of the dense metal IC film 4. Further, a peeling prevention film 8 is formed at the cut portion of the porous metal IC film 7 so as to cover the dense metal IC film 4.
基体管1としてはセラミック基体管を用いることができる。すなわち、カルシア安定化ジルコニア(CSZ)管やアルミナ管を用いることができる。あるいは、本願発明者により特願2003−303830号にて提案された金属膜ベースの基体管を用いてもよい。これは、例えば円筒状のAl仮基体上にNiCrAlYなどを溶射して合金膜を形成し、その上にアルミナなどを溶射してセラミック膜を形成した上でAl仮基体をエッチング除去して形成するものである。800℃程度ないしそれ以上の高温で運転するのであれば、合金膜はNiCrAlYにより形成することが望ましいが、近年SOFCは低温化の傾向にあり、600℃〜800℃台などのより低温での発電を目指すのであれば、SUS(ステンレス鋼)、インコネル(inconel:登録商標)、インコロイ(incoloy:登録商標)などの他のNi-Cr系合金を用いて合金系基体管を形成することもできる。
A ceramic substrate tube can be used as the substrate tube 1. That is, a calcia-stabilized zirconia (CSZ) tube or an alumina tube can be used. Alternatively, a metal film-based substrate tube proposed by the present inventor in Japanese Patent Application No. 2003-303830 may be used. For example, NiCrAlY or the like is sprayed on a cylindrical Al temporary substrate to form an alloy film, and alumina or the like is sprayed thereon to form a ceramic film, and then the Al temporary substrate is etched away. Is. When operating at a high temperature of about 800 ° C. or higher, it is desirable to form the alloy film with NiCrAlY. However, in recent years, SOFC has a tendency to lower the temperature, and power generation at a lower temperature such as 600 ° C. to 800 ° C. For example, an alloy base tube can be formed using other Ni—Cr alloys such as SUS (stainless steel), inconel ( registered trademark ), and incoloy ( registered trademark ).
多孔質金属IC膜2は、例えばフレーム溶射法によりNiCrAlYを溶射して形成することができる。燃料電極3は、例えばプラズマ溶射法により例えばNiOを溶射して形成することができる。緻密金属IC膜4は、例えばフレーム溶射法によりNiCrAlYを溶射して形成することができる。固体電解質膜5は、例えばプラズマ溶射法によりYSZを溶射して形成することができる。空気電極6は、例えばフレーム溶射法により例えばLaMnO3を溶射して形成することができる。LaMnO3にはYSZ、ZrO2、Al2O3などの酸化物が添加されてもよい。これに加えて若しくはそれらを含まずに、Mg、Ca、Srなどの金属が添加されてもよい。多孔質金属IC膜7は、例えばフレーム溶射法によりNiCrAlYを溶射して形成することができる。剥離防止膜8は、例えばプラズマ溶射法によりアルミナを溶射して形成することができる。 The porous metal IC film 2 can be formed by spraying NiCrAlY by, for example, flame spraying. The fuel electrode 3 can be formed, for example, by spraying NiO, for example, by plasma spraying. The dense metal IC film 4 can be formed by spraying NiCrAlY by, for example, flame spraying. The solid electrolyte membrane 5 can be formed by spraying YSZ, for example, by plasma spraying. The air electrode 6 can be formed by spraying, for example, LaMnO 3 by flame spraying, for example. LaMnO 3 may be added with oxides such as YSZ, ZrO 2 , and Al 2 O 3 . In addition to or without including them, metals such as Mg, Ca, and Sr may be added. The porous metal IC film 7 can be formed by spraying NiCrAlY by, for example, flame spraying. The peeling prevention film 8 can be formed by spraying alumina, for example, by plasma spraying.
