JP2013101924A - Stack structure for fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池のスタック構造体に関する。 The present invention relates to a fuel cell stack structure.
従来より、「内部にガス流路が形成された支持基板を備えた長手方向を有する平板状のセル」と、「前記各セルが支持板の表面から長手方向に沿ってそれぞれ突出し且つ前記複数のセルがスタック状に整列するように、前記各セルの長手方向の一端部を接合材を用いてそれぞれ接合・支持する支持板」と、「マニホールドの内部空間と前記複数のセルの前記ガス流路のそれぞれの一端部とが連通するように、前記支持板が設けられるガスのマニホールド」と、を備えた固体酸化物形燃料電池のスタック構造体が知られている(例えば、特許文献1を参照)。 Conventionally, “a flat cell having a longitudinal direction provided with a support substrate in which a gas flow path is formed” and “the cells protrude from the surface of the support plate along the longitudinal direction, respectively, and the plurality of cells A support plate that joins and supports one end of each cell in the longitudinal direction using a joining material so that the cells are arranged in a stack, and “the internal space of the manifold and the gas flow paths of the plurality of cells” There is known a stack structure of a solid oxide fuel cell including a gas manifold provided with the support plate so that one end of each of the fuel cell and the one end of each of the fuel cell is in communication with each other (see, for example, Patent Document 1) ).
ところで、上述したスタック構造体に関し、本発明者は、以下の特徴を有するものを考えている。前記各セルの一端部の側面の形状は、第2長手方向を有する。前記支持板の表面には、前記マニホールドの内部空間と前記複数のセルの一端部とを連通するための複数の挿入孔が前記複数のセルのそれぞれに対応して形成されている。前記各挿入孔の(開口の)形状は、線対称に関する対称軸の方向を有する。前記各セルの一端部が、対応する前記第2長手方向が対応する前記挿入孔の前記対称軸の方向に沿うように、対応する前記挿入孔にそれぞれ遊嵌されている。前記接合材が、前記各挿入孔と対応する前記セルの一端部との接合部のそれぞれにおいて前記挿入孔の内壁と前記セルの一端部の外壁との間に存在する隙間に少なくとも進入(充填)するように設けられることによって、前記各挿入孔と対応する前記セルの一端部とがそれぞれ接合されている。 By the way, regarding the above-described stack structure, the present inventor considers one having the following characteristics. The shape of the side surface of one end of each cell has a second longitudinal direction. A plurality of insertion holes for communicating the internal space of the manifold and one end portions of the plurality of cells are formed on the surface of the support plate corresponding to the plurality of cells. The shape of each insertion hole (of the opening) has a direction of an axis of symmetry with respect to line symmetry. One end of each cell is loosely fitted in the corresponding insertion hole so that the corresponding second longitudinal direction is along the direction of the symmetry axis of the corresponding insertion hole. The bonding material enters (fills) at least a gap existing between the inner wall of the insertion hole and the outer wall of the one end of the cell at each of the bonding portions between the insertion holes and the corresponding one end of the cell. By being provided as described above, each insertion hole and one end of the corresponding cell are joined to each other.
上記の特徴を有するスタック構造体では、通常、接合材のペーストが前記各接合部の隙間に充填された状態で熱処理を加えて接合材を固化することによって、各セルの一端部が対応する挿入孔にそれぞれ接合される。これにより、スタック構造体が完成する。ここで、係る完成した燃料電池のスタック構造体が熱応力的に過酷な環境下で稼働されると、(固化された)接合材の表面から内部に向けてクラックが発生する場合があった(後述する図9を参照)。本発明者は、係る問題に対処するために種々の実験等を重ねた。その結果、本発明者は、係るクラックの発生は、前記対称軸の方向に対する前記第2長手方向の傾き角と強い相関があることを見出した。 In the stack structure having the above-mentioned features, one end portion of each cell is usually inserted by solidifying the bonding material by applying heat treatment in a state where the bonding material paste is filled in the gaps of the respective bonding portions. Each is joined to a hole. Thereby, the stack structure is completed. Here, when the completed fuel cell stack structure is operated under a severe thermal stress environment, cracks may occur from the surface of the (solidified) bonding material to the inside ( (See FIG. 9 described later). The present inventor has conducted various experiments in order to deal with such problems. As a result, the present inventors have found that the occurrence of such cracks has a strong correlation with the inclination angle of the second longitudinal direction with respect to the direction of the symmetry axis.
本発明は、上記のような特徴を有する燃料電池のスタック構造体であって、固化された接合材にクラックが発生する事態を抑制し得るものを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a fuel cell stack structure having the above-described features, which can suppress the occurrence of cracks in a solidified bonding material.
本発明に係る燃料電池のスタック構造体は、上記の特徴を有する。即ち、前記各セルの一端部が、対応する前記第2長手方向が対応する前記挿入孔の前記対称軸の方向に沿うように、対応する前記挿入孔にそれぞれ遊嵌されている。前記接合材が、前記各挿入孔と対応する前記セルの一端部との接合部のそれぞれにおいて前記挿入孔の内壁と前記セルの一端部の外壁との間に存在する隙間に少なくとも進入(充填)するように設けられている。これにより、前記各挿入孔と対応する前記セルの一端部とがそれぞれ接合されている。 The fuel cell stack structure according to the present invention has the above-described features. That is, one end of each cell is loosely fitted into the corresponding insertion hole so that the corresponding second longitudinal direction is along the direction of the symmetry axis of the corresponding insertion hole. The bonding material enters (fills) at least a gap existing between the inner wall of the insertion hole and the outer wall of the one end of the cell at each of the bonding portions between the insertion holes and the corresponding one end of the cell. It is provided to do. Thereby, each insertion hole and the corresponding one end of the cell are joined.
なお、前記各セルの一端部は、対応する(挿入)孔に挿入(遊嵌)されていなくてもよい。この場合、前記各セルの一端部が、対応する前記第2長手方向が対応する前記孔の前記対称軸の方向に沿うように、対応する前記孔に対応して位置付けられ、前記接合材が、前記各孔と対応する前記セルの一端部との接合部のそれぞれにおいて前記孔と前記セルの一端部との間に存在する空間に充填されるよう設けられる。これにより、前記各孔と対応する前記セルの一端部とがそれぞれ接合される。 Note that one end of each cell may not be inserted (freely fitted) into the corresponding (insertion) hole. In this case, one end of each cell is positioned corresponding to the corresponding hole such that the corresponding second longitudinal direction is along the direction of the symmetry axis of the corresponding hole, and the bonding material is It is provided so that the space which exists between the said hole and the one end part of the said cell may be filled up in each junction part with the said one end part of the said cell corresponding to each said hole. Thereby, the one end of the cell corresponding to each hole is joined.
ここで、前記「第1長手方向」とは、平板状のセルの平面(上面)形状(セルの上面視の2次元形状)を有する図形が線対称の性質を備える場合における前記線対称に関する対称軸の方向を指し、対称軸が複数本存在する場合には、前記図形内に含まれる部分の長さが最も長い対称軸の方向を指す。同様に、前記「第2長手方向」とは、セルの一端部の側面の形状(セルの側面視の2次元形状)を有する図形が線対称の性質を備える場合における前記線対称に関する対称軸の方向を指し、対称軸が複数本存在する場合には、前記図形内に含まれる部分の長さが最も長い対称軸の方向を指す。前記「対称軸の方向」とは、挿入孔の形状(支持板の平面視の2次元形状)を有する図形が線対称の性質を備える場合における前記線対称に関する対称軸の方向を指し、対称軸が複数本存在する場合には、何れかの対称軸の方向を指す。 Here, the “first longitudinal direction” refers to symmetry with respect to line symmetry when a figure having a planar (upper surface) shape of a flat cell (two-dimensional shape in a top view of the cell) has line symmetry properties. When there are a plurality of symmetric axes, the direction of the axis indicates the direction of the symmetric axis with the longest part included in the figure. Similarly, the “second longitudinal direction” refers to the symmetry axis related to the line symmetry in the case where a figure having the shape of the side surface of the one end portion of the cell (two-dimensional shape in the side view of the cell) has the property of line symmetry. When there are a plurality of symmetry axes, the direction of the symmetry axis with the longest part included in the figure is indicated. The “direction of the symmetry axis” refers to the direction of the symmetry axis with respect to the line symmetry when the figure having the shape of the insertion hole (two-dimensional shape in plan view of the support plate) has the property of line symmetry, In the case where a plurality of are present, it indicates the direction of any of the symmetry axes.
対応する前記第2長手方向が対応する前記挿入孔の前記対称軸の方向と一致するように前記各セルの一端部を対応する前記挿入孔に挿入(遊嵌)・接合しようとしても、実際には、前記隙間の存在に起因して、支持板の平面視において挿入孔の向き(対称軸の方向)に対してセルの一端部の向き(第2長手方向)が不可避的に傾き得る。換言すれば、前記第2長手方向が前記対称軸の方向と一致せず、従って、前記対称軸の方向に対する前記第2長手方向の傾き角がゼロより大きくなる。 Even if one end of each cell is inserted (freely fitted) / joined into the corresponding insertion hole so that the corresponding second longitudinal direction coincides with the direction of the symmetry axis of the corresponding insertion hole, Due to the presence of the gap, the direction of the one end of the cell (second longitudinal direction) can inevitably be inclined with respect to the direction of the insertion hole (direction of the symmetry axis) in plan view of the support plate. In other words, the second longitudinal direction does not coincide with the direction of the symmetry axis, and therefore the inclination angle of the second longitudinal direction with respect to the direction of the symmetry axis is greater than zero.
本発明者は、前記複数のセルのそれぞれについての対応する前記孔の前記対称軸の方向に対する対応する前記第2長手方向の傾き角のうちの最大値が5.0°以下である場合に、そうでない場合と比べて、固化された接合材にクラックが発生し難くなることを見出した。この点の詳細については後述する。 When the maximum value of the corresponding inclination angles of the second longitudinal direction with respect to the direction of the symmetry axis of the corresponding hole for each of the plurality of cells is 5.0 ° or less, It has been found that cracks are less likely to occur in the solidified bonding material than in the case where it is not. Details of this point will be described later.
前記接合体は、結晶化ガラスで構成されることが好適である。この場合、前記各接合部に設けられた前記接合体は、前記接合体の表面を含む前記表面の近傍に位置する外側部分と、前記外側部分より前記接合体の内部に位置し且つ前記外側部分より気孔率が大きい内側部分と、から構成され得る。ここにおいて、前記外側部分の気孔率は1〜5%であり、前記内側部分の気孔率は5〜25%であると好ましい。 The joined body is preferably made of crystallized glass. In this case, the joined body provided in each joined portion includes an outer portion located in the vicinity of the surface including the surface of the joined body, and the outer portion located inside the joined body from the outer portion. And an inner portion having a higher porosity. Here, the porosity of the outer portion is preferably 1 to 5%, and the porosity of the inner portion is preferably 5 to 25%.
(スタック構造体に使用されるセルの構成の一例)
先ず、本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池(SOFC)のスタック構造体に使用されるセル100について説明する。図1に示すように、セル100では、平板状の多孔質の導電性支持体11の一方の主面に、多孔質の燃料極12、緻密な固体電解質13、多孔質の導電性セラミックスからなる空気極14が順次積層されている。また、空気極14と反対側の導電性支持体11の主面には、中間膜15、ランタン−クロム系酸化物材料からなるインターコネクタ16、P型半導体材料からなる集電膜17が順次形成されている。
(Example of cell configuration used for stack structure)
First, a cell 100 used in a stack structure of a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention will be described. As shown in FIG. 1, in a cell 100, one main surface of a flat porous conductive support 11 is composed of a porous fuel electrode 12, a dense solid electrolyte 13, and porous conductive ceramics. Air electrodes 14 are sequentially stacked. Further, an intermediate film 15, an interconnector 16 made of a lanthanum-chromium oxide material, and a current collecting film 17 made of a P-type semiconductor material are sequentially formed on the main surface of the conductive support 11 opposite to the air electrode 14. Has been.
セル100は、第1長手方向(x軸方向)を有する平板状を呈し、セル100の長さL1(第1長手方向の長さ)は50〜500mmであり、幅L2は10〜100mmであり、厚さL3は1〜5mmである(L1>L2)。セル100の第1長手方向(x軸方向)の一端部の側面の形状(長さL2、幅L3の長円形状、L2>L3)は、第2長手方向(y軸方向)を有する。 The cell 100 has a flat plate shape having a first longitudinal direction (x-axis direction), the length L1 (length in the first longitudinal direction) of the cell 100 is 50 to 500 mm, and the width L2 is 10 to 100 mm. The thickness L3 is 1 to 5 mm (L1> L2). The shape of the side surface (length L2, oval shape of width L3, L2> L3) of one end portion of the cell 100 in the first longitudinal direction (x-axis direction) has the second longitudinal direction (y-axis direction).
また、導電性支持体11の内部には、互いに平行な複数のガス流路(貫通孔)18が長手方向(x軸方向)に沿って幅方向(y方向)に間隔をおいて形成されている。各ガス流路18の断面形状は直径Dが0.5〜3mmの円形である。隣り合うガス流路18、18の幅方向における間隔(ピッチ)Pは1〜5mmである。なお、各ガス流路18の断面形状は、楕円形、長穴、四隅に円弧を有する四角形等であってもよい。 In addition, a plurality of gas flow paths (through holes) 18 parallel to each other are formed in the conductive support 11 at intervals in the width direction (y direction) along the longitudinal direction (x axis direction). Yes. The cross-sectional shape of each gas flow path 18 is a circle having a diameter D of 0.5 to 3 mm. The space | interval (pitch) P in the width direction of the adjacent gas flow paths 18 and 18 is 1-5 mm. In addition, the cross-sectional shape of each gas flow path 18 may be an ellipse, a long hole, a quadrangle having arcs at four corners, or the like.
セル100は、幅方向(長手方向と直角の方向)の両側にそれぞれ設けられた側端部B,Bと、側端部B,Bを連結する一対の平坦部A,Aと、から構成されている。一対の平坦部A,Aは平坦であり、ほぼ平行である。平坦部A,Aのうちの一方では、導電性支持体11の一方の主面上に燃料極12、固体電解質13、空気極14が順に形成され、平坦部A,Aのうちの他方では、導電性支持体11の他方の主面上に中間膜15、インターコネクタ16、集電膜17が順に形成されている。 The cell 100 includes side end portions B and B provided on both sides in the width direction (direction perpendicular to the longitudinal direction) and a pair of flat portions A and A connecting the side end portions B and B, respectively. ing. The pair of flat portions A and A are flat and substantially parallel. On one of the flat portions A and A, the fuel electrode 12, the solid electrolyte 13, and the air electrode 14 are formed in this order on one main surface of the conductive support 11, and on the other of the flat portions A and A, On the other main surface of the conductive support 11, an intermediate film 15, an interconnector 16, and a current collecting film 17 are formed in this order.
