JP3323038B2 - Solid oxide fuel cell - Google Patents
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Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、固体電解質と、こ
の固体電解質の一側面に形成された空気極と、他側面に
形成された燃料極と、集電するためのインターコネクタ
あるいはセパレータの集電体とを備えた固体電解質型燃
料電池セルに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solid electrolyte, an air electrode formed on one side of the solid electrolyte, a fuel electrode formed on the other side, and an interconnector or separator for collecting current. The present invention relates to a solid oxide fuel cell having an electric body.
【0002】[0002]
【従来の技術】近年、固体電解質型燃料電池において
は、円筒型と平板型の2種類の燃料電池について研究開
発が行われている。平板型燃料電池セルは、発電の単位
体積当りの出力密度が高いという特長を有するが、実用
化に関してはガスシール不完全性やセル内の温度分布の
不均一性などの問題がある。それに対して、円筒型燃料
電池セルでは、出力密度は低いもののセルの機械的強度
が高く、またセル内の温度の均一性が保てるという特長
がある。両形状の固体電解質型燃料電池セルとも、それ
ぞれの特長を生かして積極的に研究開発が進められてい
る。2. Description of the Related Art In recent years, research and development have been conducted on two types of solid electrolyte fuel cells, a cylindrical type and a flat type. The flat fuel cell has the feature that the power density per unit volume of power generation is high, but there are problems such as imperfect gas sealing and non-uniform temperature distribution in the cell when put to practical use. On the other hand, the cylindrical fuel cell has the features that although the output density is low, the mechanical strength of the cell is high and the temperature in the cell can be kept uniform. Both types of solid oxide fuel cells are being actively researched and developed utilizing their respective features.
【0003】円筒型燃料電池の単セルは、図2に示した
ように開気孔率40%程度のCaO安定化ZrO2を支
持管1とし、その上にスラリーディップ法により多孔性
の空気極2としてLaMnO3系材料を塗布し、その表
面に気相合成法(EVD)や、あるいは溶射法により固
体電解質3であるY2O3安定化ZrO2膜を被覆し、さ
らにこの表面に多孔性のNiージルコニアの燃料極4を
設けて構成されている。燃料電池のモジュールにおいて
は、各単セルは、LaCrO3系のインターコネクタ5
を介して接続される。集電はこのインターコネクタにN
iフェルトあるいはNi板を接触させて行われる。ま
た、発電は支持管内部6に空気(酸素)を、外部7に燃
料(水素)を流し、1000〜1050℃の温度で行わ
れる。近年、このセル作製の工程においてプロセスを単
純化するため、空気極材料であるLaMnO3系材料を
直接多孔性の支持管として使用する試みがなされてい
る。As shown in FIG. 2, a single cell of a cylindrical fuel cell has a support tube 1 made of CaO-stabilized ZrO 2 having an open porosity of about 40%, on which a porous air electrode 2 is formed by a slurry dipping method. A LaMnO 3 -based material is applied, and the surface thereof is coated with a Y 2 O 3 -stabilized ZrO 2 film as the solid electrolyte 3 by a vapor phase synthesis method (EVD) or a thermal spraying method. A fuel electrode 4 made of Ni-zirconia is provided. In the fuel cell module, each single cell is a LaCrO 3 based interconnector 5.
Connected via The current collection is N
This is performed by contacting an i-felt or a Ni plate. Power generation is performed at a temperature of 1000 to 1050 ° C. by flowing air (oxygen) inside the support tube 6 and fuel (hydrogen) outside 7. In recent years, attempts have been made to use a LaMnO 3 -based material, which is an air electrode material, directly as a porous support tube in order to simplify the process in this cell fabrication process.
【0004】空気極としての機能を合せ持つ支持管材料
としては、Laを10〜20原子%のCaあるいはSr
で置換したLaMnO3固溶体材料が用いられている。As a supporting tube material having the function of an air electrode, La or Ca of 10 to 20 atomic% is used.
Used is a LaMnO 3 solid solution material.
【0005】また、平板型燃料電池の単セルは、円筒型
と同じ材料系を用いて、図3に示したように固体電解質
8の上面に多孔性の空気極9を、下面に多孔性の燃料極
10を設けて構成されている。単セル間の接続には、セ
パレータ11と呼ばれるMgOやCaOを添加した緻密
質のLaCrO3固溶体材料が用いられる。発電はセル
の空気極側に空気(酸素)、燃料極側に燃料(水素)を
供給して1000〜1050℃の温度で行われる。[0005] Further, the single cell of the flat plate type fuel cell uses the same material system as that of the cylindrical type, and as shown in FIG. The fuel electrode 10 is provided. For connection between the single cells, a dense LaCrO 3 solid solution material called MgO or CaO, called a separator 11, is used. Power generation is performed at a temperature of 1000 to 1050 ° C. by supplying air (oxygen) to the air electrode side of the cell and fuel (hydrogen) to the fuel electrode side.
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の円筒型燃料電池セルおよび平板型燃料電池セルと
も、固体電解質と空気極または燃料極との界面における
分極抵抗が大きいため、燃料電池セルにおける電圧低下
が大きく、発電効率が低いという問題があった。However, both the conventional cylindrical fuel cell and the flat fuel cell have a large polarization resistance at the interface between the solid electrolyte and the air electrode or the fuel electrode. There has been a problem that the reduction is large and the power generation efficiency is low.
【0007】また、円筒型燃料電池セルにおいてはイン
ターコネクタとNiフェルト(あるいはNi板)との間
の接触抵抗が、平板型燃料電池セルにおいてはセパレー
タと空気極または燃料極との界面における接触抵抗が大
きいため、燃料電池セルにおける電圧低下が大きく、発
電効率が低いという問題があった。In a cylindrical fuel cell, the contact resistance between the interconnector and the Ni felt (or Ni plate) is increased. In the flat fuel cell, the contact resistance at the interface between the separator and the air electrode or the fuel electrode is increased. Therefore, there is a problem that the voltage drop in the fuel cell is large and the power generation efficiency is low.
【0008】このような問題から従来の固体電解質型燃
料電池セルにおいては、本来の性能を十分に発揮できな
いという問題があった。Due to such a problem, the conventional solid oxide fuel cell has a problem that the original performance cannot be sufficiently exhibited.
【0009】[0009]
【課題を解決するための手段】本発明者等は上記問題に
対し検討を重ねた結果、インターコネクタとNiフェル
ト(Ni板)あるいはセパレータと空気極または燃料極
との接触界面の面積を増大させることにより、上記分極
抵抗および接触抵抗を低減させることができることを見
出し、本発明に至った。Means for Solving the Problems The inventors of the present invention have studied the above problem, and as a result, have found that an interconnector and a Ni ferrule have been developed.
(Ni plate) or separator and air electrode or fuel electrode
The present inventors have found that the polarization resistance and the contact resistance can be reduced by increasing the area of the contact interface with, and the present invention has been achieved.
【0010】即ち、本発明の固体電解質型燃料電池セル
は、固体電解質の片面に空気極が、他面に燃料極が形成
された燃料電池セル本体の外面に、前記空気極または前
記燃料極と電気的に接続する集電体を設けてなる固体電
解質型燃料電池セルにおいて、前記集電体の少なくとも
一方の表面の表面粗さRaが3〜200μmを満足する
ものであり、集電体の少なくとも一方の表面には周期的
に凹部が形成されていることが重要である。 That is, the solid oxide fuel cell according to the present invention is characterized in that the air electrode or the fuel electrode is formed on the outer surface of the fuel cell body having the solid electrolyte on one surface and the fuel electrode on the other surface. In a solid oxide fuel cell unit provided with a current collector electrically connected, the surface roughness Ra of at least one surface of the current collector satisfies 3 to 200 μm, and at least one of the current collector It is important that the concave portions are periodically formed on one surface .
【0011】本発明においては、インターコネクタある
いはセパレータなどの集電体の少なくとも一方の表面の
表面粗さRaを3〜200μmとしたのは、表面粗さR
aが3μmよりも小さい場合にはインターコネクタとN
iフェルト(Ni板)あるいはセパレータと空気極また
は燃料極との界面における接触抵抗の低減という効果が
小さいからである。また、Raが200μmを越える
と、逆にインターコネクタとNiフェルト(Ni板)あ
るいはセパレータと空気極および燃料極との接触面積が
低下して、集電が悪くなる。特に、集電体の少なくとも
一方の表面の表面粗さRaは、接触面積の観点から20
〜100μmが望ましい。In the present invention, the surface roughness Ra of at least one surface of the current collector such as an interconnector or a separator is set to 3 to 200 μm.
If a is smaller than 3 μm, the interconnector and N
This is because the effect of reducing the contact resistance at the interface between the i-felt (Ni plate) or the separator and the air electrode or the fuel electrode is small. On the other hand, if Ra exceeds 200 μm, the contact area between the interconnector and the Ni felt (Ni plate) or between the separator and the air electrode and the fuel electrode is reduced, resulting in poor current collection. In particular, the surface roughness Ra of at least one surface of the current collector is 20 from the viewpoint of the contact area.
100100 μm is desirable.
【0012】 インターコネクタあるいはセパレータの
表面の表面粗さRaを3〜200μmとするには、例え
ば、ドクターブレード法により作製したインターコネク
タあるいはセパレータ用のグリーンシート表面に金属メ
ッシュを押し当てる方法、またグリーンシートを表面に
凹凸がある金属等の表面に押し当てる方法により形成
し、これを所定の温度で焼成して作製することができ
る。グリーンシート表面に金属メッシュを押し当てる方
法、またグリーンシートを表面に凹凸がある金属等の表
面に押し当てる方法により形成すると、集電体の表面に
周期的に凹部が形成されることになり、集電体の表面の
全体に亘って均一な発電が得られる。In order to make the surface roughness Ra of the surface of the interconnector or the separator 3 to 200 μm, for example, a method in which a metal mesh is pressed against the surface of a green sheet for the interconnector or the separator produced by a doctor blade method, The sheet can be formed by pressing a sheet against a surface of metal or the like having irregularities on the surface, and firing the sheet at a predetermined temperature. When a method of pressing a metal mesh against the surface of a green sheet, or a method of pressing a green sheet against a surface of a metal or the like having irregularities on the surface, a concave portion is periodically formed on the surface of the current collector, Uniform power generation can be obtained over the entire surface of the current collector.
【0013】尚、グリーンシートを所定の方法により焼
結した後、サンドブラスト機によりブラストして表面処
理しても良い。この場合、周期的に孔が形成された型を
用い、この型の上からサンドブラストすることにより、
周期的に凹部を形成することができる。The green sheet may be sintered by a predetermined method and then blasted by a sand blasting machine to perform a surface treatment. In this case, using a mold in which holes are formed periodically, and sandblasting from above the mold,
The concave portions can be formed periodically.
【0014】[0014]
【作用】平板型燃料電池セルを例に説明すると、発電は
セルの空気極側に空気(酸素)、燃料極側に燃料(水
素)を供給して1000〜1050℃の温度で行われる
が、この発電においてセルの電圧低下の原因としては、
セルの抵抗、燃料極および空気極と固体電解質界面にお
ける分極抵抗、燃料極および空気極とセパレータ界面に
おける接触抵抗がある。形状によりいくらかの違いはあ
るものの、上述の抵抗の電圧低下への寄与はそれぞれ1
/3程度づつである。円筒型燃料電池セルの場合につい
ても同様である。The power generation is carried out at a temperature of 1000 to 1050 ° C. by supplying air (oxygen) to the air electrode side and fuel (hydrogen) to the fuel electrode side. In this power generation, the cause of the cell voltage drop is as follows.
There are cell resistance, polarization resistance at the interface between the fuel electrode and the air electrode and the solid electrolyte, and contact resistance at the interface between the fuel electrode and the air electrode and the separator. Although there are some differences depending on the shape, each of the above-mentioned contributions to the voltage drop of the resistor is 1
It is about / 3 each. The same applies to the case of a cylindrical fuel cell.
【0015】本発明においては、インターコネクタある
いはセパレータ等の集電体の少なくとも一方の表面の表
面粗さRaを3〜200μmとし、インターコネクタと
Niフェルト(Ni板)との接触面積あるいはセパレー
タと燃料極または空気極との接触面積を増大させた結
果、界面における接触抵抗を小さくすることができ、セ
ルの電圧低下を抑制して発電効率を向上することができ
る。In the present invention, the surface roughness Ra of at least one surface of the current collector such as the interconnector or the separator is set to 3 to 200 μm, and the contact area between the interconnector and the Ni felt (Ni plate) or the separator and the fuel As a result of increasing the contact area with the electrode or the air electrode, the contact resistance at the interface can be reduced, the voltage drop of the cell can be suppressed, and the power generation efficiency can be improved.
【0016】即ち、本発明では、集電体の少なくとも一
方の表面に凹凸を形成することにより各界面の面積を増
大させ、発電出力を向上することができるのである。That is, in the present invention, by forming irregularities on at least one surface of the current collector, the area of each interface can be increased, and the power generation output can be improved.
【0017】即ち、本発明では、集電体の少なくとも一
方の表面に、周期的に凹部を形成し、表面粗さRaを3
〜200μmとすることにより、燃料電池セル全体に亘
って均一な発電が得られる。That is, in the present invention, the concave portion is periodically formed on at least one surface of the current collector to reduce the surface roughness Ra to 3
By setting the thickness to 200 μm, uniform power generation can be obtained over the entire fuel cell unit.
【0018】本発明では、集電体の表面粗さRaを3〜
200μmとすることにより、平板型燃料電池セルの場
合には燃料極および空気極とセパレータ界面における接
触抵抗を低減することができ、セルの電圧低下を抑制し
て発電効率をさらに向上することができる。In the present invention, the current collector has a surface roughness Ra of 3 to 3.
By setting the thickness to 200 μm, in the case of a flat fuel cell, the contact resistance at the interface between the fuel electrode and the air electrode and the separator can be reduced, and the voltage drop of the cell can be suppressed to further improve the power generation efficiency. .
【0019】[0019]
【発明の実施の形態】本発明の固体電解質型燃料電池セ
ルを図面を用いて詳細に説明する。本発明の典型的な燃
料電池セルの構造で平板型燃料電池セルと呼ばれるもの
は、図3に示したようにY2O3やYb2O3を3〜15モ
ル%添加した部分安定化ZrO2および安定化ZrO2、
あるいはY2O3,Yb2O3,Sm2O3,Gd2O3を添加
したCeO2固溶体よりなる板状の固体電解質8の上面
には、(La,Sr)MnO3や(La,Ca)MnO3
などからなる多孔性の空気極9を、下面の面にNiとZ
rO2(Y2O3安定化)のサーメットなどからなる多孔
性の燃料極10が形成され、燃料電池セル本体12が構
成されている。そして、これを単セルとしてセル間を接
続する部材として、セパレータ11が一方のセルの空気
極と隣接する他方のセルの燃料極とを接続する位置、即
ち、燃料電池セル本体12に配置されている。このセパ
レータ11は、MgやCaをドープした緻密質のLaC
rO3固溶体から構成されている。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A solid oxide fuel cell according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Typical called by the structure of the fuel cell and the plate-type fuel cell, partially stabilized ZrO addition of Y 2 O 3 and Yb 2 O 3 as shown in FIG. 3 3-15 mole% of the present invention 2 and stabilized ZrO 2 ,
Alternatively, (La, Sr) MnO 3 or (La, Sr) MnO 3 is formed on the upper surface of a plate-like solid electrolyte 8 made of a CeO 2 solid solution to which Y 2 O 3 , Yb 2 O 3 , Sm 2 O 3 , and Gd 2 O 3 are added. Ca) MnO 3
A porous air electrode 9 made of Ni or Z
A porous fuel electrode 10 made of rO 2 (Y 2 O 3 stabilized) cermet or the like is formed, and a fuel cell body 12 is formed. Then, as a member connecting the cells as a single cell, the separator 11 is disposed at a position connecting the air electrode of one cell and the fuel electrode of the adjacent cell, that is, the separator 11 is disposed on the fuel cell body 12. I have. This separator 11 is made of dense LaC doped with Mg or Ca.
It is composed of an rO 3 solid solution.
【0020】そして、本発明は、セパレータ11の燃料
極側の面には、その表面積を大きくするため、図1に示
すように、周期的な凹部13、例えば大きなうねりまた
は細穴が設けられており、表面粗さRaが3〜200μ
mとされている。そして、この面に、多孔質からなる空
気極あるいは燃料極が接している。この空気極あるいは
燃料極は、ガス透化性をよくするため、開気孔率として
10〜70%程度にする必要がある。また、燃料極は、
固体電解質表面に固体電解質材料(例えばZrO2)か
らなる骨格を形成し、該骨格中にNiを充填するとさら
に効果的である。In the present invention, as shown in FIG. 1, periodic concave portions 13, for example, large undulations or small holes are provided on the surface of the separator 11 on the fuel electrode side to increase the surface area. Surface roughness Ra of 3 to 200 μm
m. A porous air electrode or fuel electrode is in contact with this surface. This air electrode or fuel electrode needs to have an open porosity of about 10 to 70% in order to improve gas permeability. The fuel electrode is
It is more effective to form a skeleton made of a solid electrolyte material (for example, ZrO 2 ) on the surface of the solid electrolyte and fill the skeleton with Ni.
【0021】このような表面構造を有するセパレータ1
1はドクターブレード法により作製したグリーンシート
表面に金属メッシュを押し当てる方法、またグリーンシ
ートを表面に凹凸がある金属等の表面に押し当てる方法
により形成し、これを所定の温度で焼成して作製するこ
とができる。あるいはグリーンシートを所定の方法によ
り焼結した後、サンドブラスト機を用いて、ブラストし
て表面構造を形成してもよい。また、図2に示した円筒
型燃料電池セルの固体電解質およびインターコネクタに
ついても、同様な方法により表面粗さを3〜200μm
とすることができる。The separator 1 having such a surface structure
1 is a method in which a metal mesh is pressed against the surface of a green sheet produced by a doctor blade method, or a method in which a green sheet is pressed against a surface of a metal or the like having irregularities on the surface, which is fired at a predetermined temperature to produce a green sheet. can do. Alternatively, after sintering the green sheet by a predetermined method, the surface structure may be formed by blasting using a sand blasting machine. Also, the solid electrolyte and the interconnector of the cylindrical fuel cell shown in FIG. 2 have a surface roughness of 3 to 200 μm by the same method.
It can be.
【0022】[0022]
【実施例】参考例1 ドクターブレード法により粒子径0.6μmのZrO2
(8モル%Y2O3含有)を含有する400μmのグリー
ンシートを作製し、焼結体の寸法が5cm×5cmにな
るようにシートを切り出し、1500℃で4時間焼成し
て理論密度比が98%の平板状の固体電解質を作製し
た。得られた平板状の固体電解質表面の表面粗さ(中心
線平均粗さ)Raを表面粗計で測定した。この固体電解
質の一方の面に、粒子径が1μmの市販のLa0.9Sr
0.1MnO3を含有する空気極用のスラリーを50μmの
厚みにスクリーン印刷により塗布し、固体電解質の他方
の面には70重量%NiOを含むZrO2(8モル%Y2
O3含有)を含有する燃料極用のスラリーを50μmの
厚みにスクリーン印刷により塗布し、これを大気中12
00℃で一時間焼鈍して、固体電解質の一方の面に空気
極、他方の面に燃料極を形成し、セル本体を作製した。
このセル本体を、厚み350μmのLa0.8Ca0.22C
rO3焼結体からなるセパレータで挟持して、平板型燃
料電池セルを作製し、これを試料No.1とした。EXAMPLES Reference Example 1 ZrO 2 having a particle diameter of 0.6 μm by a doctor blade method
A green sheet having a thickness of 400 μm containing (8 mol% Y 2 O 3 ) was prepared, and the sheet was cut out so that the size of the sintered body was 5 cm × 5 cm, and calcined at 1500 ° C. for 4 hours to obtain a theoretical density ratio. A 98% flat solid electrolyte was prepared. The surface roughness (center line average roughness) Ra of the obtained flat solid electrolyte surface was measured with a surface roughness meter. On one surface of the solid electrolyte, a commercially available La 0.9 Sr having a particle diameter of 1 μm was applied.
A slurry for an air electrode containing 0.1 MnO 3 was applied to a thickness of 50 μm by screen printing, and ZrO 2 containing 70 wt% NiO (8 mol% Y 2
A slurry for the fuel electrode containing O 3 ( containing O 3 ) was applied by screen printing to a thickness of 50 μm,
Annealing was performed at 00 ° C. for 1 hour to form an air electrode on one surface of the solid electrolyte and a fuel electrode on the other surface, thereby producing a cell body.
This cell body is made of La 0.8 Ca 0.22 C having a thickness of 350 μm.
A flat-plate type fuel cell was manufactured by sandwiching it with a separator made of a rO 3 sintered body. It was set to 1.
【0023】また、上記固体電解質用のグリーンシート
と同様のグリーンシートを用いて、該シートの一面ある
いは両面に40〜330メッシュのステンレスメッシュ
を押し当ててグリーンシートに周期的に凹凸を作製した
後、1500℃で4時間焼成して理論密度比が99.6
%の平板状の固体電解質を作製した。得られた平板状の
固体電解質表面の表面粗さRaを表面粗計で測定した。
平板状の固体電解質への燃料極および空気極の形成は上
記と同様な方法により作製し、セル本体を作製した。こ
のセル本体を、厚み350μmのLa0.8Ca0.22Cr
O3焼結体からなるセパレータで挟持して、平板型燃料
電池セルを作製した。Further, using a green sheet similar to the above-mentioned green sheet for a solid electrolyte, a stainless mesh of 40 to 330 mesh is pressed against one or both surfaces of the sheet to periodically form irregularities on the green sheet. Calcined at 1500 ° C for 4 hours and the theoretical density ratio is 99.6
% Of the solid electrolyte was prepared. The surface roughness Ra of the obtained flat solid electrolyte surface was measured with a surface roughness meter.
The fuel electrode and the air electrode were formed on the flat solid electrolyte by the same method as described above, and the cell body was manufactured. This cell body is made of La 0.8 Ca 0.22 Cr having a thickness of 350 μm.
A flat-plate type fuel cell was produced by sandwiching it with a separator made of an O 3 sintered body.
【0024】そして、空気極側に酸素を燃料極側に水素
を供給して1000℃で1000時間連続発電し、発電
時の出力密度を測定した。その結果を表1に示す。Then, oxygen was supplied to the air electrode side and hydrogen was supplied to the fuel electrode side to generate power continuously at 1000 ° C. for 1000 hours, and the output density at the time of power generation was measured. Table 1 shows the results.
【0025】[0025]
【表1】 [Table 1]
【0026】表1より、固体電解質の表面粗さRaが試
料No.1のように3μmより小さいと効果がなく、ま
た試料No.7,10のように200μmを越えると出
力密度が低下することが分かる。この表面構造の改善に
関しては、空気極側を表面処理した場合も燃料極側を表
面処理した場合と同様に性能の向上をもたらすことが分
かる。また、試料No.11,12より空気極および燃
料極に接する両面について表面処理を行うとより発電性
能が向上することが分かる。As shown in Table 1, the surface roughness Ra of the solid electrolyte was the same as that of Sample No. No effect is obtained when the particle size is smaller than 3 μm as in Sample No. 1; As can be seen from FIGS. 7 and 10, when the thickness exceeds 200 μm, the output density decreases. Regarding the improvement of the surface structure, it can be seen that when the surface treatment is performed on the air electrode side, the performance is improved as in the case where the surface treatment is performed on the fuel electrode side. In addition, the sample No. 11 and 12 show that the surface treatment of both surfaces in contact with the air electrode and the fuel electrode further improves the power generation performance.
【0027】さらに、周期的に凹凸を形成しない例とし
て、固体電解質の焼結体表面に直接サンドブラストで表
面処理し、その表面粗さRaを測定した。そして、固体
電解質に燃料極および空気極を上記と同様な方法により
作製し、セル本体を作製した。このセル本体を上記と同
様なセパレータで挟持して燃料電池セルを作製し、上記
と同様にして発電し、発電時の出力密度を測定した。そ
の結果、固体電解質の表面粗さRaが25μmおよび6
3μmであり、初期性能として出力密度はそれぞれ0.
29W/cm2および0.30W/cm2であり、優れた
性能を示した。しかしながら、発電開始後30時間後と
22時間後にセルが破壊した。これは、セル内の出力密
度のバラツキに伴いセル内に温度分布が形成され、その
結果熱応力によりセルが破壊したものと考えられる。一
方、固体電解質の表面に上記した周期的な凹凸を作製し
た場合には、1000時間の発明においても破壊は見ら
れなかった。Further, as an example in which irregularities are not periodically formed, the surface of the sintered body of the solid electrolyte was directly subjected to surface treatment by sandblasting, and the surface roughness Ra was measured. Then, a fuel electrode and an air electrode were prepared on the solid electrolyte by the same method as described above, and a cell body was prepared. This cell body was sandwiched by the same separator as above to produce a fuel cell, and power was generated in the same manner as above, and the output density during power generation was measured. As a result, the surface roughness Ra of the solid electrolyte was 25 μm and 6 μm.
3 μm, and the initial output power density was 0.1 μm.
A 29W / cm 2 and 0.30 W / cm 2, it showed excellent performance. However, the cells were destroyed 30 hours and 22 hours after the start of power generation. This is presumably because a temperature distribution was formed in the cell due to variations in the power density in the cell, and as a result, the cell was broken by thermal stress. On the other hand, when the above-mentioned periodic irregularities were formed on the surface of the solid electrolyte, no destruction was observed even in the invention for 1000 hours.
【0028】参考例2 参考例1と同様な方法により厚みは約250μmと20
〜200μmの固体電解質用のグリーンシートを作製し
た。この20〜200μmのグリーンシートをマルチパ
ンチングシステム(MPS)を用いて直径30〜50μ
mの穴を30〜100μm間隔で開け、これを250μ
mのシート表面に張り合わせてグリーンシート表面に凹
凸を形成した後、1500℃で4時間大気中で焼成して
理論密度比が98%の平板状の固体電解質を作製した。
この固体電解質の表面粗さRaを上記参考例1と同様に
して測定するとともに、その後参考例1と同様な方法に
より空気極および燃料極を形成して発電を行ない、発電
時の出力密度を測定した。REFERENCE EXAMPLE 2 The thickness was about 250 μm and 20
A green sheet for a solid electrolyte of about 200 μm was prepared. Using a multi-punching system (MPS), the green sheet having a diameter of 30 to 50 μm can be used.
m holes are formed at intervals of 30 to 100 μm,
After forming irregularities on the green sheet surface by laminating the green sheet surface on the sheet surface, the resultant was fired in the air at 1500 ° C. for 4 hours to produce a flat solid electrolyte having a theoretical density ratio of 98%.
The surface roughness Ra of the solid electrolyte is measured in the same manner as in Reference Example 1 above, and then the air electrode and the fuel electrode are formed in the same manner as in Reference Example 1 to generate power, and the output density during power generation is measured. did.
【0029】その結果を表2に示した。The results are shown in Table 2.
【0030】[0030]
【表2】 [Table 2]
【0031】この表2より、いずれの試料とも表1の表
面処理をしていない試料No.1より大きな出力密度を
示した。From Table 2, it can be seen that, for all samples, Sample No. A power density greater than one was shown.
【0032】実施例1 ドクターブレード法により粒子径1μmのLa0.8Ca
0.22CrO3を含有する400μmのグリーンシートを
作製し、焼結体の寸法が5cm×5cmになるようにシ
ートを切り出し、1500℃で8時間大気中で焼成して
理論密度比が98%以上の平板状のセパレータを作製し
た。Example 1 La 0.8 Ca having a particle diameter of 1 μm was obtained by a doctor blade method.
A green sheet having a thickness of 400 μm containing 0.22 CrO 3 was prepared, and the sheet was cut out so that the size of the sintered body was 5 cm × 5 cm. The sheet was fired in the air at 1500 ° C. for 8 hours, and the theoretical density ratio was 98% or more. A flat separator was produced.
【0033】また、上記セパレータ用のグリーンシート
と同様のグリーンシートを用いて、該シートの一面ある
いは両面に40〜330メッシュのステンレスメッシュ
を押し当ててグリーンシートに凹凸を作製した後、15
00℃で4時間大気中で焼成して理論密度比が98%以
上の平板状のセパレータを作製した。得られた平板状の
セパレータの表面粗さRaを表面粗計で測定し、その結
果を表3に示した。Further, using a green sheet similar to the above-mentioned separator green sheet, a stainless mesh of 40 to 330 mesh is pressed against one or both surfaces of the sheet to form irregularities on the green sheet.
The plate was fired in the air at 00 ° C. for 4 hours to produce a plate-like separator having a theoretical density ratio of 98% or more. The surface roughness Ra of the obtained plate-shaped separator was measured by a surface roughness meter, and the results are shown in Table 3.
【0034】そして、このセパレータにより、参考例1
の表1における試料No.1とNo.3のセル本体を挟
持し、空気極側に酸素を燃料極側に水素を供給して10
00℃で1000時間連続発電し、集電を上記セパレー
タを介して行い、発電時の出力密度を測定した。その結
果を表3に示した。Then, in this separator, Reference Example 1
No. 1 in Table 1 1 and No. 3 by sandwiching the cell body and supplying oxygen to the air electrode side and hydrogen to the fuel electrode side
Power was continuously generated at 00 ° C. for 1000 hours, current was collected through the separator, and the output density during power generation was measured. Table 3 shows the results.
【0035】[0035]
【表3】 [Table 3]
【0036】この表3より、燃料極と接する表面に表面
処理を行ったセパレータの表面粗さが小さな試料No.
19は表面処理をしなった試料No.18と同程度で出
力密度が小さかった。また、セパレータ表面の表面粗さ
が200μmよりも大きな試料No.24においても発
電性能が低下した。空気極と接する表面に表面処理を行
ったセパレータも同様に性能の向上が認められる。試料
No.25〜No.28については固体電解質およびセパレ
ータの両方を表面処理した場合である。It can be seen from Table 3 that Sample No. having a small surface roughness of the separator whose surface was in contact with the fuel electrode had a small surface roughness.
Sample No. 19 was surface-treated. The output density was as low as 18. Further, in Sample No. in which the surface roughness of the separator surface was larger than 200 μm. Also in No. 24, the power generation performance decreased. Similarly, the performance of the separator whose surface is in contact with the air electrode is improved. For samples No. 25 to No. 28, both the solid electrolyte and the separator were surface-treated.
【0037】[0037]
【発明の効果】本発明の固体電解質型燃料電池セルで
は、インターコネクタあるいはセパレータ等の集電体の
少なくとも一方の表面の表面粗さRaを3〜200μm
とすることにより、インターコネクタとNiフェルト
(Ni板)またはセパレータと燃料極あるいは空気極と
の接触面積を増大させた結果、それぞれの界面における
接触抵抗を小さくすることができ、セルの電圧低下を抑
制して発電効率を向上することができる。According to the solid oxide fuel cell of the present invention, the surface roughness Ra of at least one surface of a current collector such as an interconnector or a separator is 3 to 200 μm.
By increasing the contact area between the interconnector and the Ni felt (Ni plate) or between the separator and the fuel electrode or the air electrode, the contact resistance at each interface can be reduced, and the voltage drop of the cell can be reduced. The power generation efficiency can be improved by suppressing the power generation.
【0038】よって、本発明の燃料電池セルは円筒型お
よび平板型とも従来のセルに比べて発電性能が飛躍的に
向上し、長期安定性のあるセルを提供できる。Therefore, the fuel cell of the present invention has a significantly improved power generation performance as compared with the conventional cell in both the cylindrical type and the flat type, and can provide a long-term stable cell.
【図1】本発明の平板型固体電解質燃料電池セルの固体
電解質の表面状態を示す縦断面図である。FIG. 1 is a vertical sectional view showing a surface state of a solid electrolyte of a flat solid electrolyte fuel cell unit according to the present invention.
【図2】従来の円筒型燃料電池セルを示す斜視図であ
る。FIG. 2 is a perspective view showing a conventional cylindrical fuel cell.
【図3】平板型の固体電解質型燃料電池セルを示す斜視
図である。FIG. 3 is a perspective view showing a plate-type solid oxide fuel cell.
8・・・固体電解質 9・・・空気極 10・・燃料極 11・・セパレータ 12・・燃料電池セル本体 13・・凹部 8 solid electrolyte 9 air electrode 10 fuel electrode 11 separator 12 fuel cell body 13 recess
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平6−89736(JP,A) 特開 平7−73890(JP,A) 特開 平7−14585(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 8/02 H01M 8/12 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A-6-89736 (JP, A) JP-A-7-73890 (JP, A) JP-A-7-14585 (JP, A) (58) Field (Int.Cl. 7 , DB name) H01M 8/02 H01M 8/12
Claims (1)
極が形成された燃料電池セル本体の外面に、前記空気極
または前記燃料極と電気的に接続する集電体を設けてな
る固体電解質型燃料電池セルにおいて、前記集電体の少
なくとも一方の表面に周期的に凹部が形成されており、
該凹部が形成された集電体の表面の表面粗さRaが3〜
200μmであることを特徴とする固体電解質型燃料電
池セル。1. A current collector electrically connected to the air electrode or the fuel electrode is provided on an outer surface of a fuel cell body having an air electrode formed on one surface of the solid electrolyte and a fuel electrode formed on the other surface. In the solid oxide fuel cell unit, a concave portion is periodically formed on at least one surface of the current collector ,
The surface roughness Ra of the surface of the current collector on which the concave portions are formed is 3 to
A solid oxide fuel cell having a thickness of 200 μm.
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