JP2015076339A - Fuel battery - Google Patents
Fuel battery Download PDFInfo
- Publication number
- JP2015076339A JP2015076339A JP2013213331A JP2013213331A JP2015076339A JP 2015076339 A JP2015076339 A JP 2015076339A JP 2013213331 A JP2013213331 A JP 2013213331A JP 2013213331 A JP2013213331 A JP 2013213331A JP 2015076339 A JP2015076339 A JP 2015076339A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel electrode
- seal
- fuel cell
- fuel
- seal portion
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Description
本発明は、燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell.
従来より、「ガス流路が内部に形成された支持基板」と、「前記支持基板の主面における互いに離れた複数の箇所にそれぞれ設けられ、少なくとも燃料極、固体電解質、及び空気極が積層されてなる複数の発電素子部」と、「1組又は複数組の隣り合う前記発電素子部の間にそれぞれ設けられ、隣り合う前記発電素子部の一方の燃料極と他方の空気極とを電気的に接続する1つ又は複数の電気的接続部」と、「1組又は複数組の隣り合う前記発電素子部の間にそれぞれ設けられ、前記燃料極に供給される第1のガスと前記空気極に供給される第2のガスとの混合を防止する緻密な構成材料からなるガスシール部」と、を備えた燃料電池が知られている(例えば、特許文献1を参照)。このような構成は、「横縞型」とも呼ばれる。 Conventionally, “a support substrate having a gas flow path formed therein” and “provided respectively at a plurality of locations apart from each other on the main surface of the support substrate, and at least a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are stacked. A plurality of power generation element portions ”and“ one set of or a plurality of sets of adjacent power generation element portions, and electrically connecting one fuel electrode and the other air electrode of the adjacent power generation element portions ”. One or a plurality of electrical connecting portions connected to the first electrode and the air electrode provided between the one or a plurality of adjacent power generation element portions and supplied to the fuel electrode, respectively. There is known a fuel cell including a gas seal portion made of a dense constituent material that prevents mixing with the second gas supplied to the gas (see, for example, Patent Document 1). Such a configuration is also called a “horizontal stripe type”.
この文献に記載の燃料電池では、前記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、前記支持基板の材料からなる側壁と、を有する第1凹部がそれぞれ形成されている。前記各第1凹部に、対応する前記発電素子部の前記燃料極がそれぞれ埋設されている。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(インターコネクタ)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(空気極集電膜)とで構成され、前記第1部分は、前記隣り合う発電素子部の一方の燃料極と前記第2部分とに接続され、前記第2部分は、前記隣り合う発電素子部の他方の空気極と前記第1部分とに接続されている。 In the fuel cell described in this document, first recesses each having a bottom wall made of the material of the support substrate and a side wall made of the material of the support substrate at the plurality of locations on the main surface of the support substrate, respectively. Is formed. The fuel electrode of the corresponding power generation element portion is embedded in each first recess. Each of the electrical connection portions includes a first portion (interconnector) made of a dense material, and a second portion (air electrode current collector membrane) connected to the first portion and made of a porous material. The first portion is connected to one fuel electrode of the adjacent power generation element portion and the second portion, and the second portion is connected to the other air electrode of the adjacent power generation element portion. Connected to the first portion.
ところで、上記の構成を有する燃料電池では、前記ガスシール部のガスシール機能の低下を確実に抑制することが要求される。このため、本発明者は、特願2013−122592号にて、前記ガスシール部について以下の構成を既に提案している。即ち、前記ガスシール部における前記埋設された各燃料極の外側面を覆う部分では、前記ガスシール部は、前記発電素子部の一部としての緻密な前記固体電解質と、前記固体電解質と接続されるとともに前記固体電解質と同じ又は異なる緻密な構成材料からなる第1シール部と、前記第1シール部と接続されるとともに前記第1シール部とは異なる緻密な構成材料からなる第2シール部と、前記第2シール部と接続された前記電気的接続部の第1部分と、を含み、前記第1シール部と前記電気的接続部の第1部分とは接触しないように構成される。 By the way, in the fuel cell having the above-described configuration, it is required to reliably suppress the deterioration of the gas seal function of the gas seal portion. For this reason, this inventor has already proposed the following structure about the said gas seal part in Japanese Patent Application No. 2013-122592. That is, in the portion covering the outer surface of each buried fuel electrode in the gas seal portion, the gas seal portion is connected to the dense solid electrolyte as a part of the power generation element portion and the solid electrolyte. And a first seal portion made of a dense constituent material that is the same as or different from the solid electrolyte, and a second seal portion made of a dense constituent material that is connected to the first seal portion and is different from the first seal portion. And a first part of the electrical connection part connected to the second seal part, wherein the first seal part and the first part of the electrical connection part are configured not to contact each other.
上記ガスシール部の構成において、前記第2シール部は緻密な材料で構成され、前記燃料極は多孔質の材料で構成される。従って、前記第2シール部と前記燃料極との界面は、緻密層と多孔質層との境界となる。 In the gas seal part, the second seal part is made of a dense material, and the fuel electrode is made of a porous material. Therefore, the interface between the second seal portion and the fuel electrode is a boundary between the dense layer and the porous layer.
本発明者は、このように、緻密層と多孔質層との境界となる「前記第2シール部と前記燃料極との界面」に着目した。そして、本発明者は、この界面の接合状態(接触状態)に関し、接合強度が大きくなる条件を見出した。 In this way, the inventor has paid attention to the “interface between the second seal portion and the fuel electrode” which is a boundary between the dense layer and the porous layer. And this inventor discovered the conditions which joining strength becomes large regarding the joining state (contact state) of this interface.
即ち、本発明は、ガス流路が内部に形成された支持基板の主面に形成された凹部に内側電極が埋設された燃料電池であって、「ガスシール部の一部である第2シール部と、燃料極との界面」の接合状態に関し、接合強度が大きいものを提供することを目的とする。 That is, the present invention relates to a fuel cell in which an inner electrode is embedded in a recess formed in a main surface of a support substrate in which a gas flow path is formed, and “a second seal that is a part of a gas seal portion”. An object of the present invention is to provide a high bonding strength with respect to the bonding state of the “interface between the fuel cell and the fuel electrode”.
本発明に係る燃料電池の前記ガスシール部は、上記と同様、前記発電素子部の一部としての緻密な前記固体電解質と、前記固体電解質と接続されるとともに前記固体電解質と同じ又は異なる緻密な構成材料からなる第1シール部と、前記第1シール部と接続されるとともに前記第1シール部とは異なる緻密な構成材料からなる第2シール部と、前記第2シール部と接続された前記電気的接続部の第1部分と、を含んで構成される。 The gas seal part of the fuel cell according to the present invention is connected to the dense solid electrolyte as a part of the power generation element part and the dense electrolyte that is the same as or different from the solid electrolyte and connected to the solid electrolyte, as described above. The first seal part made of a constituent material, the second seal part made of a dense constituent material that is connected to the first seal part and different from the first seal part, and the second seal part connected to the second seal part And a first portion of the electrical connection portion.