多孔質金属IC膜2、7および緻密金属IC膜4は、SOFCを800℃程度ないしそれ以上の高温で運転するのであれば、NiCrAlYにより形成することが望ましいが、それ以下の温度での発電を目指すのであれば、SUS(ステンレス鋼)、インコネル(inconel:登録商標)、インコロイ(incoloy:登録商標)などの他のNi-Cr系合金を用いて形成することもできる。
多孔質金属IC膜2、7には、アルミナ、YSZ、ZrO2、LaCrO3のような酸化物を添加することができる。これにより成膜時の多孔質化が容易になる。
緻密金属IC膜4は、セル間の抵抗値を低く抑えるため気密性(ガスタイト性)が確保できる範囲で出来るだけ薄く抑えることが望ましい。この観点から20μm以上300μm以下の膜厚に選定される。緻密金属IC膜4が薄膜化されたことにより、セル間の抵抗値の低減と内部応力の低減の2つの効果を同時に達成することができる。また、緻密金属IC膜4は、セル間接続抵抗の許容できる範囲内で極力小さくすることが望ましい。緻密金属IC膜4を微小化することにより内部応力は一層小さくなり、クラックや剥離の発生する可能性はより小さくなる。また、このように多孔質金属IC膜2−7間を接続する中間IC膜が薄膜化されたことにより、緻密金属IC膜4に代えてLaCrO3などを用いて緻密導電性酸化物IC膜を形成することが可能になる。このように中間IC膜に固体電解質に熱膨張係数の近い材料を用いることにより、セル間の抵抗値の上昇を抑制しつつ熱応力の増大を抑制することができる。
The porous metal IC films 2 and 7 and the dense metal IC film 4 are preferably formed of NiCrAlY if the SOFC is operated at a high temperature of about 800 ° C. or higher, but power generation at a temperature lower than that is preferable. If it aims, it can also form using other Ni-Cr type alloys, such as SUS (stainless steel), inconel ( registered trademark ), and incoloy ( registered trademark ).
An oxide such as alumina, YSZ, ZrO 2 , or LaCrO 3 can be added to the porous metal IC films 2 and 7. This facilitates the formation of a porous film during film formation.
It is desirable to keep the dense metal IC film 4 as thin as possible within a range in which airtightness (gas tightness) can be secured in order to keep the resistance value between cells low. From this viewpoint, the film thickness is selected from 20 μm to 300 μm. By reducing the thickness of the dense metal IC film 4, it is possible to simultaneously achieve the two effects of reducing the resistance value between cells and reducing the internal stress. Further, it is desirable that the dense metal IC film 4 is made as small as possible within the allowable range of the inter-cell connection resistance. By miniaturizing the dense metal IC film 4, the internal stress is further reduced, and the possibility of occurrence of cracks and peeling is further reduced. Further, since the intermediate IC film connecting the porous metal IC films 2-7 is thinned in this way, a dense conductive oxide IC film is formed using LaCrO 3 or the like instead of the dense metal IC film 4. It becomes possible to form. Thus, by using a material having a thermal expansion coefficient close to that of the solid electrolyte for the intermediate IC film, it is possible to suppress an increase in thermal stress while suppressing an increase in resistance value between cells.
図2(a)は、基体管上に固体電解質膜5までを形成した状態を示す斜視図であり、図1は、図2(a)のA−A線で示す個所での断面図である。図2(a)に示されるように、緻密金属IC膜4は円周上にリング状に形成されており、緻密金属IC膜4の両側端部は、固体電解質膜5により覆われている。すなわち、緻密金属IC膜4の両側端部は、固体電解質膜5により押え込まれている。
緻密金属IC膜4は円周上に連続的に形成するのではなく、図2(b)、(c)に示されるように、円形ないし短冊状に形成し、その周辺部を固体電解質膜5により覆うようにしてもよい。このように緻密金属IC膜4、固体電解質膜5を形成した場合の、図2(b)、(c)のB−B線での断面図が、図2(e)に示される。なお、図2(b)、(c)のA−A線に相当する部分での断面図は図1に示す通りである。このように、緻密金属IC膜4を小面積で非連続に形成することにより熱応力を非常に低く抑えることができる。あるいは、緻密金属IC膜4をリング状(連続的)に形成し、固体電解質膜5に円形ないし短冊状の窓を形成するようにしてもよい。このように緻密金属IC膜4、固体電解質膜5を形成した場合の、図2(b)、(c)のB−B線での断面図は、図2(f)に示される。
上記の説明では、緻密金属IC膜4は溶射法などにより直接多孔質金属IC膜2上に形成するものであったが、この方法に代え、図2(d)に示されるC字状のIC用緻密金属箔4Aを予め形成しておき、多孔質金属IC膜2上に燃料電極3を形成した後、多孔質金属IC膜2上にこのIC用緻密金属箔4Aを嵌め込み、その上から固体電解質溶射膜で押さえ込むようにしてもよい。
FIG. 2A is a perspective view showing a state in which up to the solid electrolyte membrane 5 is formed on the substrate tube, and FIG. 1 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. . As shown in FIG. 2A, the dense metal IC film 4 is formed in a ring shape on the circumference, and both end portions of the dense metal IC film 4 are covered with the solid electrolyte film 5. That is, both end portions of the dense metal IC film 4 are pressed by the solid electrolyte film 5.
