JP2012226828A - 燃料電池の構造体 - Google Patents
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Abstract
【課題】「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剥離の発生が抑制され得るものを提供すること。
【解決手段】燃料ガス流路が内部に形成された長手方向を有する平板状の支持基板の上下面(主面)のそれぞれに、燃料極が埋設される凹部12(図中、微細なドットで示した領域)が長手方向において所定の間隔をおいて複数形成される。各凹部12について、凹部12の開口を支持基板の主面に垂直な方向からみたときの、凹部の開口の平面形状(上図の微細なドットで示した領域)の面積をS1とし、凹部12の底壁における支持基板の主面と平行な平面部分(上図の斜線で示した領域)の面積をS2としたとき、70≦S2/S1≦99.6という関係が成立する。
【選択図】図15
【解決手段】燃料ガス流路が内部に形成された長手方向を有する平板状の支持基板の上下面(主面)のそれぞれに、燃料極が埋設される凹部12(図中、微細なドットで示した領域)が長手方向において所定の間隔をおいて複数形成される。各凹部12について、凹部12の開口を支持基板の主面に垂直な方向からみたときの、凹部の開口の平面形状(上図の微細なドットで示した領域)の面積をS1とし、凹部12の底壁における支持基板の主面と平行な平面部分(上図の斜線で示した領域)の面積をS2としたとき、70≦S2/S1≦99.6という関係が成立する。
【選択図】図15
Description
本発明は、燃料電池の構造体に関する。
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。
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。
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。
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。
更には、上記の燃料電池の構造体は、一般に、焼成によって形成される。焼成の際、燃料極が埋設される支持基板の凹部の形状によっては、凹部の底壁における燃料極との界面において燃料極の部分的な剥離が発生し易いことが判明した(詳細は後述する)。従って、係る剥離の発生を抑制することも重要である。
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。
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。
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、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(の全体)がそれぞれ埋設された点、並びに、前記第1凹部の形状が請求項1の後半部に記載の特徴「70≦S2/S1≦99.6」を有する点にある。
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、内側電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。
加えて、前記第1凹部の形状が請求項1の後半部に記載の特徴「70≦S2/S1≦99.6」を有することによって、第1凹部の底壁における燃料極との界面において燃料極の部分的な剥離が発生し難くなることが判明した(詳細は後述する)。
上記本発明に係る燃料電池の構造体では、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、前記第1凹部に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ることが好適である。この場合、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凹部が、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することが更に好適である。これによれば、内部電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、内部電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。また、前記内側電極及び前記外側電極はそれぞれ、空気極及び燃料極であってもよいし、燃料極及び空気極であってもよい。
また、前記第1凹部における前記底壁の平面部と前記側壁の平面部とのなす角度は、90°であってもよいが、例えば、90〜135°であってもよい。或いは、前記第1凹部における前記底壁の平面部と前記側壁の平面部とが交差する部分が円弧状になっている場合、前記第1凹部の深さに対する円弧の半径の割合は、例えば、0.01〜1である。また、前記支持基板の主面に垂直な方向からみたときにおいて前記第1凹部の周囲に角部が存在する場合、前記角部は、半径が0.05〜1.0mmの円弧状になっていてもよい。
上記本発明に係る燃料電池の構造体では、前記平板状の支持基板の互いに平行な両側の主面に前記複数の第1凹部がそれぞれ形成され、前記支持基板の両側の主面の前記各第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前記第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、前記支持基板の両側の主面に前記複数の発電素子部がそれぞれ設けられていることが好ましい。これにより、前記支持基板の片側の主面のみに前記複数の発電素子部がそれぞれ設けられている場合に比して、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。
また、上記本発明に係る燃料電池の構造体では、前記内側電極の前記第2凹部以外の外側面と、前記緻密な材料で構成された前記電気的接続部の第1部分の外側面と、前記支持基板の前記主面とにより、1つの平面が構成されることが好適である。これによれば、隣り合う発電素子部間をガスシールするために「電子伝導性を有さない緻密層」が、内側電極の外側面上、前記電気的接続部の第1部分の外側面上の一部、及び支持基板の主面上を覆うように設けられる場合において、その緻密層を平坦化できる。従って、その緻密層に段差が形成される場合に比して、支持基板が外力を受けた場合等における応力集中に起因するその緻密層でのクラックの発生が抑制され得、その緻密層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「電子伝導性を有さない緻密層」は、隣り合う発電素子部間における内側電極の外側面上、前記電気的接続部の第1部分の外側面上の一部、及び支持基板の主面上を覆うように発電素子部内の緻密な固体電解質の層が延設された層であってもよい。
(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。
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。
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。
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、で画定された略直方体状の窪みである。各凹部12の底壁と側壁の平面部とが交差する部分は円弧状になっている。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。なお、各凹部21bは、凹部12の幅方向において凹部12の全幅に亘って延在していてもよい。この場合、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ものの、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。
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つの側面の全てと底面とは、凹部21b内で燃料極集電部21と接触している。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)
(1/2)・O2+2e−→O2− (於:空気極60) …(1)
H2+O2−→H2O+2e−
(於:燃料極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。
(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
(燃料極が埋設された支持基板の凹部の形状)