本発明に係る燃料電池の特徴は、前記燃料電池が還元雰囲気で熱処理が施された還元体である状態において、「前記第2シール部と前記燃料極とを含む断面における前記第2シール部と前記燃料極との界面に対応する線である境界線の長さ」に対する、「前記境界線上において前記第2シール部と前記燃料極とが接触している複数の部分の長さの合計」の割合である「接合率」が36〜78%であることにある。 The fuel cell according to the present invention is characterized in that, in a state where the fuel cell is a reductant that has been heat-treated in a reducing atmosphere, “the second seal portion in a cross section including the second seal portion and the fuel electrode” For "the length of the boundary line corresponding to the interface with the fuel electrode", "the total length of the plurality of portions where the second seal portion and the fuel electrode are in contact with each other on the boundary line" The “joining rate” as a ratio is 36 to 78%.
後述するように、本発明者は、「接合率」が36〜78%である場合、「接合率」が36〜78%でない場合と比べて、「前記第2シール部と前記燃料極との界面」において、接合強度が大きくなることを見出した。 As will be described later, the present inventor found that when the “joining rate” is 36 to 78%, compared with the case where the “joining rate” is not 36 to 78%, “the second seal portion and the fuel electrode It has been found that the bonding strength increases at the “interface”.
加えて、後述するように、本発明者は、前記燃料電池が還元雰囲気で熱処理が施された還元体である状態において、「接合率」が36〜78%である場合において、前記境界線上において前記第2シール部と前記燃料極とが接触している前記複数の部分の長さの平均である「接合幅」が0.3〜3.3μmであると、接合強度が特に大きくなることも見出した。 In addition, as will be described later, in the state where the fuel cell is a reductant that has been heat-treated in a reducing atmosphere and the “joining rate” is 36 to 78%, When the “joining width”, which is the average of the lengths of the plurality of portions in contact with the second seal portion and the fuel electrode, is 0.3 to 3.3 μm, the joining strength may be particularly increased. I found it.
(構成)
図1は、本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池(SOFC)の構造体を示す。このSOFCの構造体は、長手方向(x軸方向)を有する平板状の支持基板10の上下面(互いに平行な両側の主面(平面))のそれぞれに、電気的に直列に接続された複数(本例では、4つ)の同形の発電素子部Aが長手方向において所定の間隔をおいて配置された、所謂「横縞型」と呼ばれる構成を有する。
(Constitution)
FIG. 1 shows a structure of a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention. This SOFC structure is electrically connected in series to the upper and lower surfaces (main surfaces (planes) on both sides parallel to each other) of the
このSOFCの構造体の全体を上方からみた形状は、例えば、長手方向の辺の長さが50〜500mmで長手方向に直交する幅方向(y軸方向)の長さが10〜100mmの長方形である。このSOFCの構造体の全体の厚さは、1〜5mmである。このSOFCの構造体の全体は、厚さ方向の中心を通り且つ支持基板10の主面に平行な面に対して上下対称の形状を有する。以下、図1に加えて、このSOFCの構造体の図1に示す2−2線に対応する部分断面図である図2を参照しながら、このSOFCの構造体の詳細について説明する。図2は、代表的な1組の隣り合う発電素子部A,Aのそれぞれの構成(の一部)、並びに、発電素子部A,A間の構成を示す部分断面図である。その他の組の隣り合う発電素子部A,A間の構成も、図2に示す構成と同様である。
The shape of the entire SOFC structure as viewed from above is, for example, a rectangle having a length of 50 to 500 mm in the longitudinal direction and a length in the width direction (y-axis direction) perpendicular to the longitudinal direction of 10 to 100 mm. is there. The total thickness of the SOFC structure is 1 to 5 mm. The entire SOFC structure has a vertically symmetrical shape with respect to a plane passing through the center in the thickness direction and parallel to the main surface of the
支持基板10は、電子伝導性を有さない多孔質の材料からなる平板状の焼成体である。後述する図6に示すように、支持基板10の内部には、長手方向に延びる複数(本例では、6本)の燃料ガス流路11(貫通孔)が幅方向において所定の間隔をおいて形成されている。本例では、各凹部12は、支持基板10の材料からなる底壁と、全周に亘って支持基板10の材料からなる周方向に閉じた側壁(長手方向に沿う2つの側壁と幅方向に沿う2つの側壁)と、で画定された直方体状の窪みである。
The
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
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
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
支持基板10の厚さは、1〜5mmである。支持基板10の気孔率は、後述する「還元処理」の後において20〜60%である。なお、以下、他の部材の気孔率の値も、還元処理後の値である。なお、気孔率の測定は,樹脂埋めしたサンプル(還元処理後)の断面を研磨し、同断面についてのSEM(走査型電子顕微鏡)による画像(2次電子像)を解析することによって行われた。SEMの加速電圧は5kV、SEMの倍率は5000倍、又は7500倍に設定された。気孔率の測定は、サンプルの任意の10箇所の断面について行われ、それらの平均値が気孔率の値として採用された。
The thickness of the
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。
Hereinafter, only the configuration on the upper surface side of the
図2及び図3に示すように、支持基板10の上面(上側の主面)に形成された各凹部12には、燃料極集電部21の全体が埋設(充填)されている。従って、各燃料極集電部21は直方体状を呈している。各燃料極集電部21の上面(外側面)には、凹部21aが形成されている。各凹部21aは、燃料極集電部21の材料からなる底壁と、全周に亘って燃料極集電部21の材料からなる周方向に閉じた側壁(長手方向に沿う2つの側壁と、幅方向に沿う2つの側壁)と、で画定された直方体状の窪みである。
As shown in FIGS. 2 and 3, the entire fuel electrode
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4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
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。燃料極集電部21の気孔率は、25〜50%であり、燃料極活性部22の気孔率も、25〜50%である。
The fuel electrode
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素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素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
