JP2016042457A - Stack structure of fuel battery - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a stack structure of a fuel battery hard to cause chromium (Cr) volatilized from a surface of a manifold (especially, a support plate) to poison a power generation element part of a cell.SOLUTION: A stack structure of a fuel battery comprises: a manifold 200 made of a stainless steel; cells 100 each having one end on a fuel gas inflow side, which is bonded to and supported by the manifold 200 through a bonding material so that the cells protrude from a top wall 210 of the manifold 200 upward, and being arrayed in a stack; and a coating film 400 formed over the entire surface of the manifold 200, and including (Mn, Co)O. The coating film 400 includes MgO particles serving as a trapping agent (a so-called getter) for chromium (Cr). The coating film 400 is composed of a porous film having a porosity of 10-40%. It is preferable that the content of MgO in the coating film 400 is 3-30 vol.%.SELECTED DRAWING: Figure 15

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、複数の燃料電池セルと、各燃料電池セルを支持するマニホールドとを備えた固体酸化物形燃料電池(以下、「SOFC」と呼ぶ)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)。その他にも、複数の燃料電池セルと、各燃料電池セルを支持するセパレータとを備えたSOFCのスタック構造体が知られている。   Conventionally, a stack structure of a solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as “SOFC”) including a plurality of fuel cells and a manifold that supports each fuel cell is known (for example, a patent) Reference 1). In addition, a stack structure of SOFC including a plurality of fuel cells and a separator that supports each fuel cell is known.

特開2005−100687号公報JP 2005-1000068 A

上記マニホールド又はセパレータは、通常、ステンレス鋼(鉄とクロムを含む金属材料、SUS)で構成される。また、SOFCのスタック構造体は、マニホールド又はセパレータ以外にも、ステンレス鋼で構成される金属部材を有することがある。このようにステンレス鋼で構成される金属部材を有するSOFCのスタック構造体を作動温度(例えば、800℃近傍)にて稼働させると、マニホールドなどの金属部材からクロム(Cr)が揮発し、その揮発したクロムによって、セルの発電素子部(特に、空気極)が被毒され得る。この結果、電極の性能(特性)が劣化し、SOFCの耐久性が低下する恐れがあった。   The manifold or separator is usually made of stainless steel (a metal material containing iron and chromium, SUS). In addition to the manifold or separator, the SOFC stack structure may have a metal member made of stainless steel. When the SOFC stack structure having a metal member made of stainless steel is operated at an operating temperature (for example, around 800 ° C.), chromium (Cr) is volatilized from the metal member such as a manifold, and the volatilization occurs. The generated power element portion (particularly, the air electrode) of the cell can be poisoned by the chromium. As a result, the performance (characteristics) of the electrode deteriorates and the durability of the SOFC may decrease.

この問題に対処するため、本発明者は、マニホールドなどの金属部材の表面にコーティング膜を形成することを検討している。このコーティング膜の存在によって、SOFCの作動温度にて、マニホールドなどの金属部材の表面から揮発したクロムが膜の外部に流出し難くなり、セルの発電素子部に到達し難くなる。この結果、前記揮発したクロムによってセルの発電素子部が被毒される可能性が低減され得る。   In order to cope with this problem, the present inventor is considering forming a coating film on the surface of a metal member such as a manifold. Due to the presence of this coating film, chromium volatilized from the surface of a metal member such as a manifold does not easily flow out of the film at the operating temperature of the SOFC, and does not easily reach the power generation element portion of the cell. As a result, the possibility that the power generating element portion of the cell is poisoned by the volatilized chromium can be reduced.

ところで、マニホールドなどの金属部材の表面から揮発したクロムの発電素子部への到達を、コーティング膜の形成によって確実に抑制するためには、コーティング膜を緻密化することが有効である。これは、コーティング膜が多孔質であると、前記揮発したクロムが膜内部の気孔を介して膜の外部へ容易に流出し得ることに基づく。しかしながら、一般に、緻密質の膜を形成する場合、多孔質の膜を形成する場合と比べて、製造コストが高くなるという問題がある。   Incidentally, it is effective to make the coating film dense in order to surely suppress the arrival of volatile chromium from the surface of a metal member such as a manifold to the power generation element part by forming the coating film. This is based on the fact that when the coating film is porous, the volatilized chromium can easily flow out of the film through pores inside the film. However, in general, when a dense film is formed, there is a problem that the manufacturing cost is higher than when a porous film is formed.

以上より、本発明は、鉄及びクロムを含む金属材料で構成された金属部材の表面に、コーティング膜が形成された燃料電池のスタック構造体であって、コーティング膜が多孔質であっても、前記金属部材の表面から揮発したクロムがセルの発電素子部へ到達することを確実に抑制できるものを提供することを目的とする。   From the above, the present invention is a fuel cell stack structure in which a coating film is formed on the surface of a metal member made of a metal material containing iron and chromium, and the coating film is porous, It is an object of the present invention to provide a material that can reliably suppress chromium volatilized from the surface of the metal member from reaching the power generation element portion of the cell.

本発明の第1側面に係る燃料電池のスタック構造体の特徴は、鉄とクロムとを含む金属材料で構成された金属部材の表面に、セラミックス材料を主成分としMgOを含む多孔質のコーティング膜が形成されたことにある。なお、ここで前記の多孔質とは、気孔率が10%以上のことを言う。前記コーティング膜は、気孔率が10〜40%であることが好適である。また、前記金属部材はステンレス鋼で構成されることが好適である。前記支持基板は、平板状であることが好適である。   The fuel cell stack structure according to the first aspect of the present invention is characterized in that a porous coating film comprising a ceramic material as a main component and MgO on the surface of a metal member composed of a metal material containing iron and chromium. Is in the formation. Here, the porous means that the porosity is 10% or more. The coating film preferably has a porosity of 10 to 40%. The metal member is preferably made of stainless steel. The support substrate is preferably flat.

上記構成によれば、MgOは、クロム(Cr)を捕獲する捕獲剤(所謂、ゲッター)として機能するため、コーティング膜が多孔質であっても、前記金属部材(典型的には、マニホールド)の表面から揮発したクロムが膜内部の気孔を通過する途中で膜内部に存在するMgOに捕獲され得る。従って、前記揮発したクロムが膜の外部に流出し難くなる。この結果、前記揮発したクロムがセルの発電素子部に到達することが確実に抑制され得る。   According to the above configuration, MgO functions as a capture agent (so-called getter) that captures chromium (Cr). Therefore, even if the coating film is porous, the metal member (typically, the manifold) Chromium volatilized from the surface can be trapped by MgO present inside the film while passing through the pores inside the film. Therefore, it becomes difficult for the volatilized chromium to flow out of the film. As a result, the volatilized chromium can be reliably suppressed from reaching the power generation element portion of the cell.

前記コーティング膜におけるMgOの含有率は、3〜30体積%であることが好適である。前記コーティング膜の厚さは、5〜100μmであることが好適である。また、前記コーティング膜の内部に存在する気孔の径の平均値は、0.1〜10μmであることが好ましい。これらの点については、後述する。   The content of MgO in the coating film is preferably 3 to 30% by volume. The thickness of the coating film is preferably 5 to 100 μm. Moreover, it is preferable that the average value of the diameter of the pore which exists in the said coating film is 0.1-10 micrometers. These points will be described later.

コーティング膜は、導電性セラミックスで構成されることが好適である。特に、コーティング膜を(Mn、Co)で構成することによって、コーティング膜に大きな熱応力が作用し難くなり、熱応力に起因する剥離がコーティング膜に発生する可能性が低くなる。これは、金属部材の材料(ステンレス鋼)と(Mn、Co)との熱膨張係数が略等しいことに因る。なお、コーティング膜は、Co、ZnO,又はLSCFなどによって構成することもできる。 The coating film is preferably composed of conductive ceramics. In particular, when the coating film is made of (Mn, Co) 3 O 4 , it is difficult for large thermal stress to act on the coating film, and the possibility that peeling due to the thermal stress occurs in the coating film is reduced. This is because the thermal expansion coefficients of the metal member material (stainless steel) and (Mn, Co) 3 O 4 are substantially equal. The coating film can also be made of Co 3 O 4 , ZnO, LSCF, or the like.

本発明の第2側面に係る燃料電池のスタック構造体は、複数の燃料電池セルと、マニホールドとを備える。各燃料電池セルは、長手方向を有し且つその内部に前記長手方向に沿う燃料ガス流路が形成された支持基板と、前記支持基板の表面に設けられ且つ少なくとも燃料極、固体電解質、及び空気極がこの順で積層された発電素子部と、を含む。マニホールドは、内部空間を有し且つ前記内部空間に燃料ガスを導入するための導入部を備える。マニホールドは、前記各セルがマニホールドの上壁から上方に向けてそれぞれ突出するように、且つ、前記複数のセルがスタック状に整列するように、且つ、前記内部空間と前記複数のセルの前記燃料ガス流路のそれぞれの燃料ガス流入側の一端部とが連通するように、前記各セルの前記支持基板の前記長手方向における燃料ガス流入側の一端部を前記上壁に対して接合材を用いて接合・支持する。前記スタック構造体を構成する部材のうち鉄とクロムとを含む金属材料で構成された金属部材の表面に、(Mn、Co)で構成され且つMgOを含むコーティング膜が形成されている。 The fuel cell stack structure according to the second aspect of the present invention includes a plurality of fuel cells and a manifold. Each fuel cell has a longitudinal direction and a support substrate in which a fuel gas flow path along the longitudinal direction is formed, and at least a fuel electrode, a solid electrolyte, and air provided on the surface of the support substrate And a power generation element unit in which the poles are stacked in this order. The manifold has an internal space and includes an introduction portion for introducing fuel gas into the internal space. The manifold is configured so that each cell protrudes upward from the upper wall of the manifold, and the plurality of cells are arranged in a stack, and the internal space and the fuel in the plurality of cells A bonding material is used for one end of the fuel gas inflow side in the longitudinal direction of the support substrate of each cell with respect to the upper wall so as to communicate with one end of the fuel gas inflow side of each gas flow path. To join and support. A coating film made of (Mn, Co) 3 O 4 and containing MgO is formed on the surface of a metal member made of a metal material containing iron and chromium among the members constituting the stack structure. .

