JP2013110093A - Fuel cell structure - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池の構造体に関する。 The present invention relates to a fuel cell structure.
従来より、「ガス流路が内部に形成された電子伝導性を有さない多孔質の支持基板」と、「前記支持基板の表面における互いに離れた複数の箇所にそれぞれ設けられ、燃料極、固体電解質、及び空気極が積層されてなる複数の発電素子部」と、「１組又は複数組の隣り合う前記発電素子部の間にそれぞれ設けられ、隣り合う前記発電素子部の一方の内側電極と他方の外側電極とを電気的に接続する電子伝導性を有する１つ又は複数の電気的接続部」とを備えた固体酸化物形燃料電池の構造体が知られている（例えば、特許文献１、２を参照）。このような構成は、「横縞型」とも呼ばれる。 Conventionally, “a porous support substrate having no electron conductivity in which a gas flow path is formed” and “a plurality of locations separated from each other on the surface of the support substrate, a fuel electrode, a solid A plurality of power generation element parts in which an electrolyte and an air electrode are laminated, and one inner electrode of each of the adjacent power generation element parts provided between one or a plurality of adjacent power generation element parts; There is known a structure of a solid oxide fuel cell including one or more electrical connection portions having electronic conductivity for electrically connecting the other outer electrode (for example, Patent Document 1). 2). Such a configuration is also called a “horizontal stripe type”.
以下、支持基板の形状に着目する。特許文献１に記載の「横縞型」の固体酸化物形燃料電池の構造体では、支持基板が円筒状を呈している。円筒状の支持基板の表面（円筒面）には、燃料極を埋設するための複数の「環状溝」が軸方向の複数の箇所においてそれぞれ形成されている（図３を参照）。従って、支持基板において「環状溝」が形成された部分の外径が小さくなっている。このことに起因して、この構造体は、支持基板に曲げ方向やねじり方向の外力が加えられた場合に変形し易い構造であるといえる。 Hereinafter, attention is focused on the shape of the support substrate. In the “horizontal stripe type” solid oxide fuel cell structure described in Patent Document 1, the support substrate has a cylindrical shape. On the surface (cylindrical surface) of the cylindrical support substrate, a plurality of “annular grooves” for embedding the fuel electrode are respectively formed at a plurality of axial positions (see FIG. 3). Therefore, the outer diameter of the portion where the “annular groove” is formed in the support substrate is small. For this reason, it can be said that this structure is a structure that is easily deformed when an external force in the bending direction or the twisting direction is applied to the support substrate.
また、特許文献２に記載の「横縞型」の固体酸化物形燃料電池の構造体では、支持基板が長手方向を有する平板状を呈している。平板状の支持基板の主面（平面）には、燃料極等を埋設するための「長手方向に延び且つ長手方向に開放された長溝」が形成されている（図３（ｂ）を参照）。従って、支持基板において「長溝」が形成された部分の厚さが小さくなっている。 In the structure of the “horizontal stripe type” solid oxide fuel cell described in Patent Document 2, the support substrate has a flat plate shape having a longitudinal direction. A “long groove extending in the longitudinal direction and opened in the longitudinal direction” for embedding a fuel electrode or the like is formed on the main surface (plane) of the flat support substrate (see FIG. 3B). . Therefore, the thickness of the portion where the “long groove” is formed in the support substrate is small.
加えて、「長溝」は、長手方向に直交する幅方向の両端部において長手方向に延びる側壁を有する一方で、長手方向の両端部において幅方向に延びる側壁を有していない。即ち、「長溝」は、その周方向に閉じた側壁を有していない。従って、支持基板において「長溝」を囲む枠体が形成されていない。これらのことに起因して、この構造体は、特に支持基板にねじり方向の外力が加えられた場合に変形し易い構造であるといえる。以上のことから、「横縞型」の燃料電池の構造体において、支持基板が外力を受けた場合における支持基板の変形を抑制することが望まれていたところである。 In addition, the “long groove” has side walls extending in the longitudinal direction at both ends in the width direction orthogonal to the longitudinal direction, and does not have side walls extending in the width direction at both ends in the longitudinal direction. That is, the “long groove” does not have a side wall closed in the circumferential direction. Therefore, the frame surrounding the “long groove” is not formed on the support substrate. Due to these reasons, this structure can be said to be a structure that is easily deformed particularly when an external force in the twisting direction is applied to the support substrate. From the above, in the structure of the “horizontal stripe” fuel cell, it is desired to suppress the deformation of the support substrate when the support substrate receives an external force.
更には、上記の燃料電池の構造体では、燃料電池の作製時、作動時等において、支持基板の凹部に埋設された燃料極の割れ・剥離の発生を抑制することが重要である。燃料極の割れ・剥離の発生を抑制するための１つの手法として、例えば、燃料極と支持基板との間の熱膨張係数差を小さくすることが考えられる。 Furthermore, in the fuel cell structure described above, it is important to suppress the occurrence of cracking and peeling of the fuel electrode embedded in the concave portion of the support substrate when the fuel cell is manufactured or operated. As one method for suppressing the occurrence of cracking / separation of the fuel electrode, for example, it is conceivable to reduce the difference in thermal expansion coefficient between the fuel electrode and the support substrate.
本発明は、「横縞型」の燃料電池の構造体であって、支持基板が外力を受けた場合において支持基板が変形し難く且つ支持基板の凹部に埋設された燃料極の割れ・剥離の発生が抑制され得るものを提供することを目的とする。 The present invention is a “horizontal stripe type” fuel cell structure that is difficult to deform when the support substrate receives an external force, and the fuel electrode embedded in the recess of the support substrate is cracked or peeled off. It aims at providing what can suppress.
本発明に係る燃料電池の構造体は、ガス流路が内部に形成された電子伝導性を有さない平板状の多孔質の支持基板と、前記平板状の支持基板の主面における互いに離れた複数の箇所にそれぞれ設けられ「少なくとも燃料極、固体電解質、及び空気極が積層されてなる複数の発電素子部」と、１組又は複数組の隣り合う前記発電素子部の間にそれぞれ設けられ、隣り合う前記発電素子部の一方の燃料極と他方の空気極とを電気的に接続する電子伝導性を有する１つ又は複数の電気的接続部とを備える。即ち、この構造体は、「横縞型」の燃料電池の構造体である。 The structure of the fuel cell according to the present invention includes a flat plate-like porous support substrate that has a gas flow path formed therein and does not have electron conductivity, and a main surface of the flat plate-like support substrate that is separated from each other. Provided at each of a plurality of locations, `` a plurality of power generation element portions formed by laminating at least a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode '', and provided between one or a plurality of adjacent power generation element portions, One or a plurality of electrical connection portions having electronic conductivity for electrically connecting one fuel electrode and the other air electrode of the adjacent power generation element portions. That is, this structure is a “horizontal stripe type” fuel cell structure.
本発明に係る燃料電池の構造体の特徴は、前記平板状の支持基板の主面における前記複数の箇所に、底壁と周方向に閉じた側壁とを有する第１凹部がそれぞれ形成され、前記各第１凹部に対応する前記発電素子部の燃料極がそれぞれ埋設されたこと、並びに、前記燃料極（後述するように燃料極が集電部と活性部とで構成される場合には、燃料極集電部）が、Ｎｉ又はＮｉ酸化物と、希土類元素酸化物又は化学式ＡＥＺｒＯ３（ただし、ＡＥは、Ｃａ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｂａから選択される１種類又は２種類以上の元素）で表わされる酸化物と、を含んで構成されたことにある。 The fuel cell structure according to the present invention is characterized in that a first recess having a bottom wall and a side wall closed in the circumferential direction is formed at each of the plurality of locations on the main surface of the flat support substrate, The fuel electrode of the power generation element portion corresponding to each first recess is embedded, and the fuel electrode (in the case where the fuel electrode is constituted by a current collector and an active portion as described later, the fuel electrode Electrode collector) is represented by Ni or Ni oxide and rare earth element oxide or chemical formula AEZrO 3 (where AE is one or more elements selected from Ca, Sr, Mg, Ba) And an oxide.
このように、本発明に係る「横縞型」の燃料電池の構造体では、燃料極を埋設するための各第１凹部が周方向に閉じた側壁を有している。換言すれば、支持基板において各第１凹部を囲む枠体がそれぞれ形成されている。従って、この構造体は、支持基板が外力を受けた場合に変形し難い構造であるといえる。 Thus, in the “horizontal stripe type” fuel cell structure according to the present invention, each first recess for embedding the fuel electrode has a side wall closed in the circumferential direction. In other words, a frame surrounding each first recess is formed on the support substrate. Therefore, it can be said that this structure is a structure that is not easily deformed when the support substrate receives an external force.
加えて、燃料極が、Ｎｉ又はＮｉ酸化物と、希土類元素酸化物等を含んで構成されている。従って、燃料極が、Ｎｉ又はＮｉ酸化物と、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）とから構成される場合に比べて、燃料極と支持基板との間の熱膨張係数差を小さくすることができる。この結果、燃料電池の作製時、作動時等において、支持基板の第１凹部に埋設された燃料極の割れ・剥離の発生を抑制することができる。 In addition, the fuel electrode includes Ni or Ni oxide and rare earth element oxide. Therefore, the difference in thermal expansion coefficient between the fuel electrode and the support substrate can be reduced as compared with the case where the fuel electrode is composed of Ni or Ni oxide and yttria stabilized zirconia (YSZ). As a result, it is possible to suppress the occurrence of cracking / peeling of the fuel electrode embedded in the first concave portion of the support substrate during production or operation of the fuel cell.
この場合、前記各電気的接続部が、緻密な材料で構成された第１部分と、前記第１部分と接続され且つ多孔質の材料で構成された第２部分とで構成され、前記第１凹部に埋設された各燃料極の外側面に、前記燃料極の材料からなる底壁と全周に亘って前記燃料極の材料からなる周方向に閉じた側壁とを有する第２凹部がそれぞれ形成され、前記各第２凹部に、対応する前記電気的接続部の前記第１部分がそれぞれ埋設されることが好適である。 In this case, each of the electrical connection portions includes a first portion made of a dense material, and a second portion connected to the first portion and made of a porous material. Second recesses each having a bottom wall made of the fuel electrode material and a circumferentially closed side wall made of the fuel electrode material are formed on the outer surface of each fuel electrode embedded in the recess. It is preferable that the first portions of the corresponding electrical connection portions are embedded in the second recesses, respectively.
