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JP2009087876A - Single-chamber fuel cell and single-chamber fuel cell laminate - Google Patents

Single-chamber fuel cell and single-chamber fuel cell laminate Download PDF

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JP2009087876A
JP2009087876A JP2007259124A JP2007259124A JP2009087876A JP 2009087876 A JP2009087876 A JP 2009087876A JP 2007259124 A JP2007259124 A JP 2007259124A JP 2007259124 A JP2007259124 A JP 2007259124A JP 2009087876 A JP2009087876 A JP 2009087876A
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JP
Japan
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electrode layer
fuel cell
chamber fuel
layer
chamber
Prior art date
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Pending
Application number
JP2007259124A
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Japanese (ja)
Inventor
Hiroyuki Kawai
博之 川合
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Publication date
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a single-chamber fuel cell with improved performance. <P>SOLUTION: The single-chamber fuel cell is provided with an electrolyte layer, and a first electrode layer as well as a second electrode layer formed at the electrolyte layer. The first electrode layer as well as the second electrode layer have catalyst contained, with a reaction speed of electrochemical reaction generated at the first electrode layer smaller than that generated at the second electrode layer. The first electrode layer is formed at an outer edge part of the electrolyte layer, and the second electrode layer is formed on the surface of the electrolyte layer surrounded by the first electrode layer, with a sum total of surface areas of the catalyst contained in the first electrode layer larger than that of the catalyst contained in the second electrode layer. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスがアノード及びカソードへと供給される単室型燃料電池に関する。   The present invention relates to a single-chamber fuel cell in which a mixed gas of a fuel gas and an oxidant gas is supplied to an anode and a cathode.

燃料電池は、電解質層と、電解質層の表面に配設される電極(アノード及びカソード)とを備える積層体で電気化学反応を起こし、当該電気化学反応により発生した電気エネルギーを、電極と接続された集電体を介して外部に取り出す装置である。燃料電池の中でも、家庭用コージェネレーション・システムや自動車等に使用される固体高分子型燃料電池(以下「PEFC」という。)は、低温領域での運転が可能であり、起動時間が短く、システムが小型軽量であることから、電気自動車の動力源や携帯用電源として注目されている。   A fuel cell causes an electrochemical reaction in a laminate including an electrolyte layer and electrodes (anode and cathode) disposed on the surface of the electrolyte layer, and electrical energy generated by the electrochemical reaction is connected to the electrode. This is a device that is taken out through a current collector. Among fuel cells, polymer electrolyte fuel cells (hereinafter referred to as “PEFC”) used in household cogeneration systems and automobiles can be operated in a low temperature range, have a short start-up time, and a system. Has attracted attention as a power source and portable power source for electric vehicles.

しかし、80℃程度等の低温領域で電気化学反応を生じさせるPEFCでは、使用可能な触媒が極めて限定され、高コスト化を招きやすいという問題がある。また、水素以外の改質ガスをPEFCで使用すると、電極の触媒が被毒し、性能が低下しやすいという問題もある。それゆえ、低コスト化と高性能化とを両立可能な燃料電池を得る等の観点からは、PEFCとは異なる形態の燃料電池を用いることが好ましい。   However, PEFC that generates an electrochemical reaction in a low temperature region such as about 80 ° C. has a problem that the usable catalysts are extremely limited, and cost is likely to increase. In addition, when a reformed gas other than hydrogen is used in PEFC, there is a problem that the electrode catalyst is poisoned and the performance is likely to deteriorate. Therefore, from the viewpoint of obtaining a fuel cell that can achieve both low cost and high performance, it is preferable to use a fuel cell having a form different from that of PEFC.

PEFCとは異なる形態の燃料電池のうち、固体酸化物型燃料電池(以下「SOFC」という。)は、発電効率が高く、多種類の燃料を使用することができる。このSOFCは、セラミック系のイオン伝導体を電解質として使用する燃料電池であり、200℃以上の温度領域(例えば、500℃〜800℃程度の温度領域)で電気化学反応を生じさせる。SOFCでは、PEFCよりも高温領域で電気化学反応を生じさせるため、触媒の選択肢が広く、低コスト化を図りやすい。したがって、SOFCは、低コスト化と高性能化とを両立可能な燃料電池として、注目されている。   Among fuel cells of a form different from PEFC, a solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as “SOFC”) has high power generation efficiency and can use many kinds of fuels. The SOFC is a fuel cell that uses a ceramic ion conductor as an electrolyte, and causes an electrochemical reaction in a temperature range of 200 ° C. or higher (for example, a temperature range of about 500 ° C. to 800 ° C.). Since SOFC causes an electrochemical reaction in a higher temperature region than PEFC, there are a wide range of catalyst options and cost reduction is easy. Therefore, the SOFC has attracted attention as a fuel cell that can achieve both low cost and high performance.

SOFCには、酸化物イオン伝導型及び水素イオン伝導型があり、反応ガスの供給形態によって、一室型(以下「単室型」という。)と二室型とに分類することができる。ここで、単室型とは、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスを一つの空間に配設されたアノード及びカソードへと供給する形態を意味し、二室型とは、燃料ガスを供給されるアノードと酸化剤ガスを供給されるカソードとが隔離された異なる空間に配設される形態を意味する。これらの中でも、単室型のSOFCは、燃料ガスと酸化剤ガスとを分離する必要がなく、セパレータが不要になるため、二室型のSOFCと比較して小型化を図りやすい。それゆえ、単室型のSOFCによれば、単位体積当たりの発電量を増大させることが容易になる。   The SOFC includes an oxide ion conduction type and a hydrogen ion conduction type, and can be classified into a one-chamber type (hereinafter referred to as “single-chamber type”) and a two-chamber type depending on the supply form of the reaction gas. Here, the single-chamber type means a mode in which a mixed gas of fuel gas and oxidant gas is supplied to the anode and cathode disposed in one space, and the two-chamber type supplies fuel gas. This means that the anode to be supplied and the cathode to which the oxidant gas is supplied are disposed in different spaces. Among these, the single-chamber SOFC does not need to separate the fuel gas and the oxidant gas and eliminates the need for a separator. Therefore, the single-chamber SOFC can be easily downsized as compared with the two-chamber SOFC. Therefore, according to the single-chamber SOFC, it becomes easy to increase the power generation amount per unit volume.