各燃料極集電部21の上面(外側面)における凹部21aを除いた部分には、凹部21bが形成されている。各凹部21bは、燃料極集電部21の材料からなる底壁と、全周に亘って燃料極集電部21の材料からなる周方向に閉じた側壁(長手方向に沿う2つの側壁と、幅方向に沿う2つの側壁)と、で画定された直方体状の窪みである。
A
各凹部21bには、インターコネクタ30、並びに、シール部35(前記「第2シール部」に対応)が埋設(充填)されている。具体的には、図3に示すように、各凹部21b内において、インターコネクタ30は、凹部21bにおける中央部に埋設(配置)されている。各インターコネクタ30は、長手方向に沿う2つの側壁と幅方向に沿う2つの側壁とを有する直方体状を呈している。シール部35は、凹部21bにおけるインターコネクタ30の周囲に位置する周縁部にて、凹部21bの側壁(内壁)の全周、及び、インターコネクタ30の外周の側壁の全周と接触するように埋設(充填)されている。即ち、各シール部35は四角の枠状を呈している。各インターコネクタ30の側面は燃料極20(集電部21)と接触していない一方で、各インターコネクタ30の底面の全域は、燃料極20(集電部21)と接触している。
In each
インターコネクタ30は、電子伝導性を有する緻密な材料からなる焼成体である。インターコネクタ30は、例えば、ランタンクロマイト(LC)から構成され得る。ランタンクロマイトの化学式は、La1−xAxCr1−y−zByO3(ただし、A:Ca,Sr,Baから選択される少なくとも1種類の元素、B:Co,Ni,Mg,Alから選択される少なくとも1種類の元素、0.05≦x≦0.2、0.02≦y≦0.22、0≦z≦0.05)で表わされる。
The
或いは、インターコネクタ30は、チタン酸化物から構成され得る。チタン酸化物の化学式は、(A1−x,Bx)1−z(Ti1−y,Dy)O3(ただし、A:アルカリ土類元素から選択される少なくとも1種類の元素、B:Sc,Y,及びランタノイド元素から選択される少なくとも1種類の元素、D:第4周期、第5周期、第6周期の遷移金属、及びAl,Si,Zn,Ga,Ge,Sn,Sb,Pb,Biから選択される少なくとも1種類の元素、0≦x≦0.5、0≦y≦0.5、−0.05≦z≦0.05)で表わされる。この場合、(Sr,La)TiO3(ストロンチウムチタネート)から構成され得る。インターコネクタ30の厚さは、10〜100μmである。インターコネクタ30の気孔率は、10%以下である。
Alternatively, the
シール部35は、電気絶縁性を有する緻密な材料からなる焼成体である。シール部35は、例えば、金属酸化物を含有し、好ましくは金属酸化物を主成分とする。具体的には、上記金属酸化物として、(AE)ZrO3、MgO、MgAl2O4、及びCexLn1−xO2からなる群より選択される少なくとも1種類の酸化物を含有してもよい。ここで、AEは、アルカリ土類金属であり、Lnは、Y及びランタノイドからなる群より選択される少なくとも1種類の元素であり、xは0<x≦0.3を満たす。AEに該当する元素としては、Mg,Ca,Sr,及びBaが挙げられる。また、微量成分として、遷移金属酸化物(例えば、NiO、Mn3O4、Fe2O3、Cr2O3、CoO)が含まれても良い。これらの成分は、酸化物として存在していても良いし、上記「(AE)ZrO3、MgO、MgAl2O4、及びCexLn1−xO2からなる群より選択される少なくとも1種類の酸化物」に固溶する形で存在していても良い。金属酸化物の平均粒径は0.1〜5.0μmが好ましく、さらに好ましくは0.3〜4.0μmである。シール部35の厚さは、10〜100μmである。シール部35の気孔率は、10%以下である。
The
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、シール部35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の上面とシール部35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
燃料極20、インターコネクタ30、及びシール部35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(主面を含む)において複数のシール部35及びインターコネクタ30に対応する部分を除いた全面は、固体電解質膜40により覆われている。より具体的には、図4に示すように、固体電解質膜40は、シール部35の外側面の周縁部の全周を覆うように、支持基板10の主面上に形成されている。この結果、シール部35とインターコネクタ30とが接触し、シール部35と固体電解質膜40とが接触する一方で、インターコネクタ30と固体電解質膜40とは接触していない。
A plurality of
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。固体電解質膜40の気孔率は、10%以下である。
The
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とシール部35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
なお、図2に示すように、本例では、固体電解質膜40が平坦化されている。この結果、固体電解質膜40に段差が形成される場合に比して、応力集中に起因する固体電解質膜40でのクラックの発生が抑制され得、固体電解質膜40が有するガスシール機能の低下が抑制され得る。
As shown in FIG. 2, in this example, the
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
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
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
ここで、燃料極20と、固体電解質膜40と、反応防止膜50と、空気極60とが積層されてなる積層体が、「発電素子部A」に対応する(図2を参照)。即ち、支持基板10の上面には、複数(本例では、4つ)の発電素子部Aが、長手方向において所定の間隔をおいて配置されている。
Here, the laminated body formed by laminating the
各組の隣り合う発電素子部A,Aについて、一方の(図2では、左側の)発電素子部Aの空気極60と、他方の(図2では、右側の)発電素子部Aのインターコネクタ30とを跨ぐように、空気極60、固体電解質膜40、及び、インターコネクタ30の上面に、空気極集電膜70が形成されている。空気極集電膜70は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。空気極集電膜70を上方からみた形状は、長方形である。
For each pair of adjacent power generation element portions A and A, the
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。空気極集電膜70の気孔率は、20〜60%である。
The air electrode
このように各空気極集電膜70が形成されることにより、各組の隣り合う発電素子部A,Aについて、一方の(図2では、左側の)発電素子部Aの空気極60と、他方の(図2では、右側の)発電素子部Aの燃料極20(特に、燃料極集電部21)とが、電子伝導性を有する「空気極集電膜70及びインターコネクタ30」を介して電気的に接続される。この結果、支持基板10の上面に配置されている複数(本例では、4つ)の発電素子部Aが電気的に直列に接続される。ここで、電子伝導性を有する「空気極集電膜70及びインターコネクタ30」が前記「電気的接続部」に対応し、インターコネクタ30が前記「電気的接続部の第1部分」に対応し、空気極集電膜70が前記「電気的接続部の第2部分」に対応する。また、緻密な材料からなる「インターコネクタ30、シール膜35、及び、固体電解質膜40」が前記「ガスシール部」に対応する。なお、本願では、「緻密な材料」とは、ガスシール機能を有する程度に小さい気孔率を有する材料を指し、典型的には、その材料の気孔率が10%以下である。
By forming each air electrode
以上、説明した「横縞型」のSOFCの構造体に対して、図5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 shown in FIG. 5, the fuel gas (hydrogen gas or the like) flows through the fuel
(1/2) · O 2 + 2e − → O 2− (where: air electrode 60) (1)
H 2 + O 2− → H 2 O + 2e − (in the fuel electrode 20) (2)
発電状態においては、図6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5に示すように、このSOFCの構造体全体から(具体的には、図5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. 6, 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. 5, from the entire SOFC structure (specifically, in FIG. 5, the
(製造方法)
次に、図1に示した「横縞型」のSOFCの構造体の製造方法の一例について図7〜図16を参照しながら簡単に説明する。図7〜図16において、各部材の符号の末尾の「g」は、その部材が「焼成前」であることを表す。
(Production method)
Next, an example of a manufacturing method of the “horizontal stripe type” SOFC structure shown in FIG. 1 will be briefly described with reference to FIGS. 7 to 16, “g” at the end of the symbol of each member indicates that the member is “before firing”.
