JP2012038719A - Fuel cell structure - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a "horizontal-stripe" fuel cell structure which hardly causes a crack, etc. in an inclusion interposed in an area between adjacent fuel electrodes even when reduction contraction or oxidation expansion of the fuel electrodes occurs.SOLUTION: A plurality of power generation element parts A electrically connected in series with one another are arranged at predetermined intervals in a longitudinal direction on each of upper and lower surfaces of a flat plate-like support substrate 10 having a longitudinal direction and a fuel gas channel 11 formed in the inside. An "inclusion" (such as part of the support substrate 10) is interposed in an area between adjacent fuel electrodes 20, 20 which belong to the adjacent power generation element parts A, respectively. Gaps are formed between both of the adjacent fuel electrodes 20, 20 and the "inclusion." Because the "gap" functions as a "buffer area," the "inclusion" hardly receives tensile or compression stress from the fuel electrodes even when reduction contraction or oxidation expansion of the fuel electrodes occurs.

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、「燃料ガス流路が内部に形成された多孔質の支持基板」と、「前記支持基板の外側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、及び空気極がこの順に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、「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、前記燃料極に供給される燃料ガスと前記空気極に供給される酸素を含むガスとの混合を防止する緻密材料からなるガスシール部」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 a fuel gas flow path formed therein” and “a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode provided at a plurality of locations apart from each other on the outer surface of the support substrate. Are a plurality of power generation element portions stacked in this order ”and“ one fuel electrode and the other air of the adjacent power generation element portions provided respectively between one or a plurality of adjacent power generation element portions ”. One or a plurality of electrical connection portions that electrically connect the electrodes ”and“ a fuel gas that is provided between one or a plurality of adjacent power generation element portions and is supplied to the fuel electrode ” A structure of a solid oxide fuel cell including a gas seal portion made of a dense material that prevents mixing with oxygen-containing gas supplied to the air electrode is known (for example, Patent Document 1). 2). Such a configuration is also called a “horizontal stripe type”.

以下、隣り合う発電素子部にそれぞれ属する隣り合う燃料極の間の領域に介在する介在物に着目する。特許文献1の図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、隣り合う燃料極2,2の間の領域に、電気的接続部(インターコネクタ5)の一部とガスシール部(固体電解質3)の一部からなる介在物が隙間なく介在している。特許文献1の図4に記載の「横縞型」の固体酸化物形燃料電池の構造体では、隣り合う燃料極13,13の間の領域に、支持基板(基体管11)の一部からなる介在物が隙間なく介在している。特許文献2の図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、隣り合う燃料極(23+13a),(23+13a)の間の領域に、ガスシール部(固体電解質33)の一部からなる介在物が隙間なく介在している。このように、上記文献に記載の構造体では、隣り合う燃料極の間の領域に、前記介在物が隙間なく介在している。   Hereinafter, attention will be paid to the inclusions interposed in the region between the adjacent fuel electrodes respectively belonging to the adjacent power generation element portions. In the structure of the “horizontal stripe type” solid oxide fuel cell described in FIG. 1 of Patent Document 1, a part of the electrical connection portion (interconnector 5) is provided in the region between the adjacent fuel electrodes 2 and 2. And inclusions consisting of a part of the gas seal portion (solid electrolyte 3) are interposed without any gaps. In the structure of the “horizontal stripe type” solid oxide fuel cell described in FIG. 4 of Patent Document 1, a region between the adjacent fuel electrodes 13 and 13 is formed of a part of the support substrate (base tube 11). Inclusions are present without gaps. In the structure of the “horizontal stripe type” solid oxide fuel cell shown in FIG. 2 of Patent Document 2, a gas seal portion (solid electrolyte 33) is provided in a region between adjacent fuel electrodes (23 + 13a) and (23 + 13a). The inclusion which consists of a part of is interposed without a gap. Thus, in the structure described in the above-mentioned document, the inclusions are interposed in the region between adjacent fuel electrodes without a gap.

特開平8−106916号公報JP-A-8-106916 特開2008−226789号公報JP 2008-226789 A

ところで、通常、燃料極の材料として、NiO系サーメットが使用される。燃料電池の作動の際、燃料極に導電性と電極活性とを持たせるため、NiOに対して燃料ガスの還元作用を利用した還元処理が施される。このようにNiOがNiに還元された状態で燃料電池が作動させられる。   Incidentally, NiO-based cermet is usually used as a material for the fuel electrode. During the operation of the fuel cell, NiO is subjected to a reduction process using the reduction action of the fuel gas in order to impart conductivity and electrode activity to the fuel electrode. Thus, the fuel cell is operated with NiO reduced to Ni.

一方、燃料電池の作動中において、その作動が急に停止した場合等、支持基板の内部に形成された燃料ガス流路内に空気が一時的に流入する等の現象が発生し得る。この場合、燃料ガス流路に流入した空気に含まれる酸素の酸化作用により、燃料極のNiがNiOに再酸化する現象が発生し得る。   On the other hand, when the operation of the fuel cell is suddenly stopped, a phenomenon such as a temporary flow of air into the fuel gas channel formed inside the support substrate may occur. In this case, a phenomenon may occur in which Ni in the fuel electrode is reoxidized to NiO due to the oxidizing action of oxygen contained in the air flowing into the fuel gas flow path.

