JPH06325787A - Solid oxide fuel cell - Google Patents

Solid oxide fuel cell

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JPH06325787A
JPH06325787A JP5110693A JP11069393A JPH06325787A JP H06325787 A JPH06325787 A JP H06325787A JP 5110693 A JP5110693 A JP 5110693A JP 11069393 A JP11069393 A JP 11069393A JP H06325787 A JPH06325787 A JP H06325787A
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JP
Japan
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electrolyte
fuel
cells
electrode
cell
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JP5110693A
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Toshio Matsushima
敏雄 松島
Isao Nemoto
勲 根本
Toshitaka Yumiba
利恭 弓場
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NTT Inc
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、従来の平板型SOFCが抱えてい
る、多層積層が難しく、セルの大形化の望みも少なく、
さらに各セル間の電気的な接触の確保が難しいために内
部抵抗の低減が困難で発電特性が不良であるという問題
点の解決を図ったSOFCの実現を目的としている。 【構成】 本発明は、酸素イオン導伝性物質とプロトン
導伝性物質を電解質に用いて2種類のSOFC単セルを
形成し、所定の出力を有するSOFCモジュールの組立
てにあたって、前記の2種類の電解質を使用して形成さ
れたセルを交互に配設し、この際に同一の機能を持った
電極面が向き合うように配置し、セル自身に発電ととも
に2種類のガスの分離機能を持たせたことを特徴として
いる。
(57) [Summary] [Objective] The present invention has a difficulty in multilayer stacking, which is a problem of conventional flat plate SOFCs, and there is little hope of enlarging cells.
Further, it is an object to realize an SOFC that solves the problem that it is difficult to reduce the internal resistance because it is difficult to secure electrical contact between the cells and the power generation characteristics are poor. According to the present invention, two kinds of SOFC single cells are formed by using an oxygen ion conductive material and a proton conductive material as electrolytes, and when assembling an SOFC module having a predetermined output, the above two kinds of SOFC modules are assembled. The cells formed by using the electrolyte were alternately arranged, and at this time, the electrode surfaces having the same function were arranged so as to face each other, and the cell itself had a power generation function and a separation function of two kinds of gas. It is characterized by that.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、固体電解質型燃料電池
の発電セルとその組み立て方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solid oxide fuel cell power generating cell and a method for assembling the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】固体電解質型燃料電池(以下、SOF
C)は、文字通り電解質材料に固体物質を用いた燃料電
池である。電解質内の電荷移動担体は物質によって酸素
イオンとプロトンのいずれかであるが、このような固体
物質内におけるイオンの移動のし易さは、低温では小さ
いので、800℃〜1000℃という高い温度で運転さ
れる。従って、必然的に2つの電極材料にも耐高温性が
要求され、SOFCでは燃料電池の構成材料の全てが、
このような高温での使用が可能な材料からできている。
一方、ここで使用される電解質内におけるイオンの移動
のし易さは高温にすることで大きくなるが、それだけで
は充分ではなく実用的な発電特性を得るためには電解質
を薄くし、この部分の電圧降下を低減しなければならな
い。
2. Description of the Related Art Solid oxide fuel cells (hereinafter referred to as SOF)
C) is a fuel cell that literally uses a solid substance as an electrolyte material. The charge transfer carrier in the electrolyte is either an oxygen ion or a proton depending on the substance, but the ease of ion movement in such a solid substance is small at low temperatures, so at high temperatures of 800 ° C to 1000 ° C. Be driven. Therefore, high temperature resistance is inevitably required for the two electrode materials, and in SOFC, all the constituent materials of the fuel cell are
It is made of a material that can be used at such a high temperature.
On the other hand, the easiness of ion migration in the electrolyte used here increases when the temperature is raised, but this is not enough, and the electrolyte is made thinner to obtain practical power generation characteristics. The voltage drop must be reduced.

【0003】図5は、従来作製されてきている、いわゆ
る平板型と称されるSOFCの構造を模式的に示したも
のである。
FIG. 5 schematically shows the structure of a so-called flat plate type SOFC which has been conventionally manufactured.

【0004】図5(a)は電解質に機械的強度を持たせ
た自立型、図5(b)は一方の電極に強度を持たせてセ
ルを形成する自己支持型である。本図において1は単位
発電セル、2は固体電解質、3は酸化剤極、4は燃料
極、5はインタコネクタ、6は酸化剤極基板、7は燃料
電極基板、8は燃料通路、9は酸化剤通路である。従来
は、固体電解質材料として、酸素イオンの導伝体を使用
することが多く、この場合、固体電解質2はイットリア
安定化ジルコニア(YSZ)、酸化剤極3は、La1-X
SrXMnO3、燃料極4にはニッケルジルコニアサーメ
ットといった材料が使用されている。
FIG. 5 (a) is a self-supporting type in which the electrolyte has mechanical strength, and FIG. 5 (b) is a self-supporting type in which one electrode has strength to form a cell. In the figure, 1 is a unit power generation cell, 2 is a solid electrolyte, 3 is an oxidizer electrode, 4 is a fuel electrode, 5 is an interconnector, 6 is an oxidizer electrode substrate, 7 is a fuel electrode substrate, 8 is a fuel passage, and 9 is It is an oxidant passage. Conventionally, an oxygen ion conductor is often used as a solid electrolyte material. In this case, the solid electrolyte 2 is yttria-stabilized zirconia (YSZ), and the oxidizer electrode 3 is La 1 -X.
Materials such as Sr X MnO 3 and nickel zirconia cermet are used for the fuel electrode 4.