先ず、図7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7に示す8−8線に対応する部分断面を表す図8〜図16を参照しながら説明を続ける。
First, a support substrate molded
図8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9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10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. 8, when the support substrate molded
続いて、図11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の中央部に、直方体状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. 11, each concave portion formed in “the portion excluding the portion where the molded
次いで、図12に示すように、前記各凹部の成形体30gの周囲に位置する周縁部に、シール材の成形体35gがそれぞれ埋設・形成される。各シール材の成形体35gは、例えば、シール部35の材料(例えば、MgO、或いは、MgOとCaZrO3のコンポジット材料)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。
Next, as shown in FIG. 12, a molded
次に、図13に示すように、複数の燃料極の成形体(21g+22g)及び複数の成形体30g、35g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成形体30g、35gが形成されたそれぞれの部分を除いた全面に、固体電解質膜の成形膜40gが形成される。固体電解質膜の成形膜40gは、例えば、固体電解質膜40の材料(例えば、YSZ)の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法、ディッピング法等を利用して形成される。
Next, as shown in FIG. 13, the outer peripheral surface extending in the longitudinal direction in the molded
次に、図14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. 14, a molded
そして、このように種々の成形膜が形成された状態の支持基板の成形体10gが、空気中にて1500℃で3時間焼成される。これにより、図1に示したSOFCの構造体において空気極60及び空気極集電膜70が形成されていない状態の構造体が得られる。
Then, 10 g of the support substrate molded body in which various molded films are thus formed is fired in air at 1500 ° C. for 3 hours. As a result, a structure in which the
次に、図15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. 15, an air
次に、図16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、インターコネクタ30、及びシール部35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. 16, for each pair of adjacent power generation element portions, air is formed so as to straddle the air
そして、このように成形膜60g、70gが形成された状態の支持基板10が、空気中にて1050℃で3時間焼成される。これにより、図1に示したSOFCの構造体が得られる。なお、この時点では、酸素含有雰囲気での焼成により、支持基板10、及び燃料極20中のNi成分が、NiOとなっている。従って、燃料極20の導電性を獲得するため、その後、支持基板10側から還元性の燃料ガスが流され、NiOが700〜1000℃で1〜100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。以上、図1に示したSOFCの構造体の製造方法の一例について説明した。
Then, the
(ガスシール部の構成)
図17に模式的に示すように、上記実施形態では、「インターコネクタ30とシール部35と固体電解質膜40とが連続して接続されてなる緻密層」が、燃料ガスと空気との混合を防止するガスシール機能を発揮している。燃料極20(集電部21)の外側面に形成された凹部21bの周縁部に配置されたシール部35の外側面の一部(周縁部)が固体電解質膜40で覆われている一方で、凹部21bの中央部に配置されたインターコネクタ30の外側面は固体電解質膜40で覆われていない。
(Configuration of gas seal)
As schematically shown in FIG. 17, in the above-described embodiment, the “dense layer in which the
ここで、上記実施形態と比較するための従来例として、図18に示すように、燃料極の外側面に形成された凹部の全体にインターコネクタが埋設(充填)される態様を考える。この場合、ガスシール性の低下の抑制のため、図18に示すように、インターコネクタの外側面の周縁部が電解質膜で覆われる場合が多い。一般に、インターコネクタ(特に、ランタンクロマイトで構成されるインターコネクタ)は、上述した還元処理の際に膨張する性質を有する(還元膨張)。この還元膨張に起因して、インターコネクタの外側面の周縁部と電解質膜の内側面との界面において剥離が発生し、「ガスシール機能」の低下が発生し易いという問題があった。これに対し、上記実施形態では、上述のように、インターコネクタ30の外側面上には緻密膜(固体電解質膜40)が設けられていない。従って、上述したインターコネクタの還元膨張による剥離に起因する「ガスシール機能」の低下が発生しない。即ち、「ガスシール機能」の低下を確実に抑制し得る。
Here, as a conventional example for comparison with the above embodiment, as shown in FIG. 18, a mode in which the interconnector is embedded (filled) in the entire recess formed on the outer surface of the fuel electrode is considered. In this case, in order to suppress a decrease in gas sealing performance, as shown in FIG. 18, the peripheral portion of the outer surface of the interconnector is often covered with an electrolyte membrane. In general, an interconnector (particularly, an interconnector composed of lanthanum chromite) has a property of expanding during the reduction treatment described above (reduction expansion). Due to this reductive expansion, there is a problem that peeling occurs at the interface between the peripheral edge of the outer side surface of the interconnector and the inner side surface of the electrolyte membrane, and the “gas seal function” is likely to deteriorate. On the other hand, in the above embodiment, as described above, the dense membrane (solid electrolyte membrane 40) is not provided on the outer surface of the
また、上記実施形態では、図17に示すように、直方体状のインターコネクタ30の底面の全域が燃料極20(集電部21)と接触しているが、図19に示すように、直方体状のインターコネクタ30の底面における中央部が燃料極20(集電部21)と接触し、インターコネクタ30の底面における前記中央部の周囲に位置する周縁部がシール部35と接触するように構成されてもよい。また、図20に示すように、シール部35の底面における周縁部の一部がインターコネクタ30と接触するように構成されてもよい。
Moreover, in the said embodiment, as shown in FIG. 17, although the whole area of the bottom face of the
また、図21に示すように、インターコネクタ30の底面と燃料極20(集電部21)との間に中間層38が介装されてもよい。中間層38は、インターコネクタ30より導電率が大きい導電材料で構成され、例えば、NiOとY2O3(イットリア)の混合粉末、NiOとGDC(ガドリニアドープセリア)の混合粉末、NiOとLaCrO3の混合粉末、等から構成され得る。この中間層38を挿入することによって、インターコネクタ30と燃料極集電部21との間に存在する界面抵抗を大幅に減少することができる。従って、電流が、「面積が小さいインターコネクタ30の側面」ではなく「面積が大きいインターコネクタ30の底面」を通るように、電流の経路を制御することができ、SOFC全体としての電気抵抗を小さくすることができる。
Further, as shown in FIG. 21, an
図21に示す構成において、固体電解質膜40における「シール部35(前記「第2シール部」に対応)の外側面の周縁部の全周を覆う部分」は、固体電解質膜40に代えて、固体電解質膜40とは構成材料が異なる緻密膜37(前記「第1シール部」に対応)で構成されてもよい。緻密膜37は、例えば、GDC=(Ce,Gd)O2(ガドリニウムドープセリア)で構成され得る。
In the configuration shown in FIG. 21, “the portion covering the entire circumference of the peripheral edge of the outer surface of the seal portion 35 (corresponding to the“ second seal portion ”)” in the
この場合、前記「ガスシール部」における燃料極20(集電部21)の外側面を覆う部分では、前記「ガスシール部」は、前記発電素子部の一部としての固体電解質膜40と、固体電解質膜40と接続されるとともに固体電解質膜40とは異なる構成材料からなる緻密膜37(前記「第1シール部」に対応)と、緻密膜37と接続されるとともに緻密膜37とは異なる緻密な構成材料からなるシール部35(前記「第2シール部」に対応)と、シール部35と接続されたインターコネクタ30と、から構成される。この場合、緻密膜37とインターコネクタ30とが接触せず、且つ、固体電解質膜40とシール部35とが接触しない。
In this case, in the portion covering the outer surface of the fuel electrode 20 (current collector 21) in the “gas seal portion”, the “gas seal portion” includes the
また、図21に示す構成では、燃料極20(集電部21)の外側面に形成された凹部21bにシール部35及びインターコネクタ30が埋設されているが、図22に示すように、凹部21bに、インターコネクタ30のみ(及び、中間層38)が埋設されていてもよい。或いは、図23に示すように、凹部21bにシール部35のみ(及び、中間層38)が埋設されていてもよい。或いは、図24に示すように、燃料極20(集電部21)の外側面に凹部21bが形成されず、インターコネクタ30及びシール部35が支持基板10の主面上に形成されてもよい。
