JP5377599B2 - FUEL BATTERY CELL, CELL STACK DEVICE USING THE SAME, FUEL CELL MODULE, AND FUEL CELL DEVICE - Google Patents
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Description
本発明は、導電性支持体の表面に、インターコネクタと、燃料極層と、固体電解質層と、空気極層とを備える燃料電池セルならびにそれを用いたセルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置に関する。 The present invention relates to a fuel cell having an interconnector, a fuel electrode layer, a solid electrolyte layer, and an air electrode layer on the surface of a conductive support, and a cell stack device, a fuel cell module and a fuel cell using the same. Relates to the device.
近年、次世代エネルギーとして、燃料電池セルを電気的に直列に複数個接続してなるセルスタック装置を、収納容器内に収容してなる燃料電池装置が種々提案されている。 In recent years, various fuel cell devices in which a cell stack device in which a plurality of fuel cells are electrically connected in series are accommodated in a storage container have been proposed as next-generation energy.
このようなセルスタック装置を構成する燃料電池セルとしては、燃料ガスを流すための燃料ガス流路を内部に有する導電性支持体の一方側の主面上に多孔質の燃料極層、緻密質な固体電解質層および空気極層がこの順に積層され、他方側の主面上に、密着層、緻密質なインターコネクタが設けられているとともに、固体電解質の両端部が一方側の主面まで延設され、密着層を介してインターコネクタの両端部とそれぞれ重畳している燃料電池セルが提案されている(特許文献1参照。)。 As a fuel cell constituting such a cell stack device, a porous fuel electrode layer, a dense material is formed on the main surface on one side of a conductive support having a fuel gas flow path for flowing a fuel gas inside. A solid electrolyte layer and an air electrode layer are laminated in this order, and an adhesion layer and a dense interconnector are provided on the main surface on the other side, and both ends of the solid electrolyte extend to the main surface on one side. There has been proposed a fuel cell that is provided and overlaps with both end portions of the interconnector via an adhesion layer (see Patent Document 1).
また、このような燃料電池セルの複数個を集電部材を介して電気的に直列に接続してなるセルスタック装置が提案されている(例えば、特許文献2参照。)。 In addition, a cell stack device is proposed in which a plurality of such fuel cells are electrically connected in series via current collecting members (see, for example, Patent Document 2).
ところで、燃料電池装置の作動時に、燃料極層、密着層とインターコネクタとの熱膨張差や、燃料極層、密着層に含有される鉄族の金属酸化物が鉄族金属に還元されることに伴う還元収縮により、燃料極層、密着層とインターコネクタとの接合面が剥離する場合があり、その場合に燃料電池セルの内部に設けられた燃料ガス流路を流れた燃料ガスが多孔質の燃料極層、密着層からリークし、燃料電池セルの長期信頼性が低下するおそれがある。 By the way, during the operation of the fuel cell device, the difference in thermal expansion between the fuel electrode layer and the adhesion layer and the interconnector, and the iron group metal oxide contained in the fuel electrode layer and the adhesion layer is reduced to the iron group metal. Due to the reduction shrinkage, the joining surface of the fuel electrode layer, the adhesion layer and the interconnector may be peeled off. In this case, the fuel gas flowing through the fuel gas flow path provided inside the fuel cell is porous. The fuel electrode layer and the adhesion layer may leak, and the long-term reliability of the fuel cell may be reduced.
それゆえ、本発明は燃料ガス流路を流れた燃料ガスがリークすることを抑制することができる燃料電池セルならびにそれを備えたセルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置を提供することにある。 Therefore, the present invention is to provide a fuel cell capable of suppressing the leakage of the fuel gas flowing through the fuel gas flow path, and a cell stack device, a fuel cell module, and a fuel cell device including the fuel cell. .
本発明の燃料電池セルは、柱状の導電性支持体の一方側主面に、NiおよびNiOのうち少なくとも一方を含有する密着層と、該密着層上に設けられた緻密質なインターコネクタとを備え、他方側主面に、鉄族金属および鉄族金属の酸化物のうち少なくとも一方を含
有する多孔質の燃料極層と、緻密質な固体電解質層と、多孔質の空気極層とがこの順に積層された積層体を備えてなり、前記固体電解質層および前記燃料極層の両端部が前記導電性支持体の他方側主面から側面を介して前記一方側主面まで延設され、前記固体電解質層の両端部と前記インターコネクタの両端部とが接合し、前記燃料極層と前記インターコネクタとの間に前記固体電解質層の一部が介在していることを特徴とする。
In the fuel cell of the present invention, an adhesive layer containing at least one of Ni and NiO and a dense interconnector provided on the adhesive layer are formed on one main surface of a columnar conductive support. A porous fuel electrode layer containing at least one of an iron group metal and an iron group metal oxide, a dense solid electrolyte layer, and a porous air electrode layer on the other main surface. Comprising a laminated body sequentially laminated, and both ends of the solid electrolyte layer and the fuel electrode layer are extended from the other principal surface of the conductive support to the one principal surface via a side surface, wherein both ends of the solid electrolyte layer are joined and both end portions of the interconnector is a portion of the solid electrolyte layer is characterized in that interposed between the inter connctor and the fuel electrode layer.
このような燃料電池セルにおいては、固体電解質層の両端部とインターコネクタの両端部とが接合していることから、燃料ガスが多孔質の燃料極層、密着層から燃料電池セルの外側へ漏れる(リーク)ことを抑制するまたは防止することができる。それにより、燃料電池セルの長期信頼性を向上させることができる。
In such a fuel cell, since the both end portions of the both end portions and the interconnector of the solid electrolyte layer are joined, fuel gas porous fuel electrode layer, to the outside of the fuel cell from the contact layer Leakage (leakage) can be suppressed or prevented. Thereby, the long-term reliability of the fuel cell can be improved.
本発明のセルスタック装置は、上記の燃料電池セルを、集電部材を介して立設させた状態で複数個配列し、電気的に直列に接続してなるセルスタックと、前記燃料電池セルの下端部を固定するとともに、前記燃料電池セルに燃料ガスを供給するためのマニホールドとを具備することを特徴とする。
The cell stack device of the present invention, the above-mentioned fuel cell, a plurality arranged in a state of being erected via a current collecting member, the cell stack formed by electrically connecting in series, the fuel cell And a manifold for supplying fuel gas to the fuel battery cell.