単室型のSOFCに関する技術として、例えば、特許文献1には、固体電解質の同一平面上に一対の燃料極及び空気極を形成した単セルを複数セル形成し、異なる単セルの電極間をインターコネクタにより接続した集積セル構造を有するSOFCであって、インターコネクタを反応ガスから保護する保護層をインターコネクタに被覆したものが開示されている。また、特許文献2には、固体酸化物から成る多孔性電解質層を炭化水素の酸化反応に対する活性度が異なる2種類の電極層で狭持した電池要素が、導電性を有する中空管体内面の一部又は全域に形成されていることを特徴とする管状単室型SOFC用セル体に関する技術が開示されている。   As a technique related to a single-chamber SOFC, for example, in Patent Document 1, a plurality of single cells each having a pair of fuel electrodes and air electrodes formed on the same plane of a solid electrolyte are formed, and electrodes between different single cells are interleaved. An SOFC having an integrated cell structure connected by a connector, in which a protective layer for protecting the interconnector from a reaction gas is coated on the interconnector, is disclosed. Patent Document 2 discloses that a battery element in which a porous electrolyte layer made of a solid oxide is sandwiched between two types of electrode layers having different activities with respect to the oxidation reaction of hydrocarbons has an inner surface of a hollow tube body having conductivity. A technology relating to a tubular single-chamber SOFC cell body characterized in that it is formed in a part or the whole of the above.

特開2007−173055号公報JP 2007-173055 A 特開2004−349140号公報JP 2004-349140 A

しかし、特許文献1に開示されている技術では、燃料極の面積及び空気極の面積が同程度である。ここで、単室型燃料電池の燃料極及び空気極のそれぞれで生じる電気化学反応の反応速度には差が有り、単室型燃料電池の性能は、反応速度が遅い方の電極で生じる電気化学反応の進行具合に依存する。そのため、特許文献1に開示されている技術のように、燃料極の面積及び空気極の面積が同程度であると、反応速度が速い方の電極の性能を十分に活かすことができず、単室型燃料電池の性能を向上させにくいという問題があった。また、特許文献2に開示されている技術によれば、燃料極の面積と空気極の面積との間に差を設けることは可能になるものの、当該差が小さいため、特許文献2に開示されている技術によっても単室型燃料電池の性能を向上させにくいという問題があった。   However, in the technique disclosed in Patent Document 1, the area of the fuel electrode and the area of the air electrode are approximately the same. Here, there is a difference in the reaction rate of the electrochemical reaction occurring at each of the fuel electrode and the air electrode of the single-chamber fuel cell, and the performance of the single-chamber fuel cell is the electrochemical generated at the electrode with the slower reaction rate. Depends on the progress of the reaction. Therefore, as in the technique disclosed in Patent Document 1, if the area of the fuel electrode and the area of the air electrode are approximately the same, the performance of the electrode with the higher reaction rate cannot be fully utilized, There was a problem that it was difficult to improve the performance of the chamber fuel cell. Further, according to the technique disclosed in Patent Document 2, it is possible to provide a difference between the area of the fuel electrode and the area of the air electrode, but since the difference is small, it is disclosed in Patent Document 2. Even with this technology, there is a problem that it is difficult to improve the performance of the single-chamber fuel cell.

そこで本発明は、性能を向上させることが可能な単室型燃料電池を提供することを課題とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a single-chamber fuel cell capable of improving performance.

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段をとる。すなわち、
本発明は、電解質層と、該電解質層に形成された第1電極層及び第2電極層と、を備える単室型燃料電池であって、第1電極層及び第2電極層に触媒が含有され、第1電極層で生じる電気化学反応の反応速度が、第2電極層で生じる電気化学反応の反応速度よりも小さく、電解質層の外縁部に第1電極層が形成されるとともに、該第1電極層によって囲まれた電解質層の表面に第2電極層が形成され、第1電極層に含有される触媒の表面積の総和が、第2電極層に含有される触媒の表面積の総和よりも大きいことを特徴とする、単室型燃料電池である。
In order to solve the above problems, the present invention takes the following means. That is,
The present invention is a single-chamber fuel cell comprising an electrolyte layer and a first electrode layer and a second electrode layer formed on the electrolyte layer, wherein the first electrode layer and the second electrode layer contain a catalyst. The reaction rate of the electrochemical reaction occurring in the first electrode layer is lower than the reaction rate of the electrochemical reaction occurring in the second electrode layer, and the first electrode layer is formed on the outer edge of the electrolyte layer, The second electrode layer is formed on the surface of the electrolyte layer surrounded by the one electrode layer, and the total surface area of the catalyst contained in the first electrode layer is larger than the total surface area of the catalyst contained in the second electrode layer. It is a single-chamber fuel cell characterized by being large.

本発明において、「電解質層」とは、200℃以上1000℃以下の温度領域で酸化物イオン又は水素イオンの伝導性能を発現し、かつ、燃料電池運転時の環境(耐熱性等)に耐え得るイオン伝導体を意味する。本発明の単室型燃料電池に備えられる電解質層としては、SOFCの電解質として公知のものを使用することができる。さらに、本発明において、「第1電極層」及び「第2電極層」は、上記温度領域において、アノードやカソードとして機能するものであれば特に限定されるものではなく、供給される燃料ガスに含まれる反応物(例えば、水素や炭化水素等)の酸化反応に対する活性度が互いに異なる物質を適宜組合せて使用することができる。さらに、本発明において、「触媒」は、上記温度領域において電気化学反応の触媒として機能する物質であれば特に限定されるものではなく、SOFCのアノードやカソードに含有される触媒を好適に用いることができる。   In the present invention, the “electrolyte layer” expresses the conductivity of oxide ions or hydrogen ions in a temperature range of 200 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower and can withstand the environment (heat resistance, etc.) during fuel cell operation. It means an ionic conductor. As the electrolyte layer provided in the single-chamber fuel cell of the present invention, a well-known SOFC electrolyte can be used. Furthermore, in the present invention, the “first electrode layer” and the “second electrode layer” are not particularly limited as long as they function as an anode and a cathode in the above temperature range, and are not limited to the supplied fuel gas. Substances having different activities with respect to the oxidation reaction of the contained reactants (for example, hydrogen and hydrocarbons) can be used in appropriate combination. Furthermore, in the present invention, the “catalyst” is not particularly limited as long as it is a substance that functions as an electrochemical reaction catalyst in the above temperature range, and a catalyst contained in the SOFC anode or cathode is preferably used. Can do.

