JP4057822B2 - Fuel cell, cell stack and fuel cell - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池セル及びセルスタック並びに燃料電池に関し、発電量を向上できる燃料電池セル及びセルスタック並びに燃料電池に関するものである。
【0002】
【従来技術】
次世代エネルギーとして、近年、燃料電池セルのスタックを収納容器内に収容した燃料電池が種々提案されている。
【0003】
図8は従来の固体電解質型燃料電池セルのセルスタックを示すもので、このセルスタックは、複数の燃料電池セル1(1a、1b)を集合させ、一方の燃料電池セル1aと他方の燃料電池セル1bとの間に金属フェルトからなる集電部材5を介在させ、一方の燃料電池セル1aの内側電極7と他方の燃料電池セル1bの外側電極11とを電気的に直列に接続して構成されていた。
【0004】
燃料電池セル1(1a、1b)は、円筒状の内側電極7の外周面に、固体電解質9、外側電極11を順次設けて構成されており、固体電解質9、外側電極11から露出した内側電極7には、外側電極11に接続しないようにインターコネクタ13が設けられている。
【0005】
このインターコネクタ13は、内側電極7の内部を流れるガスと、外側電極11の外側を流れるガスとを確実に遮断するため、また、燃料ガス及び酸素含有ガスで変質しにくい緻密な導電性セラミックスが用いられている。
【0006】
一方の燃料電池セル1aと他方の燃料電池セル1bとの電気的接続を具体的に説明すると、一方の燃料電池1aの内側電極7を、該内側電極7に設けられたインターコネクタ13、集電部材5を介して、他方の燃料電池セル1bの外側電極11に接続することにより行われていた。
【0007】
図9は従来のインタコネクタレス形式の固体電解質型燃料電池セルのセルスタックを示すもので、このセルスタックは、複数の燃料電池セル2(2a、2b)を集合させて構成されており、セル2は、円筒状の内側電極17の全周面に固体電解質19を形成し、この固体電解質19の全周面に外側電極21w形成して構成されている。
【0008】
左右それぞれの燃料電池セル列では、一方の燃料電池セル2aと他方の燃料電池セル2bとの間に、外側電極21同士を連結する金属フェルトなどからなる集電部材23が介在され、内側電極17同士が導通されており、左側の燃料電池セル列の外側電極21と右側の燃料電池セル列の内側電極17とが電気的に接続されていた。
【0009】
図10は、扁平状の固体電解質型燃料電池セルのセルスタックを示すもので、このセルスタックは、複数の燃料電池セル3(3a、3b)を集合させ、一方の燃料電池セル3aと他方の燃料電池セル3bとの間に金属フェルトなどからなる集電部材25を介在させ、一方の燃料電池セル3aの内側電極27と他方の燃料電池セル3bの外側電極31とを電気的に接続して構成されていた。
【0010】
燃料電池セル3(3a、3b)は、扁平状の内側電極27の外周面に、固体電解質29、外側電極31を順次設けて構成されており、固体電解質29、外側電極31から露出した内側電極27には、外側電極31に接続しないようにインターコネクタ33が設けられている。内側電極27内には複数のガス通過孔32が形成されている。
【0011】
一方の燃料電池セル3aと他方の燃料電池セル3bとの電気的接続は、一方の燃料電池セル3aの内側電極27を、該内側電極27に設けられたインターコネクタ33、集電部材25を介して、他方の燃料電池セル3bの外側電極31に接続することにより行われていた。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図8の燃料電池セルでは、インターコネクタ13が形成された部分は発電しないため、全周の約20%が発電に寄与しないという欠点がある。
【0013】
また、図9のインタコネクタレス形式の燃料電池セルでは、図6のセルと比較するとセルの全周に内側電極、固体電解質、外側電極が形成されているため発電領域が広くとれるという長所があるものの、その効果は図6の場合よりも20%程度向上するだけであり、飛躍的に単セル当たりの発電量を増加させるには至らない。
【0014】
さらに、図10の扁平状の燃料電池セルでは、図8のセルと比較すると単セルを大きくできるため単セル当たりの発電量は増加するが、インタコネクタが形成された部分は発電しないため、全周の約40%は発電に寄与せず、この形状の利点を十分に利用していなかった。
【0015】
また、図8、図10ではインターコネクタ13、33を有しているが、インターコネクタ13、33は、内側電極7、27の内部を流れるガスと、外側電極11、31の外側を流れるガスとを確実に遮断し、また燃料ガス及び酸素含有ガスで変質しないという特性が要求されるため、製造に手間がかかり、また、ガス漏出等の可能性も捨てきれず、長期信頼性が低いという問題があった。
【0016】
また、固体電解質型燃料電池(SOFC)においては固体電解質の特性上、600〜1000℃という高温に発電セルを加熱する必要があるため、被加熱部の容積を小さくする必要がある。被加熱部の容積が小さいほど起動時や定常運転時にセルを加熱するために消費するエネルギーを小さくすることができるため、起動が早くなったり、発電効率を高くすることが可能となる。これらの理由により、特に固体電解質型燃料電池(SOFC)においては単セルの発電量のみならず、所定発電量当たりのスタック容積減少も重要な要素となる。
【0017】
即ち、図9の円筒型でインターコネクタレス形式のセルを用いる場合においては、若干の改善は有るものの、所定量発電するためには多くのセルを必要とし、その分スタック容積が大きくなり、また多くのセルを必要とするため信頼性が低下する傾向がある。
【0018】
図10の扁平状の燃料電池セルでは、大型化(幅を大きく)することによりセル一本当たりの発電量を増加させることができるが、インターコネクタ33形成により全周の約40%が非発電部であるため、所定量発電するためには多くのセルを必要とし、スタック容積が大きくなり、その分接続信頼性が低下する傾向にある。
【0019】
本発明は、単セル当たりの発電量を向上できるとともに、製造が容易で、信頼性を向上でき、しかも所定発電量当たりのスタック容積を小さくできる燃料電池セル及びセルスタック並びに燃料電池を提供することを目的とする。
【0020】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池セルは、ガス通過孔が軸長方向に形成された内側電極の外面に、該内側電極を取り巻くように環状の固体電解質を設け、該固体電解質の外面に、該固体電解質を取り巻くように環状の外側電極を設けてなる燃料電池セルであって、外形形状が、平行に形成された一対の平坦部と、該平坦部の前記軸長方向と垂直な方向の端部同士を連結する弧状部とから構成された扁平状とされており、前記平坦部間の距離である短径R1と前記弧状部間の距離である長径R2の比率R2/R1が8以上、前記短径R1が8mm以下であることを特徴とする。
【0021】
このような燃料電池セルでは、内側電極の外周面に環状の固体電解質、外側電極を順次形成し、インターコネクタを形成しない形状としたので、製造が容易であり、また、セル全周を発電部とすることができ、セル全周を有効に用いて発電させ、燃料電池セル1本当たりの発電量が増加し、その結果、所定発電量当たりに必要となるセル数を減少させることができる。また、セル本数が減少することに伴い、セル間の接続の総数が減少することになり故障発生の原因となりうる接続部の総数を減らすことができるため信頼性が向上する。
【0022】
また、扁平状の内側電極に固体電解質、外側電極を形成し、扁平状のセルを形成することにより、セルを大型化(幅を広く)して燃料電池セル1本当たりの発電量を増加できるが、このようにセルを大型化したとしても、所定量発電するために必要なスタック容積を従来よりも小さくでき、これにより燃料電池をコンパクト化できるとともに、必要とされる被加熱部容積を減少でき、起動時や定常運転時にセル加熱用として用いるエネルギーを最小限とでき、起動を早くできるとともに、発電効率を向上できる。
【0023】
また、本発明の燃料電池セルは、ほぼ平行に形成された一対の平坦部と、該平坦部の端部同士を連結する弧状部とから構成された扁平状とされている