【0005】また、5のインタコネクタは電子伝導性を
持った緻密体でガスの透過性がなく、かつ、酸化雰囲気
と還元雰囲気のいずれにおいても物性が安定しているこ
とが要求され、これに適した材料として、LaCr(C
a)O3系物質が使用されている。このように従来のS
OFCは異種の物質の焼結体で構成され、なおかつ、発
電部の構造としては電解質を極めて薄い層として形成す
るので従来例の(a)における単位発電セル1は薄い板
状のものになる。これは、YSZの抵抗値を考えると自
明であり、YSZの抵抗は1000℃においても約10
Ωcmであるため、YSZの厚みを1mmとすると1c
2あたり1Aの通電で1Vの電圧降下が生じてしま
い、これだけで起電力(約1V)相当分の電圧降下が起
きる。従って、電圧降下を抑制し、所定の出力電圧を確
保するためにYSZは1mm以下の非常に薄い膜とする
必要がある。
Further, the interconnector of 5 is required to be a dense body having electronic conductivity, have no gas permeability, and have stable physical properties in both an oxidizing atmosphere and a reducing atmosphere. As a suitable material, LaCr (C
a) O 3 based substances are used. In this way, the conventional S
The OFC is composed of a sintered body of different kinds of materials, and since the electrolyte is formed as an extremely thin layer in the structure of the power generation section, the unit power generation cell 1 in the conventional example (a) has a thin plate shape. This is obvious considering the resistance value of YSZ, and the resistance of YSZ is about 10 even at 1000 ° C.
Since it is Ωcm, if the thickness of YSZ is 1 mm, it is 1c.
A voltage drop of 1 V occurs at a current of 1 A per m 2 , and this alone causes a voltage drop corresponding to the electromotive force (about 1 V). Therefore, in order to suppress the voltage drop and secure a predetermined output voltage, YSZ needs to be a very thin film of 1 mm or less.

【0006】このようにSOFCの出力は、セル1個あ
たりで開路電圧が1V足らずであり、発電時の電流は、
500〜1000mA/cm2であるので、所定の出力
電圧と電流を得るためには、反応面積の拡大と単位発電
セルの積層を行わなければならない。従って、図5
(a)における方式では、所定の電極面積のセルを必要
な枚数だけ積み重ねる必要がある。しかし、さきにも述
べたように、SOFCを形成する材料は全てがセラミッ
クス系の材料であり、先にも述ベた薄いセルに荷重をか
けると破損する恐れがあり、積層のためには荷重に制限
が生じる。従って、このような条件でたとえ破損せずに
積層化が行えたとしても、各セル間の接触部の状況は電
気抵抗の低減という観点から見ると必ずしも良好という
ことにはならない(固体表面同士の接触でありミクロ的
には点接触の集合。)。即ち、単位発電セル1は性能の
向上を図るためにできるだけ薄く構成され、必ずしもこ
のような圧接に耐えるに充分な機械的な強度は有してい
ないので、インタコネクタ5と単位発電セル1を強く圧
接することが困難である。このような積層時の困難さは
セルの大型化に伴って増大する。
As described above, the output of the SOFC has an open circuit voltage of less than 1 V per cell, and the current during power generation is
Since it is 500 to 1000 mA / cm 2 , in order to obtain a predetermined output voltage and current, it is necessary to expand the reaction area and stack the unit power generation cells. Therefore, FIG.
In the method of (a), it is necessary to stack the required number of cells having a predetermined electrode area. However, as mentioned earlier, all the materials that form the SOFC are ceramic materials, and there is a risk of damage when a load is applied to the thin cells described above. Will be restricted. Therefore, even if the layers can be laminated without damage under such conditions, the condition of the contact portion between the cells is not necessarily good from the viewpoint of reducing the electrical resistance (solid surfaces are not Micro contact is a set of point contacts.) That is, the unit power generation cell 1 is configured as thin as possible in order to improve the performance, and does not necessarily have sufficient mechanical strength to withstand such pressure contact. Difficult to press. Such difficulty in stacking increases as the cell size increases.

【0007】一方、図5(b)は、例えば燃料電極の材
料によって基板7を作製し、これにセルを形成したもの
である。そして、このような単位発電セル1をインタコ
ネクタ層5を形成した、溝付きの酸化剤極基板6を介し
て積層することで所定の出力を持ったSOFCモジュー
ルが構成される。(b)の方式においては、単位発電セ
ル1が燃料電極基板7上に形成されるため、セルそのも
のの強度は(a)の方式に比べて大きくなり積層に対す
る機械的強度は改善されている。しかし、積層にあたっ
ては各部品の電気的な接触を充分行わせる必要がある点
は同じであり、このような点から見るとやはり、セラミ
ックス系材料の固体部品を精度良く接触させることには
自ら限界があり、積層がなしえたとしても必ずしもその
性能は良好では無かった。
On the other hand, FIG. 5 (b) shows a substrate 7 made of, for example, the material of the fuel electrode, and cells formed therein. An SOFC module having a predetermined output is formed by stacking such unit power generation cells 1 via the oxidant electrode substrate 6 having a groove in which the interconnector layer 5 is formed. In the method of (b), since the unitary power generation cell 1 is formed on the fuel electrode substrate 7, the strength of the cell itself is larger than that of the method of (a), and the mechanical strength against stacking is improved. However, it is the same in that it is necessary to make sufficient electrical contact between the components when stacking, and from this point of view, too, there is a limit to the precision contact of solid components made of ceramic materials. However, the performance was not always good even if the layers could be formed.