本発明の実施形態に係る燃料電池のスタック構造体に使用される1つのセルを示す斜視図である。It is a perspective view which shows one cell used for the stack structure of the fuel cell which concerns on embodiment of this invention. 図1に示すセルの2−2線に対応する断面図である。It is sectional drawing corresponding to the 2-2 line of the cell shown in FIG. 図1に示す支持基板の凹部に埋設された燃料極及びインターコネクタの状態を示した平面図である。It is the top view which showed the state of the fuel electrode and interconnector which were embed | buried under the recessed part of the support substrate shown in FIG. 図1に示すセルの作動状態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the operation state of the cell shown in FIG. 図1に示すセルの作動状態における電流の流れを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the flow of the electric current in the operating state of the cell shown in FIG. 図1に示す支持基板を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the support substrate shown in FIG. 図1に示すセルの製造過程における第1段階における図2に対応する断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 2 in a first stage in the manufacturing process of the cell shown in FIG. 1. 図1に示すセルの製造過程における第2段階における図2に対応する断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 2 in a second stage in the manufacturing process of the cell shown in FIG. 1. 図1に示すセルの製造過程における第3段階における図2に対応する断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 2 in a third stage in the manufacturing process of the cell shown in FIG. 1. 図1に示すセルの製造過程における第4段階における図2に対応する断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 2 in a fourth stage in the manufacturing process of the cell shown in FIG. 1. 図1に示すセルの製造過程における第5段階における図2に対応する断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 2 in a fifth stage in the manufacturing process of the cell shown in FIG. 1. 図1に示すセルの製造過程における第6段階における図2に対応する断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 2 in a sixth stage in the manufacturing process of the cell shown in FIG. 1. 図1に示すセルの製造過程における第7段階における図2に対応する断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 2 in a seventh stage in the process of manufacturing the cell shown in FIG. 1. 図1に示すセルの製造過程における第8段階における図2に対応する断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 2 in an eighth stage in the manufacturing process of the cell shown in FIG. 1. 本発明の実施形態に係る燃料電池のスタック構造体の全体の斜視図である。1 is an overall perspective view of a stack structure of a fuel cell according to an embodiment of the present invention. 図15に示した燃料ガスマニホールドの全体の斜視図である。FIG. 16 is an overall perspective view of the fuel gas manifold shown in FIG. 15. 図16に示した支持板に形成された挿入孔の拡大図である。It is an enlarged view of the insertion hole formed in the support plate shown in FIG. 挿入孔とセルの一端部との接合部の様子、並びに、支持板にコーティング膜が形成された様子を示した縦断面図である。It is the longitudinal cross-sectional view which showed the mode of the junction part of an insertion hole and the one end part of a cell, and the mode that the coating film was formed in the support plate. 挿入孔とセルの一端部との接合部の様子、並びに、支持板にコーティング膜が形成された様子を示した横断面図である。It is the cross-sectional view which showed the mode of the junction part of an insertion hole and the one end part of a cell, and the mode that the coating film was formed in the support plate. コーティング膜の内部にMgO粒子が含まれている様子を示した縦断面図である。It is the longitudinal cross-sectional view which showed a mode that MgO particle | grains were contained inside the coating film. 図15に示したスタック構造体に対して燃料ガス及び空気が供給・排出される様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that fuel gas and air were supplied / discharged with respect to the stack | stuck structure shown in FIG. 1つの挿入孔に複数のセルの一端部が挿入される場合における図19に対応する図である。FIG. 20 is a view corresponding to FIG. 19 in the case where one end portions of a plurality of cells are inserted into one insertion hole. 支持板の孔にセルの一端部が進入しないようにセルが支持板に対して配置される場合における図18に対応する図である。It is a figure corresponding to FIG. 18 in the case where a cell is arrange | positioned with respect to a support plate so that the one end part of a cell may not enter into the hole of a support plate. 変形例に係る燃料電池のスタック構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the stack structure of the fuel cell which concerns on a modification.

(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。
(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.

(構成)
図1に示すように、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。
(Constitution)
As shown in FIG. 1, the cell 100 is 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). A plurality of (in this example, four) identical power generation element portions A connected to each other have a so-called “horizontal stripe type” configuration in which they are arranged at predetermined intervals in the longitudinal direction.

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(x軸方向)の辺の長さL1が50〜500mmで長手方向に直交する幅方向(y軸方向)の長さL2が10〜100mmの長方形である(L1>L2)。このセル100の全体の厚さL3は、1〜5mmである(L2>L3)。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1に加えて、このセ
ル100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、このセル100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 cell 100 as viewed from above is, for example, a side length L1 in the longitudinal direction (x-axis direction) of 50 to 500 mm and a length L2 in the width direction (y-axis direction) orthogonal to the longitudinal direction is 10. It is a rectangle of ˜100 mm (L1> L2). The total thickness L3 of the cell 100 is 1 to 5 mm (L2> L3). 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. 1, details of the cell 100 will be described with reference to FIG. 2, which is a partial cross-sectional view of the cell 100 corresponding to line 2-2 shown in FIG. 1. FIG. 2 is a partial cross-sectional view showing a configuration (part of) each of a typical pair of adjacent power generation element portions A and A and a configuration between the power generation element portions A and A. The configuration between the other power generation element portions A and A in other sets is the same as the configuration shown in FIG.

支持基板10は、電子伝導性を有さない多孔質の材料からなる平板状の焼成体である。後述する図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 support substrate 10 is a flat plate-like fired body made of a porous material having no electronic conductivity. As shown in FIG. 6 to be described later, a plurality of (six in this example) fuel gas passages 11 (through holes) extending in the longitudinal direction are provided in the support substrate 10 at predetermined intervals in the width direction. Is formed. In this example, each recess 12 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Y(イットリア)とから構成されてもよいし、MgO(酸化マグネシウム)とMgAl(マグネシアアルミナスピネル)とから構成されてもよい。 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、「MgAl(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)、Y(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2及び図3に示すように、支持基板10の上面(上側の主面)に形成された各凹部12には、燃料極集電部21の全体が埋設(充填)されている。従って、各燃料極集電部21は直方体状を呈している。各燃料極集電部21の上面(外側面)には、凹部21aが形成されている。各凹部21aは、燃料極集電部21の材料からなる底壁と、周方向に閉じた側壁(長手方向に沿う2つの側壁と幅方向に沿う2つの側壁)と、で画定された直方体状の窪みである。周方向に閉じた側壁のうち、長手方向に沿う2つの側壁は支持基板10の材料からなり、幅方向に沿う2つの側壁は燃料極集電部21の材料からなる。   As shown in FIGS. 2 and 3, the entire fuel electrode current collector 21 is embedded (filled) in each recess 12 formed in 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Y(イットリア)とから構成されてもよいし、NiO(酸化ニッケル)とCSZ(カルシア安定化ジルコニア)とから構成されてもよい。燃料極活性部22の厚さは、5〜30μmであり、燃料極集電部21の厚さ(即ち、凹部12の深さ)は、50〜500μmである。 The fuel electrode active part 22 may be composed of, for example, NiO (nickel oxide) and YSZ (8YSZ) (yttria stabilized zirconia). Or you may comprise from NiO (nickel oxide) and GDC (gadolinium dope ceria). The fuel electrode current collector 21 can be composed of, for example, NiO (nickel oxide) and YSZ (8YSZ) (yttria stabilized zirconia). Alternatively, it may be composed of NiO (nickel oxide) and Y 2 O 3 (yttria), or may be composed of NiO (nickel oxide) and CSZ (calcia stabilized zirconia). The thickness of the anode active portion 22 is 5 to 30 μm, and the thickness of the anode current collecting portion 21 (that is, the depth of the recess 12) is 50 to 500 μm.

このように、燃料極集電部21は、電子伝導性を有する物質を含んで構成される。燃料極活性部22は、電子伝導性を有する物質と酸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 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 oxygen ion conductivity. The “volume ratio of the substance having oxygen ion conductivity with respect to the entire volume excluding the pore portion” in the anode active portion 22 is “having oxygen ion conductivity with respect to the entire volume excluding the pore portion” in the anode current collecting portion 21. It is larger than the “volume ratio of the substance”.

インターコネクタ30は、例えば、LaCrO(ランタンクロマイト)から構成され得る。或いは、(Sr,La)TiO(ストロンチウムチタネート)から構成されてもよい。インターコネクタ30の厚さは、10〜100μmである。 The interconnector 30 can be composed of, for example, LaCrO 3 (lanthanum chromite). Alternatively, it may be composed of (Sr, La) TiO 3 (strontium titanate). The thickness of the interconnector 30 is 10 to 100 μm.

燃料極20及びインターコネクタ30がそれぞれの凹部12に埋設された状態の支持基板10における長手方向に延びる外周面において複数のインターコネクタ30が形成されたそれぞれの部分の長手方向中央部を除いた全面は、固体電解質膜40により覆われている。固体電解質膜40は、イオン伝導性を有し且つ電子伝導性を有さない緻密な材料からなる焼成体である。固体電解質膜40は、例えば、YSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)から構成され得る。或いは、LSGM(ランタンガレート)から構成されてもよい。固体電解質膜40の厚さは、3〜50μmである。   The entire surface excluding the central portion in the longitudinal direction of each portion where the plurality of interconnectors 30 are formed on the outer peripheral surface extending in the longitudinal direction of the support substrate 10 in a state where the fuel electrode 20 and the interconnector 30 are embedded in the respective recesses 12. Is covered with a solid electrolyte membrane 40. The solid electrolyte membrane 40 is a fired body made of a dense material having ionic conductivity and not electron conductivity. The solid electrolyte membrane 40 can be made of, for example, YSZ (8YSZ) (yttria stabilized zirconia). Or you may comprise from LSGM (lantern gallate). The thickness of the solid electrolyte membrane 40 is 3 to 50 μm.

即ち、燃料極20がそれぞれの凹部12に埋設された状態の支持基板10における長手方向に延びる外周面の全面は、インターコネクタ30と固体電解質膜40とからなる緻密層により覆われている。この緻密層は、緻密層の内側の空間を流れる燃料ガスと緻密層の外側の空間を流れる空気との混合を防止するガスシール機能を発揮する。   That is, the entire outer peripheral surface extending in the longitudinal direction of the support substrate 10 in a state where the fuel electrode 20 is embedded in each recess 12 is covered with a dense layer composed of the interconnector 30 and the solid electrolyte membrane 40. This dense layer exhibits a gas sealing function that prevents mixing of the fuel gas flowing in the space inside the dense layer and the air flowing in the space outside the dense layer.

なお、図2に示すように、本例では、固体電解質膜40が、燃料極20の上面、インターコネクタ30の上面における長手方向の両側端部、及び支持基板10の主面を覆っている。ここで、上述したように、燃料極20の上面とインターコネクタ30の上面と支持基板10の主面との間で段差が形成されていない。従って、固体電解質膜40が平坦化されている。この結果、固体電解質膜40に段差が形成される場合に比して、応力集中に起因する固体電解質膜40でのクラックの発生が抑制され得、固体電解質膜40が有するガスシール機能の低下が抑制され得る。   As shown in FIG. 2, in this example, the solid electrolyte membrane 40 covers the upper surface of the fuel electrode 20, both end portions in the longitudinal direction on the upper surface of the interconnector 30, and the main surface of the support substrate 10. Here, as described above, no step is formed between the upper surface of the fuel electrode 20, the upper surface of the interconnector 30, and the main surface of the support substrate 10. Therefore, the solid electrolyte membrane 40 is flattened. As a result, compared with the case where a step is formed in the solid electrolyte membrane 40, the generation of cracks in the solid electrolyte membrane 40 due to stress concentration can be suppressed, and the gas sealing function of the solid electrolyte membrane 40 is reduced. Can be suppressed.

固体電解質膜40における各燃料極活性部22と接している箇所の上面には、反応防止膜50を介して空気極60が形成されている。反応防止膜50は、緻密な材料からなる焼成体であり、空気極60は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。反応防止膜50及び空気極60を上方からみた形状は、燃料極活性部22と略同一の長方形である。   An air electrode 60 is formed on the upper surface of a portion in contact with each fuel electrode active part 22 in the solid electrolyte membrane 40 via a reaction preventing film 50. The reaction preventing film 50 is a fired body made of a dense material, and the air electrode 60 is a fired body made of a porous material having electron conductivity. The shape of the reaction preventing film 50 and the air electrode 60 viewed from above is substantially the same rectangle as the fuel electrode active part 22.