これによれば、第１凹部に埋設された燃料極の外側平面上に電気的接続部の第１部分が積層される（接触する）構成が採用される場合に比べて、燃料極と電気的接続部との界面の面積を大きくできる。従って、燃料極と電気的接続部との間における電子伝導性を高めることができる。この結果、燃料電池の発電出力を高めることができる。 According to this, compared with the case where the configuration in which the first portion of the electrical connection portion is laminated (contacted) on the outer plane of the fuel electrode embedded in the first recess is employed, the fuel electrode is electrically connected to the fuel electrode. The area of the interface with the connection portion can be increased. Therefore, the electronic conductivity between the fuel electrode and the electrical connection portion can be increased. As a result, the power generation output of the fuel cell can be increased.
ここにおいて、前記第１凹部の平面形状（支持基板の主面に垂直の方向からみた場合の形状）は、例えば、長方形、正方形、円形、楕円形、長円形である。また、前記支持基板が長手方向を有し、且つ、前記複数の第１凹部が長手方向に沿って所定の間隔をおいて配置されていることが好適である。 Here, the planar shape of the first recess (the shape when viewed from the direction perpendicular to the main surface of the support substrate) is, for example, a rectangle, a square, a circle, an ellipse, or an oval. Further, it is preferable that the support substrate has a longitudinal direction, and the plurality of first recesses are arranged at predetermined intervals along the longitudinal direction.
（構成）
図１は、本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の構造体を示す。このＳＯＦＣの構造体は、長手方向（ｘ軸方向）を有する平板状の支持基板１０の上下面（互いに平行な両側の主面（平面））のそれぞれに、電気的に直列に接続された複数（本例では、４つ）の同形の発電素子部Ａが長手方向において所定の間隔をおいて配置された、所謂「横縞型」と呼ばれる構成を有する。
(Constitution)
FIG. 1 shows a structure of a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention. This SOFC structure is electrically connected in series to the upper and lower surfaces (main surfaces (planes) on both sides parallel to each other) of the flat support substrate 10 having a longitudinal direction (x-axis direction). (In this example, four) power generation element portions A having the same shape are arranged at a predetermined interval in the longitudinal direction and have a so-called “horizontal stripe type” configuration.
このＳＯＦＣの構造体の全体を上方からみた形状は、例えば、長手方向の辺の長さが５〜５０ｃｍで長手方向に直交する幅方向（ｙ軸方向）の長さが１〜１０ｃｍの長方形である。このＳＯＦＣの構造体の全体の厚さは、１〜５ｍｍである。このＳＯＦＣの構造体の全体は、厚さ方向の中心を通り且つ支持基板１０の主面に平行な面に対して上下対称の形状を有する。以下、図１に加えて、このＳＯＦＣの構造体の図１に示す２−２線に対応する部分断面図である図２を参照しながら、このＳＯＦＣの構造体の詳細について説明する。図２は、代表的な１組の隣り合う発電素子部Ａ，Ａのそれぞれの構成（の一部）、並びに、発電素子部Ａ，Ａ間の構成を示す部分断面図である。その他の組の隣り合う発電素子部Ａ，Ａ間の構成も、図２に示す構成と同様である。 The shape of the entire SOFC structure viewed from above is, for example, a rectangle having a length of 5 to 50 cm in the longitudinal direction and a length of 1 to 10 cm in the width direction (y-axis direction) perpendicular to the longitudinal direction. is there. The total thickness of the SOFC structure is 1 to 5 mm. The entire SOFC structure has a vertically symmetrical shape with respect to a plane passing through the center in the thickness direction and parallel to the main surface of the support substrate 10. Hereinafter, in addition to FIG. 1, the details of the SOFC structure will be described with reference to FIG. 2, which is a partial cross-sectional view of the SOFC structure corresponding to line 2-2 shown in FIG. 1. FIG. 2 is a partial cross-sectional view showing a configuration (part of) each of a typical pair of adjacent power generation element portions A and A and a configuration between the power generation element portions A and A. The configuration between the other power generation element portions A and A in other sets is the same as the configuration shown in FIG.
支持基板１０は、電子伝導性を有さない多孔質の材料からなる平板状の焼成体である。後述する図６に示すように、支持基板１０の内部には、長手方向に延びる複数（本例では、６本）の燃料ガス流路１１（貫通孔）が幅方向において所定の間隔をおいて形成されている。本例では、各凹部１２は、支持基板１０の材料からなる底壁と、全周に亘って支持基板１０の材料からなる周方向に閉じた側壁（長手方向に沿う２つの側壁と幅方向に沿う２つの側壁）と、で画定された直方体状の窪みである。 The support substrate 10 is a flat plate-like fired body made of a porous material having no electronic conductivity. As shown in FIG. 6 to be described later, a plurality of (six in this example) fuel gas passages 11 (through holes) extending in the longitudinal direction are provided in the support substrate 10 at predetermined intervals in the width direction. Is formed. In this example, each recess 12 includes a bottom wall made of the material of the support substrate 10 and side walls closed in the circumferential direction made of the material of the support substrate 10 over the entire circumference (two side walls along the longitudinal direction and the width direction). A rectangular parallelepiped depression defined by two side walls).
支持基板１０は、例えば、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）から構成され得る。或いは、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成されてもよいし、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹ２Ｏ３（イットリア）とから構成されてもよいし、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）とＭｇＡｌ２Ｏ４（マグネシアアルミナスピネル）とから構成されてもよい。 The support substrate 10 can be made of, for example, CSZ (calcia stabilized zirconia). Alternatively, it may be composed of NiO (nickel oxide) and YSZ (8YSZ) (yttria stabilized zirconia), NiO (nickel oxide) and Y 2 O 3 (yttria), or MgO. (Magnesium oxide) and MgAl 2 O 4 (magnesia alumina spinel) may be used.
支持基板１０は、「遷移金属酸化物又は遷移金属」と、絶縁性セラミックスとを含んで構成され得る。「遷移金属酸化物又は遷移金属」としては、ＮｉＯ（酸化ニッケル）又はＮｉ（ニッケル）が好適である。遷移金属は、燃料ガスの改質反応を促す触媒（炭化水素系のガスの改質触媒）として機能し得る。 The support substrate 10 may be configured to include “transition metal oxide or transition metal” and insulating ceramics. As the “transition metal oxide or transition metal”, NiO (nickel oxide) or Ni (nickel) is suitable. The transition metal can function as a catalyst for promoting a reforming reaction of the fuel gas (hydrocarbon-based gas reforming catalyst).
また、絶縁性セラミックスとしては、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、又は、「ＭｇＡｌ２Ｏ４（マグネシアアルミナスピネル）とＭｇＯ（酸化マグネシウム）の混合物」が好適である。また、絶縁性セラミックスとして、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）、ＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）、Ｙ２Ｏ３（イットリア）が使用されてもよい。 Further, as the insulating ceramic, MgO (magnesium oxide) or “mixture of MgAl 2 O 4 (magnesia alumina spinel) and MgO (magnesium oxide)” is preferable. Further, CSZ (calcia stabilized zirconia), YSZ (8YSZ) (yttria stabilized zirconia), Y 2 O 3 (yttria) may be used as the insulating ceramic.
このように、支持基板１０が「遷移金属酸化物又は遷移金属」を含むことによって、改質前の残存ガス成分を含んだガスが多孔質の支持基板１０の内部の多数の気孔を介して燃料ガス流路１１から燃料極に供給される過程において、上記触媒作用によって改質前の残存ガス成分の改質を促すことができる。加えて、支持基板１０が絶縁性セラミックスを含むことによって、支持基板１０の絶縁性を確保することができる。この結果、隣り合う燃料極間における絶縁性が確保され得る。 As described above, since the support substrate 10 contains “transition metal oxide or transition metal”, the gas containing the residual gas component before the reforming is supplied to the fuel through the numerous pores inside the porous support substrate 10. In the process of being supplied from the gas flow path 11 to the fuel electrode, the catalytic action can promote the reforming of the residual gas component before the reforming. In addition, the insulating property of the support substrate 10 can be ensured by the support substrate 10 containing insulating ceramics. As a result, insulation between adjacent fuel electrodes can be ensured.
支持基板１０の厚さは、１〜５ｍｍである。支持基板１０の熱膨張係数は、１１．０〜１３．０ｐｐｍ／Ｋである。以下、この構造体の形状が上下対称となっていることを考慮し、説明の簡便化のため、支持基板１０の上面側の構成についてのみ説明していく。支持基板１０の下面側の構成についても同様である。 The thickness of the support substrate 10 is 1 to 5 mm. The thermal expansion coefficient of the support substrate 10 is 11.0-13.0 ppm / K. Hereinafter, only the configuration on the upper surface side of the support substrate 10 will be described in consideration of the fact that the shape of the structure is vertically symmetrical. The same applies to the configuration of the lower surface side of the support substrate 10.
図２及び図３に示すように、支持基板１０の上面（上側の主面）に形成された各凹部１２には、燃料極集電部２１の全体が埋設（充填）されている。従って、各燃料極集電部２１は直方体状を呈している。各燃料極集電部２１の上面（外側面）には、凹部２１ａが形成されている。各凹部２１ａは、燃料極集電部２１の材料からなる底壁と、周方向に閉じた側壁（長手方向に沿う２つの側壁と幅方向に沿う２つの側壁）と、で画定された直方体状の窪みである。周方向に閉じた側壁のうち、長手方向に沿う２つの側壁は支持基板１０の材料からなり、幅方向に沿う２つの側壁は燃料極集電部２１の材料からなる。 As shown in FIGS. 2 and 3, the entire fuel electrode current collector 21 is embedded (filled) in each recess 12 formed in the upper surface (upper main surface) of the support substrate 10. Therefore, each fuel electrode current collector 21 has a rectangular parallelepiped shape. A recess 21 a is formed on the upper surface (outer surface) of each fuel electrode current collector 21. Each recess 21a has a rectangular parallelepiped shape defined by a bottom wall made of the material of the fuel electrode current collector 21 and side walls closed in the circumferential direction (two side walls along the longitudinal direction and two side walls along the width direction). It is a depression. Of the side walls closed in the circumferential direction, two side walls along the longitudinal direction are made of the material of the support substrate 10, and two side walls along the width direction are made of the material of the fuel electrode current collector 21.