以上のように、燃料極では、燃料ガスの還元作用によりNiOがNiに還元される現象、並びに、酸素の酸化作用によりNiがNiOに再酸化される現象が発生し得る。ここで、NiOがNiに還元される際、所謂還元収縮により燃料極は収縮する(燃料極の体積が減少する)。一方、NiがNiOに再酸化される際、所謂酸化膨張により燃料極は膨張する(燃料極の体積が増大する)。   As described above, in the fuel electrode, a phenomenon in which NiO is reduced to Ni by the reducing action of the fuel gas and a phenomenon in which Ni is reoxidized to NiO by the oxidizing action of oxygen can occur. Here, when NiO is reduced to Ni, the fuel electrode contracts by so-called reduction contraction (the volume of the fuel electrode decreases). On the other hand, when Ni is reoxidized to NiO, the fuel electrode expands by so-called oxidative expansion (the volume of the fuel electrode increases).

上記文献に記載の構造体のように、隣り合う燃料極の間の領域に前記介在物が隙間なく介在している場合(即ち、燃料極と前記介在物とが接触している場合)、上述した燃料極の収縮・膨張の影響により、前記介在物が燃料極から引張・圧縮応力を受け得る。この結果、前記介在物の内部や、「燃料極などの前記介在物を取り巻く物体と前記介在物との界面近傍」に、クラック等が発生する虞がある。この結果、ガスシール部のガスシール機能が低下したり、電気的接続部の導電性が低下するなどの問題が発生し得る。   As in the structure described in the above document, when the inclusion is interposed in the region between adjacent fuel electrodes without a gap (that is, when the fuel electrode and the inclusion are in contact), Due to the influence of the contraction / expansion of the fuel electrode, the inclusion can receive tensile / compressive stress from the fuel electrode. As a result, cracks or the like may occur in the inclusions or in the vicinity of the interface between the inclusions such as the fuel electrode and the inclusions. As a result, the gas sealing function of the gas seal portion may be degraded, or the conductivity of the electrical connection portion may be degraded.

本発明は、「横縞型」の燃料電池の構造体であって、燃料極の還元収縮・酸化膨張が発生しても、隣り合う燃料極の間の領域に介在する介在物にクラック等が発生し難い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, and even if reduction contraction / oxidation expansion of a fuel electrode occurs, a crack or the like is generated in an inclusion interposed in a region between adjacent fuel electrodes. The purpose is to provide something difficult to do.

本発明に係る燃料電池の構造体は、燃料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、前記支持基板の外側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、及び空気極がこの順に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、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、前記燃料極に供給される燃料ガスと前記空気極に供給される酸素を含むガスとの混合を防止する緻密材料からなるガスシール部と、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。支持基板は、平板状であっても円筒状であっても、内部に燃料ガス流路が形成されている限りにおいて如何なる形状であってもよい。   The structure of the fuel cell according to the present invention includes a porous support substrate that does not have electron conductivity, in which a fuel gas flow path is formed, and a plurality of locations apart from each other on the outer surface of the support substrate. Provided, "a plurality of power generation element units in which at least a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are laminated in this order" and one set or a plurality of sets of adjacent power generation element units, respectively, Between one or a plurality of electrical connection portions having electronic conductivity for electrically connecting one fuel electrode and the other air electrode of the power generation element portion and one set or a plurality of sets of the adjacent power generation element portions And a gas seal portion made of a dense material for preventing mixing of a fuel gas supplied to the fuel electrode and a gas containing oxygen supplied to the air electrode. That is, this structure is a “horizontal stripe type” fuel cell structure. The support substrate may be flat or cylindrical, and may have any shape as long as the fuel gas channel is formed inside.

本発明に係る燃料電池の構造体では、隣り合う前記発電素子部にそれぞれ属する隣り合う前記燃料極の間の領域に、前記支持基板の一部、前記電気的接続部の一部、及び前記ガスシール部の一部のうちの何れか1つ又は2つ以上からなる介在物が介在している。   In the fuel cell structure according to the present invention, a part of the support substrate, a part of the electrical connection part, and the gas are provided in a region between the adjacent fuel electrodes respectively belonging to the adjacent power generation element parts. Inclusions consisting of any one or more of a part of the seal portion are interposed.

本発明に係る燃料電池の構造体の特徴は、隣り合う前記燃料極の一方又は両方と前記介在物との間に隙間、又は、前記燃料極及び前記介在物と比べて気孔率が大きい高気孔率部が形成されたことにある。この場合、隣り合う前記燃料極の両方と前記介在物との間に前記隙間又は前記高気孔率部がそれぞれ形成されると、より好ましい。   The fuel cell structure according to the present invention is characterized by a gap between one or both of the adjacent fuel electrodes and the inclusion, or a high porosity having a larger porosity than the fuel electrode and the inclusion. The rate part is formed. In this case, it is more preferable that the gap or the high porosity portion is formed between both of the adjacent fuel electrodes and the inclusion.