上記本発明において、第1電極層がカソードであり、第2電極層がアノードであることが好ましい。   In the present invention, the first electrode layer is preferably a cathode and the second electrode layer is preferably an anode.

また、上記本発明において、電解質層が円板形状であり、第2電極層が電解質層の表面中央に形成されていることが好ましい。   Moreover, in the said invention, it is preferable that an electrolyte layer is disk shape and the 2nd electrode layer is formed in the surface center of an electrolyte layer.

第1の本発明によれば、電気化学反応が進行しにくい第1電極層に含有される触媒の表面積の総和が、電気化学反応が進行しやすい第2電極層に含有される触媒の表面積の総和よりも大きいので、第1電極層における電気化学反応の進行の程度と第2電極層における電気化学反応の進行の程度との差を低減することができる。単室型燃料電池の性能は、電気化学反応が進行しにくい第1電極層における電気化学反応と相関があるため、第1の本発明によれば、第1電極層における電気化学反応が進行しやすい形態とすることで性能を向上させることが可能な、単室型燃料電池を提供することができる。また、第1の本発明によれば、電解質層の外縁部に形成された第1電極層に囲まれた領域に第2電極層が形成されるので、上記効果に加え、さらに、電解質層の略全体をイオン伝導体として機能させることで性能を向上させることが可能になる。   According to the first aspect of the present invention, the total surface area of the catalyst contained in the first electrode layer in which the electrochemical reaction is difficult to proceed is equal to the surface area of the catalyst contained in the second electrode layer in which the electrochemical reaction is likely to proceed. Since it is larger than the sum, it is possible to reduce the difference between the progress of the electrochemical reaction in the first electrode layer and the progress of the electrochemical reaction in the second electrode layer. The performance of the single-chamber fuel cell correlates with the electrochemical reaction in the first electrode layer where the electrochemical reaction is difficult to proceed. According to the first aspect of the present invention, the electrochemical reaction in the first electrode layer proceeds. It is possible to provide a single-chamber fuel cell capable of improving performance by adopting an easy form. In addition, according to the first aspect of the present invention, the second electrode layer is formed in a region surrounded by the first electrode layer formed on the outer edge portion of the electrolyte layer. It is possible to improve the performance by causing almost the whole to function as an ion conductor.

本発明において、第1電極層がカソードであり、第2電極層がアノードであることにより、電解質層が酸化物イオン伝導型であるか水素イオン伝導型であるかに因らず性能を向上させることが可能な、単室型のSOFCを提供することが可能になる。   In the present invention, the first electrode layer is a cathode and the second electrode layer is an anode, so that the performance is improved regardless of whether the electrolyte layer is an oxide ion conduction type or a hydrogen ion conduction type. It becomes possible to provide a single-chamber SOFC that can be used.

本発明において、電解質層が円板形状であり、第2電極層が電解質層の表面中央に形成されていることにより、第1電極層と第2電極層との距離を一定にすることができ、第1電極層と第2電極層との間を伝導されるイオンの伝導抵抗を低減することができる。それゆえ、かかる形態とすることで、容易に性能を向上させることが可能な、単室型燃料電池を提供することが可能になる。   In the present invention, since the electrolyte layer has a disc shape and the second electrode layer is formed at the center of the surface of the electrolyte layer, the distance between the first electrode layer and the second electrode layer can be made constant. The conduction resistance of ions conducted between the first electrode layer and the second electrode layer can be reduced. Therefore, by adopting such a configuration, it is possible to provide a single-chamber fuel cell that can easily improve performance.

1.第1実施形態
図1は、第1実施形態にかかる本発明の単室型燃料電池の形態例を示す平面図である。図1の紙面奥/手前方向が、電解質層の厚み方向である。図2は、第1実施形態にかかる本発明の単室型燃料電池の形態例を示す正面図である。図2の紙面上下方向が、電解質層の厚み方向である。図3は、従来の単室型燃料電池の形態例を示す断面図である。図3の紙面奥/手前方向が、電解質層の厚み方向である。図4は、従来の単室型燃料電池の他の形態例を示す断面図である。図4の紙面上下方向が、電解質層の厚み方向である。図4において、図3と同様の構成を採るものには、図3で使用した符号と同符号を付す。図5は、他の形態にかかる単室型燃料電池の形態例を示す正面図である。図5の紙面上下方向が、電解質層の厚み方向である。以下、図1乃至図5を参照しつつ、第1実施形態にかかる本発明の単室型燃料電池について説明する。
1. First Embodiment FIG. 1 is a plan view showing an embodiment of a single-chamber fuel cell according to the first embodiment of the present invention. The back / front direction in FIG. 1 is the thickness direction of the electrolyte layer. FIG. 2 is a front view showing an example of the single-chamber fuel cell according to the first embodiment of the present invention. The up and down direction of FIG. 2 is the thickness direction of the electrolyte layer. FIG. 3 is a cross-sectional view showing an example of a conventional single-chamber fuel cell. 3 is the thickness direction of the electrolyte layer. FIG. 4 is a cross-sectional view showing another example of a conventional single-chamber fuel cell. The vertical direction of the paper surface of FIG. 4 is the thickness direction of the electrolyte layer. 4, components having the same configuration as in FIG. 3 are denoted by the same symbols as those used in FIG. FIG. 5 is a front view showing an example of a single-chamber fuel cell according to another embodiment. The vertical direction in FIG. 5 is the thickness direction of the electrolyte layer. Hereinafter, the single-chamber fuel cell according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 5.