In the configuration shown in FIG. 21, the
図21に示す構成と同様、図22〜図24に示す構成でも、前記「ガスシール部」における燃料極20(集電部21)の外側面を覆う部分では、前記「ガスシール部」は、「前記発電素子部の一部としての固体電解質膜40」と、「固体電解質膜40と接続されるとともに固体電解質膜40と同じ構成材料からなる緻密膜40又は異なる構成材料からなる緻密膜37」(前記「第1シール部」に対応)と、「緻密膜40又は37と接続されるとともに緻密膜40又は37とは異なる緻密な構成材料からなるシール部35」(前記「第2シール部」に対応)と、「シール部35と接続されたインターコネクタ30」と、から構成される。
Similar to the configuration shown in FIG. 21, in the configuration shown in FIGS. 22 to 24, in the portion covering the outer surface of the fuel electrode 20 (current collector 21) in the “gas seal portion”, the “gas seal portion” “
図21に示す構成と同様、図22〜図24に示す構成でも、前記「第1シール部」が緻密膜40(=固体電解質膜40)である場合、緻密膜40(=固体電解質膜40)とインターコネクタ30とが接触しない。前記「第1シール部」が緻密膜37(≠固体電解質膜40)である場合、緻密膜37(≠固体電解質膜40)とインターコネクタ30とが接触せず、且つ、固体電解質膜40とシール部35とが接触しない。
Similar to the configuration shown in FIG. 21, in the configuration shown in FIGS. 22 to 24, when the “first seal portion” is the dense membrane 40 (= solid electrolyte membrane 40), the dense membrane 40 (= solid electrolyte membrane 40). And the interconnector 30 do not contact. When the “first seal portion” is the dense membrane 37 (≠ solid electrolyte membrane 40), the dense membrane 37 (≠ solid electrolyte membrane 40) and the
(シール部と燃料極集電部との界面)
以下、シール部35(特に、シール部35の底面)と燃料極集電部21との界面、即ち、緻密層と多孔質層との境界に着目する。図25は、上記還元処理後の本発明の実施形態に係るシール部35と燃料極集電部21とを含む断面(積層方向(膜の厚さ方向)に沿う断面、各要素(各膜)の平面方向に垂直の断面)を電子顕微鏡で拡大して得られた画像の一例をスケッチした図である。
(Interface between seal part and anode current collector part)
Hereinafter, attention is focused on the interface between the seal portion 35 (particularly, the bottom surface of the seal portion 35) and the anode
本明細書では、この断面においてシール部35(緻密層)と燃料極集電部21(多孔質層)との界面に対応する線(図25に示した例では、線分L)を「境界線」と呼ぶ。この境界線は、例えば、以下のように定義され得る。即ち、断面上において、多孔質層に含まれる多数の気孔のうちで緻密層に面して存在する複数の気孔が抽出される。抽出された複数の気孔のそれぞれについて、気孔内に対応する領域において最も緻密層側の点(図25に示した例では、気孔内に対応する領域において最も上側の点)がプロットされる(図25に示した例では、複数の黒いドットを参照)。プロットされた複数の点と周知の統計的手法の一つ(例えば、最小二乗法)とを用いて、プロットされた複数の点のそれぞれの近傍を通る線(直線、又は曲線)が決定される。この線(図25に示した例では、線分L)が「境界線」となる。なお、図25に示した例では、シール部35が平板状であるために「境界線」が直線になっているが、例えば、シール部35が反っている場合、或いは、湾曲している場合には、「境界線」は曲線となる。また、「境界線」が、直線と曲線との組み合わせで構成されていてもよい。
In this specification, in this cross section, a line corresponding to the interface between the seal portion 35 (dense layer) and the fuel electrode current collector 21 (porous layer) (in the example shown in FIG. 25, a line segment L) is referred to as “boundary. Called “Line”. This boundary line can be defined as follows, for example. That is, a plurality of pores that are present facing the dense layer among a large number of pores included in the porous layer on the cross section are extracted. For each of the plurality of extracted pores, the point on the dense layer side in the region corresponding to the inside of the pore (in the example shown in FIG. 25, the uppermost point in the region corresponding to the inside of the pore) is plotted (FIG. In the example shown in FIG. 25, see a plurality of black dots). Using the plotted points and one of the well-known statistical techniques (eg, least squares method), a line (straight line or curve) passing through each of the plotted points is determined. . This line (in the example shown in FIG. 25, the line segment L) becomes the “boundary line”. In the example shown in FIG. 25, since the
このように定義された「境界線」に対して、「接合率」及び「接合幅」を以下のように定義する。「接合率」は、「境界線」の長さ(図25に示した例では、図中の線分Lの長さ)に対する、「境界線」上においてシール部35と燃料極集電部21とが接触している「複数の部分」(気孔に対応しない複数の部分)の長さの合計の割合、と定義される。「接合幅」は、上記「複数の部分」の長さの平均、と定義される。
With respect to the “boundary line” defined in this way, “joining rate” and “joining width” are defined as follows. The “joining rate” is the length of the “boundary line” (in the example shown in FIG. 25, the length of the line segment L in the figure) on the “boundary line” and the
本発明者は、上記還元処理後において、「接合率」が36〜78%である場合、「接合率」が36〜78%でない場合と比べて、「シール部と燃料極集電部との界面」において、接合強度が大きくなることを見出した。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 found that after the reduction treatment, when the “joining rate” is 36 to 78%, compared with the case where the “joining rate” is not 36 to 78%, It has been found that the bonding strength increases at the “interface”. Hereinafter, test A in which this has been confirmed will be described.
(試験A)
試験Aでは、本実施形態に係る燃料電池の一部である、シール部と燃料極集電部との接合体(以下、「接合体」と呼ぶ。)について、シール部、燃料極集電部の材質、及び、「接合率」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20個のサンプル(N=20)が作製された。
(Test A)
In the test A, a seal part and a fuel electrode current collector part, which are a part of the fuel cell according to the present embodiment, are a seal part and a fuel electrode current collector part (hereinafter referred to as “joint body”). A plurality of samples having different combinations of materials and “joining rate” were produced. Specifically, as shown in Table 1, 10 types (combinations) were prepared. Twenty samples (N = 20) were made for each level.
各サンプル(接合体)としては、上方からみた形状が円形(直径:約2cm)で厚さが約1mmのシール部と、上方からみた形状が円形(直径:約1cm)で厚さが約100μmの燃料極集電部と、が積層された積層体が使用された。各サンプル(接合体)は、シール部と燃料極集電部とが共焼成されて作製された。「接合率」の調整は、燃料極集電部の焼成に使用される粉末(NiO粉末等)の粒径及び比表面積、有機成分(バインダー、造孔材)の量、並びに、シール部及び燃料極集電部の共焼成温度等を調整することにより達成された。 Each sample (joint) has a circular shape (diameter: about 2 cm) and a thickness of about 1 mm as viewed from above, and a circular shape (diameter: about 1 cm) and a thickness of about 100 μm as viewed from above. A laminated body in which a fuel electrode current collector was laminated. Each sample (joined body) was produced by co-firing a seal part and a fuel electrode current collector part. Adjustment of the “joining rate” is made by adjusting the particle size and specific surface area of powder (NiO powder, etc.) used for firing the fuel electrode current collector, the amount of organic components (binder, pore former), the seal part and the fuel. This was achieved by adjusting the co-firing temperature of the pole current collector.