これによれば、「隙間」又は「高気孔率部」の形成により、燃料極の還元収縮・酸化膨張が発生しても、前記介在物が燃料極から引張・圧縮応力を受け難い。換言すれば、「隙間」又は「高気孔率部」が「緩衝領域」として機能する。この結果、燃料極の還元収縮・酸化膨張が発生しても、前記介在物の内部等にクラック等が発生し難くなる。この結果、ガスシール部のガスシール機能が低下したり、電気的接続部の導電性が低下するなどの問題が発生し難くなる。   According to this, even if reduction contraction / oxidation expansion of the fuel electrode occurs due to the formation of the “gap” or “high porosity portion”, the inclusions are not easily subjected to tensile / compressive stress from the fuel electrode. In other words, “the gap” or “the high porosity portion” functions as the “buffer region”. As a result, even if reduction contraction / oxidation expansion of the fuel electrode occurs, cracks and the like are less likely to occur inside the inclusions. As a result, problems such as a decrease in the gas seal function of the gas seal portion and a decrease in the conductivity of the electrical connection portion are unlikely to occur.

本発明に係る燃料電池の構造体を示す斜視図である。1 is a perspective view showing a structure of a fuel cell according to the present invention. 図1に示す燃料電池の構造体の2−2線に対応する断面図である。It is sectional drawing corresponding to the 2-2 line of the structure of the fuel cell shown in FIG. 図1に示す燃料電池の構造体の作動状態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the operating state of the structure of the fuel cell shown in FIG. 図1に示す燃料電池の構造体の作動状態における電流の流れを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the flow of the electric current in the operating state of the structure of the fuel cell shown in FIG. 図1に示す支持基板を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the support substrate shown in FIG. 図1に示す燃料電池の構造体の製造過程における第1段階における図2に対応する断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 2 in a first stage in the manufacturing process of the fuel cell structure shown in FIG. 1. 図1に示す燃料電池の構造体の製造過程における第2段階における図2に対応する断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 2 in a second stage in the manufacturing process of the fuel cell structure shown in FIG. 1. 図1に示す燃料電池の構造体の製造過程における第3段階における図2に対応する断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 2 in a third stage in the manufacturing process of the fuel cell structure shown in FIG. 1. 図1に示す燃料電池の構造体の製造過程における第4段階における図2に対応する断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 2 in a fourth stage in the manufacturing process of the fuel cell structure shown in FIG. 1. 図1に示す燃料電池の構造体の製造過程における第5段階における図2に対応する断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 2 in a fifth stage in the manufacturing process of the fuel cell structure shown in FIG. 1. 図1に示す燃料電池の構造体の製造過程における第6段階における図2に対応する断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 2 in a sixth stage in the manufacturing process of the fuel cell structure shown in FIG. 1. 図1に示す燃料電池の構造体の製造過程における第7段階における図2に対応する断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 2 in a seventh stage in the manufacturing process of the fuel cell structure shown in FIG. 1. 本発明に係る燃料電池の構造体の第1変形例の図2に対応する断面図である。It is sectional drawing corresponding to FIG. 2 of the 1st modification of the structure of the fuel cell concerning this invention. 本発明に係る燃料電池の構造体の第2変形例の図2に対応する断面図である。It is sectional drawing corresponding to FIG. 2 of the 2nd modification of the structure of the fuel cell concerning this invention. 本発明に係る燃料電池の構造体の第3変形例の図2に対応する断面図である。It is sectional drawing corresponding to FIG. 2 of the 3rd modification of the structure of the fuel cell concerning this invention. 本発明に係る燃料電池の構造体の第4変形例の図2に対応する断面図である。It is sectional drawing corresponding to FIG. 2 of the 4th modification of the structure of the fuel cell concerning this invention. 図16に示す支持基板の凹部に埋設された燃料極及びインターコネクタの状態を示した平面図である。It is the top view which showed the state of the fuel electrode and interconnector which were embed | buried under the recessed part of the support substrate shown in FIG. 本発明に係る燃料電池の構造体の第5変形例の図2に対応する断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 2 of a fifth modification of the fuel cell structure according to the present invention. 本発明に係る燃料電池の構造体の第6変形例の図14に対応する断面図である。It is sectional drawing corresponding to FIG. 14 of the 6th modification of the structure of the fuel cell concerning this invention. 本発明に係る燃料電池の構造体の第7変形例の図15に対応する断面図である。FIG. 16 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 15 of a seventh modification of the fuel cell structure according to the present invention. 本発明に係る燃料電池の構造体の第8変形例の図16に対応する断面図である。It is sectional drawing corresponding to FIG. 16 of the 8th modification of the structure of the fuel cell concerning this invention.

(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 has a plurality (in this example, electrically connected in series to the upper and lower surfaces (main surfaces (planar surfaces) on both sides parallel to each other) of the flat support substrate 10 having a longitudinal direction. The four power generation element portions A having the same shape are arranged at predetermined intervals 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 side length of 5 to 50 cm in the longitudinal direction and a length of 1 to 10 cm in the width direction perpendicular to the longitudinal direction. 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5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、周方向に閉じた4つの側壁と、底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. 5 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 is a rectangular parallelepiped recess defined by four side walls closed in the circumferential direction and a bottom wall.