【0008】このような問題は、電流の向きがセルの積
層方向と同一となり、なおかつ、セル間にガス不透過性
で電子伝導性のみを有するインタコネクタを配置して各
セル間を2つに完全に分割し2種のガスの流路を形成し
なければならないという、平板型セルに共通のものであ
る。そして、この問題は、電流の流れる向きがセルの積
層方向と同一になる方式を採っている限り付随し、また
解決不可能なものである。
Such a problem is that the direction of current flow is the same as the stacking direction of cells, and gas-impermeable and electron-conductive only interconnectors are arranged between cells to form two cells between each cell. It is common to the flat plate type cell that it must be completely divided to form two kinds of gas flow paths. And, this problem is accompanied and cannot be solved as long as the direction in which the current flows is the same as the cell stacking direction.

【0009】以上は、酸素イオン導伝性のYSZ電解質
の例で述べてきたが、電解質の材料にプロトン導伝性物
質を用いても本質的に存在する間題である。
The above description has been made with reference to the example of the oxygen ion conductive YSZ electrolyte, but this is an essential problem even if a proton conductive substance is used as the material of the electrolyte.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来の平板
型SOFCが抱えている、多層積層が難しく、セルの大
形化の望みも少なく、さらに各セル間の電気的な接触の
確保が難しいために内部抵抗の低減が困難で発電特性が
不良であるという問題点の解決を図ったSOFCの実現
を目的としている。
SUMMARY OF THE INVENTION According to the present invention, the conventional flat plate type SOFC has difficulty in multi-layer stacking, there is little hope of making the cells larger, and moreover, electrical contact between the cells can be ensured. The purpose is to realize an SOFC that solves the problems that it is difficult to reduce the internal resistance and the power generation characteristics are poor.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】本発明の特徴は、酸素イ
オン導伝性物質とプロトン導伝性物質を電解質に用いて
2種類のSOFC単セルを形成し、所定の出力を有する
SOFCモジュールの組立てにあたって、前記の2種類
の電解質を使用して形成されたセルを交互に配設し、こ
の際に同一の機能を持った電極面が向き合うように配置
し、セル自身に発電とともに2種類のガスの分離機能を
持たせたことを特徴としている。
The feature of the present invention is to provide an SOFC module having two types of SOFC unit cells, each of which has an oxygen ion conductive substance and a proton conductive substance as an electrolyte and which has a predetermined output. Upon assembly, cells formed by using the above-mentioned two types of electrolytes are alternately arranged, and at this time, the electrode surfaces having the same function are arranged so as to face each other, and two types of cells are generated together with power generation in the cell itself. It is characterized by having a gas separation function.

【0012】[0012]

【作用】従来のSOFCにおいては、電荷移動担体が酸
素イオン導伝性物質かプロトン導伝性物質かどちらか一
方を電解質材料に選定し、これによって形成したセルを
積層して発電モジュールを作製しており、本発明のよう
に、電荷移動担体が異なる電解質材料で形成した2種類
のセルを使用し、かつ各セルを本発明のように配置する
ような例はない。
In the conventional SOFC, either the oxygen ion conductive material or the proton conductive material is selected as the electrolyte material for the charge transfer carrier, and the cells thus formed are stacked to produce a power generation module. However, there is no example of using two types of cells in which charge transfer carriers are formed of different electrolyte materials as in the present invention and arranging each cell as in the present invention.

【0013】[0013]

【実施例】図1は、本発明で使用するSOFC単セルの
構造を模式的に示したものである。図1(a)は、酸素
イオン導伝体を電解質材料に用いた単セル27、また、
図1(b)はプロトン導伝体を電解質材料に使用した単
セル27’の構造を模式的に示したものである。図1に
おいて20、23は固体電解質、21、24は燃料電
極、22、25は酸化剤電極である。この図において、
セルを所定の温度に保ち、各電極に燃料(例えば水素)
と酸化剤(例えば空気)を供給すると、各電解質におい
て、(a)では酸素イオン、また(b)では水素イオン
の移動がおこり、これによって外部に電流を取りだすこ
とができる。なお両者においては、電荷の担体が異なる
ために各イオンの流れる向きは逆になっているが、外部
に流れる電流の向きはいずれのセルにおいても同一とな
る。
EXAMPLES FIG. 1 schematically shows the structure of an SOFC single cell used in the present invention. FIG. 1A shows a single cell 27 using an oxygen ion conductor as an electrolyte material,
FIG. 1 (b) schematically shows the structure of a single cell 27 'in which a proton conductor is used as an electrolyte material. In FIG. 1, 20 and 23 are solid electrolytes, 21 and 24 are fuel electrodes, and 22 and 25 are oxidizer electrodes. In this figure,
Keeping the cell at a given temperature, fuel (eg hydrogen) on each electrode
When an oxidant (for example, air) is supplied, oxygen ions move in (a) and hydrogen ions move in (b) in each electrolyte, whereby an electric current can be taken out to the outside. It should be noted that in both the directions of flow of the respective ions are opposite because of different charge carriers, but the direction of current flowing to the outside is the same in any cell.

【0014】次に、このような2種類の単位セルによっ
て、所定の出力を持つ発電モジュールを形成する際の、
各セルの配置について示す。図2は、本発明の発電モジ
ュールにおけるセル配置である。図2において、単セル
の27と単セル27’は交互に配置され、このとき各セ
ルの燃料電極21と24、及び酸化剤電極22と25は
対向するようになっている。このような配置法にするこ
とによって、各セル27、27’とセルホルダで形成さ
れる空間部をそのままガスの供給路とすることができ、
各単セルの組み立てによって2種類のガスの流路をも形
成することができる。なお、この単セル配置において、
セル間に集電体を配置した後の各セルの電気的な接続状
況も図2中に併記したが、集電体の使用によって2個が
並列になったセルを直列に接続された状態として使用す
ることができる。
Next, when forming a power generation module having a predetermined output by using such two types of unit cells,
The arrangement of each cell is shown below. FIG. 2 is a cell arrangement in the power generation module of the present invention. In FIG. 2, the unit cells 27 and the unit cells 27 'are arranged alternately, and at this time, the fuel electrodes 21 and 24 and the oxidant electrodes 22 and 25 of each cell face each other. By adopting such an arrangement method, the space formed by each cell 27, 27 'and the cell holder can be used as it is as a gas supply path,
By assembling each single cell, two kinds of gas flow paths can be formed. In this single cell arrangement,
The electrical connection status of each cell after the current collectors are arranged between the cells is also shown in FIG. 2, but it is assumed that two cells in parallel due to the use of the current collector are connected in series. Can be used.