このようなセルスタック装置においては、燃料ガスのリークを抑制(防止)することができる燃料電池セルを複数個配列してなることから、長期信頼性の向上したセルスタック装置とすることができる。 In such a cell stack apparatus, since a plurality of fuel cells that can suppress (prevent) fuel gas leakage are arranged, a cell stack apparatus with improved long-term reliability can be obtained.
本発明の燃料電池モジュールは、上記に記載のセルスタック装置を収納容器に収納してなることから、長期信頼性の向上した燃料電池モジュールとすることができる。 Since the fuel cell module of the present invention is formed by housing the cell stack device described above in a storage container, the fuel cell module can be improved in long-term reliability.
本発明の燃料電池装置は、上記に記載の燃料電池モジュールと、燃料電池モジュールを動作させるための補機とを外装ケース内に収納してなることから、長期信頼性の向上した燃料電池装置とすることができる。 The fuel cell device according to the present invention comprises the above-described fuel cell module and an auxiliary machine for operating the fuel cell module in an outer case, and thus a fuel cell device with improved long-term reliability. can do.
本発明の燃料電池セルは、固体電解質層の両端部とインターコネクタの両端部とが接合していることから、燃料極層、密着層から燃料ガスがリークすることを抑制することができ、燃料電池セルの長期信頼性を向上させることができる。また上記の燃料電池セルを備えることで、長期信頼性の向上したセルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置とすることができる。
Fuel cell of the present invention, since the both end portions of the both end portions and the interconnector of the solid electrolyte layer are joined, Ki de is possible to prevent the fuel gas from leaking from the fuel Ryokyokuso, adhesion layer The long-term reliability of the fuel cell can be improved. Further, by providing the fuel cell described above, a cell stack device, a fuel cell module, and a fuel cell device with improved long-term reliability can be obtained.
図1は、本発明の燃料電池セルの一例を示すものであり、(a)は横断面図、(b)は(a)の斜視図である。なお、両図面において、燃料電池セル1の各構成を一部拡大等して示している。また、同一の部材に関しては同一の符号を付するものとし、以下同様とする。
FIG. 1 shows an example of a fuel cell according to the present invention, in which (a) is a cross-sectional view and (b) is a perspective view of (a). In both drawings, each configuration of the
燃料電池セル1は、中空平板型の形状をしており、全体的に見て楕円柱状をした導電性支持体2を備えている。導電性支持体2の内部には、所定の間隔で長手方向の一端から他端まで貫通した複数の燃料ガス流路7が形成されており、燃料電池セル1はこの導電性支持体2上に各種の部材が設けられた構造を有している。
The
導電性支持体2は、図1に示されている形状から理解されるように、互いに平行な一対の平坦面nと、一対の平坦面nをそれぞれ接続する弧状面(側面)mとで構成されている。
As understood from the shape shown in FIG. 1, the
導電性支持体2の一方の平坦面nには、緻密質なインターコネクタ6が導電性支持体2の長手方向の一端から他端にかけて設けられており、インターコネクタ6に隣接した状態で、インターコネクタ6が設けられていない他方の平坦面nおよび両側面mに多孔質の燃料極層3と、燃料極層3の外面を覆うように緻密質な固体電解質層4と、多孔質の空気極層5とが積層された積層体とが設けられている。なお図1に示す燃料電池セル1においては、導電性支持体2の他方の主面における固体電解質層4上には中間層8を介して、燃料極層3(より詳しくはインターコネクタ6)と対面するように空気極層5が積層されている。
On one flat surface n of the
図1に示す燃料電池セル1においては、燃料極層3および固体電解質層4は、両端の弧状面mを経由してインターコネクタ6の燃料電池セル1の周方向(幅方向)における両側部まで延設しており、燃料極層3とインターコネクタ6との間に固体電解質層4の一部を介在させて設けられており、導電性支持体2の表面(外面)が外部に露出しないように、それぞれが当接するように設けられている。なお、燃料極層3は空気極層5と対面する領域にのみ設け、その他の領域は固体電解質4にて覆う構成としてもよい。
In the
また、導電性支持体2とインターコネクタ6との間に密着層9が設けられている。密着層9を設けることで導電性支持体2とインターコネクタ6との接合を強固にすることができる。
The
ここで、燃料電池セル1は、燃料極層3と空気極層5との対面している部分が電極として機能することにより発電する。即ち、空気極層5の外側に空気等の酸素含有ガスを流し、且つ導電性支持体2内の燃料ガス流路7に燃料ガス(水素含有ガス)を流し、所定の作動温度まで加熱することにより発電する。かかる発電によって生じた電流は、導電性支持体2の表面に設けられたインターコネクタ6を介して集電される。
Here, the
以下に、本発明の燃料電池セル1を構成する各部材について説明する。
Below, each member which comprises the
導電性支持体2は、燃料ガスを燃料極層3まで透過させるためにガス透過性であること、インターコネクタ6を介して集電を行うために導電性であることが要求されることから、例えば、NiおよびNiOのうち少なくとも一方と、特定の希土類酸化物とにより形成されることが好ましい。
Since the
特定の希土類酸化物とは、導電性支持体2の熱膨張係数を固体電解質層4の熱膨張係数に近づけるために使用されるものであり、Y、Lu(ルテチウム)、Yb、Tm(ツリウム)、Er(エルビウム)、Ho(ホルミウム)、Dy(ジスプロシウム)、Gd、Sm、Pr(プラセオジム)からなる群より選択される少なくとも1種の元素を含む希土類酸化物が、NiおよびNiOのうち少なくとも一方との組み合わせで使用することができる。このような希土類酸化物の具体例としては、Y2O3、Lu2O3、Yb2O3、Tm2O3、Er2O3、Ho2O3、Dy2O3、Gd2O3、Sm2O3、Pr2O3を例示することができ、NiおよびNiOのうち少なくとも一方との固溶、反応が殆どなく、また、熱膨張係数が固体電解質層4とほとんど同程度であり、かつ安価であるという点から、Y2O3、Yb2O3が好ましい。
The specific rare earth oxide is used to make the thermal expansion coefficient of the
また、本発明においては、導電性支持体2の良好な導電率を維持し、かつ熱膨張係数を固体電解質層4と近似させるという点で、焼成−還元後における体積比率が、Ni:希土類元素酸化物(例えば、Ni:Y2O3)が35:65〜65:35(Ni/(Ni+Y)がモル比で65〜86mol%)の範囲にあることが好ましい。なお、導電性支持体2中には、要求される特性が損なわれない限りの範囲で、他の金属成分や酸化物成分を含有していてもよい。
In the present invention, the volume ratio after firing-reduction is Ni: rare earth element in terms of maintaining good conductivity of the
また、導電性支持体2は、ガス透過性を有していることが必要であるため、通常、気孔率が30%以上、特に35〜50%の範囲にあることが好ましい。また、導電性支持体2の導電率は、50S/cm以上、より好ましくは300S/cm以上、特に好ましくは440S/cm以上とすることがよい。
Moreover, since the
なお、導電性支持体2の平坦面nの長さ(導電性支持体2の幅方向の長さ)は、通常、15〜35mm、弧状面mの長さ(弧の長さ)は、2〜8mmであり、導電性支持体2の厚み(平坦面n間の厚み)は1.5〜5mmであることが好ましい。 Note that the length of the flat surface n of the conductive support 2 (length in the width direction of the conductive support 2) is usually 15 to 35 mm, and the length of the arcuate surface m (arc length) is 2. The thickness of the conductive support 2 (thickness between the flat surfaces n) is preferably 1.5 to 5 mm.