各凹部２１ａには、燃料極活性部２２の全体が埋設（充填）されている。従って、各燃料極活性部２２は直方体状を呈している。燃料極集電部２１と燃料極活性部２２とにより燃料極２０が構成される。燃料極２０（燃料極集電部２１＋燃料極活性部２２）は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。各燃料極活性部２２の幅方向に沿う２つの側面と底面とは、凹部２１ａ内で燃料極集電部２１と接触している。 The entire anode active portion 22 is embedded (filled) in each recess 21a. Accordingly, each fuel electrode active portion 22 has a rectangular parallelepiped shape. A fuel electrode 20 is configured by the fuel electrode current collector 21 and the fuel electrode active unit 22. The fuel electrode 20 (fuel electrode current collector 21 + fuel electrode active part 22) is a fired body made of a porous material having electron conductivity. The two side surfaces and the bottom surface along the width direction of each anode active portion 22 are in contact with the anode current collecting portion 21 in the recess 21a.
各燃料極集電部２１の上面（外側面）における凹部２１ａを除いた部分には、凹部２１ｂが形成されている。各凹部２１ｂは、燃料極集電部２１の材料からなる底壁と、周方向に閉じた側壁（長手方向に沿う２つの側壁と幅方向に沿う２つの側壁）と、で画定された直方体状の窪みである。周方向に閉じた側壁のうち、長手方向に沿う２つの側壁は支持基板１０の材料からなり、幅方向に沿う２つの側壁は燃料極集電部２１の材料からなる。 A recess 21b is formed in a portion of the upper surface (outer surface) of each fuel electrode current collector 21 excluding the recess 21a. Each recess 21b has a rectangular parallelepiped shape defined by a bottom wall made of the material of the fuel electrode current collector 21 and side walls closed in the circumferential direction (two side walls along the longitudinal direction and two side walls along the width direction). It is a depression. Of the side walls closed in the circumferential direction, two side walls along the longitudinal direction are made of the material of the support substrate 10, and two side walls along the width direction are made of the material of the fuel electrode current collector 21.
各凹部２１ｂには、インターコネクタ３０が埋設（充填）されている。従って、各インターコネクタ３０は直方体状を呈している。インターコネクタ３０は、電子伝導性を有する緻密な材料からなる焼成体である。各インターコネクタ３０の幅方向に沿う２つの側面と底面とは、凹部２１ｂ内で燃料極集電部２１と接触している。 An interconnector 30 is embedded (filled) in each recess 21b. Accordingly, each interconnector 30 has a rectangular parallelepiped shape. The interconnector 30 is a fired body made of a dense material having electronic conductivity. The two side surfaces and the bottom surface along the width direction of each interconnector 30 are in contact with the fuel electrode current collector 21 in the recess 21b.
燃料極２０（燃料極集電部２１及び燃料極活性部２２）の上面（外側面）と、インターコネクタ３０の上面（外側面）と、支持基板１０の主面とにより、１つの平面（凹部１２が形成されていない場合の支持基板１０の主面と同じ平面）が構成されている。即ち、燃料極２０の上面とインターコネクタ３０の上面と支持基板１０の主面との間で、段差が形成されていない。 The upper surface (outer surface) of the fuel electrode 20 (the fuel electrode current collector 21 and the fuel electrode active unit 22), the upper surface (outer surface) of the interconnector 30, and the main surface of the support substrate 10 form one plane (recessed portion). The same plane as the main surface of the support substrate 10 when 12 is not formed) is formed. That is, no step is formed between the upper surface of the fuel electrode 20, the upper surface of the interconnector 30, and the main surface of the support substrate 10.
燃料極活性部２２は、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成され得る。或いは、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）とから構成されてもよい。燃料極集電部２１は、Ｎｉ（ニッケル）又はＮｉ酸化物と、希土類元素酸化物又は化学式ＡＥＺｒＯ３（ただし、ＡＥは、Ｃａ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｂａから選択される１種類又は２種類以上の元素）で表わされる酸化物と、を含んで構成される。具体的には、燃料極集電部２１は、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹ２Ｏ３（イットリア）とから構成されてもよいし、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＣａＺｒＯ３（カルシウムジルコネート）とから構成されてもよい。燃料極活性部２２の厚さは、５〜３０μｍであり、燃料極集電部２１の厚さ（即ち、凹部１２の深さ）は、５０〜５００μｍである。 The fuel electrode active part 22 may be composed of, for example, NiO (nickel oxide) and YSZ (8YSZ) (yttria stabilized zirconia). Or you may comprise from NiO (nickel oxide) and GDC (gadolinium dope ceria). The anode current collector 21 includes Ni (nickel) or Ni oxide, rare earth element oxide, or a chemical formula AEZrO 3 (where AE is one or more selected from Ca, Sr, Mg, Ba) And an oxide represented by (element). Specifically, the fuel electrode current collector 21 may be composed of, for example, NiO (nickel oxide) and Y 2 O 3 (yttria), or NiO (nickel oxide) and CaZrO 3 (calcium zirconate). May be configured. The thickness of the anode active portion 22 is 5 to 30 μm, and the thickness of the anode current collecting portion 21 (that is, the depth of the recess 12) is 50 to 500 μm.
このように、燃料極集電部２１は、電子伝導性を有する物質を含んで構成される。燃料極活性部２２は、電子伝導性を有する物質と酸素イオン伝導性を有する物質とを含んで構成される。燃料極活性部２２における「気孔部分を除いた全体積に対する酸化性イオン伝導性を有する物質の体積割合」は、燃料極集電部２１における「気孔部分を除いた全体積に対する酸化性イオン伝導性を有する物質の体積割合」よりも大きい。燃料極集電部２１の熱膨張係数は、１０．０〜１２．５ｐｐｍ／Ｋであり、燃料極活性部２２の熱膨張係数は、１０．５〜１２．５ｐｐｍ／Ｋである。 As described above, the fuel electrode current collector 21 includes a substance having electronic conductivity. The fuel electrode active part 22 includes a substance having electron conductivity and a substance having oxygen ion conductivity. The “volume ratio of the substance having oxidative ion conductivity relative to the total volume excluding the pore portion” in the anode active portion 22 is “the oxidative ion conductivity relative to the entire volume excluding the pore portion” in the anode current collecting portion 21. Greater than the volume fraction of the substance having The thermal expansion coefficient of the fuel electrode current collector 21 is 10.0 to 12.5 ppm / K, and the thermal expansion coefficient of the fuel electrode active unit 22 is 10.5 to 12.5 ppm / K.
インターコネクタ３０は、例えば、ＬａＣｒＯ３（ランタンクロマイト）から構成され得る。或いは、（Ｓｒ，Ｌａ）ＴｉＯ３（ストロンチウムチタネート）から構成されてもよい。インターコネクタ３０の厚さは、１０〜１００μｍである。 The interconnector 30 can be composed of, for example, LaCrO 3 (lanthanum chromite). Alternatively, it may be composed of (Sr, La) TiO 3 (strontium titanate). The thickness of the interconnector 30 is 10 to 100 μm.
燃料極２０及びインターコネクタ３０がそれぞれの凹部１２に埋設された状態の支持基板１０における長手方向に延びる外周面において複数のインターコネクタ３０が形成されたそれぞれの部分の長手方向中央部を除いた全面は、固体電解質膜４０により覆われている。固体電解質膜４０は、イオン伝導性を有し且つ電子伝導性を有さない緻密な材料からなる焼成体である。固体電解質膜４０は、例えば、ＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）から構成され得る。或いは、ＬＳＧＭ（ランタンガレート）から構成されてもよい。固体電解質膜４０の厚さは、３〜５０μｍである。 The entire surface excluding the central portion in the longitudinal direction of each portion where the plurality of interconnectors 30 are formed on the outer peripheral surface extending in the longitudinal direction of the support substrate 10 in a state where the fuel electrode 20 and the interconnector 30 are embedded in the respective recesses 12. Is covered with a solid electrolyte membrane 40. The solid electrolyte membrane 40 is a fired body made of a dense material having ionic conductivity and not electron conductivity. The solid electrolyte membrane 40 can be made of, for example, YSZ (8YSZ) (yttria stabilized zirconia). Or you may comprise from LSGM (lantern gallate). The thickness of the solid electrolyte membrane 40 is 3 to 50 μm.
即ち、燃料極２０がそれぞれの凹部１２に埋設された状態の支持基板１０における長手方向に延びる外周面の全面は、インターコネクタ３０と固体電解質膜４０とからなる緻密層により覆われている。この緻密層は、緻密層の内側の空間を流れる燃料ガスと緻密層の外側の空間を流れる空気との混合を防止するガスシール機能を発揮する。 That is, the entire outer peripheral surface extending in the longitudinal direction of the support substrate 10 in a state where the fuel electrode 20 is embedded in each recess 12 is covered with a dense layer composed of the interconnector 30 and the solid electrolyte membrane 40. This dense layer exhibits a gas sealing function that prevents mixing of the fuel gas flowing in the space inside the dense layer and the air flowing in the space outside the dense layer.
なお、図２に示すように、本例では、固体電解質膜４０が、燃料極２０の上面、インターコネクタ３０の上面における長手方向の両側端部、及び支持基板１０の主面を覆っている。ここで、上述したように、燃料極２０の上面とインターコネクタ３０の上面と支持基板１０の主面との間で段差が形成されていない。従って、固体電解質膜４０が平坦化されている。この結果、固体電解質膜４０に段差が形成される場合に比して、応力集中に起因する固体電解質膜４０でのクラックの発生が抑制され得、固体電解質膜４０が有するガスシール機能の低下が抑制され得る。 As shown in FIG. 2, in this example, the solid electrolyte membrane 40 covers the upper surface of the fuel electrode 20, both end portions in the longitudinal direction on the upper surface of the interconnector 30, and the main surface of the support substrate 10. Here, as described above, no step is formed between the upper surface of the fuel electrode 20, the upper surface of the interconnector 30, and the main surface of the support substrate 10. Therefore, the solid electrolyte membrane 40 is flattened. As a result, compared with the case where a step is formed in the solid electrolyte membrane 40, the generation of cracks in the solid electrolyte membrane 40 due to stress concentration can be suppressed, and the gas sealing function of the solid electrolyte membrane 40 is reduced. Can be suppressed.