具体的には、粉末の平均粒径は、0.5〜5μmの範囲内で調整された。粉末の比表面積は、3〜30m2/gの範囲内で調整された。有機成分の量(重量)は、粉体の全重量に対して10〜50%の範囲内で調整された。造孔材としては、セルロース、カーボン、PMMA等が使用された。共焼成温度は、850〜1300℃の範囲内で調整された。焼成時間は、1〜20時間の範囲内で調整された。この焼成後に、各サンプルに対して上記還元処理が行われた。この還元処理は、各サンプルを800℃の水素雰囲気に5時間曝すことによって行われた。 Specifically, the average particle diameter of the powder was adjusted within a range of 0.5 to 5 μm. The specific surface area of the powder was adjusted within a range of 3 to 30 m 2 / g. The amount (weight) of the organic component was adjusted within a range of 10 to 50% with respect to the total weight of the powder. Cellulose, carbon, PMMA, etc. were used as the pore former. The co-firing temperature was adjusted within the range of 850 to 1300 ° C. The firing time was adjusted within a range of 1 to 20 hours. After the firing, the above reduction treatment was performed on each sample. This reduction treatment was performed by exposing each sample to a hydrogen atmosphere at 800 ° C. for 5 hours.
そして、各サンプル(接合体、還元処理後)について、引張強度が測定された。この測定は以下のようになされた。即ち、サンプル(接合体)の上下面(シール部の上面、及び燃料極集電部の下面)にそれぞれ、引張試験用の治具が貼り付けられた。上下の治具に対して上下方向に引き離す力(引っ張り力)が加えられ、この引っ張り力が徐々に増大された。サンプル(接合体)の接合部位(シール部と燃料極集電部との界面近傍の部位)が剥離する際の引っ張り力の大きさ(以下、「引張強度」と呼ぶ。)が測定された。引張強度の測定結果は表1に示すとおりである。測定結果としては、各水準についてN=20の平均値が採用された。 And the tensile strength was measured about each sample (joined body, after a reduction process). This measurement was made as follows. That is, jigs for a tensile test were attached to the upper and lower surfaces (the upper surface of the seal portion and the lower surface of the fuel electrode current collector), respectively. A force (tensile force) for pulling up and down was applied to the upper and lower jigs, and this tensile force was gradually increased. The magnitude of the tensile force (hereinafter referred to as “tensile strength”) at the time when the joining part (site near the interface between the seal part and the fuel electrode current collector) of the sample (joined body) peeled was measured. The measurement results of the tensile strength are as shown in Table 1. As a measurement result, an average value of N = 20 was adopted for each level.
表1から理解できるように、「接合率」が36%未満である場合、引張強度が小さい。 As can be understood from Table 1, when the “joining rate” is less than 36%, the tensile strength is small.
また、「接合率」が78%より大きい場合も引張強度が小さい。これは、理由は明確ではないが、以下のように考えられる。つまり、「接合率」が大きくなるということは、即ち、接合界面におけるシール部と燃料極集電部との焼結が進行したことを意味する。焼結が進行すると、それぞれの元素は相互に拡散し、接合界面に異なる組成の相が生成される。係る異相が生成されると、それが接合界面の剥離の基点となり得る。 Further, when the “joining rate” is larger than 78%, the tensile strength is small. The reason for this is not clear, but is considered as follows. In other words, an increase in the “joining rate” means that sintering of the seal portion and the fuel electrode current collector at the joining interface has progressed. As the sintering proceeds, the respective elements diffuse to each other, and phases having different compositions are generated at the bonding interface. When such a heterogeneous phase is generated, it can be a starting point for debonding of the bonding interface.
以上のことから、「接合率」が大きいと、上述した「接合率」が小さい場合と同様、引張強度が小さくなる、と考えられる。 From the above, it is considered that when the “joining rate” is large, the tensile strength becomes small as in the case where the “joining rate” is small.
一方、「接合率」が36〜78%である場合、「接合率」が36〜78%でない場合と比べて、引張強度が大きい。即ち、上記還元処理後において、「接合率」が36〜78%である場合、「接合率」が36〜78%でない場合と比べて、「シール部と燃料極集電部との界面」において、接合強度が大きい、ということができる。 On the other hand, when the “joining rate” is 36 to 78%, the tensile strength is larger than when the “joining rate” is not 36 to 78%. In other words, after the reduction treatment, when the “joining rate” is 36 to 78%, compared to the case where the “joining rate” is not 36 to 78%, the “interface between the seal portion and the fuel electrode current collector”. It can be said that the bonding strength is high.
また、本発明者は、上記還元処理後において、「接合率」が36〜78%である場合において、「接合幅」が0.3〜3.3μmであると、「シール部と燃料極集電部との界面」において、特に接合強度が大き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, after the reduction treatment, when the “joining rate” is 36 to 78% and the “joining width” is 0.3 to 3.3 μm, It has also been found that the bonding strength is particularly increased at the “interface with the electric part”. Hereinafter, test B in which this has been confirmed will be described.
(試験B)
試験Bでも、試験Aと同様、本実施形態に係る燃料電池の一部である、シール部と燃料極集電部との「接合体」について、シール部の材質、燃料極集電部の材質、「接合率」、及び「接合幅」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20個のサンプル(N=20)が作製された。各サンプル(接合体)の形状は試験Aのものと同形とされた。各サンプル(接合体、還元処理後)の「接合率」は全て、36〜78%の範囲内となっている。「接合幅」の調整も、「接合率」の調整と同様、燃料極集電部の焼成に使用される粉末(NiO粉末等)の粒径及び比表面積、有機成分(バインダー、造孔材)の量、及び、共焼成温度等を調整することにより達成された。粉末の平均粒径、粉末の比表面積、有機成分の量(重量)、焼成温度、並びに焼成時間のそれぞれの調整範囲は、上述した試験Aの場合と同じである。還元処理の条件も、上述した試験Aの場合と同じである。
(Test B)
In Test B as well as Test A, regarding the “joint” of the seal portion and the anode current collector that is a part of the fuel cell according to the present embodiment, the material of the seal portion and the material of the anode current collector A plurality of samples having different combinations of “joining rate” and “joining width” were produced. Specifically, as shown in Table 2, ten kinds of levels (combinations) were prepared. Twenty samples (N = 20) were made for each level. The shape of each sample (joint) was the same as that of Test A. The “joining rate” of each sample (joined body, after reduction treatment) is in the range of 36 to 78%. Adjusting the “joining width” is the same as adjusting the “joining rate”, the particle diameter and specific surface area of the powder (NiO powder, etc.) used for firing the fuel electrode current collector, organic components (binder, pore former) This was achieved by adjusting the amount of selenium and the co-firing temperature. Each adjustment range of the average particle diameter of the powder, the specific surface area of the powder, the amount (weight) of the organic component, the firing temperature, and the firing time is the same as in the case of Test A described above. The conditions for the reduction treatment are also the same as in the case of test A described above.