燃料極層3は、電極反応を生じさせるものであり、鉄族金属であるNiおよびNiOのうち少なくとも一方と、希土類元素が固溶したZrO2とから形成することができる。なお、希土類元素としては、導電性支持体2において例示した希土類元素(Y等)を用いることができる。
The
燃料極層3において、NiおよびNiOのうち少なくとも一方と、希土類元素が固溶したZrO2の含有量は、焼成−還元後における体積比率が、Ni:希土類元素が固溶したZrO2(例えば、NiO:YSZ)が35:65〜65:35の範囲にあるのが好ましい。さらに、この燃料極層3の気孔率は、15%以上、特に20〜40%の範囲にあるのが好ましく、その厚みは、1〜30μmであるのが好ましい。例えば、燃料極層4の厚みがあまり薄いと、性能が低下するおそれがあり、またあまり厚いと、後述する固体電解質層4と燃料極層3との間で熱膨張係数差等による剥離やクラックを生じるおそれがある。
In the
固体電解質層4は、3〜15モル%のY(イットリウム)、Sc(スカンジウム)、Yb(イッテルビウム)等の希土類元素を含有した部分安定化あるいは安定化ZrO2からなる緻密質なセラミックスを用いるのが好ましい。また、希土類元素としては、安価であるという点からYが好ましい。さらに、固体電解質層4は、ガス透過を防止するという点
から、相対密度(アルキメデス法による)が93%以上、特に95%以上の緻密質であることが望ましく、かつその厚みが5〜50μmであることが好ましい。
The
なお、固体電解質層4と後述する空気極層5の間に、固体電解質層4と空気極層5との接合を強固とするとともに、固体電解質層4の成分と空気極層5の成分とが反応して電気抵抗の高い反応層が形成されることを抑制する目的で中間層8を備えることもでき、図1に示した燃料電池セル1においては中間層8を備えた例を示している。
In addition, the
ここで、中間層8は、Ce(セリウム)と他の希土類元素とを含有する組成にて形成することができ、例えば、(CeO2)1−x(REO1.5)x(REはSm、Y、Yb、Gdの少なくとも1種であり、xは0<x≦0.3を満足する数。)で表される組成を有していることが好ましい。さらには、電気抵抗を低減するという点から、REとしてSmやGdを用いることが好ましく、例えば10〜20モル%のSmO1.5またはGdO1.5が固溶したCeO2からなることが好ましい。なお、中間層8は例えば2層より構成することもでき、この場合1層目を固体電解質層4と同時焼成により設けた後に、同時焼成よりも200℃以上低い温度にて2層目を別途焼成することが好ましい。
Here, the
また、空気極層5は、ガス透過性を有する必要があり、従って、空気極層5を形成する導電性セラミックス(ペロブスカイト型酸化物)は、気孔率が20%以上、特に30〜50%の範囲にあることが好ましい。さらに、空気極層5の厚みは、集電性という点から30〜100μmであることが好ましい。
Further, the
また、導電性支持体2の空気極層5側と反対側の表面(一方の平坦面n)上には、密着層9を介してインターコネクタ6が積層されている。
An
インターコネクタ6は、導電性セラミックスにより形成されることが好ましいが、燃料ガス(水素含有ガス)および酸素含有ガスと接触するため、耐還元性、耐酸化性を有していることが必要である。このため、耐還元性、耐酸化性を有する導電性セラミックスとしては、一般に、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物(LaCrO3系酸化物)が使用され、特に導電性支持体2と固体電解質層4との熱膨張係数を近づける目的から、LaCrO3系酸化物が用いられる。
The
また、インターコネクタ6の厚みは、ガスのリーク防止と電気抵抗という点から、10〜50μmであることが好ましい。この範囲よりも厚みが薄いと、ガスのリークを生じやすく、またこの範囲よりも厚みが大きいと、電気抵抗が大きく、電位降下により集電機能が低下してしまうおそれがある。
Further, the thickness of the
さらに、導電性支持体2とインターコネクタ6との間には、インターコネクタ6と導電性支持体2との間の熱膨張係数差を軽減する等のために密着層9が設けられている。
Furthermore, between the
密着層9は、例えば、希土類元素酸化物、希土類元素が固溶したZrO2、希土類元素が固溶したCeO2のうち少なくとも1種と、NiおよびNiOのうち少なくとも一方とから形成することができる。より具体的には、例えばY2O3とNiおよびNiOのうち少なくとも一方からなる組成や、Yが固溶したZrO2(YSZ)とNiおよびNiOのうち少なくとも一方からなる組成、Y、Sm、Gd等が固溶したCeO2とNiおよびNiOのうち少なくとも一方からなる組成から形成することができる。なお、希土類元素酸化物や希土類元素が固溶したZrO2(CeO2)と、NiおよびNiOのうち少なくとも一方とは、焼成−還元後における体積比率が40:60〜60:40の範囲となるように形成することが好ましい。
The
また、図示していないが、インターコネクタ6の外面(上面)には、P型半導体層を設けることが好ましい。集電部材を、P型半導体層を介してインターコネクタ6に接続させることにより、両者の接触がオーム接触となり、電位降下を少なくでき、集電性能の低下を有効に回避することが可能となる。
Although not shown, it is preferable to provide a P-type semiconductor layer on the outer surface (upper surface) of the
このようなP型半導体層としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物からなる層を例示することができる。具体的には、電子伝導性が大きいもの、例えば、BサイトにMn、Fe、Coなどが存在するLaMnO3系酸化物、LaFeO3系酸化物、LaCoO3系酸化物などの少なくとも一種からなるP型半導体セラミックスを使用することができる。このようなP型半導体層の厚みは、一般に、30〜100μmの範囲にあることが好ましい。 As such a P-type semiconductor layer, a layer made of a transition metal perovskite oxide can be exemplified. Specifically, P having a high electron conductivity, for example, P made of at least one kind of LaMnO 3 -based oxide, LaFeO 3 -based oxide, LaCoO 3 -based oxide in which Mn, Fe, Co, etc. exist at the B site. Type semiconductor ceramics can be used. In general, the thickness of such a P-type semiconductor layer is preferably in the range of 30 to 100 μm.