導電性支持体11の幅は、10〜100mmであり、厚さは、1〜5mmであることが望ましい。導電性支持体11のアスペクト比(幅/厚さ)は、5〜100である。なお、導電性支持体11の形状は、「薄板状」と表現されているが、幅方向の寸法及び厚さ方向の寸法の組み合わせに応じて、「楕円柱状」、或いは、「扁平状」とも表現され得る。 The width of the conductive support 11 is preferably 10 to 100 mm, and the thickness is preferably 1 to 5 mm. The aspect ratio (width / thickness) of the conductive support 11 is 5 to 100. The shape of the conductive support 11 is expressed as “thin plate shape”, but depending on the combination of the dimension in the width direction and the dimension in the thickness direction, it may be referred to as “elliptical column shape” or “flat shape”. Can be expressed.
この導電性支持体11は、Y、Lu、Yb、Tm、Er、Ho、Dy、Gd、Sm及びPrから選ばれた1種以上からなる希土類元素酸化物とNi及び/又はNiOとを主成分とする材質から構成されることが望ましい。なお、Niに加えて、FeやCu等が含まれていてもよい。 The conductive support 11 is composed mainly of a rare earth element oxide composed of one or more selected from Y, Lu, Yb, Tm, Er, Ho, Dy, Gd, Sm and Pr and Ni and / or NiO. It is desirable to be composed of the material In addition to Ni, Fe, Cu, or the like may be included.
また、導電性支持体11は、「NiO(酸化ニッケル)又はNi(ニッケル)」と、「絶縁性セラミックス」とを含んで構成される、と記載することもできる。絶縁性セラミックスとしては、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)、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」等が使用され得る。導電性支持体11の導電率は、800℃にて、10〜2000S/cmである。導電性支持体11の気孔率は、20〜60%である。 The conductive support 11 can also be described as including “NiO (nickel oxide) or Ni (nickel)” and “insulating ceramics”. Insulating ceramics include CSZ (calcia stabilized zirconia), YSZ (8YSZ) (yttria stabilized zirconia), Y 2 O 3 (yttria), MgO (magnesium oxide), or “MgAl 2 O 4 (magnesia alumina spinel). ) And MgO (magnesium oxide) "or the like. The conductivity of the conductive support 11 is 10 to 2000 S / cm at 800 ° C. The porosity of the conductive support 11 is 20 to 60%.
導電性支持体11とインターコネクタ16の間に形成される中間膜15は、Ni及び/又はNiOと希土類元素を含有するZrO2を主成分とする材質、または希土類酸化物(例えばY2O3)から構成され得る。中間膜15中のNi化合物のNi換算量は、全量中35〜80体積%であることが望ましく、更には、50〜70体積%であることがより望ましい。Ni換算量が35体積%以上であることで、Niによる導電パスが増加して、中間膜15の伝導度が向上する。この結果、中間膜15に起因する電圧降下が小さくなる。また、Ni換算量が80体積%以下であることで、導電性支持体11とインターコネクタ16の間の熱膨張係数差を小さくすることができ、両者の界面における亀裂の発生が抑制され得る。 The intermediate film 15 formed between the conductive support 11 and the interconnector 16 is made of a material mainly containing ZrO 2 containing Ni and / or NiO and a rare earth element, or a rare earth oxide (for example, Y 2 O 3 ). The Ni conversion amount of the Ni compound in the intermediate film 15 is preferably 35 to 80% by volume, and more preferably 50 to 70% by volume in the total amount. When the Ni conversion amount is 35% by volume or more, the conductive path by Ni is increased, and the conductivity of the intermediate film 15 is improved. As a result, the voltage drop caused by the intermediate film 15 is reduced. Moreover, when the Ni conversion amount is 80% by volume or less, the difference in thermal expansion coefficient between the conductive support 11 and the interconnector 16 can be reduced, and the occurrence of cracks at the interface between the two can be suppressed.
また、電圧降下の減少という観点から、中間膜15の厚さは20μm以下であることが望ましく、更には、10μm以下であることが望ましい。 Further, from the viewpoint of reducing the voltage drop, the thickness of the intermediate film 15 is preferably 20 μm or less, and more preferably 10 μm or less.
中希土類元素や重希土類元素の酸化物の熱膨張係数は、固体電解質13における「Y2O3を含有するZrO2」の熱膨張係数より小さい。従って、Niとのサーメット材としての導電性支持体11の熱膨張係数を固体電解質13の熱膨張係数に近づけることができる。この結果、固体電解質13のクラックや、固体電解質13の燃料極12からの剥離が抑制され得る。更には、熱膨張係数が小さい重希土類元素酸化物を用いることで、導電性支持体11中のNiを多くでき、導電性支持体11の電気伝導度を上げることができる。この観点からも、重希土類元素酸化物を用いることが望ましい。 The thermal expansion coefficient of the middle rare earth element or heavy rare earth element oxide is smaller than that of “ZrO 2 containing Y 2 O 3 ” in the solid electrolyte 13. Therefore, the thermal expansion coefficient of the conductive support 11 as a cermet material with Ni can be made closer to the thermal expansion coefficient of the solid electrolyte 13. As a result, cracks in the solid electrolyte 13 and separation of the solid electrolyte 13 from the fuel electrode 12 can be suppressed. Furthermore, by using a heavy rare earth element oxide having a small thermal expansion coefficient, Ni in the conductive support 11 can be increased, and the electrical conductivity of the conductive support 11 can be increased. From this viewpoint, it is desirable to use heavy rare earth element oxides.
なお、希土類元素酸化物の熱膨張係数の総和が固体電解質13の熱膨張係数未満であれば、軽希土類元素のLa、Ce、Pr、Ndの酸化物は、中希土類元素、重希土類元素に加えて含有されていても問題はない。 If the sum of the thermal expansion coefficients of the rare earth element oxide is less than the thermal expansion coefficient of the solid electrolyte 13, the light rare earth elements La, Ce, Pr, and Nd oxides are added to the medium rare earth element and heavy rare earth element. Even if it is contained, there is no problem.
また、精製途中の安価な複数の希土類元素を含む複合希土類元素酸化物を用いることにより、原料コストを大幅に下げることができる。この場合も、複合希土類元素酸化物の熱膨張係数が固体電解質13の熱膨張係数未満であることが望ましい。 Moreover, the raw material cost can be significantly reduced by using a complex rare earth element oxide containing a plurality of inexpensive rare earth elements in the course of purification. Also in this case, it is desirable that the thermal expansion coefficient of the complex rare earth element oxide is less than the thermal expansion coefficient of the solid electrolyte 13.
また、インターコネクタ16表面にP型半導体、例えば、遷移金属ペロブスカイト型酸化物からなる集電膜17を設けることが望ましい。インターコネクタ16表面に直接金属の集電部材を配して集電すると、非オーム接触に起因して、電位降下が大きくなる。オーム接触を確保して電位降下を少なくするためには、インターコネクタ16にP型半導体からなる集電膜17を接続する必要がある。P型半導体としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物を用いることが望ましい。遷移金属ペロブスカイト型酸化物としては、ランタン−マンガン系酸化物、ランタン−鉄系酸化物、ランタン−コバルト系酸化物、又は、それらの複合酸化物の少なくとも一種を用いることが望ましい。 Further, it is desirable to provide a current collector film 17 made of a P-type semiconductor, for example, a transition metal perovskite oxide, on the surface of the interconnector 16. When a current collecting member made of metal is disposed directly on the surface of the interconnector 16, the potential drop increases due to non-ohmic contact. In order to secure ohmic contact and reduce the potential drop, it is necessary to connect the current collector film 17 made of a P-type semiconductor to the interconnector 16. As the P-type semiconductor, it is desirable to use a transition metal perovskite oxide. As the transition metal perovskite oxide, it is desirable to use at least one of a lanthanum-manganese oxide, a lanthanum-iron oxide, a lanthanum-cobalt oxide, or a composite oxide thereof.
導電性支持体11の主面に設けられた燃料極12は、Niと希土類元素が固溶したZrO2とから構成される。この燃料極12の厚さは1〜30μmであることが望ましい。燃料極12の厚さが1μm以上であることで、燃料極12としての3層界面が十分に形成される。また、燃料極12の厚さが30μm以下であることで、固体電解質13との熱膨張差による界面剥離が防止され得る。 The fuel electrode 12 provided on the main surface of the conductive support 11 is composed of Ni and ZrO 2 in which a rare earth element is dissolved. The thickness of the fuel electrode 12 is desirably 1 to 30 μm. When the thickness of the fuel electrode 12 is 1 μm or more, a three-layer interface as the fuel electrode 12 is sufficiently formed. Further, when the thickness of the fuel electrode 12 is 30 μm or less, interfacial peeling due to a difference in thermal expansion from the solid electrolyte 13 can be prevented.
この燃料極12の主面に設けられた固体電解質13は、イットリア(Y2O3)を含有したイットリア安定化ジルコニアYSZ(緻密体なセラミックス)から構成される。固体電解質13の厚さは、0.5〜100μmであることが望ましい。固体電解質13の厚さが0.5μm以上であることで、ガス透過が防止され得る。また、固体電解質13の厚さが100μm以下であることで、抵抗成分の増加が抑制され得る。 The solid electrolyte 13 provided on the main surface of the fuel electrode 12 is made of yttria-stabilized zirconia YSZ (dense ceramic) containing yttria (Y 2 O 3 ). The thickness of the solid electrolyte 13 is desirably 0.5 to 100 μm. Gas permeation can be prevented when the thickness of the solid electrolyte 13 is 0.5 μm or more. Moreover, the increase in a resistance component can be suppressed because the thickness of the solid electrolyte 13 is 100 micrometers or less.
また、空気極14は、遷移金属ペロブスカイト型酸化物のランタン−マンガン系酸化物、ランタン−鉄系酸化物、ランタン−コバルト系酸化物、又は、それらの複合酸化物の少なくとも一種の多孔質の導電性セラミックスから構成されている。空気極14は、800℃程度の中温域での電気伝導性が高いという観点から、(La,Sr)(Fe,Co)O3系が望ましい。空気極14の厚さは、集電性という観点から、10〜100μmであることが望ましい。 The air electrode 14 is a lanthanum-manganese oxide, lanthanum-iron oxide, lanthanum-cobalt oxide of a transition metal perovskite oxide, or at least one porous conductive material of a composite oxide thereof. Made of ceramics. The air electrode 14 is preferably a (La, Sr) (Fe, Co) O 3 system from the viewpoint of high electrical conductivity in the middle temperature range of about 800 ° C. The thickness of the air electrode 14 is preferably 10 to 100 μm from the viewpoint of current collection.
インターコネクタ16は、導電性支持体11の内外間の燃料ガス、酸素含有ガスの漏出を防止するため緻密体とされている。また、インターコネクタ16の内外面は、燃料ガス、酸素含有ガスとそれぞれ接触するため、耐還元性、耐酸化性を有している。 The interconnector 16 is a dense body in order to prevent leakage of fuel gas and oxygen-containing gas between the inside and outside of the conductive support 11. Moreover, since the inner and outer surfaces of the interconnector 16 are in contact with the fuel gas and the oxygen-containing gas, respectively, they have reduction resistance and oxidation resistance.
このインターコネクタ16の厚さは、30〜200μmであることが望ましい。インターコネクタ16の厚さが30μm以上であることで、ガス透過が完全に防止され得、200μm以下であることで、抵抗成分の増加が抑制され得る。 The thickness of the interconnector 16 is desirably 30 to 200 μm. When the thickness of the interconnector 16 is 30 μm or more, gas permeation can be completely prevented, and when it is 200 μm or less, an increase in resistance component can be suppressed.
このインターコネクタ16の端部と固体電解質13の端部との間には、シール性を向上すべく、例えば、NiとZrO2、或いはY2O3からなる接合層を介在させても良い。 For example, a bonding layer made of Ni and ZrO 2 or Y 2 O 3 may be interposed between the end portion of the interconnector 16 and the end portion of the solid electrolyte 13 in order to improve the sealing performance.
セル100では、緻密な固体電解質13は、導電性支持体11の一方の主面上のみならず、導電性支持体11の側端部を介して他方の主面上のインターコネクタ16の側端面まで形成されている。即ち、固体電解質13は、両側の側端部B,Bを形成するように、導電性支持体11の他方の主面まで延設され、インターコネクタ16と接合している。なお、側端部B,B(導電性支持体11の側端部)は、発電に伴う加熱や冷却に伴い発生する熱応力を緩和するため、幅方向において外側に突出する曲面形状となっていることが望ましい。 In the cell 100, the dense solid electrolyte 13 is not only on one main surface of the conductive support 11, but also on the side end surface of the interconnector 16 on the other main surface via the side end portion of the conductive support 11. Is formed. That is, the solid electrolyte 13 is extended to the other main surface of the conductive support 11 so as to form the side ends B, B on both sides, and is joined to the interconnector 16. Note that the side ends B and B (side ends of the conductive support 11) have curved shapes that protrude outward in the width direction in order to relieve the thermal stress that occurs due to heating and cooling associated with power generation. It is desirable.
次に、以上説明したようなセル100の製法について説明する。先ず、La、Ce、Pr、Ndの元素を除く希土類元素酸化物粉末とNi及び/又はNiO粉末が混合される。この混合粉末に、有機バインダーと、溶媒とを混合した導電性支持体材料が押し出し成形されて、板状の導電性支持体成形体が作製される。この成形体が乾燥、脱脂される。 Next, a method for manufacturing the cell 100 as described above will be described. First, rare earth element oxide powder excluding La, Ce, Pr, and Nd elements and Ni and / or NiO powder are mixed. A conductive support material in which an organic binder and a solvent are mixed is extruded into this mixed powder to produce a plate-shaped conductive support molded body. This molded body is dried and degreased.
また、希土類元素(Y)が固溶したZrO2粉末と有機バインダーと溶媒を混合した固体電解質材料を用いてシート状の固体電解質成形体が作製される。 In addition, a sheet-like solid electrolyte molded body is produced using a solid electrolyte material in which a ZrO 2 powder in which a rare earth element (Y) is dissolved, an organic binder, and a solvent are mixed.
次に、Ni及び/又はNiO粉末と、希土類元素が固溶したZrO2粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合して作製された、燃料極12となるスラリーが、前記固体電解質成形体の一方側に塗布される。これにより、固体電解質成形体の一方側の面に燃料極成形体が形成される。 Next, a slurry to be the fuel electrode 12 prepared by mixing Ni and / or NiO powder, ZrO 2 powder in which a rare earth element is solid-solved, an organic binder, and a solvent is formed into the solid electrolyte molded body. Applied to one side. Thereby, a fuel electrode molded body is formed on one surface of the solid electrolyte molded body.
次に、導電性支持体成形体に、前記シート状の固体電解質成形体と燃料極成形体の積層体が、燃料極成形体が導電性支持体成形体に当接するように、導電性支持体成形体に巻き付けられる。 Next, the conductive support body is formed such that a laminate of the sheet-like solid electrolyte formed body and the fuel electrode body is in contact with the conductive electrode body. It is wound around the compact.
次に、この積層成形体の側端部B,Bを形成する位置の固体電解質成形体上に、上記のシート状の固体電解質成形体が更に数層積層され、乾燥される。また、固体電解質13となるスラリーが固体電解質成形体上にスクリーン印刷されてもよい。なお、このとき脱脂が行われてもよい。 Next, several layers of the sheet-like solid electrolyte molded body are laminated on the solid electrolyte molded body at the position where the side end portions B and B of the laminated molded body are formed, and dried. Moreover, the slurry used as the solid electrolyte 13 may be screen-printed on the solid electrolyte molded body. In addition, degreasing may be performed at this time.