反応防止膜50は、例えば、GDC=(Ce,Gd)O(ガドリニウムドープセリア)から構成され得る。反応防止膜50の厚さは、3〜50μmである。空気極60は、例えば、LSCF=(La,Sr)(Co,Fe)O(ランタンストロンチウムコバルトフェライト)から構成され得る。或いは、LSF=(La,Sr)FeO(ランタンストロンチウムフェライト)、LNF=La(Ni,Fe)O(ランタンニッケルフェライト)、LSC=(La,Sr)CoO(ランタンストロンチウムコバルタイト)等から構成されてもよい。また、空気極60は、LSCFからなる第1層(内側層)とLSCからなる第2層(外側層)との2層によって構成されてもよい。空気極60の厚さは、10〜100μmである。 The reaction preventing film 50 can be made of, for example, GDC = (Ce, Gd) O 2 (gadolinium-doped ceria). The thickness of the reaction preventing film 50 is 3 to 50 μm. The air electrode 60 can be made of, for example, LSCF = (La, Sr) (Co, Fe) O 3 (lanthanum strontium cobalt ferrite). Alternatively, from LSF = (La, Sr) FeO 3 (lanthanum strontium ferrite), LNF = La (Ni, Fe) O 3 (lanthanum nickel ferrite), LSC = (La, Sr) CoO 3 (lanthanum strontium cobaltite), etc. It may be configured. Further, the air electrode 60 may be configured by two layers of a first layer (inner layer) made of LSCF and a second layer (outer layer) made of LSC. The thickness of the air electrode 60 is 10 to 100 μm.

なお、反応防止膜50が介装されるのは、SOFC作製時又は作動中のSOFC内において固体電解質膜40内のYSZと空気極60内のSrとが反応して固体電解質膜40と空気極60との界面に電気抵抗が大きい反応層が形成される現象の発生を抑制するためである。   The reaction preventing film 50 is interposed because the YSZ in the solid electrolyte film 40 and the Sr in the air electrode 60 react with each other in the SOFC during the production or operation of the SOFC, and the solid electrolyte film 40 and the air electrode. This is to suppress the occurrence of a phenomenon in which a reaction layer having a large electric resistance is formed at the interface with the 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2を参照)。即ち、支持基板10の上面には、複数(本例では、4つ)の発電素子部Aが、長手方向において所定の間隔をおいて配置されている。   Here, the laminated body formed by laminating the fuel electrode 20, the solid electrolyte membrane 40, the reaction preventing membrane 50, and the air electrode 60 corresponds to the “power generation element portion A” (see FIG. 2). In other words, a plurality (four in this example) of power generating element portions A are arranged on the upper surface of the support substrate 10 at a predetermined interval in the longitudinal direction.

各組の隣り合う発電素子部A,Aについて、一方の(図2では、左側の)発電素子部Aの空気極60と、他方の(図2では、右側の)発電素子部Aのインターコネクタ30とを跨ぐように、空気極60、固体電解質膜40、及び、インターコネクタ30の上面に、空気極集電膜70が形成されている。空気極集電膜70は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。空気極集電膜70を上方からみた形状は、長方形である。   For each pair of adjacent power generation element portions A and A, the air electrode 60 of one power generation element portion A (on the left side in FIG. 2) and the interconnector of the other power generation element portion A (on the right side in FIG. 2). The air electrode current collecting film 70 is formed on the upper surfaces of the air electrode 60, the solid electrolyte film 40, and the interconnector 30. The air electrode current collector film 70 is a fired body made of a porous material having electron conductivity. The shape of the air electrode current collector film 70 as viewed from above is a rectangle.

空気極集電膜70は、例えば、LSCF=(La,Sr)(Co,Fe)O(ランタンストロンチウムコバルトフェライト)から構成され得る。或いは、LSC=(La,Sr)CoO(ランタンストロンチウムコバルタイト)から構成されてもよい。或いは、Ag(銀)、Ag−Pd(銀パラジウム合金)から構成されてもよい。空気極集電膜70の厚さは、50〜500μmである。 The air electrode current collector film 70 can be made of, for example, LSCF = (La, Sr) (Co, Fe) O 3 (lanthanum strontium cobalt ferrite). Alternatively, LSC = (La, Sr) CoO 3 (lanthanum strontium cobaltite) may be used. Or you may comprise from Ag (silver) and Ag-Pd (silver palladium alloy). The thickness of the air electrode current collector film 70 is 50 to 500 μm.

このように各空気極集電膜70が形成されることにより、各組の隣り合う発電素子部A,Aについて、一方の(図2では、左側の)発電素子部Aの空気極60と、他方の(図2では、右側の)発電素子部Aの燃料極20(特に、燃料極集電部21)とが、電子伝導性を有する「空気極集電膜70及びインターコネクタ30」を介して電気的に接続される。この結果、支持基板10の上面に配置されている複数(本例では、4つ)の発電素子部Aが電気的に直列に接続される。ここで、電子伝導性を有する「空気極集電膜70及びインターコネクタ30」が、「電気的接続部」に対応する。   By forming each air electrode current collecting film 70 in this way, for each pair of adjacent power generation element portions A and A, the air electrode 60 of one power generation element portion A (on the left side in FIG. 2), The other fuel electrode 20 (particularly, the fuel electrode current collector 21) of the power generating element part A (on the right side in FIG. 2) passes through the “air electrode current collector film 70 and interconnector 30” having electronic conductivity. Are electrically connected. As a result, a plurality (four in this example) of power generation element portions A arranged on the upper surface of the support substrate 10 are electrically connected in series. Here, the “air electrode current collector film 70 and the interconnector 30” having electronic conductivity correspond to “electrical connection portions”.

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%未満である。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 less than 10%. 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1に示す「横縞型」のセル100に対して、図4に示すように、支持基板10の燃料ガス流路11内に燃料ガス(水素ガス等)を流すとともに、支持基板10の上下面(特に、各空気極集電膜70)を「酸素を含むガス」(空気等)に曝す(或いは、支持基板10の上下面に沿って酸素を含むガスを流す)ことにより、固体電解質膜40の両側面間に生じる酸素分圧差によって起電力が発生する。更に、この構造体を外部の負荷に接続すると、下記(1)、(2)式に示す化学反応が起こり、電流が流れる(発電状態)。
(1/2)・O+2e→O (於:空気極60) …(1)
+O →HO+2e (於:燃料極20) …(2)
As described above, as shown in FIG. 4, the fuel gas (hydrogen gas or the like) flows through the fuel gas flow path 11 of the support substrate 10 with respect to the “horizontal stripe type” 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 (at the 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5に示すように、各組の隣り合う発電素子部A,Aについて、電流が、矢印で示すように流れる。この結果、図4に示すように、このセル100全体から(具体的には、図4において最も手前側の発電素子部Aのインターコネクタ30と最も奥側の発電素子部Aの空気極60とを介して)電力が取り出される。   In the power generation state, as shown in FIG. 5, a 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. 4, from the entire cell 100 (specifically, in FIG. 4, 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1に示した「横縞型」のセル100の製造方法の一例について図6〜図14を参照しながら簡単に説明する。図6〜図14において、各部材の符号の末尾の「g」は、その部材が「焼成前」であることを表す。
(Production method)
Next, an example of a manufacturing method of the “horizontal stripe type” cell 100 shown in FIG. 1 will be briefly described with reference to FIGS. 6 to 14, “g” at the end of the reference numeral of each member represents that the member is “before firing”.

先ず、図6に示す形状を有する支持基板の成形体10gが作製される。この支持基板の成形体10gは、例えば、支持基板10の材料(例えば、CSZ)の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、押し出し成形、切削等の手法を利用して作製され得る。以下、図6に示す7−7線に対応する部分断面を表す図7〜図14を参照しながら説明を続ける。   First, a support substrate molded body 10g having the shape shown in FIG. 6 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. 7 to 14 showing partial cross sections corresponding to line 7-7 shown in FIG. 6.

図7に示すように、支持基板の成形体10gが作製されると、次に、図8に示すように、支持基板の成形体10gの上下面に形成された各凹部に、燃料極集電部の成形体21gがそれぞれ埋設・形成される。次いで、図9に示すように、各燃料極集電部の成形体21gの外側面に形成された各凹部に、燃料極活性部の成形体22gがそれぞれ埋設・形成される。各燃料極集電部の成形体21g、及び各燃料極活性部22gは、例えば、燃料極20の材料(例えば、NiとYSZ)の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して埋設・形成される。   When the support substrate molded body 10g is manufactured as shown in FIG. 7, the fuel electrode current collector is then placed in each recess formed in the upper and lower surfaces of the support substrate molded body 10g as shown in FIG. Each of the molded parts 21g is embedded and formed. Next, as shown in FIG. 9, a 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10に示すように、各燃料極集電部の成形体21gの外側面における「燃料極活性部の成形体22gが埋設された部分を除いた部分」に形成された各凹部に、インターコネクタの成形体30gがそれぞれ埋設・形成される。各インターコネクタの成形体30gは、例えば、インターコネクタ30の材料(例えば、LaCrO3)の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して埋設・形成される。   Subsequently, as shown in FIG. 10, in each concave portion formed in “the portion excluding the portion where the molded body 22 g of the fuel electrode active portion is embedded” on the outer surface of the molded body 21 g 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 using, for example, a printing method or the like using a slurry obtained by adding a binder or the like to the powder of the material of the interconnector 30 (for example, LaCrO3).

次に、図11に示すように、複数の燃料極の成形体(21g+22g)及び複数のインターコネクタの成形体30gがそれぞれ埋設・形成された状態の支持基板の成形体10gにおける長手方向に延びる外周面において複数のインターコネクタの成形体30gが形成されたそれぞれの部分の長手方向中央部を除いた全面に、固体電解質膜の成形膜40gが形成される。固体電解質膜の成形膜40gは、例えば、固体電解質膜40の材料(例えば、YSZ)の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法、ディッピング法等を利用して形成される。   Next, as shown in FIG. 11, the outer periphery extending in the longitudinal direction of the molded body 10g of the support substrate in a state in which the molded body (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12に示すように、固体電解質膜の成形体40gにおける各燃料極の成形体22gと接している箇所の外側面に、反応防止膜の成形膜50gが形成される。各反応防止膜の成形膜50gは、例えば、反応防止膜50の材料(例えば、GDC)の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して形成される。   Next, as shown in FIG. 12, a reaction prevention film molding film 50g is formed on the outer surface of the solid electrolyte membrane molding body 40g in contact with the fuel electrode molding 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1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. Thereby, the structure of the state in which the air electrode 60 and the air electrode current collection film | membrane 70 are not formed in the cell 100 shown in FIG. 1 is obtained.

次に、図13に示すように、各反応防止膜50の外側面に、空気極の成形膜60gが形成される。各空気極の成形膜60gは、例えば、空気極60の材料(例えば、LSCF)の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して形成される。   Next, as shown in FIG. 13, 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14に示すように、各組の隣り合う発電素子部について、一方の発電素子部の空気極の成形膜60gと、他方の発電素子部のインターコネクタ30とを跨ぐように、空気極の成形膜60g、固体電解質膜40、及び、インターコネクタ30の外側面に、空気極集電膜の成形膜70gが形成される。各空気極集電膜の成形膜70gは、例えば、空気極集電膜70の材料(例えば、LSCF)の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して形成される。   Next, as shown in FIG. 14, for each pair of adjacent power generation element portions, air is formed so as to straddle the air electrode molding film 60 g of one power generation element portion and the interconnector 30 of the other power generation element portion. On the outer surface of the electrode forming film 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1に示したセル100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、燃料極20(集電部21+活性部22)中のNi成分が、NiOとなっている。従って、燃料極20(集電部21+活性部22)の電子伝導性を獲得するため、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。以上、図1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. 1 is obtained. At this point, the Ni component in the fuel electrode 20 (current collector 21 + active portion 22) is NiO due to firing in an oxygen-containing atmosphere. Therefore, in order to acquire the electron conductivity of the fuel electrode 20 (current collector 21 + active part 22), a reducing fuel gas is then flowed from the support substrate 10 side, and NiO is heated at 800 to 1000 ° C. for 1 to 10 hours. The reduction treatment is performed over a period of time. This reduction process may be performed during power generation. In the above, an example of the manufacturing method of the cell 100 shown in FIG. 1 was demonstrated.