ところで、従来の燃料電池セルにおいては、燃料電池セルの作製時や、還元処理時に、燃料極層3、密着層9とインターコネクタ6との熱膨張差や、燃料極層3、密着層9に含有される鉄族の金属酸化物が鉄族金属に還元されることに伴う還元収縮により、燃料極層3、密着層9とインターコネクタ6との接合面が剥離する場合があり、燃料電池セル1の内部に設けられた燃料ガス流路7を流れた燃料ガスが多孔質の燃料極層3、密着層9からリークし、燃料電池セル1の長期信頼性が低下するおそれがある。
By the way, in the conventional fuel cell, the difference in thermal expansion between the
図1に示す燃料電池セル1は、燃料電池セル1の周方向(幅方向)におけるインターコネクタ6の両端部が燃料電池セル1の幅方向における固体電解質層4の両端部に積層され、接合されていることから、燃料ガスが多孔質の燃料極層3、密着層9からリークすることを抑制することができる。そのため、燃料電池セル1の長期信頼性を向上させることが
できる。
In the
ところで、上述した燃料電池セル1を作製して、燃料ガス流路7に燃料ガスを流して還元処理を行なった場合に、燃料極層3および密着層9に含有されるNiOが還元されてNiとなることに伴って、燃料極層3および密着層9に空隙が生じ、燃料極層3および密着層9から燃料ガスがリークする場合がある。
By the way, when the
しかしながら、図1に示す燃料電池セル1は、固体電解質層4の両端部とインターコネクタ6の両端部とが接合していることから、燃料極層3および密着層9に含有されるNiOがNiに還元され、燃料極層3および密着層9に空隙が生じた場合にも、燃料ガスがリークすることを抑制でき、燃料電池セル1の発電効率が低下することを抑制することができる。
However, in the
また、図2に示す燃料電池セル10は、燃料電池セル1の幅方向における固体電解質層4の両端部が燃料電池セル1の幅方向における両端部インターコネクタ6に積層され、接合されている。それにより、固体電解質層4とインターコネクタ6との接合面積を増やすことができ、インターコネクタ6と積層体(固体電解質層4)とが剥離することを抑制することができる。
2, both end portions of the
それにより、燃料極層3、密着層9から燃料ガスがリークすることを抑制することができ、長期信頼性の向上した燃料電池セルとすることができる。
As a result, the fuel gas can be prevented from leaking from the
以上説明した本発明の燃料電池セル1の作製方法について説明する。
A method for producing the
先ず、NiおよびNiOの少なくとも一方の粉末と、Y2O3などの希土類酸化物の粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合して坏土を調製し、この坏土を用いて押出成形により導電性支持体成形体を作製し、これを乾燥する。なお、導電性支持体成形体として、導電性支持体成形体を900〜1000℃にて2〜6時間仮焼した仮焼体を用いてもよい。 First, a clay is prepared by mixing at least one powder of Ni and NiO, a powder of a rare earth oxide such as Y 2 O 3 , an organic binder, and a solvent, and using this clay, extrusion molding is performed. A conductive support molded body is prepared and dried. In addition, as the conductive support molded body, a calcined body obtained by calcining the conductive support molded body at 900 to 1000 ° C. for 2 to 6 hours may be used.
次に、例えば所定の調合組成に従いNiO、Y2O3が固溶したZrO2(YSZ)の素原料を秤量、混合する。この後、混合した粉体に、有機バインダーおよび溶媒を混合して燃料極層用スラリーを調製する。 Next, the raw material of ZrO 2 (YSZ) in which NiO and Y 2 O 3 are dissolved, for example, is weighed and mixed according to a predetermined composition. Thereafter, an organic binder and a solvent are mixed with the mixed powder to prepare a slurry for the fuel electrode layer.
さらに、希土類元素が固溶したZrO2粉末に、トルエン、バインダー、市販の分散剤等を加えてスラリー化したものをドクターブレード等の方法により、7〜75μmの厚さに成形してシート状の固体電解質層4成形体を作製する。得られたシート状の固体電解質層成形体上に燃料極層用スラリーを塗布して燃料極層成形体が形成された積層体成形体を形成し、この積層体成形体を、燃料極層成形体を下面として導電性支持体成形体に積層する。なお、この際、固体電解質層成形体の大きさを燃料極層3成形体よりも大きくすることで、燃料電池セル1は、燃料極層成形体の外面を覆うとともに、後に形成されるインターコネクタと燃料極層との間に固体電解質層の一部を介在させて備えることができる。
Further, a slurry obtained by adding toluene, a binder, a commercially available dispersant, etc. to a ZrO 2 powder in which a rare earth element is solid-solubilized is molded to a thickness of 7 to 75 μm by a method such as a doctor blade. A
なお、燃料極層用スラリーを導電性支持体成形体の所定位置に塗布し乾燥して、燃料極層成形体が外面に露出しないように固体電解質層成形体を導電性支持体成形体(燃料極層成形体)に積層しても良い。 In addition, the slurry for the fuel electrode layer is applied to a predetermined position of the conductive support molded body and dried, so that the solid electrolyte layer molded body is not exposed to the outer surface. You may laminate | stack on an extreme layer molded object.