The dense metal IC film 4 is not continuously formed on the circumference, but is formed in a circular or strip shape as shown in FIGS. May be covered. A cross-sectional view taken along line BB in FIGS. 2B and 2C when the dense metal IC film 4 and the solid electrolyte film 5 are formed in this way is shown in FIG. A cross-sectional view taken along line AA in FIGS. 2B and 2C is as shown in FIG. Thus, the thermal stress can be kept very low by forming the dense metal IC film 4 in a small area and non-continuously. Alternatively, the dense metal IC film 4 may be formed in a ring shape (continuously), and a circular or strip-shaped window may be formed in the solid electrolyte film 5. A cross-sectional view taken along line BB in FIGS. 2B and 2C when the dense metal IC film 4 and the solid electrolyte film 5 are formed in this way is shown in FIG.
In the above description, the dense metal IC film 4 is formed directly on the porous metal IC film 2 by a thermal spraying method or the like. Instead of this method, the C-shaped IC shown in FIG. After forming the dense metal foil 4A for use in advance and forming the fuel electrode 3 on the porous metal IC film 2, the dense metal foil 4A for IC is fitted on the porous metal IC film 2 and then solidified from there. You may make it hold down with an electrolyte sprayed film.
緻密金属IC膜4上には、これに被さるように剥離防止膜8が形成されている。剥離防止膜8は、緻密アルミナ膜のような絶縁酸化物で形成されており、その熱膨張係数は緻密金属IC膜のそれよりも小さい。そのため、高温時に緻密金属IC膜4は剥離防止膜8により上から押さえ込まれることとなり、緻密金属IC膜4の剥離は防止される。剥離防止膜8が、多孔質アルミナ膜によって形成されていても同様の効果を得ることができる。 An exfoliation preventing film 8 is formed on the dense metal IC film 4 so as to cover the dense metal IC film 4. The peeling prevention film 8 is formed of an insulating oxide such as a dense alumina film, and its thermal expansion coefficient is smaller than that of the dense metal IC film. Therefore, the dense metal IC film 4 is pressed from above by the peeling prevention film 8 at a high temperature, and peeling of the dense metal IC film 4 is prevented. Even if the peeling prevention film 8 is formed of a porous alumina film, the same effect can be obtained.
図3(a)は、剥離防止膜8が形成された後のセル部の状態を示す斜視図である。図3(a)に示されるように、剥離防止膜8はリング状に形成されている。
剥離防止膜8は、図3(b)に示されるように、固体電解質膜5上および多孔質金属IC膜7上を全面的に覆うように形成されてもよい。この場合、剥離防止膜8は多孔質アルミナ膜のような多孔質酸化物膜によって形成される。あるいは、図3(c)に示されるように、リング状のスリットの入った剥離防止膜8を形成してもよい。また、図3(d)に示されるように、剥離防止膜8の適宜個所に丸穴を設けるようにしてもよい。図3(c)、(d)に示されるように形成される場合には、剥離防止膜8は多孔質膜で形成されることが好ましい。
剥離防止膜8は、少なくとも異種の膜の接続部の露出部上を覆うように形成される。そして、少なくとも発電部上では多孔質膜とすることが好ましい。
FIG. 3A is a perspective view showing a state of the cell portion after the peeling prevention film 8 is formed. As shown in FIG. 3A, the peeling prevention film 8 is formed in a ring shape.
As shown in FIG. 3B, the peeling prevention film 8 may be formed so as to cover the entire surface of the solid electrolyte film 5 and the porous metal IC film 7. In this case, the peeling prevention film 8 is formed of a porous oxide film such as a porous alumina film. Alternatively, as shown in FIG. 3C, an anti-peeling film 8 having a ring-shaped slit may be formed. Further, as shown in FIG. 3D, a round hole may be provided at an appropriate location of the peeling prevention film 8. When formed as shown in FIGS. 3C and 3D, the peeling prevention film 8 is preferably formed of a porous film.
