JP2008053107A - セラミックス薄板体を備えるデバイス - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 デバイス(燃料電池)10は、少なくともセラミックスシートを含む焼成された薄板体11(固体電解質層11a、燃料極層11b及び空気極層11cからなる積層体)と、薄板体11を支持する支持部材12とを備える。薄板体11は薄板体11の少なくとも二箇所の部分(例えば、外周部)において支持部材12に固定・支持されている。薄板体11は、薄板体11の一つの平面から突出した凸状部を複数備えるとともに同平面から陥没した凹状部を複数備える。凸状部及び凹状部は、熱(温度変化)による薄板体11と支持部材12との間の伸縮量差を吸収するように変形し、薄板体11の平面方向における応力を低減する。
【選択図】 図4
Description
その条件とは、以下の通りである。
・その凸状部は前記複数の凸状部のうちの一つであること。
・その凹状部は前記複数の凹状部うちの一つであること。
・その凹状部はその凸状部に隣接していること。
・その凸状部の頂部とその凹状部の底部との前記平面(薄板体の平面)に沿う方向の距離(以下、「頂部底部平面方向距離」と称呼する。)が0.05mm以上且つ1.00mm以下であること。
前記支持部材は、平面部と同平面部の周囲において同平面部の上方に向けて立設した上方枠体部と同平面部の下方に向けて立設した下方枠体部とを有する第1支持部材と、前記第1支持部材と同一形状の第2支持部材と、を備え、
前記第1支持部材及び前記第2支持部材は、前記第1支持部材の上方枠体部の上に前記第2支持部材の下方枠体部が対向するように互いに同軸的に配置され、
前記薄板体は、前記第1支持部材の平面部の上面に前記空気極層が配置され且つ前記第2支持部材の平面部の下面に前記燃料極層が配置されるように前記第1支持部材の上方枠体部と前記第2支持部材の下方枠体部との間に挟持され、
前記第1支持部材の平面部の上面と同第1支持部材の上方枠体部の内側壁面と前記薄板体の空気極層とにより酸素を含む気体が供給される空気流路が形成され、
前記第2支持部材の平面部の下面と同第2支持部材の下方枠体部の内側壁面と前記薄板体の燃料極層とにより水素を含む燃料が供給される燃料流路が形成されることが好ましい。
図1は、本発明の一実施形態に係るデバイスである固体酸化物形燃料電池(以下、単に「燃料電池」と称呼する。)10の破断斜視図である。図2は、燃料電池10の部分分解斜視図である。燃料電池10は、薄板体11と支持部材12とが交互に積層されることにより形成されている。即ち、燃料電池10は、スタック構造を備えている。薄板体11は、燃料電池10の「単セル」とも称呼される。支持部材12は、「インターコネクタ」とも称呼される。
(1/2)・O2+2e−→O2− (於:空気極層11c) …(1)
H2+O2−→H2O+2e− (於:燃料極層11b) …(2)
次に、薄板体11の構造について詳細に説明する。前述したように、薄板体11は、平面視において正方形である。図7に示した薄板体11の幅(一辺の長さ)a及び奥行き(他の辺の長さ)bは、5mm以上且つ300mm以下である。薄板体11の厚さtは、全体に渡って均一であり、5μm以上且つ100μm以下(例えば、30μm)である。
以上のように構成された燃料電池10は、上記(1)及び(2)式に従った化学反応を利用して発電を行う。しかしながら、燃料電池(SOFC)10は、固体電解質層11aの酸素伝導度を利用して発電するので、燃料電池10としての作動温度は最低600℃以上であることが一般的である。このため、燃料電池10は作動温度(例えば800℃)まで外部の加熱機構(例えば、抵抗加熱ヒータ方式の加熱機構、或いは、燃料ガスを燃焼して得られる熱を利用する加熱機構等)により昇温される。このとき、薄板体11及び支持部材12は、熱膨張率が異なるため、この温度変化に伴って互いに相違する量だけ伸縮しようとする。例えば、燃料電池10の温度が発電開始後に急激に上昇すると、金属からなる支持部材12の膨張量は主としてセラミックスからなる薄板体11の膨張量よりも大きくなる。
燃料電池10の温度変化に伴う薄板体11と支持部材12との間の伸縮量差を容易に吸収するように変形する。従って、薄板体11の中央部近傍が平面Pに直交する方向へ変形してしまうことを、より効果的に抑制することができる。
(第1製法例)