続いて固体電解質層4と空気極層5との間に配置する中間層8成形体を形成する。
Subsequently, an
例えば、GdO1.5が固溶したCeO2粉末を800〜900℃にて2〜6時間、熱処理を行い、その後、湿式解砕して凝集度を5〜35に調整し、中間層成形体用の原料粉末を調整する。湿式解砕は溶媒を用いて10〜20時間ボールミルすることが望ましい。なお、中間層をSmO1.5が固溶したCeO2粉末より形成する場合も同様である。 For example, CeO 2 powder in which GdO 1.5 is dissolved is heat-treated at 800 to 900 ° C. for 2 to 6 hours, and then wet pulverized to adjust the aggregation degree to 5 to 35, thereby forming an intermediate layer molded body. Prepare raw material powder for use. The wet crushing is desirably ball milled for 10 to 20 hours using a solvent. The same applies when the intermediate layer is formed of CeO 2 powder in which SmO 1.5 is dissolved.
そして、凝集度が調製された中間層成形体の原料粉末に、溶媒としてトルエンを添加し、中間層用スラリーを作製し、このスラリーを固体電解質層成形体上に塗布して中間層成形体を作製する。なお、シート状の中間層成形体を作製し、これを固体電解質層成形体上に積層してもよい。 Then, toluene is added as a solvent to the raw material powder of the intermediate layer molded body whose cohesion degree is adjusted to prepare a slurry for the intermediate layer, and this slurry is applied onto the solid electrolyte layer molded body to obtain the intermediate layer molded body. Make it. In addition, a sheet-like intermediate layer molded body may be prepared and laminated on the solid electrolyte layer molded body.
続いて、インターコネクタ用材料(例えば、LaCrMgO3系酸化物粉末)、有機バインダー及び溶媒を混合してスラリーを調製し、インターコネクタ用シートを作製する。 Subsequently, a material for an interconnector (for example, LaCrMgO 3 oxide powder), an organic binder, and a solvent are mixed to prepare a slurry, and an interconnector sheet is prepared.
続いて、導電性支持体2とインターコネクタ6との間に位置する密着層9成形体を形成する。例えば、Yが固溶したZrO2とNiOが体積比で40:60〜60:40の範囲となるように混合して乾燥し、有機バインダー等を加えて密着層用スラリーを調整する。調整した密着層用スラリーを、インターコネクタ用シートに塗布して密着層9成形体を形成し、この密着層成形体側の面を導電性支持体成形体に積層する。
Then, the
なお、図2に示す燃料電池セル10の場合は、導電性支持体2成形体を作製した後に密着層成形体を介してインターコネクタ用シートを導電性支持体成形体に積層し、その後に固体電解質4成形体および燃料極層成形体を導電性支持体成形体に、燃料極層3とインターコネクタ6との間に固体電解質層4の一部を介在させて設けられるように積層して作製
すればよい。
In the case of the
次いで、上記の積層成形体を脱バインダー処理し、酸素含有雰囲気中、1400℃〜1600℃にて2〜6時間、同時焼結(同時焼成)する。 Next, the above-mentioned laminated molded body is subjected to binder removal treatment, and is simultaneously sintered (simultaneously fired) in an oxygen-containing atmosphere at 1400 ° C. to 1600 ° C. for 2 to 6 hours.
なお、中間層8を2層から形成する場合には、空気極層側の中間層は、同時焼成された中間層8(1層目)の上面に、上述の中間層用スラリーを塗布した後、上記同時焼成時の温度よりも200℃以上低い温度にて焼成する。
When the
次いで、空気極層用材料(例えば、LaCoO3系酸化物粉末)、溶媒および増孔剤を含有するスラリーをディッピング等により中間層8上に塗布する。また、インターコネクタ6の所定の位置に、必要によりP型半導体層用材料(例えば、LaCoO3系酸化物粉末)と溶媒を含むスラリーを、ディッピング等により塗布し、1000〜1300℃で、2〜6時間焼き付けることにより、図1に示す構造の本発明の燃料電池セル1を製造できる。なお、燃料電池セル1は、その後、内部に水素ガスを流し、導電性支持体2および燃料極層3の還元処理を行なうのが好ましい。その際、例えば750〜1000℃にて5〜20時間還元処理を行なうのが好ましい。
Next, a slurry containing an air electrode layer material (for example, LaCoO 3 oxide powder), a solvent, and a pore increasing agent is applied on the
以上のように、本発明の燃料電池セル1の作製時において、燃料電池セル1は、固体電解質層4の両端部とインターコネクタ6の両端部とが接合し、多孔質の燃料極層3、密着層9が緻密質なインターコネクタおよび緻密質な固体電解質層で封止されていることにより、燃料ガスが多孔質の燃料極層3、密着層9からリークすることを抑制することができる。それにより、長期信頼性の向上した燃料電池セル1とすることができる。
As described above, at the time of producing the
さらに、インターコネクタ6の両端部が、燃料電池セル1の幅方向における固体電解質層4の両端部上に積層されていることから、固体電解質層4とインターコネクタ6との接合面積を増やすことができ、インターコネクタ6と積層体(固体電解質層4)とが剥離することを抑制することができる。
Further, since both end portions of the