The peeling prevention film 8 is formed so as to cover at least the exposed part of the connection part of different kinds of films. And it is preferable to set it as a porous film at least on an electric power generation part.
[第2の実施の形態]
図4は、本発明の第2の実施の形態のセル接続部の状態を示す断面図である。図4において、図1に示される第1の実施の形態の部分と同等の部分には同一の参照番号が伏せられているので、重複する説明は適宜省略する。本実施の形態においては、多孔質金属IC膜2−7間に配置される中間IC膜が、緻密金属IC膜4a、中間多孔質金属IC膜4b、緻密金属IC膜4cの3層構造になされる。このように、緻密金属IC膜を2層に分け、間に緩衝層となる多孔質金属IC膜4bを挿入することにより発生する内部応力をより低く抑えることができる。
3層構造の中間IC膜の全ての層をLaCrO3などの導電性酸化物によって形成してもよい。あるいは、上2層若しくは上1層のみを導電性酸化物によって構成するようにしてもよい。NiCrAlYによって下層の緻密膜を形成しLaCrO3によって上層の緻密膜を形成する場合には、燃料電極側を耐還元性の高い材料とし空気電極側を耐酸化性の高い材料とすることができ、より耐久性の高いインターコネクタを実現することができる。
中間IC膜の最上層をNiCrAlYなどの耐熱性合金で形成するとき、これを図2(d)に示されるIC用緻密金属箔4Aによって形成するようにしてもよい。
緻密金属IC膜4aおよび4cは、セル間の抵抗値を低く抑えるため気密性が確保できる範囲で出来るだけ薄く抑えることが望ましい。この観点から10μm以上200μm以下の膜厚に選定される。また、中間IC膜(4a〜4c)の大きさ(面積)は、セル間接続抵抗の許容される範囲内で極力小さく形成される。
[Second Embodiment]
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a state of the cell connection portion according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 4, the same reference numerals are given to the same parts as those of the first embodiment shown in FIG. In the present embodiment, the intermediate IC film disposed between the porous metal IC films 2-7 has a three-layer structure of the dense metal IC film 4a, the intermediate porous metal IC film 4b, and the dense metal IC film 4c. The Thus, the internal stress generated by dividing the dense metal IC film into two layers and inserting the porous metal IC film 4b serving as a buffer layer between them can be suppressed to a lower level.
All layers of the three-layer structure intermediate IC film may be formed of a conductive oxide such as LaCrO 3 . Alternatively, only the upper two layers or the upper one layer may be made of a conductive oxide. In the case of forming a lower dense film with NiCrAlY and an upper dense film with LaCrO 3 , the fuel electrode side can be a highly reducing material and the air electrode side can be a highly oxidizing material. A more durable interconnector can be realized.
When the uppermost layer of the intermediate IC film is formed of a heat resistant alloy such as NiCrAlY, it may be formed by the dense metal foil 4A for IC shown in FIG. 2 (d).
The dense metal IC films 4a and 4c are desirably kept as thin as possible within a range in which airtightness can be secured in order to keep the resistance value between cells low. From this viewpoint, the film thickness is selected from 10 μm to 200 μm. Further, the size (area) of the intermediate IC film (4a to 4c) is formed as small as possible within the allowable range of the inter-cell connection resistance.
[第3の実施の形態]
図5(a)、(b)は、本発明の第3の実施の形態のセル接続部の状態を示す断面図である。図5において、図1、図4に示される第1、第2の実施の形態の部分と同等の部分には同一の参照番号が伏せられているので、重複する説明は適宜省略する。
本実施の形態の第1、第2の実施の形態と相違する点は、中間IC膜(4;4a〜4c)の周辺部上を覆うように、固体電解質膜5上に補助拘束膜9が形成されていることである。補助拘束膜9は、例えば多孔質アルミナ膜などによって形成されるものであり、酸化物のような合金より熱膨張係数の小さい材料によって形成されるものである。この構造によれば、中間IC膜は、固体電解質膜5に加えて補助拘束膜9によっても上から押さえ付けられることになり、運転・休止の繰り返しにより高温・常温の温度サイクルが加えられても容易には剥離しないインターコネクタ構造を実現することができる。
[Third Embodiment]
FIGS. 5A and 5B are cross-sectional views showing the state of the cell connection portion according to the third embodiment of the present invention. In FIG. 5, the same reference numerals are concealed in the same parts as the parts of the first and second embodiments shown in FIGS. 1 and 4, and thus the overlapping description is omitted as appropriate.