図1及び図2に示すように、第1実施形態にかかる本発明の単室型燃料電池10は、円板形状の電解質層1と、該電解質層1の表面の外縁部に形成された第1電極層2と、第1電極層2によって囲まれた電解質層1の表面中央に形成された第2電極層3と、を備える。そして、第1電極層2及び第2電極層3には、図示されていない集電部材(例えば、金属製のインターコネクタ等)が接続されている。単室型燃料電池10において、第1電極層2の表面積は第2電極層3の表面積よりも大きく、第1電極層2に含有される触媒の表面積の総和は、第2電極層3に含有される触媒の表面積の総和よりも大きい。単室型燃料電池10の運転時には、第1電極層2及び第2電極層3の表面へ、還元ガス(例えば水素や炭化水素。以下同じ。)と酸化剤ガス(例えば空気。以下同じ。)との混合ガスが供給される。第1電極層2がカソードとして機能するとともに、第2電極層3がアノードとして機能し、電解質層1が酸化物イオンを伝導させる場合には、第2電極層3において、
2H + 2O2− → 2HO + 4e
の反応が生じ、第1電極層2において、
4e + O → 2O2−
の反応が生じる。かかる形態の単室型燃料電池10では、第1電極層2で発生させた酸化物イオンO2−を、電解質層1を介して第2電極層3へと伝導させ、当該第2電極層3において酸化物イオンと水素とを反応させることにより、第1電極層2と第2電極層3との間で起電力を得る。
これに対し、電解質層1が水素イオンを伝導させる場合には、第2電極層3において、
2H → 4H + 4e
の反応が生じ、第1電極層2において、
4H + O + 4e → 2H
の反応が生じる。かかる形態の単室型燃料電池10では、第2電極層3で発生させた水素イオンHを、電解質層1を介して第1電極層2へと伝導させ、当該第1電極層2において水素イオンと酸素とを反応させることにより、第1電極層2と第2電極層3との間で起電力を得る。
As shown in FIGS. 1 and 2, the single-chamber fuel cell 10 according to the first embodiment of the present invention includes a disc-shaped electrolyte layer 1 and a first electrode formed on the outer edge of the surface of the electrolyte layer 1. 1 electrode layer 2, and the 2nd electrode layer 3 formed in the surface center of the electrolyte layer 1 enclosed by the 1st electrode layer 2 are provided. The first electrode layer 2 and the second electrode layer 3 are connected to a current collector (not shown) (for example, a metal interconnector). In the single chamber fuel cell 10, the surface area of the first electrode layer 2 is larger than the surface area of the second electrode layer 3, and the total surface area of the catalyst contained in the first electrode layer 2 is contained in the second electrode layer 3. Greater than the sum of the surface area of the catalyst produced. During operation of the single-chamber fuel cell 10, a reducing gas (for example, hydrogen or hydrocarbon; the same applies hereinafter) and an oxidant gas (for example, air; the same applies hereinafter) are applied to the surfaces of the first electrode layer 2 and the second electrode layer 3. And a mixed gas is supplied. When the first electrode layer 2 functions as a cathode, the second electrode layer 3 functions as an anode, and the electrolyte layer 1 conducts oxide ions, in the second electrode layer 3,
2H 2 + 2O 2− → 2H 2 O + 4e
In the first electrode layer 2,
4e + O 2 → 2O 2−
Reaction occurs. In the single-chamber fuel cell 10 having such a configuration, oxide ions O 2− generated in the first electrode layer 2 are conducted to the second electrode layer 3 through the electrolyte layer 1, and the second electrode layer 3. An electromotive force is obtained between the first electrode layer 2 and the second electrode layer 3 by reacting oxide ions with hydrogen.
On the other hand, when the electrolyte layer 1 conducts hydrogen ions, in the second electrode layer 3,
2H 2 → 4H + + 4e
In the first electrode layer 2,
4H + + O 2 + 4e → 2H 2 O
Reaction occurs. In the single-chamber fuel cell 10 having such a configuration, hydrogen ions H + generated in the second electrode layer 3 are conducted to the first electrode layer 2 through the electrolyte layer 1, and hydrogen is generated in the first electrode layer 2. An electromotive force is obtained between the first electrode layer 2 and the second electrode layer 3 by reacting ions and oxygen.

このように、単室型燃料電池10は、電解質層1が酸素イオン伝導型であるか水素イオン伝導型であるかによって、2つの形態を採り得る。そして、何れの場合においても、第1電極層2で生じる電気化学反応の反応速度は、第2電極層3で生じる電気化学反応の反応速度よりも遅い。単室型燃料電池10は、第1電極層2及び第2電極層3で生じる電気化学反応を経て電気エネルギーを取り出す装置であるため、単室型燃料電池10の性能は、反応速度が小さい第1電極層2が律速となり、当該第1電極層2おける電気化学反応の進行具合に依存する。それゆえ、単室型燃料電池10の性能を向上させるためには、第1電極層2において多くの電気化学反応を生じさせることが必要とされる。   Thus, the single-chamber fuel cell 10 can take two forms depending on whether the electrolyte layer 1 is an oxygen ion conduction type or a hydrogen ion conduction type. In any case, the reaction rate of the electrochemical reaction that occurs in the first electrode layer 2 is slower than the reaction rate of the electrochemical reaction that occurs in the second electrode layer 3. Since the single-chamber fuel cell 10 is a device that extracts electrical energy through an electrochemical reaction that occurs in the first electrode layer 2 and the second electrode layer 3, the performance of the single-chamber fuel cell 10 is such that the reaction rate is low. One electrode layer 2 is rate-limiting and depends on the progress of the electrochemical reaction in the first electrode layer 2. Therefore, in order to improve the performance of the single chamber fuel cell 10, it is necessary to cause many electrochemical reactions in the first electrode layer 2.