次に、ランタン−クロム系酸化物粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合したインターコネクタ材料を用いて、シート状のインターコネクタ成形体が作製される。 Next, a sheet-like interconnector molded body is produced using an interconnector material in which a lanthanum-chromium oxide powder, an organic binder, and a solvent are mixed.
また、Ni及び/又はNiO粉末と、希土類元素が固溶したZrO2粉と、有機バインダーと、溶媒を混合したスラリーを用いて、シート状の中間膜成形体が作製される。 Moreover, a sheet-like intermediate film molded body is produced using a slurry in which Ni and / or NiO powder, a ZrO 2 powder in which a rare earth element is dissolved, an organic binder, and a solvent are mixed.
次に、インターコネクタ成形体と中間膜成形体とが積層される。この積層体の中間膜成形体側が、露出した導電性支持体成形体側に当接するように、この積層体が導電性支持体成形体に積層される。 Next, the interconnector molded body and the intermediate film molded body are laminated. The laminate is laminated on the conductive support molded body so that the intermediate film molded body side of the laminate is in contact with the exposed conductive support molded body side.
これにより、導電性支持体成形体の一方主面に、燃料極成形体、固体電解質成形体が順次積層されるとともに、他方主面に中間膜成形体、インターコネクタ成形体が積層された積層成形体が作製される。なお、各成形体は、ドクターブレードによるシート成形、印刷、スラリーディップ、並びにスプレーによる吹き付けなどにより作製され得る。また、各成形体は、これらの組み合わせにより作製され得る。 Thereby, the fuel electrode molded body and the solid electrolyte molded body are sequentially laminated on one main surface of the conductive support molded body, and the intermediate film molded body and the interconnector molded body are laminated on the other main surface. A body is made. Each molded body can be produced by sheet molding by a doctor blade, printing, slurry dip, spraying by spraying, and the like. Moreover, each molded object can be produced by these combinations.
次に、積層成形体が脱脂処理され、酸素含有雰囲気中で1300〜1600℃で同時焼成される。 Next, the laminated molded body is degreased and cofired at 1300 to 1600 ° C. in an oxygen-containing atmosphere.
次に、P型半導体である遷移金属ペロブスカイト型酸化物粉末と、溶媒を混合して、ペーストが作製される。前記積層体がこのペースト中に浸漬される。そして、固体電解質13、インターコネクタ16の表面に、空気極成形体、集電膜成形体が、それぞれディッピング、或いは直接のスプレー塗布により形成される。これらの成形体が1000〜1300℃で焼き付けられることにより、セル100が作製される。 Next, a transition metal perovskite oxide powder, which is a P-type semiconductor, and a solvent are mixed to produce a paste. The laminate is immersed in this paste. An air electrode molded body and a current collector film molded body are formed on the surfaces of the solid electrolyte 13 and the interconnector 16 by dipping or direct spray application, respectively. These molded bodies are baked at 1000 to 1300 ° C., whereby the cell 100 is manufactured.
なお、この時点では、酸素含有雰囲気での焼成により、導電性支持体11、燃料極12、中間膜15中のNi成分が、NiOとなっている。従って、これらの導電性を獲得するため、その後、導電性支持体11側から還元性の燃料ガスが流され、NiOが800〜1000℃で1〜10時間に亘って還元処理される。なお、この還元処理は発電時に行われてもよい。 At this time, the Ni component in the conductive support 11, the fuel electrode 12, and the intermediate film 15 is NiO by firing in an oxygen-containing atmosphere. Therefore, in order to acquire these electroconductivity, after that, reducing fuel gas is flowed from the electroconductive support body 11 side, and NiO is reduced at 800-1000 degreeC over 1 to 10 hours. This reduction process may be performed during power generation.
(スタック構造体の全体構成の一例)
次に、上述したセル100を用いた本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池(SOFC)のスタック構造体について説明する。図2に示すように、このスタック構造体は、多数のセル100と、多数のセル100のそれぞれに燃料ガスを供給するための燃料ガスのマニホールド200と、を備えている。マニホールド200の全体は、ステンレス鋼等の材料で構成されている。
(Example of overall structure of stack structure)
Next, a stack structure of a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention using the above-described cell 100 will be described. As shown in FIG. 2, the stack structure includes a large number of cells 100 and a fuel gas manifold 200 for supplying a fuel gas to each of the large number of cells 100. The entire manifold 200 is made of a material such as stainless steel.
マニホールド200の天板(換言すれば、ガスタンクの天板(平板))は、多数のセル100を支持するための支持板210を兼ねている。また、マニホールド200には、外部からマニホールド200の内部空間に燃料ガスを導入するための導入通路220が設けられている。各セル100が支持板210の表面から第1長手方向(x軸方向)に沿ってそれぞれ突出し且つ複数のセル100がスタック状に整列するように、各セル100の第1長手方向の一端部が支持板210に接合・支持されている(接合構造の詳細は後述する)。各セル100の第1長手方向の他端部は、自由端となっている。従って、このスタック構造は、「片持ちスタック構造」と表現することができる。 The top plate of the manifold 200 (in other words, the top plate (flat plate) of the gas tank) also serves as a support plate 210 for supporting a large number of cells 100. The manifold 200 is provided with an introduction passage 220 for introducing fuel gas from the outside into the internal space of the manifold 200. One end portion of each cell 100 in the first longitudinal direction is protruded from the surface of the support plate 210 along the first longitudinal direction (x-axis direction) and the plurality of cells 100 are arranged in a stack. It is joined and supported by the support plate 210 (details of the joining structure will be described later). The other end portion of each cell 100 in the first longitudinal direction is a free end. Therefore, this stack structure can be expressed as a “cantilever stack structure”.
図3に示すように、支持板210(マニホールド200の天板)の表面には、マニホールド200の内部空間と連通する多数の挿入孔211が形成されている。各挿入孔211には、対応するセル100の一端部がそれぞれ挿入される。図4に示すように、各挿入孔211の形状は、長さL4、幅L5の長円形状(L4>L5)を呈し、線対称に関する対称軸の方向(第3長手方向、y軸方向)を有する。 As shown in FIG. 3, a large number of insertion holes 211 communicating with the internal space of the manifold 200 are formed on the surface of the support plate 210 (the top plate of the manifold 200). One end of the corresponding cell 100 is inserted into each insertion hole 211. As shown in FIG. 4, the shape of each insertion hole 211 is an oval shape (L4> L5) having a length L4 and a width L5, and the direction of the axis of symmetry with respect to line symmetry (third longitudinal direction, y-axis direction). Have
挿入孔211の長さL4は、セル100の一端部の側面の長さL2(図1を参照)より0.2〜3mm大きい。同様に、挿入孔211の幅L5は、セル100の一端部の側面の幅L3(図1を参照)より0.2〜3mm大きい。即ち、図5、6に示すように、第2長手方向(セル100の一端部の側面の長さ方向)が挿入孔211の対称軸の方向(挿入孔211の長さ方向)に沿うように、セル100の一端部が挿入孔211に挿入された状態では、挿入孔211の内壁とセル100の一端部の外壁との間に隙間が形成される。換言すれば、セル100の一端部が挿入孔211に遊嵌される。なお、図5、図6(特に、図6)では、前記隙間が誇張して描かれている。 The length L4 of the insertion hole 211 is 0.2 to 3 mm longer than the length L2 (see FIG. 1) of the side surface of one end of the cell 100. Similarly, the width L5 of the insertion hole 211 is 0.2 to 3 mm larger than the width L3 (see FIG. 1) of the side surface of one end of the cell 100. That is, as shown in FIGS. 5 and 6, the second longitudinal direction (the length direction of the side surface of one end of the cell 100) is along the direction of the axis of symmetry of the insertion hole 211 (the length direction of the insertion hole 211). In a state where one end of the cell 100 is inserted into the insertion hole 211, a gap is formed between the inner wall of the insertion hole 211 and the outer wall of the one end of the cell 100. In other words, one end of the cell 100 is loosely fitted in the insertion hole 211. 5 and 6 (particularly, FIG. 6), the gap is exaggerated.
図5、図6に示すように、挿入孔211とセル100の一端部との接合部のそれぞれにおいて、固化された接合材300が前記隙間に充填されるように設けられている。これにより、各挿入孔211と対応するセル100の一端部とがそれぞれ接合・固定されている。図5に示すように、各セル100のガス流路18の一端部は、マニホールド200の内部空間と連通している。 As shown in FIGS. 5 and 6, the solidified bonding material 300 is provided so as to fill the gap in each of the bonding portions between the insertion hole 211 and one end of the cell 100. Thereby, each insertion hole 211 and the one end part of the corresponding cell 100 are joined and fixed, respectively. As shown in FIG. 5, one end of the gas flow path 18 of each cell 100 communicates with the internal space of the manifold 200.
また、図5に示すように、隣接するセル100、100の間には、隣接するセル100、100の間(より詳細には、一方のセル100の燃料極12と他方のセル100の空気極14)を電気的に直列に接続するための集電部材400が介在している。集電部材400は、例えば、金属メッシュ等で構成される。 Also, as shown in FIG. 5, between adjacent cells 100, 100, between adjacent cells 100, 100 (more specifically, the fuel electrode 12 of one cell 100 and the air electrode of the other cell 100). 14) A current collecting member 400 for electrically connecting them in series is interposed. The current collecting member 400 is made of, for example, a metal mesh.
接合材300は、結晶化ガラスで構成されることが好ましいが、非晶質ガラス、金属ろう材等でも構成され得る。結晶化ガラスとしては、例えば、SiO2−MgO系のものが好ましい。 The bonding material 300 is preferably composed of crystallized glass, but may be composed of amorphous glass, metal brazing material, or the like. As the crystallized glass, for example, SiO 2 —MgO-based glass is preferable.
以上、説明した燃料電池の片持ちスタック構造を稼働させる際には、図7に示すように、高温(例えば、600〜800℃)の燃料ガス(水素等)及び「酸素を含むガス(空気等)」を流通させる。導入通路220から導入された燃料ガスは、マニホールド200の内部空間へと移動し、その後、各挿入孔211を介して対応するセル100のガス流路18にそれぞれ導入される。各ガス流路18を通過した燃料ガスは、その後、各ガス流路18の他端(自由端)から外部に排出される。空気は、スタック構造の内部における隣接するセル100間の隙間に沿って、セル100の幅方向(y軸方向)に流される。 When the cantilever stack structure of the fuel cell described above is operated, as shown in FIG. 7, the fuel gas (eg, hydrogen) at a high temperature (for example, 600 to 800 ° C.) and the “gas containing oxygen (eg, air) ) ". The fuel gas introduced from the introduction passage 220 moves to the internal space of the manifold 200 and is then introduced into the gas flow path 18 of the corresponding cell 100 via each insertion hole 211. The fuel gas that has passed through each gas flow path 18 is then discharged to the outside from the other end (free end) of each gas flow path 18. Air flows in the width direction (y-axis direction) of the cells 100 along the gaps between the adjacent cells 100 in the stack structure.
上述した片持ちスタック構造は、例えば、以下の手順で組み立てられる。先ず、必要な枚数の完成したセル100、並びに、完成したマニホールド200が準備される。次いで、所定の治具等を用いて、複数のセル100がスタック状に整列・固定される。次に、複数のセル100がスタック状に整列・固定された状態が維持されながら、複数のセル100のそれぞれの一端部が、支持板210の対応する挿入孔211に一度に挿入される。次いで、接合材300用のペーストが、挿入孔211とセル100の一端部との接合部のそれぞれの隙間に充填される。その際、図5に示すように、ペーストが支持板210の表面から上方に向けてはみ出す程度まで前記接合部に供給されてもよい。 The above-mentioned cantilever stack structure is assembled by the following procedure, for example. First, a required number of completed cells 100 and a completed manifold 200 are prepared. Next, the plurality of cells 100 are aligned and fixed in a stack using a predetermined jig or the like. Next, one end of each of the plurality of cells 100 is inserted into the corresponding insertion hole 211 of the support plate 210 at a time while maintaining the state in which the plurality of cells 100 are aligned and fixed in a stack. Next, the paste for the bonding material 300 is filled in each gap of the bonding portion between the insertion hole 211 and one end of the cell 100. At that time, as shown in FIG. 5, the paste may be supplied to the joint to the extent that it protrudes upward from the surface of the support plate 210.
次に、そのペーストに熱処理を加えてペーストを固化することによって、接合材300が固化される。これにより、各セルの一端部が対応する挿入孔211にそれぞれ接合・固定される。換言すれば、各セル100の一端部が接合材300を用いて支持板210にそれぞれ接合・支持される。その後、前記所定の治具が複数のセル100から取り外されて、上述した片持ちスタック構造体が完成する。 Next, the bonding material 300 is solidified by applying heat treatment to the paste to solidify the paste. As a result, one end of each cell is joined and fixed to the corresponding insertion hole 211. In other words, one end of each cell 100 is joined and supported by the support plate 210 using the joining material 300. Thereafter, the predetermined jig is removed from the plurality of cells 100 to complete the above-described cantilever stack structure.
以下、接合材300として結晶化ガラスが使用される場合について特に付言する。この場合、前記接合材用のペーストとして非晶質ガラスが使用される。前記隙間に充填された非晶質ガラスに熱処理が加えられる。この熱処理によって非晶質ガラスの温度がその結晶化温度まで到達すると、結晶化温度下にて、非晶質ガラスの内部で結晶相が生成されて、結晶化が進行していく。この結果、非晶質ガラスがセラミックス化されて、結晶化ガラスとなる。ここで、本明細書では、結晶化ガラスとは、全体積に対する「結晶相が占める体積」の割合(結晶化度)が60%以上であり、全体積に対する「非晶質相及び不純物が占める体積」の割合が40%未満のガラス(セラミックス)を指す。 Hereinafter, a case where crystallized glass is used as the bonding material 300 will be particularly noted. In this case, amorphous glass is used as the paste for the bonding material. Heat treatment is applied to the amorphous glass filled in the gap. When the temperature of the amorphous glass reaches the crystallization temperature by this heat treatment, a crystal phase is generated inside the amorphous glass at the crystallization temperature, and crystallization proceeds. As a result, the amorphous glass is converted into ceramic and becomes crystallized glass. Here, in the present specification, the crystallized glass has a ratio (crystallinity) of “volume occupied by the crystal phase” to the total volume of 60% or more, and the “amorphous phase and impurities occupy the total volume”. Glass (ceramics) having a volume ratio of less than 40%.