【0015】次に、本発明のセル・モジュールを形成す
る際の具体的な実施例について述べる。
Next, concrete examples for forming the cell module of the present invention will be described.

【0016】酸素イオン導伝体を電解質材料に用いた単
セルの作製例 さきに述べたように電解質材料のイオン導伝性は、90
0〜1000℃においても必ずしも充分ではない。従っ
て、セルの発電特性を阻害しないためには、電解質層は
極力薄い膜状に形成することが望ましい。しかし、薄膜
化を行なうと、電解質自身で2つの電極を支える、いわ
ゆる自立型のセルの形成は困難である。そこで、ここで
は電極をセルの支持体とする自己支持型の方式で形成し
た。なお、具体的には燃料電極材料でセル支持体を作製
し、作製はドクターブレード法によるシート成形法で行
なった。燃料電極材料としては、ニッケルジルコニアサ
ーメットを使用し、ニッケルの添加量としては、30〜
40体積%とし、ジルコニアとしては、イットリアが8
〜l0モル%添加されたジルコニアを使用した。なお、
ドクターブレード用のスラリーは、この粉末に下記の添
加剤を重量比で加えて調合した。
Preparation Example of Single Cell Using Oxygen Ion Conductor as Electrolyte Material As described above, the ion conductivity of the electrolyte material is 90
Even at 0 to 1000 ° C, it is not always sufficient. Therefore, in order not to impair the power generation characteristics of the cell, it is desirable that the electrolyte layer be formed as thin as possible. However, if the film is thinned, it is difficult to form a so-called self-standing cell in which the electrolyte itself supports the two electrodes. Therefore, here, the electrodes are formed by a self-supporting method in which the electrodes serve as a support for the cells. In addition, specifically, a cell support was prepared from a fuel electrode material, and the preparation was carried out by a sheet forming method by a doctor blade method. Nickel zirconia cermet is used as the fuel electrode material, and the amount of nickel added is 30 to
40% by volume, and as zirconia, yttria is 8
Zirconia added at -10 mol% was used. In addition,
A doctor blade slurry was prepared by adding the following additives in a weight ratio to the powder.

【0017】原料粉末 l00 結合剤 10〜15 可塑剤 5〜10 溶媒 200 結合材としては、ポリビニルブチラール、可塑材として
はフタル酸ブチルを、そして溶媒としてはイソプロピル
アルコールを使用した。溶媒は、イソプロピルアルコー
ル単独でも可能であるが必要に応じてトルエンも加え
た。結合剤と可塑材の量は、スラリーの性状を適切に調
節するために範囲を持たせた。また、この他にやはりス
ラリーの性状に応じて分散剤と消泡剤を少量添加した。
このような混合物を約24〜48時間ボールミルによっ
て攪拌した後、減圧下で脱気して溶媒を除去し、この後
ドクターブレード装置によってシート成形体を得た。
Raw material powder 100 Binding agent 10-15 Plasticizer 5-10 Solvent 200 Polyvinyl butyral was used as the binder, butyl phthalate was used as the plasticizer, and isopropyl alcohol was used as the solvent. The solvent can be isopropyl alcohol alone, but toluene was also added if necessary. The amount of binder and plasticizer was ranged to properly control the properties of the slurry. In addition to this, a small amount of a dispersant and an antifoaming agent was also added depending on the properties of the slurry.
Such a mixture was stirred with a ball mill for about 24 to 48 hours, degassed under reduced pressure to remove the solvent, and then a sheet molded body was obtained with a doctor blade device.

【0018】なお、同様に電解質となるシートの成形も
行なった。材料としては、サーメットを作製するために
使用した、イットリアが8〜10モル%添加されたジル
コニアであり、上と同様の配合でスラリーを調製して成
形した。
In the same manner, a sheet to be an electrolyte was also formed. The material used was zirconia containing 8 to 10 mol% of yttria, which was used to prepare a cermet, and a slurry was prepared and molded with the same composition as above.

【0019】このようなシート成形体を、所定の大きさ
に切断した後に加熱・加圧しシートの融着体を作製し
た。融着体の厚みは使用するシートの枚数を変えること
で任意に設定することができ、燃料極シートは3mm程
度の厚みとなるように多数を積層した。一方、電解質シ
ートは50〜l00μmの厚みのグリーンシートを1枚
使用した。このように作製した2種類のシートの融着体
を脱脂後、焼結し共焼結体を得た。共焼結は、1300
〜1400℃、2〜10時間の範囲の条件で行なった。
Such a sheet molded body was cut into a predetermined size and then heated and pressed to produce a fused sheet. The thickness of the fusion-bonded body can be set arbitrarily by changing the number of sheets to be used, and a large number of fuel electrode sheets were laminated so as to have a thickness of about 3 mm. On the other hand, as the electrolyte sheet, one green sheet having a thickness of 50 to 100 μm was used. The fusion-bonded body of the two types of sheets thus produced was degreased and then sintered to obtain a co-sintered body. Co-sintering is 1300
It was carried out under the conditions of -1400 ° C and 2-10 hours.