(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15に示すように、このスタック構造体は、複数のセル100と、複数のセル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(金属部材の一例)200と、を備えている。マニホールド200は、長手方向(z軸方向)を有する直方体状の筐体である。マニホールド200の全体は、ステンレス鋼等の鉄及びクロムを含む材料(ステンレス鋼等)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. 15, the stack structure includes a plurality of cells 100 and a fuel gas manifold (an example of a metal member) 200 for supplying fuel gas to each of the plurality of cells 100. . The manifold 200 is a rectangular parallelepiped housing having a longitudinal direction (z-axis direction). The entire manifold 200 is made of a material (such as stainless steel) containing iron and chromium such as stainless steel.

マニホールド200の上壁(換言すれば、ガスタンクの天板(平板))は、多数のセル100を支持するための平板状の支持板210を兼ねている。従って、支持板210も、ステンレス鋼等で構成されている。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に支持されている。詳細には、各セル100における支持基板10の長手方向(x軸方向)の燃料ガス流入側の端部(一端部)が、支持板210に対して接合材を用いて接合・支持されている(接合構造の詳細は後述する)。各セル100は、支持板210から上方(x軸正方向)に向けてそれぞれ突出している。また、各セル100は、複数のセル100がマニホールド200の長手方向(z軸方向)に沿ってスタック状に整列している。各セル100における支持基板10の長手方向(x軸方向)の燃料ガス排出側の端部(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 upper wall of the manifold 200 (in other words, the top plate (flat plate) of the gas tank) also serves as a flat plate-like support plate 210 for supporting a large number of cells 100. Therefore, the support plate 210 is also made of stainless steel or the like. 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. Each cell 100 is supported by a support plate 210. Specifically, the end (one end) on the fuel gas inflow side in the longitudinal direction (x-axis direction) of the support substrate 10 in each cell 100 is bonded and supported to the support plate 210 using a bonding material. (Details of the bonding structure will be described later). Each cell 100 protrudes upward (in the positive x-axis direction) from the support plate 210. In addition, in each cell 100, a plurality of cells 100 are arranged in a stack along the longitudinal direction (z-axis direction) of the manifold 200. The end (other end) on the fuel gas discharge side in the longitudinal direction (x-axis direction) of the support substrate 10 in each cell 100 is a free end. Therefore, this stack structure can be expressed as a “cantilever stack structure”.

図16に示すように、支持板210(マニホールド200の上壁)の表面(上面)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の前記一端部がそれぞれ挿入される。従って、マニホールド200の内部空間と複数のセル100のガス流路11のそれぞれの燃料ガス流入側の一端部とが連通している。   As shown in FIG. 16, a large number of insertion holes 211 communicating with the internal space of the manifold 200 are formed on the surface (upper surface) of the support plate 210 (the upper wall of the manifold 200). The one end of the corresponding cell 100 is inserted into each insertion hole 211. Therefore, the internal space of the manifold 200 communicates with one end portion of each of the gas flow paths 11 of the plurality of cells 100 on the fuel gas inflow side.

図17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2長手方向、y軸方向)を有する。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18、図19に示すように、セル100の前記一端部が挿入孔211に挿入された状態では、挿入孔211の内壁とセル100の前記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の前記一端部が挿入孔211に遊嵌される。なお、図18、図19(特に、図19)では、前記隙間が誇張して描かれている。   As shown in FIG. 17, 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 symmetry axis with respect to line symmetry (second longitudinal direction, y-axis direction). Have 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. 18 and 19, when the 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. Is done. In other words, the one end of the cell 100 is loosely fitted into the insertion hole 211. In FIG. 18 and FIG. 19 (particularly FIG. 19), the gap is exaggerated.

図18、図19に示すように、挿入孔211とセル100の前記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の前記一端部とがそれぞれ接合・固定されている。図18に示すように、各セル100のガス流路11の前記一端部は、マニホールド200の内部空間と連通している。   As shown in FIGS. 18 and 19, solidified bonding material 300 is provided to fill the gap in each of the bonding portions between the insertion hole 211 and the one end of the cell 100. Thereby, each insertion hole 211 and the said one end part of the cell 100 corresponding are each joined and fixed. As shown in FIG. 18, the one end of the gas flow path 11 of each cell 100 communicates with the internal space of the manifold 200.

また、図18(及び、図15)に示すように、この例では、「マニホールド200の外壁面の全域(支持板210の表面(上面)の全域、並びに、マニホールド200の外壁の側面及び底面の全域)」、「各挿入孔211の内壁面の全域」、及び、「マニホールド200の内部空間を区画する内壁面の全域」に亘って、連続してコーティング膜400が形成されている。その結果、接合材300は、コーティング膜400の表面における「各挿入孔211の周縁部の全周に対応する部分」を覆うように、且つ、各セル100の前記一端部の側面の全周と接触するように、設けられている。なお、このコーティング膜400は、マニホールド200における「支持板210の表面(上面)の全域以外の表面」には形成されていなくてもよい。例えば、コーティング膜400は、マニホールド200の上面及び下面のみに形成されており、各挿入孔211の内壁面に形成されていなくてもよい。   Further, as shown in FIG. 18 (and FIG. 15), in this example, “the entire area of the outer wall surface of the manifold 200 (the entire area of the surface (upper surface) of the support plate 210, the side surface and the bottom surface of the outer wall of the manifold 200). The coating film 400 is continuously formed over “the entire area)”, “the entire area of the inner wall surface of each insertion hole 211”, and “the entire area of the inner wall surface that defines the internal space of the manifold 200”. As a result, the bonding material 300 covers the entire circumference of the side surface of the one end of each cell 100 so as to cover “the part corresponding to the entire circumference of the peripheral edge of each insertion hole 211” on the surface of the coating film 400. It is provided so that it may contact. The coating film 400 may not be formed on the “surface other than the entire surface (upper surface) of the support plate 210” of the manifold 200. For example, the coating film 400 is formed only on the upper surface and the lower surface of the manifold 200, and may not be formed on the inner wall surface of each insertion hole 211.

接合材300は、結晶化ガラスで構成される。結晶化ガラスとしては、例えば、SiO−B系、SiO−CaO系、MgO−B系が採用され得るが、SiO−MgO系のものが最も好ましい。なお、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。結晶化ガラスの結晶化度は、具体的には、例えば、「XRD等を用いて結晶相を同定し、SEM及びEDS、或いは、SEM及びEPMA等を用いて結晶化後のガラスの組織や組成分布を観察した結果に基づいて、結晶相領域の体積割合を算出する」ことによって得ることができる。接合材300の気孔率は、10%未満である。換言すれば、接合材300は、緻密質である。 The bonding material 300 is made of crystallized glass. As the crystallized glass, for example, a SiO 2 —B 2 O 3 system, a SiO 2 —CaO system, or a MgO—B 2 O 3 system can be adopted, but a SiO 2 —MgO system is most preferable. In this specification, crystallized glass means that the ratio (crystallinity) of “volume occupied by crystal phase” to the total volume is 60% or more, and “volume occupied by amorphous phase and impurities relative to the total volume”. "Refers to glass (ceramics) having a ratio of less than 40%. The crystallinity of the crystallized glass is specifically determined by, for example, “the crystal phase and the composition after the crystal phase is identified by using XRD or the like and crystallized by using SEM and EDS or SEM and EPMA. The volume ratio of the crystal phase region is calculated based on the result of observing the distribution. The porosity of the bonding material 300 is less than 10%. In other words, the bonding material 300 is dense.

コーティング膜400は、導電性セラミックス材料で構成されている。好ましくは、コーティング膜400は、(Mn、Co)で構成されている。(Mn、Co)の熱膨張係数は、マニホールド200の材料(ステンレス鋼)の熱膨張係数と略等しい。従って、マニホールド200との間で、コーティング膜400に大きな熱応力が作用し難くなる。この結果、熱応力に起因する剥離がコーティング膜400に発生する可能性が低くなる。コーティング膜400の気孔率は10〜40%であることが好ましい。これにより、コーティング膜400が緻密質である場合と比較して、コーティング膜400の製造コストが低くなる。 The coating film 400 is made of a conductive ceramic material. Preferably, the coating film 400 is made of (Mn, Co) 3 O 4 . The thermal expansion coefficient of (Mn, Co) 3 O 4 is substantially equal to the thermal expansion coefficient of the material of the manifold 200 (stainless steel). Therefore, a large thermal stress hardly acts on the coating film 400 between the manifold 200 and the manifold 200. As a result, the possibility that peeling due to thermal stress occurs in the coating film 400 is reduced. The porosity of the coating film 400 is preferably 10 to 40%. Thereby, compared with the case where the coating film 400 is dense, the manufacturing cost of the coating film 400 becomes low.

図20に示すように、コーティング膜400の内部には、MgO粒子が含まれている。MgO粒子は、コーティング膜400の内部に亘って略均一に点在(散在)している。このようにMgO粒子が含まれることによる作用・効果、コーティング膜400におけるMgOの含有率、コーティング膜400の厚さ、並びに、コーティング膜400の内部に存在する気孔の径の平均値、については、後述する。なお、図20に示すように、マニホールド200とコーティング膜400との間にはクロミア(Cr)膜が介在している。このクロミア膜は、コーティング膜400に対して施される後述する熱処理の際に不可避的に生成される。クロミア膜の厚さは、2〜15μmである。 As shown in FIG. 20, MgO particles are included in the coating film 400. The MgO particles are scattered (scattered) substantially uniformly throughout the coating film 400. As described above, with regard to the action and effect due to the inclusion of MgO particles, the content of MgO in the coating film 400, the thickness of the coating film 400, and the average value of the diameters of pores existing inside the coating film 400, It will be described later. As shown in FIG. 20, a chromia (Cr 2 O 3 ) film is interposed between the manifold 200 and the coating film 400. This chromia film is inevitably generated at the time of heat treatment to be described later performed on the coating film 400. The thickness of the chromia film is 2 to 15 μm.

また、図18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20と他方のセル100の空気極60)を電気的に直列に接続するための集電部材500が介在している。集電部材500は、例えば、金属メッシュ等で構成される。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600も設けられている。   Also, as shown in FIG. 18, between adjacent cells 100, 100, between adjacent cells 100, 100 (more specifically, the fuel electrode 20 of one cell 100 and the air electrode of the other cell 100). A current collecting member 500 for electrically connecting 60) in series is interposed. The current collecting member 500 is made of, for example, a metal mesh. In addition, a current collecting member 600 for electrically connecting the front side and the back side of each cell 100 in series is also provided.