そして、各サンプル(接合体、還元処理後)について、試験Aと同様の手法により、引張強度が測定された。この測定結果は、表2に示すとおりである。表2から理解できるように、「接合率」が36〜78%である場合、「接合幅」が0.3〜3.3μmであると、「接合幅」が0.3〜3.3μmでない場合に比して、引張強度が大きい。即ち、還元処理後において、「接合率」が36〜78%である場合、「接合幅」が0.3〜3.3μmであると、「シール部と燃料極集電部との界面」において、接合強度が特に大きい、ということができる。 And about each sample (joined body, after a reduction process), the tensile strength was measured by the method similar to the test A. FIG. The measurement results are as shown in Table 2. As can be understood from Table 2, when the “joining rate” is 36 to 78%, the “joining width” is not 0.3 to 3.3 μm when the “joining width” is 0.3 to 3.3 μm. Compared to the case, the tensile strength is large. That is, after the reduction treatment, when the “joining rate” is 36 to 78%, when the “joining width” is 0.3 to 3.3 μm, “at the interface between the seal portion and the fuel electrode current collector”. It can be said that the bonding strength is particularly high.
なお、「接合率が36〜78%」(及び接合幅が0.3〜3.3μm)は、シール部及び燃料極集電部を含む任意の1つの断面について成立していればよい。或いは、「接合率が36〜78%」(及び接合幅が0.3〜3.3μm)は、シール部及び燃料極集電部を含む任意の複数の断面(例えば、或る方向に平行な2つの断面と、その方向に直交する方向に平行な2つの断面)のそれぞれについて成立している必要がある。 Note that “the joining rate is 36 to 78%” (and the joining width is 0.3 to 3.3 μm) may be established for any one cross section including the seal portion and the fuel electrode current collector. Alternatively, “the joining rate is 36 to 78%” (and the joining width is 0.3 to 3.3 μm) is an arbitrary plurality of cross sections (for example, parallel to a certain direction) including the seal portion and the anode current collector. It is necessary to be established for each of two cross sections and two cross sections parallel to a direction orthogonal to the direction.
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、燃料電池を構成する積層体は、単独で存在しているが(図1を参照)、この積層体が、或る装置全体の一部分として存在していてもよい。また、上記実施形態では、図7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。
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, the stack constituting the fuel cell exists alone (see FIG. 1), but this stack may exist as a part of an entire apparatus. Moreover, in the said embodiment, as shown in FIG. 7 etc., the planar shape (shape when it sees from the direction perpendicular | vertical to the main surface of the support substrate 10) of the recessed
また、上記実施形態においては、平板状の支持基板10の上下面のそれぞれに複数の凹部12が形成され且つ複数の発電素子部Aが設けられているが、図26に示すように、支持基板10の片側面のみに複数の凹部12が形成され且つ複数の発電素子部Aが設けられていてもよい。
Moreover, in the said embodiment, although the several recessed
また、上記実施形態においては、燃料極20が燃料極集電部21と燃料極活性部22との2層で構成されているが、燃料極20が燃料極活性部22に相当する1層で構成されてもよい。
Further, in the above embodiment, the
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、35…シール部、37…緻密膜、38…中間層、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
Claims (5)
前記支持基板の主面における互いに離れた複数の箇所にそれぞれ設けられ、少なくとも燃料極、固体電解質、及び空気極が積層されてなる複数の発電素子部と、
1組又は複数組の隣り合う前記発電素子部の間にそれぞれ設けられ、隣り合う前記発電素子部の一方の燃料極と他方の空気極とを電気的に接続する1つ又は複数の電気的接続部と、
1組又は複数組の隣り合う前記発電素子部の間にそれぞれ設けられ、前記燃料極に供給される第1のガスと前記空気極に供給される第2のガスとの混合を防止する緻密な構成材料からなるガスシール部と、
を備えた燃料電池において、
前記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、前記支持基板の材料からなる側壁と、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前記燃料極がそれぞれ埋設され、
前記各電気的接続部は、緻密な材料で構成された第1部分と、前記第1部分と接続され且つ多孔質の材料で構成された第2部分とで構成され、前記第1部分は、前記隣り合う発電素子部の一方の燃料極と前記第2部分とに接続され、前記第2部分は、前記隣り合う発電素子部の他方の空気極と前記第1部分とに接続され、
前記ガスシール部における前記埋設された各燃料極の外側面を覆う部分では、前記ガスシール部は、前記発電素子部の一部としての緻密な前記固体電解質と、前記固体電解質と接続されるとともに前記固体電解質と同じ又は異なる緻密な構成材料からなる第1シール部と、前記第1シール部と接続されるとともに前記第1シール部とは異なる緻密な構成材料からなる第2シール部と、前記第2シール部と接続された前記電気的接続部の第1部分と、を含み、前記第1シール部と前記電気的接続部の第1部分とは接触しないように構成され、
前記燃料電池が還元雰囲気で熱処理が施された還元体である状態において、緻密な材料で構成された前記第2シール部と多孔質の材料で構成された前記燃料極とを含む断面における前記第2シール部と前記燃料極との界面に対応する線である境界線の長さに対する、前記境界線上において前記第2シール部と前記燃料極とが接触している複数の部分の長さの合計の割合である接合率が36〜78%である、燃料電池。 A support substrate having a gas flow path formed therein;
A plurality of power generating element portions each provided at a plurality of locations separated from each other on the main surface of the support substrate, wherein at least a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are laminated;
One or a plurality of electrical connections that are respectively provided between one or a plurality of adjacent power generation element portions and electrically connect one fuel electrode and the other air electrode of the adjacent power generation element portions. And
Densely provided between one set or a plurality of adjacent power generation element portions to prevent mixing of the first gas supplied to the fuel electrode and the second gas supplied to the air electrode A gas seal portion made of a constituent material;
In a fuel cell comprising
First recesses having a bottom wall made of the material of the support substrate and a side wall made of the material of the support substrate are formed in the plurality of locations on the main surface of the support substrate, respectively.
In each of the first recesses, the corresponding fuel electrode of the power generation element unit is embedded,
Each of the electrical connection portions includes a first portion made of a dense material and a second portion connected to the first portion and made of a porous material. Connected to one fuel electrode of the adjacent power generation element portion and the second portion, the second portion is connected to the other air electrode of the adjacent power generation element portion and the first portion,
In the part covering the outer surface of each buried fuel electrode in the gas seal part, the gas seal part is connected to the dense solid electrolyte as a part of the power generation element part and the solid electrolyte. A first seal portion made of a dense constituent material the same as or different from the solid electrolyte, a second seal portion connected to the first seal portion and made of a dense constituent material different from the first seal portion, and A first portion of the electrical connection portion connected to the second seal portion, and configured so as not to contact the first seal portion and the first portion of the electrical connection portion,
In a state where the fuel cell is a reductant that has been heat-treated in a reducing atmosphere, the first portion in a cross section including the second seal portion made of a dense material and the fuel electrode made of a porous material. The total length of a plurality of portions where the second seal part and the fuel electrode are in contact with each other on the boundary line with respect to the length of the boundary line corresponding to the interface between the two seal parts and the fuel electrode A fuel cell having a bonding rate of 36 to 78%.