また、燃料電池セル1の周方向(幅方向)における固体電解質層4の両端部が、燃料電池セル10の幅方向におけるインターコネクタ6の両端部上に積層され、接合されていることから、固体電解質層4とインターコネクタ6との接合面積を増やすことができ、インターコネクタ6と積層体(固体電解質層4)とが剥離することを抑制することができる。
In addition, since both end portions of the
なお、燃料極層3とインターコネクタ6との間とは、導電性支持体2の表面において、燃料極層3とインターコネクタ6とが設けられていない領域を意味する。
Note that “between the
図3は、上述した燃料電池セル1の複数個を、集電部材14を介して電気的に直列に接続して構成されるセルスタック装置の一例を示したものであり、(a)はセルスタック装置12を概略的に示す側面図、(b)は(a)のセルスタック装置12の一部拡大平面図であり、(a)で示した点線枠で囲った部分を抜粋して示している。なお、(b)において(a)で示した点線枠で囲った部分に対応する部分を明確とするために矢印にて示している。
FIG. 3 shows an example of a cell stack device configured by electrically connecting a plurality of the above-described
なお、セルスタック装置12においては、各燃料電池セル1を集電部材14を介して配列することでセルスタック13を構成しており、各燃料電池セル1の下端が、燃料電池セル1に燃料ガスを供給するためのマニホールド15に、ガラスシール材等の接着剤により固定されている。また、燃料電池セル1の配列方向の両端から集電部材14を介してセルスタック13を挟持するように、マニホールド15に下端が固定された弾性変形可能な導電部材16を具備している。
In the
また、図3に示す導電部材16においては、燃料電池セル1の配列方向に沿って外側に向けて延びた形状で、セルスタック13(燃料電池セル1)の発電により生じる電流を引出すための電流引出し部17が設けられている。
Further, in the
ここで、本発明のセルスタック装置12においては、上述した燃料電池セル1を用いて、セルスタック13を構成することにより、多孔質の燃料極層3、密着層9が緻密質なインターコネクタおよび緻密質な固体電解質層で封止されていることにより、燃料ガスが多孔質の燃料極層3、密着層9からリークすることを抑制することができ、長期信頼性の向上したセルスタック装置12とすることができる。
Here, in the
図4は、本発明のセルスタック装置12を収納容器内に収納してなる燃料電池モジュール20の一例を示す外観斜視図であり、直方体状の収納容器21の内部に、図4に示したセルスタック装置12を収納して構成されている。
FIG. 4 is an external perspective view showing an example of a
なお、燃料電池セル1にて使用する燃料ガスを得るために、天然ガスや灯油等の原燃料を改質して燃料ガスを生成するための改質器22がセルスタック13の上方に配置されている。そして、改質器22で生成された燃料ガスは、ガス流通管23を介してマニホールド15に供給され、マニホールド15を介して燃料電池セル1の内部に設けられた燃料ガス流路7に供給される。
In order to obtain fuel gas used in the
なお、図5においては、収納容器21の一部(前後面)を取り外し、内部に収納されているセルスタック装置12および改質器22を後方に取り出した状態を示している。ここで、図4に示した燃料電池モジュール20においては、セルスタック装置12を、収納容器21内にスライドして収納することが可能である。なお、セルスタック装置12は、改質器22を含むものとしても良い。
FIG. 5 shows a state where a part (front and rear surfaces) of the
また収納容器21の内部に設けられた酸素含有ガス導入部材24は、図5においてはマニホールド15に並置されたセルスタック13の間に配置されるとともに、酸素含有ガスが燃料ガスの流れに合わせて、燃料電池セル1の側方を下端部から上端部に向けて流れるように、燃料電池セル1の下端部に酸素含有ガスを供給する。そして、燃料電池セル1の燃料ガス流路より排出される燃料ガスと酸素含有ガスとを燃料電池セル1の上端部側で燃焼させることにより、燃料電池セル1の温度を上昇させることができ、セルスタック装置12の起動を早めることができる。また、燃料電池セル1の上端部側にて、燃料電池セル1の燃料ガス流路から排出される燃料ガスと酸素含有ガスとを燃焼させることにより、燃料電池セル1(セルスタック13)の上方に配置された改質器22を効率よく温めることができる。それにより、改質器22で効率よく改質反応を行うことができる。
In addition, the oxygen-containing gas introduction member 24 provided inside the
さらに、本発明の燃料電池モジュール20においても、発電効率が向上した燃料電池セル1を用いて構成されるセルスタック装置12を収納容器21内に収納してなることから、発電効率が向上した燃料電池モジュール20とすることができる。
Furthermore, in the
図5は、外装ケース内に図5で示した燃料電池モジュール20と、燃料電池セルスタック装置12を動作させるための補機とを収納してなる本発明の燃料電池装置の一例を示す分解斜視図である。なお、図5においては一部構成を省略して示している。
FIG. 5 is an exploded perspective view showing an example of the fuel cell device of the present invention in which the
図5に示す燃料電池装置25は、支柱26と外装板27から構成される外装ケース内を仕切板28により上下に区画し、その上方側を上述した燃料電池モジュール20を収納するモジュール収納室29とし、下方側を燃料電池モジュール20を動作させるための補機類を収納する補機収納室30として構成されている。なお、補機収納室28に収納する補
機類を省略して示している。
A
また、仕切板28には、補機収納室30の空気をモジュール収納室29側に流すための空気流通口31が設けられており、モジュール収納室29を構成する外装板27の一部に、モジュール収納室29内の空気を排気するための排気口32が設けられている。
Further, the
このような燃料電池装置25においては、上述したように、発電効率を向上することができる燃料電池モジュール20をモジュール収納室29に収納して構成されることにより、発電効率の向上した燃料電池装置25とすることができる。
In such a
以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の用紙を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。 Although the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and improvements can be made without departing from the paper of the present invention.