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21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11にそれぞれ導入される。各ガス流路11を通過した燃料ガスは、その後、各ガス流路11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. 21, fuel gas (eg, hydrogen) at a high temperature (eg, 600 to 800 ° C.) and “gas containing oxygen (eg, air) ) ". The fuel gas introduced from the introduction passage 220 moves into the internal space of the manifold 200 and is then introduced into the gas flow path 11 of the corresponding cell 100 via each insertion hole 211. The fuel gas that has passed through each gas flow path 11 is then discharged from the other end (free end) of each gas flow path 11 to the outside. 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、「マニホールド200の外壁の表面の全域」、「各挿入孔211の内壁面の全域」、及び、「マニホールド200の内部空間を区画する内壁面の全域」に亘って、コーティング膜400用の(Mn、Co)のペースト膜が連続して形成される。このペーストには、(Mn、Co)の粉末に加えて、MgOの粒子が含まれている。(Mn、Co)の粉末の粒径は2〜30μmであり、MgO粒子の粒径は0.5〜5μmである。 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 “entire area of the outer wall surface of the manifold 200”, “the entire area of the inner wall surface of each insertion hole 211”, and “the entire area of the inner wall surface that defines the internal space of the manifold 200” are coated for the coating film 400. A paste film of (Mn, Co) 3 O 4 is continuously formed. This paste contains MgO particles in addition to (Mn, Co) 3 O 4 powder. The particle size of (Mn, Co) 3 O 4 powder is 2 to 30 μm, and the particle size of MgO particles is 0.5 to 5 μm.

このペースト膜は、例えば、塗布、ディッピング法等によって形成される。なお、このように、マニホールド200の内外壁面、及び、各挿入孔211の内壁面の全域に亘ってペースト膜が形成される場合、マスキングが不要となるので、コーティングに要する工数、及びコストが削減され得る。   This paste film is formed by, for example, coating or dipping. In this way, when the paste film is formed over the entire inner and outer wall surfaces of the manifold 200 and the inner wall surfaces of the respective insertion holes 211, masking is not necessary, and therefore the man-hour and cost required for coating are reduced. Can be done.

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、(上記ペースト膜が形成された)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用の非晶質材料(非晶質ガラス)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18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。即ち、接合材300用のペーストが、コーティング膜400用のペースト膜の表面における「各挿入孔211の周縁部の全周に対応する部分」を覆うように、且つ、各セル100の前記一端部の側面の全周と接触するように、設けられ得る。   Next, the plurality of cells 100 are aligned and fixed in a stack using a predetermined jig or the like. Next, while maintaining the state in which the plurality of cells 100 are aligned and fixed in a stack, each end of each of the plurality of cells 100 is inserted into the corresponding insertion hole of the support plate 210 (where the paste film is formed). 211 is inserted at a time. Next, a paste of an amorphous material (amorphous glass) for the bonding material 300 is filled in each gap of the bonding portion between the insertion hole 211 and one end portion of the cell 100. At that time, as shown in FIG. 18, the paste may be supplied to the joint to the extent that it protrudes upward from the surface of the support plate 210. In other words, the paste for the bonding material 300 covers the “part corresponding to the entire circumference of the peripheral edge of each insertion hole 211” on the surface of the paste film for the coating film 400, and the one end of each cell 100. It may be provided so as to be in contact with the entire circumference of the side surface.

次に、上記のように充填された接合材300用の非晶質材料ペースト、及び、上記のように形成されたコーティング膜400用の(Mn、Co)のペースト膜に熱処理(結晶化処理)が加えられる。この熱処理によって前記非晶質材料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、材料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、非晶質材料が固化・セラミックス化されて、結晶化ガラスとなる。これにより、結晶化ガラスで構成される接合材300が機能を発揮し、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。また、コーティング膜400が、後述するコーティング機能を発揮し得るようになる。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 amorphous material paste for the bonding material 300 filled as described above and the (Mn, Co) 3 O 4 paste film for the coating film 400 formed as described above are subjected to heat treatment (crystal Processing) is added. When the temperature of the amorphous material reaches its crystallization temperature by this heat treatment, a crystal phase is generated inside the material at the crystallization temperature, and crystallization proceeds. As a result, the amorphous material is solidified and ceramicized to become crystallized glass. Thereby, the bonding material 300 made of crystallized glass exhibits a function, and one end of each cell is bonded 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. Further, the coating film 400 can exhibit a coating function described later. Thereafter, the predetermined jig is removed from the plurality of cells 100 to complete the above-described cantilever stack structure.

以下、上述した「接合材300用の非晶質材料(非晶質ガラス)のペースト」について付言する。   Hereinafter, the above-mentioned “paste of amorphous material (amorphous glass) for the bonding material 300” will be additionally described.

SOFCセルを劣化させる被毒元素の一つとしてホウ素Bが挙げられる。或る濃度以上のBが燃料極に供給されると、燃料極を構成するNi粒子が肥大化し、その結果、燃料極の反応抵抗が増大してSOFCセルが劣化する。加えて、ホウ素Bが固体電解質膜と固溶することによって固体電解質膜の強度が低下し、その結果、ホウ素Bが空気極側へ飛散する可能性もある。燃料極及び空気極へのBの供給源の一つとして、ガラスが疑われている。係る観点から、接合材300内におけるBの含有量を小さくすることが望まれてきている。以上の知見に基づき、上記ペースト内(従って、結晶化ガラスとしての接合材300内)(特に、接合材300における表面から30μm以下の表層領域内)におけるホウ素Bの含有量は、10モル%以下であることが好ましい。   One of poisoning elements that degrade the SOFC cell is boron B. When B of a certain concentration or more is supplied to the fuel electrode, Ni particles constituting the fuel electrode are enlarged, and as a result, the reaction resistance of the fuel electrode is increased and the SOFC cell is deteriorated. In addition, the strength of the solid electrolyte membrane is reduced by the solid solution of boron B with the solid electrolyte membrane, and as a result, the boron B may be scattered to the air electrode side. Glass is suspected as one source of B to the fuel and air electrodes. From such a viewpoint, it has been desired to reduce the B content in the bonding material 300. Based on the above knowledge, the content of boron B in the paste (and hence in the bonding material 300 as crystallized glass) (in particular, in the surface layer region of 30 μm or less from the surface of the bonding material 300) is 10 mol% or less. It is preferable that

同様に、SOFCセルを劣化させる被毒元素として、アルカリ金属、リンP、硫黄S、塩素Cl等の不純物が知られている。上記のBと同様、SOFCセルの被毒劣化抑制の観点から、接合材300内における上述した不純物の含有量を小さくすることが望まれてきている。以上の観点に基づき、上記ペースト内(従って、結晶化ガラスとしての接合材300内)における、アルカリ金属、P、S、Clのそれぞれの含有量は、0.5モル%以下であることが好ましい。   Similarly, impurities such as alkali metals, phosphorus P, sulfur S, and chlorine Cl are known as poisoning elements that degrade the SOFC cell. Similar to the above B, it is desired to reduce the content of the impurities in the bonding material 300 from the viewpoint of suppressing poisoning deterioration of the SOFC cell. Based on the above viewpoint, each content of alkali metal, P, S, and Cl in the paste (and thus in the bonding material 300 as crystallized glass) is preferably 0.5 mol% or less. .

SOFCセルを他の部材に接合する場合に使用される接合材は、高い熱膨張係数(50〜850℃において10×10−6/K以上)を有することが要求される。一般に、熱処理により上記ペーストが結晶化された後に高い熱膨張係数を有する結晶相が析出するように、上記ペースト中のガラス組成が調整される。ここで、Bの含有量が少ない結晶化ガラスであって50〜850℃において11.0×10−6/K以上の高い熱膨張係数を有するものを得るためには、上記ペースト中のガラスにバリウムBaを添加することが重要であることが分かってきている。以上の観点に基づき、上記接合材300用のペースト中のガラス内におけるBaの含有量は、BaOとして、5〜40モル%であることが好ましい。 The bonding material used when bonding the SOFC cell to another member is required to have a high coefficient of thermal expansion (10 × 10 −6 / K or more at 50 to 850 ° C.). Generally, the glass composition in the paste is adjusted so that a crystal phase having a high thermal expansion coefficient is precipitated after the paste is crystallized by heat treatment. Here, in order to obtain a crystallized glass having a low B content and a high thermal expansion coefficient of 11.0 × 10 −6 / K or more at 50 to 850 ° C., the glass in the paste is used. It has been found that adding barium Ba is important. Based on the above viewpoint, the content of Ba in the glass in the paste for the bonding material 300 is preferably 5 to 40 mol% as BaO.

ところで、熱処理により上記ペーストが結晶化されて得られる結晶化ガラス(結晶化度が60%以上)は、複数種類の結晶相を含む。これは以下の理由に基づく。即ち、一般に、熱処理中において、熱処理に使用される炉内の空間では場所によって温度上昇のパターンが異なる。従って、熱処理中では、上記ペーストの温度上昇のパターンも、上記ペーストの部分によって異なる。この結果、上記ペーストの部分によって、析出する結晶相が異なり得る。以上のことから、上記ペーストが結晶化されて得られる結晶化ガラスは、複数種類の結晶相を含み得る。   By the way, crystallized glass (crystallinity of 60% or more) obtained by crystallizing the paste by heat treatment includes a plurality of types of crystal phases. This is based on the following reason. That is, in general, during the heat treatment, the temperature rise pattern varies depending on the location in the space in the furnace used for the heat treatment. Accordingly, during the heat treatment, the temperature rise pattern of the paste also varies depending on the portion of the paste. As a result, the crystal phase to be deposited may vary depending on the portion of the paste. From the above, the crystallized glass obtained by crystallizing the paste can contain a plurality of types of crystal phases.

(コーティング膜400にMgOが含まれることによる作用・効果)
上述のように、(Mn、Co)で構成されたコーティング膜400には、MgO粒子が含まれる。ここで、MgOは、クロム(Cr)を捕獲する捕獲剤(所謂、ゲッター)として機能するため、コーティング膜400が多孔質であっても、ステンレス鋼で構成されたマニホールド200の表面から揮発したクロムがコーティング膜内部の気孔を通過する途中で、膜内部に存在するMgOに捕獲され得る。従って、前記揮発したクロムがコーティング膜400の外部に流出し難くなる。この結果、前記揮発したクロムがセル100の発電素子部に到達して発電素子部(特に、空気極60)が被毒すること、が確実に抑制され得る。
(Operations and effects due to MgO contained in coating film 400)
As described above, the coating film 400 made of (Mn, Co) 3 O 4 contains MgO particles. Here, since MgO functions as a capture agent (so-called getter) that captures chromium (Cr), even if the coating film 400 is porous, chromium volatilized from the surface of the manifold 200 made of stainless steel. Can be trapped by MgO existing inside the film while passing through the pores inside the coating film. Accordingly, the volatilized chromium is less likely to flow out of the coating film 400. As a result, it is possible to reliably suppress the volatilized chromium from reaching the power generation element portion of the cell 100 and poisoning the power generation element portion (particularly, the air electrode 60).

以下、多孔質のコーティング膜400にMgOが含まれることによる上述した作用・効果を確認するために行った試験Aについて説明する。   Hereinafter, the test A performed for confirming the above-described action and effect due to the MgO contained in the porous coating film 400 will be described.

(試験A)
試験Aでは、図15に示したSOFCのスタック構造体について、(Mn、Co)で構成されたコーティング膜400に含まれるMgO粒子の含有率(体積%)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、7種類の水準が準備された。各水準に対して1個のサンプル(スタック構造体)が作製された。水準2〜7では、MgO粒子が含まれているが(MgOの含有率>0%)、水準1のみ、MgO粒子が含まれていない(MgOの含有率=0%)。MgOの含有率の調整は、コーティング膜400用のペースト内に含められるMgO粒子の量を調整することによってなされた。このペーストに含まれる(Mn、Co)の粉末の粒径は2〜30μmであり、MgO粒子の粒径は0.5〜5μmであった。
(Test A)
In the test A, a plurality of samples having different contents (volume%) of MgO particles contained in the coating film 400 made of (Mn, Co) 3 O 4 were prepared for the SOFC stack structure shown in FIG. It was done. Specifically, as shown in Table 1, seven types of levels were prepared. One sample (stack structure) was made for each level. Levels 2 to 7 contain MgO particles (MgO content> 0%), but only Level 1 does not contain MgO particles (MgO content = 0%). The content of MgO was adjusted by adjusting the amount of MgO particles included in the paste for the coating film 400. The particle size of (Mn, Co) 3 O 4 powder contained in this paste was 2 to 30 μm, and the particle size of MgO particles was 0.5 to 5 μm.