固体電解質膜４０における各燃料極活性部２２と接している箇所の上面には、反応防止膜５０を介して空気極６０が形成されている。反応防止膜５０は、緻密な材料からなる焼成体であり、空気極６０は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。反応防止膜５０及び空気極６０を上方からみた形状は、燃料極活性部２２と略同一の長方形である。 An air electrode 60 is formed on the upper surface of a portion in contact with each fuel electrode active part 22 in the solid electrolyte membrane 40 via a reaction preventing film 50. The reaction preventing film 50 is a fired body made of a dense material, and the air electrode 60 is a fired body made of a porous material having electron conductivity. The shape of the reaction preventing film 50 and the air electrode 60 viewed from above is substantially the same rectangle as the fuel electrode active part 22.
反応防止膜５０は、例えば、ＧＤＣ＝（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ２（ガドリニウムドープセリア）から構成され得る。反応防止膜５０の厚さは、３〜５０μｍである。空気極６０は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３（ランタンストロンチウムコバルトフェライト）から構成され得る。或いは、ＬＳＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＦｅＯ３（ランタンストロンチウムフェライト）、ＬＮＦ＝Ｌａ（Ｎｉ，Ｆｅ）Ｏ３（ランタンニッケルフェライト）、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３（ランタンストロンチウムコバルタイト）等から構成されてもよい。また、空気極６０は、ＬＳＣＦからなる第１層（内側層）とＬＳＣからなる第２層（外側層）との２層によって構成されてもよい。空気極６０の厚さは、１０〜１００μｍである。 The reaction preventing film 50 can be made of, for example, GDC = (Ce, Gd) O 2 (gadolinium-doped ceria). The thickness of the reaction preventing film 50 is 3 to 50 μm. The air electrode 60 can be made of, for example, LSCF = (La, Sr) (Co, Fe) O 3 (lanthanum strontium cobalt ferrite). Alternatively, from LSF = (La, Sr) FeO 3 (lanthanum strontium ferrite), LNF = La (Ni, Fe) O 3 (lanthanum nickel ferrite), LSC = (La, Sr) CoO 3 (lanthanum strontium cobaltite), etc. It may be configured. Further, the air electrode 60 may be configured by two layers of a first layer (inner layer) made of LSCF and a second layer (outer layer) made of LSC. The thickness of the air electrode 60 is 10 to 100 μm.
なお、反応防止膜５０が介装されるのは、ＳＯＦＣ作製時又は作動中のＳＯＦＣ内において固体電解質膜４０内のＹＳＺと空気極６０内のＳｒとが反応して固体電解質膜４０と空気極６０との界面に電気抵抗が大きい反応層が形成される現象の発生を抑制するためである。 The reaction preventing film 50 is interposed because the YSZ in the solid electrolyte film 40 and the Sr in the air electrode 60 react with each other in the SOFC during the production or operation of the SOFC, and the solid electrolyte film 40 and the air electrode. This is to suppress the occurrence of a phenomenon in which a reaction layer having a large electric resistance is formed at the interface with the substrate 60.
ここで、燃料極２０と、固体電解質膜４０と、反応防止膜５０と、空気極６０とが積層されてなる積層体が、「発電素子部Ａ」に対応する（図２を参照）。即ち、支持基板１０の上面には、複数（本例では、４つ）の発電素子部Ａが、長手方向において所定の間隔をおいて配置されている。 Here, the laminated body formed by laminating the fuel electrode 20, the solid electrolyte membrane 40, the reaction preventing membrane 50, and the air electrode 60 corresponds to the “power generation element portion A” (see FIG. 2). In other words, a plurality (four in this example) of power generating element portions A are arranged on the upper surface of the support substrate 10 at a predetermined interval in the longitudinal direction.
各組の隣り合う発電素子部Ａ，Ａについて、一方の（図２では、左側の）発電素子部Ａの空気極６０と、他方の（図２では、右側の）発電素子部Ａのインターコネクタ３０とを跨ぐように、空気極６０、固体電解質膜４０、及び、インターコネクタ３０の上面に、空気極集電膜７０が形成されている。空気極集電膜７０は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。空気極集電膜７０を上方からみた形状は、長方形である。 For each pair of adjacent power generation element portions A and A, the air electrode 60 of one power generation element portion A (on the left side in FIG. 2) and the interconnector of the other power generation element portion A (on the right side in FIG. 2). The air electrode current collecting film 70 is formed on the upper surfaces of the air electrode 60, the solid electrolyte film 40, and the interconnector 30. The air electrode current collector film 70 is a fired body made of a porous material having electron conductivity. The shape of the air electrode current collector film 70 as viewed from above is a rectangle.
空気極集電膜７０は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３（ランタンストロンチウムコバルトフェライト）から構成され得る。或いは、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３（ランタンストロンチウムコバルタイト）から構成されてもよい。或いは、Ａｇ（銀）、Ａｇ−Ｐｄ（銀パラジウム合金）から構成されてもよい。空気極集電膜７０の厚さは、５０〜５００μｍである。 The air electrode current collector film 70 can be made of, for example, LSCF = (La, Sr) (Co, Fe) O 3 (lanthanum strontium cobalt ferrite). Alternatively, LSC = (La, Sr) CoO 3 (lanthanum strontium cobaltite) may be used. Or you may comprise from Ag (silver) and Ag-Pd (silver palladium alloy). The thickness of the air electrode current collector film 70 is 50 to 500 μm.
このように各空気極集電膜７０が形成されることにより、各組の隣り合う発電素子部Ａ，Ａについて、一方の（図２では、左側の）発電素子部Ａの空気極６０と、他方の（図２では、右側の）発電素子部Ａの燃料極２０（特に、燃料極集電部２１）とが、電子伝導性を有する「空気極集電膜７０及びインターコネクタ３０」を介して電気的に接続される。この結果、支持基板１０の上面に配置されている複数（本例では、４つ）の発電素子部Ａが電気的に直列に接続される。ここで、電子伝導性を有する「空気極集電膜７０及びインターコネクタ３０」が、前記「電気的接続部」に対応する。 By forming each air electrode current collecting film 70 in this way, for each pair of adjacent power generation element portions A and A, the air electrode 60 of one power generation element portion A (on the left side in FIG. 2), The other fuel electrode 20 (particularly, the fuel electrode current collector 21) of the power generating element part A (on the right side in FIG. 2) passes through the “air electrode current collector film 70 and interconnector 30” having electronic conductivity. Are electrically connected. As a result, a plurality (four in this example) of power generation element portions A arranged on the upper surface of the support substrate 10 are electrically connected in series. Here, the “air electrode current collector film 70 and the interconnector 30” having electronic conductivity correspond to the “electrical connection part”.
なお、インターコネクタ３０は、前記「電気的接続部」における前記「緻密な材料で構成された第１部分」に対応し、気孔率は１０％以下である。空気極集電膜７０は、前記「電気的接続部」における前記「多孔質の材料で構成された第２部分」に対応し、気孔率は２０〜６０％である。 The interconnector 30 corresponds to the “first portion made of a dense material” in the “electrical connection portion” and has a porosity of 10% or less. The air electrode current collecting film 70 corresponds to the “second portion made of a porous material” in the “electrical connection portion”, and has a porosity of 20 to 60%.
以上、説明した「横縞型」のＳＯＦＣの構造体に対して、図４に示すように、支持基板１０の燃料ガス流路１１内に燃料ガス（水素ガス等）を流すとともに、支持基板１０の上下面（特に、各空気極集電膜７０）を「酸素を含むガス」（空気等）に曝す（或いは、支持基板１０の上下面に沿って酸素を含むガスを流す）ことにより、固体電解質膜４０の両側面間に生じる酸素分圧差によって起電力が発生する。更に、この構造体を外部の負荷に接続すると、下記（１）、（２）式に示す化学反応が起こり、電流が流れる(発電状態)。
（１／２）・Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２− （於：空気極６０） …（１）
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ− （於：燃料極２０） …（２）
As described above, as shown in FIG. 4, the fuel gas (hydrogen gas or the like) flows through the fuel gas flow path 11 of the support substrate 10 with respect to the “horizontal stripe” SOFC structure described above. By exposing the upper and lower surfaces (particularly, each air electrode current collecting film 70) to “gas containing oxygen” (air or the like) (or flowing a gas containing oxygen along the upper and lower surfaces of the support substrate 10), the solid electrolyte An electromotive force is generated by an oxygen partial pressure difference generated between both side surfaces of the film 40. Furthermore, when this structure is connected to an external load, chemical reactions shown in the following formulas (1) and (2) occur, and current flows (power generation state).
(1/2) · O 2 + 2e − → O 2− (where: air electrode 60) (1)
H 2 + O 2− → H 2 O + 2e − (in the fuel electrode 20) (2)
発電状態においては、図５に示すように、各組の隣り合う発電素子部Ａ，Ａについて、電流が、矢印で示すように流れる。この結果、図４に示すように、このＳＯＦＣの構造体全体から（具体的には、図４において最も手前側の発電素子部Ａのインターコネクタ３０と最も奥側の発電素子部Ａの空気極６０とを介して）電力が取り出される。 In the power generation state, as shown in FIG. 5, a current flows as indicated by an arrow in each pair of adjacent power generation element portions A and A. As a result, as shown in FIG. 4, the SOFC structure as a whole (specifically, the interconnector 30 of the power generating element part A on the frontmost side in FIG. The power is extracted (via 60).
（製造方法）
次に、図１に示した「横縞型」のＳＯＦＣの構造体の製造方法の一例について図６〜図１４を参照しながら簡単に説明する。図６〜図１４において、各部材の符号の末尾の「ｇ」は、その部材が「焼成前」であることを表す。
(Production method)
Next, an example of a manufacturing method of the “horizontal stripe type” SOFC structure shown in FIG. 1 will be briefly described with reference to FIGS. 6 to 14, “g” at the end of the reference numeral of each member represents that the member is “before firing”.