例えば、本発明の燃料電池セル1においては、中空平板形状のものについて示したが、円筒状の燃料電池セルにおいても本発明を用いることができる。また、本発明の燃料電池セル1においては、インターコネクタ6が設けられている領域以外のほぼ全域に積層体を備える例を示したが、固体電解質層の両端部とインターコネクタの両端部とが接合していればよく、燃料ガスがリークしない燃料電池セルとすることができる。
For example, in the
先ず、平均粒径0.5μmのNiO粉末と、平均粒径0.9μmのY2O3粉末を焼成−還元後における体積比率が、NiOが48体積%、Y2O3が52体積%になるように混合し、有機バインダーと溶媒にて作製した坏土を押出成形法にて成形し、乾燥、脱脂して導電性支持体成形体を作製した。なお、試料No.1においては、Y2O3粉末の焼成−還元後における体積比率が、NiOが45体積%、Y2O3が55体積%となるようにした。 First, NiO powder having an average particle diameter of 0.5 μm and Y 2 O 3 powder having an average particle diameter of 0.9 μm are calcined and reduced to a volume ratio of 48% by volume of NiO and 52% by volume of Y 2 O 3. The kneaded material prepared with an organic binder and a solvent was molded by extrusion molding, dried and degreased to prepare a conductive support molded body. Sample No. In No. 1, the volume ratio of the Y 2 O 3 powder after calcination and reduction was such that NiO was 45% by volume and Y 2 O 3 was 55% by volume.
次に、8mol%のYが固溶したマイクロトラック法による粒径が0.8μmのZrO2粉末(固体電解質層原料粉末)と有機バインダーと溶媒とを混合して得られたスラリーを用いて、ドクターブレード法にて厚み30μmの固体電解質層用シートを作製した。 Next, using a slurry obtained by mixing a ZrO 2 powder (solid electrolyte layer raw material powder) having a particle diameter of 0.8 μm by solid micro-solution method in which 8 mol% of Y is dissolved, an organic binder, and a solvent, A sheet for a solid electrolyte layer having a thickness of 30 μm was prepared by a doctor blade method.
次に平均粒径0.5μmのNiO粉末とY2O3が固溶したZrO2粉末と有機バインダーと溶媒とを混合した燃料極層用スラリーを作製し、固体電解質層用シート上に燃料極層用スラリーを塗布して燃料極層成形体を形成した積層体成形体を形成した。なお、各試料において、固体電解質用シートおよび燃料極層用シートは、後に作製するインターコネクタと、燃料極層と固体電解質層が積層された積層体との間において、固体電解質層の一部を介在させて備えるように、表1に示すように構成されるように適宜調整して形成した。続いて、燃料極層成形体側の面を下にして導電性支持体成形体の所定位置に積層した。 Next, a slurry for a fuel electrode layer is prepared by mixing a NiO powder having an average particle size of 0.5 μm, a ZrO 2 powder in which Y 2 O 3 is dissolved, an organic binder, and a solvent, and the fuel electrode layer is formed on the solid electrolyte layer sheet. A layered product formed by applying the layer slurry to form a fuel electrode layered product was formed. In each sample, the solid electrolyte sheet and the fuel electrode layer sheet are a part of the solid electrolyte layer between the interconnector to be produced later and the laminate in which the fuel electrode layer and the solid electrolyte layer are laminated. As shown in Table 1, it was appropriately adjusted and formed so as to be interposed. Then, it laminated | stacked on the predetermined position of the electroconductive support body molded body with the surface at the side of a fuel electrode layer molded body facing down.
続いて、上記のように燃料極層成形体および固体電解質層成形体を積層した積層成形体を1000℃にて3時間仮焼処理した。 Subsequently, the laminated molded body in which the fuel electrode layer molded body and the solid electrolyte layer molded body were laminated as described above was calcined at 1000 ° C. for 3 hours.
次に、CeO2を85モル%、他の希土類元素の酸化物(GdO1.5)を15モル%含む複合酸化物を、溶媒としてイソプロピルアルコール(IPA)を用いて振動ミル又はボールミルにて粉砕し、900℃にて4時間仮焼処理を行い、再度ボールミルにて解砕処理し、セラミック粒子の凝集度を調整し、中間層用の原料粉末を得た。この粉末にアクリル系バインダーとトルエンとを添加し、混合して作製した中間層用のスラリーを得られた積層仮焼体の固体電解質層仮焼体上に、スクリーン印刷法にて塗布し、中間層成形体を作製した。 Next, a composite oxide containing 85 mol% of CeO 2 and 15 mol% of another rare earth element oxide (GdO 1.5 ) is pulverized by a vibration mill or a ball mill using isopropyl alcohol (IPA) as a solvent. Then, calcination was performed at 900 ° C. for 4 hours, and pulverization was performed again with a ball mill to adjust the degree of aggregation of the ceramic particles, thereby obtaining a raw material powder for an intermediate layer. A slurry for an intermediate layer produced by adding and mixing an acrylic binder and toluene to this powder was applied onto the solid electrolyte layer calcined body of the laminated calcined body by a screen printing method. A layer molded body was produced.
次に、適宜粒径が調整されたNiO粉末と8mol%のY2O3が固溶したZrO2粉末と有機バインダーと溶媒とを混合した密着層用スラリーを作製した。 Next, a slurry for an adhesion layer was prepared by mixing NiO powder having an appropriately adjusted particle size, ZrO 2 powder in which 8 mol% of Y 2 O 3 was dissolved, an organic binder, and a solvent.
続いて、LaCrO3系酸化物と、有機バインダーと溶媒とを混合したインターコネクタ用スラリーを用いて、ドクターブレード法にて厚み30μmのインターコネクタ用シートを作製した。このインターコネクタ用シートの一方側表面に、上述の密着層用スラリーを塗布し、その密着層用スラリーを塗布した面を、燃料極層成形体および固体電解質層成形体が形成されていない導電性支持体成形体の他方側の平坦部上に、インターコネクタの両端部が固体電解質層上に位置するように積層し、試料No.1、2用の各層が積層された積層体を作製した。 Subsequently, an interconnector sheet having a thickness of 30 μm was prepared by a doctor blade method using an interconnector slurry obtained by mixing a LaCrO 3 oxide, an organic binder, and a solvent. The surface of the interconnector sheet coated with the above-mentioned adhesion layer slurry is coated with the adhesion layer slurry, and the conductive electrode layer molded body and the solid electrolyte layer molded body are not formed. On the other flat portion of the support molded body, the both ends of the interconnector were laminated so as to be positioned on the solid electrolyte layer. A laminate in which the layers for 1 and 2 were laminated was produced.