【0020】次に、このような焼結体の電解質表面に酸
化剤電極粉末スラリーを塗布し、焼結した。粉末として
は、La0.8Sr0.2MnO3を使用し、これにテレピン
油を加えてスラリー化し、スクリーン印刷後1100〜
l300℃の温度で焼き付けた。
Next, the oxidizer electrode powder slurry was applied to the electrolyte surface of such a sintered body and sintered. La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 was used as the powder, and turpentine oil was added to this to make a slurry, and after screen printing, 1100 to 100
Baked at a temperature of 300 ° C.

【0021】なお、ここでは燃料電極材による自己支持
型とし、この表面に電解質層を共焼結で作製した例を並
べたが、この理由は、この方法によればl0〜20μm
程度の緻密な膜が経済的に形成可能であるためであり、
この他にEVD法、溶射法等によって電解質層を形成す
ることもできる。また、酸化剤電極の形成にあたって
も、スラリー塗布・焼結だけではなく、この電極も含め
た3層の共焼結や溶射法によって作製することも勿諭可
能である。
Here, an example in which a self-supporting type of fuel electrode material was used and an electrolyte layer was formed on this surface by co-sintering was arranged. The reason is that according to this method, 10 to 20 μm is used.
This is because a dense film can be economically formed,
In addition to this, the electrolyte layer can be formed by an EVD method, a thermal spraying method, or the like. Further, also in forming the oxidant electrode, not only the slurry application / sintering but also the co-sintering of three layers including this electrode or the thermal spraying method can be naturally prepared.

【0022】また、自己支持体となる電極は、実施例で
は燃料電極材料で作製したが、これに代えて酸化剤電極
材料とすることも可能であり、この場合のセルの作製法
も、シート成形、EVD、溶射法等によって行なうこと
ができる。
Further, although the electrode serving as the self-supporting member was made of the fuel electrode material in the examples, it is also possible to use an oxidizer electrode material instead of the fuel electrode material. It can be performed by molding, EVD, thermal spraying, or the like.

【0023】プロトン導伝体を電解質材料に用いた単セ
ルの作製例 このセルにおいても、セルの発電特性を阻害させないた
めには、電解質の薄膜化が必須である。そこで、ここで
も自己支持型のセル構成とし、支持体には電極として実
績のある酸化剤極材料を使用した。
Production Example of Single Cell Using Proton Conductor as Electrolyte Material Also in this cell, in order not to impair the power generation characteristics of the cell, thinning of the electrolyte is essential. Therefore, a self-supporting cell structure is used here as well, and an oxidizer electrode material that has a proven track record as an electrode is used for the support.

【0024】具体的には、La0.8Sr0.2MnO3を使
用し、先の例と同様な配合比によってスラリーを調製
し、シート成形した。このシートを所定枚数だけ加熱・
加圧し、1100〜1300℃の温度で焼結し、多孔度
20〜30%の焼結体を作製した。この焼結体をセルの
支持体とし電解質と燃料電極を形成した。これら2層の
形成は溶射法で行なった。具体的には、電解質の場合、
平均粒径20μmに調製したSrCe0.95Yb0.053
の粉末を用い、これをプラズマ溶射によって100〜2
00μmの厚みの膜に形成した。また燃料電極について
は、ニッケルを電極の作用物質としたが、電解質や酸化
剤極との熱膨張率差を少くするためと、多孔質状として
表面積を大きくするために、電解質とのサーメットとし
て形成した。
Specifically, La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 was used, a slurry was prepared with the same compounding ratio as in the above example, and a sheet was formed. This sheet is heated by a specified number
Pressurized and sintered at a temperature of 1100 to 1300 ° C. to prepare a sintered body having a porosity of 20 to 30%. This sintered body was used as a support for the cell to form an electrolyte and a fuel electrode. The formation of these two layers was performed by a thermal spraying method. Specifically, for electrolytes,
SrCe 0.95 Yb 0.05 O 3 prepared to have an average particle size of 20 μm
Powder of 100 to 2 by plasma spraying
It was formed into a film having a thickness of 00 μm. Regarding the fuel electrode, nickel was used as the active substance of the electrode, but it was formed as a cermet with the electrolyte in order to reduce the difference in coefficient of thermal expansion from the electrolyte and the oxidizer electrode and to increase the surface area by making it porous. did.

【0025】本発明における発電モジュールの作製例 次に、このように作製した2種類の単セルを使用して発
電モジュールを構成した。図3及び図4に、本発明の発
電モジュールの具体的な構成を示した。本図において、
40は中間部セルホルダ、41は下部セルホルダ、42
は上部セルホルダ、43は端部集電体、43−1はスリ
ット、44は酸化剤極側中間部集電体、45は燃料極側
中間部集電体、46は燃料供給口、47は燃料排出口で
ある。また、48は集電線である。なお、44の酸化剤
極側中間部集電体には、中間位置に絶縁層44−1が設
けられており、集電体44の両サイドの電気的な絶縁を
保つようになっている。なお、27、27’は、すでに
2図において示した単セルである。
Production Example of Power Generation Module According to the Present Invention Next, a power generation module was constructed using the two types of single cells thus produced. 3 and 4 show specific configurations of the power generation module of the present invention. In this figure,
40 is an intermediate cell holder, 41 is a lower cell holder, 42
Is an upper cell holder, 43 is an end current collector, 43-1 is a slit, 44 is an oxidizer electrode side intermediate part current collector, 45 is a fuel electrode side intermediate part current collector, 46 is a fuel supply port, and 47 is a fuel. It is an outlet. Further, 48 is a collecting line. An insulating layer 44-1 is provided at an intermediate position on the oxidizer electrode side intermediate portion current collector 44 so that both sides of the current collector 44 are electrically insulated. Note that 27 and 27 'are the single cells already shown in FIG.