先ず、図６に示す形状を有する支持基板の成形体１０ｇが作製される。この支持基板の成形体１０ｇは、例えば、支持基板１０の材料（例えば、ＣＳＺ）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、押し出し成形、切削等の手法を利用して作製され得る。以下、図６に示す７−７線に対応する部分断面を表す図７〜図１４を参照しながら説明を続ける。 First, a support substrate molded body 10g having the shape shown in FIG. 6 is produced. The molded body 10g of the support substrate is manufactured by using a method such as extrusion molding or cutting using a slurry obtained by adding a binder or the like to the material of the support substrate 10 (for example, CSZ). obtain. Hereinafter, the description will be continued with reference to FIGS. 7 to 14 showing partial cross sections corresponding to line 7-7 shown in FIG. 6.
図７に示すように、支持基板の成形体１０ｇが作製されると、次に、図８に示すように、支持基板の成形体１０ｇの上下面に形成された各凹部に、燃料極集電部の成形体２１ｇがそれぞれ埋設・形成される。次いで、図９に示すように、各燃料極集電部の成形体２１ｇの外側面に形成された各凹部に、燃料極活性部の成形体２２ｇがそれぞれ埋設・形成される。各燃料極集電部の成形体２１ｇ、及び各燃料極活性部２２ｇは、例えば、燃料極２０の材料（例えば、ＮｉとＹＳＺ）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して埋設・形成される。 When the support substrate molded body 10g is manufactured as shown in FIG. 7, the fuel electrode current collector is then placed in each recess formed in the upper and lower surfaces of the support substrate molded body 10g as shown in FIG. Each of the molded parts 21g is embedded and formed. Next, as shown in FIG. 9, a molded body 22g of the fuel electrode active portion is embedded and formed in each recess formed in the outer surface of the molded body 21g of each fuel electrode current collector. The molded body 21g of each fuel electrode current collector and each of the fuel electrode active parts 22g use, for example, a slurry obtained by adding a binder or the like to the powder of the material of the fuel electrode 20 (for example, Ni and YSZ), It is embedded and formed using printing methods.
続いて、図１０に示すように、各燃料極集電部の成形体２１ｇの外側面における「燃料極活性部の成形体２２ｇが埋設された部分を除いた部分」に形成された各凹部に、インターコネクタの成形体３０ｇがそれぞれ埋設・形成される。各インターコネクタの成形体３０ｇは、例えば、インターコネクタ３０の材料（例えば、ＬａＣｒＯ３）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して埋設・形成される。 Subsequently, as shown in FIG. 10, in each concave portion formed in “the portion excluding the portion where the molded body 22 g of the fuel electrode active portion is embedded” on the outer surface of the molded body 21 g of each fuel electrode current collector. The interconnector molded bodies 30g are respectively embedded and formed. The molded body 30g of each interconnector is embedded and formed by using a slurry obtained by adding a binder or the like to the material of the interconnector 30 (for example, LaCrO 3 ), using a printing method or the like. .
次に、図１１に示すように、複数の燃料極の成形体（２１ｇ＋２２ｇ）及び複数のインターコネクタの成形体３０ｇがそれぞれ埋設・形成された状態の支持基板の成形体１０ｇにおける長手方向に延びる外周面において複数のインターコネクタの成形体３０ｇが形成されたそれぞれの部分の長手方向中央部を除いた全面に、固体電解質膜の成形膜４０ｇが形成される。固体電解質膜の成形膜４０ｇは、例えば、固体電解質膜４０の材料（例えば、ＹＳＺ）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法、ディッピング法等を利用して形成される。 Next, as shown in FIG. 11, the outer periphery extending in the longitudinal direction of the molded body 10g of the support substrate in a state in which the molded body (21g + 22g) of the plurality of fuel electrodes and the molded body 30g of the plurality of interconnectors are respectively embedded and formed. A solid electrolyte membrane molded film 40g is formed on the entire surface excluding the central portion in the longitudinal direction of each portion where the plurality of interconnector molded bodies 30g are formed. The molded membrane 40g of the solid electrolyte membrane is formed using, for example, a printing method, a dipping method, etc., using a slurry obtained by adding a binder or the like to the powder of the material of the solid electrolyte membrane 40 (for example, YSZ). The
次に、図１２に示すように、固体電解質膜の成形体４０ｇにおける各燃料極の成形体２２ｇと接している箇所の外側面に、反応防止膜の成形膜５０ｇが形成される。各反応防止膜の成形膜５０ｇは、例えば、反応防止膜５０の材料（例えば、ＧＤＣ）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して形成される。 Next, as shown in FIG. 12, a reaction prevention film molding film 50g is formed on the outer surface of the solid electrolyte membrane molding body 40g in contact with the fuel electrode molding body 22g. The molded film 50g of each reaction preventing film is formed using a slurry obtained by adding a binder or the like to the powder of the material (for example, GDC) of the reaction preventing film 50, using a printing method or the like.
そして、このように種々の成形膜が形成された状態の支持基板の成形体１０ｇが、空気中にて１５００℃で３時間焼成される。これにより、図１に示したＳＯＦＣの構造体において空気極６０及び空気極集電膜７０が形成されていない状態の構造体が得られる。 Then, 10 g of the support substrate molded body in which various molded films are thus formed is fired in air at 1500 ° C. for 3 hours. As a result, a structure in which the air electrode 60 and the air electrode current collector film 70 are not formed in the SOFC structure shown in FIG. 1 is obtained.
次に、図１３に示すように、各反応防止膜５０の外側面に、空気極の成形膜６０ｇが形成される。各空気極の成形膜６０ｇは、例えば、空気極６０の材料（例えば、ＬＳＣＦ）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して形成される。 Next, as shown in FIG. 13, an air electrode forming film 60 g is formed on the outer surface of each reaction preventing film 50. The molded film 60g of each air electrode is formed using a slurry obtained by adding a binder or the like to the powder of the material of the air electrode 60 (for example, LSCF), using a printing method or the like.
次に、図１４に示すように、各組の隣り合う発電素子部について、一方の発電素子部の空気極の成形膜６０ｇと、他方の発電素子部のインターコネクタ３０とを跨ぐように、空気極の成形膜６０ｇ、固体電解質膜４０、及び、インターコネクタ３０の外側面に、空気極集電膜の成形膜７０ｇが形成される。各空気極集電膜の成形膜７０ｇは、例えば、空気極集電膜７０の材料（例えば、ＬＳＣＦ）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して形成される。 Next, as shown in FIG. 14, for each pair of adjacent power generation element portions, air is formed so as to straddle the air electrode molding film 60 g of one power generation element portion and the interconnector 30 of the other power generation element portion. On the outer surface of the electrode forming film 60g, the solid electrolyte film 40, and the interconnector 30, a formed film 70g of the air electrode current collecting film is formed. The forming film 70g of each air electrode current collector film is obtained by using a slurry obtained by adding a binder or the like to the powder of the material of the air electrode current collector film 70 (for example, LSCF), using a printing method or the like. It is formed.
そして、このように成形膜６０ｇ、７０ｇが形成された状態の支持基板１０が、空気中にて１０５０℃で３時間焼成される。これにより、図１に示したＳＯＦＣの構造体が得られる。以上、図１に示したＳＯＦＣの構造体の製造方法の一例について説明した。 Then, the support substrate 10 in which the molded films 60g and 70g are thus formed is baked in air at 1050 ° C. for 3 hours. As a result, the SOFC structure shown in FIG. 1 is obtained. The example of the method for manufacturing the SOFC structure shown in FIG. 1 has been described above.
（作用・効果）
以上、説明したように、上記本発明の実施形態に係る「横縞型」のＳＯＦＣの構造体では、支持基板１０の上下面に形成されている、燃料極２０を埋設するための複数の凹部１２のそれぞれが、全周に亘って支持基板１０の材料からなる周方向に閉じた側壁を有している。換言すれば、支持基板１０において各凹部１２を囲む枠体がそれぞれ形成されている。従って、この構造体は、支持基板１０が外力を受けた場合に変形し難い。
(Action / Effect)
As described above, in the “horizontal stripe type” SOFC structure according to the embodiment of the present invention, the plurality of recesses 12 formed in the upper and lower surfaces of the support substrate 10 for embedding the fuel electrode 20 are embedded. Each has a side wall closed in the circumferential direction made of the material of the support substrate 10 over the entire circumference. In other words, the support body 10 is formed with a frame surrounding each recess 12. Therefore, this structure is not easily deformed when the support substrate 10 receives an external force.
また、支持基板１０の各凹部１２内に燃料極２０及びインターコネクタ３０等の部材が隙間なく充填・埋設された状態で、支持基板１０と前記埋設された部材とが共焼結される。従って、部材間の接合性が高く且つ信頼性の高い焼結体が得られる。 Further, the support substrate 10 and the embedded member are co-sintered in a state in which the members such as the fuel electrode 20 and the interconnector 30 are filled and embedded in the recesses 12 of the support substrate 10 without any gap. Therefore, a sintered body having high bondability between members and high reliability can be obtained.
また、燃料極２０（具体的には、燃料極集電部２１）が、Ｎｉ又はＮｉ酸化物と、希土類元素酸化物（Ｙ２Ｏ３）等を含んで構成されている。従って、燃料極が、Ｎｉ又はＮｉ酸化物と、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）とから構成される場合に比べて、燃料極と支持基板との間の熱膨張係数差を小さくすることができる。この結果、燃料電池の作製時、作動時等において、支持基板１０の凹部１２に埋設された燃料極２０の割れ・剥離の発生を抑制することができる。 The fuel electrode 20 (specifically, the fuel electrode current collector 21) is configured to include Ni or Ni oxide, rare earth element oxide (Y 2 O 3 ), and the like. Therefore, the difference in thermal expansion coefficient between the fuel electrode and the support substrate can be reduced as compared with the case where the fuel electrode is composed of Ni or Ni oxide and yttria stabilized zirconia (YSZ). As a result, it is possible to suppress the occurrence of cracking / peeling of the fuel electrode 20 embedded in the recess 12 of the support substrate 10 during production or operation of the fuel cell.