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Y(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MgAl(マグネシアアルミナスピネル)とから構成されてもよい。支持基板10の厚さは、1〜5mm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 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. The thickness of the support substrate 10 is 1 to 5 mm. 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、直方体状の燃料極20の全体が、燃料極20の側壁と凹部12の側壁との間に(燃料極20の周囲に亘って)「隙間」が形成されるように、埋設されている。即ち、本例では、隣り合う燃料極20、20の間の領域に「支持基板10の一部からなる介在物」が介在していて、隣り合う燃料極20、20の両方と「介在物」との間に隙間がそれぞれ形成されている。この隙間の幅L(図2を参照)は、0.5〜100μmである。本例では、「支持基板10の一部からなる介在物」は、支持基板10における隣り合う凹部12、12間の突出部に対応する。   As shown in FIG. 2, in each recess 12 formed on the upper surface (upper main surface) of the support substrate 10, the entire rectangular parallelepiped fuel electrode 20 is formed between the side wall of the fuel electrode 20 and the side wall of the recess 12. It is buried so that a “gap” is formed between them (over the periphery of the fuel electrode 20). That is, in this example, “inclusions consisting of a part of the support substrate 10” are interposed in the region between the adjacent fuel electrodes 20 and 20, and both the adjacent fuel electrodes 20 and 20 are “inclusions”. A gap is formed between the two. The width L of the gap (see FIG. 2) is 0.5 to 100 μm. In this example, the “inclusion consisting of a part of the support substrate 10” corresponds to the protrusion between the adjacent recesses 12 and 12 in the support substrate 10.

燃料極20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。燃料極20は、後述する固体電解質膜40に接する燃料極活性部22と、燃料極活性部22以外の残りの部分である燃料極集電部21とから構成される。燃料極活性部22を上方からみた形状は、凹部12が存在する範囲に亘って幅方向に延びる長方形である。   The fuel electrode 20 is a fired body made of a porous material having electron conductivity. The fuel electrode 20 includes a fuel electrode active part 22 that contacts a solid electrolyte membrane 40 described later, and a fuel electrode current collector 21 that is the remaining part other than the fuel electrode active part 22. The shape of the fuel electrode active portion 22 viewed from above is a rectangle extending in the width direction over the range where the recess 12 exists.

燃料極20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 and the main surface of the support substrate 10 constitute one plane (the same plane as the main surface of the support substrate 10 when the recess 12 is not formed). That is, no step is formed between the upper surface of the fuel electrode 20 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、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Y(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CSZ(カルシア安定化ジルコニア)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 fuel electrode current collector 21 can be composed of, for example, NiO (nickel oxide) and YSZ (8YSZ) (yttria stabilized zirconia). Alternatively, it may be composed of NiO (nickel oxide) and Y 2 O 3 (yttria), or may be composed of NiO (nickel oxide) and CSZ (calcia stabilized zirconia). 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.

各燃料極20(より具体的には、各燃料極集電部21)の上面の所定箇所には、インターコネクタ30が形成されている。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。インターコネクタ30を上方からみた形状は、燃料極20が存在する範囲に亘って幅方向に延びる長方形である。インターコネクタ30は、例えば、LaCrO(ランタンクロマイト)から構成され得る。或いは、(Sr,La)TiO(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。 An interconnector 30 is formed at a predetermined location on the upper surface of each fuel electrode 20 (more specifically, each fuel electrode current collector 21). The interconnector 30 is a fired body made of a dense material having electronic conductivity. The shape of the interconnector 30 as viewed from above is a rectangle extending in the width direction over the range where the fuel electrode 20 exists. 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.

複数の燃料極20が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が形成された部分を除いた全面は、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 of the support substrate 10 with the plurality of fuel electrodes 20 embedded therein, excluding the portion where the plurality of interconnectors 30 are formed on the outer peripheral surface extending in the longitudinal direction, is covered with the 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、複数の燃料極20が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。ここで、緻密材料からなる「インターコネクタ30及び固体電解質膜40」が、「ガスシール部」に対応する。   That is, the entire outer peripheral surface extending in the longitudinal direction of the support substrate 10 in a state where the plurality of fuel electrodes 20 are embedded 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. Here, the “interconnector 30 and the solid electrolyte membrane 40” made of a dense material corresponds to the “gas seal portion”.

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 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 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)O(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)O(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)FeO(ランタンストロンチウムフェライト)、LNF=La(Ni,Fe)O(ランタンニッケルフェライト)、LSC=(La,Sr)CoO(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 film.

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)O(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)CoO(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、「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 “electrical connection portions”.

以上、説明した「横縞型」のSOFCの構造体に対して、図3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)・O+2e→O2− (於:空気極60) …(1)
+O2−→HO+2e
(於:燃料極20) …(2)
As shown in FIG. 3, 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 type” 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
(At: Fuel electrode 20) (2)

発電状態においては、図4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3に示すように、このSOFCの構造体全体から(具体的には、図3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. 4, 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. 3, the SOFC structure as a whole (specifically, the interconnector 30 of the power generating element portion A on the foremost side in FIG. 3 and the air electrode of the power generating element portion A on the farthest 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5〜図12を参照しながら簡単に説明する。図5〜図12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. 5 to 12, “g” at the end of the reference numeral of each member indicates that the member is “before firing”.

先ず、図5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5に示す6−6線に対応する部分断面を表す図6〜図12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. 5 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, description will be continued with reference to FIGS. 6 to 12 showing partial cross sections corresponding to line 6-6 shown in FIG.

図6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7に示すように、支持基板の成形体10gの上下面における各凹部に、燃料極の成形体(21g+22g)が埋設・形成される。この成形体(21g+22g)は、成形体の側壁と凹部の側壁との間に(成形体の周囲に亘って)「隙間」が形成されるように、埋設・形成される。各燃料極の成形体(21g+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。   As shown in FIG. 6, when the support substrate molded body 10g is manufactured, next, as shown in FIG. 7, the fuel electrode molded body (21g + 22g) is formed in each recess in the upper and lower surfaces of the support substrate molded body 10g. ) Is buried and formed. This molded body (21g + 22g) is embedded and formed so that a “gap” is formed between the side wall of the molded body and the side wall of the recess (over the periphery of the molded body). The molded body (21g + 22g) of each fuel electrode is embedded using, for example, a printing method using 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 formed.