上述のように、単室型燃料電池10は、第1電極層2の表面積が、第2電極層3の表面積よりも大きく、第1電極層2に含有される触媒の表面積の総和は、第2電極層3に含有される触媒の表面積の総和よりも大きい。それゆえ、単室型燃料電池10によれば、第1電極層2における電気化学反応の発生頻度を増大させることにより、第1電極層2における電気化学反応の進行具合と第2電極層3における電気化学反応の進行具合との差を低減することができる。したがって、単室型燃料電池10によれば、性能を向上させることが可能になる。   As described above, in the single-chamber fuel cell 10, the surface area of the first electrode layer 2 is larger than the surface area of the second electrode layer 3, and the total surface area of the catalyst contained in the first electrode layer 2 is It is larger than the total surface area of the catalyst contained in the two-electrode layer 3. Therefore, according to the single-chamber fuel cell 10, by increasing the frequency of occurrence of the electrochemical reaction in the first electrode layer 2, the progress of the electrochemical reaction in the first electrode layer 2 and the second electrode layer 3 are increased. The difference from the progress of the electrochemical reaction can be reduced. Therefore, according to the single-chamber fuel cell 10, the performance can be improved.

これに対し、図3及び図4に示す従来の単室型燃料電池90では、電解質層6の表面に、同程度の表面積の第1電極層4及び第2電極層5が形成され、第1電極層4に含有される触媒の表面積及び第2電極層5に含有される触媒の表面積が同程度とされている。また、図5に示す従来の単室型燃料電池91では、電解質層6の表面に第1電極層4が、電解質層6の裏面に第2電極層5が、それぞれ形成され、第1電極層4の表面積及び第2電極層5の表面積が同程度であり、かつ、第1電極層4に含有される触媒の表面積及び第2電極層5に含有される触媒の表面積が同程度である。かかる形態の単室型燃料電池90、91では、第1電極層4における電気化学反応の反応速度と第2電極層5における電気化学反応の反応速度との間に差が存在するにも関わらず、電極層及び触媒の表面積の観点からは同様の形態の第1電極層4及び第2電極層5が形成されていたため、単室型燃料電池90、91では、反応速度が小さい側の電極層で生じる電気化学反応が律速となり、性能を向上させることが困難であった。この点、本発明の単室型燃料電池10によれば、反応速度が小さい第1電極層2の表面積、及び、当該第1電極層2に含有される触媒の表面積の総和を、第2電極層3の表面積、及び、当該第2電極層3に含有される触媒の表面積の総和よりも大きくしている。そのため、単室型燃料電池10によれば、第1電極層2で多くの電気化学反応を生じさせることができ、その結果、性能を向上させることが可能な形態としている。   In contrast, in the conventional single-chamber fuel cell 90 shown in FIGS. 3 and 4, the first electrode layer 4 and the second electrode layer 5 having the same surface area are formed on the surface of the electrolyte layer 6. The surface area of the catalyst contained in the electrode layer 4 and the surface area of the catalyst contained in the second electrode layer 5 are approximately the same. In the conventional single-chamber fuel cell 91 shown in FIG. 5, the first electrode layer 4 is formed on the surface of the electrolyte layer 6, and the second electrode layer 5 is formed on the back surface of the electrolyte layer 6. 4 and the surface area of the second electrode layer 5 are the same, and the surface area of the catalyst contained in the first electrode layer 4 and the surface area of the catalyst contained in the second electrode layer 5 are the same. In the single-chamber fuel cells 90 and 91 having such a configuration, there is a difference between the reaction rate of the electrochemical reaction in the first electrode layer 4 and the reaction rate of the electrochemical reaction in the second electrode layer 5. Since the first electrode layer 4 and the second electrode layer 5 having the same form are formed from the viewpoint of the surface area of the electrode layer and the catalyst, in the single-chamber fuel cells 90 and 91, the electrode layer on the side with a lower reaction rate The electrochemical reaction generated in the process was rate-limiting, and it was difficult to improve the performance. In this regard, according to the single-chamber fuel cell 10 of the present invention, the sum of the surface area of the first electrode layer 2 having a low reaction rate and the surface area of the catalyst contained in the first electrode layer 2 is determined as the second electrode. The sum of the surface area of the layer 3 and the surface area of the catalyst contained in the second electrode layer 3 is made larger. Therefore, according to the single-chamber fuel cell 10, the first electrode layer 2 can cause many electrochemical reactions, and as a result, the performance can be improved.

他方、相対的に反応速度が小さい電極層(以下「第1電極層」という。)の表面積を、相対的に反応速度が大きい電極層(以下「第2電極層」という。)の表面積よりも大きくすることにより、第1電極層に含有される触媒の表面積の総和を第2電極層に含有される触媒の表面積の総和よりも大きくする、という観点からは、図6に示す形態の単室型燃料電池92とすることも可能である。すなわち、図6に示すように、電解質層6の表面に形成された、第2電極層8、及び、当該第2電極層8よりも表面積が大きい第1電極層7を備える単室型燃料電池92とすることも可能である。しかし、かかる形態の単室型燃料電池92では、第1電極層7及び第2電極層8によって挟まれた電解質層6の部位で酸化物イオン又は水素イオンが移動する一方、第1電極層7よりも長さが短い第2電極層8の下方(図6にAで示した領域)はイオン伝導経路として機能しないため、かかる領域が無駄になるという問題がある。それゆえ、本発明では、電解質層の全体を無駄なく利用することで性能を向上させ得る形態とする等の観点から、第1電極層2によって囲まれた領域に第2電極層3が形成された形態の単室型燃料電池10としている。   On the other hand, the surface area of an electrode layer having a relatively low reaction rate (hereinafter referred to as “first electrode layer”) is larger than the surface area of an electrode layer having a relatively high reaction rate (hereinafter referred to as “second electrode layer”). From the viewpoint of increasing the total surface area of the catalyst contained in the first electrode layer to be larger than the total surface area of the catalyst contained in the second electrode layer by increasing the size, a single chamber having the configuration shown in FIG. A type fuel cell 92 is also possible. That is, as shown in FIG. 6, a single-chamber fuel cell including a second electrode layer 8 formed on the surface of the electrolyte layer 6 and a first electrode layer 7 having a larger surface area than the second electrode layer 8. 92 is also possible. However, in the single-chamber fuel cell 92 having such a configuration, oxide ions or hydrogen ions move in a portion of the electrolyte layer 6 sandwiched between the first electrode layer 7 and the second electrode layer 8, while the first electrode layer 7 Since the lower part of the second electrode layer 8 having a shorter length (the area indicated by A in FIG. 6) does not function as an ion conduction path, there is a problem that such an area is wasted. Therefore, in the present invention, the second electrode layer 3 is formed in the region surrounded by the first electrode layer 2 from the viewpoint of improving the performance by using the entire electrolyte layer without waste. The single-chamber fuel cell 10 is configured as described above.