【0024】
このような構成の燃料電池セルでは、所定量発電するために必要なスタック容積を最小にすることができるとともに、弧状部における固体電解質、外部電極に発生する応力を抑制でき、剥離やクラック発生を抑制できる。
【0025】
即ち、燃料電池セルは、収納容器内に、隣設するセルの平坦部同士を対向して配列されるが、例えば平坦部同士を接続する場合(並列接続)、導電部材を介してのセル間の接続を平坦部全体で行うことができることから、接続信頼性を向上できるとともに、信頼性が向上するためセル間の距離を小さくでき、一方、直列接続する場合、平坦部同士が接続しないように所定間隔を置いて配列させる必要があるが、セルの対向面が平坦であるため、セル間の距離を小さくでき、スタック容積を小さくできる。
【0026】
また、本発明の燃料電池セルは、短径R1と長径R2の比率R2/R1が2以上とされている。これにより、セル1本当たりの発電量を増加できるため、所定量発電するために必要なセル本数を減少でき、セル間の接続部を減少できる。
【0027】
また、短径R1は8mm以下とされている。これにより、所定量発電するために必要なスタック容積をさらに小さくできる。
【0029】
また、本発明の燃料電池セルは、内側電極のガス通過孔内には、該内側電極と導通する導電部材が設けられていることが望ましい。燃料電池セルの外面には、セル同士を連結するインターコネクタを形成しないインターコネクタレス形式であるが、導電部材を内側電極に電気的に接続させることにより、内側電極から導電部材を介して電流を取り出すことができる。
【0030】
また、内側電極のガス通過孔内には長尺状導電部材が挿入され、該長尺状導電部材と前記内側電極内面との間には、前記長尺状導電部材と前記内側電極とを導通させる接続用導電部材が設けられていることが望ましい。これにより、内側電極と導通する接続用導電部材を介して長尺状導電部材から電流を取り出すことができる。
【0031】
本発明のセルスタックは、上記燃料電池セルを複数集合してなるものである。このようなセルスタックでは、セル一本当たりの発電量を大きくできるため、所定量発電するために必要なセル数を少なくでき、また、セル形状が扁平状であるため、所定発電量を得るためのスタック容積を小さくできる。
【0032】
また、本発明の燃料電池は、上記燃料電池セルを収納容器内に複数収納してなるものである。このような燃料電池では、小型化でき、製造コストの低下、発電効率、実装性、実装信頼性の向上、メンテナンス性を向上させることができる。
【0033】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の燃料電池セルを示すもので、(a)は横断面図、(b)は斜視図である。本発明の燃料電池セル34はインターコネクタレス形状で扁平状とされており、扁平状で多孔質な金属を主成分とする燃料側電極(内側電極)35の外周面全面に、緻密質な固体電解質37を形成し、この固体電解質37の外周面全面に多孔質な導電性セラミックスからなる酸素側電極(外側電極)39を順次積層して構成されており、燃料側電極35が支持体となっている。
【0034】
即ち、燃料電池セル34は、扁平状の燃料側電極35の外面に、この燃料側電極35を取り巻くように環状の固体電解質37を設け、この固体電解質37の外面に、固体電解質37を取り巻くように環状の酸素側電極39を設けて構成されている。燃料側電極35には、軸長方向に一つの燃料ガス通過孔41が形成されている。尚、燃料電池を作製する場合は、セルを支持固定するが、この支持固定される部分については、酸素側電極39を形成しなくても良い。
【0035】
燃料側電極35は、ほぼ平行に対向するように設けられた一対の平坦部35aと、幅方向両端に設けられ、一対の平坦部35aの端部同士を滑らかに連結する弧状部35bとから構成されており、これらの弧状部35bは外方へ向けて突出する円弧状とされている。燃料側電極35の内部には、断面形状が、外形形状に相似する一つのガス通過孔41が形成されていることになる。
【0036】
燃料電池セル34は、燃料側電極35の形状に応じて、外形形状が、ほぼ平行に形成された一対の平坦部34aと、これらの平坦部34aの両端にそれぞれ形成され、一対の平坦部34aの端部同士を連結する弧状部34bとから構成されている。
【0037】
図2は本発明の他の燃料電池セル43を示すもので、(a)は横断面図、(b)は斜視図である。この燃料電池セル43では、燃料側電極44に複数の燃料ガス通過孔45が軸長方向に形成されている以外は、図1と同様の構造を有している。尚、符号46は固体電解質、47は酸素側電極、43aは燃料電池セル43の平坦部、43bは燃料電池セル43の弧状部、44aは燃料側電極44の平坦部、44bは燃料側電極44の弧状部を示している。
【0038】
図3は本発明のさらに他の燃料電池セル49を示すもので、この燃料電池セル49では、燃料側電極51の軸長方向における一部の外周面に、環状の固体電解質53、酸素側電極55が形成されている以外は、図2と同様の構造を有している。従って、燃料電池セル49の一方側端から燃料側電極51が突出している。尚、符号57は燃料ガス通過孔、49aは燃料電池セル49の平坦部、49bは燃料電池セル49の弧状部を示している。
【0039】
燃料側電極35、44、51は、Ni、Co、Ti、Ruのうちいずれか一種の金属又は金属酸化物、もしくはこれらの合金又は合金酸化物を主成分とするものであり、これら以外に、外面の固体電解質37、46、55への接合強度を向上し、固体電解質37、46、55の熱膨張係数に近似させるため、固体電解質材料を含有することが望ましい。金属又は金属酸化物としては、コストの観点からNi又はNiOが望ましい。尚、燃料側電極を金属酸化物で形成した場合には、還元雰囲気で還元して発電することになる。
【0040】
上記した図1乃至図3の燃料電池セルの短径R1と長径R2の比率R2/R1は以上とされている。これにより、所定量発電するために必要なセル本数を減少できる。
【0041】
尚、燃料電池セル34、43、49は、上記したように、一対の平坦部34a、43a、49aと、これらの平坦部34a、43a、49aの両端を滑らかに連結する弧状部34b、43b、49bとからなる扁平な楕円状に形成されているため、一対の平坦部34a、43a、49a間の距離を短径R1とし、この短径R1に直交する方向の長さで最大距離を長径R2とした。
【0042】
燃料電池セルの短径R1はmm以下とされている。これにより、燃料電池セルの容積を小さくでき、体積当たりの出力密度を向上できる。特に6mm以下が望ましい。
【0043】
この燃料側電極35、44、51の外面に設けられた固体電解質37、46、55は、3〜15モル%のY、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が用いられている。燃料側電極35、44、51と固体電解質37、46、55との間には、接合強度を向上するため緻密層からなる接合層を介在させても良い。この固体電解質37、46、55の厚みは、ガス透過を防止するという点から10〜100μmであることが望ましい。
【0044】
酸素側電極39、47、55は、LaMnO3系材料、LaFeO3系材料、LaCoO3系材料の少なくとも一種の多孔質の導電性セラミックスから構成されている。酸素側電極39、47、55は、600〜1000℃程度の比較的低温での電気伝導性が高いという点からLaFeO3系材料が望ましい。酸素側電極39、47、55の厚みは、集電性という点から30〜100μmであることが望ましい。
【0045】
以上のような燃料電池セルの製造方法について説明する。先ず、例えば、NiO粉末と、Yを含有したZrO2(YSZ)粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合した燃料側電極材料を押出成形して、軸長方向に燃料ガス通過孔が形成された扁平状の燃料側電極成形体を作製し、これを乾燥する。
【0046】
次に、例えば、YSZ粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合した、固体電解質材料を用いてシート状成形体を作製し、このシート状成形体を、燃料側電極成形体上に、その両端間が重なり合い離間することのないように巻き付け、乾燥する。
【0047】