次に、図8に示すように、各燃料極の成形体21gの外側面の所定箇所に、インターコネクタの成形膜30gが形成される。各インターコネクタの成形膜30gは、例えば、インターコネクタ30の材料(例えば、LaCrO)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. 8, a molded film 30g of the interconnector is formed at a predetermined location on the outer surface of the molded body 21g of each fuel electrode. The molded film 30g of each interconnector is formed by using a printing method or the like using a slurry obtained by adding a binder or the like to the powder of the material of the interconnector 30 (for example, LaCrO 3 ).

次に、図9に示すように、複数の燃料極の成形体(21g+22g)が埋設・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が形成された部分を除いた全面に、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. 9, a plurality of interconnector molded bodies 30g on the outer peripheral surface extending in the longitudinal direction of the molded body 10g of the support substrate in a state where a plurality of molded fuel electrode bodies (21g + 22g) are embedded and formed. A solid electrolyte membrane molding film 40g is formed on the entire surface excluding the portion where is 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10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. 10, a reaction preventing film forming film 50 g is formed on the outer surface of the solid electrolyte film forming body 40 g in contact with the fuel electrode forming body 22 g. 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11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. 11, 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12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. 12, for each pair of adjacent power generation element portions, air is formed so as to straddle the air electrode forming 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、隣り合う燃料極20、20の間の領域に「支持基板10の一部からなる介在物」(=支持基板10における隣り合う凹部12、12間の突出部)が介在していて、隣り合う燃料極20、20の両方と「介在物」との間に「隙間」がそれぞれ形成されている。ここで、「隙間」が形成されているとは、両者が完全に離間している状態を指す。
(Action / Effect)
As described above, in the “horizontal stripe type” SOFC structure according to the above-described embodiment of the present invention, the “inclusion consisting of a part of the support substrate 10” is formed in the region between the adjacent fuel electrodes 20, 20. (= Protrusions between adjacent recesses 12 and 12 in the support substrate 10) are interposed, and “gap” is formed between both of the adjacent fuel electrodes 20 and 20 and “inclusions”. . Here, “a gap” is formed means that the two are completely separated.

これによれば、上記「隙間」の形成により、燃料極20において(特に、支持基板10の主面の延在方向に沿う方向に)還元収縮・酸化膨張が発生しても、「介在物」が燃料極から引っ張り・圧縮応力を受け難い。換言すれば、「隙間」が「緩衝領域」として機能する。この結果、燃料極20の還元収縮・酸化膨張に起因して、「介在物」を取り巻く固体電解質膜40と「介在物」との界面近傍等にクラック等が発生する事態が発生し難くなる。この結果、ガスシール部(=固体電解質膜40+インターコネクタ30)のガスシール機能の低下などの問題が発生し難くなる。   According to this, even if reduction contraction / oxidation expansion occurs in the fuel electrode 20 (particularly in the direction along the extending direction of the main surface of the support substrate 10) due to the formation of the “gap”, the “inclusion” Is less susceptible to tensile and compressive stresses from the fuel electrode. In other words, the “gap” functions as a “buffer area”. As a result, due to the reduction contraction / oxidation expansion of the fuel electrode 20, it is difficult for a situation in which a crack or the like is generated near the interface between the solid electrolyte membrane 40 surrounding the “inclusions” and the “inclusions”. As a result, problems such as deterioration of the gas seal function of the gas seal portion (= solid electrolyte membrane 40 + interconnector 30) are less likely to occur.

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 and the main surface of the support substrate 10. Here, no step is formed between the outer surface of the fuel electrode 20 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5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. 5 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. For example, it may be a square, a circle, an ellipse, or the like.

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13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。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。   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. 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.

また、上記実施形態においては、隣り合う燃料極20、20の両方と「介在物」との間に「隙間」がそれぞれ形成されている(即ち、隣り合う燃料極20、20の何れとも「介在物」が接触していない)が、隣り合う燃料極20、20の一方と「介在物」との間にのみ「隙間」が形成され、隣り合う燃料極20、20の他方と「介在物」との間に「隙間」が形成されていなくてもよい。即ち、隣り合う燃料極20、20の一方と「介在物」とが接触しておらず、隣り合う燃料極20、20の他方と「介在物」とが接触していてもよい。   In the above embodiment, a “gap” is formed between both of the adjacent fuel electrodes 20 and 20 and “inclusions” (that is, both of the adjacent fuel electrodes 20 and 20 are “intervened”. However, a “gap” is formed only between one of the adjacent fuel electrodes 20 and 20 and “inclusions”, and the other of the adjacent fuel electrodes 20 and 20 and “inclusions”. No “gap” may be formed between the two. That is, one of the adjacent fuel electrodes 20 and 20 may not be in contact with the “inclusion”, and the other of the adjacent fuel electrodes 20 and 20 may be in contact with the “inclusion”.