前記熱処理後の各サンプル(スタック構造体)について、スタック数(セル100の枚数)は5枚であった。セル100は、長さ(x軸方向)が50〜500mm、幅(y軸方向)が10〜100mm、厚さ(z軸方向)が1〜5mmの薄板状を呈していた。マニホールド200は、長さ(z軸方向)が20〜40mm、幅(y軸方向)が50〜150mm、高さ(x軸方向)が10〜50mmの直方体状を呈していた。マニホールド200の全体は、ステンレス鋼で構成されていた。   For each sample (stack structure) after the heat treatment, the number of stacks (number of cells 100) was 5. The cell 100 had a thin plate shape with a length (x-axis direction) of 50 to 500 mm, a width (y-axis direction) of 10 to 100 mm, and a thickness (z-axis direction) of 1 to 5 mm. The manifold 200 had a rectangular parallelepiped shape with a length (z-axis direction) of 20 to 40 mm, a width (y-axis direction) of 50 to 150 mm, and a height (x-axis direction) of 10 to 50 mm. The entire manifold 200 was made of stainless steel.

前記熱処理後の各サンプルについて、コーティング膜400の厚さは、20〜50μmとされた。コーティング膜400の気孔率は、10〜40%とされた。即ち、コーティング膜400は多孔質膜とされた。コーティング膜400の内部に存在する気孔の径の平均値は、0.1〜10μmとされた。コーティング膜400は、上記実施形態と同様(図18を参照)、マニホールド200の表面に全域に亘って形成されていた。コーティング膜についての前記熱処理は、800〜1050℃にて1〜10時間に亘って行われた。コーティング膜400の気孔率、及び、気孔径の調整は、ペースト内の粉末の粒径、造孔材の添加量等を調整することによってなされた。コーティング膜400の厚さの調整は、ペースト膜の厚さを調整することによってなされた。   About each sample after the said heat processing, the thickness of the coating film 400 was 20-50 micrometers. The porosity of the coating film 400 was 10 to 40%. That is, the coating film 400 was a porous film. The average value of the diameters of the pores existing inside the coating film 400 was 0.1 to 10 μm. The coating film 400 was formed over the entire surface of the manifold 200 as in the above embodiment (see FIG. 18). The said heat processing about a coating film was performed over 1 to 10 hours at 800-1050 degreeC. The porosity and the pore diameter of the coating film 400 were adjusted by adjusting the particle diameter of the powder in the paste, the added amount of the pore former, and the like. The thickness of the coating film 400 was adjusted by adjusting the thickness of the paste film.

コーティング膜400の「厚さ」として、コーティング膜400における所定の10か所での厚さの平均値が使用された。なお、コーティング膜400の外縁部(支持板210の外縁部に対応する領域)では、コーティング膜400の厚さが安定し難いことに鑑みて、コーティング膜400の外縁部以外の部分(中央部、平坦部)から、前記「所定の10か所」が選択・採用された。   As the “thickness” of the coating film 400, an average value of thicknesses at predetermined ten locations in the coating film 400 was used. In addition, in the outer edge portion of the coating film 400 (region corresponding to the outer edge portion of the support plate 210), in consideration of the fact that the thickness of the coating film 400 is difficult to stabilize, portions other than the outer edge portion of the coating film 400 (the center portion, The “predetermined 10 places” were selected and adopted from the flat portion.

コーティング膜400の「気孔率」、「気孔径の平均値」、及び、「MgO粒子の含有率」は、以下のように算出された。先ず、コーティング膜の気孔内に樹脂が進入するようにその膜に対して所謂「樹脂埋め」処理がなされた。その「樹脂埋め」処理されたコーティング膜の表面に対して機械研磨がなされた。機械研磨された表面の微構造を走査型電子顕微鏡を用いて観察して得られた画像に対して画像処理を行うことによって、それぞれの気孔の部分(樹脂が進入している部分)の面積が算出された。それぞれの気孔部分の面積から、それぞれの気孔の等価直径が算出された。それぞれの等価直径の平均値が、コーティング膜の「気孔の径の平均値」(μm)とされた。また、「前記機械研磨された表面の全面積」に対する「気孔部分の面積の総和」の割合が、コーティング膜400の「気孔率」(体積%)とされた。加えて、前記画像処理によって、MgO粒子が占める部分の面積の総和が算出された。「前記機械研磨された表面の全面積」に対する「MgO粒子が占める部分の面積の総和」の割合が、MgO粒子の含有率(体積%)とされた。なお、コーティング膜400の「気孔率」、「気孔径の平均値」、及び、「MgO粒子の含有率」の値として、それぞれ、機械研磨された複数個所(例えば、10箇所)の表面からそれぞれ得られる値の平均値を採用することが好ましい。   The “porosity”, “average pore diameter”, and “MgO particle content” of the coating film 400 were calculated as follows. First, a so-called “resin filling” process was performed on the film so that the resin entered the pores of the coating film. The surface of the coating film treated with “resin filling” was mechanically polished. By performing image processing on the image obtained by observing the microstructure of the mechanically polished surface using a scanning electron microscope, the area of each pore portion (portion where the resin enters) is reduced. Calculated. From the area of each pore portion, the equivalent diameter of each pore was calculated. The average value of the equivalent diameters was defined as the “average value of pore diameter” (μm) of the coating film. Further, the ratio of the “total area of the pores” to the “total area of the mechanically polished surface” was set as the “porosity” (volume%) of the coating film 400. In addition, the total area of the portion occupied by the MgO particles was calculated by the image processing. The ratio of “total area of portions occupied by MgO particles” to “total area of the mechanically polished surface” was the MgO particle content (% by volume). The “porosity”, “average pore diameter”, and “MgO particle content” of the coating film 400 are respectively measured from a plurality of mechanically polished surfaces (for example, 10 locations). It is preferable to employ an average value of the obtained values.

そして、この試験Aでは、上記熱処理後の各サンプルについて、800℃の高温雰囲気下、電流を一定に維持した状態で、スタック構造体の出力電圧の安定性に関する耐久試験が実施された。具体的には、1000hrが経過した時点での出力電圧の低下率(劣化率)が算出された。この評価結果を表1に示す。   In this test A, an endurance test on the stability of the output voltage of the stack structure was performed on each of the samples after the heat treatment in a high temperature atmosphere of 800 ° C. while maintaining a constant current. Specifically, the reduction rate (deterioration rate) of the output voltage at the time when 1000 hours passed was calculated. The evaluation results are shown in Table 1.

表1から明らかなように、コーティング膜400にMgO粒子が含まれると(水準2〜7を参照)、MgO粒子が含まれない場合(水準1を参照)と比べて、出力電圧の劣化率が小さい。これは、以下の理由に基づくと考えられる。即ち、コーティング膜400の内部にMgOが含有していないと、前記耐久試験中に亘って、ステンレス鋼で構成されたマニホールド200の表面から揮発したクロムが、多孔質のコーティング膜400内部の気孔を通過してコーティング膜400の外部に流出し続ける。従って、前記流出したクロムがセル100の発電素子部に到達し続けることによって、発電素子部(特に、燃料極20及び空気極60)の被毒が進行し、電極の性能(特性)の劣化が進行する。この結果、前記耐久試験後において、出力電圧の劣化率が大きくなる。   As is clear from Table 1, when the MgO particles are included in the coating film 400 (see levels 2 to 7), the deterioration rate of the output voltage is lower than when the MgO particles are not included (see level 1). small. This is considered based on the following reasons. That is, if MgO is not contained in the coating film 400, chromium volatilized from the surface of the manifold 200 made of stainless steel during the durability test causes pores inside the porous coating film 400 to be formed. It continues to flow out of the coating film 400. Therefore, when the outflowed chromium continues to reach the power generation element portion of the cell 100, poisoning of the power generation element portion (particularly, the fuel electrode 20 and the air electrode 60) proceeds, and the performance (characteristics) of the electrode deteriorates. proceed. As a result, the deterioration rate of the output voltage is increased after the endurance test.

これに対し、コーティング膜400にMgO粒子が含まれていると、マニホールド200の表面から揮発したクロムが、多孔質のコーティング膜400内部の気孔を通過する途中で、膜内部に存在するMgOに捕獲され得る。従って、前記揮発したクロムがコーティング膜400の外部に流出し難くなる。この結果、前記揮発したクロムによって発電素子部(特に、空気極60)が被毒し難くなるので、前記耐久試験後において、出力電圧の劣化率が小さくなる。   On the other hand, if the coating film 400 contains MgO particles, chromium volatilized from the surface of the manifold 200 is trapped by MgO existing inside the film while passing through the pores inside the porous coating film 400. Can be done. Accordingly, the volatilized chromium is less likely to flow out of the coating film 400. As a result, the power generation element portion (particularly, the air electrode 60) is not easily poisoned by the volatilized chromium, and thus the deterioration rate of the output voltage is reduced after the durability test.

加えて、MgOの含有率が30体積%を超えると(水準7を参照)、コーティング膜400に剥離が生じた。これは、以下の理由に基づくと考えられる。即ち、MgOの熱膨張係数は、(Mn、Co)の熱膨張係数より大きい。従って、コーティング膜400におけるMgOの含有率が大き過ぎると、コーティング膜400の熱膨張係数が大きくなり過ぎて、コーティング膜400の熱膨張係数とマニホールド200の材料(ステンレス鋼)の熱膨張係数との差が大きくなる。この結果、マニホールド200との間で、コーティング膜400に大きな熱応力が作用し、この熱応力に起因してコーティング膜400に剥離が生じ易くなる。また、MgOの含有率が3体積%未満の場合については試験が行われなかった。以上より、MgOの含有率が3〜30体積%であると(水準2〜6を参照)、前記耐久試験後において、出力電圧の劣化率が小さくなることに加えて、コーティング膜400に剥離が発生し難くなる、といえる。 In addition, when the content of MgO exceeded 30% by volume (see level 7), the coating film 400 was peeled off. This is considered based on the following reasons. That is, the thermal expansion coefficient of MgO is larger than that of (Mn, Co) 3 O 4 . Therefore, if the content of MgO in the coating film 400 is too large, the thermal expansion coefficient of the coating film 400 becomes too large, and the thermal expansion coefficient of the coating film 400 and the thermal expansion coefficient of the material of the manifold 200 (stainless steel). The difference increases. As a result, a large thermal stress acts on the coating film 400 between the manifold 200 and the coating film 400 is easily peeled off due to the thermal stress. Moreover, the test was not performed when the MgO content was less than 3% by volume. From the above, when the MgO content is 3 to 30% by volume (see Levels 2 to 6), after the durability test, the deterioration rate of the output voltage is reduced, and the coating film 400 is peeled off. It can be said that it becomes difficult to generate.