次に、積層成形体を脱バインダ処理し、酸素含有雰囲気中で1300〜1600℃で同時焼成し、この積層体を、例えば、LaFeO3系材料と、溶媒を含有するペースト中に浸漬し、固体電解質の表面に酸素側電極成形体をディッピングにより形成し、1000〜1300℃で焼き付けることにより、本発明の燃料電池セルを作製できる。
【0048】
尚、燃料側電極成形体の表面に固体電解質のシート状成形体を形成し、さらに酸素側電極成形体を形成した後、同時焼成しても良い。また、燃料側電極成形体を上記固体電解質材料を含有するスラリー中にディップし、乾燥し、さらにこれを上記酸素側電極材料を含有するスラリー中にてディップし、乾燥し、同時焼成しても良い。
【0049】
以上のように構成された燃料電池セルでは、扁平状の燃料側電極35、41、47の外面に、この燃料側電極35、44、51を取り巻くように環状の固体電解質37、46、55を設け、この固体電解質37、46、55の外面に、固体電解質37、46、55を取り巻くように環状の酸素側電極39、47、55を設け、燃料側電極35、44、51の外周面に環状の固体電解質37、46、55、酸素側電極39、47、55を形成し、インターコネクタを形成しない形状としたので、製造が容易であり、また、セル全周を発電部とすることができ、セル全周を有効に用いて発電させ、燃料電池セル1体当たりの発電量が増加し、その結果、所定量の発電量を得るために必要となるセル数を減少させることができる。
【0050】
また、セル本数が減少することに伴い、セル間の接続の総数が減少することになり、故障発生の原因となりうる接続部数を減らすことができるため実装信頼性を向上できる。
【0051】
さらに、扁平状の燃料側電極35、44、51に固体電解質37、46、55、酸素側電極39、47、55を形成し、扁平状のセルを形成することにより、所定量発電するために必要なスタック容積を従来よりも小さくでき、必要とされる被加熱部容積を減少でき、起動時や定常運転時にセル加熱用として必要なエネルギーを小さくできる。
【0052】
図1の燃料電池セルを用いて形成された本発明のセルスタックを図4に示す。この図4に示すように、セルスタックは、上記図1の燃料電池セルが複数集合して構成されている。このセルスタックの燃料電池セル34は、図4及び図5(b)に示すように、燃料側電極35の燃料ガス通過孔41内中央部に内側長尺状導電部材61が挿入され、この内側長尺状導電部材61と燃料側電極35内面との間には、内側長尺状導電部材61と燃料側電極35とを導通させる接続用導電部材63が設けられている。
【0053】
内側長尺状導電部材61は、導電性を有する棒状、又は板状とされ、接続用導電部材63はNiフェルトから形成され、燃料ガスが通過できるようになっている。尚、内側長尺状導電部材61、接続用導電部材63は必ずしもNiで形成する必要はない。
【0054】
また、燃料電池セル34の平坦部34aに該当する酸素側電極39の外面には、
外側長尺状導電部材65が設けられ、電気的に接続している。外側長尺状導電部材65は、酸素側電極39の一部に形成してもよく、全面に形成しても良い。
【0055】
隣接する燃料電池セル34同士は、一方の燃料電池セル34の内側長尺状導電部材61と、他方の燃料電池セル34の外側長尺状導電部材65を接続することにより、燃料電池セル34が電気的に直列に接続されている。
【0056】
外側長尺状導電部材65は、発電時において、耐熱性、耐酸化性、電気伝導性を有するという点から、Pt、Ag、Ni基合金、Fe−Cr鋼合金の少なくとも一種からなることが望ましい。
【0057】
尚、図5(a)に示すように、内側長尺状導電部材を挿入することなく、燃料側電極35の燃料ガス通過孔41内に、Niフェルトからなる接続用導電部材63を設けても良いが、集電性という観点から、図5(b)に示すように内側長尺状導電部材61を挿入することが望ましい。
【0058】
また、図5(c)に示すように、内側長尺状導電部材61の両端を、燃料電池セル34の両端から外方に向けて突出させることもできる。この場合には、セルの両側から電流を取り出すことができる。
【0059】
図2に示す燃料電池セル43についても図4及び図5に示すようなセルスタック構造を採用できる。この場合、複数の燃料ガス通過孔45の全てに内側長尺状導電部材を挿入しても良く、一部の燃料ガス通過孔45に挿入しても良い。また、図3に示す燃料電池セル49については、燃料側電極51の一方が露出しているため、図4及び図5に示すようなセルスタック構造以外に、内側長尺状導電部材、接続用導電部材を用いることなく、燃料側電極51を用いて電力を取り出すこともできる。
【0060】
本発明の燃料電池は、上記したセルスタックが収納容器内に収容されて構成されている。即ち、収納容器には、セルスタックに酸素含有ガス(空気)を導入する供給管、燃料ガスを導入する供給管が配置されており、酸素含有ガスを燃料電池セルの酸素側電極に沿って流すとともに、燃料ガスを燃料側電極に沿って流し、例えば1000℃程度に加熱することにより燃料電池セルが発電を開始する。
【0061】
尚、本発明は上記形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、酸素側電極を内側電極としても良い。
【0062】
【実施例】
先ず、平均粒径0.5μmのNiO粉末と、Yを8モル%含有した平均粒径0.5μmのZrO2(YSZ)粉末と、ポアー剤、PVAからなる有機バインダーと、水からなる溶媒とを混合した燃料側電極材料を押出成形して、扁平状燃料側電極成形体を作製し、これを乾燥した。
【0063】
次に、上記YSZ粉末と、アクリル樹脂からなる有機バインダーと、トルエンからなる溶媒とを混合した固体電解質材料を用いてシート状成形体を作製し、このシート状成形体を、燃料側電極成形体上に、その両端間が重なり離間しないように巻き付け、乾燥し、燃料側電極成形体に固体電解質のシート状成形体が積層された積層成形体を作製した。
【0064】
次に、この積層成形体を脱バインダー処理し、大気中にて1500℃で同時焼成した。この積層体を、平均粒径2μmのLa0.6Sr0.4Co0.2Fe0.83粉末と、ノルマルパラフィンからなる溶媒を含有するペースト中に浸漬し、固体電解質の表面に酸素側電極成形体をディッピングにより作製し1150℃で焼き付け、酸素側電極を形成し、図1に示すような本発明の燃料電池セルを作製した。
【0065】
尚、燃料側電極の短径及び長径を変化させることにより、燃料電池セルの短径R1及び長径R2を変化させ、R2/R1比の異なる燃料電池セルを作製した。
【0066】
次に、酸素側電極に耐酸化性を有するPt系金属からなる外側長尺状導電部材を接続し、さらに作成したセルの燃料側電極内の燃料ガス通過孔中央部に内側長尺状導電部材を挿入し、この内側長尺状導電部材と燃料側電極とをNiフェルトからなる接続用導電部材で接続し、図5(b)に示すようなセルを作製した。
【0067】
作製した燃料電池セルを900℃に加熱し、燃料側電極内の燃料ガス通過孔に水素ガスを流通させ、燃料電池セルの外側には空気を流通させ、セル1本当たりの発電量を測定した。この測定結果に基づき、1.5KWの発電量を得るために必要なセル本数、及び必要なセル本数により構成されるセルスタックの容積を求めた。この際、電気的な短絡を防止するため、或いは作製上の観点から、セル外周に6mmの空間が必要であるとの設定で算出した。これらの結果を図6に示す。
【0068】
図6は、短径R1と、R2/R1比とセルスタックの容積との関係を示すもので、直径が4mmの円筒形状のセルで1.5KWの発電量を得るために必要なセル本数を用いた場合のスタック容積を100000とした。図6においてR2/R1=1のポイントは円筒形状のセルの結果を示すものである。
【0069】
図6の結果より短径R1が20mmの場合にはR2/R1比の増加に伴い容積は増加する傾向にあり、セルスタックの被加熱部の容積を小さくする効果はなく、熱効率はむしろ低下する傾向にあることが判る。R1が10mmの場合ではR2/R1比の増加に伴い若干ではあるが容積が減少することがわかる。
【0070】
さらに、R1が8mm以下の場合にはR2/R1比の増加に伴い容積は減少することが明らかである。R1が4mmのセルにおいてはR2/R1比が8のとき円筒形状に比べ約35%の容積を削減できることが判る。従って、この結果より、R1を10mm以下にし、R2/R1比を2以上にすることでスタック容積を小さくできることが判る。