(接合材にクラックが発生する事態の発生の抑制)
上述した図6に示すように、第2長手方向(セル100の一端部の側面の長さ方向)が挿入孔211の対称軸の方向(挿入孔211の長さ方向)と一致するように各セル100の一端部を対応する挿入孔211に挿入(遊嵌)・接合しようとしても、実際には、図8に示すように、前記隙間の存在に起因して、支持板210の平面視において挿入孔211の対称軸の方向(挿入孔211の長さ方向)に対して第2長手方向(セル100の一端部の側面の長さ方向)が不可避的に傾き得る。換言すれば、第2長手方向が挿入孔211の対称軸の方向と一致せず、従って、挿入孔211の対称軸の方向に対する第2長手方向の傾き角がゼロより大きくなる。
(Suppression of the occurrence of cracks in the bonding material)
As shown in FIG. 6 described above, each of the second longitudinal directions (the length direction of the side surface of one end of the cell 100) coincides with the direction of the axis of symmetry of the insertion hole 211 (the length direction of the insertion hole 211). Even if one end portion of the cell 100 is to be inserted (freely fitted) / joined into the corresponding insertion hole 211, in fact, as shown in FIG. The second longitudinal direction (the length direction of the side surface of one end of the cell 100) can inevitably be inclined with respect to the direction of the axis of symmetry of the insertion hole 211 (the length direction of the insertion hole 211). In other words, the second longitudinal direction does not coincide with the direction of the symmetry axis of the insertion hole 211, and therefore the inclination angle of the second longitudinal direction with respect to the direction of the symmetry axis of the insertion hole 211 is greater than zero.
他方、完成した燃料電池のスタック構造体が熱応力的に過酷な環境下で稼働されると、図8、図9に示すように、(固化された)接合材300の表面から内部に向けてクラックが発生する場合があった。このクラックは、図8、図9に示すように、挿入孔211の対称軸の方向に対する第2長手方向の傾きに起因して前記隙間が広い箇所において特に発生し易かった。 On the other hand, when the completed stack structure of the fuel cell is operated under a severe thermal stress environment, as shown in FIGS. 8 and 9, the (solidified) bonding material 300 is directed from the surface toward the inside. In some cases, cracks occurred. As shown in FIGS. 8 and 9, this crack is particularly likely to occur in a portion where the gap is wide due to the inclination of the second longitudinal direction with respect to the direction of the symmetry axis of the insertion hole 211.
挿入孔211の対称軸の方向に対する第2長手方向の傾き角θは、図10に示すように定義される。即ち、挿入孔211の開口の形状(長円形状)を有する図形において、前記開口の長さ方向(y軸方向)に沿った「線対称に関する対称軸」を直線L1とし、セル100の一端部の側面の形状(長円形状)を有する図形において、前記側面の長さ方向(y軸方向)に沿った「線対称に関する対称軸」を直線L2とする。このとき、x軸方向からみた場合における直線L1と直線L2とのなす角度が「傾き角θ」と定義される。なお、セル100の一端部において前記側面の長さ方向(y軸方向)に関して反りが発生している場合、直線L2は、セル100の一端部の側面の形状を有する図形において、前記側面の長さ方向の両端部のそれぞれにおける「厚さ方向(z軸方向)に関して真ん中の点」同士を結んだ直線、と定義され得る。一つのスタック構造体に含まれている複数のセル100のそれぞれについての傾き角θは、ばらつきを有する。 The inclination angle θ in the second longitudinal direction with respect to the direction of the symmetry axis of the insertion hole 211 is defined as shown in FIG. That is, in the figure having the shape of the opening (ellipse shape) of the insertion hole 211, the “symmetric axis related to line symmetry” along the length direction (y-axis direction) of the opening is a straight line L 1, and one end of the cell 100 In the figure having the shape of the side surface (ellipse shape), the “symmetric axis with respect to line symmetry” along the length direction (y-axis direction) of the side surface is defined as a straight line L2. At this time, an angle formed by the straight line L1 and the straight line L2 when viewed from the x-axis direction is defined as an “inclination angle θ”. When warping occurs in the length direction (y-axis direction) of the side surface at one end portion of the cell 100, the straight line L2 is the length of the side surface in the figure having the shape of the side surface of the one end portion of the cell 100. It can be defined as “straight line connecting the middle points in the thickness direction (z-axis direction)” at both ends in the vertical direction. The inclination angle θ for each of the plurality of cells 100 included in one stack structure varies.
本発明者は、上述したクラック発生の問題に対処するために種々の実験等を重ねた。その結果、本発明者は、係るクラックの発生は、一つのスタック構造体に含まれている複数のセル100のそれぞれについての傾き角θのうちの最大値(以下、「最大傾き角θmax」と呼ぶ)と強い相関があることを見出した。以下、このことを確認した試験Aについて説明する。 The present inventor has conducted various experiments in order to cope with the above-described problem of crack generation. As a result, the present inventor has found that the occurrence of such a crack is the maximum value of the inclination angles θ (hereinafter referred to as “maximum inclination angle θmax”) for each of the plurality of cells 100 included in one stack structure. And found a strong correlation. Hereinafter, test A in which this has been confirmed will be described.
(試験A)
試験Aでは、上述した片持ちスタック構造体(図2を参照)について、接合材30の材質、及び、最大傾き角θmaxの組み合わせが異なる複数のサンプルが作製された。具体的には、表1に示すように、10種類の水準(組み合わせ)が準備された。各水準に対して10個のサンプル(N=10)が作製された。
(Test A)
In the test A, a plurality of samples having different combinations of the material of the bonding material 30 and the maximum inclination angle θmax were produced for the above-described cantilever stack structure (see FIG. 2). Specifically, as shown in Table 1, 10 types (combinations) were prepared. Ten samples (N = 10) were made for each level.
スタック構造体の各サンプル(図2を参照)には、10個のセル100が含まれていた。各サンプル(図2を参照)にて使用されたセル100の第1長手方向(x軸方向)の一端部の側面の形状としては、図6と同様、長さL2が20〜100mm、幅L3が2〜4mmの長円形状(L2>L3)が採用された。挿入孔211の開口の形状としては、図6と同様、長さL4が長さL2より0.5〜3mm大きく、幅L5が幅L3より0.5〜3mm大きい長円形状(L4>L5)が採用された。より具体的には、長さL2として20、30、50、100mmの4パターンが採用され、幅L3として3mmの1パターンが採用された。即ち、4種類の形態のセルが用いられた。また、L4がL2より大きい量、並びに、L5がL3より大きい量としては、共に、0.5、1.0、2.0、3.0mmの4パターンが採用された。即ち、4種類の大きさの前記隙間が実現された。また、各サンプルに含まれているセル100のそれぞれについての傾き角θ(従って、最大傾き角θmax)は、前記「所定の治具等」を調整することによって制御された。各傾き角θは、セルの接合部を直接観察することで測定された。各サンプルについて、測定された10個の傾き角θのうちの最大値が最大傾き角θmaxとされた。セルの熱膨張係数は11.0〜12.0ppm/K(常温から1000℃における熱膨張係数)とされた。接合材の選定は、接合材の熱膨張係数とセルの熱膨張係数との差が0.5ppm/K以下となるようになされた。 Each sample of the stack structure (see FIG. 2) contained 10 cells 100. As the shape of the side surface of one end portion in the first longitudinal direction (x-axis direction) of the cell 100 used in each sample (see FIG. 2), the length L2 is 20 to 100 mm and the width L3 is the same as in FIG. An oval shape (L2> L3) of 2 to 4 mm was employed. As the shape of the opening of the insertion hole 211, as in FIG. 6, the length L4 is 0.5-3 mm larger than the length L2, and the width L5 is 0.5-3 mm larger than the width L3 (L4> L5). Was adopted. More specifically, four patterns of 20, 30, 50, and 100 mm were adopted as the length L2, and one pattern of 3 mm was adopted as the width L3. That is, four types of cells were used. In addition, as the amount of L4 larger than L2 and the amount of L5 larger than L3, four patterns of 0.5, 1.0, 2.0, and 3.0 mm were employed. That is, the gaps of four types were realized. Further, the inclination angle θ (and hence the maximum inclination angle θmax) for each of the cells 100 included in each sample was controlled by adjusting the “predetermined jig or the like”. Each inclination angle θ was measured by directly observing the cell junction. For each sample, the maximum value among the measured ten inclination angles θ was set as the maximum inclination angle θmax. The thermal expansion coefficient of the cell was 11.0 to 12.0 ppm / K (thermal expansion coefficient from room temperature to 1000 ° C.). The bonding material was selected so that the difference between the thermal expansion coefficient of the bonding material and the thermal expansion coefficient of the cell was 0.5 ppm / K or less.
支持板210(マニホールド200)の材質としてはステンレス鋼が使用された。各サンプルでは、前記隙間に充填された接合材用のペーストに対して、温度850℃で1〜5時間の熱処理が施された。この結果、接合材300が固化し、各セル100の一端部が接合材300を用いて支持板210にそれぞれ接合された(スタック構造体が完成した)。 Stainless steel was used as the material of the support plate 210 (manifold 200). In each sample, the paste for the bonding material filled in the gap was subjected to heat treatment at a temperature of 850 ° C. for 1 to 5 hours. As a result, the bonding material 300 was solidified, and one end of each cell 100 was bonded to the support plate 210 using the bonding material 300 (a stack structure was completed).
そして、上記還元処理後の各サンプルについて、「燃料極12に還元性の燃料ガスを流通させながら、雰囲気温度を常温から750℃まで2時間で上げた後に750℃から常温まで4時間で下げるパターン」を20回繰り返す熱サイクル試験を行った。そして、各サンプルについて、接合材300におけるクラックの発生の有無が確認された。この確認は、目視、並びに、顕微鏡を使用した観察によってなされた。この結果は表1に示すとおりである。 For each sample after the reduction treatment, “a pattern in which the ambient temperature is raised from room temperature to 750 ° C. in 2 hours and then lowered from 750 ° C. to room temperature in 4 hours while reducing fuel gas is passed through the fuel electrode 12. Was repeated 20 times. And about each sample, the presence or absence of the generation | occurrence | production of the crack in the joining material 300 was confirmed. This confirmation was made by visual observation as well as observation using a microscope. The results are as shown in Table 1.
表1から理解できるように、熱応力的に過酷な上記熱サイクル試験を行った後では、最大傾き角θmaxが5.0°を超えると、図8、9に示すように、(固化された)接合材300の表面から内部に向けてクラックが発生し易い。一方、最大傾き角θmaxが5.0°以下であると、前記クラックが発生し難い、ということができる。これは、以下の理由に基づくと考えられる。即ち、接合材用のペーストに対して熱処理が施される際、接合材300が収縮する。特に、接合材300が結晶化ガラスで構成される場合、接合材(この段階では、非晶質ガラス)の温度が「結晶化温度」より若干低い「ガラス軟化点」に到達した時点以降、接合材が、挿入孔211の内壁との界面、並びに、セル100の一端部の外壁との界面にて拘束され始める。その後、接合材(この段階では、非晶質ガラス)の温度が「結晶化温度」に到達すると、「結晶化温度」下にて非晶質ガラスの結晶化が進行していくことに起因して接合材300が収縮しようとする(結晶化収縮)。従って、結晶化収縮が開始された時点以降、接合材は周囲(被接合体)に拘束されながら収縮しようとする。この結果、接合材には内部応力(引張応力)が作用する。 As can be understood from Table 1, after the thermal cycle test severe in terms of thermal stress, when the maximum inclination angle θmax exceeds 5.0 °, as shown in FIGS. ) Cracks are likely to occur from the surface of the bonding material 300 toward the inside. On the other hand, when the maximum inclination angle θmax is 5.0 ° or less, it can be said that the cracks hardly occur. This is considered based on the following reasons. That is, when the bonding material paste is subjected to heat treatment, the bonding material 300 contracts. In particular, when the bonding material 300 is made of crystallized glass, bonding is performed after the time when the temperature of the bonding material (in this stage, amorphous glass) reaches a “glass softening point” slightly lower than the “crystallization temperature”. The material starts to be restrained at the interface with the inner wall of the insertion hole 211 and the interface with the outer wall at one end of the cell 100. After that, when the temperature of the bonding material (in this stage, the amorphous glass) reaches the “crystallization temperature”, the crystallization of the amorphous glass proceeds under the “crystallization temperature”. Thus, the bonding material 300 tends to shrink (crystallization shrinkage). Therefore, after the time when crystallization shrinkage is started, the bonding material tends to shrink while being constrained by the surroundings (the joined body). As a result, internal stress (tensile stress) acts on the bonding material.
他方、傾き角θが大きいと、前記隙間(挿入孔211の内壁とセル100の一端部の外壁との間隔)が狭い箇所と広い箇所との間で、前記隙間の大きさの差が大きくなる。前記隙間が大きい箇所ほど、結晶化収縮に起因する前記隙間(間隔)の減少量(正確には、減少されようとする量)が大きくなる。このことは、傾き角θが大きいと、前記隙間が狭い箇所と広い箇所との間で、結晶化収縮に起因する前記隙間の減少量の差が大きくなることを意味する。結晶化収縮に起因する前記隙間の減少量の差が大きいことに起因して、前記隙間が広い箇所において上述した内部応力が特に集中し、この結果、前記隙間が広い箇所において接合材300にクラックが発生し易いものと考えられる。 On the other hand, when the inclination angle θ is large, the difference in the size of the gap increases between a narrow portion and a wide portion where the gap (the interval between the inner wall of the insertion hole 211 and the outer wall of one end of the cell 100) is narrow. . The larger the gap is, the larger the amount of reduction of the gap (interval) due to crystallization shrinkage (more precisely, the amount to be reduced). This means that when the inclination angle θ is large, the difference in the amount of reduction of the gap due to crystallization shrinkage increases between the narrow gap and the wide gap. Due to the large difference in the amount of reduction of the gap due to crystallization shrinkage, the internal stress described above is particularly concentrated at a location where the gap is wide, and as a result, cracks occur in the bonding material 300 at the location where the gap is wide. Is likely to occur.
なお、図12に示すように、集電部材400が、自身の(z軸方向の)両側に位置する2つのセル100、100に対してそれらの間隔を広げる方向の弾性力(図中の矢印を参照)を与えるように構成されている場合、或るセル100の傾きθが大きいと、図13に示すように、そのセル100の(z軸方向の)両側に位置する2つの集電部材400、400からそのセル100が受ける弾性力の大きさにアンバランスが生じる。このアンバランスは、前記隙間が狭い箇所において接合材300に対してより大きい引張応力が作用するように働く。このことに起因して、前記隙間が狭い箇所において接合材300にクラックが発生する場合もあるものと考えられる。 In addition, as shown in FIG. 12, the elastic force (arrow in the figure) of the current collection member 400 in the direction which expands those intervals with respect to the two cells 100 and 100 located on both sides (z-axis direction) of itself. If the inclination θ of a certain cell 100 is large, as shown in FIG. 13, two current collecting members located on both sides (in the z-axis direction) of the cell 100 are configured. An imbalance occurs in the magnitude of the elastic force that the cell 100 receives from 400 and 400. This unbalance works so that a larger tensile stress acts on the bonding material 300 at a location where the gap is narrow. Due to this, it is considered that a crack may occur in the bonding material 300 in a portion where the gap is narrow.
また、上記(試験A)で使用された複数のスタック構造体のサンプルに含まれる全てのセル100のそれぞれについての傾き角θのうちの最小値は、0.23°であった。換言すれば、上述のように、それぞれの傾き角θが前記「所定の治具等」の調整によって決定される場合、傾き角θを0.23°より小さくすることはできなかった。この観点からみれば、一つのスタック構造体に含まれる複数のセルのそれぞれについての傾き角θのうちの最大値が5.0°以下、且つ、最小値が0.23°以上であると、そうでない場合と比べて、接合材300にクラックが発生し難い、ということができる。 In addition, the minimum value of the inclination angles θ for all the cells 100 included in the plurality of stack structure samples used in (Test A) was 0.23 °. In other words, as described above, when each inclination angle θ is determined by the adjustment of the “predetermined jig or the like”, the inclination angle θ cannot be made smaller than 0.23 °. From this point of view, when the maximum value of the inclination angles θ for each of the plurality of cells included in one stack structure is 5.0 ° or less and the minimum value is 0.23 ° or more, It can be said that cracks are less likely to occur in the bonding material 300 as compared to the case where this is not the case.