(コーティング膜にクラックが発生する事態を抑制するための膜厚の範囲) (Range of film thickness to suppress the occurrence of cracks in the coating film)

図15に示したSOFCのスタック構造体では、通常の環境下で稼働される場合には、コーティング膜400にクラック(又は、剥離)が発生しない。しかしながら、SOFC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、コーティング膜400にクラックが発生する場合があった。本発明者は、係るクラックの発生が、コーティング膜400の厚さ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Bについて説明する。   In the SOFC stack structure shown in FIG. 15, cracks (or peeling) do not occur in the coating film 400 when operated in a normal environment. However, when the SOFC stack structure is operated under severe thermal stress, cracks may occur in the coating film 400. The inventor has found that the occurrence of such cracks has a strong correlation with the thickness of the coating film 400. Hereinafter, test B in which this has been confirmed will be described.

(試験B)
試験Bでは、図15に示したSOFCのスタック構造体について、(Mn、Co)で構成されたコーティング膜400の厚さ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、上記試験Aと同様、コーティング膜400の「厚さ」は、コーティング膜400における前記所定の10か所での厚さの平均値とされた。表2に記載された厚さの値は、上記熱処理後の値(N=10の平均値)である。
(Test B)
In Test B, a plurality of samples having different thicknesses of the coating film 400 made of (Mn, Co) 3 O 4 were fabricated for the SOFC stack structure shown in FIG. Specifically, as shown in Table 2, 10 types of levels were prepared. Ten samples (N = 10) were made for each level. For each sample, as in Test A above, the “thickness” of the coating film 400 was the average value of the thicknesses at the predetermined ten locations in the coating film 400. The thickness values listed in Table 2 are the values after the heat treatment (N = 10 average value).

各サンプル(図15に示すSOFCのスタック構造体)の基本的な形態(サイズ、スタック数、材料等)、熱処理条件等は、上記試験Aと同じとされた。各サンプルにおいて、熱処理後にて、コーティング膜400の気孔率は、10〜40%とされ、コーティング膜400におけるMgO粒子の含有率は3〜30体積%とされ、コーティング膜400の内部に存在する気孔の径の平均値は、0.1〜10μmとされた。コーティング膜400の「厚さ」、「気孔率」、「気孔径の平均値」、及び、「MgO粒子の含有率」の算出方法については、上記試験Aと同様である(後述する試験Cについても同じ)。   The basic form (size, number of stacks, materials, etc.), heat treatment conditions, etc. of each sample (SOFC stack structure shown in FIG. 15) were the same as in Test A above. In each sample, after the heat treatment, the porosity of the coating film 400 is 10 to 40%, and the content of MgO particles in the coating film 400 is 3 to 30% by volume. The average value of the diameter was set to 0.1 to 10 μm. The calculation method of “thickness”, “porosity”, “average value of pore diameter”, and “content ratio of MgO particles” of the coating film 400 is the same as in the above test A (about test C described later) The same).

そして、上記熱処理後の各サンプルについて、「燃料極20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100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、コーティング膜400の表面におけるクラック(又は、剥離)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2に示すとおりである。   For each sample after the heat 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 20”. A heat cycle test was repeated 100 times. And about each sample, the presence or absence of the generation | occurrence | production of the crack (or peeling) in the surface of the coating film 400 was confirmed. This confirmation was made by visual observation as well as observation using a microscope. The results are as shown in Table 2.

表2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、コーティング膜400の厚さが100μmより大きいと、コーティング膜400の表面にクラックが発生し易い。これは、コーティング膜400の厚さが100μm以上では、ペーストを塗布したものを乾燥する段階で軽微なクラックが認められることがあり、この微小なクラックを起点にクラック発生に至ったものと考える。また、試験の都合等により、厚さが5μm未満のコーティング膜400を有するサンプルは作製されなかった。以上より、コーティング膜400の厚さが5〜100μmの範囲内であると、前記クラックが発生し難い、ということができる。   As can be seen from Table 2, after the thermal cycle test, which is severe in terms of thermal stress, if the thickness of the coating film 400 is greater than 100 μm, cracks are likely to occur on the surface of the coating film 400. It is considered that when the thickness of the coating film 400 is 100 μm or more, a slight crack may be observed at the stage of drying the coated paste, and the crack is generated starting from the minute crack. Moreover, the sample which has the coating film | membrane 400 with a thickness of less than 5 micrometers was not produced for the convenience of the test. As mentioned above, it can be said that the said crack is hard to generate | occur | produce as the thickness of the coating film 400 exists in the range of 5-100 micrometers.

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)にて上記実施形態が使用される場合、コーティング膜400の厚さが5〜100μmの範囲外であっても、コーティング膜400の表面にクラックが発生しないことを別途確認している。   In addition, when the above embodiment is used under normal conditions and 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 when the thickness of the film 400 is outside the range of 5 to 100 μm, it has been separately confirmed that no cracks are generated on the surface of the coating film 400.

(コーティング膜にクラックが発生する事態を抑制するための膜内の気孔径の範囲)
本発明者は、図15に示したSOFC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場合に発生する上記クラックの発生が、「コーティング膜400内の気孔の径の平均値」とも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Cについて説明する。
(Range of pore diameter in the film to suppress the occurrence of cracks in the coating film)
The present inventor has found that the occurrence of the cracks generated when the SOFC stack structure shown in FIG. 15 is operated under a severe thermal stress environment is “the average value of the diameters of the pores in the coating film 400. And found a strong correlation. Hereinafter, test C in which this has been confirmed will be described.

(試験C)
試験Cでは、図15に示したSOFCのスタック構造体について、(Mn、Co)で構成されたコーティング膜400内の気孔の径の平均値が異なる複数のサンプルが作製された。具体的には、表3に示すように、10種類の水準が準備された。各水準に対して10個のサンプル(N=10)が作製された。表3に記載された気孔径の平均値は、上記熱処理(結晶化処理)後の値(N=10の平均値)である。
(Test C)
In Test C, for the SOFC stack structure shown in FIG. 15, a plurality of samples having different average diameters of pores in the coating film 400 made of (Mn, Co) 3 O 4 were produced. Specifically, as shown in Table 3, ten types of levels were prepared. Ten samples (N = 10) were made for each level. The average value of the pore diameters described in Table 3 is the value after the heat treatment (crystallization treatment) (the average value of N = 10).

各サンプル(図15に示すSOFCのスタック構造体)の基本的な形態(サイズ、スタック数、材料等)、熱処理条件等は、上記試験Aと同じとされた。各サンプルにおいて、熱処理後にて、コーティング膜400の気孔率は、10〜40%とされ、コーティング膜400におけるMgO粒子の含有率は3〜30体積%とされ、コーティング膜400の厚さは20〜50μmとされた。   The basic form (size, number of stacks, materials, etc.), heat treatment conditions, etc. of each sample (SOFC stack structure shown in FIG. 15) were the same as in Test A above. In each sample, after the heat treatment, the porosity of the coating film 400 is 10 to 40%, the content of MgO particles in the coating film 400 is 3 to 30% by volume, and the thickness of the coating film 400 is 20 to 20%. 50 μm.

そして、上記熱処理後(結晶化処理後)の各サンプルについて、「燃料極20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100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、コーティング膜400の表面におけるクラック(又は、剥離)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3に示すとおりである。   For each sample after the above heat treatment (after the crystallization treatment), “From the 750 ° C. to the normal temperature after raising the ambient temperature from room temperature to 750 ° C. in 2 hours while supplying the reducing fuel gas to the fuel electrode 20 The thermal cycle test was repeated 100 times for the “pattern to be lowered in 4 hours”. And about each sample, the presence or absence of the generation | occurrence | production of the crack (or peeling) in the surface of the coating film 400 was confirmed. This confirmation was made by visual observation as well as observation using a microscope. The results are as shown in Table 3.

表3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、コーティング膜400内の気孔の径の平均値が10μmより大きいと、コーティング膜400の表面にクラックが発生し易い。これは、気孔の径の平均値が10μmよりも大きいと、気孔の内壁面に応力集中が発生し、これがクラックの発生に起因するものと考えられる。また、試験の都合等により、気孔の径の平均値が0.1μm未満のコーティング膜400を有するサンプルは作製されなかった。以上より、コーティング膜400内の気孔の径の平均値が0.1〜10μmの範囲内であると、前記クラックが発生し難い、ということができる。   As can be seen from Table 3, after the thermal cycle test, which is severe in terms of thermal stress, if the average pore diameter in the coating film 400 is larger than 10 μm, cracks are generated on the surface of the coating film 400. Easy to do. This is considered that when the average value of the pore diameter is larger than 10 μm, stress concentration occurs on the inner wall surface of the pore, which is caused by the occurrence of cracks. Moreover, the sample which has the coating film 400 whose average value of the diameter of a pore is less than 0.1 micrometer was not produced for the convenience of the test. As mentioned above, it can be said that the said crack is hard to generate | occur | produce as the average value of the diameter of the pore in the coating film 400 exists in the range of 0.1-10 micrometers.

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)にて上記実施形態が使用される場合、コーティング膜400内の気孔の径の平均値が0.1〜10μmの範囲外であっても、コーティング膜400の表面にクラックが発生しないことを別途確認している。   In addition, when the above embodiment is used under normal conditions and 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), It has been separately confirmed that cracks do not occur on the surface of the coating film 400 even if the average value of the pore diameters in the film 400 is outside the range of 0.1 to 10 μm.

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、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いるが、支持基板の表面に発電素子部が1つのみ設けられた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 “horizontal stripe type” cell in which adjacent power generating element portions are electrically connected is employed, but only one power generating element portion is provided on the surface of the support substrate. A cell may be employed.

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つのセルの前記一端部が挿入されているが、図22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の前記一端部が挿入されていてもよい。なお、図22では、隣接するセル100、100の間隔が誇張して描かれている。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前記一端部の全てが挿入されていてもよい。   Moreover, in the said embodiment, although the said one end part of one cell is inserted in one insertion hole formed in the support plate, as shown in FIG. 22, one insertion hole 211 formed in the support plate The one end portions of two or more cells 100 may be inserted into the two. In FIG. 22, the interval between adjacent cells 100 is exaggerated. Further, all of the 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の前記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の前記一端部が進入している)が(図18等を参照)、図23に示すように、孔211にセル100の前記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の前記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の前記一端部との接合部のそれぞれにおいて孔211とセル100の前記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, the one end of the cell 100 is inserted into the insertion hole 211 (that is, the one end of the cell 100 enters the internal space of the insertion hole 211) (see FIG. 23, the 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 the one end of the cell 100 in each of the bonding portions between the holes 211 and the corresponding one end of the cell 100. It is done.

更には、上記実施形態では、マニホールド200の天板が多数のセル100を支持するための支持板210を兼ねているが(即ち、支持板210がマニホールド200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 200 also serves as the support plate 210 for supporting a large number of cells 100 (that is, the support plate 210 is configured integrally with the manifold 200). As long as the internal space of the manifold and the gas flow paths of the plurality of cells communicate with each other, the support plate may be configured separately from the manifold.

また、上記実施形態では、平板状の支持基板10の上下面のそれぞれに複数の凹部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、支持基板10の片側面のみに複数の凹部12が形成され且つ複数の発電素子部Aが設けられていてもよい。また、上記実施形態では、支持基板10が平板状を呈しているが、支持基板が円筒状を呈していても良い。この場合、円筒状の支持基板の内側空間がガス流路として機能する。   In the above embodiment, 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 generation element portions A are provided. The recessed part 12 may be formed and the several electric power generation element part A may be provided. In the above embodiment, the support substrate 10 has a flat plate shape, but the support substrate may have a cylindrical shape. In this case, the inner space of the cylindrical support substrate functions as a gas flow path.