【0026】一方、このような部材によって構成された
発電モジュールの外観は図4に示される通りであり、燃
料供給口46と直交して酸化剤ガス供給口48が配設さ
れる。モジュールの組みたてにあたっては、まず下部セ
ルホルダ41内に端部集電体43を設置し、これに重ね
て単セル27をおき、次に燃料極側中間部集電体45を
重ね、さらにこの上に、単セル27’、酸化剤極側中間
集電体44、中間部セルホルダ40および単セル27を
順次配置することで積層化を行なう。この時、酸化剤極
側中間部集電体44としては、中央部に絶縁層44−l
を有する構造として、厚みを中間部ホルダ40に2つの
セルを対向して取り付けた時に、すきまが生じない寸法
としている。そして、燃料極側中間部集電体45には、
弾力性に富んだ多孔体を使用している。この結果、モジ
ュールを組み立てた際には、弾力性に富んだ燃料極側中
間部集電体45が単セル27と27’の間でこの2つの
セルを押し広げるように作用し、これによって2つのセ
ルの固定と電気的な接触を確実に行なうことができる。
On the other hand, the appearance of the power generation module constituted by such members is as shown in FIG. 4, and the oxidant gas supply port 48 is arranged orthogonal to the fuel supply port 46. In assembling the module, first, the end current collector 43 is installed in the lower cell holder 41, the single cell 27 is placed on top of this, and then the fuel electrode side intermediate part current collector 45 is overlaid. The single cell 27 ′, the oxidizer electrode side intermediate current collector 44, the intermediate cell holder 40 and the single cell 27 are sequentially arranged on the upper side to perform stacking. At this time, as the oxidizer electrode side intermediate portion current collector 44, the insulating layer 44-l is formed in the central portion.
The thickness of the structure is such that no gap is generated when the two cells are attached to the intermediate portion holder 40 so as to face each other. Then, in the fuel electrode side intermediate portion current collector 45,
Uses a porous material with high elasticity. As a result, when the module is assembled, the fuel electrode side intermediate portion current collector 45, which is highly elastic, acts to spread the two cells between the unit cells 27 and 27 ', and It is possible to securely fix the two cells and make electrical contact with each other.

【0027】このように積層した各単セルに配線材48
を接続することで各セルからの発電電力を外部に取り出
すことができる。なお、ここでは配線材48は、図2で
示したようにな状態に接続され、まず2つのセル27と
27’を並列とし(出力;1V)、これをさらに直列接
続した状態とした。
A wiring material 48 is formed on each of the single cells thus laminated.
It is possible to take out the generated power from each cell to the outside by connecting the. Here, the wiring member 48 was connected in the state as shown in FIG. 2, and the two cells 27 and 27 'were first arranged in parallel (output: 1V), and were further connected in series.

【0028】各単セルは、さきに述べたような材料で構
成し、モジュールの材料としては、セルホルダ(40、
41、42)はアルミナ、端部集電体(43)はランタ
ンマンガナイトのプレス体の焼結体で、適度に溝加工し
たもの、酸化剤極側中間部集電体44は、中間層44−
1としてアルミナ、ジルコニア等の電気絶縁性の薄板を
中間部に使用し、両側にランタンマンガナイトを配設し
たもの、そして燃料極側中間部集電体45は、ニッケル
フェルト等の圧縮性導電体を使用した。
Each unit cell is made of the material as described above, and as a material of the module, the cell holder (40,
41, 42) is alumina, and the end current collector (43) is a sintered body of a pressed body of lanthanum manganite, which is appropriately grooved, and the intermediate collector 44 on the oxidant electrode side is the intermediate layer 44. −
1, an electrically insulating thin plate such as alumina or zirconia is used in the middle part, and lanthanum manganite is arranged on both sides, and the fuel electrode side middle part current collector 45 is a compressible conductor such as nickel felt. It was used.

【0029】このように構成したモジュールの発電は、
従来のSOFCと同様の操作で実行可能であり、モジュ
ールを900〜1000℃の高温状態とし、燃料供給口
46と酸化剤ガス供給口48にマニホールドを接続し、
燃料として室温で加湿した水素、酸化剤として空気を供
給することで発電を行なうことができる。本発明のモジ
ュールでは、ガスの種類に関わらず、ガスの供給口(4
6または48)から導入されたガスは基本的に単セル2
7と27’の両方のセルの電極面と反応することができ
る。ここで、単セル27と27’の発電特性はセルの構
成材料や方式が異なるため、必ずしも同一の発電特性に
なるとは限らない。しかし、発電特性が一致していなく
ても本発明では、2種類のセルを並列接続状態として使
用しているので、各々のセルには発電時の出力電圧に対
応して各セルの発電特性に従って定まる一定電流が流れ
るだけで、どちらか一方の特性によってモジュールの特
性が限定されるといったことは無い。むしろ、並列接続
をしていることによって全体の発電面積が拡大され発電
電流の増加を図ることが可能となる。
The power generation of the module thus constructed is
It can be carried out by the same operation as the conventional SOFC, the module is brought to a high temperature of 900 to 1000 ° C., the manifold is connected to the fuel supply port 46 and the oxidant gas supply port 48,
Power generation can be performed by supplying hydrogen humidified at room temperature as a fuel and air as an oxidant. In the module of the present invention, the gas supply port (4
The gas introduced from 6 or 48) is basically a single cell 2
It can react with the electrode surfaces of both 7 and 27 'cells. Here, the power generation characteristics of the unit cells 27 and 27 'are not necessarily the same because the constituent materials and methods of the cells are different. However, even if the power generation characteristics do not match, in the present invention, since two types of cells are used in a parallel connection state, each cell corresponds to the output voltage at the time of power generation according to the power generation characteristics of each cell. Only a fixed constant current flows, and the characteristics of the module are not limited by the characteristics of either one. Rather, the parallel connection makes it possible to expand the entire power generation area and increase the generated current.