【0071】
図7に短径R1と、R2/R1比とセル本数の関係を示す。図7によればR1が大きいほどセル本数は少なくなることがわかる。しかしながら、R1が20mmの場合においては図6の結果から容積を削減する効果がない。
【0072】
R1が10mm以下のセルについてはR1、R2/R1比が大きくなるに従ってセル本数が減少する傾向にあるが、R1が4mmのセルの場合、R2/R1比が8の場合、セル本数はR2/R1が1の時と比較して1/5以下になり、大幅にセル本数を減少できることが判る。従って図6、図7の結果から、R1を10mm以下とし、R2/R1比を2以上とする、すなわちセル形状を扁平とすることで被加熱部の容積を減少させ、さらにセル本数を減少させることを同時に達成できる。例えば、R1が4mmのセルの場合、R2/R1比を8とした場合には、R2/R1比が1のセルを用いた場合に比較して容積を70%とすることができ、セル本数も1/5以下にすることができる。
【0073】
【発明の効果】
本発明の燃料電池セルでは、セル形状を扁平状とし、インタコネクタレス形式を採用することで、製造が容易で、セル単体としての発電量を向上できるとともに、所望の発電量に対してセル本数、セル発電部およびその周辺部材を含む加熱を必要とする容積を同時に減少させることが可能となり、製造コストの低下、発電効率、実装性、実装信頼性の向上、メンテナンス性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】ガス通過孔が一つの本発明の燃料電池セルを示すもので、(a)は横断面図、(b)は斜視図である。
【図2】ガス通過孔が複数形成された本発明の燃料電池セルを示すもので、(a)は横断面図、(b)は斜視図である。
【図3】ガス通過孔が複数形成されるとともに、内側電極が突出している本発明の燃料電池セルを示す斜視図である。
【図4】本発明のセルスタックを示す横断面図である。
【図5】(a)はガス通過孔内に接続用導電部材を挿入した燃料電池セルの縦断面図、(b)はガス通過孔内に内側長尺状導電部材及び接続用導電部材を配置した燃料電池セルの縦断面図、(c)は内側長尺状導電部材を両側に突出させた燃料電池セルの縦断面図である。
【図6】燃料電池セルの短径R1と長径R2との比(R2/R1)と、容積との関係を示すグラフである。
【図7】燃料電池セルの短径R1と長径R2との比(R2/R1)と、セル本数との関係を示すグラフである。
【図8】インターコネクタが形成された円筒状の燃料電池セルを複数接続した従来のセルスタックを示す横断面図である。
【図9】インターコネクタレスの燃料電池セルを複数並列接続した従来のセルスタックを示す横断面図である。
【図10】インターコネクタが形成された扁平状の燃料電池セルを複数直列に接続した従来のセルスタックを示す横断面図である。
【符号の説明】
34、43、49・・・燃料電池セル
34a、43a、49a・・・セルの平坦部
34b、43b、49b・・・セルの弧状部
35、44、51・・・燃料側電極(内側電極)
37、46、53・・・固体電解質
39、47、55・・・酸素側電極(外側電極)
41、45、57・・・ガス通過孔
61・・・内側長尺状導電部材
63・・・接続用導電部材
R1・・・短径
R2・・・長径
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell, a cell stack, and a fuel cell, and relates to a fuel cell, a cell stack, and a fuel cell that can improve power generation.
[0002]
[Prior art]
In recent years, various fuel cells in which a stack of fuel cells is accommodated in a storage container have been proposed as next-generation energy.
[0003]
FIG. 8 shows a cell stack of a conventional solid oxide fuel cell. This cell stack aggregates a plurality of fuel cells 1 (1a, 1b), and one fuel cell 1a and the other fuel cell. A current collecting member 5 made of metal felt is interposed between the cell 1b and the inner electrode 7 of one fuel cell 1a and the outer electrode 11 of the other fuel cell 1b are electrically connected in series. It had been.
[0004]
The fuel cell 1 (1a, 1b) is configured by sequentially providing a solid electrolyte 9 and an outer electrode 11 on the outer peripheral surface of a cylindrical inner electrode 7, and the inner electrode exposed from the solid electrolyte 9 and the outer electrode 11. 7 is provided with an interconnector 13 so as not to be connected to the outer electrode 11.
[0005]
This interconnector 13 is made of dense conductive ceramics that are not easily altered by the fuel gas and the oxygen-containing gas in order to reliably block the gas flowing inside the inner electrode 7 and the gas flowing outside the outer electrode 11. It is used.
[0006]
The electrical connection between one fuel cell 1a and the other fuel cell 1b will be specifically described. The inner electrode 7 of one fuel cell 1a is connected to an interconnector 13 provided on the inner electrode 7, a current collector. This is done by connecting to the outer electrode 11 of the other fuel cell 1b via the member 5.
[0007]
FIG. 9 shows a cell stack of a conventional solid electrolyte fuel cell of an interconnectorless type, and this cell stack is constituted by assembling a plurality of fuel cells 2 (2a, 2b). 2 includes a solid electrolyte 19 formed on the entire circumferential surface of the cylindrical inner electrode 17 and an outer electrode 21 w formed on the entire circumferential surface of the solid electrolyte 19.