次に、図1に示した支持基板10の凹部12の形状について図15を参照しながら説明する。この説明の準備のため、面積S1と面積S2(図15を参照)を、以下のように定義する。
次に、図1に示した支持基板10の凹部12の形状について図15を参照しながら説明する。この説明の準備のため、面積S1と面積S2(図15を参照)を、以下のように定義する。
図15の上図は、支持基板10の主面に形成された複数の凹部12のうちの1つの開口を支持基板10の主面に垂直な方向(z軸方向)からみたときの前記開口の平面形状を示す(微細なドットで示した領域を参照)。この例では、凹部12の開口の平面形状は(4角が丸められた)長方形である。
面積S1は、図15の上図において、前記開口の平面形状(微細なドットで示した領域)の面積である。面積S2は、図15の上図において、凹部12の底壁における、支持基板10の主面と平行な平面部分(斜線で示した領域を参照)の面積である。
なお、図15の上図のように、凹部12の開口を支持基板10の主面に垂直な方向(z軸方向)からみたとき、凹部12の底壁の平面部分(斜線で示した領域、面積S2)の全体は、前記開口の平面形状(微細なドットで示した領域、面積S1)の内部に包含される。また、凹部12の底壁の平面部分(斜線で示した領域)の輪郭と、前記開口の平面形状(微細なドットで示した領域)の輪郭との間の最小距離は、0.03〜5mmである。
本発明者は、各凹部12について、「70≦S2/S1≦99.6」という関係が成立する場合に、そうでない場合と比べて、「支持基板10の凹部12の底壁における燃料極20(燃料極集電部21)との界面において燃料極(燃料極集電部21)の部分的な剥離が発生し難いこと」を見出した。この剥離は、支持基板10の凹部12と燃料極20(具体的には燃料極集電部21)とが共焼成によって一体化される際に発生するものである。以下、このことを確認した試験について説明する。
この試験では、上記実施形態に係るSOFCの構造体に対して、上記値S1、S2の組み合わせが異なる複数のサンプルが焼成によって作製された。具体的には、表1に示すように、12種類の水準(組み合わせ)が準備された。
これらのサンプルにおいて、凹部12の開口の平面形状は長方形であり、凹部12の深さd(図15の下図を参照、焼成後の値)は30〜800μmとされた。また、支持基板10の材料としてMgAl2O4(マグネシアアルミナスピネル)とMgO(酸化マグネシウム)の混合物が使用され、燃料極20(燃料極集電部21)の材料としてNiO(酸化ニッケル)とYSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)が使用された。支持基板10の材料の気孔率(焼成後の値)は20〜50%であり、燃料極20(燃料極集電部21)の材料の気孔率(焼成後の値)は25〜45%であった。サンプル作製時の共焼成温度(支持基板10の凹部12と燃料極集電部21とが共焼成によって一体化される際の焼成温度)は、1350〜1500℃であり、共焼成時間は1〜20時間であった。
各サンプルについて、支持基板10の凹部12の底壁における燃料極集電部21との界面における燃料極集電部21の剥離の有無は、図15の下図に示す断面に対応する実際の断面を、目視、或いは顕微鏡等を使用して確認することにより判定された。
表1から理解できるように、「70≦S2/S1≦99.6」という関係が成立している場合に、そうでない場合と比べて前記剥離が発生し難い、ということができる。
この結果は、以下の理由に基づくと考えられる。即ち、一般に、支持基板10の焼成時の収縮率は、燃料極20(燃料極集電部21)の焼成時の収縮率より大きい。従って、上述のように両者が共焼成によって一体化される際、支持基板10の凹部12に充填・埋設された燃料極(燃料極集電部21)は圧縮応力を受ける。このとき、「S2/S1<70」という関係が成立する場合には、何らかの理由によって、燃料極20(燃料極集電部21)に対して曲げ応力(図15の下図において燃料極20に対応する領域(微細なドットで示した領域)を上に凸の形状となる方向に曲げる応力)が作用し易い。この結果、前記剥離が発生し易いと考えられる。これに対し、「70≦S2/S1≦99.6」という関係が成立する場合には、このような曲げ応力が作用し難く、従って、前記剥離が発生し難いと考えられる。
なお、以上の試験では、凹部12の開口の平面形状が長方形であるサンプルが使用されていたが、図16に示すように前記平面形状が円形である場合、或いは、図17に示すように前記平面形状が長穴形である場合等においても、上述と同様、「70≦S2/S1≦99.6」という関係が成立している場合に、そうでない場合と比べて前記剥離が発生し難い、ということが確認されている。
(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。
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。
また、支持基板10の凹部12の形状について、上述した「70≦S2/S1≦99.6」という関係が成立することによって、凹部12の底壁における燃料極20(燃料極集電部21)との界面において燃料極20の部分的な剥離が発生し難くなる。
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つの側面の全てと底面とが、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。
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。
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、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、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。
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18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。
加えて、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。
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
更には、上記の燃料電池の構造体は、一般に、焼成によって形成される。焼成の際、燃料極が埋設される支持基板の凹部の形状によっては、凹部の底壁における燃料極(即ち、内側電極)との界面において燃料極の部分的な剥離が発生し易いことが判明した(詳細は後述する)。従って、係る剥離の発生を抑制することも重要である。
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内側電極の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。
Claims (5)
- 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、
前記各第1凹部の開口を前記支持基板の主面に垂直な方向からみたときの、前記第1凹部の開口の平面形状の面積をS1とし、前記第1凹部の底壁における前記支持基板の主面と平行な平面部分の面積をS2としたとき、70≦S2/S1≦99.6という関係が成立する、燃料電池の構造体。 - 請求項1に記載の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、
前記第1凹部に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た、燃料電池の構造体。 - 請求項2に記載の燃料電池の構造体において、
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する、燃料電池の構造体。 - 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、
前記内側電極の前記第2凹部以外の外側面と、前記電気的接続部の第1部分の外側面と、前記支持基板の前記主面とにより、1つの平面が構成された、燃料電池の構造体。 - 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、
前記平板状の支持基板の互いに平行な両側の主面に前記複数の第1凹部がそれぞれ形成され、
前記支持基板の両側の主面の前記各第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前記第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、
前記支持基板の両側の主面に前記複数の発電素子部がそれぞれ設けられた、燃料電池の構造体。
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