また、上記実施形態においては、隣り合う燃料極20、20の間の領域に介在する「介在物」として、「支持基板10の一部からなる介在物」(=支持基板10における隣り合う凹部12、12間の突出部)が存在しているが、図14に示すように、「介在物」として、「ガスシール部の一部からなる介在物」が存在していてもよい。図14に示す例では、「介在物」として、「ガスシール部の一部」である「固体電解質膜40と同じ材質の緻密膜」が存在しているが、「ガスシール部の一部」である「固体電解質膜40と異なる材質の緻密膜」が存在していてもよい。   Further, in the above-described embodiment, “inclusions” that are part of the support substrate 10 (= adjacent recesses 12 in the support substrate 10) are used as “inclusions” interposed in the region between the adjacent fuel electrodes 20, 20. , 12), as shown in FIG. 14, “inclusions consisting of a part of the gas seal portion” may exist as “inclusions”. In the example shown in FIG. 14, “a dense membrane made of the same material as the solid electrolyte membrane 40” that is “a part of the gas seal portion” exists as “inclusions”, but “a part of the gas seal portion”. There may be a “dense membrane made of a material different from the solid electrolyte membrane 40”.

また、図15に示すように、「介在物」として、「ガスシール部の一部と電気的接続部の一部とからなる介在物」が存在していてもよい。図15に示す例では、「介在物」として、「ガスシール部の一部」である「固体電解質膜40と同じ材質の緻密膜」と「電気的接続部の一部」である「インターコネクタ30と同じ材質の緻密膜」とが存在しているが、「ガスシール部の一部」である「固体電解質膜40と異なる材質の緻密膜」と「電気的接続部の一部」である「インターコネクタ30と異なる材質の緻密膜」とが存在していてもよい。   Further, as shown in FIG. 15, “inclusions including a part of the gas seal part and a part of the electrical connection part” may exist as the “inclusions”. In the example shown in FIG. 15, “inclusions” are “a part of the gas seal part” “a dense film made of the same material as the solid electrolyte membrane 40” and “a part of the electrical connection part”. 30 is a “dense film made of the same material as that of 30”, but “a part of the gas seal part” is “a dense film made of a material different from the solid electrolyte film 40” and “a part of the electrical connection part”. “Dense film made of a material different from the interconnector 30” may exist.

また、上記実施形態では、インターコネクタ30が燃料極20の外側面に形成(積層)されているが、図16及び図17に示すように、インターコネクタ30が燃料極20の外側面に形成された凹部内に埋設されていてもよい。以下、上記実施形態に対する、図16及び図17に示す形態の主たる相違点について簡単に説明する。   In the above embodiment, the interconnector 30 is formed (laminated) on the outer surface of the fuel electrode 20. However, as shown in FIGS. 16 and 17, the interconnector 30 is formed on the outer surface of the fuel electrode 20. It may be embedded in the recess. Hereinafter, main differences between the above-described embodiments and the modes illustrated in FIGS. 16 and 17 will be briefly described.

図16及び図17に示す形態では、支持基板10の主面(上下面)には、複数の凹部12が長手方向において所定の間隔をおいて形成されている。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。支持基板10の上面(主面)に形成された各凹部12には、直方体状の燃料極集電部21の全体が、燃料極集電部21の側壁と凹部12の側壁との間に(燃料極集電部21の周囲に亘って)「隙間」が形成されるように、埋設されている。換言すれば、隣り合う燃料極集電部21、21の間の領域に「支持基板10の一部からなる介在物」が介在していて、隣り合う燃料極集電部21、21の両方と「介在物」との間に隙間がそれぞれ形成されている。本例では、「支持基板10の一部からなる介在物」は、支持基板10における隣り合う凹部12、12間の突出部に対応する。   In the form shown in FIGS. 16 and 17, a plurality of recesses 12 are formed on the main surface (upper and lower surfaces) of the support substrate 10 at predetermined intervals in the longitudinal direction. Each recess 12 has 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 (two side walls along the longitudinal direction and two side walls along the width direction). ) And a rectangular parallelepiped depression defined by In each recess 12 formed on the upper surface (main surface) of the support substrate 10, the entire rectangular parallelepiped fuel electrode current collector 21 is located between the side wall of the fuel electrode current collector 21 and the side wall of the recess 12 ( It is embedded so that a “gap” is formed (around the anode current collector 21). In other words, an “inclusion comprising a part of the support substrate 10” is interposed in the region between the adjacent anode current collectors 21 and 21, and both the adjacent anode current collectors 21 and 21 Gaps are respectively formed between the “inclusions”. In this example, the “inclusion consisting of a part of the support substrate 10” corresponds to the protrusion between the adjacent recesses 12 and 12 in the support substrate 10.

なお、この例では、隣り合う燃料極集電部21,21の両方と「介在物」(=隣り合う凹部12、12間の突出部)との間に「隙間」がそれぞれ形成されている(即ち、隣り合う燃料極20、20の何れとも「介在物」が接触していない)が、隣り合う燃料極集電部21、21の一方と「介在物」との間にのみ「隙間」が形成され、隣り合う燃料極集電部21、21の他方と「介在物」との間に「隙間」が形成されていなくてもよい。即ち、隣り合う燃料極集電部21、21の一方と「介在物」とが接触しておらず、隣り合う燃料極集電部21、21の他方と「介在物」とが接触していてもよい。   In this example, a “gap” is formed between both of the adjacent anode current collectors 21 and 21 and “inclusions” (= protrusions between adjacent recesses 12 and 12) ( That is, the “inclusion” is not in contact with any of the adjacent fuel electrodes 20, 20), but a “gap” is formed only between one of the adjacent fuel electrode current collectors 21, 21 and the “inclusion”. A “gap” may not be formed between the other of the fuel electrode current collectors 21, 21 that are formed and “inclusions”. That is, one of the adjacent anode current collectors 21 and 21 is not in contact with the “inclusion”, and the other of the adjacent anode current collectors 21 and 21 is in contact with the “inclusion”. Also good.