[0008]
In each of the left and right fuel cell rows, a current collecting member 23 made of a metal felt or the like that connects the outer electrodes 21 is interposed between one fuel cell 2a and the other fuel cell 2b. The outer electrode 21 of the left fuel cell array and the inner electrode 17 of the right fuel cell array were electrically connected.
[0009]
FIG. 10 shows a cell stack of flat solid oxide fuel cells. This cell stack collects a plurality of fuel cells 3 (3a, 3b), one fuel cell 3a and the other. A current collecting member 25 made of metal felt or the like is interposed between the fuel cell 3b and the inner electrode 27 of one fuel cell 3a and the outer electrode 31 of the other fuel cell 3b are electrically connected. Was composed.
[0010]
The fuel cell 3 (3a, 3b) is configured by sequentially providing a solid electrolyte 29 and an outer electrode 31 on the outer peripheral surface of the flat inner electrode 27, and the inner electrode exposed from the solid electrolyte 29 and the outer electrode 31. 27 is provided with an interconnector 33 so as not to be connected to the outer electrode 31. A plurality of gas passage holes 32 are formed in the inner electrode 27.
[0011]
The electrical connection between one fuel battery cell 3a and the other fuel battery cell 3b is performed by connecting the inner electrode 27 of one fuel battery cell 3a via an interconnector 33 and a current collecting member 25 provided on the inner electrode 27. This is done by connecting to the outer electrode 31 of the other fuel cell 3b.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
However, the fuel cell shown in FIG. 8 has a drawback that about 20% of the entire circumference does not contribute to power generation because the portion where the interconnector 13 is formed does not generate power.
[0013]
In addition, the interconnector-less fuel cell shown in FIG. 9 has the advantage that the power generation region can be widened because the inner electrode, the solid electrolyte, and the outer electrode are formed all around the cell as compared with the cell shown in FIG. However, the effect is only improved by about 20% compared with the case of FIG. 6, and it does not lead to a dramatic increase in the amount of power generation per unit cell.
[0014]
Furthermore, in the flat fuel cell shown in FIG. 10, since the single cell can be made larger than the cell shown in FIG. 8, the power generation amount per single cell increases, but the portion where the interconnector is formed does not generate power. About 40% of the circumference did not contribute to power generation, and the advantage of this shape was not fully utilized.
[0015]
8 and 10 have interconnectors 13 and 33. The interconnectors 13 and 33 include a gas flowing inside the inner electrodes 7 and 27 and a gas flowing outside the outer electrodes 11 and 31, respectively. Is required, and the characteristics that it does not deteriorate with fuel gas and oxygen-containing gas are required, so it takes time to manufacture, and the possibility of gas leakage etc. cannot be thrown away, and the long-term reliability is low was there.
[0016]
In addition, in a solid oxide fuel cell (SOFC), it is necessary to heat the power generation cell to a high temperature of 600 to 1000 ° C. due to the characteristics of the solid electrolyte, and thus it is necessary to reduce the volume of the heated portion. The smaller the volume of the heated part, the smaller the energy consumed for heating the cell during startup or steady operation, so that startup can be quickened or power generation efficiency can be increased. For these reasons, particularly in a solid oxide fuel cell (SOFC), not only the power generation amount of a single cell but also the reduction of the stack volume per predetermined power generation amount is an important factor.
[0017]
That is, in the case of using a cylindrical type interconnector-less cell in FIG. 9, although there is a slight improvement, a large amount of cells are required to generate a predetermined amount of power, and the stack volume is increased accordingly. Since many cells are required, the reliability tends to decrease.
[0018]
In the flat fuel cell shown in FIG. 10, the power generation amount per cell can be increased by increasing the size (increasing the width). However, the interconnector 33 is formed so that about 40% of the entire circumference does not generate power. Therefore, a large number of cells are required to generate a predetermined amount of power, and the stack volume becomes large, and the connection reliability tends to decrease correspondingly.
[0019]
The present invention provides a fuel cell, a cell stack, and a fuel cell that can improve the power generation amount per unit cell, can be easily manufactured, can improve reliability, and can reduce the stack volume per predetermined power generation amount. With the goal.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
The fuel battery cell of the present invention is Gas passage hole was formed in the axial direction An outer surface of an inner electrode is provided with an annular solid electrolyte so as to surround the inner electrode, and an outer surface of the solid electrolyte is provided with an annular outer electrode so as to surround the solid electrolyte. A pair of flat portions formed in parallel, and the flat portions In a direction perpendicular to the axial direction It is made into the flat shape comprised from the arc-shaped part which connects edge parts, and ratio R2 / R1 of the minor axis R1 which is the distance between the said flat parts, and the major axis R2 which is the distance between the said arc-shaped parts is 8 or more. The minor axis R1 is 8 mm or less.
[0021]
In such a fuel cell, since the annular solid electrolyte and the outer electrode are sequentially formed on the outer peripheral surface of the inner electrode, and the interconnector is not formed, it is easy to manufacture, and the entire periphery of the cell is the power generation unit. It is possible to effectively generate power by using the entire circumference of the cell, and the power generation amount per fuel cell increases, and as a result, the number of cells required per predetermined power generation amount can be reduced. In addition, as the number of cells decreases, the total number of connections between cells decreases, and the total number of connections that can cause a failure can be reduced, improving reliability.
[0022]
Further, by forming the solid electrolyte and the outer electrode on the flat inner electrode and forming the flat cell, the cell can be enlarged (widened) and the power generation amount per fuel cell can be increased. However, even if the size of the cell is increased in this way, the stack volume required to generate a predetermined amount of electricity can be made smaller than before, which can make the fuel cell more compact and reduce the required volume of the heated part. It is possible to minimize the energy used for cell heating during start-up or steady operation, thereby enabling quick start-up and improving power generation efficiency.
[0023]
Further, the fuel cell of the present invention has a flat shape composed of a pair of flat portions formed substantially in parallel and an arc-shaped portion connecting the ends of the flat portions. It is said .
[0024]
In the fuel cell having such a configuration, the stack volume necessary for generating a predetermined amount of power can be minimized, the stress generated in the solid electrolyte and the external electrode in the arc-shaped portion can be suppressed, and peeling and cracking can be prevented. Can be suppressed.
[0025]
That is, the fuel cell is arranged in the storage container so that the flat portions of the adjacent cells are opposed to each other. For example, when connecting the flat portions (parallel connection), the cells are connected via the conductive member. Can be connected to the entire flat part, so that the connection reliability can be improved and the distance between the cells can be reduced because the reliability is improved. On the other hand, when connecting in series, the flat parts are not connected to each other. Although it is necessary to arrange them at a predetermined interval, since the facing surfaces of the cells are flat, the distance between the cells can be reduced and the stack volume can be reduced.
[0026]
The fuel cell of the present invention so The ratio R2 / R1 of the minor axis R1 to the major axis R2 is 2 or more It is said that. Thereby, since the power generation amount per cell can be increased, the number of cells required for generating a predetermined amount of power can be reduced, and the number of connections between cells can be reduced.
[0027]
Also, minor axis R1 Is 8 mm or less It is said . Thereby, the stack volume required for generating a predetermined amount of power can be further reduced.