なお、本発明者は、通常の条件・環境下(例えば、常温から750℃まで4時間で上げた後に750℃から常温まで12時間で下げるパターン)にて上記スタック構造体が使用される場合、一つのスタック構造体に含まれる複数のセルのそれぞれについての傾き角θのうちの最大値が5.0°より大きい場合であっても、接合材300にクラックが発生しないことを別途確認している。 When the stack structure is used under normal conditions / environment (for example, a pattern in which the temperature is raised from room temperature to 750 ° C. in 4 hours and then lowered from 750 ° C. to room temperature in 12 hours), Even if the maximum value of the inclination angles θ for each of the plurality of cells included in one stack structure is larger than 5.0 °, it is separately confirmed that the bonding material 300 does not crack. Yes.
以上の結果は、セル100の一端部の側面の形状、並びに、挿入孔211の開口の形状が長円形状の場合に対応するが、長手方向を有し且つその長手方向に対して線対称の性質を有する形状である限りにおいて、セル100の一端部の側面の形状、並びに、挿入孔211の開口の形状が、例えば、図11に示すように、ひょうたん型等であっても、同じ結果が得られることが既に確認されている。 The above results correspond to the case where the shape of the side surface of one end of the cell 100 and the shape of the opening of the insertion hole 211 are oval, but have a longitudinal direction and are symmetrical with respect to the longitudinal direction. As long as the shape has properties, the same result can be obtained even if the shape of the side surface of one end of the cell 100 and the shape of the opening of the insertion hole 211 are, for example, a gourd type as shown in FIG. It has already been confirmed that it can be obtained.
また、本発明者は、一つのスタック構造体に含まれる複数のセルのそれぞれについての傾き角θのうちの最大値が5.0°以下である場合において、前記一つのスタック構造体に含まれる複数のセルのそれぞれについての傾き角θのばらつきについての標準偏差σが0.19°以上4.2°以下であると、接合材300においてクラックがより一層発生し難くなることも見出した。以下、このことを確認した試験Bについて説明する。 In addition, the present inventor includes the single stack structure when the maximum value of the inclination angles θ of the plurality of cells included in the single stack structure is 5.0 ° or less. It has also been found that when the standard deviation σ for the variation in the inclination angle θ for each of the plurality of cells is 0.19 ° or more and 4.2 ° or less, cracks are less likely to occur in the bonding material 300. Hereinafter, test B in which this has been confirmed will be described.
(試験B)
試験Bでは、上述した片持ちスタック構造体(図2を参照)について、接合材30の材質、最大傾き角θmax、及び標準偏差σの組み合わせが異なる複数のサンプルが作製された。具体的には、表2に示すように、10種類の水準(組み合わせ)が準備された。各水準に対して10個のサンプル(N=10)が作製された。各サンプルについての最大傾き角θmaxは全て5.0°以下となっている。
(Test B)
In Test B, a plurality of samples having different combinations of the material of the bonding material 30, the maximum inclination angle θmax, and the standard deviation σ were produced for the above-described cantilever stack structure (see FIG. 2). Specifically, as shown in Table 2, ten kinds of levels (combinations) were prepared. Ten samples (N = 10) were made for each level. The maximum inclination angle θmax for each sample is 5.0 ° or less.
各サンプルについての寸法、条件等は、試験Aのものと同様である。各サンプルに含まれているセル100のそれぞれについての傾き角θ(従って、最大傾き角θmax及び標準偏差σ)は、前記「所定の治具等」を調整することによって制御された。 The dimensions, conditions, and the like for each sample are the same as those in Test A. The inclination angle θ (and therefore the maximum inclination angle θmax and the standard deviation σ) for each of the cells 100 included in each sample was controlled by adjusting the “predetermined jig or the like”.
そして、上記還元処理後の各サンプルについて、試験Aで実行された熱サイクル試験より熱応力的に過酷な熱サイクル試験、即ち、「燃料極12に還元性の燃料ガスを流通させながら、雰囲気温度を常温から750℃まで1時間で上げた後に750℃から常温まで2時間で下げるパターン」を20回繰り返す熱サイクル試験を行った。そして、各サンプルについて、接合材300におけるクラックの発生の有無が確認された。この結果は表2に示すとおりである。 For each sample after the reduction treatment, a thermal cycle test that is more severe in terms of thermal stress than the thermal cycle test performed in test A, that is, “atmospheric temperature while reducing fuel gas is circulated through the fuel electrode 12. The heat cycle test was repeated 20 times. “Pattern was raised from room temperature to 750 ° C. in 1 hour and then lowered from 750 ° C. to room temperature in 2 hours”. And about each sample, the presence or absence of the generation | occurrence | production of the crack in the joining material 300 was confirmed. The results are as shown in Table 2.
表2から理解できるように、一つのスタック構造体に含まれる複数のセルのそれぞれについての傾き角θの標準偏差σが0.19°以上4.2°以下であると、そうでない場合と比べて、理由は不明であるが、接合材300にクラックが発生し難い、ということができる。 As can be understood from Table 2, when the standard deviation σ of the inclination angle θ of each of the plurality of cells included in one stack structure is 0.19 ° or more and 4.2 ° or less, compared to the case where it is not so. Although the reason is unknown, it can be said that cracks are hardly generated in the bonding material 300.
以上の結果は、セル100の一端部の側面の形状、並びに、挿入孔211の開口の形状が長円形状の場合に対応するが、長手方向を有し且つその長手方向に対して線対称の性質を有する形状である限りにおいて、同じ結果が得られることが既に確認されている。 The above results correspond to the case where the shape of the side surface of one end of the cell 100 and the shape of the opening of the insertion hole 211 are oval, but have a longitudinal direction and are symmetrical with respect to the longitudinal direction. It has already been confirmed that the same result can be obtained as long as the shape has properties.
以上、表1、表2の結果より、一つのスタック構造体に含まれる複数のセルのそれぞれについての傾き角θのうちの最大値(最大傾き角θmax)が5°以下であると、接合材300にクラックが発生し難く、更に、一つのスタック構造体に含まれる複数のセルのそれぞれについての傾き角θの標準偏差σが0.19°以上4.2°以下であると、前記クラックがより一層発生し難い、ということができる。 As described above, when the maximum value (maximum inclination angle θmax) of the inclination angles θ for each of the plurality of cells included in one stack structure is 5 ° or less based on the results of Tables 1 and 2, the bonding material 300 is difficult to crack, and when the standard deviation σ of the inclination angle θ of each of the plurality of cells included in one stack structure is 0.19 ° or more and 4.2 ° or less, the crack It can be said that it is much less likely to occur.
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、支持基板の表面に「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発電素子部」が1つのみ設けられたセルが複数枚積層された所謂「縦縞型」の構成が採用されているが、支持基板の表面の互いに離れた複数個所にて前記発電素子部がそれぞれ設けられ、隣り合う発電素子部の間が電気的に接続された所謂「横縞型」のセルが採用されてもよい。 The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be employed within the scope of the present invention. For example, in the above-described embodiment, a so-called “vertical stripe” in which a plurality of cells each provided with only one “power generation element portion in which a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are stacked in this order” are stacked on the surface of the support substrate. Although the structure of the "type" is adopted, the so-called "horizontal stripe type" in which the power generation element portions are respectively provided at a plurality of positions separated from each other on the surface of the support substrate and the adjacent power generation element portions are electrically connected to each other. May be adopted.
また、上記実施形態では、図14に示すように、各接合部に設けられた接合体300は、接合体300の表面を含む前記表面の近傍に位置する外側部分302と、外側部分302より接合体300の内部に位置し且つ外側部分302より気孔率が大きい内側部分301と、から構成され得る。ここで、外側部分302の気孔率は1〜5%であり、内側部分301の気孔率は5〜25%である。 Moreover, in the said embodiment, as shown in FIG. 14, the joined body 300 provided in each joined part joins the outer part 302 located in the vicinity of the said surface including the surface of the joined body 300, and the outer part 302. An inner portion 301 located inside the body 300 and having a higher porosity than the outer portion 302 can be configured. Here, the porosity of the outer portion 302 is 1 to 5%, and the porosity of the inner portion 301 is 5 to 25%.
これによれば、「内側部分301の多孔化によって接合材300全体としてのヤング率が低下し、接合材300内部の熱応力が低下する」、並びに、「外側部分302の緻密化によって接合材300の表面に露呈するボイド等の欠陥部(応力集中部)が減少し、接合材300にクラックが発生する頻度が低下する」等の作用・効果が奏され得る。更には、内側部分301の内部の気孔率を均一化し、且つ、外側部分302の内部の気孔率を均一化することによって、それぞれの部分の内部にてヤング率の偏りが少なくなる。この結果、よりクラックが発生し難い接合部を得ることが可能となる。 According to this, “the Young's modulus of the bonding material 300 as a whole decreases due to the porosity of the inner portion 301 and the thermal stress inside the bonding material 300 decreases”, and “the bonding material 300 decreases due to the densification of the outer portion 302. The effect | action and effect, such as a defect part (stress concentration part), such as a void exposed to the surface of this, reduce | decrease, and the frequency that a crack generate | occur | produces in the joining material 300 reduce | hangs, can be show | played. Further, by making the porosity inside the inner portion 301 uniform and making the porosity inside the outer portion 302 uniform, the Young's modulus is less biased inside each portion. As a result, it is possible to obtain a joint portion in which cracks are less likely to occur.
上記のように、内側部分301を多孔化するためには、平均粒径:1〜10μmの粉末を接合材粉末として採用する、或いは、平均粒径:0.5〜2.0μmの微粒粉末と平均粒径:10〜50μmの粗粒粉末とを混合した粉末を接合材粉末として採用する、或いは、造孔材(平均粒径:0.5〜20μm、例えば、セルロースやPMMA)を外配で10〜30重量%だけ添加するなどの手法を採用することができる。一方、外側部分302を緻密化するためには、平均粒径:0.5〜2.0μmの微粒粉末を接合材粉末として採用することができる。 As described above, in order to make the inner portion 301 porous, a powder having an average particle diameter of 1 to 10 μm is adopted as the bonding material powder, or a fine powder having an average particle diameter of 0.5 to 2.0 μm and A powder obtained by mixing a coarse powder having an average particle size of 10 to 50 μm is adopted as a bonding material powder, or a pore former (average particle size: 0.5 to 20 μm, for example, cellulose or PMMA) is arranged externally. A method of adding only 10 to 30% by weight can be employed. On the other hand, in order to densify the outer portion 302, a fine powder having an average particle size of 0.5 to 2.0 μm can be employed as the bonding material powder.
内側部分301及び外側部分302は個別に成膜され得る。即ち、先ず、内側部分301となる材料が前記隙間に充填される。その後、その表面に外側部分302となる材料が塗布される。そして、これらが同時に焼成されることによって、内側部分301と外側部分302とを備えた接合材300が得られる。内側部分301及び外側部分302の材料は同じであってもよいし異なっていてもよい。また、非晶質ガラスが滑らかな表面形状を得易い材料であることを考慮すると、接合材300の大部分を占める内側部分301が結晶化ガラスで構成され、残りの外側部分302が非晶質ガラスで構成されることが好適である。 The inner part 301 and the outer part 302 can be deposited separately. That is, first, the material to be the inner portion 301 is filled in the gap. Thereafter, a material to be the outer portion 302 is applied to the surface. And these are baked simultaneously, and the joining material 300 provided with the inner part 301 and the outer part 302 is obtained. The material of the inner part 301 and the outer part 302 may be the same or different. Also, considering that amorphous glass is a material that can easily obtain a smooth surface shape, the inner portion 301 occupying most of the bonding material 300 is made of crystallized glass, and the remaining outer portion 302 is amorphous. It is preferable to be composed of glass.
また、上記実施形態のセルでは、燃料極と空気極とを入れ替えてもよい。この場合、図7において燃料ガスと空気とが入れ替えられたガスの流れが採用される。また、上記実施形態では、支持板に形成された1つの挿入孔に1つのセルの一端部が挿入されているが、図15に示すように、支持板に形成された1つの挿入孔211に2つ以上のセル100の一端部が挿入されていてもよい。なお、図15では、隣接するセル100、100の間隔が誇張して描かれている。図15に示す場合においても、挿入孔211の「対称軸の方向」として、図6に示す場合と同様、y軸方向が使用される。即ち、「第2長手方向」(セル100の一端部の側面の長さ方向)が孔211の「対称軸の方向」(y軸方向)と一致するように、各セル100の一端部が対応する挿入孔211に挿入されている。更には、支持板に形成された1つの(唯一の)挿入孔に複数のセルの一端部の全てが挿入されていてもよい。 Moreover, in the cell of the said embodiment, you may replace a fuel electrode and an air electrode. In this case, a gas flow in which the fuel gas and air are interchanged in FIG. 7 is employed. Moreover, in the said embodiment, although the one end part of one cell is inserted in one insertion hole formed in the support plate, as shown in FIG. 15, in one insertion hole 211 formed in the support plate, One end of two or more cells 100 may be inserted. In FIG. 15, the interval between the adjacent cells 100 is exaggerated. Also in the case shown in FIG. 15, the y-axis direction is used as the “direction of the symmetric axis” of the insertion hole 211, as in the case shown in FIG. 6. That is, one end portion of each cell 100 corresponds so that the “second longitudinal direction” (the length direction of the side surface of one end portion of the cell 100) coincides with the “direction of the symmetry axis” (y-axis direction) of the hole 211. Is inserted into the insertion hole 211. Furthermore, all of one end portions of the plurality of cells may be inserted into one (only) insertion hole formed in the support plate.
また、上記実施形態では、挿入孔211にセル100の一端部が挿入されている(即ち、挿入孔211の内部空間にセル100の一端部が進入している)が(図5等を参照)、図16に示すように、孔211にセル100の一端部が挿入されていなくてもよい(即ち、孔211の内部空間にセル100の一端部が進入していなくてもよい)。この場合、接合材300が、各孔211と対応するセル100の一端部との接合部のそれぞれにおいて孔211とセル100の一端部との間に存在する空間に充填されるように設けられる。 In the above embodiment, one end of the cell 100 is inserted into the insertion hole 211 (that is, one end of the cell 100 enters the internal space of the insertion hole 211) (see FIG. 5 and the like). 16, one end of the cell 100 may not be inserted into the hole 211 (that is, the one end of the cell 100 may not enter the internal space of the hole 211). In this case, the bonding material 300 is provided so as to fill a space existing between the hole 211 and one end of the cell 100 at each of the bonding portions between the holes 211 and the corresponding one end of the cell 100.
更には、上記実施形態では、マニホールドの天板が多数のセルを支持するための支持板を兼ねているが(即ち、支持板がマニホールドと一体で構成されているが)、マニホールドの内部空間と複数のセルのガス流路とが連通する限りにおいて、支持板がマニホールドとは別体で構成されていてもよい。 Furthermore, in the above embodiment, the top plate of the manifold also serves as a support plate for supporting a large number of cells (that is, the support plate is configured integrally with the manifold), but the internal space of the manifold As long as the gas flow paths of the plurality of cells communicate with each other, the support plate may be configured separately from the manifold.