本発明の単室型燃料電池10に関する上記説明では、円板形状の電解質層1が備えられる形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。そこで、本発明の単室型燃料電池が採り得る他の形態について、以下に説明する。   In the above description regarding the single-chamber fuel cell 10 of the present invention, the form in which the disc-shaped electrolyte layer 1 is provided is illustrated, but the present invention is not limited to this form. Therefore, other modes that can be adopted by the single-chamber fuel cell of the present invention will be described below.

2.第2実施形態
図7は、第2実施形態にかかる本発明の単室型燃料電池の形態例を示す平面図である。図7の紙面奥/手前方向が、電解質層の厚み方向である。図7において、図1〜図6と同様の構成を採るものには、図1及び図2で使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。
2. Second Embodiment FIG. 7 is a plan view showing an example of a single-chamber fuel cell according to the second embodiment of the present invention. The depth direction / front side of FIG. 7 is the thickness direction of the electrolyte layer. 7, components having the same configurations as those in FIGS. 1 to 6 are denoted by the same reference numerals as those used in FIGS. 1 and 2, and description thereof is omitted as appropriate.

図7に示すように、第2実施形態にかかる本発明の単室型燃料電池11は、断面が四角形である板状の電解質層6と、該電解質層6の外縁部に形成された第1電極層2と、当該第1電極層2によって囲まれた電解質層6の表面中央に形成された第2電極層3と、を備える。そして、第1電極層2及び第2電極層3には、図示されていない集電部材(例えば、金属製のインターコネクタ等)が接続されている。単室型燃料電池11も単室型燃料電池10と同様に、第1電極層2の表面積は第2電極層3の表面積よりも大きく、第1電極層2に含有される触媒の表面積の総和は、第2電極層3に含有される触媒の表面積の総和よりも大きい。このように、電解質層の形状が円板形状でなくても、第1電極層2によって囲まれた領域に第2電極層3を形成することで、第1電極層2における電気化学反応の発生頻度と第2電極層3における電気化学反応の発生頻度との差を低減することができ、さらに、電解質層6の表面全体をイオンの伝導経路として機能させることができる。それゆえ、かかる形態とすることで、性能を向上させ得る単室型燃料電池11を提供することができる。   As shown in FIG. 7, the single-chamber fuel cell 11 according to the second embodiment of the present invention includes a plate-shaped electrolyte layer 6 having a square cross section, and a first formed on the outer edge of the electrolyte layer 6. The electrode layer 2 and the second electrode layer 3 formed at the center of the surface of the electrolyte layer 6 surrounded by the first electrode layer 2 are provided. The first electrode layer 2 and the second electrode layer 3 are connected to a current collector (not shown) (for example, a metal interconnector). Similarly to the single chamber fuel cell 10, the single chamber fuel cell 11 has a surface area of the first electrode layer 2 larger than that of the second electrode layer 3, and the total surface area of the catalyst contained in the first electrode layer 2. Is larger than the total surface area of the catalyst contained in the second electrode layer 3. Thus, even if the shape of the electrolyte layer is not a disc shape, the formation of the electrochemical reaction in the first electrode layer 2 by forming the second electrode layer 3 in the region surrounded by the first electrode layer 2 The difference between the frequency and the frequency of occurrence of the electrochemical reaction in the second electrode layer 3 can be reduced, and the entire surface of the electrolyte layer 6 can function as an ion conduction path. Therefore, the single chamber type fuel cell 11 which can improve performance can be provided by setting it as this form.

ここで、第2実施形態にかかる単室型燃料電池11は、断面が四角形である電解質層6を備え、当該電解質層6の外縁部に第1電極層2が形成される。そのため、第1電極層2の部位によって第2電極層3との距離にバラツキが生じ、四角形の頂点に位置する第1電極層2と第2電極層3との距離が最大になる。それゆえ、円板形状の電解質層1が備えられることで、第1電極層2と第2電極層3との距離が略一定であった単室型燃料電池10と比較して、単室型燃料電池11はイオン伝導抵抗が増大しやすい。したがって、性能を向上させやすい単室型燃料電池を提供する等の観点からは、円板形状の電解質層1が備えられる単室型燃料電池10とすることが好ましい。これに対し、複数の単室型燃料電池を積層して単室型燃料電池積層体を形成する際に、位置決めをしやすい形態の単室型燃料電池を提供する等の観点からは、断面が四角形の電解質層6を備える形態の、単室型燃料電池11とすることが好ましい。   Here, the single-chamber fuel cell 11 according to the second embodiment includes the electrolyte layer 6 having a square cross section, and the first electrode layer 2 is formed on the outer edge of the electrolyte layer 6. For this reason, the distance between the first electrode layer 2 and the second electrode layer 3 varies depending on the portion of the first electrode layer 2, and the distance between the first electrode layer 2 and the second electrode layer 3 located at the apex of the quadrangle is maximized. Therefore, by providing the disc-shaped electrolyte layer 1, compared with the single-chamber fuel cell 10 in which the distance between the first electrode layer 2 and the second electrode layer 3 is substantially constant, The fuel cell 11 tends to increase the ion conduction resistance. Therefore, from the viewpoint of providing a single-chamber fuel cell that easily improves performance, the single-chamber fuel cell 10 provided with the disc-shaped electrolyte layer 1 is preferable. On the other hand, when a single chamber fuel cell stack is formed by stacking a plurality of single chamber fuel cells, a cross section is provided from the viewpoint of providing a single chamber fuel cell that is easy to position. A single-chamber fuel cell 11 having a quadrangular electrolyte layer 6 is preferable.