[0029]
In the fuel cell of the present invention, it is desirable that a conductive member that is electrically connected to the inner electrode is provided in the gas passage hole of the inner electrode. On the outer surface of the fuel cell, there is an interconnector-less type that does not form an interconnector that connects the cells, but by electrically connecting the conductive member to the inner electrode, current is passed from the inner electrode through the conductive member. It can be taken out.
[0030]
Further, a long conductive member is inserted into the gas passage hole of the inner electrode, and the long conductive member and the inner electrode are electrically connected between the long conductive member and the inner surface of the inner electrode. It is desirable that a conductive member for connection to be provided is provided. Thereby, an electric current can be taken out from an elongate conductive member through the connection conductive member which conducts with the inner electrode.
[0031]
The cell stack of the present invention is formed by aggregating a plurality of the fuel cells. In such a cell stack, since the power generation amount per cell can be increased, the number of cells required for generating a predetermined amount of power can be reduced, and the cell shape is flat, so that a predetermined power generation amount can be obtained. The stack volume can be reduced.
[0032]
Further, the fuel cell of the present invention comprises a plurality of the above fuel cell units stored in a storage container. Such a fuel cell can be miniaturized, and can reduce manufacturing costs, improve power generation efficiency, mountability, mount reliability, and maintainability.
[0033]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows a fuel cell of the present invention, where (a) is a cross-sectional view and (b) is a perspective view. The fuel battery cell 34 of the present invention is flat with an interconnector-less shape, and a dense solid is formed on the entire outer peripheral surface of a fuel-side electrode (inner electrode) 35 mainly composed of a flat and porous metal. An electrolyte 37 is formed, and an oxygen side electrode (outer electrode) 39 made of porous conductive ceramics is sequentially laminated on the entire outer peripheral surface of the solid electrolyte 37. The fuel side electrode 35 serves as a support. ing.
[0034]
That is, in the fuel cell 34, an annular solid electrolyte 37 is provided on the outer surface of the flat fuel-side electrode 35 so as to surround the fuel-side electrode 35, and the solid electrolyte 37 is surrounded on the outer surface of the solid electrolyte 37. Is provided with an annular oxygen-side electrode 39. One fuel gas passage hole 41 is formed in the fuel side electrode 35 in the axial direction. In the case of manufacturing a fuel cell, the cell is supported and fixed. However, the oxygen side electrode 39 does not have to be formed for the portion to be supported and fixed.
[0035]
The fuel-side electrode 35 includes a pair of flat portions 35a provided so as to face each other substantially in parallel, and arc-shaped portions 35b provided at both ends in the width direction and smoothly connecting the ends of the pair of flat portions 35a. These arc-shaped portions 35b are formed in an arc shape protruding outward. In the fuel side electrode 35, one gas passage hole 41 having a cross-sectional shape similar to the outer shape is formed.
[0036]
The fuel battery cell 34 is formed with a pair of flat portions 34a whose outer shapes are formed substantially in parallel according to the shape of the fuel-side electrode 35, and both ends of the flat portions 34a, and the pair of flat portions 34a. It is comprised from the arc-shaped part 34b which connects the edge parts.
[0037]
2A and 2B show another fuel battery cell 43 of the present invention, in which FIG. 2A is a transverse sectional view and FIG. 2B is a perspective view. The fuel cell 43 has the same structure as that shown in FIG. 1 except that a plurality of fuel gas passage holes 45 are formed in the fuel side electrode 44 in the axial direction. Reference numeral 46 denotes a solid electrolyte, 47 denotes an oxygen side electrode, 43a denotes a flat portion of the fuel cell 43, 43b denotes an arcuate portion of the fuel cell 43, 44a denotes a flat portion of the fuel side electrode 44, and 44b denotes a fuel side electrode 44. The arc-shaped part is shown.
[0038]
FIG. 3 shows still another fuel battery cell 49 of the present invention. In this fuel battery cell 49, an annular solid electrolyte 53, an oxygen side electrode are formed on a part of the outer peripheral surface of the fuel side electrode 51 in the axial length direction. Except that 55 is formed, it has the same structure as FIG. Accordingly, the fuel side electrode 51 protrudes from one end of the fuel cell 49. Reference numeral 57 denotes a fuel gas passage hole, 49a denotes a flat portion of the fuel battery cell 49, and 49b denotes an arcuate portion of the fuel battery cell 49.
[0039]
The fuel side electrodes 35, 44, 51 are mainly composed of any one of metals, metal oxides, or alloys or alloy oxides of Ni, Co, Ti, and Ru. In addition to these, In order to improve the bonding strength of the outer surface to the solid electrolytes 37, 46, and 55 and approximate the thermal expansion coefficient of the solid electrolytes 37, 46, and 55, it is desirable to contain a solid electrolyte material. As the metal or metal oxide, Ni or NiO is desirable from the viewpoint of cost. When the fuel side electrode is formed of a metal oxide, power is generated by reduction in a reducing atmosphere.
[0040]
The ratio R2 / R1 between the minor axis R1 and the major axis R2 of the fuel cell shown in FIGS. 8 more than It is said . Thereby, the number of cells required to generate a predetermined amount of power can be reduced.
[0041]
In addition, as described above, the fuel cells 34, 43, and 49 include a pair of flat portions 34a, 43a, and 49a, and arc-shaped portions 34b, 43b that smoothly connect both ends of the flat portions 34a, 43a, and 49a, 49b, the distance between the pair of flat portions 34a, 43a, 49a is the short diameter R1, and the maximum distance is the length in the direction perpendicular to the short diameter R1. It was.
[0042]
The short diameter R1 of the fuel cell is 8 mm or less It is said . Thereby, the volume of a fuel cell can be made small and the output density per volume can be improved. In particular , 6 mm or less is desirable.
[0043]
The solid electrolytes 37, 46, 55 provided on the outer surfaces of the fuel side electrodes 35, 44, 51 are partially stabilized or stabilized ZrO containing 3 to 15 mol% Y and rare earth elements. 2 Dense ceramics are used. Between the fuel side electrodes 35, 44, 51 and the solid electrolytes 37, 46, 55, a bonding layer made of a dense layer may be interposed in order to improve the bonding strength. The thickness of the solid electrolytes 37, 46, and 55 is preferably 10 to 100 μm from the viewpoint of preventing gas permeation.
[0044]
The oxygen side electrodes 39, 47 and 55 are made of LaMnO. Three Material, LaFeO Three Material, LaCoO Three It is comprised from the at least 1 type of porous electroconductive ceramics of a system material. The oxygen side electrodes 39, 47, and 55 have LaFeO in view of their high electrical conductivity at a relatively low temperature of about 600 to 1000 ° C. Three System materials are desirable. The thickness of the oxygen side electrodes 39, 47, and 55 is preferably 30 to 100 μm from the viewpoint of current collection.
[0045]
A method for manufacturing the fuel cell as described above will be described. First, for example, NiO powder and ZrO containing Y 2 (YSZ) A fuel-side electrode material obtained by mixing a powder, an organic binder, and a solvent is extruded to produce a flat fuel-side electrode molded body in which fuel gas passage holes are formed in the axial length direction. To dry.
[0046]
Next, for example, a sheet-like molded body is prepared using a solid electrolyte material in which YSZ powder, an organic binder, and a solvent are mixed, and this sheet-shaped molded body is formed on the fuel-side electrode molded body at both ends thereof. Wrap and dry so that there is no overlap between them.