以下、図1に示したセルの他の例について図17〜図34を参照しながら説明する。
(構成)
図17は、図1に示したセルの他の例に係るセル100を示す。このセル100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。
Hereinafter, another example of the cell shown in FIG. 1 will be described with reference to FIGS.
(Constitution)
FIG. 17 shows a cell 100 according to another example of the cell shown in FIG. The cell 100 includes a plurality of (books) electrically connected in series to the upper and lower surfaces (main surfaces (planes) on both sides parallel to each other) of the flat support substrate 10 having a longitudinal direction (x-axis direction). In the example, there are four so-called power generation element portions A that are arranged at predetermined intervals in the longitudinal direction and have a so-called “horizontal stripe type” configuration.
このセル100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。このセル100の全体の厚さは、1〜5mmである。このセル100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17に加えて、このセル100の図17に示す18−18線に対応する部分断面図である図18を参照しながら、このセル100の詳細について説明する。図18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18に示す構成と同様である。 The shape of the entire cell 100 as viewed from above is, for example, a rectangle whose length in the longitudinal direction is 5 to 50 cm and whose length in the width direction (y-axis direction) perpendicular to the longitudinal direction is 1 to 10 cm. The total thickness of the cell 100 is 1 to 5 mm. The entire cell 100 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. 17, the details of the cell 100 will be described with reference to FIG. 18 which is a partial cross-sectional view of the cell 100 corresponding to line 18-18 shown in FIG. FIG. 18 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 of the 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22に示すように、支持基板10の内部には、長手方向に延びる複数(本例では、6本)の燃料ガス流路11(貫通孔)が幅方向において所定の間隔をおいて形成されている。本例では、各凹部12は、支持基板10の材料からなる底壁と、全周に亘って支持基板10の材料からなる周方向に閉じた側壁(長手方向に沿う2つの側壁と幅方向に沿う2つの側壁)と、で画定された直方体状の窪みである。 The support substrate 10 is a flat plate-like fired body made of a porous material having no electronic conductivity. As shown in FIG. 22 described later, a plurality (six in this example) of fuel gas passages 11 (through holes) extending in the longitudinal direction are provided in the support substrate 10 at predetermined intervals in the width direction. Is formed. In this example, each recess 12 includes a bottom wall made of the material of the support substrate 10 and side walls closed in the circumferential direction made of the material of the support substrate 10 over the entire circumference (two side walls along the longitudinal direction and the width direction). A rectangular parallelepiped depression defined by two side walls).
支持基板10は、例えば、CSZ(カルシア安定化ジルコニア)から構成され得る。或いは、NiO(酸化ニッケル)とYSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)とから構成されてもよいし、NiO(酸化ニッケル)とY2O3(イットリア)とから構成されてもよいし、MgO(酸化マグネシウム)とMgAl2O4(マグネシアアルミナスピネル)とから構成されてもよい。 The support substrate 10 can be made of, for example, CSZ (calcia stabilized zirconia). Alternatively, it may be composed of NiO (nickel oxide) and YSZ (8YSZ) (yttria stabilized zirconia), NiO (nickel oxide) and Y 2 O 3 (yttria), or MgO. (Magnesium oxide) and MgAl 2 O 4 (magnesia alumina spinel) may be used.
支持基板10は、「遷移金属酸化物又は遷移金属」と、絶縁性セラミックスとを含んで構成され得る。「遷移金属酸化物又は遷移金属」としては、NiO(酸化ニッケル)又はNi(ニッケル)が好適である。遷移金属は、燃料ガスの改質反応を促す触媒(炭化水素系のガスの改質触媒)として機能し得る。 The support substrate 10 may be configured to include “transition metal oxide or transition metal” and insulating ceramics. As the “transition metal oxide or transition metal”, NiO (nickel oxide) or Ni (nickel) is suitable. The transition metal can function as a catalyst for promoting a reforming reaction of the fuel gas (hydrocarbon-based gas reforming catalyst).
また、絶縁性セラミックスとしては、MgO(酸化マグネシウム)、又は、「MgAl2O4(マグネシアアルミナスピネル)とMgO(酸化マグネシウム)の混合物」が好適である。また、絶縁性セラミックスとして、CSZ(カルシア安定化ジルコニア)、YSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)、Y2O3(イットリア)が使用されてもよい。 Further, as the insulating ceramic, MgO (magnesium oxide) or “mixture of MgAl 2 O 4 (magnesia alumina spinel) and MgO (magnesium oxide)” is preferable. Further, CSZ (calcia stabilized zirconia), YSZ (8YSZ) (yttria stabilized zirconia), Y 2 O 3 (yttria) may be used as the insulating ceramic.
このように、支持基板10が「遷移金属酸化物又は遷移金属」を含むことによって、改質前の残存ガス成分を含んだガスが多孔質の支持基板10の内部の多数の気孔を介して燃料ガス流路11から燃料極に供給される過程において、上記触媒作用によって改質前の残存ガス成分の改質を促すことができる。加えて、支持基板10が絶縁性セラミックスを含むことによって、支持基板10の絶縁性を確保することができる。この結果、隣り合う燃料極間における絶縁性が確保され得る。 As described above, since the support substrate 10 contains “transition metal oxide or transition metal”, the gas containing the residual gas component before the reforming is supplied to the fuel through the numerous pores inside the porous support substrate 10. In the process of being supplied from the gas flow path 11 to the fuel electrode, the catalytic action can promote the reforming of the residual gas component before the reforming. In addition, the insulating property of the support substrate 10 can be ensured by the support substrate 10 containing insulating ceramics. As a result, insulation between adjacent fuel electrodes can be ensured.
支持基板10の厚さは、1〜5mmである。以下、この構造体の形状が上下対称となっていることを考慮し、説明の簡便化のため、支持基板10の上面側の構成についてのみ説明していく。支持基板10の下面側の構成についても同様である。 The thickness of the support substrate 10 is 1 to 5 mm. 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18及び図19に示すように、支持基板10の上面(上側の主面)に形成された各凹部12には、燃料極集電部21の全体が埋設(充填)されている。従って、各燃料極集電部21は直方体状を呈している。各燃料極集電部21の上面(外側面)には、凹部21aが形成されている。各凹部21aは、燃料極集電部21の材料からなる底壁と、周方向に閉じた側壁(長手方向に沿う2つの側壁と幅方向に沿う2つの側壁)と、で画定された直方体状の窪みである。周方向に閉じた側壁のうち、長手方向に沿う2つの側壁は支持基板10の材料からなり、幅方向に沿う2つの側壁は燃料極集電部21の材料からなる。 As shown in FIGS. 18 and 19, the entire fuel electrode current collector 21 is embedded (filled) in each recess 12 formed on the upper surface (upper main surface) of the support substrate 10. Therefore, each fuel electrode current collector 21 has a rectangular parallelepiped shape. A recess 21 a is formed on the upper surface (outer surface) of each fuel electrode current collector 21. Each recess 21a has a rectangular parallelepiped shape defined by a bottom wall made of the material of the fuel electrode current collector 21 and side walls closed in the circumferential direction (two side walls along the longitudinal direction and two side walls along the width direction). It is a depression. Of the side walls closed in the circumferential direction, two side walls along the longitudinal direction are made of the material of the support substrate 10, and two side walls along the width direction are made of the material of the fuel electrode current collector 21.
各凹部21aには、燃料極活性部22の全体が埋設(充填)されている。従って、各燃料極活性部22は直方体状を呈している。燃料極集電部21と燃料極活性部22とにより燃料極20が構成される。燃料極20(燃料極集電部21+燃料極活性部22)は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。各燃料極活性部22の幅方向に沿う2つの側面と底面とは、凹部21a内で燃料極集電部21と接触している。 The entire anode active portion 22 is embedded (filled) in each recess 21a. Accordingly, each fuel electrode active portion 22 has a rectangular parallelepiped shape. A fuel electrode 20 is configured by the fuel electrode current collector 21 and the fuel electrode active unit 22. The fuel electrode 20 (fuel electrode current collector 21 + fuel electrode active part 22) is a fired body made of a porous material having electron conductivity. The two side surfaces and the bottom surface along the width direction of each anode active portion 22 are in contact with the anode current collecting portion 21 in the recess 21a.
各燃料極集電部21の上面(外側面)における凹部21aを除いた部分には、凹部21bが形成されている。各凹部21bは、燃料極集電部21の材料からなる底壁と、周方向に閉じた側壁(長手方向に沿う2つの側壁と幅方向に沿う2つの側壁)と、で画定された直方体状の窪みである。周方向に閉じた側壁のうち、長手方向に沿う2つの側壁は支持基板10の材料からなり、幅方向に沿う2つの側壁は燃料極集電部21の材料からなる。 A recess 21b is formed in a portion of the upper surface (outer surface) of each fuel electrode current collector 21 excluding the recess 21a. Each recess 21b has a rectangular parallelepiped shape defined by a bottom wall made of the material of the fuel electrode current collector 21 and side walls closed in the circumferential direction (two side walls along the longitudinal direction and two side walls along the width direction). It is a depression. Of the side walls closed in the circumferential direction, two side walls along the longitudinal direction are made of the material of the support substrate 10, and two side walls along the width direction are made of the material of the fuel electrode current collector 21.
各凹部21bには、インターコネクタ30が埋設(充填)されている。従って、各インターコネクタ30は直方体状を呈している。インターコネクタ30は、電子伝導性を有する緻密な材料からなる焼成体である。各インターコネクタ30の幅方向に沿う2つの側面と底面とは、凹部21b内で燃料極集電部21と接触している。 An interconnector 30 is embedded (filled) in each recess 21b. Accordingly, each interconnector 30 has a rectangular parallelepiped shape. The interconnector 30 is a fired body made of a dense material having electronic conductivity. The two side surfaces and the bottom surface along the width direction of each interconnector 30 are in contact with the fuel electrode current collector 21 in the recess 21b.
燃料極20(燃料極集電部21及び燃料極活性部22)の上面(外側面)と、インターコネクタ30の上面(外側面)と、支持基板10の主面とにより、1つの平面(凹部12が形成されていない場合の支持基板10の主面と同じ平面)が構成されている。即ち、燃料極20の上面とインターコネクタ30の上面と支持基板10の主面との間で、段差が形成されていない。 The upper surface (outer surface) of the fuel electrode 20 (the fuel electrode current collector 21 and the fuel electrode active unit 22), the upper surface (outer surface) of the interconnector 30, and the main surface of the support substrate 10 form one plane (recessed portion). The same plane as the main surface of the support substrate 10 when 12 is not formed) is formed. That is, no step is formed between the upper surface of the fuel electrode 20, the upper surface of the interconnector 30, and the main surface of the support substrate 10.
燃料極活性部22は、例えば、NiO(酸化ニッケル)とYSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)とから構成され得る。或いは、NiO(酸化ニッケル)とGDC(ガドリニウムドープセリア)とから構成されてもよい。燃料極集電部21は、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。 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、LaCrO3(ランタンクロマイト)から構成され得る。或いは、(Sr,La)TiO3(ストロンチウムチタネート)から構成されてもよい。インターコネクタ30の厚さは、10〜100μmである。 The interconnector 30 can be composed of, for example, LaCrO 3 (lanthanum chromite). Alternatively, it may be composed of (Sr, La) TiO 3 (strontium titanate). The thickness of the interconnector 30 is 10 to 100 μm.
燃料極20及びインターコネクタ30がそれぞれの凹部12に埋設された状態の支持基板10における長手方向に延びる外周面において複数のインターコネクタ30が形成されたそれぞれの部分の長手方向中央部を除いた全面は、固体電解質膜40により覆われている。固体電解質膜40は、イオン伝導性を有し且つ電子伝導性を有さない緻密な材料からなる焼成体である。固体電解質膜40は、例えば、YSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)から構成され得る。或いは、LSGM(ランタンガレート)から構成されてもよい。固体電解質膜40の厚さは、3〜50μmである。 The entire surface excluding the central portion in the longitudinal direction of each portion where the plurality of interconnectors 30 are formed on the outer peripheral surface extending in the longitudinal direction of the support substrate 10 in a state where the fuel electrode 20 and the interconnector 30 are embedded in the respective recesses 12. Is covered with a solid electrolyte membrane 40. The solid electrolyte membrane 40 is a fired body made of a dense material having ionic conductivity and not electron conductivity. The solid electrolyte membrane 40 can be made of, for example, YSZ (8YSZ) (yttria stabilized zirconia). Or you may comprise from LSGM (lantern gallate). The thickness of the solid electrolyte membrane 40 is 3 to 50 μm.
即ち、燃料極20がそれぞれの凹部12に埋設された状態の支持基板10における長手方向に延びる外周面の全面は、インターコネクタ30と固体電解質膜40とからなる緻密層により覆われている。この緻密層は、緻密層の内側の空間を流れる燃料ガスと緻密層の外側の空間を流れる空気との混合を防止するガスシール機能を発揮する。 That is, the entire outer peripheral surface extending in the longitudinal direction of the support substrate 10 in a state where the fuel electrode 20 is embedded in each recess 12 is covered with a dense layer composed of the interconnector 30 and the solid electrolyte membrane 40. This dense layer exhibits a gas sealing function that prevents mixing of the fuel gas flowing in the space inside the dense layer and the air flowing in the space outside the dense layer.
なお、図18に示すように、本例では、固体電解質膜40が、燃料極20の上面、インターコネクタ30の上面における長手方向の両側端部、及び支持基板10の主面を覆っている。ここで、上述したように、燃料極20の上面とインターコネクタ30の上面と支持基板10の主面との間で段差が形成されていない。従って、固体電解質膜40が平坦化されている。この結果、固体電解質膜40に段差が形成される場合に比して、応力集中に起因する固体電解質膜40でのクラックの発生が抑制され得、固体電解質膜40が有するガスシール機能の低下が抑制され得る。 As shown in FIG. 18, 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)O2(ガドリニウムドープセリア)から構成され得る。反応防止膜50の厚さは、3〜50μmである。空気極60は、例えば、LSCF=(La,Sr)(Co,Fe)O3(ランタンストロンチウムコバルトフェライト)から構成され得る。或いは、LSF=(La,Sr)FeO3(ランタンストロンチウムフェライト)、LNF=La(Ni,Fe)O3(ランタンニッケルフェライト)、LSC=(La,Sr)CoO3(ランタンストロンチウムコバルタイト)等から構成されてもよい。また、空気極60は、LSCFからなる第1層(内側層)とLSCからなる第2層(外側層)との2層によって構成されてもよい。空気極60の厚さは、10〜100μmである。 The reaction preventing film 50 can be made of, for example, GDC = (Ce, Gd) O 2 (gadolinium-doped ceria). The thickness of the reaction preventing film 50 is 3 to 50 μm. The air electrode 60 can be made of, for example, LSCF = (La, Sr) (Co, Fe) O 3 (lanthanum strontium cobalt ferrite). Alternatively, from LSF = (La, Sr) FeO 3 (lanthanum strontium ferrite), LNF = La (Ni, Fe) O 3 (lanthanum nickel ferrite), LSC = (La, Sr) CoO 3 (lanthanum strontium cobaltite), etc. It may be configured. Further, the air electrode 60 may be configured by two layers of a first layer (inner layer) made of LSCF and a second layer (outer layer) made of LSC. The thickness of the air electrode 60 is 10 to 100 μm.