薄板体11は、グリーンシート法により作成したセラミックスシート(YSZのテープ)を1400℃・1時間にて焼成し、その焼成体の下面にシート(燃料極層11bとなる層)を印刷法により形成してから1400℃・1時間にて焼成し、更に、その焼成体の上面にシート(空気極層11cとなる層)を同じく印刷法により形成してから1200℃・1時間にて焼成することにより形成される。ここでは、緻密なジルコニア固体電解質層11aの厚さを30μm、燃料極層11bの厚さを10μm、空気極層11cの厚さを10μmとした。薄板体11のサイズは30mm×30mm(a×b)とした。これらの寸法については、以下において同じである。
第2製法例においては、先ず、図17の(A)に示したように、セラミックス(この場合、YSZ)のグリーンシート11Aと、押し型30とを準備する。押し型30の上面には、凸状部111及び凹状部112を形成するための起伏が形成されている。次いで、グリーンシート11Aを押し型30の上面に対して押圧する。この結果、図17の(B)に示したように、グリーンシート11Aに凸状部111及び凹状部112となる起伏が形成される。そして、このグリーンシート11Aを所定の焼成条件(例えば、1400℃、1時間)にて焼成し、電解質層11aを得る。
第3製法例においては、図18の(A)に示したように、セラミックス(この場合、YSZ)のグリーンシート11Aと、焼成用セッター40とを準備する。この焼成用セッター40の上面には、研削、研磨及びブラスト処理等のうちの適当な手法により、凸状部111及び凹状部112を形成するための起伏が形成されている。次に、図18の(B)に示したように、グリーンシート11Aを焼成用セッター40の上面に対して押圧しながら、このグリーンシート11Aを所定の焼成条件(例えば、1400℃、1時間)にて焼成する。その後、第2製法例と同様に、燃料極層11b及び空気極層11cを形成する。以上により、凸状部111及び凹状部112を備えた薄板体11が製造される。
第4製法例においては、図19の(A)に示したように、セラミックス(この場合、YSZ)のグリーンシート11Aを準備し、そのグリーンシート11Aの両端の片面側に焼成前セラミックス小片11Bを印刷により成形する。焼成前セラミックス小片11Bは、グリーンシート11Aと同種のセラミックスからなる。
(第1変形例)
図20に示したように、本発明の第1変形例に係る薄板体61は、薄板体61の周辺部のみに凸状部111と凹状部112とを備えている。このように、周辺部のみに凸状部111及び凹状部112が形成されていても、それらは燃料電池10の温度変化に伴う薄板体11と支持部材12との間の伸縮量差を吸収するように変形するから、薄板体11の特に中央部近傍が薄板体11の平面Pに直交する方向へ変形することを抑制することができる。ところで、この薄板体61に対して、図11乃至図13を用いて説明した場合と同じ条件(梁の長さL=40mm、奥行きb=30mm、厚みt=30μm、材質はジルコニア)にて荷重を加え、薄板体61を1mm撓ませる(y=1mm)のに必要な荷重Fを実測したところ、50.2g重であった。このように、薄板体61の周辺部のみに凸状部111と凹状部112を形成させた場合であっても、凸状部111及び凹状部112を備えない上記仮想薄板体と比較して、外力に対して極めて変形しにくい薄板体が提供されることが理解できる。
図21に示したように、本発明の第2変形例に係る薄板体62は、薄板体62の中央部のみに凸状部111と凹状部112とを備えている。このように、中央部のみに凸状部111及び凹状部112が形成されていても、それらは燃料電池10の温度変化に伴う薄板体11と支持部材12との間の伸縮量差を吸収するように変形する。
(第3変形例)
図22に示したように、本発明の第3変形例に係る薄板体63は、山脈状の凸状部111及び溝状の凹状部112が方向性を有して(同一方向に)整列されているものである。このように、凸状部111及び凹状部112が整列されていても、それらは燃料電池10の温度変化に伴う薄板体11と支持部材12との間の伸縮量差を吸収するように変形する。
図23に示したように、本発明の第4変形例に係る薄板体64は、凸状部111及び凹状部112が規則的に交互に整列されたものである。即ち、波形のしわの尾根が正方格子に沿うように形成されていてもよい。このように、凸状部111及び凹状部112が正方格子状に形成されていても、それらは燃料電池10の温度変化に伴う薄板体11と支持部材12との間の伸縮量差を吸収するように変形する。