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。   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、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 includes a bottom wall made of a material of the fuel electrode current collector 21 and a circumferentially closed side wall made of the material of the fuel electrode current collector 21 (two side walls along the longitudinal direction). And two side walls along the width direction).

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4つの側壁(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 four side walls (two side walls along the longitudinal direction and two side walls along the width direction) and the bottom surface 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、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Y(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CSZ(カルシア安定化ジルコニア)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 fuel electrode current collector 21 can be composed of, for example, NiO (nickel oxide) and YSZ (8YSZ) (yttria stabilized zirconia). Alternatively, it may be composed of NiO (nickel oxide) and Y 2 O 3 (yttria), or may be composed of NiO (nickel oxide) and CSZ (calcia stabilized zirconia). 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化性イオン(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。   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 oxidative ion (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

インターコネクタ30は、例えば、LaCrO(ランタンクロマイト)から構成され得る。或いは、(Sr,La)TiO(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.

図16に示すように、この例では、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. 16, in this example, the solid electrolyte membrane 40 covers the upper surface of the fuel electrode 20, both side ends 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)O(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)O(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)FeO(ランタンストロンチウムフェライト)、LNF=La(Ni,Fe)O(ランタンニッケルフェライト)、LSC=(La,Sr)CoO(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 film.

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16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. 16). 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16では、左側の)発電素子部Aの空気極60と、他方の(図16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 parts A and A, the air electrode 60 of one power generation element part A (on the left side in FIG. 16) and the interconnector of the other power generation element part A (on the right side in FIG. 16). 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)O(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)CoO(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16では、左側の)発電素子部Aの空気極60と、他方の(図16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, the air electrode 60 of one power generation element part A (on the left side in FIG. 16) of each pair of adjacent power generation element parts A and A, The other fuel electrode 20 (in particular, the fuel electrode current collector 21) of the power generating element part A (on the right side in FIG. 16) is connected via 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、図16及び図17に示す形態では、上記実施形態と同様の理由によって、「隙間」が「緩衝領域」として機能する。この結果、燃料極20の還元収縮・酸化膨張に起因して、「介在物」を取り巻く固体電解質膜40と「介在物」との界面近傍等にクラック等が発生する事態が発生し難くなる。この結果、ガスシール部(=固体電解質膜40+インターコネクタ30)のガスシール機能の低下などの問題が発生し難くなる。   As described above, in the form shown in FIGS. 16 and 17, the “gap” functions as the “buffer area” for the same reason as in the above embodiment. As a result, due to the reduction contraction / oxidation expansion of the fuel electrode 20, it is difficult for a situation in which a crack or the like is generated near the interface between the solid electrolyte membrane 40 surrounding the “inclusions” and the “inclusions”. As a result, problems such as deterioration of the gas seal function of the gas seal portion (= solid electrolyte membrane 40 + interconnector 30) are less likely to occur.

また、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。   Further, each of the plurality of recesses 12 for embedding the fuel electrode 20 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、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4つの側壁(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。   Further, 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, the four sidewalls of the rectangular parallelepiped interconnector 30 (two sidewalls along the longitudinal direction, width) Two side walls along the direction) and the bottom face 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。なお、上記実施形態では、「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。   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. 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.

また、図2、図14、図15、図16に示した上記各実施形態では、燃料極集電部21と「介在物」との間に「隙間」がそれぞれ形成されている。これに対し、図2、図14、図15、図16にそれぞれ対応する図18、図19、図20、図21に示す形態のように、燃料極集電部21と「介在物」との間に、「隙間」に代えて、「高気孔率部B」が形成されてもよい。高気孔率部Bは、多孔質で構成されていて、燃料極集電部21及び「介在物」と比べて気孔率が大きい部分である。具体的には、「介在物」が多孔質の場合(図18及び図21に示す支持基板10の突出部の場合)、「介在物」の気孔率が20〜60%であり、燃料極集電部21(内側電極)の気孔率が25〜50%であり、高気孔率部Bの気孔率が25〜80%である。   Further, in each of the above-described embodiments shown in FIGS. 2, 14, 15, and 16, a “gap” is formed between the fuel electrode current collector 21 and the “inclusions”. In contrast, as shown in FIGS. 18, 19, 20, and 21 corresponding to FIGS. 2, 14, 15, and 16, respectively, the anode current collector 21 and the “inclusions” In the meantime, instead of “gap”, “high porosity portion B” may be formed. The high porosity portion B is a portion that is porous and has a larger porosity than the anode current collector 21 and the “inclusions”. Specifically, when the “inclusion” is porous (in the case of the protruding portion of the support substrate 10 shown in FIGS. 18 and 21), the porosity of the “inclusion” is 20 to 60%, and the fuel electrode assembly The porosity of the electric part 21 (inner electrode) is 25 to 50%, and the porosity of the high porosity part B is 25 to 80%.