The difference of the present embodiment from the first and second embodiments is that an auxiliary constraining film 9 is formed on the solid electrolyte film 5 so as to cover the periphery of the intermediate IC film (4; 4a to 4c). It is formed. The auxiliary constraining film 9 is formed of, for example, a porous alumina film, and is formed of a material having a smaller thermal expansion coefficient than an alloy such as an oxide. According to this structure, the intermediate IC film is pressed from above by the auxiliary constraining film 9 in addition to the solid electrolyte film 5, and even if a high temperature / normal temperature cycle is applied due to repeated operation and suspension. An interconnector structure that does not easily peel off can be realized.
図6(a)は、本実施の形態のSOFCを製造する工程において、補助拘束膜9の成膜工程の終了した段階での状態を示す斜視図である。同図に示されるように、本実施の形態においては、緻密金属IC膜4(4c)と補助拘束膜9とはリング状に形成されている。
補助拘束膜9は、図6(b)、(c)に示されるように、1本の連続膜として形成し、適宜個所に、インターコネクタ接続用の円形状ないし短冊状の窓を開けるようにしてもよい。図6(b)、(c)に示す状態に形成する場合、緻密金属IC膜4(4c)は、リング状に連続的に形成してもよいが、円形状ないし短冊状に不連続に形成してもよい。
FIG. 6A is a perspective view showing a state at the stage where the film formation process of the auxiliary restraint film 9 is completed in the process of manufacturing the SOFC of the present embodiment. As shown in the figure, in the present embodiment, the dense metal IC film 4 (4c) and the auxiliary restraining film 9 are formed in a ring shape.
As shown in FIGS. 6B and 6C, the auxiliary restraint film 9 is formed as one continuous film, and a circular or strip-like window for interconnector connection is opened at an appropriate place. May be. When formed in the state shown in FIGS. 6B and 6C, the dense metal IC film 4 (4c) may be formed continuously in a ring shape, but discontinuously formed in a circular shape or a strip shape. May be.
図7は、本発明の実施例1の断面図である。図7は、本来左右に並べられるべき図が上下2段に記載されている。本来は、上段図の波線と下段図の波線とが対向するように配置さるべき図面である。基体管1は、NiCrAlYの溶射膜からなる膜厚350μmの多孔質合金膜1aとアルミナの溶射膜からなる膜厚250μmの多孔質セラミック膜とにより形成されている。基体管1の外径は20mmφ、長さは200mmである。
NiCrAlYの溶射により、基体管1の両端部に、端子多孔質膜10aと端子緻密膜10bからなる端子10を形成し、続いてNiCrAlYの溶射により多孔質金属IC膜2を形成し、さらにNiCrAlYの溶射によりセルと端子10との接続部であるリード緻密膜11と緻密金属IC膜4とを形成した。次いで、NiOの溶射により燃料電極3を形成し、続いてYSZの溶射により固体電解質膜5を形成した。さらに、LaMnO3の溶射により空気電極6を形成し、これを覆うようにNiCrAlYの溶射により多孔質金属IC膜7を形成した。その後、アルミナ緻密膜からなる保護膜12を溶射により形成し、最後にアルミナの溶射により、多孔質の剥離防止膜8を形成して、3セルからなる横縞円筒型SOFC100を製作した。
FIG. 7 is a cross-sectional view of the first embodiment of the present invention. In FIG. 7, the drawings that should be arranged side by side are described in two upper and lower stages. Originally, it should be arranged so that the wavy line in the upper diagram and the wavy line in the lower diagram are opposed to each other. The base tube 1 is formed of a 350 μm thick porous alloy film 1 a made of a NiCrAlY sprayed film and a 250 μm thick porous ceramic film made of an alumina sprayed film. The outer diameter of the base tube 1 is 20 mmφ and the length is 200 mm.