また、上記実施形態では、マニホールド200の表面にのみコーティング膜400が形成されているが、集電部材500及び/又は集電部材600(図18、図23を参照)が鉄とクロムとを含む金属材料(ステンレス鋼等)で構成される場合、集電部材500及び/又は集電部材600の表面にも、コーティング膜400((Mn、Co)で構成され且つMgOを含む膜)が形成されることが好適である。これにより、マニホールド200のみならず、集電部材500及び/又は集電部材600の表面から揮発したクロムがセル100の発電素子部に到達することも抑制され得る。 Moreover, in the said embodiment, although the coating film 400 is formed only on the surface of the manifold 200, the current collection member 500 and / or the current collection member 600 (refer FIG. 18, FIG. 23) contain iron and chromium. When made of a metal material (stainless steel or the like), the coating film 400 (film made of (Mn, Co) 3 O 4 and containing MgO) is also formed on the surface of the current collecting member 500 and / or the current collecting member 600. Is preferably formed. Thereby, it is possible to prevent chromium volatilized not only from the manifold 200 but also from the surface of the current collecting member 500 and / or the current collecting member 600 from reaching the power generating element portion of the cell 100.

また、上記実施形態では、マニホールド200が本発明の金属部材に相当するものとして説明したが、マニホールドではない金属部材が本発明の金属部材に相当し、その金属部材の表面に、MgOを含むコーティング膜400が形成されていてもよい。例えば、上記実施形態では、マニホールド200が各セル100を支持するスタック構造体(いわゆる円筒平板型スタック構造体であるが、図24に示すように、セパレータが各セル100を支持するスタック構造体(いわゆる平板型スタック構造体)であってもよい。この場合、セパレータが本発明の金属部材に相当する。   In the above embodiment, the manifold 200 has been described as corresponding to the metal member of the present invention. However, a metal member that is not a manifold corresponds to the metal member of the present invention, and the surface of the metal member is coated with MgO. A film 400 may be formed. For example, in the above embodiment, the manifold 200 supports each cell 100 (a so-called cylindrical plate stack structure, but as shown in FIG. 24, the separator supports each cell 100 as shown in FIG. In this case, a separator corresponds to the metal member of the present invention.

詳細には、燃料電池のスタック構造体は、セル100と、複数のセパレータ201とを備えている。各セパレータ201は、メッシュ301を介して、セル100と電気的に接続されている。メッシュ301は、例えばニッケルである。また、各セパレータ201は、シールガラス401を介してセル100に接着されている。   Specifically, the stack structure of the fuel cell includes a cell 100 and a plurality of separators 201. Each separator 201 is electrically connected to the cell 100 via the mesh 301. The mesh 301 is nickel, for example. Each separator 201 is bonded to the cell 100 via a seal glass 401.

セル100は、燃料極101、固体電解質102、及び空気極103を備える。電解質102の一方面に燃料極101が配置され、電解質102の他方面に空気極103が配置されている。各セパレータ201は、セル100に空気または燃料ガスを供給するように構成されている。各セパレータ201は、例えば、貫通孔THを介して燃料ガス又は空気を燃料極101または空気極103に供給する。   The cell 100 includes a fuel electrode 101, a solid electrolyte 102, and an air electrode 103. A fuel electrode 101 is disposed on one surface of the electrolyte 102, and an air electrode 103 is disposed on the other surface of the electrolyte 102. Each separator 201 is configured to supply air or fuel gas to the cell 100. Each separator 201 supplies, for example, fuel gas or air to the fuel electrode 101 or the air electrode 103 through the through hole TH.

各セパレータ201の表面には、MgOを含むコーティング膜400が形成されている。コーティング膜400は、貫通孔THの内壁面にも形成されている。なお、コーティング膜400は、上記実施形態と同じであるため、詳細な説明を省略する。コーティング膜400は、各セパレータ201の空気極側の面のみに形成されていてもよい。   A coating film 400 containing MgO is formed on the surface of each separator 201. The coating film 400 is also formed on the inner wall surface of the through hole TH. The coating film 400 is the same as that in the above embodiment, and a detailed description thereof is omitted. The coating film 400 may be formed only on the surface of each separator 201 on the air electrode side.

また、上記実施形態では、コーティング膜400は、(Mn、Co)で構成されているが、コーティング膜400の母材は特にこれに限定されない。例えば、コーティング膜400の母材は、Co、ZnO、(La、Sr)(Co,Fe)O、(La、Sr)FeO、La(Ni、Fe、Cu)O、又は(Sm、Sr)CoOなどであってもよい。このコーティング膜400を、メッシュ301に適用してもよい。 In the above embodiment, the coating film 400, (Mn, Co) are constituted by 3 O 4, the base material of the coating film 400 is not particularly limited thereto. For example, the base material of the coating film 400 is Co 3 O 4 , ZnO, (La, Sr) (Co, Fe) O 3 , (La, Sr) FeO 3 , La (Ni, Fe, Cu) O 3 , or (Sm, Sr) CoO 3 may be used. This coating film 400 may be applied to the mesh 301.

10…支持基板、11…燃料ガス流路、20…燃料極、40…固体電解質膜、60…空気極、100…セル、200…マニホールド、210…支持板、211…挿入孔、300…接合材、400…コーティング膜、A…発電素子部   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Support substrate, 11 ... Fuel gas flow path, 20 ... Fuel electrode, 40 ... Solid electrolyte membrane, 60 ... Air electrode, 100 ... Cell, 200 ... Manifold, 210 ... Support plate, 211 ... Insertion hole, 300 ... Bonding material , 400 ... coating film, A ... power generation element part

Claims (12)

燃料極、固体電解質、及び空気極を有する複数の燃料電池セルと、
鉄及びクロムを含む金属材料で構成された金属部材と、
前記金属部材の表面に形成され、セラミックス材料を主成分としMgOを含む多孔質のコーティング膜と、を備えた燃料電池のスタック構造体。
A plurality of fuel cells having a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode;
A metal member composed of a metal material containing iron and chromium;
A fuel cell stack structure comprising: a porous coating film formed on a surface of the metal member and containing a ceramic material as a main component and containing MgO.
請求項1に記載の燃料電池のスタック構造であって、
前記コーティング膜は、導電性セラミックス材料で構成される、燃料電池のスタック構造体。
The fuel cell stack structure according to claim 1,
The coating film is a stack structure of a fuel cell made of a conductive ceramic material.
請求項2に記載の燃料電池のスタック構造体であって、
前記導電性セラミックス材料は、(Mn,Co)である、燃料電池のスタック構造体。
A fuel cell stack structure according to claim 2,
The stack structure of a fuel cell, wherein the conductive ceramic material is (Mn, Co) 3 O 4 .
請求項1乃至請求項3の何れか一項に記載の燃料電池のスタック構造体において、
前記コーティング膜の気孔率は、10〜40%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 the coating film has a porosity of 10 to 40%.
請求項1乃至請求項4の何れか一項に記載の燃料電池のスタック構造体において、
前記コーティング膜におけるMgOの含有率は、3〜30体積%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 4,
The stack structure of the fuel cell, wherein the content of MgO in the coating film is 3 to 30% by volume.
請求項1乃至請求項5の何れか一項に記載の燃料電池のスタック構造体において、
前記コーティング膜の厚さは、5〜100μm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 5,
The stack structure of the fuel cell, wherein the coating film has a thickness of 5 to 100 μm.
請求項1乃至請求項6の何れか一項に記載の燃料電池のスタック構造体において、
前記コーティング膜の内部に存在する気孔の径の平均値が、0.1〜10μm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 6,
A fuel cell stack structure, wherein an average value of pore diameters present in the coating film is 0.1 to 10 μm.
請求項1乃至請求項7の何れか一項に記載の燃料電池のスタック構造体において、
前記金属部材は、前記各燃料電池セルを支持するマニホールドであり、
前記燃料電池セルは、前記燃料極、前記固体電解質、及び前記空気極を有する発電素子部と、前記発電素子部を支持する支持基板と、を有し、
前記支持基板は、長手方向を有し、且つ、前記長手方向に沿う燃料ガス流路が内部に形成される、燃料電池のスタック構造。
The stack structure of the fuel cell according to any one of claims 1 to 7,
The metal member is a manifold that supports the fuel cells.
The fuel cell includes a power generation element unit having the fuel electrode, the solid electrolyte, and the air electrode, and a support substrate that supports the power generation element unit,
A stack structure of a fuel cell, wherein the support substrate has a longitudinal direction, and a fuel gas passage along the longitudinal direction is formed inside.
請求項8に記載の燃料電池のスタック構造体において、
前記マニホールドは、前記鉄及びクロムを含む金属材料で構成される上壁を有し、
前記コーディング膜は、前記マニホールドの上壁の表面の全域に亘って、形成された、燃料電池のスタック構造体。
The fuel cell stack structure according to claim 8,
The manifold has an upper wall made of a metal material containing the iron and chromium,
The coding membrane is a fuel cell stack structure formed over the entire surface of the upper wall of the manifold.
請求項9に記載の燃料電池のスタック構造体において、
前記マニホールドの全体が前記鉄とクロムとを含む金属材料で構成され、
前記マニホールドの上壁には、前記マニホールドの内部空間と前記複数のセルの燃料ガス流入側の一端部とを連通するための1つ又は複数の貫通する孔が形成され、
前記各セルの前記一端部が対応する前記孔に対応して位置付けられ、
前記マニホールドの内部空間内のガスが前記各孔と対応する前記セルの前記一端部との間の隙間を介して外部に漏れ出ないように、前記各セルの前記一端部の側面の全周が前記接合材を介して前記マニホールドの上壁に対して接合・固定され、
前記コーティング膜は、前記マニホールドの上壁の表面の全域に加えて、前記各孔の内壁面、及び、前記マニホールドの表面の全域にも連続して形成された、燃料電池のスタック構造体。
The fuel cell stack structure according to claim 9, wherein
The entire manifold is made of a metal material containing the iron and chromium,
In the upper wall of the manifold, one or a plurality of through-holes for communicating the internal space of the manifold and one end portion on the fuel gas inflow side of the plurality of cells are formed,
The one end of each cell is positioned corresponding to the corresponding hole;
The entire circumference of the side surface of the one end of each cell is such that the gas in the internal space of the manifold does not leak outside through a gap between each hole and the corresponding one end of the cell. It is bonded and fixed to the upper wall of the manifold via the bonding material,
The coating film is a fuel cell stack structure formed continuously on the inner wall surface of each hole and the entire surface of the manifold in addition to the entire surface of the upper wall of the manifold.
請求項10に記載の燃料電池のスタック構造体において、
前記接合材は、前記コーティング膜の表面における前記各孔の周縁部の全周に対応する部分を覆うように、且つ、前記各セルの前記一端部の側面の全周と接触するように、設けられた、燃料電池のスタック構造体。
The fuel cell stack structure according to claim 10,
The bonding material is provided so as to cover a portion of the surface of the coating film corresponding to the entire circumference of the peripheral edge of each hole and to be in contact with the entire circumference of the side surface of the one end of each cell. A fuel cell stack structure.
請求項1乃至7の何れか一項に記載の燃料電池のスタック構造体において、
前記金属部材は、前記各燃料電池セルの間に配置されるセパレータである、
燃料電池のスタック構造体。
In the fuel cell stack structure according to any one of claims 1 to 7,
The metal member is a separator disposed between the fuel cells.
Fuel cell stack structure.
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