[0047]
Next, the laminated molded body is treated to remove the binder, and co-fired at 1300 to 1600 ° C. in an oxygen-containing atmosphere. Three The fuel cell of the present invention can be manufactured by dipping in a paste containing a system material and a solvent, forming an oxygen-side electrode molded body on the surface of the solid electrolyte by dipping, and baking at 1000 to 1300 ° C.
[0048]
Alternatively, a solid electrolyte sheet-like molded body may be formed on the surface of the fuel-side electrode molded body, and an oxygen-side electrode molded body may be further formed, and then fired simultaneously. Further, the fuel-side electrode molded body is dipped in the slurry containing the solid electrolyte material and dried, and further, dipped in the slurry containing the oxygen-side electrode material, dried, and co-fired. good.
[0049]
In the fuel cell configured as described above, annular solid electrolytes 37, 46, and 55 are provided on the outer surfaces of the flat fuel-side electrodes 35, 41, and 47 so as to surround the fuel-side electrodes 35, 44, and 51, respectively. An annular oxygen side electrode 39, 47, 55 is provided on the outer surface of the solid electrolyte 37, 46, 55 so as to surround the solid electrolyte 37, 46, 55, and the outer peripheral surface of the fuel side electrode 35, 44, 51 is provided. Since the annular solid electrolytes 37, 46, 55 and the oxygen side electrodes 39, 47, 55 are formed and the interconnector is not formed, the manufacturing is easy, and the entire circumference of the cell can be used as a power generation unit. It is possible to generate power by effectively using the entire circumference of the cell, and the power generation amount per fuel cell increases, and as a result, the number of cells required to obtain a predetermined amount of power generation can be reduced.
[0050]
Further, as the number of cells decreases, the total number of connections between cells decreases, and the number of connections that can cause a failure can be reduced, so that the mounting reliability can be improved.
[0051]
Furthermore, in order to generate a predetermined amount of power by forming solid electrolytes 37, 46, 55 and oxygen side electrodes 39, 47, 55 on the flat fuel side electrodes 35, 44, 51, and forming flat cells. The required stack volume can be made smaller than before, the required heated part volume can be reduced, and the energy required for heating the cell during start-up or steady operation can be reduced.
[0052]
FIG. 4 shows a cell stack of the present invention formed using the fuel battery cell of FIG. As shown in FIG. 4, the cell stack is constituted by a plurality of the fuel cells shown in FIG. As shown in FIG. 4 and FIG. 5 (b), the fuel cell 34 of this cell stack has an inner long conductive member 61 inserted in the center in the fuel gas passage hole 41 of the fuel side electrode 35. Between the long conductive member 61 and the inner surface of the fuel side electrode 35, a connecting conductive member 63 that connects the inner long conductive member 61 and the fuel side electrode 35 is provided.
[0053]
The inner elongate conductive member 61 has a conductive rod shape or plate shape, and the connection conductive member 63 is made of Ni felt so that fuel gas can pass therethrough. The inner long conductive member 61 and the connection conductive member 63 are not necessarily formed of Ni.
[0054]
Further, on the outer surface of the oxygen side electrode 39 corresponding to the flat portion 34a of the fuel battery cell 34,
An outer long conductive member 65 is provided and is electrically connected. The outer long conductive member 65 may be formed on a part of the oxygen side electrode 39 or on the entire surface.
[0055]
Adjacent fuel cells 34 are connected to each other by connecting the inner elongated conductive member 61 of one fuel cell 34 and the outer elongated conductive member 65 of the other fuel cell 34. They are electrically connected in series.
[0056]
The outer long conductive member 65 is preferably made of at least one of Pt, Ag, Ni-base alloy, and Fe—Cr steel alloy from the viewpoint of heat resistance, oxidation resistance, and electrical conductivity during power generation. .
[0057]
As shown in FIG. 5A, a connecting conductive member 63 made of Ni felt may be provided in the fuel gas passage hole 41 of the fuel side electrode 35 without inserting the inner long conductive member. Although good, from the viewpoint of current collection, it is desirable to insert the inner long conductive member 61 as shown in FIG.
[0058]
Further, as shown in FIG. 5C, both ends of the inner long conductive member 61 can be projected outward from both ends of the fuel cell 34. In this case, current can be extracted from both sides of the cell.
[0059]
The fuel cell 43 shown in FIG. 2 can also employ a cell stack structure as shown in FIGS. In this case, the inner long conductive member may be inserted into all of the plurality of fuel gas passage holes 45 or may be inserted into some of the fuel gas passage holes 45. Further, in the fuel battery cell 49 shown in FIG. 3, since one of the fuel side electrodes 51 is exposed, in addition to the cell stack structure as shown in FIG. 4 and FIG. Electric power can be taken out using the fuel-side electrode 51 without using a conductive member.
[0060]
The fuel cell of the present invention is configured by accommodating the cell stack described above in a storage container. That is, the storage container is provided with a supply pipe for introducing oxygen-containing gas (air) into the cell stack and a supply pipe for introducing fuel gas, and the oxygen-containing gas flows along the oxygen-side electrode of the fuel cell. At the same time, the fuel cell flows along the fuel side electrode and is heated to, for example, about 1000 ° C., so that the fuel cell starts to generate power.
[0061]
In addition, this invention is not limited to the said form, A various change is possible in the range which does not change the summary of invention. For example, the oxygen side electrode may be used as the inner electrode.
[0062]
【Example】
First, NiO powder having an average particle diameter of 0.5 μm and ZrO having an average particle diameter of 0.5 μm containing 8 mol% of Y 2 A fuel-side electrode material in which (YSZ) powder, a pore agent, an organic binder made of PVA, and a solvent made of water were mixed was extruded to produce a flat fuel-side electrode molded body, which was dried.
[0063]
Next, a sheet-like molded body is produced using a solid electrolyte material in which the YSZ powder, an organic binder made of an acrylic resin, and a solvent made of toluene are mixed, and this sheet-like molded body is made into a fuel-side electrode molded body. It was wound on the upper side so as not to be separated from each other and dried, and a laminated molded body in which a solid electrolyte sheet-like molded body was laminated on the fuel-side electrode molded body was produced.
[0064]
Next, the laminated molded body was debindered and co-fired at 1500 ° C. in the air. This laminate is made of La having an average particle diameter of 2 μm. 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O Three It is immersed in a paste containing a powder and a solvent composed of normal paraffin, and an oxygen-side electrode molded body is prepared by dipping on the surface of the solid electrolyte and baked at 1150 ° C. to form an oxygen-side electrode, as shown in FIG. The fuel battery cell of the present invention was produced.
[0065]
In addition, by changing the minor axis and major axis of the fuel side electrode, the minor axis R1 and the major axis R2 of the fuel cell were changed, and fuel cells having different R2 / R1 ratios were produced.
[0066]
Next, an outer long conductive member made of Pt-based metal having oxidation resistance is connected to the oxygen side electrode, and an inner long conductive member is formed at the center of the fuel gas passage hole in the fuel side electrode of the prepared cell. Was inserted, and the inner elongated conductive member and the fuel side electrode were connected by a connecting conductive member made of Ni felt to produce a cell as shown in FIG.