一方、導電性支持体成形体の所定の位置に、密着層用スラリーが塗布されたインターコネクタ用シートを積層し、続いて固体電解質層用シート上に燃料極層用スラリーを塗布して燃料極層成形体を形成した積層体成形体を、固体電解質層の両端部がインターコネクタの両端部上に位置するように積層し、続いて固体電解質層成形体上に中間層成形体を作成し、試料No.3、4用の各層が積層された積層体を作製した。 On the other hand, the interconnector sheet coated with the adhesion layer slurry is laminated at a predetermined position of the conductive support molded body, and then the fuel electrode layer slurry is coated on the solid electrolyte layer sheet. Laminate molded body in which the layer molded body is formed is laminated so that both end portions of the solid electrolyte layer are located on both end portions of the interconnector, and subsequently, an intermediate layer molded body is created on the solid electrolyte layer molded body, Sample No. A laminate in which the layers for 3 and 4 were laminated was produced.
そして、これらの各層が積層された試料No.1〜4の各積層体を、大気中1510℃にて3時間同時焼成した。
And sample No. with which these each layer was laminated | stacked. Each of the
次に、平均粒径2μmのLaSrCoFeO3の粉末と、イソプロピルアルコールとからなる混合液を作製し、積層焼結体の中間層の表面に噴霧塗布し、空気極層成形体を形成し、1100℃にて4時間で焼き付け、空気極層を形成し、表1に示す構成の燃料電池セルを作製した。 Next, a mixed liquid composed of LaSrCoFeO 3 powder having an average particle diameter of 2 μm and isopropyl alcohol was prepared and spray-coated on the surface of the intermediate layer of the laminated sintered body to form an air electrode layer molded body. Was baked in 4 hours to form an air electrode layer, and fuel cells having the structure shown in Table 1 were produced.
なお、作製した燃料電池セルの寸法は25mm×200mmで、導電性支持体の厚み(平坦面n間の厚み)は2mm、気孔率35%、燃料極層の厚さは10μm、気孔率24%、空気極層の厚みは50μm、気孔率40%、固体電解質層の相対密度は97%であった。 The size of the produced fuel cell is 25 mm × 200 mm, the thickness of the conductive support (thickness between the flat surfaces n) is 2 mm, the porosity is 35%, the thickness of the fuel electrode layer is 10 μm, and the porosity is 24%. The thickness of the air electrode layer was 50 μm, the porosity was 40%, and the relative density of the solid electrolyte layer was 97%.
ここで、各試料につき10個の燃料電池セルを作製し、各燃料電池セルにガスリークが生じていないかを確認するため、リーク試験を行なった。 Here, 10 fuel cells were prepared for each sample, and a leak test was performed in order to confirm whether or not a gas leak occurred in each fuel cell.
なお、リーク試験は、所定の部材により一方側の燃料ガス流路を封止した燃料電池セルを水の中にいれ、燃料電池セルの他方側から1.5〜3.5kg/cm2に加圧されたHeガスを30〜60秒供給する試験である。なお燃料電池セルから気泡が生じたものをガスリーク発生有りとし、燃料電池セルから気泡が生じなかったものをガスリーク発生無しとした。 In the leak test, a fuel cell in which one side of the fuel gas flow path is sealed by a predetermined member is placed in water and applied to 1.5 to 3.5 kg / cm 2 from the other side of the fuel cell. In this test, pressurized He gas is supplied for 30 to 60 seconds. A gas leak occurred when bubbles were generated from the fuel cells, and no gas leak occurred when bubbles were not generated from the fuel cells.
次に、この燃料電池セルの内部に水素ガス(燃料ガス)を流した状態で、850℃で10時間加熱して、導電性支持体および燃料極層の還元処理を施した。 Next, in a state where hydrogen gas (fuel gas) was allowed to flow inside the fuel cell, heating was performed at 850 ° C. for 10 hours to reduce the conductive support and the fuel electrode layer.
そして、還元処理後においても、上述した方法と同様のリーク試験を行なった。 And even after the reduction treatment, a leak test similar to that described above was performed.
表1の結果より、試料No.2、4は、燃料電池セルの作製時においては、10個中3個の燃料電池セルに燃料ガスのリークが生じていたが還元処理後には10個中7個の燃料電池セルに燃料ガスのリークが生じていた。一方、燃料極層とインターコネクタとの間に固体電解質層の一部を介在させて備えている試料No.1、3は、燃料電池セルの作製時および還元処理後のどちらの場合においても燃料ガスのリークが検出されなかった。 From the results in Table 1, sample No. Nos. 2 and 4 show that fuel gas leaks to three of the ten fuel cells when the fuel cells were manufactured. However, after the reduction process, fuel gas leaks to seven of the ten fuel cells. There was a leak. On the other hand, the sample No. provided with a part of the solid electrolyte layer interposed between the fuel electrode layer and the interconnector. In Nos. 1 and 3, fuel gas leaks were not detected both in the production of the fuel cells and after the reduction treatment.
これにより、燃料極層とインターコネクタとの間に固体電解質層の一部を介在させて備えたことにより、燃料ガスのリークを抑制することができることがわかった。 As a result, it was found that leakage of fuel gas can be suppressed by providing a part of the solid electrolyte layer between the fuel electrode layer and the interconnector.
また、燃料極層および固体電解質層を設けた後にインターコネクタを設ける場合と、インターコネクタを設けた後に燃料極層および固体電解質層を設ける場合のどちらにおいても、燃料極層とインターコネクタとの間に固体電解質層を設けることにより、燃料ガスのリークを抑制することができることがわかった。 In addition, when the interconnector is provided after the fuel electrode layer and the solid electrolyte layer are provided, and between the fuel electrode layer and the interconnector, both in the case where the fuel electrode layer and the solid electrolyte layer are provided after the interconnector is provided. It was found that fuel gas leakage can be suppressed by providing a solid electrolyte layer on the surface.
1、10、11、32:燃料電池セル
2:導電性支持体
3:燃料極層
4:固体電解質層
5:空気極層
6:インターコネクタ
7:燃料ガス流路
8:中間層
9:密着層
12:セルスタック装置
20:燃料電池モジュール
25:燃料電池装置
DESCRIPTION OF
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