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   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 preventing membrane, 60 ... air electrode, 70 ... air electrode current collector membrane, A ... power generation element section

Claims (6)

燃料ガス流路が内部に形成された多孔質の支持基板と、
前記支持基板の外側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、及び空気極がこの順に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、
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、前記燃料極に供給される燃料ガスと前記空気極に供給される酸素を含むガスとの混合を防止する緻密材料からなるガスシール部と、
を備えた燃料電池の構造体において、
隣り合う前記発電素子部にそれぞれ属する隣り合う前記燃料極の間の領域に、前記支持基板の一部、前記電気的接続部の一部、及び前記ガスシール部の一部のうちの何れか1つ又は2つ以上からなる介在物が介在していて、隣り合う前記燃料極の一方又は両方と前記介在物との間に、隙間、又は、前記燃料極及び前記介在物と比べて気孔率が大きい高気孔率部が形成された、燃料電池の構造体。
A porous support substrate having a fuel gas passage formed therein;
A plurality of power generating element portions each provided at a plurality of locations apart from each other on the outer surface of the support substrate, wherein at least a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are stacked in this order;
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
A dense material that is provided between one or a plurality of adjacent power generation element portions and prevents mixing of the fuel gas supplied to the fuel electrode and the gas containing oxygen supplied to the air electrode. A gas seal,
In a fuel cell structure comprising:
Any one of a part of the support substrate, a part of the electrical connection part, and a part of the gas seal part in a region between the adjacent fuel electrodes respectively belonging to the adjacent power generation element parts. Or one or both of the adjacent fuel electrodes and the inclusion has a gap or a porosity as compared with the fuel electrode and the inclusion. A fuel cell structure in which a large high porosity portion is formed.
請求項1に記載の燃料電池の構造体において、
隣り合う前記燃料極の両方と前記介在物との間に前記隙間又は前記高気孔率部がそれぞれ形成された、燃料電池の構造体。
The fuel cell structure according to claim 1,
The fuel cell structure in which the gap or the high porosity portion is formed between both of the adjacent fuel electrodes and the inclusion.
請求項1又は請求項2に記載の燃料電池の構造体において、
前記燃料極は、前記固体電解質に接する燃料極活性部と、前記燃料極活性部以外の残りの部分である前記燃料極活性部に対して酸化性イオン伝導性を有する物質の含有割合が小さい燃料極集電部とから構成された、燃料電池の構造体。
In the structure of the fuel cell according to claim 1 or 2,
The fuel electrode is a fuel having a small content ratio of a substance having oxidizing ion conductivity with respect to the fuel electrode active part that is in contact with the solid electrolyte and the fuel electrode active part that is the remaining part other than the fuel electrode active part. A fuel cell structure comprising an electrode current collector.
ガス流路が内部に形成された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、少なくとも内側電極、固体電解質、及び外側電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内側電極がそれぞれ埋設され、
前記埋設された各内側電極の外側面に形成された第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、
対応する前記電気的接続部の第1部分が埋設された前記各第2凹部は、前記内側電極の材料からなる底壁と、全周に亘って前記内側電極の材料からなる周方向に閉じた側壁とを有し、
前記支持基板における隣り合う前記第1凹部の間の突出部と、前記隣り合う第1凹部にそれぞれ埋設された隣り合う前記内側電極の一方又は両方と、の間に、隙間、又は、前記内側電極及び前記突出部と比べて気孔率が大きい高気孔率部が形成された、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 positions separated from each other on the main surface of the flat support substrate, and a laminate of at least an inner electrode, a solid electrolyte, and an outer electrode;
One or a plurality of electrical connections that are respectively provided between one set or a plurality of sets of adjacent power generation element portions and electrically connect one inner electrode and the other outer 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, a corresponding inner electrode of the power generation element portion is embedded,
The first portion of the corresponding electrical connection portion is embedded in the second recess formed on the outer surface of each embedded inner electrode,
Each of the second recesses in which the corresponding first portion of the electrical connection portion is embedded is closed in the circumferential direction made of the material of the inner electrode and the bottom wall made of the material of the inner electrode. Having side walls,
A gap or the inner electrode between the protruding portion between the adjacent first recesses on the support substrate and one or both of the adjacent inner electrodes embedded in the adjacent first recesses, respectively. And the structure of the fuel cell in which the high porosity part whose porosity is large compared with the said protrusion part was formed.
請求項1乃至請求項4の何れか一項に記載の燃料電池の構造体において、
前記隙間が形成される場合、前記隙間の幅は0.5〜100μmである、燃料電池の構造体。
In the structure of the fuel cell according to any one of claims 1 to 4,
When the gap is formed, the fuel cell structure has a width of 0.5 to 100 μm.
請求項1乃至請求項4の何れか一項に記載の燃料電池の構造体において、
前記高気孔率部が形成される場合、前記介在物又は前記突出部の気孔率が20〜60%であり、前記燃料極又は前記内側電極の気孔率が25〜50%であり、前記高気孔率部の気孔率が25〜80%である、燃料電池の構造体。
In the structure of the fuel cell according to any one of claims 1 to 4,
When the high porosity portion is formed, the inclusion or the protrusion has a porosity of 20 to 60%, the fuel electrode or the inner electrode has a porosity of 25 to 50%, and the high porosity A fuel cell structure having a porosity of 25 to 80%.
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