[0067]
The produced fuel cell was heated to 900 ° C., hydrogen gas was circulated through the fuel gas passage hole in the fuel side electrode, air was circulated outside the fuel cell, and the amount of power generation per cell was measured. . Based on this measurement result, the number of cells required to obtain a power generation amount of 1.5 KW and the volume of the cell stack constituted by the required number of cells were determined. At this time, in order to prevent an electrical short circuit or from the viewpoint of production, the calculation was performed with a setting that a space of 6 mm was required on the outer periphery of the cell. These results are shown in FIG.
[0068]
FIG. 6 shows the relationship between the minor axis R1, the ratio R2 / R1 and the volume of the cell stack. The number of cells necessary for obtaining a power generation amount of 1.5 kW in a cylindrical cell having a diameter of 4 mm is shown. The stack volume when used was 100,000. In FIG. 6, the point of R2 / R1 = 1 indicates the result of the cylindrical cell.
[0069]
From the results of FIG. 6, when the minor axis R1 is 20 mm, the volume tends to increase as the R2 / R1 ratio increases, and there is no effect of reducing the volume of the heated portion of the cell stack, and the thermal efficiency rather decreases. It turns out that there is a tendency. It can be seen that when R1 is 10 mm, the volume decreases slightly as the R2 / R1 ratio increases.
[0070]
Furthermore, when R1 is 8 mm or less, it is clear that the volume decreases as the R2 / R1 ratio increases. It can be seen that a cell having an R1 of 4 mm can reduce the volume by about 35% compared to the cylindrical shape when the R2 / R1 ratio is 8. Therefore, it can be seen from this result that the stack volume can be reduced by setting R1 to 10 mm or less and the R2 / R1 ratio to 2 or more.
[0071]
FIG. 7 shows the relationship between the minor axis R1, the R2 / R1 ratio, and the number of cells. According to FIG. 7, it can be seen that the larger the R1, the smaller the number of cells. However, when R1 is 20 mm, there is no effect of reducing the volume from the result of FIG.
[0072]
For cells with R1 of 10 mm or less, the number of cells tends to decrease as the ratio of R1, R2 / R1 increases, but when R1 is 4 mm, the number of cells is R2 / R when the R2 / R1 ratio is 8. It can be seen that R1 is 1/5 or less compared to 1 and the number of cells can be greatly reduced. Accordingly, from the results shown in FIGS. 6 and 7, R1 is set to 10 mm or less and R2 / R1 ratio is set to 2 or more, that is, the cell shape is flattened to reduce the volume of the heated portion and further reduce the number of cells. You can achieve that at the same time. For example, in the case of a cell with R1 of 4 mm, if the R2 / R1 ratio is 8, the volume can be made 70% compared to the case of using a cell with an R2 / R1 ratio of 1, and the number of cells Can also be reduced to 1/5 or less.
[0073]
【The invention's effect】
In the fuel battery cell of the present invention, the cell shape is flat and adopts an interconnector-less type, which is easy to manufacture and can improve the power generation amount as a single cell, and the number of cells relative to the desired power generation amount. In addition, it is possible to simultaneously reduce the volume that requires heating, including the cell power generation unit and its peripheral members, and it is possible to reduce manufacturing costs, improve power generation efficiency, mountability, mounting reliability, and maintainability. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a fuel cell of the present invention having one gas passage hole, wherein (a) is a cross-sectional view and (b) is a perspective view.
FIGS. 2A and 2B show a fuel battery cell of the present invention in which a plurality of gas passage holes are formed, wherein FIG. 2A is a cross-sectional view and FIG. 2B is a perspective view.
FIG. 3 is a perspective view showing a fuel battery cell of the present invention in which a plurality of gas passage holes are formed and an inner electrode protrudes.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a cell stack of the present invention.
FIG. 5A is a longitudinal sectional view of a fuel cell in which a connecting conductive member is inserted into a gas passage hole, and FIG. 5B is an inner long conductive member and a connecting conductive member disposed in the gas passage hole. FIG. 4C is a longitudinal sectional view of the fuel battery cell in which the inner long conductive member is protruded on both sides.
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the ratio (R2 / R1) between the minor axis R1 and the major axis R2 of the fuel cell and the volume.
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the ratio (R2 / R1) between the short diameter R1 and the long diameter R2 of the fuel cell and the number of cells.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a conventional cell stack in which a plurality of cylindrical fuel cells having interconnectors formed therein are connected.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a conventional cell stack in which a plurality of interconnectorless fuel cells are connected in parallel.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a conventional cell stack in which a plurality of flat fuel cells having interconnectors formed therein are connected in series.
[Explanation of symbols]
34, 43, 49 ... Fuel cells
34a, 43a, 49a ... flat part of the cell
34b, 43b, 49b ... Arc portion of the cell
35, 44, 51 ... Fuel side electrode (inner electrode)
37, 46, 53 ... Solid electrolyte
39, 47, 55 ... Oxygen side electrode (outer electrode)
41, 45, 57 ... Gas passage holes
61 ... Inner long conductive member
63... Conductive member for connection
R1 ... minor axis
R2 ... major axis

Claims (5)

ガス通過孔が軸長方向に形成された内側電極の外面に、該内側電極を取り巻くように環状の固体電解質を設け、該固体電解質の外面に、該固体電解質を取り巻くように環状の外側電極を設けてなる燃料電池セルであって、外形形状が、平行に形成された一対の平坦部と、該平坦部の前記軸長方向と垂直な方向の端部同士を連結する弧状部とから構成された扁平状とされており、前記平坦部間の距離である短径R1と前記弧状部間の距離である長径R2の比率R2/R1が8以上、前記短径R1が8mm以下であることを特徴とする燃料電池セル。 An annular solid electrolyte is provided on the outer surface of the inner electrode having a gas passage hole formed in the axial direction so as to surround the inner electrode, and an annular outer electrode is provided on the outer surface of the solid electrolyte so as to surround the solid electrolyte. The outer shape of the fuel cell is a pair of flat portions formed in parallel and an arcuate portion that connects ends of the flat portions in a direction perpendicular to the axial length direction. The ratio R2 / R1 of the minor axis R1 which is the distance between the flat parts and the major axis R2 which is the distance between the arcuate parts is 8 or more, and the minor axis R1 is 8 mm or less. A fuel cell. 前記内側電極のガス通過孔内には、該内側電極と導通する導電部材が設けられていることを特徴とする請求項記載の燃料電池セル。Wherein the the gas passage holes of the inner electrode, the fuel cell according to claim 1, characterized in that the conductive member electrically connected to the inner electrode is provided. 前記内側電極のガス通過孔内には長尺状導電部材が挿入され、該長尺状導電部材と前記内側電極内面との間には、前記長尺状導電部材と前記内側電極とを導通させる接続用導電部材が設けられていることを特徴とする請求項記載の燃料電池セル。An elongated conductive member is inserted into the gas passage hole of the inner electrode, and the elongated conductive member and the inner electrode are electrically connected between the elongated conductive member and the inner electrode inner surface. fuel cell according to claim 1, wherein the connecting conductive member is provided. 請求項1乃至のうちいずれかに記載の燃料電池セルを複数集合してなることを特徴とするセルスタック。A cell stack comprising a plurality of fuel battery cells according to any one of claims 1 to 3 . 請求項1乃至のうちいずれかに記載の燃料電池セルを収納容器内に複数収納してなることを特徴とする燃料電池。Fuel cell, characterized in that comprising a plurality accommodated in the accommodation container the fuel cell according to any one of claims 1 to 3.
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