【0030】一方、従来の方式では、セルを積層すると
極性の異なった電極が対向して配置されることになり、
この2つの電極面に供給する2種のガスを分離するため
のセパレータを各セル間に配設していた。このセパレー
タには、酸化性・還元性雰囲気のいずれにおいても安定
で、所定の導電率が得られることが要求され、通常La
CrO3系材料が選択されている。このような材料によ
って、両側にガス流路となる溝の機械加工を施した板状
のセパレータが作製されている。しかし、このようなセ
パレータは、材料費や加工コストが高く、その上、セパ
レータの占める容積も必要になりモジュールの体積が大
きくなってしまう。これに対し本発明では一方のセル
が、ガスのセパレータとしても機能するのみならず発電
部としても働くので、モジュール全体の発電出力の増加
も図ることができる。
On the other hand, in the conventional method, when cells are laminated, electrodes having different polarities are arranged to face each other.
A separator for separating the two kinds of gas supplied to the two electrode surfaces was arranged between the cells. This separator is required to be stable and obtain a predetermined electric conductivity in both oxidizing and reducing atmospheres.
A CrO 3 based material has been selected. With such a material, a plate-like separator having both sides machined with grooves to be gas passages is manufactured. However, such a separator has a high material cost and a high processing cost, and moreover, the volume occupied by the separator is also required, and the volume of the module becomes large. On the other hand, in the present invention, one of the cells functions not only as a gas separator but also as a power generation section, so that the power generation output of the entire module can be increased.

【0031】[0031]

【発明の効果】以上説明したように、本発明のSOFC
では、プロトン導伝性材料と酸素イオン導伝性材料を電
解質として2種類の単セルを形成し、これらの2種類の
単セルによって発電モジュールを構成するが、この際
に、2種類のセルを交互に配置し、酸化剤電極同士また
は燃料電極同士が向かい合うようにし、電極間の空間に
は集電体を配設し、この部分に各ガスを供給するように
している。また、2種類のセルの電気的な接続にあたっ
ては、2種類のセルを並列状態とし、これが直列状態に
なるように接続している。このような構成となっている
ため、どちらか一方の電極がガスのセパレータとしても
機能するので、従来のようにセパレータ板が不要とな
り、溝加工を施した高価なLaCrO3系板の使用の必
然性が無くなり低コスト化を図ることができる。その
上、このセパレータが占めていた部分も発電に向けるこ
とができ、モジュール全体の発電面積の拡大による発電
電流の増加を図ることができる。
As described above, the SOFC of the present invention
Then, two kinds of single cells are formed by using a proton conductive material and an oxygen ion conductive material as electrolytes, and a power generation module is configured by these two kinds of single cells. The electrodes are alternately arranged so that the oxidizer electrodes or the fuel electrodes face each other, a current collector is arranged in the space between the electrodes, and each gas is supplied to this portion. In addition, when electrically connecting two types of cells, the two types of cells are connected in parallel and are connected in series. With such a structure, either one of the electrodes also functions as a gas separator, so that a separator plate is not required as in the conventional case, and it is inevitable to use an expensive LaCrO 3 system plate having a groove processed. Cost can be reduced. In addition, the portion occupied by this separator can also be directed to power generation, and the power generation current can be increased by expanding the power generation area of the entire module.

【0032】その上、セルの積層にあたっては、中間部
セルホルダ、酸化剤極側中間部集電体と2種類のセルで
構成される鋼体状のユニットを圧縮性に富んだ燃料極側
中間部集電体で接続するだけとしている。この時、各セ
ルは中間部セルホルダと一体化することによって機械的
な強度を付与されている。本発明では、このような単位
の単純な積層によってモジュール化を実現可能としてお
り、モジュール化の簡素化も特徴としている。
In addition, when stacking the cells, a steel body-like unit composed of an intermediate cell holder, an oxidizer electrode side intermediate section current collector and two types of cells is used to form a highly compressible fuel electrode side intermediate section. It is supposed to be connected only with a current collector. At this time, each cell is given mechanical strength by being integrated with the intermediate cell holder. In the present invention, modularization can be realized by simply stacking such units, and simplification of modularization is also a feature.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の単位発電セルの模式図である。FIG. 1 is a schematic view of a unit power generation cell of the present invention.

【図2】本発明の発電モジュールにおける各単セルの配
置と電気的接続状況である。
FIG. 2 is an arrangement and electrical connection state of each single cell in the power generation module of the present invention.

【図3】本発明の発電モジュールの構造であり、図4に
おけるA−A’断面の構造を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing a structure of a power generation module of the present invention, showing a structure taken along a line AA ′ in FIG.

【図4】本発明の発電モジュールの構造であり、本発明
の発電モジュールの外観と各ガスの給排気口の位置を示
す図である。
FIG. 4 is a diagram showing the structure of the power generation module of the present invention, showing the appearance of the power generation module of the present invention and the positions of the supply and exhaust ports for each gas.