本発明の単室型燃料電池10、11に関する上記説明では、第1電極層2によって囲まれた領域に一の第2電極層3が備えられる形態を例示したが、本発明は当該形態に限定されるものではない。そこで、本発明の単室型燃料電池が採り得る他の形態について、以下に説明する。   In the above description regarding the single-chamber fuel cells 10 and 11 of the present invention, a mode in which one second electrode layer 3 is provided in a region surrounded by the first electrode layer 2 is illustrated, but the present invention is limited to this mode. Is not to be done. Therefore, other modes that can be adopted by the single-chamber fuel cell of the present invention will be described below.

3.第3実施形態
図8は、第3実施形態にかかる本発明の単室型燃料電池の形態例を示す平面図である。図8の紙面奥/手前方向が、電解質層の厚み方向である。図8において、図7と同様の構成を採るものには、図7で使用した符号と同符号を付し、その説明を適宜省略する。
3. Third Embodiment FIG. 8 is a plan view showing an example of a single-chamber fuel cell according to the third embodiment of the present invention. 8 is the thickness direction of the electrolyte layer. 8, components having the same configuration as in FIG. 7 are denoted by the same reference numerals as those used in FIG. 7, and description thereof is omitted as appropriate.

図8に示すように、第3実施形態にかかる本発明の単室型燃料電池12は、板状の電解質層6と、該電解質層6の外縁部に形成された第1電極層2と、当該第1電極層2によって囲まれた領域に形成された複数の第2電極層3、3、…と、を備える。そして、第1電極層2及び第2電極層3、3、…には、図示されていない集電部材(例えば、金属製のインターコネクタ等)が接続されている。単室型燃料電池12も、単室型燃料電池10、11と同様に、第1電極層2の表面積は第2電極層3、3、…の表面積の総和よりも大きく、第2電極層2に含有される触媒の表面積の総和は、第2電極層3、3、…に含有される触媒の表面積の総和よりも大きい。このように、電解質層6に複数の第2電極層3、3、…が形成されている場合であっても、第1電極層2に含有される触媒の表面積の総和を第2電極層3、3、…に含有される触媒の表面積の総和よりも大きくすることにより、第1電極層2における電気化学反応の発生頻度と第2電極層3、3、…における電気化学反応の発生頻度との差を低減することができる。さらに、第1電極層2によって囲まれる領域に複数の第2電極層3、3、…を形成することにより、電解質層6の表面全体をイオンの伝導経路として機能させることができる。それゆえ、かかる形態とすることで、性能を向上させ得る単室型燃料電池12を提供することができる。   As shown in FIG. 8, the single-chamber fuel cell 12 of the present invention according to the third embodiment includes a plate-like electrolyte layer 6, a first electrode layer 2 formed on the outer edge of the electrolyte layer 6, A plurality of second electrode layers 3, 3... Formed in a region surrounded by the first electrode layer 2. A current collecting member (not shown) (for example, a metal interconnector) is connected to the first electrode layer 2 and the second electrode layers 3, 3,. Similarly to the single-chamber fuel cells 10 and 11, the single-chamber fuel cell 12 also has a surface area of the first electrode layer 2 larger than the sum of the surface areas of the second electrode layers 3, 3,. The sum of the surface areas of the catalysts contained in is larger than the sum of the surface areas of the catalysts contained in the second electrode layers 3, 3. As described above, even when the plurality of second electrode layers 3, 3,... Are formed on the electrolyte layer 6, the total surface area of the catalyst contained in the first electrode layer 2 is determined as the second electrode layer 3. Are made larger than the sum of the surface areas of the catalysts contained in the three electrode layers, and so on, and the frequency of electrochemical reaction in the first electrode layer 2 and the frequency of electrochemical reaction in the second electrode layers 3, 3,. Can be reduced. Further, by forming a plurality of second electrode layers 3,... In a region surrounded by the first electrode layer 2, the entire surface of the electrolyte layer 6 can function as an ion conduction path. Therefore, by adopting such a configuration, it is possible to provide the single-chamber fuel cell 12 that can improve the performance.

本発明の単室型燃料電池において、電解質層に形成される第1電極層及び第2電極層(以下これらをまとめて単に「電極層」ということがある。)の幅は、特に限定されるものではない。ただし、単室型燃料電池の起電力は、第2電極層に面した第1電極層の表面と、第1電極層に面した第2電極層の表面との間で生じ、電極層の幅を広くしても、隣接する他の電極層に面した表面から離れた位置に存在する触媒は、有効に活用されないと考えられる。そこで、必要十分な量の触媒を分散させることにより、性能向上とコスト低減とを両立させ得る形態の単室型燃料電池を得る等の観点からは、電解質層に形成される電極層の幅を狭くすることが好ましい。   In the single-chamber fuel cell of the present invention, the widths of the first electrode layer and the second electrode layer (hereinafter collectively referred to as “electrode layer”) formed in the electrolyte layer are particularly limited. It is not a thing. However, the electromotive force of the single-chamber fuel cell is generated between the surface of the first electrode layer facing the second electrode layer and the surface of the second electrode layer facing the first electrode layer, and the width of the electrode layer However, it is considered that a catalyst present at a position away from the surface facing another adjacent electrode layer is not effectively utilized. Therefore, by dispersing a necessary and sufficient amount of catalyst, from the viewpoint of obtaining a single-chamber fuel cell that can achieve both performance improvement and cost reduction, the width of the electrode layer formed on the electrolyte layer is reduced. It is preferable to make it narrow.