なお、反応防止膜50が介装されるのは、SOFC作製時又は作動中のSOFC内において固体電解質膜40内のYSZと空気極60内のSrとが反応して固体電解質膜40と空気極60との界面に電気抵抗が大きい反応層が形成される現象の発生を抑制するためである。 The reaction preventing film 50 is interposed because the YSZ in the solid electrolyte film 40 and the Sr in the air electrode 60 react with each other in the SOFC during the production or operation of the SOFC, and the solid electrolyte film 40 and the air electrode. This is to suppress the occurrence of a phenomenon in which a reaction layer having a large electric resistance is formed at the interface with the substrate 60.
ここで、燃料極20と、固体電解質膜40と、反応防止膜50と、空気極60とが積層されてなる積層体が、「発電素子部A」に対応する(図18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. 18). 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18では、左側の)発電素子部Aの空気極60と、他方の(図18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. 18) and the interconnector of the other power generation element portion A (on the right side in FIG. 18). The air electrode current collecting film 70 is formed on the upper surfaces of the air electrode 60, the solid electrolyte film 40, and the interconnector 30. The air electrode current collector film 70 is a fired body made of a porous material having electron conductivity. The shape of the air electrode current collector film 70 as viewed from above is a rectangle.
空気極集電膜70は、例えば、LSCF=(La,Sr)(Co,Fe)O3(ランタンストロンチウムコバルトフェライト)から構成され得る。或いは、LSC=(La,Sr)CoO3(ランタンストロンチウムコバルタイト)から構成されてもよい。或いは、Ag(銀)、Ag−Pd(銀パラジウム合金)から構成されてもよい。空気極集電膜70の厚さは、50〜500μmである。 The air electrode current collector film 70 can be made of, for example, LSCF = (La, Sr) (Co, Fe) O 3 (lanthanum strontium cobalt ferrite). Alternatively, LSC = (La, Sr) CoO 3 (lanthanum strontium cobaltite) may be used. Or you may comprise from Ag (silver) and Ag-Pd (silver palladium alloy). The thickness of the air electrode current collector film 70 is 50 to 500 μm.
このように各空気極集電膜70が形成されることにより、各組の隣り合う発電素子部A,Aについて、一方の(図18では、左側の)発電素子部Aの空気極60と、他方の(図18では、右側の)発電素子部Aの燃料極20(特に、燃料極集電部21)とが、電子伝導性を有する「空気極集電膜70及びインターコネクタ30」を介して電気的に接続される。この結果、支持基板10の上面に配置されている複数(本例では、4つ)の発電素子部Aが電気的に直列に接続される。ここで、電子伝導性を有する「空気極集電膜70及びインターコネクタ30」が、前記「電気的接続部」に対応する。 By forming each air electrode current collecting film 70 in this way, for each pair of adjacent power generation element parts A and A, the air electrode 60 of one power generation element part A (on the left side in FIG. 18), 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. 18) passes through the “air electrode current collector film 70 and interconnector 30” having electronic conductivity. Are electrically connected. As a result, a plurality (four in this example) of power generation element portions A arranged on the upper surface of the support substrate 10 are electrically connected in series. Here, the “air electrode current collector film 70 and the interconnector 30” having electronic conductivity correspond to the “electrical connection part”.
なお、インターコネクタ30は、前記「電気的接続部」における前記「緻密な材料で構成された第1部分」に対応し、気孔率は10%以下である。空気極集電膜70は、前記「電気的接続部」における前記「多孔質の材料で構成された第2部分」に対応し、気孔率は20〜60%である。 The interconnector 30 corresponds to the “first portion made of a dense material” in the “electrical connection portion” and has a porosity of 10% or less. The air electrode current collecting film 70 corresponds to the “second portion made of a porous material” in the “electrical connection portion”, and has a porosity of 20 to 60%.
以上、説明した図17に示す「横縞型」のセル100に対して、図20に示すように、支持基板10の燃料ガス流路11内に燃料ガス(水素ガス等)を流すとともに、支持基板10の上下面(特に、各空気極集電膜70)を「酸素を含むガス」(空気等)に曝す(或いは、支持基板10の上下面に沿って酸素を含むガスを流す)ことにより、固体電解質膜40の両側面間に生じる酸素分圧差によって起電力が発生する。更に、この構造体を外部の負荷に接続すると、下記(1)、(2)式に示す化学反応が起こり、電流が流れる(発電状態)。
(1/2)・O2+2e−→O2− (於:空気極60) …(1)
H2+O2−→H2O+2e−
(於:燃料極20) …(2)
As described above, as shown in FIG. 20, the fuel gas (hydrogen gas or the like) flows through the fuel gas flow path 11 of the support substrate 10 to the “horizontal stripe type” cell 100 shown in FIG. 10 by exposing the upper and lower surfaces (in particular, 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), An electromotive force is generated by an oxygen partial pressure difference generated between both side surfaces of the solid electrolyte membrane 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21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20に示すように、このセル100全体から(具体的には、図20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. 21, 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. 20, from the entire cell 100 (specifically, in FIG. 20, the interconnector 30 of the power generating element part A on the foremost side and the air electrode 60 of the power generating element part A on the farthest side) The power is removed.
(製造方法)
次に、図17に示した「横縞型」のセル100の製造方法の一例について図22〜図30を参照しながら簡単に説明する。図22〜図30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” cell 100 shown in FIG. 17 will be briefly described with reference to FIGS. 22 to 30, “g” at the end of the reference numeral of each member indicates that the member is “before firing”.
先ず、図22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22に示す23−23線に対応する部分断面を表す図23〜図30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. 22 is produced. The molded body 10g of the support substrate is manufactured by using a method such as extrusion molding or cutting using a slurry obtained by adding a binder or the like to the material of the support substrate 10 (for example, CSZ). obtain. Hereinafter, the description will be continued with reference to FIGS. 23 to 30 showing partial cross sections corresponding to line 23-23 shown in FIG.
図23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24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25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。 As shown in FIG. 23, when the support substrate molded body 10g is manufactured, next, as shown in FIG. 24, fuel electrode current collectors are formed in the recesses formed on the upper and lower surfaces of the support substrate molded body 10g. Each of the molded parts 21g is embedded and formed. Next, as shown in FIG. 25, the molded body 22g of the fuel electrode active portion is embedded and formed in each recess formed in the outer surface of the molded body 21g of each fuel electrode current collector. The molded body 21g of each fuel electrode current collector and each of the fuel electrode active parts 22g use, for example, a slurry obtained by adding a binder or the like to the powder of the material of the fuel electrode 20 (for example, Ni and YSZ), It is embedded and formed using printing methods.
続いて、図26に示すように、各燃料極集電部の成形体21gの外側面における「燃料極活性部の成形体22gが埋設された部分を除いた部分」に形成された各凹部に、インターコネクタの成形体30gがそれぞれ埋設・形成される。各インターコネクタの成形体30gは、例えば、インターコネクタ30の材料(例えば、LaCrO3)の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して埋設・形成される。 Subsequently, as shown in FIG. 26, in each concave portion formed in “the portion excluding the portion where the molded body 22g of the fuel electrode active portion is embedded” on the outer surface of the molded body 21g of each fuel electrode current collector. The interconnector molded bodies 30g are respectively embedded and formed. The molded body 30g of each interconnector is embedded and formed by using a slurry obtained by adding a binder or the like to the material of the interconnector 30 (for example, LaCrO 3 ), using a printing method or the like. .
次に、図27に示すように、複数の燃料極の成形体(21g+22g)及び複数のインターコネクタの成形体30gがそれぞれ埋設・形成された状態の支持基板の成形体10gにおける長手方向に延びる外周面において複数のインターコネクタの成形体30gが形成されたそれぞれの部分の長手方向中央部を除いた全面に、固体電解質膜の成形膜40gが形成される。固体電解質膜の成形膜40gは、例えば、固体電解質膜40の材料(例えば、YSZ)の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法、ディッピング法等を利用して形成される。 Next, as shown in FIG. 27, the outer periphery extending in the longitudinal direction of the molded body 10g of the support substrate in a state in which the molded bodies (21g + 22g) of the plurality of fuel electrodes and the molded body 30g of the plurality of interconnectors are respectively embedded and formed. A solid electrolyte membrane molded film 40g is formed on the entire surface excluding the central portion in the longitudinal direction of each portion where the plurality of interconnector molded bodies 30g are formed. The molded membrane 40g of the solid electrolyte membrane is formed using, for example, a printing method, a dipping method, etc., using a slurry obtained by adding a binder or the like to the powder of the material of the solid electrolyte membrane 40 (for example, YSZ). The
次に、図28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. 28, a reaction preventing film forming film 50g is formed on the outer surface of the solid electrolyte film forming body 40g in contact with the fuel electrode forming body 22g. The molded film 50g of each reaction preventing film is formed using a slurry obtained by adding a binder or the like to the powder of the material (for example, GDC) of the reaction preventing film 50, using a printing method or the like.
そして、このように種々の成形膜が形成された状態の支持基板の成形体10gが、空気中にて1500℃で3時間焼成される。これにより、図17に示したセル100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 cell 100 shown in FIG. 17 is obtained.
次に、図29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. 29, 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30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. 30, for each pair of adjacent power generation element portions, air is formed so as to straddle the forming film 60 g of the air electrode 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 60 g, the solid electrolyte film 40, and the interconnector 30, the air electrode current collecting film forming film 70 g 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17に示したセル100が得られる。以上、図17に示したセル100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. Thereby, the cell 100 shown in FIG. 17 is obtained. In the above, an example of the manufacturing method of the cell 100 shown in FIG. 17 was demonstrated.
(作用・効果)
以上、説明したように、図17に示した「横縞型」のセル100では、支持基板10の上下面に形成されている、燃料極20を埋設するための複数の凹部12のそれぞれが、全周に亘って支持基板10の材料からなる周方向に閉じた側壁を有している。換言すれば、支持基板10において各凹部12を囲む枠体がそれぞれ形成されている。従って、この構造体は、支持基板10が外力を受けた場合に変形し難い。
(Action / Effect)
As described above, in the “horizontal stripe type” cell 100 shown in FIG. 17, each of the plurality of recesses 12 embedded in the upper and lower surfaces of the support substrate 10 for embedding the fuel electrode 20 is completely formed. A circumferentially closed side wall made of the material of the support substrate 10 is provided over the 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の幅方向(y軸方向)に沿う2つの側面と底面とが凹部21b内で燃料極集電部21と接触している。従って、燃料極集電部21の外側平面上に直方体状のインターコネクタ30が積層される(接触する)構成が採用される場合に比べて、燃料極20(集電部21)とインターコネクタ30との界面の面積を大きくできる。従って、燃料極20とインターコネクタ30との間における電子伝導性を高めることができ、この結果、燃料電池の発電出力を高めることができる。 The interconnector 30 is embedded in a recess 21b formed on the outer surface of the fuel electrode current collector 21, and as a result, two side surfaces and a bottom surface along the width direction (y-axis direction) of the rectangular interconnector 30 Are in contact with the anode current collector 21 in the recess 21b. Therefore, the fuel electrode 20 (the current collector 21) and the interconnector 30 are compared to the case where a configuration in which the rectangular parallelepiped interconnector 30 is laminated (contacted) on the outer plane of the fuel electrode current collector 21 is employed. The area of the interface with can be increased. Therefore, the electronic conductivity between the fuel electrode 20 and the interconnector 30 can be increased, and as a result, the power generation output of the fuel cell can be increased.
また、図17に示したセル100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。 In the cell 100 shown in FIG. 17, a plurality of power generation element portions A are provided on 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、図17に示したセル100では、固体電解質膜40が、燃料極20の外側面、インターコネクタ30の外側面における長手方向の両側端部、及び支持基板10の主面を覆っている。ここで、燃料極20の外側面とインターコネクタ30の外側面と支持基板10の主面との間で段差が形成されていない。従って、固体電解質膜40が平坦化されている。この結果、固体電解質膜40に段差が形成される場合に比して、応力集中に起因する固体電解質膜40でのクラックの発生が抑制され得、固体電解質膜40が有するガスシール機能の低下が抑制され得る。 In the cell 100 shown in FIG. 17, the solid electrolyte membrane 40 covers the outer surface of the fuel electrode 20, both side ends in the longitudinal direction of the outer surface of the interconnector 30, and the main surface of the support substrate 10. Here, no step is formed between the outer surface of the fuel electrode 20, the outer surface of the interconnector 30, and the main surface of the support substrate 10. Therefore, the solid electrolyte membrane 40 is flattened. As a result, compared with the case where a step is formed in the solid electrolyte membrane 40, the generation of cracks in the solid electrolyte membrane 40 due to stress concentration can be suppressed, and the gas sealing function of the solid electrolyte membrane 40 is reduced. Can be suppressed.
なお、図17に示したセル100では、図22等に示すように、支持基板10に形成された凹部12の平面形状(支持基板10の主面に垂直の方向からみた場合の形状)が、長方形になっているが、例えば、正方形、円形、楕円形、長穴形状等であってもよい。 In the cell 100 shown in FIG. 17, as shown in FIG. 22 and the like, the planar shape of the recess 12 formed in the support substrate 10 (shape when viewed from the direction perpendicular to the main surface of the support substrate 10) is Although it is rectangular, for example, it may be a square, a circle, an ellipse, a long hole, or the like.
また、図17に示したセル100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。 Further, in the cell 100 shown in FIG. 17, the entire interconnector 30 is embedded in each recess 12, but only a part of the interconnector 30 is embedded in each recess 12, and the remaining portion of the interconnector 30. May protrude outside the recess 12 (that is, protrude from the main surface of the support substrate 10).
また、図17に示したセル100では、凹部12における底壁と側壁とのなす角度θが90°になっているが、図31に示すように、角度θが90〜135°となっていてもよい。また、図17に示したセル100では、図32に示すように、凹部12における底壁と側壁とが交差する部分が半径Rの円弧状になっていて、凹部12の深さに対する半径Rの割合が0.01〜1となっていてもよい。 In the cell 100 shown in FIG. 17, the angle θ between the bottom wall and the side wall in the recess 12 is 90 °, but the angle θ is 90 to 135 ° as shown in FIG. Also good. In the cell 100 shown in FIG. 17, as shown in FIG. 32, the portion of the recess 12 where the bottom wall and the side wall intersect has an arc shape with a radius R, and the radius R with respect to the depth of the recess 12 The ratio may be 0.01 to 1.
また、図17に示したセル100では、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33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。 In the cell 100 shown in FIG. 17, a plurality of recesses 12 are formed on each of the upper and lower surfaces of the flat support substrate 10 and a plurality of power generating element portions A are provided. As shown in FIG. The plurality of recesses 12 may be formed only on one side of the support substrate 10 and the plurality of power generation element portions A may be provided.