A terminal 10 comprising a terminal porous film 10a and a terminal dense film 10b is formed on both ends of the base tube 1 by thermal spraying of NiCrAlY, and subsequently a porous metal IC film 2 is formed by thermal spraying of NiCrAlY. A dense lead film 11 and a dense metal IC film 4 which are connection portions between the cell and the terminal 10 were formed by thermal spraying. Next, the fuel electrode 3 was formed by spraying NiO, and then the solid electrolyte membrane 5 was formed by spraying YSZ. Further, an air electrode 6 was formed by spraying LaMnO 3, and a porous metal IC film 7 was formed by spraying NiCrAlY so as to cover it. Thereafter, a protective film 12 made of an alumina dense film was formed by thermal spraying, and finally, a porous peeling prevention film 8 was formed by thermal spraying of alumina to produce a horizontal stripe cylindrical SOFC 100 consisting of 3 cells.
図9は、実施例1により得られたSOFCの無負荷試験結果を示すグラフである。横軸は915℃にまで温度が上昇した後の経過時間である。温度は915℃一定に維持された。図から分かるように電圧は時間経過と共に僅かながら上昇する。これは時間経過と共に緻密金属IC膜4のガスタイト性(気密性)が上昇した結果であると推察される。単セル当りの電圧は、990時間経過後約1.047Vと高い値が得られており、ガス漏れのない優れた特性のSOFCが実現できた。
図10は、実施例1により得られたSOFCの負荷試験結果を示すグラフである。温度は915℃一定である。
従来、高温固体燃料電池はSOFCの呼び名からも分かるように酸化物(セラミック)を主体として形成されていたが、本実施例は、セラミックより安価な材料である合金を主として用いて形成されており、従来の高温固体燃料電池がセラミック系であるのに対し、本発明に係るものは合金系高温固体燃料電池と呼ぶことができる。
FIG. 9 is a graph showing the SOFC no-load test results obtained in Example 1. The horizontal axis is the elapsed time after the temperature rose to 915 ° C. The temperature was kept constant at 915 ° C. As can be seen from the figure, the voltage increases slightly over time. This is presumed to be a result of an increase in gas tightness (air tightness) of the dense metal IC film 4 over time. The voltage per unit cell was as high as about 1.047V after 990 hours, and an excellent SOFC with no gas leakage was realized.
FIG. 10 is a graph showing the SOFC load test results obtained in Example 1. The temperature is constant at 915 ° C.
Conventionally, high-temperature solid fuel cells have been formed mainly from oxides (ceramics) as can be seen from the name of SOFC, but this embodiment is formed mainly using alloys that are cheaper materials than ceramics. The conventional high-temperature solid fuel cell is a ceramic type, whereas the one according to the present invention can be called an alloy-type high-temperature solid fuel cell.
図8は、本発明の実施例2の断面図である。図8は、本来左右に並べられるべき図が上下2段に記載されている。本来は、上段図の波線と下段図の波線とが対向するように配置さるべき図面である。基体管1には、外径が20mmφ、長さ200mmのセラミック管を用いた。まず、NiCrAlYの溶射により多孔質金属IC膜2を形成し、さらに同じくNiCrAlYの溶射により緻密金属IC膜4と端子リード13の一部となる端子リード緻密膜13aとを形成した。次いで、NiOの溶射により燃料電極4を形成し、続いてYSZの溶射により固体電解質膜5を形成した。さらに、LaMnO3の溶射により空気電極6を形成し、これを覆うようにNiCrAlYの溶射により多孔質金属IC膜7を形成し、また基体管1の端部に端子リード13の一部となる端子リード多孔質膜13bを形成した。その後、アルミナ緻密膜からなる保護膜12を溶射により形成し、最後にアルミナの溶射により、多孔質の剥離防止膜8を形成して、3セルからなる横縞円筒型SOFC100を製作した。 FIG. 8 is a cross-sectional view of Embodiment 2 of the present invention. In FIG. 8, the drawings that should be arranged side by side are described in two upper and lower stages. Originally, it should be arranged so that the wavy line in the upper diagram and the wavy line in the lower diagram are opposed to each other. The base tube 1 was a ceramic tube having an outer diameter of 20 mmφ and a length of 200 mm. First, the porous metal IC film 2 was formed by spraying NiCrAlY, and the dense metal IC film 4 and the terminal lead dense film 13a which becomes a part of the terminal lead 13 were also formed by spraying NiCrAlY. Next, the fuel electrode 4 was formed by spraying NiO, and then the solid electrolyte membrane 5 was formed by spraying YSZ. Further, the air electrode 6 is formed by spraying LaMnO 3, the porous metal IC film 7 is formed by spraying NiCrAlY so as to cover the air electrode 6, and the terminal which becomes a part of the terminal lead 13 at the end of the base tube 1 A lead porous film 13b was formed. Thereafter, a protective film 12 made of an alumina dense film was formed by thermal spraying, and finally, a porous peeling prevention film 8 was formed by thermal spraying of alumina to produce a horizontal stripe cylindrical SOFC 100 consisting of 3 cells.