前記燃料電池が還元雰囲気で熱処理が施された還元体である状態において、前記境界線上において前記第2シール部と前記燃料極とが接触している前記複数の部分の長さの平均である接合幅が0.3〜3.3μmである、燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein
In the state where the fuel cell is a reductant that has been heat-treated in a reducing atmosphere, the joining is an average length of the plurality of portions where the second seal portion and the fuel electrode are in contact with each other on the boundary line A fuel cell having a width of 0.3 to 3.3 μm.
前記埋設された各燃料極の外側面に、前記燃料極の材料からなる底壁と、前記燃料極の材料からなる側壁と、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、及び、対応する前記第2シール部がそれぞれ埋設され、
前記各第2凹部において、
前記電気的接続部の第1部分が、前記第2凹部における中央部に埋設され、
前記第2シール部が、前記第2凹部における前記中央部の周囲に位置する周縁部にて、前記第2凹部の側壁の全周、及び、前記電気的接続部の第1部分の外周の側壁の全周と接触するように埋設され、
前記各第2凹部において、
前記第2シール部の外側面の周縁部の全周が前記第1シール部で覆われている、燃料電池。 The fuel cell according to claim 1 or 2,
Second recesses having a bottom wall made of the material of the fuel electrode and a side wall made of the material of the fuel electrode are formed on the outer surface of each buried fuel electrode,
In each of the second recesses, the corresponding first portion of the electrical connection portion and the corresponding second seal portion are embedded, respectively.
In each of the second recesses,
A first portion of the electrical connection portion is embedded in a central portion of the second recess,
The second seal portion is a peripheral portion located around the central portion of the second recess, and the entire periphery of the side wall of the second recess and the outer periphery of the first portion of the electrical connection portion Buried in contact with the entire circumference of the
In each of the second recesses,
The fuel cell, wherein the entire periphery of the outer peripheral surface of the second seal portion is covered with the first seal portion.
前記各第2凹部において、
前記電気的接続部の第1部分の底面における中央部が前記燃料極と接触し、前記電気的接続部の第1部分の底面における前記中央部の周囲に位置する周縁部が前記第2シール部と接触している、燃料電池。 The fuel cell according to claim 3, wherein
In each of the second recesses,
A central portion of the bottom surface of the first portion of the electrical connection portion is in contact with the fuel electrode, and a peripheral portion located around the central portion of the bottom surface of the first portion of the electrical connection portion is the second seal portion. A fuel cell in contact with the fuel cell.
前記各第2凹部において、
前記電気的接続部の第1部分の底面における中央部が、前記電気的接続部の第1部分より導電率が大きい導電材料で構成された中間層を介して前記燃料極と接触し、前記電気的接続部の第1部分の底面における前記中央部の周囲に位置する周縁部が前記第2シール部と接触している、燃料電池。 The fuel cell according to claim 3, wherein
In each of the second recesses,
A central portion of the bottom surface of the first portion of the electrical connection portion is in contact with the fuel electrode via an intermediate layer made of a conductive material having a conductivity higher than that of the first portion of the electrical connection portion, and A fuel cell, wherein a peripheral edge located around the central portion of the bottom surface of the first portion of the general connection portion is in contact with the second seal portion.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013213331A JP6063368B2 (en) | 2013-10-11 | 2013-10-11 | Fuel cell |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013213331A JP6063368B2 (en) | 2013-10-11 | 2013-10-11 | Fuel cell |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2015076339A true JP2015076339A (en) | 2015-04-20 |
JP6063368B2 JP6063368B2 (en) | 2017-01-18 |
Family
ID=53001022
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2013213331A Active JP6063368B2 (en) | 2013-10-11 | 2013-10-11 | Fuel cell |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6063368B2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2017022093A (en) * | 2015-07-13 | 2017-01-26 | 日本碍子株式会社 | Fuel cell |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006236674A (en) * | 2005-02-23 | 2006-09-07 | Kyocera Corp | Unit fuel cell, fuel cell stack and fuel cell using it |
WO2012086420A1 (en) * | 2010-12-24 | 2012-06-28 | 日本碍子株式会社 | Junction for electrically connecting power generation units of solid oxide fuel cell |
JP5116184B1 (en) * | 2011-10-25 | 2013-01-09 | 日本碍子株式会社 | Fuel cell structure |
JP5202746B1 (en) * | 2012-04-06 | 2013-06-05 | 日本碍子株式会社 | Solid oxide fuel cell |
-
2013
- 2013-10-11 JP JP2013213331A patent/JP6063368B2/en active Active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006236674A (en) * | 2005-02-23 | 2006-09-07 | Kyocera Corp | Unit fuel cell, fuel cell stack and fuel cell using it |
WO2012086420A1 (en) * | 2010-12-24 | 2012-06-28 | 日本碍子株式会社 | Junction for electrically connecting power generation units of solid oxide fuel cell |
JP5116184B1 (en) * | 2011-10-25 | 2013-01-09 | 日本碍子株式会社 | Fuel cell structure |
JP5202746B1 (en) * | 2012-04-06 | 2013-06-05 | 日本碍子株式会社 | Solid oxide fuel cell |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2017022093A (en) * | 2015-07-13 | 2017-01-26 | 日本碍子株式会社 | Fuel cell |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP6063368B2 (en) | 2017-01-18 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4850980B1 (en) | Fuel cell structure | |
JP5116184B1 (en) | Fuel cell structure | |
JP6169930B2 (en) | Solid oxide fuel cell | |
JP5108987B1 (en) | Fuel cell structure | |
JP4824137B1 (en) | Fuel cell structure | |
JP5600819B1 (en) | Fuel cell | |
JP5642855B1 (en) | Fuel cell | |
JP5613808B1 (en) | Fuel cell | |
JP5701444B1 (en) | Fuel cell | |
JP6063368B2 (en) | Fuel cell | |
JP5687319B1 (en) | Fuel cell | |
JP6169932B2 (en) | Solid oxide fuel cell | |
JP5714738B1 (en) | Fuel cell | |
JP5417551B2 (en) | Fuel cell structure | |
JP5732180B1 (en) | Fuel cell | |
JP5752297B1 (en) | Fuel cell | |
JP5646785B1 (en) | Fuel cell | |
JP5122676B1 (en) | Fuel cell structure | |
JP5062786B1 (en) | Fuel cell structure | |
JP5621029B1 (en) | Fuel cell | |
JP5824499B2 (en) | Fuel cell | |
JP5923139B2 (en) | Fuel cell | |
JP6021126B2 (en) | Fuel cell | |
JP5895026B2 (en) | Fuel cell | |
JP5923140B2 (en) | Fuel cell |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20150127 |
|
RD02 | Notification of acceptance of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422 Effective date: 20150428 |
|
RD04 | Notification of resignation of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424 Effective date: 20150430 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20150602 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20161027 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20161216 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6063368 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |