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JP5320946B2 - Single-chamber solid oxide fuel cell and single-chamber solid oxide fuel cell stack - Google Patents
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Description

本発明は、単室型固体酸化物形燃料電池、及び、単室型固体酸化物形燃料電池スタックに関する。   The present invention relates to a single-chamber solid oxide fuel cell and a single-chamber solid oxide fuel cell stack.

従来より、固体酸化物形燃料電池(SOFC)のセルデザインとして、平板型、円筒型などが提案されている。平板型セルは、板状の電解質の表面及び裏面に燃料極及び空気極をそれぞれ配置したものであり、こうして形成されたセルはセパレーターを介して複数個積層された状態で使用される。セパレーターは各セルに供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを分離する役割を果たしている。また、各セルとセパレーターとの間にはガスシールが施されている(例えば、特許文献1)。   Conventionally, a flat plate type, a cylindrical type, and the like have been proposed as cell designs of solid oxide fuel cells (SOFC). A flat cell is one in which a fuel electrode and an air electrode are respectively arranged on the front and back surfaces of a plate-like electrolyte, and a plurality of cells formed in this way are used in a state where they are stacked via separators. The separator plays the role of separating the fuel gas and the oxidant gas supplied to each cell. Further, a gas seal is provided between each cell and the separator (for example, Patent Document 1).

一方、円筒型セルは、円筒形の電解質の外周面及び内周面に燃料極及び空気極をそれぞれ配置したものであり、円筒縦縞型、円筒横縞型などが提案されている(例えば、特許文献2)。
特開平5−3045号公報(第1頁、第6図) 特開平5−94830号公報(第1頁、第1図)
On the other hand, a cylindrical cell has a fuel electrode and an air electrode arranged on the outer peripheral surface and inner peripheral surface of a cylindrical electrolyte, and a cylindrical vertical stripe type, a cylindrical horizontal stripe type, and the like have been proposed (for example, Patent Documents). 2).
JP-A-5-3045 (first page, FIG. 6) Japanese Patent Laid-Open No. 5-94830 (first page, FIG. 1)

上記のように、平板型及び円筒型の固体酸化物形燃料電池においては、複数のセルをスタックすることで、高い出力を得ることができるが、このように従来一般に知られる平板型及び円筒型の固体酸化物形燃料電池では単セルとセパレータとが別個の部材となり、これらの組立工程が必要になるばかりでなく、燃料ガス供給管や空気供給管なども配設する必要があることから多数の部材が必要になり、コストアップと大型化(コンパクトにできない)につながるという問題があった。また、単室型固体酸化物形燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスの混合ガスで発電できるため、平板型で必要なガスシールが必要なく、スタック構造が簡素化する利点がある。しかし、燃料ガスと酸化剤ガスを分離した、いわゆる二室型よりも燃料ガスが希釈した状況で発電するため、低出力となる問題があり、スタックのセル段数が二室型よりも更に多くなるという問題があった。   As described above, in the flat plate and cylindrical solid oxide fuel cells, a high output can be obtained by stacking a plurality of cells. Thus, conventionally known flat plate and cylindrical types are known. In the solid oxide fuel cell, a single cell and a separator are separate members, and not only the assembly process is required, but also a fuel gas supply pipe and an air supply pipe need to be provided. Therefore, there is a problem in that this leads to an increase in cost and an increase in size (cannot be made compact). In addition, since the single-chamber solid oxide fuel cell can generate power using a mixed gas of fuel gas and oxidant gas, the gas seal required for the flat plate type is not necessary, and the stack structure is simplified. However, since the power generation is performed in a situation where the fuel gas is diluted rather than the so-called two-chamber type in which the fuel gas and the oxidant gas are separated, there is a problem of low output, and the number of cell stages of the stack becomes even larger than the two-chamber type There was a problem.

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、単室型においても、スタック化したときにスタックのセル段数を抑え、小型でありながら、高出力化が可能な単室型固体酸化物形燃料電池及び単室型固体酸化物形燃料電池スタックを提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above problems, and even in a single-chamber type, a single-chamber solid that suppresses the number of cell stages of the stack when stacked and is small in size and capable of increasing output. It is an object of the present invention to provide an oxide fuel cell and a single-chamber solid oxide fuel cell stack.

本発明に係る単室型固体酸化物形燃料電池は、上記問題を解決するためになされたものであり、同軸方向に延びる複数の多孔質隔壁で仕切られることにより、同軸方向に延びる複数の貫通孔が形成されている絶縁性の支持体と、前記複数の多孔質隔壁の表面に配置された燃料極及び空気極の一方からなる第1の電極と、前記第1の電極の表面に配置された多孔質の電解質と、前記電解質の表面に配置された燃料極及び空気極の他方からなる第2の電極とを備え、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスで発電する。 The single-chamber solid oxide fuel cell according to the present invention has been made to solve the above-described problem, and is partitioned by a plurality of porous partition walls extending in the coaxial direction to thereby have a plurality of through-holes extending in the coaxial direction. an insulating support hole is formed, a first electrode consisting of one of said plurality of porous fuel electrode and an air electrode disposed on the surface of the partition wall, disposed on a surface of the first electrode A porous electrolyte and a second electrode made of the other of the fuel electrode and the air electrode disposed on the surface of the electrolyte, and generates power with a mixed gas of fuel gas and oxidant gas.

このような構成によれば、複数の多孔質隔壁により、同軸方向に延びる複数の貫通孔を形成すると共に、前記隔壁に燃料極、電解質、及び、空気極を積層している。そのため、各貫通孔に燃焼ガスと酸化剤ガスとの混合ガスを供給すると、この混合ガスが燃料極、電解質、及び、空気極を通過し、その過程で発電が行われる。また、混合ガスは、隔壁を通過して隣接する貫通孔に導入されるので、再び発電のために用いられる。このように、隔壁により複数の貫通孔を形成し、隔壁に燃料極、電解質、及び、空気極を形成しているので、隔壁及び貫通孔の数を増やすことにより電池性能の高出力化が可能となる。また、貫通孔を小さくすることで、燃料電池の小型化を図ることができる。さらに、上記単室型固体酸化物形燃料電池は、混合ガス中で発電するため、燃料ガスと空気ガス供給管とを各貫通孔に設ける必要がないため、小型化を図ることができる。また、小型化できるので、単室型固体酸化物形燃料電池を複数接続してスタック化したときに、スタックのセル段数を抑えることができる。   According to such a configuration, the plurality of through holes extending in the coaxial direction are formed by the plurality of porous partition walls, and the fuel electrode, the electrolyte, and the air electrode are stacked on the partition walls. Therefore, when a mixed gas of combustion gas and oxidant gas is supplied to each through hole, the mixed gas passes through the fuel electrode, the electrolyte, and the air electrode, and power generation is performed in the process. Moreover, since the mixed gas passes through the partition wall and is introduced into the adjacent through hole, it is used again for power generation. In this way, a plurality of through-holes are formed by the partition walls, and the fuel electrode, electrolyte, and air electrode are formed on the partition walls. By increasing the number of partition walls and through-holes, battery performance can be increased. It becomes. Further, the fuel cell can be reduced in size by reducing the through hole. Furthermore, since the single-chamber solid oxide fuel cell generates electric power in a mixed gas, it is not necessary to provide a fuel gas and an air gas supply pipe in each through hole, so that the size can be reduced. Further, since the size can be reduced, when a plurality of single-chamber solid oxide fuel cells are connected and stacked, the number of cell stages in the stack can be suppressed.

また、貫通孔に供給された混合ガスは、まず、第2の電極(例えば、燃料極)と反応した後、電解質を通過して、第1の電極(例えば、空気極)に達する。したがって、混合ガスは、第1の電極(空気極)に流入するとき、空気ガスがリッチな状態になる。これにより、単室型の固体酸化物形燃料電池でありながら、空気ガスを空気極へ効率良く送ることができ、出力を向上させることができる。また、燃料極及び空気極の配置が上述とは反対の場合、すなわち、第1の電極が燃料極であり、第2の電極が空気極である場合には、混合ガスは、まず、空気極と反応した後、電解質を通過して、燃料極に達する。したがって、混合ガスは、燃料極に流入するとき、燃料ガスがリッチな状態になる。この場合も同様に、出力を向上させることができる。   The mixed gas supplied to the through hole first reacts with the second electrode (for example, the fuel electrode), then passes through the electrolyte, and reaches the first electrode (for example, the air electrode). Therefore, when the mixed gas flows into the first electrode (air electrode), the air gas becomes rich. Thereby, although it is a single chamber type solid oxide fuel cell, air gas can be efficiently sent to an air electrode, and an output can be improved. When the arrangement of the fuel electrode and the air electrode is opposite to the above, that is, when the first electrode is the fuel electrode and the second electrode is the air electrode, the mixed gas is firstly the air electrode. After reacting with, it passes through the electrolyte and reaches the fuel electrode. Therefore, when the mixed gas flows into the fuel electrode, the fuel gas becomes rich. In this case as well, the output can be improved.

上記の単室型固体酸化物形燃料電池は、支持体の一端部において貫通孔を閉塞するガス非透過性の閉塞部材を更に備えることができる。このような構成によれば、貫通孔を流れる混合ガスが閉塞部材に衝突することにより、貫通孔の径方向に拡散する。これにより、混合ガスが、確実に隔壁に向かって流れてゆく。したがって、混合ガスが、確実に燃料極、電解質、及び、空気極を通過するので、発電が確実に行われる。   The single-chamber solid oxide fuel cell may further include a gas-impermeable blocking member that closes the through hole at one end of the support. According to such a configuration, the mixed gas flowing through the through hole collides with the closing member, and thereby diffuses in the radial direction of the through hole. This ensures that the mixed gas flows toward the partition wall. Therefore, since the mixed gas surely passes through the fuel electrode, the electrolyte, and the air electrode, power generation is reliably performed.

また、上記の単室型固体酸化物形燃料電池は、支持体の外周に配置された燃焼触媒を更に備えることができる。このような構成によれば、混合ガスが隔壁を通過した後、燃焼触媒に接触することにより、熱エネルギーが発生する。これにより、単室型固体酸化物形燃料電池を高温に保つことができ、発電効率を上げることができる。   The single-chamber solid oxide fuel cell may further include a combustion catalyst disposed on the outer periphery of the support. According to such a configuration, thermal energy is generated by contacting the combustion catalyst after the mixed gas has passed through the partition wall. As a result, the single-chamber solid oxide fuel cell can be kept at a high temperature, and the power generation efficiency can be increased.

また、本発明に係る単室型固体酸化物形燃料電池スタックは、同軸方向に延びる複数の多孔質隔壁で仕切られることにより、同軸方向に延びる複数の貫通孔が形成されている絶縁性の支持体と、前記複数の多孔質隔壁の表面に配置された燃料極及び空気極の一方からなる第1の電極と、前記第1の電極の表面に配置された多孔質の電解質と、前記電解質の表面に配置された燃料極及び空気極の他方からなる第2の電極とを備える単室型固体酸化物形燃料電池を複数備え、前記第1の電極及び前記第2の電極のいずれか一方は、前記多孔質隔壁の軸方向一端部まで延びており、前記2つの電極における他方は、前記多孔質隔壁の軸方向他端部まで延びており、複数の前記単室型固体酸化物形燃料電池は、一端部と他端部とが互いに対向するように、前記貫通孔の軸方向に沿って配置されており、前記軸方向の一端に配置された前記単室型固体酸化物形燃料電池は、前記貫通孔を閉塞する閉塞部材を備え、隣接する前記単室型固体酸化物形燃料電池の間にそれぞれ配置され、前記第1の電極及び前記第2の電極を電気的に接続する少なくとも1つのインターコネクターとをさらに備える。 The single-chamber solid oxide fuel cell stack according to the present invention is an insulating support in which a plurality of through-holes extending in the coaxial direction are formed by partitioning with a plurality of porous partition walls extending in the coaxial direction. A first electrode composed of one of a fuel electrode and an air electrode disposed on the surface of the plurality of porous partition walls, a porous electrolyte disposed on the surface of the first electrode, and the electrolyte A plurality of single-chamber solid oxide fuel cells including a fuel electrode and a second electrode made of the other of the air electrode disposed on the surface, and one of the first electrode and the second electrode is And the other of the two electrodes extends to the other axial end of the porous partition wall, and the plurality of single-chamber solid oxide fuel cells are extended to the axial end of the porous partition wall. So that one end and the other end face each other The single-chamber solid oxide fuel cell that is disposed along the axial direction of the through-hole and disposed at one end in the axial direction includes a closing member that closes the through-hole, and is adjacent to the And at least one interconnector disposed between the single-chamber solid oxide fuel cells and electrically connecting the first electrode and the second electrode.

また、上記単室型固体酸化物形燃料電池スタックは、支持体の一端部において貫通孔を閉塞するガス非透過性の閉塞部材を更に備えることができる。また、支持体の外周に配置された燃焼触媒を更に備えることができる。また、インターコネクターをメッシュ状に形成することができる。   The single-chamber solid oxide fuel cell stack may further include a gas-impermeable blocking member that closes the through hole at one end of the support. Moreover, the combustion catalyst arrange | positioned at the outer periphery of a support body can be further provided. Further, the interconnector can be formed in a mesh shape.

このような構成によれば、上述した単室型固体酸化物形燃料電池と同様の効果を得ることができる。さらに、複数の固体酸化物形燃料電池が接続されているため、高出力を得ることができる。   According to such a configuration, the same effects as those of the single-chamber solid oxide fuel cell described above can be obtained. Further, since a plurality of solid oxide fuel cells are connected, high output can be obtained.

また、上記の単室型固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、複数の前記単室型固体酸化物形燃料電池は、それぞれ、前記貫通孔の軸方向に直角な断面において、複数の前記貫通孔の総断面積が異なっていてもよい。さらに、複数の前記単室型固体酸化物形燃料電池は、前記軸方向の一方側から他方側に向かって、前記貫通孔の総断面積が順に大きくなるように配置されていてもよい。貫通孔の断面積とは、隔壁に第1の電極、電解質、及び、第2の電極が積層されることにより形成される空洞部分の断面積をいう。また、総断面積とは、1つの単室型固体酸化物形燃料電池における複数の貫通孔の断面積の総和をいう。   Further, in the single-chamber solid oxide fuel cell stack, the plurality of single-chamber solid oxide fuel cells each include a plurality of the through holes in a cross section perpendicular to the axial direction of the through holes. The total cross-sectional area may be different. Furthermore, the plurality of single-chamber solid oxide fuel cells may be arranged so that the total cross-sectional area of the through-holes increases in order from one side of the axial direction to the other side. The cross-sectional area of the through hole refers to the cross-sectional area of the cavity formed by stacking the first electrode, the electrolyte, and the second electrode on the partition wall. The total cross-sectional area is the sum of the cross-sectional areas of a plurality of through holes in one single-chamber solid oxide fuel cell.

このような構成では、複数の単室型固体酸化物形燃料電池において、それぞれ、複数の貫通孔の総断面積が異なっているので、混合ガスが接触する電極の面積が相違する。これにより、各単室型固体酸化物形燃料電池における出力が相違する。すなわち、貫通孔の総断面積が相対的に小さい単室型固体酸化物形燃料電池では、電極面積が相対的に小さいので、出力を相対的に抑制することができる。一方、貫通孔の総断面積が相対的に大きい単室型固体酸化物形燃料電池では、電極面積が相対的に大きいので、出力を相対的に上げることができる。したがって、このような構成によれば、混合ガスを前記軸方向の一方側における単室型固体酸化物形燃料電池から供給することにより、濃度が高い状態の混合ガスを、出力が相対的に低い単室型固体酸化物形燃料電池に供給できる。そして、混合ガスの濃度が低くなった後に、この混合ガスを、出力が相対的に高い単室型固体酸化物形燃料電池に供給できる。これにより、混合ガスの濃度に応じて、単室型固体酸化物形燃料電池の出力を調整できるので、単室型固体酸化物形燃料電池スタック全体でバランス良く発電を行うことができる。そのため、単室型固体酸化物形燃料電池スタック全体の温度を均一にすることができるので、単室型固体酸化物形燃料電池の破壊を防止することができる。   In such a configuration, in the plurality of single-chamber solid oxide fuel cells, the total cross-sectional areas of the plurality of through holes are different from each other, so that the areas of the electrodes in contact with the mixed gas are different. Thereby, the output in each single-chamber solid oxide fuel cell is different. That is, in the single-chamber solid oxide fuel cell in which the total cross-sectional area of the through holes is relatively small, the output can be relatively suppressed because the electrode area is relatively small. On the other hand, in the single-chamber solid oxide fuel cell in which the total cross-sectional area of the through holes is relatively large, the output can be relatively increased because the electrode area is relatively large. Therefore, according to such a configuration, by supplying the mixed gas from the single-chamber solid oxide fuel cell on one side in the axial direction, the output of the mixed gas in a high concentration state is relatively low It can be supplied to a single-chamber solid oxide fuel cell. And after the density | concentration of mixed gas becomes low, this mixed gas can be supplied to a single chamber type solid oxide fuel cell with a relatively high output. As a result, the output of the single-chamber solid oxide fuel cell can be adjusted according to the concentration of the mixed gas, so that the entire single-chamber solid oxide fuel cell stack can generate power in a well-balanced manner. Therefore, the temperature of the entire single chamber type solid oxide fuel cell stack can be made uniform, so that the single chamber type solid oxide fuel cell can be prevented from being destroyed.

上記単室型固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、インターコネクターは種々の構造にすることができるが、例えば、メッシュ状に形成すると、混合ガスが透過するので、単室型固体酸化物形燃料電池の両端面の全面に配置することができる。そのため、集電効率が高くなり、高出力を得ることができる。   In the single-chamber solid oxide fuel cell stack, the interconnector can have various structures. For example, if the interconnector is formed in a mesh shape, the mixed gas permeates, so the single-chamber solid oxide fuel cell. It can arrange | position to the whole surface of both the end surfaces. Therefore, the current collection efficiency is increased and a high output can be obtained.

本発明によれば、単室型においても、スタックのセル段数を抑え、小型でありながら、高出力化が可能となる。   According to the present invention, even in a single chamber type, the number of cell stages in the stack can be suppressed, and high output can be achieved while being small.

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。まず、単一の単室型固体酸化物形燃料電池、すなわち、単セルについて説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る単室型固体酸化物形燃料電池(以下単に、燃料電池という)の斜視図である。図1における(a)は、燃料電池の一方面を手前に向けた状態の斜視図であり、(b)は、燃料電池の他方面を手前に向けた状態の斜視図である。また、図2は、(a)図1におけるX−X断面図、及び、(b)図1におけるY−Y断面図である。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. First, a single single-chamber solid oxide fuel cell, that is, a single cell will be described. FIG. 1 is a perspective view of a single-chamber solid oxide fuel cell (hereinafter simply referred to as a fuel cell) according to an embodiment of the present invention. 1A is a perspective view of a state in which one side of the fuel cell faces forward, and FIG. 1B is a perspective view of a state in which the other side of the fuel cell faces forward. 2A is a cross-sectional view taken along line XX in FIG. 1, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line YY in FIG.

図1及び図2に示すように、燃料電池1は、絶縁性の支持体2を備えている。支持体2は、同軸方向に延びる複数の隔壁20を備えている。複数の隔壁20は、多孔質の材料から構成されており、格子状に配置されている。また、支持体2は、複数の隔壁20で仕切られることにより形成された複数の貫通孔3を備えており、この貫通孔3は、隔壁20と同軸方向に延びている。本実施形態では、支持体2は格子状に配置された4つの四角形状の貫通孔3を有している。   As shown in FIGS. 1 and 2, the fuel cell 1 includes an insulating support 2. The support body 2 includes a plurality of partition walls 20 extending in the coaxial direction. The plurality of partition walls 20 are made of a porous material and are arranged in a lattice shape. Further, the support 2 includes a plurality of through holes 3 formed by partitioning with a plurality of partition walls 20, and the through holes 3 extend in the same direction as the partition walls 20. In the present embodiment, the support 2 has four rectangular through holes 3 arranged in a lattice pattern.

各隔壁20の表面には、燃料極4(第1の電極)が配置されている。図2に示すように、燃料極4は、隔壁20の側面を被覆しており、この側面から隔壁20の一端部(図2(a)では、下端面)まで延びている。これにより、支持体2の一端面は、燃料極4により被覆され、燃料極4が露出した状態となっている。   A fuel electrode 4 (first electrode) is disposed on the surface of each partition wall 20. As shown in FIG. 2, the fuel electrode 4 covers the side surface of the partition wall 20, and extends from this side surface to one end portion (the lower end surface in FIG. 2A) of the partition wall 20. Thereby, the one end surface of the support body 2 is covered with the fuel electrode 4, and the fuel electrode 4 is exposed.

燃料極4の表面には、多孔質の材料からなる電解質5が配置されている。図2に示すように、電解質5は、隔壁20の側面側において燃料極4を被覆しており、そこから隔壁20の他端部(図2(a)では、上端面)まで延びている。また、電解質5は、燃料極4と空気極6とが接触しないように、燃料極4の側面及び端部を被覆している。   An electrolyte 5 made of a porous material is disposed on the surface of the fuel electrode 4. As shown in FIG. 2, the electrolyte 5 covers the fuel electrode 4 on the side surface side of the partition wall 20, and extends from there to the other end of the partition wall 20 (upper end surface in FIG. 2A). Further, the electrolyte 5 covers the side surface and the end of the fuel electrode 4 so that the fuel electrode 4 and the air electrode 6 do not come into contact with each other.

電解質5の表面には、空気極6(第2の電極)が配置されている。図2に示すように、空気極6は、隔壁20の側面側において電解質5を被覆しており、そこから隔壁20の他端部(図2(a)では、上端面)まで延びている。これにより、支持体2の他端部は、空気極6により被覆され、空気極6が露出した状態となっている。   An air electrode 6 (second electrode) is disposed on the surface of the electrolyte 5. As shown in FIG. 2, the air electrode 6 covers the electrolyte 5 on the side surface side of the partition wall 20, and extends from there to the other end of the partition wall 20 (upper end surface in FIG. 2A). Thereby, the other end part of the support body 2 is covered with the air electrode 6, and the air electrode 6 is exposed.

上述した隔壁20、燃料極4、電解質5、及び、空気極6は、いずれも、ガス透過性を有している。   All of the partition wall 20, the fuel electrode 4, the electrolyte 5, and the air electrode 6 described above have gas permeability.

次に、複数の燃料電池を備える構成、すなわち、単室型固体酸化物形燃料電池スタックについて説明する。図3は、本発明の一実施形態に係る単室型固体酸化物形燃料電池スタック(以下単に、燃料電池スタックという)の斜視図である。図3では、燃料電池スタックの各構成を分かり易く示すために、各部材を離間させた状態で示している。また、図4は、図3のX−X断面図である。図4では、燃料電池スタックの各部材が結合した状態を示している。   Next, a configuration including a plurality of fuel cells, that is, a single-chamber solid oxide fuel cell stack will be described. FIG. 3 is a perspective view of a single-chamber solid oxide fuel cell stack (hereinafter simply referred to as a fuel cell stack) according to an embodiment of the present invention. In FIG. 3, each member is shown in a separated state in order to easily show each configuration of the fuel cell stack. 4 is a cross-sectional view taken along the line XX of FIG. FIG. 4 shows a state in which each member of the fuel cell stack is coupled.

図3及び図4に示すように、燃料電池スタック10は、複数の燃料電池1(単セル)を接続することにより構成されている。複数の燃料電池1は、貫通孔3の軸方向に沿って並んで配置されており、隣接する燃料電池1の貫通孔3同士が連通するように配置されている。また、隣接する燃料電池1同士は、一方の燃料電池1の一端部に露出した燃料極4と、他方の燃料電池1の他端部に露出した空気極6とが互いに対向するように配置されている。図4に示す実施形態では、燃料電池1の端部に露出した燃料極4が右方向を向き、露出した空気極6が左方向を向くように配置されている。   As shown in FIGS. 3 and 4, the fuel cell stack 10 is configured by connecting a plurality of fuel cells 1 (single cells). The plurality of fuel cells 1 are arranged side by side along the axial direction of the through hole 3 and are arranged so that the through holes 3 of the adjacent fuel cells 1 communicate with each other. Adjacent fuel cells 1 are arranged such that the fuel electrode 4 exposed at one end of one fuel cell 1 and the air electrode 6 exposed at the other end of the other fuel cell 1 face each other. ing. In the embodiment shown in FIG. 4, the fuel electrode 4 exposed at the end of the fuel cell 1 is arranged to face the right direction, and the exposed air electrode 6 is arranged to face the left direction.

隣接する燃料電池1の間にはインターコネクター7がそれぞれ配置されており、このインターコネクター7により隣接する燃料電池1同士が電気的に接続されている。より詳細には、インターコネクター7が、隣接する燃料電池1において、一方の燃料電池1の燃料極4と、他方の燃料電池1の空気極6とに接触している。複数の燃料電池1は、それぞれ直列に接続されている。インターコネクター7は、メッシュ状に形成されており、ガスが通過可能に構成されている。   An interconnector 7 is disposed between adjacent fuel cells 1, and the adjacent fuel cells 1 are electrically connected to each other by the interconnector 7. More specifically, the interconnector 7 is in contact with the fuel electrode 4 of one fuel cell 1 and the air electrode 6 of the other fuel cell 1 in the adjacent fuel cell 1. The plurality of fuel cells 1 are connected in series. The interconnector 7 is formed in a mesh shape and is configured to allow gas to pass therethrough.

複数の燃料電池1のうち、軸方向の一端部に配置された燃料電池1は、支持体2の一端部において貫通孔3を閉塞する閉塞部材11を備えている。本実施形態では、図4において右端に配置された燃料電池1が閉塞部材11を備えている。閉塞部材11は、貫通孔3の一端を覆うように燃料電池1に固定されている。閉塞部材11の固定は、図示しないシール材を用いてすることができる。   Among the plurality of fuel cells 1, the fuel cell 1 disposed at one end in the axial direction includes a closing member 11 that closes the through hole 3 at one end of the support 2. In the present embodiment, the fuel cell 1 arranged at the right end in FIG. The closing member 11 is fixed to the fuel cell 1 so as to cover one end of the through hole 3. The closing member 11 can be fixed using a sealing material (not shown).

続いて、上記燃料電池を構成する材料について説明する。   Subsequently, materials constituting the fuel cell will be described.

支持体2の材料としては、絶縁性を有する材料であれば特に限定されず、例えば、アルミナ系材料、シリカ系材料、及び、ジルコニア系材料などのセラミックス材料を好ましく用いることができる。また、支持体2は、耐熱性を有することが好ましい。また、支持体2は、機械的強度を向上させる観点から、金属を上記のようなセラミックス材料で被覆することにより形成することもできる。この場合、金属としては、例えば、SUSを用いることができる。また、セラミックス材料の被覆は、例えば、溶射法等を用いて行うことができる。   The material of the support 2 is not particularly limited as long as it is an insulating material. For example, a ceramic material such as an alumina material, a silica material, and a zirconia material can be preferably used. Moreover, it is preferable that the support body 2 has heat resistance. Moreover, the support body 2 can also be formed by coat | covering a metal with the above ceramic materials from a viewpoint of improving mechanical strength. In this case, for example, SUS can be used as the metal. Further, the ceramic material can be coated using, for example, a thermal spraying method or the like.

電解質5の材料としては、単室型固体酸化物形燃料電池の電解質として公知のものを使用することができ、例えば、サマリウムやガドリニウム等をドープしたセリア系酸化物、ストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・ガレード系酸化物、スカンジウムやイットリウムを含むジルコニア系酸化物などの酸素イオン伝導性セラミックス材料を用いることができる。また、電解質5は多孔質の材料から形成されている。   As the material of the electrolyte 5, those known as electrolytes for single-chamber solid oxide fuel cells can be used. For example, ceria oxide doped with samarium or gadolinium, lanthanum doped with strontium or magnesium, etc. -Oxygen ion conductive ceramic materials such as galide oxides, zirconia oxides containing scandium and yttrium can be used. The electrolyte 5 is made of a porous material.

燃料極4及び空気極6は、セラミックス粉末材料により形成することができる。このとき用いられる粉末の平均粒径は、好ましくは10nm〜100μmであり、さらに好ましくは50nm〜50μmであり、特に好ましくは100nm〜10μmである。なお、平均粒径は、例えば、JISZ8901にしたがって計測することができる。   The fuel electrode 4 and the air electrode 6 can be formed of a ceramic powder material. The average particle size of the powder used at this time is preferably 10 nm to 100 μm, more preferably 50 nm to 50 μm, and particularly preferably 100 nm to 10 μm. In addition, an average particle diameter can be measured according to JISZ8901, for example.

燃料極4は、例えば、金属触媒と酸化物イオン導電体からなるセラミックス粉末材料との混合物を用いることができる。このとき用いられる金属触媒としては、ニッケル、鉄、コバルトや、貴金属(白金、ルテニウム、パラジウム等)等の還元性雰囲気中で安定で、水素酸化活性を有する材料を用いることができる。また、酸化物イオン導電体としては、蛍石型構造又はペロブスカイト型構造を有するものを好ましく用いることができる。蛍石型構造を有するものとしては、例えばサマリウムやガドリニウム等をドープしたセリア系酸化物、スカンジウムやイットリウムを含むジルコニア系酸化物などを挙げることができる。また、ペロブスカイト型構造を有するものとしてはストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・ガレード系酸化物を挙げることができる。上記材料の中では、酸化物イオン導電体とニッケルとの混合物で、燃料極を形成することが好ましい。なお、酸化物イオン導電体からなるセラミックス材料とニッケルとの混合形態は、物理的な混合形態であってもよいし、ニッケルへの粉末修飾またはセラミックス材料へのニッケル修飾などの形態であってもよい。また、上述したセラミックス材料は、1種類を単独で、或いは2種類以上を混合して使用することができる。また、燃料極4は、金属触媒を単体で用いて構成することもできる。   The fuel electrode 4 can use, for example, a mixture of a metal catalyst and a ceramic powder material made of an oxide ion conductor. As the metal catalyst used at this time, a material that is stable in a reducing atmosphere, such as nickel, iron, cobalt, or a noble metal (platinum, ruthenium, palladium, etc.) and has hydrogen oxidation activity can be used. In addition, as the oxide ion conductor, one having a fluorite structure or a perovskite structure can be preferably used. Examples of those having a fluorite structure include ceria-based oxides doped with samarium, gadolinium, and the like, and zirconia-based oxides containing scandium and yttrium. In addition, examples of those having a perovskite structure include lanthanum galide oxides doped with strontium and magnesium. Among the above materials, it is preferable to form the fuel electrode with a mixture of an oxide ion conductor and nickel. The mixed form of the ceramic material made of the oxide ion conductor and nickel may be a physical mixed form, or may be a powder modification to nickel or a nickel modification to ceramic material. Good. Moreover, the ceramic material mentioned above can be used individually by 1 type or in mixture of 2 or more types. The fuel electrode 4 can also be configured using a metal catalyst alone.

空気極6を形成するセラミックス粉末材料としては、例えば、ペロブスカイト型構造等を有するCo,Fe,Ni,Cr又はMn等からなる金属酸化物を用いることができる。具体的には(Sm,Sr)CoO,(La,Sr)MnO,(La,Sr)CoO,(La,Sr)(Fe,Co)O,(La,Sr)(Fe,Co,Ni)Oなどの酸化物が挙げられ、好ましくは、(La,Sr)(Fe,Co)Oである。上述したセラミックス材料は、1種を単独で、或いは2種以上を混合して使用することができる。 As the ceramic powder material forming the air electrode 6, for example, a metal oxide made of Co, Fe, Ni, Cr, Mn, or the like having a perovskite structure or the like can be used. Specifically, (Sm, Sr) CoO 3 , (La, Sr) MnO 3 , (La, Sr) CoO 3 , (La, Sr) (Fe, Co) O 3 , (La, Sr) (Fe, Co , Ni) O 3 and the like, and (La, Sr) (Fe, Co) O 3 is preferable. The ceramic material mentioned above can be used individually by 1 type or in mixture of 2 or more types.

上記燃料極4、電解質5、及び、空気極6は、例えば、ウエットコ−ティング法によって形成することができる。ウエットコ−ティング法としては、スプレー法、ディスペンサーコート法、ディップコート法等が例示できる。その際、燃料極4、電解質5、及び、空気極6は、ペースト状にする必要があり、上述した材料を主成分として、さらにバインダー樹脂、有機溶媒などが適量加えられることにより形成される。より詳細には、上記主成分とバインダー樹脂との混合において、上記主成分が50〜95重量%となるように、バインダー樹脂等を加えることが好ましい。   The fuel electrode 4, the electrolyte 5, and the air electrode 6 can be formed by, for example, a wet coating method. Examples of the wet coating method include a spray method, a dispenser coating method, and a dip coating method. At that time, the fuel electrode 4, the electrolyte 5, and the air electrode 6 need to be paste-like, and are formed by adding appropriate amounts of a binder resin, an organic solvent, and the like with the above-described material as a main component. More specifically, it is preferable to add a binder resin or the like so that the main component is 50 to 95% by weight in the mixing of the main component and the binder resin.

インターコネクター7は、例えば、Pt,Au,Ag,Ni,Cu,ステンレス系材料等の導電性金属材料,又はLa(Cr,Mg)O,(La,Ca)CrO,(La,Sr)CrOなどのランタン・クロマイト系等の導電性金属酸化物材料によって形成することができ、これらのうちの1種を単独で使用してもよいし、2種以上を混合して使用してもよい。 The interconnector 7 is made of, for example, a conductive metal material such as Pt, Au, Ag, Ni, Cu, and a stainless steel material, or La (Cr, Mg) O 3 , (La, Ca) CrO 3 , (La, Sr). It can be formed of a lanthanum / chromite-based conductive metal oxide material such as CrO 3, and one of these may be used alone, or a mixture of two or more may be used. Good.

閉塞部材11の材質としては、ガス非透過性を有していれば特に限定されず、例えば、SUSのような金属材料や、アルミナ系材料、シリカ系材料、及び、ジルコニア系材料などのセラミックス材料を好ましく用いることができる。また、閉塞部材11は、耐熱性を有することが好ましい。   The material of the closing member 11 is not particularly limited as long as it has gas impermeability. For example, a metal material such as SUS, a ceramic material such as an alumina material, a silica material, and a zirconia material. Can be preferably used. Moreover, it is preferable that the closure member 11 has heat resistance.

閉塞部材11を燃料電池1に固定するためのシール材の材質としては、ガス非透過性を有していれば特に限定されず、例えば、パイレックスガラス(「パイレックス」は登録商標)やソーダガラス等のガラス材や、セラミックスボンドを使用することができる。   The material of the sealing material for fixing the closing member 11 to the fuel cell 1 is not particularly limited as long as it has gas impermeability. For example, Pyrex glass ("Pyrex" is a registered trademark), soda glass, and the like Glass materials and ceramic bonds can be used.

次に、上述のように構成された燃料電池の製造方法の一例を説明する。まず、支持体2の製造方法について説明する。まず、上述した支持体2の粉末材料とバインダーを混練し、複数の四角形状の貫通孔3を形成されるように押し出し成形を行う。その後、押し出し成形したものを所定の温度で焼結することにより、支持体2を作成する。   Next, an example of a method for manufacturing the fuel cell configured as described above will be described. First, the manufacturing method of the support body 2 is demonstrated. First, the powder material of the support 2 described above and a binder are kneaded, and extrusion molding is performed so that a plurality of rectangular through holes 3 are formed. Then, the support body 2 is created by sintering the extruded product at a predetermined temperature.

続いて、燃料極ペースト、電解質ペースト、及び、空気極ペーストをそれぞれ準備する。そして、支持体2の外周面と、空気極6を形成する面にマスキングをした後、燃料極ペーストを収容した容器に支持体2を一端部から浸漬し、燃料極ペーストを支持体2の表面に塗布する。その後、所定時間、所定温度で乾燥・焼結して燃料極4を形成する。   Subsequently, a fuel electrode paste, an electrolyte paste, and an air electrode paste are prepared. And after masking the outer peripheral surface of the support body 2 and the surface which forms the air electrode 6, the support body 2 is immersed in the container which accommodated the fuel electrode paste from one end part, and a fuel electrode paste is surfaced on the surface of the support body 2 Apply to. Thereafter, the fuel electrode 4 is formed by drying and sintering at a predetermined temperature for a predetermined time.

次に、燃料極4が形成された支持体2を、電解質ペーストが収容された容器に他端部から浸漬し、電解質ペーストを燃料極4の表面に塗布する。このとき、電解質ペーストを塗布しない部分には、マスキングをすることが好ましい。その後、所定時間、所定温度で乾燥・焼結して電解質5を形成する。   Next, the support body 2 on which the fuel electrode 4 is formed is immersed from the other end in a container containing the electrolyte paste, and the electrolyte paste is applied to the surface of the fuel electrode 4. At this time, it is preferable to mask the portion where the electrolyte paste is not applied. Thereafter, the electrolyte 5 is formed by drying and sintering at a predetermined temperature for a predetermined time.

次に、電解質5が形成された支持体2を、空気極ペーストが収容された容器に他端部から浸漬し、空気極ペーストを電解質5の表面に塗布する。このとき、空気極ペーストを塗布しない部分には、マスキングをすることが好ましい。その後、所定時間、所定温度で乾燥・焼結して空気極6を形成する。こうして、燃料電池が完成する。   Next, the support body 2 on which the electrolyte 5 is formed is immersed from the other end in a container in which the air electrode paste is accommodated, and the air electrode paste is applied to the surface of the electrolyte 5. At this time, it is preferable to mask the portion where the air electrode paste is not applied. Thereafter, the air electrode 6 is formed by drying and sintering at a predetermined temperature for a predetermined time. Thus, the fuel cell is completed.

上記のように構成された燃料電池、及び、燃料電池スタックでは、次のように発電が行われる。まず、図3及び図4に示すように、混合ガスGを、燃料電池スタック10の一端側(図4では、左側)から、左端の燃料電池1の貫通孔3に供給する。混合ガスGは、水素、又はメタン、エタンなどの炭化水素からなる燃料ガスと、空気などの酸化剤ガスとを混合したものである。供給された混合ガスGの一部は、貫通孔3の径方向に拡散し、図4において矢印で示すように、空気極6、電解質5、燃料極4、及び、隔壁20を通過してゆく。そして、混合ガスGの一部は隣接する貫通孔3に導入され、他の一部は燃料電池1の外部に流出する。この過程において、混合ガスGが空気極6及び燃料極4で消費され、空気極6と燃料極4との間で、電解質1を介した酸素イオン伝導が起こり、発電が行われる。混合ガスGは、空気極6で酸化剤ガスが消費された後、燃料極4に供給されるので、燃料極4では燃料ガスの割合が高くなっている。したがって、出力を高めることができる。   In the fuel cell and the fuel cell stack configured as described above, power generation is performed as follows. First, as shown in FIGS. 3 and 4, the mixed gas G is supplied from one end side (left side in FIG. 4) of the fuel cell stack 10 to the through hole 3 of the leftmost fuel cell 1. The mixed gas G is a mixture of hydrogen or a fuel gas composed of a hydrocarbon such as methane or ethane and an oxidant gas such as air. Part of the supplied mixed gas G diffuses in the radial direction of the through hole 3 and passes through the air electrode 6, the electrolyte 5, the fuel electrode 4, and the partition wall 20 as indicated by arrows in FIG. 4. . A part of the mixed gas G is introduced into the adjacent through hole 3, and the other part flows out of the fuel cell 1. In this process, the mixed gas G is consumed at the air electrode 6 and the fuel electrode 4, and oxygen ion conduction through the electrolyte 1 occurs between the air electrode 6 and the fuel electrode 4, thereby generating power. Since the mixed gas G is supplied to the fuel electrode 4 after the oxidizing gas is consumed at the air electrode 6, the ratio of the fuel gas is high in the fuel electrode 4. Therefore, the output can be increased.

また、貫通孔3内の混合ガスGの一部は、貫通孔3の軸方向に直進してゆき、メッシュ状のインターコネクター7を通過して、軸方向に隣接する貫通孔3に導入される。そして、上述と同様に、貫通孔3内の混合ガスGの一部は、貫通孔3の径方向に拡散し、図4において矢印で示すように、空気極6、電解質5、燃料極4、及び、隔壁20を通過してゆく。これにより、隣接する燃料電池1においても発電が行われる。また、貫通孔3の軸方向に流れる混合ガスGは、最終的に閉塞部材11に衝突することにより、貫通孔3の径方向に拡散してゆく。   A part of the mixed gas G in the through hole 3 goes straight in the axial direction of the through hole 3, passes through the mesh-like interconnector 7, and is introduced into the through hole 3 adjacent in the axial direction. . As described above, a part of the mixed gas G in the through hole 3 diffuses in the radial direction of the through hole 3, and as indicated by arrows in FIG. 4, the air electrode 6, the electrolyte 5, the fuel electrode 4, And it passes through the partition wall 20. As a result, power is also generated in the adjacent fuel cell 1. Further, the mixed gas G flowing in the axial direction of the through-hole 3 finally diffuses in the radial direction of the through-hole 3 by colliding with the closing member 11.

本実施形態に係る燃料電池1及び燃料電池スタック10によれば、上述のように、隔壁20により複数の貫通孔3を形成し、隔壁20に燃料極4、電解質5、及び、空気極6を形成しているので、隔壁20及び貫通孔3の数を増やすことにより出力の向上が可能となる。また、貫通孔3を小さくすることで、燃料電池1及び燃料電池スタック10の小型化を図ることができる。   According to the fuel cell 1 and the fuel cell stack 10 according to the present embodiment, as described above, the plurality of through holes 3 are formed by the partition wall 20, and the fuel electrode 4, the electrolyte 5, and the air electrode 6 are formed in the partition wall 20. Since it is formed, the output can be improved by increasing the number of the partition walls 20 and the through holes 3. Further, by making the through hole 3 small, the fuel cell 1 and the fuel cell stack 10 can be reduced in size.

また、閉塞部材11を備えることにより、混合ガスGがこの閉塞部材11に衝突して貫通孔3の径方向に拡散するので、混合ガスGを隔壁20に向かって確実に流すことができる。これにより、発電を確実に行うことができる。   Further, by providing the closing member 11, the mixed gas G collides with the closing member 11 and diffuses in the radial direction of the through hole 3, so that the mixed gas G can flow reliably toward the partition wall 20. Thereby, power generation can be performed reliably.

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の具体的な態様は、上記実施形態に限定されるものではない。   As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, the specific aspect of this invention is not limited to the said embodiment.

例えば、本実施形態では、隔壁20の表面に配置される第1の電極が、燃料極4によって構成されて、電解質5の表面に配置される第2の電極が、空気極6によって構成されていたが、この構成に限定されるものではなく、燃料極4及び空気極6の位置を入れ替えて配置してもよい。すなわち、空気極6(第1の電極)が隔壁20の表面に配置され、燃料極4(第2の電極)が電解質5の表面に配置されていてもよい。   For example, in the present embodiment, the first electrode arranged on the surface of the partition wall 20 is constituted by the fuel electrode 4, and the second electrode arranged on the surface of the electrolyte 5 is constituted by the air electrode 6. However, it is not limited to this configuration, and the positions of the fuel electrode 4 and the air electrode 6 may be exchanged. That is, the air electrode 6 (first electrode) may be disposed on the surface of the partition wall 20, and the fuel electrode 4 (second electrode) may be disposed on the surface of the electrolyte 5.

また、本実施形態では、支持体2の外形は直方体であったが、形状は適宜変更可能であり、円筒型、又は、五角形や六角形の筒状体などでもよい。さらに、貫通孔3も四角形状であったが、例えば、各開口の横断面形状が二等辺三角形、正三角形、正五角形、正六角形などでもよい。また、正三角形と正六角形などの相異なる形状の開口が隣接するような設計も可能である。また、貫通孔3の数は特に限定されるものではない。   Moreover, in this embodiment, although the external shape of the support body 2 was a rectangular parallelepiped, a shape can be changed suitably and a cylindrical shape, a pentagonal shape, a hexagonal cylindrical shape, etc. may be sufficient. Furthermore, although the through-hole 3 is also rectangular, for example, the cross-sectional shape of each opening may be an isosceles triangle, a regular triangle, a regular pentagon, a regular hexagon, or the like. In addition, a design in which openings having different shapes such as a regular triangle and a regular hexagon are adjacent to each other is possible. Further, the number of through holes 3 is not particularly limited.

また、貫通孔3の断面積は、適宜変更可能である。図5は、本発明の他の実施形態に係る燃料電池スタックの横断面図である。図5において、図4と同様の構成部分については、同一の符号を付して説明を省略する。また、図6は、(a)図5におけるX−X断面図、(b)図5におけるY−Y断面図、(c)図5におけるZ−Z断面図である。図5及び図6では、貫通孔3の軸方向に沿って配置された複数の燃料電池のうち、軸方向一端側(図5及び図6では、左側)に配置された燃料電池を第1燃料電池c1とし、他端側(図5及び図6では、右側)に配置された燃料電池を第3燃料電池c3とし、それらの中間に配置された燃料電池を第2燃料電池c2としている。   The cross-sectional area of the through hole 3 can be changed as appropriate. FIG. 5 is a cross-sectional view of a fuel cell stack according to another embodiment of the present invention. 5, the same components as those in FIG. 4 are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted. 6 is (a) an XX sectional view in FIG. 5, (b) a YY sectional view in FIG. 5, and (c) a ZZ sectional view in FIG. 5 and 6, the fuel cell disposed on one end side in the axial direction (left side in FIGS. 5 and 6) among the plurality of fuel cells disposed along the axial direction of the through hole 3 is the first fuel. The fuel cell disposed on the other end side (the right side in FIGS. 5 and 6) is referred to as a third fuel cell c3, and the fuel cell disposed between them is referred to as a second fuel cell c2.

図5及び図6に示すように、第1燃料電池c1、第2燃料電池c2、及び、第3燃料電池c3では、貫通孔3の断面積が異なっている。本明細書において、貫通孔3の断面積とは、隔壁20に燃料極4、電解質5、及び、空気極6積層することにより形成される空洞部分の断面積をいう。すなわち、第2の電極(本実施形態では、空気極6)の内面より内側に形成される空洞部分の断面積をいう。   As shown in FIGS. 5 and 6, the first fuel cell c <b> 1, the second fuel cell c <b> 2, and the third fuel cell c <b> 3 have different cross-sectional areas of the through holes 3. In the present specification, the cross-sectional area of the through hole 3 refers to a cross-sectional area of a hollow portion formed by laminating the fuel electrode 4, the electrolyte 5, and the air electrode 6 on the partition wall 20. That is, it refers to the cross-sectional area of the cavity portion formed inside the inner surface of the second electrode (in this embodiment, the air electrode 6).

図6に示すように、第1燃料電池c1では、貫通孔3の軸方向に直角な断面(図5のX−X断面)において、1つの貫通孔3が、断面積m1を有している。また、第1燃料電池c1は、4個の貫通孔3を備えているので、貫通孔3の軸方向に直角な断面における複数の貫通孔3の総断面積M1は、(1つの貫通孔3の断面積:m1)×(貫通孔3の数:4)となる。   As shown in FIG. 6, in the first fuel cell c1, in the cross section perpendicular to the axial direction of the through hole 3 (the XX cross section in FIG. 5), one through hole 3 has a cross-sectional area m1. . Further, since the first fuel cell c1 includes the four through holes 3, the total cross-sectional area M1 of the plurality of through holes 3 in a cross section perpendicular to the axial direction of the through hole 3 is (one through hole 3). Of the cross section: m1) × (number of through holes 3: 4).

また、第2燃料電池c2も同様に、貫通孔3の軸方向に直角な断面(図5のY−Y断面)において、1つの貫通孔3が、断面積m2を有している。また、貫通孔3の軸方向に直角な断面における複数の貫通孔3の総断面積M2は、(1つの貫通孔3の断面積:m2)×(貫通孔3の数:4)となる。さらに、第3燃料電池c3も同様に、貫通孔3の軸方向に直角な断面(図5のZ−Z断面)において、1つの貫通孔3が、断面積m3を有している。また、貫通孔3の軸方向に直角な断面における複数の貫通孔3の総断面積M3は、(1つの貫通孔3の断面積:m3)×(貫通孔3の数:4)となる。   Similarly, in the second fuel cell c2, in the cross section perpendicular to the axial direction of the through hole 3 (YY cross section in FIG. 5), one through hole 3 has a cross-sectional area m2. Further, the total cross-sectional area M2 of the plurality of through-holes 3 in a cross section perpendicular to the axial direction of the through-hole 3 is (cross-sectional area of one through-hole 3: m2) × (number of through-holes 3: 4). Further, similarly, in the third fuel cell c3, in the cross section perpendicular to the axial direction of the through hole 3 (the ZZ cross section in FIG. 5), one through hole 3 has a cross-sectional area m3. Further, the total cross-sectional area M3 of the plurality of through-holes 3 in a cross section perpendicular to the axial direction of the through-hole 3 is (cross-sectional area of one through-hole 3: m3) × (number of through-holes 3: 4).

第1燃料電池c1、第2燃料電池c2、及び、第3燃料電池c3における貫通孔3の総断面積M1、M2、及び、M3は、この順で広くなっている。すなわち、M1<M2<M3である。   The total cross-sectional areas M1, M2, and M3 of the through holes 3 in the first fuel cell c1, the second fuel cell c2, and the third fuel cell c3 are increased in this order. That is, M1 <M2 <M3.

また、第1燃料電池c1、第2燃料電池c2、及び、第3燃料電池c3は、貫通孔3の軸方向の一方側から他方側に向かって順に配置されている。すなわち、複数の燃料電池は、前記軸方向の一方側から他方側に向かって、貫通孔3の総断面積が順に大きくなるように配置されている。また、混合ガスGは、第1燃料電池c1から供給される。   The first fuel cell c1, the second fuel cell c2, and the third fuel cell c3 are arranged in order from one side of the through hole 3 in the axial direction to the other side. That is, the plurality of fuel cells are arranged so that the total cross-sectional area of the through-holes 3 increases in order from one side in the axial direction to the other side. The mixed gas G is supplied from the first fuel cell c1.

このような構成によれば、第1燃料電池c1、第2燃料電池c2、及び、第3燃料電池c3の順で貫通孔3の総断面積が大きくなるので、混合ガスGが接触する電極の面積も順に大きくなる。これにより、第1燃料電池c1では、第2燃料電池c2、及び、第3燃料電池c3に対して、混合ガスGが接触する電極の面積を相対的に小さくすることができる。また、第2燃料電池c2、及び、第3燃料電池c3では、第1燃料電池c1に対して、混合ガスGが接触する電極の面積を相対的に順に大きくすることができる。したがって、混合ガスGの上流側では、相対的に小さい電極面積で発電を行うことができ、下流側では、相対的に大きい電極面積で発電を行うことができる。これにより、混合ガスGの濃度が高い上流側では、下流側に対して相対的に出力を抑制することができる。一方、濃度が低い下流側では、上流側に対して相対的に出力を高めることができる。このように、混合ガスGの濃度に応じて相対的な出力を調整することができるので、燃料電池スタック10全体でバランス良く発電を行うことができる。そのため、燃料電池スタック10全体の温度を均一にすることができるので、燃料電池1の破壊を防止することができる。   According to such a configuration, the total cross-sectional area of the through hole 3 increases in the order of the first fuel cell c1, the second fuel cell c2, and the third fuel cell c3. The area also increases in order. Thereby, in the 1st fuel cell c1, the area of the electrode which the mixed gas G contacts can be made relatively small with respect to the 2nd fuel cell c2 and the 3rd fuel cell c3. Moreover, in the 2nd fuel cell c2 and the 3rd fuel cell c3, the area of the electrode which the mixed gas G contacts with respect to the 1st fuel cell c1 can be enlarged relatively in order. Therefore, power generation can be performed with a relatively small electrode area on the upstream side of the mixed gas G, and power generation can be performed with a relatively large electrode area on the downstream side. Thereby, on the upstream side where the concentration of the mixed gas G is high, the output can be suppressed relative to the downstream side. On the other hand, on the downstream side where the concentration is low, the output can be increased relative to the upstream side. As described above, since the relative output can be adjusted according to the concentration of the mixed gas G, the fuel cell stack 10 as a whole can generate power in a well-balanced manner. Therefore, the temperature of the entire fuel cell stack 10 can be made uniform, so that the fuel cell 1 can be prevented from being destroyed.

また、図7は、本発明の更に他の実施形態に係る燃料電池スタックの横断面図である。燃料電池1は、図7に示すように、支持体2の外周に配置された燃焼触媒12を備えていてもよい。燃焼触媒12は、支持体2の外周面に塗布されている。燃焼触媒12の材質としては、触媒表面で混合ガスGを空気中の酸素と反応させて熱エネルギーを発生できるものが好ましく、具体的には、Ni、Ru、Pt、Rh等の金属触媒が好ましい。これらの金属触媒は、アルミナ等の担体で担持した状態で用いることができる。この燃焼触媒12は、例えば、スプレーコート法によって形成することができる。すなわち、まず、燃料電池1において燃焼触媒12を形成しない部分にマスキングを施す。続いて、燃焼触媒ペーストを準備し、燃料電池1にスプレーにより、燃焼触媒ペーストを塗布する。燃焼触媒ペーストは、燃焼触媒12の材料であるPt等の粉末にバインダー、溶剤を混合することにより製造することができる。その後、所定時間、所定温度で乾燥・焼結して燃焼触媒12を形成する。   FIG. 7 is a cross-sectional view of a fuel cell stack according to still another embodiment of the present invention. As shown in FIG. 7, the fuel cell 1 may include a combustion catalyst 12 disposed on the outer periphery of the support 2. The combustion catalyst 12 is applied to the outer peripheral surface of the support 2. The material of the combustion catalyst 12 is preferably one that can generate thermal energy by reacting the mixed gas G with oxygen in the air on the catalyst surface, and specifically, a metal catalyst such as Ni, Ru, Pt, Rh is preferable. . These metal catalysts can be used in a state of being supported by a carrier such as alumina. The combustion catalyst 12 can be formed by, for example, a spray coating method. That is, first, masking is performed on a portion of the fuel cell 1 where the combustion catalyst 12 is not formed. Subsequently, a combustion catalyst paste is prepared, and the combustion catalyst paste is applied to the fuel cell 1 by spraying. The combustion catalyst paste can be manufactured by mixing a binder and a solvent with a powder such as Pt which is a material of the combustion catalyst 12. Thereafter, the combustion catalyst 12 is formed by drying and sintering at a predetermined temperature for a predetermined time.

このような構成によれば、混合ガスGが隔壁20を通過した後、燃焼触媒12に接触することにより、熱エネルギーが発生する。これにより、燃料電池1を高温に保つことができ、発電効率を上げることができる。   According to such a configuration, the mixed gas G passes through the partition wall 20 and then contacts the combustion catalyst 12 to generate thermal energy. Thereby, the fuel cell 1 can be kept at a high temperature, and the power generation efficiency can be increased.

本発明の一実施形態に係る単室型固体酸化物形燃料電池の斜視図である。1 is a perspective view of a single chamber type solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention. (a)図1におけるX−X断面図、及び、(b)図1におけるY−Y断面図である。(A) XX sectional drawing in FIG. 1, (b) YY sectional drawing in FIG. 本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックの斜視図である。1 is a perspective view of a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックの断面図である。It is sectional drawing of the fuel cell stack which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の他の実施形態に係る燃料電池スタックの断面図である。It is sectional drawing of the fuel cell stack which concerns on other embodiment of this invention. (a)図5におけるX−X断面図、(b)図5におけるY−Y断面図、(c)図5におけるZ−Z断面図である。(A) XX sectional view in FIG. 5, (b) YY sectional view in FIG. 5, (c) ZZ sectional view in FIG. 本発明の更に他の実施形態に係る燃料電池スタックの斜視図である。FIG. 6 is a perspective view of a fuel cell stack according to still another embodiment of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

G 混合ガス
1 単室型固体酸化物形燃料電池
2 支持体
3 貫通孔
4 燃料極
5 電解質
6 空気極
7 インターコネクター
11 閉塞部材
12 燃焼触媒
20 隔壁
G Mixed Gas 1 Single-chamber Solid Oxide Fuel Cell 2 Support 3 Through Hole 4 Fuel Electrode 5 Electrolyte 6 Air Electrode 7 Interconnector 11 Blocking Member 12 Combustion Catalyst 20 Bulkhead

Claims (6)

同軸方向に延びる複数の多孔質隔壁で仕切られることにより、同軸方向に延びる複数の貫通孔が形成されている絶縁性の支持体と、
前記複数の多孔質隔壁の表面に配置された燃料極及び空気極の一方からなる第1の電極と、
前記第1の電極の表面に配置された多孔質の電解質と、
前記電解質の表面に配置された燃料極及び空気極の他方からなる第2の電極とを備え、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスで発電する単室型固体酸化物形燃料電池。
An insulating support in which a plurality of through-holes extending in the coaxial direction are formed by being partitioned by a plurality of porous partition walls extending in the coaxial direction; and
A first electrode formed of one of said plurality of porous fuel electrode and an air electrode disposed on the surface of the partition wall,
A porous electrolyte disposed on the surface of the first electrode;
A single-chamber solid oxide fuel cell, comprising a second electrode made of the other of the fuel electrode and the air electrode disposed on the surface of the electrolyte, and generating electric power with a mixed gas of fuel gas and oxidant gas.
前記支持体の一端部において前記貫通孔を閉塞するガス非透過性の閉塞部材を更に備える、請求項1に記載の単室型固体酸化物形燃料電池。   The single-chamber solid oxide fuel cell according to claim 1, further comprising a gas-impermeable blocking member that blocks the through hole at one end of the support. 前記支持体の外周に配置された燃焼触媒を更に備える、請求項1又は2に記載の単室型固体酸化物形燃料電池。   The single-chamber solid oxide fuel cell according to claim 1 or 2, further comprising a combustion catalyst disposed on an outer periphery of the support. 同軸方向に延びる複数の多孔質隔壁で仕切られることにより、同軸方向に延びる複数の貫通孔が形成されている絶縁性の支持体と、前記複数の多孔質隔壁の表面に配置された燃料極及び空気極の一方からなる第1の電極と、前記第1の電極の表面に配置された多孔質の電解質と、前記電解質の表面に配置された燃料極及び空気極の他方からなる第2の電極とを備える単室型固体酸化物形燃料電池を複数備え、
前記第1の電極及び前記第2の電極のいずれか一方は、前記多孔質隔壁の軸方向一端部まで延びており、前記2つの電極における他方は、前記多孔質隔壁の軸方向他端部まで延びており、
複数の前記単室型固体酸化物形燃料電池は、一端部と他端部とが互いに対向するように、前記貫通孔の軸方向に沿って配置されており、
隣接する前記単室型固体酸化物形燃料電池の間にそれぞれ配置され、前記第1の電極及び前記第2の電極を電気的に接続する少なくとも1つのインターコネクターをさらに備える、単室型固体酸化物形燃料電池スタック。
By partitioning with a plurality of porous partition walls extending in the coaxial direction, an insulating support having a plurality of through-holes extending in the coaxial direction, a fuel electrode disposed on the surfaces of the plurality of porous partition walls, and A first electrode composed of one of the air electrodes , a porous electrolyte disposed on the surface of the first electrode, and a second electrode composed of the other of the fuel electrode and the air electrode disposed on the surface of the electrolyte A plurality of single-chamber solid oxide fuel cells comprising
Either one of the first electrode and the second electrode extends to one axial end of the porous partition, and the other of the two electrodes extends to the other axial end of the porous partition. Extended,
The plurality of single-chamber solid oxide fuel cells are arranged along the axial direction of the through hole such that one end and the other end face each other.
A single-chamber solid oxide, further comprising at least one interconnector that is disposed between adjacent single-chamber solid oxide fuel cells adjacent to each other and electrically connects the first electrode and the second electrode; Physical fuel cell stack.
複数の前記単室型固体酸化物形燃料電池は、それぞれ、前記貫通孔の軸方向に直角な断面において、複数の前記貫通孔の総断面積が異なっており、かつ、前記軸方向の一方側から他方側に向かって、前記貫通孔の総断面積が順に大きくなるように配置されている、請求項4に記載の単室型固体酸化物形燃料電池スタック。   Each of the plurality of single-chamber solid oxide fuel cells has a cross-sectional area perpendicular to the axial direction of the through-holes, the total cross-sectional areas of the plurality of through-holes being different, and one side in the axial direction. 5. The single-chamber solid oxide fuel cell stack according to claim 4, wherein the through-holes are arranged so that a total cross-sectional area gradually increases from the first side toward the other side. 前記インターコネクターは、メッシュ状に形成されている、請求項4又は5に記載の単室型固体酸化物形燃料電池スタック。   The single-chamber solid oxide fuel cell stack according to claim 4 or 5, wherein the interconnector is formed in a mesh shape.
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