1 基体管
1a 多孔質合金膜
1b 多孔質セラミック膜
2、7 多孔質金属IC膜
3 燃料電極
4、4a、4c 緻密金属IC膜
4A IC用緻密金属箔
4b 中間多孔質金属IC膜
5 固体電解質膜
6 空気電極
9 補助拘束膜
10 端子
10a 端子多孔質膜
10b 端子緻密膜
11 リード緻密膜
12 保護膜
13 端子リード
13a 端子リード緻密膜
13b 端子リード多孔質膜
50 多孔質セラミック基体管
51、56 緻密セラミック膜
52 燃料電極
53 固体電解質膜
54 インターコネクタ
55 端子リード
57 空気電極
58 リード線
59 セラミックエンドキャップ
100、200 横縞円筒型SOFC
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Base tube 1a Porous alloy film 1b Porous ceramic film 2, 7 Porous metal IC film 3 Fuel electrode 4, 4a, 4c Dense metal IC film 4A Dense metal foil for IC 4b Intermediate porous metal IC film 5 Solid electrolyte film 6 Air electrode 9 Auxiliary restraint membrane 10 Terminal 10a Terminal porous membrane 10b Terminal dense membrane 11 Lead dense membrane 12 Protective membrane 13 Terminal lead 13a Terminal lead dense membrane 13b Terminal lead porous membrane 50 Porous ceramic substrate tube 51, 56 Dense ceramic Membrane 52 Fuel Electrode 53 Solid Electrolyte Membrane 54 Interconnector 55 Terminal Lead 57 Air Electrode 58 Lead Wire 59 Ceramic End Cap 100, 200 Horizontally Striped Cylindrical SOFC
Claims (15)
3. The solid electrolyte membrane covers the single dense conductive film or the upper dense conductive film, exposing a connection portion with the second porous interconnector film. The cylindrical fuel cell as described.
14. The cylindrical fuel cell according to claim 13 , wherein the heat resistant alloy membrane tube is made of NiCrAlY.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003388532A JP3914990B2 (en) | 2003-11-18 | 2003-11-18 | Cylindrical fuel cell |
US10/989,419 US7566509B2 (en) | 2003-11-18 | 2004-11-17 | Tubular fuel cell and method of producing the same |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003388532A JP3914990B2 (en) | 2003-11-18 | 2003-11-18 | Cylindrical fuel cell |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2005149995A JP2005149995A (en) | 2005-06-09 |
JP3914990B2 true JP3914990B2 (en) | 2007-05-16 |
Family
ID=34695564
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2003388532A Expired - Lifetime JP3914990B2 (en) | 2003-11-18 | 2003-11-18 | Cylindrical fuel cell |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3914990B2 (en) |
Families Citing this family (18)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4761104B2 (en) * | 2004-05-13 | 2011-08-31 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | Cylindrical fuel cell |
US7566509B2 (en) | 2003-11-18 | 2009-07-28 | National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology | Tubular fuel cell and method of producing the same |
JP4794233B2 (en) * | 2005-07-27 | 2011-10-19 | 京セラ株式会社 | Hollow flat plate fuel cell and fuel cell |
JP5132879B2 (en) * | 2005-11-30 | 2013-01-30 | 京セラ株式会社 | Horizontal stripe fuel cell and fuel cell |
JP5214227B2 (en) * | 2007-11-29 | 2013-06-19 | 東京瓦斯株式会社 | Horizontally-striped solid oxide fuel cell stack and manufacturing method thereof |
JP5080951B2 (en) * | 2007-11-30 | 2012-11-21 | 京セラ株式会社 | Horizontal stripe fuel cell stack and fuel cell |
JP5281390B2 (en) * | 2008-12-26 | 2013-09-04 | 三菱重工業株式会社 | Solid oxide fuel cell |
JP5241663B2 (en) * | 2009-09-14 | 2013-07-17 | 京セラ株式会社 | Solid electrolyte fuel cell stack, bundle and fuel cell |
JP2012038701A (en) * | 2010-07-15 | 2012-02-23 | Ngk Insulators Ltd | Fuel cell structure |
JP2012038583A (en) * | 2010-08-06 | 2012-02-23 | Ngk Insulators Ltd | Structure of fuel cell |
JP5334327B2 (en) * | 2010-08-06 | 2013-11-06 | 日本碍子株式会社 | Fuel cell structure |
JP5173052B1 (en) * | 2011-10-25 | 2013-03-27 | 日本碍子株式会社 | Fuel cell stack structure |
JP5916013B2 (en) * | 2012-05-29 | 2016-05-11 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 | Multi-stage electrochemical reactor |
CN103311558B (en) | 2013-05-30 | 2015-09-30 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | Galvanic pile array in a kind of solid oxide fuel cell power generating system |
JP2016122545A (en) * | 2014-12-24 | 2016-07-07 | 三菱日立パワーシステムズ株式会社 | Solid oxide type fuel battery and manufacturing method for the same |
JP6839926B2 (en) * | 2016-03-31 | 2021-03-10 | 大阪瓦斯株式会社 | Electrochemical modules, electrochemical equipment and energy systems |
JP6972307B2 (en) * | 2018-03-28 | 2021-11-24 | 京セラ株式会社 | Solid oxide fuel cell |
JP6721740B1 (en) * | 2019-02-28 | 2020-07-15 | 三菱日立パワーシステムズ株式会社 | Fuel cell stack, fuel cell module, power generation system, and method for producing fuel cell stack |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0677161U (en) * | 1993-04-07 | 1994-10-28 | 三菱重工業株式会社 | Porous tube supporting device using solid electrolyte |
JPH08106916A (en) * | 1994-10-03 | 1996-04-23 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Solid electrolyte fuel cell |
JP2002056855A (en) * | 2000-08-08 | 2002-02-22 | Mitsubishi Electric Corp | Flat fuel cell |
JP2002145658A (en) * | 2000-11-02 | 2002-05-22 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Titanium-doped lanthanum chromite based sintered compact and its production method |
-
2003
- 2003-11-18 JP JP2003388532A patent/JP3914990B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2005149995A (en) | 2005-06-09 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3914990B2 (en) | Cylindrical fuel cell | |
JP5417516B1 (en) | Fuel cell | |
US20140017597A1 (en) | Fuel cell | |
JP5646779B2 (en) | Fuel cell | |
JP5752287B1 (en) | Fuel cell | |
JP4761104B2 (en) | Cylindrical fuel cell | |
US7566509B2 (en) | Tubular fuel cell and method of producing the same | |
JP5485444B1 (en) | Fuel cell | |
JP5455271B1 (en) | Fuel cell | |
JP5116182B1 (en) | Fuel cell structure | |
JP5199218B2 (en) | Solid oxide fuel cell and manufacturing method thereof | |
JP4093321B2 (en) | Hybrid porous tube | |
JP5455267B1 (en) | Fuel cell | |
JP2013257973A (en) | Solid oxide fuel cell stack | |
JP5455268B1 (en) | Fuel cell | |
JP5985160B2 (en) | Fuel cell structure | |
JP5895112B1 (en) | Fuel cell | |
JP2016048676A (en) | Fuel cell | |
JP5062786B1 (en) | Fuel cell structure | |
JP5501299B2 (en) | Fuel cell structure | |
JP5620785B2 (en) | Fuel cell | |
JP4513396B2 (en) | Solid oxide fuel cell | |
JP2001196083A (en) | Solid electrolyte fuel cell | |
JP5455266B1 (en) | Fuel cell | |
JP5895113B1 (en) | Fuel cell |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20050502 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20060825 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20060905 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20061101 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20061205 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20061206 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20070109 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 3914990 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
EXPY | Cancellation because of completion of term |