図24に示したように、本発明の第5変形例に係る薄板体65は、凸状部111及び凹状部112が平面P上において分布上の偏りが略ないように(略均一に)、不規則に設けられたものである。このように、凸状部111及び凹状部112がランダムに形成されていても、それらは燃料電池10の温度変化に伴う薄板体11と支持部材12との間の伸縮量差を吸収するように変形する。
Claims (9)
- 少なくともセラミックスシートを含む焼成された薄板体と、前記薄板体を支持する支持部材と、を備えるデバイスにおいて、
前記薄板体は同薄板体の少なくとも二箇所の部分において前記支持部材に固定され、且つ、同薄板体の一つの平面から突出した凸状部を複数備えるとともに同平面から陥没した凹状部を複数備えたデバイス。 - 請求項1に記載のデバイスにおいて、
前記薄板体の厚さが5μm以上且つ100μm以下の均一の厚さであるデバイス。 - 請求項1又は請求項2に記載のデバイスであって、
前記複数の凸状部のうちの少なくとも一つの凸状部は同凸状部の最高点に位置する頂部が前記平面に沿う方向に連続的に伸びるように形成され、且つ、前記複数の凹状部のうちの少なくとも一つの凹状部は同凹状部の最低点に位置する底部が前記平面に沿う方向に連続的に伸びるように形成されていることを特徴とするデバイス。 - 請求項2又は請求項3に記載のデバイスであって、
前記凸状部の最高点に位置する頂部の前記平面からの距離を前記複数の凸状部について単純平均した頂部距離平均値と、前記凹状部の最低点に位置する底部の前記平面からの距離を前記複数の凹状部について単純平均した底部距離平均値と、の和である頂部底部間距離平均値が20μm以上且つ400μm以下であることを特徴とするデバイス。 - 請求項4に記載のデバイスにおいて、
前記薄板体は、前記複数の凸状部のうちの一つの凸状部と同一つの凸状部に隣接した前記複数の凹状部うちの一つの凹状部とからなるとともに同一つの凸状部の頂部と同一つの凹状部の底部との前記平面に沿う方向の距離が0.05mm以上且つ1.00mm以下である少なくとも一組の凸状部及び凹状部を含むことを特徴とするデバイス。 - 請求項1乃至請求項5の何れか一項に記載のデバイスにおいて、
前記薄板体は、セラミックスシートと同セラミックスシートとは熱膨張率が相違する材料からなるシートとの積層体であることを特徴とするデバイス。 - 請求項6に記載のデバイスにおいて、
前記薄板体は、前記セラミックススシートとしての焼成により形成された固体電解質層と、同固体電解質層の一面に焼成により形成された前記熱膨張率が相違する材料からなるシートとしての燃料極層と、同固体電解質層の他面に焼成により形成された前記熱膨張率が相違する材料からなるシートとしての空気極層と、を備えることを特徴とするデバイス。 - 請求項7に記載のデバイスであって、
前記支持部材は、平面部と同平面部の周囲において同平面部の上方に向けて立設した上方枠体部と同平面部の下方に向けて立設した下方枠体部とを有する第1支持部材と、前記第1支持部材と同一形状の第2支持部材と、を備え、
前記第1支持部材及び前記第2支持部材は、前記第1支持部材の上方枠体部の上に前記第2支持部材の下方枠体部が対向するように互いに同軸的に配置され、
前記薄板体は、前記第1支持部材の上方枠体部と前記第2支持部材の下方枠体部との間に挟持されることにより前記第1支持部材の平面部の上面に前記空気極層が対向するように配置され且つ前記第2支持部材の平面部の下面に前記燃料極層が対向するように配置され、
前記第1支持部材の平面部の上面と同第1支持部材の上方枠体部の内側壁面と前記薄板体の空気極層とにより酸素を含む気体が供給される空気流路が形成され、
前記第2支持部材の平面部の下面と同第2支持部材の下方枠体部の内側壁面と前記薄板体の燃料極層とにより燃料が供給される燃料流路が形成されたデバイス。 - 請求項1乃至請求項8の何れか一項に記載のデバイスにおいて、
前記薄板体は、前記薄板体単体を同薄板体の所定の支持箇所で支持するとともに同薄板体に対し同支持箇所以外の荷重印加箇所に前記平面に直交する方向であって所定の大きさの荷重を加えたときの撓み量が、前記薄板体が前記凸状部及び前記凹状部を備えることなく平坦であると仮定した場合に同仮定した薄板体単体を前記支持箇所で支持するとともに同仮定した薄板体に対し前記荷重印加箇所に前記平面に直交する方向であって前記所定の大きさの荷重を加えたときの撓み量よりも小さいことを特徴とするデバイス。
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