また、図17に示したセル100では、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、図17に示したセル100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 cell 100 shown in FIG. 17, the fuel electrode 20 is composed of two layers of the fuel electrode current collector 21 and the fuel electrode active part 22. The fuel electrode 20 corresponds to the fuel electrode active part 22. It may be composed of one layer. In addition, in the cell 100 shown in FIG. 17, the “inner electrode” and the “outer electrode” are the fuel electrode and the air electrode, respectively, but they may be reversed.
加えて、図17に示したセル100では、図19に示すように、燃料極集電部21の外側面に形成された凹部21bが、燃料極集電部21の材料からなる底壁と、周方向に閉じた側壁(支持基板10の材料からなる長手方向に沿う2つの側壁と、燃料極集電部21の材料からなる幅方向に沿う2つの側壁)と、で画定された直方体状の窪みとなっている。この結果、凹部21bに埋設されたインターコネクタ30の幅方向に沿う2つの側面と底面とが凹部21b内で燃料極集電部21と接触している。 In addition, in the cell 100 shown in FIG. 17, as shown in FIG. 19, the recess 21 b formed on the outer surface of the anode current collector 21 has a bottom wall made of the material of the anode current collector 21, A rectangular parallelepiped shape defined by side walls closed in the circumferential direction (two side walls along the longitudinal direction made of the material of the support substrate 10 and two side walls along the width direction made of the material of the fuel electrode current collector 21). It is a depression. As a result, the two side surfaces and the bottom surface along the width direction of the interconnector 30 embedded in the recess 21b are in contact with the fuel electrode current collector 21 in the recess 21b.
これに対し、図34に示すように、燃料極集電部21の外側面に形成された凹部21bが、燃料極集電部21の材料からなる底壁と、全周に亘って燃料極集電部21の材料からなる周方向に閉じた側壁(長手方向に沿う2つの側壁と、幅方向に沿う2つの側壁)と、で画定された直方体状の窪みであってもよい。これによれば、凹部21bに埋設されたインターコネクタ30の4つの側面の全てと底面とが凹部21b内で燃料極集電部21と接触する。従って、燃料極集電部21とインターコネクタ30との界面の面積をより一層大きくできる。従って、燃料極集電部21とインターコネクタ30との間における電子伝導性をより一層高めることができ、この結果、燃料電池の発電出力をより一層高めることができる。 On the other hand, as shown in FIG. 34, a recess 21b formed on the outer surface of the fuel electrode current collector 21 has a bottom wall made of the material of the fuel electrode current collector 21 and the fuel electrode current collector over the entire circumference. It may be a rectangular parallelepiped recess defined by circumferentially closed side walls (two side walls along the longitudinal direction and two side walls along the width direction) made of the material of the electric part 21. According to this, all four side surfaces and the bottom surface of the interconnector 30 embedded in the recess 21b are in contact with the fuel electrode current collector 21 in the recess 21b. Therefore, the area of the interface between the fuel electrode current collector 21 and the interconnector 30 can be further increased. Therefore, the electronic conductivity between the fuel electrode current collector 21 and the interconnector 30 can be further increased, and as a result, the power generation output of the fuel cell can be further increased.
図35〜図40はそれぞれ、本発明の実施形態に係る燃料電池のスタック構造体に図17に示すセルが使用された場合における図2〜図7に対応する図である。図35〜図40において、図2〜図7に示した部材・構成と同じ或いは等価な部材・構成については図2〜図7にて使用した符号と同じ符号が付されている。図38に示すように、この場合、隣接するセル100、100の間を電気的に直列に接続するため、図5に示した集電部材400に対応する集電部材400に加えて、各セル100について表側と裏側とを電気的に直列に接続するための集電部材500も設けられている。 FIGS. 35 to 40 are views corresponding to FIGS. 2 to 7 when the cell shown in FIG. 17 is used in the stack structure of the fuel cell according to the embodiment of the present invention. 35 to 40, members and configurations that are the same as or equivalent to the members and configurations shown in FIGS. 2 to 7 are denoted by the same reference numerals as those used in FIGS. As shown in FIG. 38, in this case, in order to electrically connect adjacent cells 100, 100 in series, each cell is added to the current collecting member 400 corresponding to the current collecting member 400 shown in FIG. A current collecting member 500 for electrically connecting the front side and the back side of 100 in series is also provided.
11…導電性支持体、12…燃料極、13…固体電解質、14…空気極、18…ガス流路、100…セル、200…マニホールド、210…支持板、211…挿入孔、300…接合材、400…集電部材、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 11 ... Electroconductive support body, 12 ... Fuel electrode, 13 ... Solid electrolyte, 14 ... Air electrode, 18 ... Gas flow path, 100 ... Cell, 200 ... Manifold, 210 ... Support plate, 211 ... Insertion hole, 300 ... Joining material , 400 ... current collecting member, 10 ... support substrate, 11 ... fuel gas flow path, 12 ... recess, 20 ... fuel electrode, 21 ... fuel electrode current collector, 21a, 21b ... recess, 22 ... fuel electrode active part, 30 ... Interconnector, 40 ... Solid electrolyte membrane, 50 ... Reaction prevention film, 60 ... Air electrode, 70 ... Air electrode current collector film, A ... Power generation element part
Claims (10)
前記各セルが支持板の表面から前記第1長手方向に沿ってそれぞれ突出し且つ前記複数のセルがスタック状に整列するように、前記各セルの前記第1長手方向の一端部を接合材を用いてそれぞれ接合・支持する支持板と、
マニホールドの内部空間と前記複数のセルの前記ガス流路のそれぞれの一端部とが連通するように、前記支持板が設けられるガスのマニホールドと、
を備えた燃料電池のスタック構造体であって、
前記各セルの一端部の側面の形状は、第2長手方向を有し、
前記支持板の表面には、前記マニホールドの内部空間と前記複数のセルの一端部とを連通するための1つ又は複数の孔が形成され、
前記各孔の形状は、線対称に関する対称軸の方向を有し、
前記各セルの一端部が、対応する前記第2長手方向が対応する前記孔の前記対称軸の方向に沿うように、対応する前記孔に対応して位置付けられ、
前記接合材が、前記各孔と対応する前記セルの一端部との接合部のそれぞれにおいて前記孔と前記セルの一端部との間に存在する空間に充填されるよう設けられることによって、前記各孔と対応する前記セルの一端部とがそれぞれ接合され、
前記複数のセルのそれぞれについての対応する前記孔の前記対称軸の方向に対する対応する前記第2長手方向の傾き角のうちの最大値が5.0°以下である、燃料電池のスタック構造体。 Each of which has a flat plate shape having a first longitudinal direction and in which a gas flow path along the first longitudinal direction is formed, a support substrate provided on the surface of the support substrate, and at least an inner electrode and a solid electrolyte And a plurality of plate-like cells including a power generation element portion in which outer electrodes are laminated in this order,
A bonding material is used for one end of each of the cells in the first longitudinal direction so that each of the cells protrudes from the surface of the support plate along the first longitudinal direction and the plurality of cells are arranged in a stack. A support plate for joining and supporting each,
A gas manifold provided with the support plate so that the internal space of the manifold communicates with one end of each of the gas flow paths of the plurality of cells;
A fuel cell stack structure comprising:
The shape of the side surface of one end of each cell has a second longitudinal direction,
One or a plurality of holes for communicating the internal space of the manifold and one end of the plurality of cells are formed on the surface of the support plate,
The shape of each hole has a direction of an axis of symmetry with respect to line symmetry,
One end of each cell is positioned corresponding to the corresponding hole so that the corresponding second longitudinal direction is along the direction of the symmetry axis of the corresponding hole;
The bonding material is provided so as to fill a space existing between the hole and one end of the cell at each of the bonding portions between the holes and the corresponding one end of the cell. The hole and the corresponding one end of the cell are joined together,
A stack structure of a fuel cell, wherein a maximum value of a corresponding inclination angle of the second longitudinal direction with respect to a direction of the symmetry axis of each of the plurality of cells is 5.0 ° or less.
前記各セルが支持板の表面から前記第1長手方向に沿ってそれぞれ突出し且つ前記複数のセルがスタック状に整列するように、前記各セルの前記第1長手方向の一端部を接合材を用いてそれぞれ接合・支持する支持板と、
マニホールドの内部空間と前記複数のセルの前記ガス流路のそれぞれの一端部とが連通するように、前記支持板が設けられるガスのマニホールドと、
を備えた燃料電池のスタック構造体であって、
前記各セルの一端部の側面の形状は、第2長手方向を有し、
前記支持板の表面には、前記マニホールドの内部空間と前記複数のセルの一端部とを連通するための複数の挿入孔が前記複数のセルのそれぞれに対応して形成され、
前記各挿入孔の形状は、線対称に関する対称軸の方向を有し、
前記各セルの一端部が、対応する前記第2長手方向が対応する前記挿入孔の前記対称軸の方向に沿うように、対応する前記挿入孔に遊嵌され、
前記接合材が、前記各挿入孔と対応する前記セルの一端部との接合部のそれぞれにおいて前記挿入孔の内壁と前記セルの一端部の外壁との間に存在する隙間に少なくとも進入するよう設けられることによって、前記各挿入孔と対応する前記セルの一端部とがそれぞれ接合され、
前記複数のセルのそれぞれについての対応する前記挿入孔の前記対称軸の方向に対する対応する前記第2長手方向の傾き角のうちの最大値が5.0°以下である、燃料電池のスタック構造体。 Each of which has a flat plate shape having a first longitudinal direction and in which a gas flow path along the first longitudinal direction is formed, a support substrate provided on the surface of the support substrate, and at least an inner electrode and a solid electrolyte And a plurality of plate-like cells including a power generation element portion in which outer electrodes are laminated in this order,
A bonding material is used for one end of each of the cells in the first longitudinal direction so that each of the cells protrudes from the surface of the support plate along the first longitudinal direction and the plurality of cells are arranged in a stack. A support plate for joining and supporting each,
A gas manifold provided with the support plate so that the internal space of the manifold communicates with one end of each of the gas flow paths of the plurality of cells;
A fuel cell stack structure comprising:
The shape of the side surface of one end of each cell has a second longitudinal direction,
In the surface of the support plate, a plurality of insertion holes for communicating the internal space of the manifold and one end of the plurality of cells are formed corresponding to each of the plurality of cells,
The shape of each insertion hole has a direction of a symmetry axis with respect to line symmetry,
One end of each cell is loosely fitted into the corresponding insertion hole so that the corresponding second longitudinal direction is along the direction of the symmetry axis of the corresponding insertion hole,
The bonding material is provided so as to enter at least a gap existing between the inner wall of the insertion hole and the outer wall of the one end of the cell at each of the bonding portions between the insertion holes and the corresponding one end of the cell. The one end of each cell corresponding to each insertion hole is joined,
The stack structure of the fuel cell, wherein the maximum value of the corresponding inclination angles of the second longitudinal direction with respect to the direction of the symmetry axis of the insertion hole for each of the plurality of cells is 5.0 ° or less. .
前記複数のセルのそれぞれについての前記傾き角のうちの最小値が0.23°以上である、燃料電池のスタック構造体。 In the fuel cell stack structure according to claim 1 or 2,
A stack structure of a fuel cell, wherein a minimum value of the inclination angles for each of the plurality of cells is 0.23 ° or more.
前記複数のセルのそれぞれについての前記傾き角の標準偏差が0.19°以上4.2°以下である、燃料電池のスタック構造体。 The fuel cell stack structure according to any one of claims 1 to 3,
A stack structure of a fuel cell, wherein a standard deviation of the tilt angle for each of the plurality of cells is 0.19 ° or more and 4.2 ° or less.
前記接合体は、結晶化ガラスで構成された、燃料電池のスタック構造体。 The fuel cell stack structure according to any one of claims 1 to 4,
The joined body is a stack structure of a fuel cell made of crystallized glass.
前記各接合部に設けられた前記接合体は、前記接合体の表面を含む前記表面の近傍に位置する外側部分と、前記外側部分より前記接合体の内部に位置し且つ前記外側部分より気孔率が大きい内側部分と、から構成された、燃料電池のスタック構造体。 The fuel cell stack structure according to claim 5,
The joined body provided in each joined portion includes an outer portion located in the vicinity of the surface including the surface of the joined body, a position located inside the joined body from the outer portion, and a porosity from the outer portion. A fuel cell stack structure, comprising a large inner portion.
前記外側部分の気孔率は1〜5%であり、前記内側部分の気孔率は5〜25%である、燃料電池のスタック構造体。 The fuel cell stack structure according to claim 6,
The fuel cell stack structure, wherein the outer portion has a porosity of 1 to 5% and the inner portion has a porosity of 5 to 25%.
隣接する前記セルの間の空間には、前記隣接するセルの間を電気的に直列に接続するための集電部材が介在し、前記集電部材は、前記隣接するセルのそれぞれに対して前記隣接するセルの間隔を広げる方向の弾性力を与えるように構成された、燃料電池のスタック構造体。 The stack structure of the fuel cell according to any one of claims 1 to 7,
A current collecting member for electrically connecting the adjacent cells in series is interposed in the space between the adjacent cells, and the current collecting member is provided for each of the adjacent cells. A fuel cell stack structure configured to provide an elastic force in a direction of widening the interval between adjacent cells.
前記平板状のセルは、
ガス流路が内部に形成された平板状の多孔質の前記支持基板と、
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、及び外側電極がこの順に積層されてなる複数の前記発電素子部と、
1組又は複数組の隣り合う前記発電素子部の間にそれぞれ設けられ、隣り合う前記発電素子部の一方の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、
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凹部がそれぞれ形成され、
前記各凹部に、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た、燃料電池のスタック構造体。 The fuel cell stack structure according to any one of claims 1 to 8,
The flat cell is
A flat porous support substrate having a gas flow path formed therein;
A plurality of power generating element portions provided respectively at a plurality of locations separated from each other on the main surface of the flat support substrate, wherein at least an inner electrode, a solid electrolyte, and an outer electrode are laminated in this order;
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
With
Recesses having a bottom wall made of the material of the support substrate and side walls closed in the circumferential direction made of the material of the support substrate all around the plurality of locations on the main surface of the flat support substrate, respectively. Formed,
A fuel cell stack structure in which the corresponding inner electrode of the power generation element portion is embedded in each of the recesses.
前記平板状のセルは、
ガス流路が内部に形成された平板状の多孔質の前記支持基板と、
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、及び外側電極がこの順に積層されてなる複数の前記発電素子部と、
1組又は複数組の隣り合う前記発電素子部の間にそれぞれ設けられ、隣り合う前記発電素子部の一方の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、
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、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第2凹部がそれぞれ形成され、
前記各第2凹部に、対応する前記電気的接続部の前記第1部分がそれぞれ埋設された、燃料電池のスタック構造体。 The fuel cell stack structure according to any one of claims 1 to 8,
The flat cell is
A flat porous support substrate having a gas flow path formed therein;
A plurality of power generating element portions provided respectively at a plurality of locations separated from each other on the main surface of the flat support substrate, wherein at least an inner electrode, a solid electrolyte, and an outer electrode are laminated in this order;
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
With
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,
Second recesses having a bottom wall made of the material of the inner electrode and a circumferentially closed side wall made of the material of the inner electrode are formed on the outer surface of each embedded inner electrode. ,
A fuel cell stack structure in which the first portions of the corresponding electrical connection portions are embedded in the second recesses, respectively.
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