また、インターコネクタ３０が、燃料極集電部２１の外側面に形成された凹部２１ｂに埋設され、この結果、直方体状のインターコネクタ３０の幅方向（ｙ軸方向）に沿う２つの側面と底面とが凹部２１ｂ内で燃料極集電部２１と接触している。従って、燃料極集電部２１の外側平面上に直方体状のインターコネクタ３０が積層される（接触する）構成が採用される場合に比べて、燃料極２０（集電部２１）とインターコネクタ３０との界面の面積を大きくできる。従って、燃料極２０とインターコネクタ３０との間における電子伝導性を高めることができ、この結果、燃料電池の発電出力を高めることができる。 The interconnector 30 is embedded in a recess 21b formed on the outer surface of the fuel electrode current collector 21, and as a result, two side surfaces and a bottom surface along the width direction (y-axis direction) of the rectangular interconnector 30 Are in contact with the anode current collector 21 in the recess 21b. Therefore, the fuel electrode 20 (the current collector 21) and the interconnector 30 are compared to the case where a configuration in which the rectangular parallelepiped interconnector 30 is laminated (contacted) on the outer plane of the fuel electrode current collector 21 is employed. The area of the interface with can be increased. Therefore, the electronic conductivity between the fuel electrode 20 and the interconnector 30 can be increased, and as a result, the power generation output of the fuel cell can be increased.
また、上記実施形態では、平板状の支持基板１０の上下面のそれぞれに、複数の発電素子部Ａが設けられている。これにより、支持基板の片側面のみに複数の発電素子部が設けられる場合に比して、構造体中における発電素子部の数を多くでき、燃料電池の発電出力を高めることができる。 Further, in the above-described embodiment, a plurality of power generation element portions A are provided on each of the upper and lower surfaces of the flat support substrate 10. Thereby, compared with the case where a plurality of power generation element portions are provided only on one side surface of the support substrate, the number of power generation element portions in the structure can be increased, and the power generation output of the fuel cell can be increased.
また、上記実施形態では、固体電解質膜４０が、燃料極２０の外側面、インターコネクタ３０の外側面における長手方向の両側端部、及び支持基板１０の主面を覆っている。ここで、燃料極２０の外側面とインターコネクタ３０の外側面と支持基板１０の主面との間で段差が形成されていない。従って、固体電解質膜４０が平坦化されている。この結果、固体電解質膜４０に段差が形成される場合に比して、応力集中に起因する固体電解質膜４０でのクラックの発生が抑制され得、固体電解質膜４０が有するガスシール機能の低下が抑制され得る。 In the above embodiment, the solid electrolyte membrane 40 covers the outer surface of the fuel electrode 20, both end portions in the longitudinal direction of the outer surface of the interconnector 30, and the main surface of the support substrate 10. Here, no step is formed between the outer surface of the fuel electrode 20, the outer surface of the interconnector 30, and the main surface of the support substrate 10. Therefore, the solid electrolyte membrane 40 is flattened. As a result, compared with the case where a step is formed in the solid electrolyte membrane 40, the generation of cracks in the solid electrolyte membrane 40 due to stress concentration can be suppressed, and the gas sealing function of the solid electrolyte membrane 40 is reduced. Can be suppressed.
なお、本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記実施形態では、図６等に示すように、支持基板１０に形成された凹部１２の平面形状（支持基板１０の主面に垂直の方向からみた場合の形状）が、長方形になっているが、例えば、正方形、円形、楕円形、長穴形状等であってもよい。 In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various modification can be employ | adopted within the scope of the present invention. For example, in the above embodiment, as shown in FIG. 6 and the like, the planar shape of the recess 12 formed in the support substrate 10 (the shape when viewed from the direction perpendicular to the main surface of the support substrate 10) is a rectangle. However, it may be, for example, a square, a circle, an ellipse, or a long hole shape.
また、上記実施形態においては、各凹部１２にはインターコネクタ３０の全体が埋設されているが、インターコネクタ３０の一部のみが各凹部１２に埋設され、インターコネクタ３０の残りの部分が凹部１２の外に突出（即ち、支持基板１０の主面から突出）していてもよい。 In the above embodiment, the entire interconnector 30 is embedded in each recess 12, but only a part of the interconnector 30 is embedded in each recess 12, and the remaining portion of the interconnector 30 is recessed 12. May protrude outside (that is, protrude from the main surface of the support substrate 10).
また、上記実施形態において、凹部１２における底壁と側壁とのなす角度θが９０°になっているが、図１５に示すように、角度θが９０〜１３５°となっていてもよい。また、上記実施形態においては、図１６に示すように、凹部１２における底壁と側壁とが交差する部分が半径Ｒの円弧状になっていて、凹部１２の深さに対する半径Ｒの割合が０．０１〜１となっていてもよい。 Moreover, in the said embodiment, although the angle (theta) which the bottom wall and side wall in the recessed part 12 make is 90 degrees, as shown in FIG. 15, angle (theta) may be 90-135 degrees. Moreover, in the said embodiment, as shown in FIG. 16, the part where the bottom wall and side wall in the recessed part 12 cross | intersect is the circular arc shape of the radius R, and the ratio of the radius R with respect to the depth of the recessed part 12 is 0. .01 to 1 may be used.
また、上記実施形態においては、平板状の支持基板１０の上下面のそれぞれに複数の凹部１２が形成され且つ複数の発電素子部Ａが設けられているが、図１７に示すように、支持基板１０の片側面のみに複数の凹部１２が形成され且つ複数の発電素子部Ａが設けられていてもよい。 Moreover, in the said embodiment, although the several recessed part 12 is formed in each of the upper and lower surfaces of the flat support substrate 10, and the several electric power generation element part A is provided, as shown in FIG. A plurality of recesses 12 may be formed only on one side of the ten and a plurality of power generation element portions A may be provided.
また、上記実施形態においては、燃料極２０が燃料極集電部２１と燃料極活性部２２との２層で構成されているが、燃料極２０が燃料極活性部２２に相当する１層で構成されてもよい。加えて、上記実施形態においては、「内側電極」及び「外側電極」がそれぞれ燃料極及び空気極となっているが、逆であってもよい。 Further, in the above embodiment, the fuel electrode 20 is composed of two layers of the fuel electrode current collector 21 and the fuel electrode active portion 22, but the fuel electrode 20 is a single layer corresponding to the fuel electrode active portion 22. It may be configured. In addition, in the above embodiment, the “inner electrode” and the “outer electrode” are the fuel electrode and the air electrode, respectively, but they may be reversed.
加えて、上記実施形態においては、図３に示すように、燃料極集電部２１の外側面に形成された凹部２１ｂが、燃料極集電部２１の材料からなる底壁と、周方向に閉じた側壁（支持基板１０の材料からなる長手方向に沿う２つの側壁と、燃料極集電部２１の材料からなる幅方向に沿う２つの側壁）と、で画定された直方体状の窪みとなっている。この結果、凹部２１ｂに埋設されたインターコネクタ３０の幅方向に沿う２つの側面と底面とが凹部２１ｂ内で燃料極集電部２１と接触している。 In addition, in the above embodiment, as shown in FIG. 3, the recess 21 b formed on the outer surface of the anode current collector 21 has a bottom wall made of the material of the anode current collector 21 and the circumferential direction. It is a rectangular parallelepiped depression defined by closed side walls (two side walls along the longitudinal direction made of the material of the support substrate 10 and two side walls along the width direction made of the material of the fuel electrode current collector 21). ing. As a result, the two side surfaces and the bottom surface along the width direction of the interconnector 30 embedded in the recess 21b are in contact with the fuel electrode current collector 21 in the recess 21b.
これに対し、図１８に示すように、燃料極集電部２１の外側面に形成された凹部２１ｂが、燃料極集電部２１の材料からなる底壁と、全周に亘って燃料極集電部２１の材料からなる周方向に閉じた側壁（長手方向に沿う２つの側壁と、幅方向に沿う２つの側壁）と、で画定された直方体状の窪みであってもよい。これによれば、凹部２１ｂに埋設されたインターコネクタ３０の４つの側面の全てと底面とが凹部２１ｂ内で燃料極集電部２１と接触する。従って、燃料極集電部２１とインターコネクタ３０との界面の面積をより一層大きくできる。従って、燃料極集電部２１とインターコネクタ３０との間における電子伝導性をより一層高めることができ、この結果、燃料電池の発電出力をより一層高めることができる。 On the other hand, as shown in FIG. 18, the recess 21 b formed on the outer surface of the fuel electrode current collector 21 has a bottom wall made of the material of the fuel electrode current collector 21 and the fuel electrode current collector over the entire circumference. It may be a rectangular parallelepiped recess defined by circumferentially closed side walls (two side walls along the longitudinal direction and two side walls along the width direction) made of the material of the electric part 21. According to this, all four side surfaces and the bottom surface of the interconnector 30 embedded in the recess 21b are in contact with the fuel electrode current collector 21 in the recess 21b. Therefore, the area of the interface between the fuel electrode current collector 21 and the interconnector 30 can be further increased. Therefore, the electronic conductivity between the fuel electrode current collector 21 and the interconnector 30 can be further increased, and as a result, the power generation output of the fuel cell can be further increased.
（スタック構造体の全体構成の一例）
以下、図１等に示したＳＯＦＣの構造体（以下、「セル１００」と呼ぶ。）を用いたＳＯＦＣのスタック構造体について説明する。図１９に示すように、このスタック構造体は、多数のセル１００と、多数のセル１００のそれぞれに燃料ガスを供給するための燃料ガスのマニホールド２００と、を備えている。マニホールド２００の全体は、ステンレス鋼等の材料で構成されている。
(Example of overall structure of stack structure)
The SOFC stack structure using the SOFC structure (hereinafter referred to as “cell 100”) shown in FIG. 1 and the like will be described below. As shown in FIG. 19, the stack structure includes a large number of cells 100 and a fuel gas manifold 200 for supplying a fuel gas to each of the large number of cells 100. The entire manifold 200 is made of a material such as stainless steel.