【図5】従来の平板型SOFCの構造図である。FIG. 5 is a structural diagram of a conventional flat plate SOFC.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 単位発電セル、 2 固体電解質、 3 酸化剤極、 4 燃料極、 5 インタコネクタ、 6 酸化剤極基板、 7 燃料電極基板、 8 燃料通路、 9 酸化剤通路、 20 固体電解質(酸素イオン導伝体を電解質材料に用
いた単セル)、 21 燃料電極、 22 酸化剤電極 23 固体電解質(プロトン導伝体を電解質材料に使用
した単セル)、 24 燃料電極、 25 酸化剤電極、 26 負荷、 27 酸素イオン導伝体を電解質材料に用いた単セル、 27’ プロトン導伝体を電解質材料に使用した単セ
ル、 40 中間部セルホルダ、 41 下部セルホルダ、 42 上部セルホルダ、 43 端部集電体、 43−1 スリット、 44 酸化剤極側中間部集電体、 44−l 絶縁層、 45 燃料極側中間部集電体、 46 燃料供給口、 47 燃料排出口、 48 集電線、 49 酸化剤ガス供給口。
1 unit power generation cell, 2 solid electrolyte, 3 oxidizer electrode, 4 fuel electrode, 5 interconnector, 6 oxidizer electrode substrate, 7 fuel electrode substrate, 8 fuel passage, 9 oxidant passage, 20 solid electrolyte (oxygen ion conduction A single cell using the body as an electrolyte material), 21 a fuel electrode, 22 an oxidant electrode 23 a solid electrolyte (a single cell using a proton conductor as an electrolyte material), 24 a fuel electrode, 25 an oxidant electrode, 26 a load, 27 Single cell using oxygen ion conductor as electrolyte material, 27 'Single cell using proton conductor as electrolyte material, 40 Middle cell holder, 41 Lower cell holder, 42 Upper cell holder, 43 End current collector, 43 -1 slit, 44 oxidant electrode side intermediate portion current collector, 44-l insulating layer, 45 fuel electrode side intermediate portion current collector, 46 fuel supply port, 47 fuel discharge port, 48 current collecting line, 9 oxidant gas supply port.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 電解質を介して酸化剤電極および燃料電
極が配置され、前記酸化剤電極に空気等の酸化剤ガス
を、また前記燃料電極に燃料ガスを供給することで発電
する固体電解質型燃料電池であって、プロトン導伝性材
料を電解質材料に使用して形成した単セルと、酸素イオ
ン導伝性材料を電解質材料に使用して形成した単セルを
作製し、これら2種類の単セルを使用して発電モジュー
ルを形成する際に、酸化剤電極同士と、燃料電極同士が
向い合うように2種類の単セルを交互に配置し、この時
対向する電極間には、電極に接触するように集電体を配
設したことを特徴とする固体電解質型燃料電池。
1. A solid electrolyte fuel in which an oxidant electrode and a fuel electrode are arranged via an electrolyte, and an oxidant gas such as air is supplied to the oxidant electrode and a fuel gas is supplied to the fuel electrode to generate electric power. A battery, a single cell formed by using a proton conductive material as an electrolyte material, and a single cell formed by using an oxygen ion conductive material as an electrolyte material, and these two types of single cells When forming a power generation module using, the two types of single cells are alternately arranged so that the oxidizer electrodes face each other and the fuel electrodes face each other. At this time, the electrodes contact each other between the facing electrodes. A solid oxide fuel cell characterized in that a current collector is arranged as described above.
【請求項2】 前記プロトン導伝性材料として、SrC
1-XX3(M:スカンジウム、イットリウム、イッ
テルビウム、X=0.01〜0.5)または、BaCe
1-XX3(M:ネオジム、ランタン、ガドリニウム、
X=0.01〜0.5)、 前記酸素イオン導伝性材料として、酸化イットリウムを
添加して結晶構造の安定化を図った酸化ジルコニアで、
イットリウムの添加量が5〜10モル%であるイットリ
ア安定化ジルコニア、 また電極材料としては、プロトン導伝性材料が電解質の
場合、燃料極としてニッケル、酸化剤電極材料として、
(La1-XM(1)X1-YM(2)O3(M(1):S
r,Ba,M(2):Mn,Co,X=0.01〜0.
5,Y=0.01〜0.10)、酸素イオン導伝性材料
が電解質の場合、燃料極としてニッケルと電解質材料か
ら成るサーメット、酸化剤電極として、(La1-X
(1)X1-YM(2)O3(M(1):Sr,Ca,M
(2):Mn,Co,X=0.01〜0.5,Y=0.
01〜0.10)を使用することを特徴とする請求項1
記載の固体電解質型燃料電池。
2. The SrC as the proton conducting material
e 1-X M X O 3 (M: scandium, yttrium, ytterbium, X = 0.01 to 0.5) or, BaCe
1-X M X O 3 (M: neodymium, lanthanum, gadolinium,
X = 0.01 to 0.5), as the oxygen ion conductive material, zirconia oxide having yttrium oxide added to stabilize the crystal structure,
Yttria-stabilized zirconia in which the amount of yttrium added is 5 to 10 mol%, and as the electrode material, when the proton-conducting material is an electrolyte, nickel is used as the fuel electrode and the oxidant electrode material is
(La 1-X M (1) X ) 1-Y M (2) O 3 (M (1): S
r, Ba, M (2): Mn, Co, X = 0.01 to 0.
5, Y = 0.01 to 0.10), when the oxygen ion conductive material is an electrolyte, a cermet composed of nickel and an electrolyte material as a fuel electrode, and (La 1-X M
(1) X ) 1-Y M (2) O 3 (M (1): Sr, Ca, M
(2): Mn, Co, X = 0.01 to 0.5, Y = 0.
01-0.10) is used.
The solid oxide fuel cell described.
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