本発明において、電解質層1、6は、200℃以上1000℃以下の温度領域で酸化物イオン又は水素イオンの伝導性能を発現し、かつ、燃料電池運転時の環境(耐熱性等)に耐え得るイオン伝導体(イオン伝導材料)により構成されていれば、その構成材料は特に限定されるものではない。上記温度領域で酸化物イオンの伝導性能を発現するイオン伝導材料の具体例としては、イットリア安定化ジルコニア(YSZ:Y安定化ZrO)、スカンジア安定化ジルコニア(SSZ:Sc安定化ZrO)、ランタンガレート(LaGaO)、セリア系酸化物(例えば、SDC:CeSm1−xOy)、ランタンガリウムペロブスカイト型複合酸化物(LSGM:(La,Sr)(Ga,Mg)O)、GDC(CeGd1−x)、ESB(Bi2−xEr)、及び、DWSB(Bi2−(x+y)Dy)等を挙げることができる。一方、上記温度領域で水素イオンの伝導性能を発現するイオン伝導材料の具体例としては、バリウムセレート(BaCeO)、及び、ストロンチウムセレート(SrCeO)等を挙げることができる。 In the present invention, the electrolyte layers 1 and 6 exhibit oxide ion or hydrogen ion conduction performance in a temperature range of 200 ° C. or higher and 1000 ° C. or lower and can withstand the environment (heat resistance, etc.) during fuel cell operation. As long as it is made of an ionic conductor (ion conducting material), the constituent material is not particularly limited. Specific examples of ion conductive materials that exhibit oxide ion conductivity in the above temperature range include yttria stabilized zirconia (YSZ: Y 2 O 3 stabilized ZrO 2 ), scandia stabilized zirconia (SSZ: Sc 2 O 3). Stabilized ZrO 2 ), lanthanum gallate (LaGaO 3 ), ceria-based oxide (for example, SDC: Ce x Sm 1-x Oy), lanthanum gallium perovskite complex oxide (LSGM: (La, Sr) (Ga, Mg) ) O 3), GDC (Ce x Gd 1-x O 2), ESB (Bi 2-x Er x O 3), and, DWSB (Bi 2- (x + y) be mentioned Dy x W y O 3) or the like Can do. On the other hand, specific examples of the ion conductive material exhibiting hydrogen ion conductivity in the above temperature range include barium serate (BaCeO 3 ) and strontium serate (SrCeO 3 ).

また、本発明において、第1電極層2及び第2電極層3は、上記温度領域で単室型燃料電池のアノード又はカソードとして機能する、燃料電池運転時の環境に耐え得る材料により構成されていれば、その形態は特に限定されるものではない。当該要件を満たすアノード構成材料の具体例としては、ニッケル・ジルコニアサーメット等を挙げることができ、当該要件を満たすカソード構成材料の具体例としては、ランタンマンガナイト(LaMnO)等を挙げることができる。 In the present invention, the first electrode layer 2 and the second electrode layer 3 are made of a material that can function as an anode or a cathode of a single-chamber fuel cell in the above temperature range and can withstand the environment during fuel cell operation. If it is, the form will not be specifically limited. Specific examples of the anode constituent material satisfying the requirement include nickel / zirconia cermet, and specific examples of the cathode constituent material satisfying the requirement include lanthanum manganite (LaMnO 3 ) and the like. .

また、本発明において、第1電極層と第2電極層とを電気的に接続するインターコネクタは、SOFCのインターコネクタを構成する公知の材料によって構成することができる。   In the present invention, the interconnector that electrically connects the first electrode layer and the second electrode layer can be formed of a known material that constitutes the SOFC interconnector.

単室型燃料電池10の形態例を示す平面図である。1 is a plan view showing a form example of a single chamber fuel cell 10. FIG. 単室型燃料電池10の形態例を示す正面図である。1 is a front view showing a form example of a single chamber fuel cell 10. FIG. 単室型燃料電池90の形態例を示す平面図である。4 is a plan view showing an example of a single-chamber fuel cell 90. FIG. 単室型燃料電池90の形態例を示す正面図である。2 is a front view showing a form example of a single-chamber fuel cell 90. FIG. 単室型燃料電池91の形態例を示す正面図である。3 is a front view showing an example of a single chamber type fuel cell 91. FIG. 単室型燃料電池92の形態例を示す正面図である。3 is a front view showing an example of a configuration of a single chamber fuel cell 92. FIG. 単室型燃料電池11の形態例を示す正面図である。2 is a front view showing a form example of a single-chamber fuel cell 11. FIG. 単室型燃料電池12の形態例を示す正面図である。2 is a front view showing a form example of a single-chamber fuel cell 12. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1、6…電解質層
2、4、7…第1電極層
3、5、8…第2電極層
10、11、12…単室型燃料電池
90、91、92…単室型燃料電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 6 ... Electrolyte layer 2, 4, 7 ... 1st electrode layer 3, 5, 8 ... 2nd electrode layer 10, 11, 12 ... Single chamber type fuel cell 90, 91, 92 ... Single chamber type fuel cell

Claims (3)

電解質層と、該電解質層に形成された第1電極層及び第2電極層と、を備える単室型燃料電池であって、
前記第1電極層及び前記第2電極層に触媒が含有され、
前記第1電極層で生じる電気化学反応の反応速度が、前記第2電極層で生じる電気化学反応の反応速度よりも小さく、
前記電解質層の外縁部に前記第1電極層が形成されるとともに、該第1電極層によって囲まれた前記電解質層の表面に前記第2電極層が形成され、
前記第1電極層に含有される前記触媒の表面積の総和が、前記第2電極層に含有される前記触媒の表面積の総和よりも大きいことを特徴とする、単室型燃料電池。
A single-chamber fuel cell comprising an electrolyte layer, and a first electrode layer and a second electrode layer formed on the electrolyte layer,
A catalyst is contained in the first electrode layer and the second electrode layer,
A reaction rate of an electrochemical reaction occurring in the first electrode layer is smaller than a reaction rate of an electrochemical reaction occurring in the second electrode layer;
The first electrode layer is formed on the outer edge of the electrolyte layer, and the second electrode layer is formed on the surface of the electrolyte layer surrounded by the first electrode layer,
The single-chamber fuel cell, wherein a total surface area of the catalyst contained in the first electrode layer is larger than a total surface area of the catalyst contained in the second electrode layer.
前記第1電極層がカソードであり、前記第2電極層がアノードであることを特徴とする、請求項1に記載の単室型燃料電池。 The single-chamber fuel cell according to claim 1, wherein the first electrode layer is a cathode and the second electrode layer is an anode. 前記電解質層が円板形状であり、前記第2電極層が前記電解質層の表面中央に形成されていることを特徴とする、請求項1又は2に記載の単室型燃料電池。 The single-chamber fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the electrolyte layer has a disk shape, and the second electrode layer is formed at the center of the surface of the electrolyte layer.
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