マニホールド２００の天板（換言すれば、ガスタンクの天板（平板））は、多数のセル１００を支持するための支持板２１０を兼ねている。また、マニホールド２００には、外部からマニホールド２００の内部空間に燃料ガスを導入するための導入通路２２０が設けられている。各セル１００が支持板２１０の表面から第１長手方向（ｘ軸方向）に沿ってそれぞれ突出し且つ複数のセル１００がスタック状に整列するように、各セル１００の第１長手方向の一端部が支持板２１０に接合・支持されている（接合構造の詳細は後述する）。各セル１００の第１長手方向の他端部は、自由端となっている。従って、このスタック構造は、「片持ちスタック構造」と表現することができる。 The top plate of the manifold 200 (in other words, the top plate (flat plate) of the gas tank) also serves as a support plate 210 for supporting a large number of cells 100. The manifold 200 is provided with an introduction passage 220 for introducing fuel gas from the outside into the internal space of the manifold 200. One end portion of each cell 100 in the first longitudinal direction is protruded from the surface of the support plate 210 along the first longitudinal direction (x-axis direction) and the plurality of cells 100 are arranged in a stack. It is joined and supported by the support plate 210 (details of the joining structure will be described later). The other end portion of each cell 100 in the first longitudinal direction is a free end. Therefore, this stack structure can be expressed as a “cantilever stack structure”.
図２０に示すように、支持板２１０（マニホールド２００の天板）の表面には、マニホールド２００の内部空間と連通する多数の挿入孔２１１が形成されている。各挿入孔２１１には、対応するセル１００の一端部がそれぞれ挿入される。図２１に示すように、各挿入孔２１１の形状は、長さＬ４、幅Ｌ５の長円形状（Ｌ４＞Ｌ５）を呈し、線対称に関する対称軸の方向（第３長手方向、ｙ軸方向）を有する。 As shown in FIG. 20, a large number of insertion holes 211 communicating with the internal space of the manifold 200 are formed on the surface of the support plate 210 (the top plate of the manifold 200). One end of the corresponding cell 100 is inserted into each insertion hole 211. As shown in FIG. 21, the shape of each insertion hole 211 is an oval shape (L4> L5) having a length L4 and a width L5, and the direction of the symmetry axis with respect to line symmetry (third longitudinal direction, y-axis direction). Have
挿入孔２１１の長さＬ４は、セル１００の一端部の側面の長さＬ２（図１を参照）より０．２〜３ｍｍ大きい。同様に、挿入孔２１１の幅Ｌ５は、セル１００の一端部の側面の幅Ｌ３（図１を参照）より０．２〜３ｍｍ大きい。即ち、図２２、２３に示すように、第２長手方向（セル１００の一端部の側面の長さ方向）が挿入孔２１１の対称軸の方向（挿入孔２１１の長さ方向）に沿うように、セル１００の一端部が挿入孔２１１に挿入された状態では、挿入孔２１１の内壁とセル１００の一端部の外壁との間に隙間が形成される。換言すれば、セル１００の一端部が挿入孔２１１に遊嵌される。なお、図２２、図２３（特に、図２３）では、前記隙間が誇張して描かれている。 The length L4 of the insertion hole 211 is 0.2 to 3 mm longer than the length L2 (see FIG. 1) of the side surface of one end of the cell 100. Similarly, the width L5 of the insertion hole 211 is 0.2 to 3 mm larger than the width L3 (see FIG. 1) of the side surface of one end of the cell 100. That is, as shown in FIGS. 22 and 23, the second longitudinal direction (the length direction of the side surface of one end of the cell 100) is along the direction of the axis of symmetry of the insertion hole 211 (the length direction of the insertion hole 211). In a state where one end of the cell 100 is inserted into the insertion hole 211, a gap is formed between the inner wall of the insertion hole 211 and the outer wall of the one end of the cell 100. In other words, one end of the cell 100 is loosely fitted in the insertion hole 211. In FIG. 22 and FIG. 23 (particularly FIG. 23), the gap is exaggerated.
図２２、図２３に示すように、挿入孔２１１とセル１００の一端部との接合部のそれぞれにおいて、固化された接合材３００が前記隙間に充填されるように設けられている。これにより、各挿入孔２１１と対応するセル１００の一端部とがそれぞれ接合・固定されている。なお、接合材３００によって接合・固定されるセル１００の一端部は、支持基板１０が絶縁性の緻密膜（具体的には、固定電解質膜４０）で覆われた部分であり、この部分には発電素子部Ａが存在しない。図２２に示すように、各セル１００のガス流路１８の一端部は、マニホールド２００の内部空間と連通している。 As shown in FIGS. 22 and 23, the solidified bonding material 300 is provided in each of the bonding portions between the insertion hole 211 and one end of the cell 100 so as to fill the gap. Thereby, each insertion hole 211 and the one end part of the corresponding cell 100 are joined and fixed, respectively. Note that one end of the cell 100 bonded and fixed by the bonding material 300 is a portion in which the support substrate 10 is covered with an insulating dense film (specifically, the fixed electrolyte film 40). The power generation element part A does not exist. As shown in FIG. 22, one end of the gas flow path 18 of each cell 100 communicates with the internal space of the manifold 200.
また、図２２に示すように、隣接するセル１００、１００の間には、隣接するセル１００、１００の間（より詳細には、一方のセル１００の燃料極１２と他方のセル１００の空気極１４）を電気的に直列に接続するための集電部材４００が介在している。集電部材４００は、例えば、金属メッシュ等で構成される。この金属メッシュは、例えば、ステンレス鋼で構成され得る。このステンレス鋼の表面に、セラミックス膜がコーティングされていてもよい。加えて、各セル１００について表側と裏側とを電気的に直列に接続するための集電部材５００も設けられている。 Also, as shown in FIG. 22, between adjacent cells 100, 100, between adjacent cells 100, 100 (more specifically, the fuel electrode 12 of one cell 100 and the air electrode of the other cell 100). 14) A current collecting member 400 for electrically connecting them in series is interposed. The current collecting member 400 is made of, for example, a metal mesh. The metal mesh can be made of stainless steel, for example. A ceramic film may be coated on the surface of the stainless steel. In addition, a current collecting member 500 for electrically connecting the front side and the back side of each cell 100 in series is also provided.
接合材３００は、結晶化ガラスで構成されることが好ましいが、非晶質ガラス、金属ろう材等でも構成され得る。結晶化ガラスとしては、例えば、ＳｉＯ２−ＭｇＯ系のものが好ましい。 The bonding material 300 is preferably composed of crystallized glass, but may be composed of amorphous glass, metal brazing material, or the like. As the crystallized glass, for example, SiO 2 —MgO-based glass is preferable.
以上、説明した燃料電池の片持ちスタック構造を稼働させる際には、図２４に示すように、高温（例えば、６００〜８００℃）の燃料ガス（水素等）及び「酸素を含むガス（空気等）」を流通させる。導入通路２２０から導入された燃料ガスは、マニホールド２００の内部空間へと移動し、その後、各挿入孔２１１を介して対応するセル１００のガス流路１８にそれぞれ導入される。各ガス流路１８を通過した燃料ガスは、その後、各ガス流路１８の他端（自由端）から外部に排出される。空気は、スタック構造の内部における隣接するセル１００間の隙間に沿って、セル１００の幅方向（ｙ軸方向）に流される。 When the cantilever stack structure of the fuel cell described above is operated, as shown in FIG. 24, as shown in FIG. 24, a high-temperature (for example, 600 to 800 ° C.) fuel gas (hydrogen or the like) and “a gas containing oxygen (air or the like) ) ". The fuel gas introduced from the introduction passage 220 moves to the internal space of the manifold 200 and is then introduced into the gas flow path 18 of the corresponding cell 100 via each insertion hole 211. The fuel gas that has passed through each gas flow path 18 is then discharged to the outside from the other end (free end) of each gas flow path 18. Air flows in the width direction (y-axis direction) of the cells 100 along the gaps between the adjacent cells 100 in the stack structure.
上述した片持ちスタック構造は、例えば、以下の手順で組み立てられる。先ず、必要な枚数の完成したセル１００、並びに、完成したマニホールド２００が準備される。次いで、所定の治具等を用いて、複数のセル１００がスタック状に整列・固定される。次に、複数のセル１００がスタック状に整列・固定された状態が維持されながら、複数のセル１００のそれぞれの一端部が、支持板２１０の対応する挿入孔２１１に一度に挿入される。次いで、接合材３００用のペーストが、挿入孔２１１とセル１００の一端部との接合部のそれぞれの隙間に充填される。その際、図５に示すように、ペーストが支持板２１０の表面から上方に向けてはみ出す程度まで前記接合部に供給されてもよい。 The above-mentioned cantilever stack structure is assembled by the following procedure, for example. First, a required number of completed cells 100 and a completed manifold 200 are prepared. Next, the plurality of cells 100 are aligned and fixed in a stack using a predetermined jig or the like. Next, one end of each of the plurality of cells 100 is inserted into the corresponding insertion hole 211 of the support plate 210 at a time while maintaining the state in which the plurality of cells 100 are aligned and fixed in a stack. Next, the paste for the bonding material 300 is filled in each gap of the bonding portion between the insertion hole 211 and one end of the cell 100. At that time, as shown in FIG. 5, the paste may be supplied to the joint to the extent that it protrudes upward from the surface of the support plate 210.
次に、そのペーストに熱処理を加えてペーストを固化することによって、接合材３００が固化される。これにより、各セルの一端部が対応する挿入孔２１１にそれぞれ接合・固定される。換言すれば、各セル１００の一端部が接合材３００を用いて支持板２１０にそれぞれ接合・支持される。その後、前記所定の治具が複数のセル１００から取り外されて、上述した片持ちスタック構造体が完成する。 Next, the bonding material 300 is solidified by applying heat treatment to the paste to solidify the paste. As a result, one end of each cell is joined and fixed to the corresponding insertion hole 211. In other words, one end of each cell 100 is joined and supported by the support plate 210 using the joining material 300. Thereafter, the predetermined jig is removed from the plurality of cells 100 to complete the above-described cantilever stack structure.
以下、接合材３００として結晶化ガラスが使用される場合について特に付言する。この場合、前記接合材用のペーストとして非晶質ガラスが使用される。前記隙間に充填された非晶質ガラスに熱処理が加えられる。この熱処理によって非晶質ガラスの温度がその結晶化温度まで到達すると、結晶化温度下にて、非晶質ガラスの内部で結晶相が生成されて、結晶化が進行していく。この結果、非晶質ガラスがセラミックス化されて、結晶化ガラスとなる。ここで、結晶化ガラスとは、全体積に対する「結晶相が占める体積」の割合（結晶化度）が６０％以上であり、全体積に対する「非晶質相及び不純物が占める体積」の割合が４０％未満のガラス（セラミックス）を指す。 Hereinafter, a case where crystallized glass is used as the bonding material 300 will be particularly noted. In this case, amorphous glass is used as the paste for the bonding material. Heat treatment is applied to the amorphous glass filled in the gap. When the temperature of the amorphous glass reaches the crystallization temperature by this heat treatment, a crystal phase is generated inside the amorphous glass at the crystallization temperature, and crystallization proceeds. As a result, the amorphous glass is converted into ceramic and becomes crystallized glass. Here, with crystallized glass, the ratio (crystallinity) of “volume occupied by the crystalline phase” to the total volume is 60% or more, and the ratio of “volume occupied by the amorphous phase and impurities” to the total volume is It refers to less than 40% glass (ceramics).
１０…支持基板、１１…燃料ガス流路、１２…凹部、２０…燃料極、２１…燃料極集電部、２１ａ、２１ｂ…凹部、２２…燃料極活性部、３０…インターコネクタ、４０…固体電解質膜、５０…反応防止膜、６０…空気極、７０…空気極集電膜、Ａ…発電素子部、１００…セル、２００…マニホールド、２１０…支持板、２１１…挿入孔、３００…接合材、４００…集電部材 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Support substrate, 11 ... Fuel gas flow path, 12 ... Recessed part, 20 ... Fuel electrode, 21 ... Fuel electrode current collecting part, 21a, 21b ... Recessed part, 22 ... Fuel electrode active part, 30 ... Interconnector, 40 ... Solid Electrolyte membrane, 50 ... Reaction prevention membrane, 60 ... Air electrode, 70 ... Air electrode current collector membrane, A ... Power generation element part, 100 ... Cell, 200 ... Manifold, 210 ... Support plate, 211 ... Insertion hole, 300 ... Bonding material 400 ... current collecting member
Claims (6)
前記平板状の支持基板の主面における互いに離れた複数の箇所にそれぞれ設けられ、少なくとも燃料極、固体電解質、及び空気極が積層されてなる複数の発電素子部と、
１組又は複数組の隣り合う前記発電素子部の間にそれぞれ設けられ、隣り合う前記発電素子部の一方の燃料極と他方の空気極とを電気的に接続する１つ又は複数の電気的接続部と、
を備えた燃料電池の構造体において、
前記平板状の支持基板の主面における前記複数の箇所に、底壁と周方向に閉じた側壁とを有する第１凹部がそれぞれ形成され、
前記各第１凹部に、対応する前記発電素子部の燃料極がそれぞれ埋設され、
前記燃料極は、Ｎｉ又はＮｉ酸化物と、希土類元素酸化物又は化学式ＡＥＺｒＯ３（ただし、ＡＥは、Ｃａ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｂａから選択される１種類又は２種類以上の元素）で表わされる酸化物と、を含んで構成された、燃料電池の構造体。 A flat porous support substrate having a gas flow path formed therein;
A plurality of power generating element portions each provided at a plurality of locations separated from each other on the main surface of the flat support substrate, and a stack of at least a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode;
One or a plurality of electrical connections that are respectively provided between one or a plurality of adjacent power generation element portions and electrically connect one fuel electrode and the other air electrode of the adjacent power generation element portions. And
In a fuel cell structure comprising:
First recesses having a bottom wall and a side wall closed in the circumferential direction are formed at the plurality of locations on the main surface of the flat support substrate, respectively.
In each of the first recesses, the corresponding fuel electrode of the power generation element unit is embedded,
The fuel electrode is made of Ni or Ni oxide and rare earth element oxide or chemical formula AEZrO 3 (where AE is one or more elements selected from Ca, Sr, Mg, Ba). A structure of a fuel cell including the structure.
前記各第１凹部には、対応する前記発電素子部の燃料極の集電部がそれぞれ埋設され、
前記各燃料極集電部が、Ｎｉ又はＮｉ酸化物と、希土類元素酸化物又は化学式ＡＥＺｒＯ３（ただし、ＡＥは、Ｃａ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｂａから選択される１種類又は２種類以上の元素）で表わされる酸化物と、を含んで構成され、
前記埋設された各燃料極集電部の外側面に形成された第２凹部に、対応する前記発電素子部の燃料極の活性部であって対応する前記燃料極集電部に対して酸素イオン伝導性を有する物質の含有割合が大きい燃料極の活性部がそれぞれ埋設された、燃料電池の構造体。 The fuel cell structure according to claim 1,
In each of the first recesses, a corresponding current collecting part of the fuel electrode of the power generating element part is embedded,
Each fuel electrode current collector is made of Ni or Ni oxide, rare earth element oxide or chemical formula AEZrO 3 (where AE is one or more elements selected from Ca, Sr, Mg, Ba) And an oxide represented by
The second concave portion formed on the outer surface of each buried fuel electrode current collector is an active part of the fuel electrode of the corresponding power generation element unit, and oxygen ions with respect to the corresponding fuel electrode current collector A fuel cell structure in which active portions of a fuel electrode having a large content of a conductive material are embedded.
前記各燃料極活性部が、Ｎｉ又はＮｉ酸化物と、イットリア安定化ジルコニアと、を含んで構成された、燃料電池の構造体。 The fuel cell structure according to claim 2,
A structure of a fuel cell, wherein each of the fuel electrode active portions includes Ni or Ni oxide and yttria-stabilized zirconia.
前記平板状の支持基板の主面における互いに離れた複数の箇所にそれぞれ設けられ、少なくとも燃料極、固体電解質、及び空気極が積層されてなる複数の前記発電素子部と、
１組又は複数組の隣り合う前記発電素子部の間にそれぞれ設けられ、隣り合う前記発電素子部の一方の燃料極と他方の空気極とを電気的に接続する１つ又は複数の電気的接続部と、
を備えた燃料電池の構造体において、
前記各電気的接続部は、緻密な材料で構成された第１部分と、前記第１部分と接続され且つ多孔質の材料で構成された第２部分とで構成され、
前記平板状の支持基板の主面における前記複数の箇所に、前記支持基板の材料からなる底壁と全周に亘って前記支持基板の材料からなる周方向に閉じた側壁とを有する第１凹部がそれぞれ形成され、
前記各第１凹部に、対応する前記発電素子部の燃料極がそれぞれ埋設され、
前記埋設された各燃料極の外側面に、前記燃料極の材料からなる底壁と全周に亘って前記燃料極の材料からなる周方向に閉じた側壁とを有する第２凹部がそれぞれ形成され、
前記各第２凹部に、対応する前記電気的接続部の前記第１部分がそれぞれ埋設され、
前記燃料極は、Ｎｉ又はＮｉ酸化物と、希土類元素酸化物又は化学式ＡＥＺｒＯ３（ただし、ＡＥは、Ｃａ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｂａから選択される１種類又は２種類以上の元素）で表わされる酸化物と、を含んで構成された、燃料電池の構造体。 A flat porous support substrate having a gas flow path formed therein;
A plurality of power generating element portions each provided at a plurality of locations separated from each other on the main surface of the flat support substrate, wherein at least a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are laminated;
One or a plurality of electrical connections that are respectively provided between one or a plurality of adjacent power generation element portions and electrically connect one fuel electrode and the other air electrode of the adjacent power generation element portions. And
In a fuel cell structure comprising:
Each of the electrical connection portions includes a first portion made of a dense material, and a second portion made of a porous material connected to the first portion,
A first recess having a bottom wall made of the material of the support substrate and a side wall made of the material of the support substrate over the entire circumference at the plurality of locations on the main surface of the flat support substrate. Each formed,
In each of the first recesses, the corresponding fuel electrode of the power generation element unit is embedded,
Second recesses each having a bottom wall made of the fuel electrode material and a circumferentially closed side wall made of the fuel electrode material are formed on the outer surface of each buried fuel electrode. ,
In each of the second recesses, the corresponding first portion of the electrical connection portion is embedded,
The fuel electrode is made of Ni or Ni oxide and rare earth element oxide or chemical formula AEZrO 3 (where AE is one or more elements selected from Ca, Sr, Mg, Ba). A structure of a fuel cell including the structure.
前記各第１凹部には、対応する前記発電素子部の燃料極の集電部がそれぞれ埋設され、
前記各燃料極集電部が、Ｎｉ又はＮｉ酸化物と、希土類元素酸化物又は化学式ＡＥＺｒＯ３（ただし、ＡＥは、Ｃａ、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｂａから選択される１種類又は２種類以上の元素）で表わされる酸化物と、を含んで構成され、
前記各第２凹部は、前記燃料極集電部の材料からなる底壁と全周に亘って前記燃料極集電部の材料からなる周方向に閉じた側壁とを有し、
前記埋設された各燃料極集電部の外側面の前記第２凹部が形成された位置と異なる位置に形成された第３凹部に、対応する前記発電素子部の燃料極の活性部であって対応する前記燃料極集電部に対して酸素イオン伝導性を有する物質の含有割合が大きい燃料極の活性部がそれぞれ埋設された、燃料電池の構造体。 The fuel cell structure according to claim 4,
In each of the first recesses, a corresponding current collecting part of the fuel electrode of the power generating element part is embedded,
Each fuel electrode current collector is made of Ni or Ni oxide, rare earth element oxide or chemical formula AEZrO 3 (where AE is one or more elements selected from Ca, Sr, Mg, Ba) And an oxide represented by
Each of the second recesses has a bottom wall made of the material of the fuel electrode current collector and a side wall closed in the circumferential direction made of the material of the fuel electrode current collector over the entire circumference.
A third recess formed in a position different from the position where the second recess is formed on the outer side surface of each buried fuel electrode current collector, the corresponding active portion of the fuel electrode of the power generation element unit; A fuel cell structure in which an active portion of a fuel electrode having a large content ratio of a substance having oxygen ion conductivity with respect to the corresponding fuel electrode current collector is embedded.
前記各燃料極活性部が、Ｎｉ又はＮｉ酸化物と、イットリア安定化ジルコニアと、を含んで構成された、燃料電池の構造体。 The fuel cell structure according to claim 5, wherein
A structure of a fuel cell, wherein each of the fuel electrode active portions includes Ni or Ni oxide and yttria-stabilized zirconia.
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