JP4824136B1 - Fuel cell structure - Google Patents
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Abstract
【課題】「横縞型」の燃料電池の構造体であって、支持基板が外力を受けた場合において支持基板が変形し難く且つ支持基板の凹部に埋設された燃料極の剥離の発生が抑制され得るものを提供すること。
【解決手段】平板状の支持基板の主面に形成された凹部12に埋設された燃料極(微細なドットで示した領域)の直線L1〜L6の各直線を含むそれぞれの断面形状について、「E≦2.0・d」という関係が成立する。値dは、「前記断面形状の輪郭のうち燃料極の外側面に対応する部分」から法線を引いたときの「法線における燃料極に含まれる範囲」の長さの最大値である。値Eは、支持基板の主面に対応する基準直線と平行であり且つ前記断面形状の面積を2等分する中立直線と、前記断面形状の輪郭における前記中立直線に対して内側に位置する部分のうち前記中立直線から最も離れた最深点との距離である。
【選択図】図15A structure of a "horizontal stripe" fuel cell, in which the support substrate is difficult to deform when the support substrate receives an external force, and the occurrence of peeling of the fuel electrode embedded in the recess of the support substrate is suppressed. Providing what you get.
For each cross-sectional shape including straight lines L1 to L6 of a fuel electrode (area indicated by fine dots) embedded in a recess 12 formed in a main surface of a flat support substrate, E ≦ 2.0 · d ”is established. The value d is the maximum value of the “range included in the fuel electrode at the normal line” when the normal line is drawn from the “part corresponding to the outer surface of the fuel electrode in the cross-sectional profile”. The value E is a neutral line that is parallel to the reference straight line corresponding to the main surface of the support substrate and that bisects the area of the cross-sectional shape, and a portion that is located on the inner side of the neutral straight line in the outline of the cross-sectional shape Is the distance from the deepest point farthest from the neutral straight line.
[Selection] Figure 15
Description
本発明は、燃料電池の構造体に関する。 The present invention relates to a fuel cell structure.
従来より、「ガス流路が内部に形成された電子伝導性を有さない多孔質の支持基板」と、「前記支持基板の表面における互いに離れた複数の箇所にそれぞれ設けられ、燃料極、固体電解質、及び空気極が積層されてなる複数の発電素子部」と、「1組又は複数組の隣り合う前記発電素子部の間にそれぞれ設けられ、隣り合う前記発電素子部の一方の内側電極と他方の外側電極とを電気的に接続する電子伝導性を有する1つ又は複数の電気的接続部」とを備えた固体酸化物形燃料電池の構造体が知られている(例えば、特許文献1、2を参照)。このような構成は、「横縞型」とも呼ばれる。 Conventionally, “a porous support substrate having no electron conductivity in which a gas flow path is formed” and “a plurality of locations separated from each other on the surface of the support substrate, a fuel electrode, a solid A plurality of power generation element parts in which an electrolyte and an air electrode are laminated, and one inner electrode of each of the adjacent power generation element parts provided between one or a plurality of adjacent power generation element parts; There is known a structure of a solid oxide fuel cell including one or more electrical connection portions having electronic conductivity for electrically connecting the other outer electrode (for example, Patent Document 1). 2). Such a configuration is also called a “horizontal stripe type”.
以下、支持基板の形状に着目する。特許文献1に記載の「横縞型」の固体酸化物形燃料電池の構造体では、支持基板が円筒状を呈している。円筒状の支持基板の表面(円筒面)には、燃料極を埋設するための複数の「環状溝」が軸方向の複数の箇所においてそれぞれ形成されている(図3を参照)。従って、支持基板において「環状溝」が形成された部分の外径が小さくなっている。このことに起因して、この構造体は、支持基板に曲げ方向やねじり方向の外力が加えられた場合に変形し易い構造であるといえる。 Hereinafter, attention is focused on the shape of the support substrate. In the “horizontal stripe type” solid oxide fuel cell structure described in Patent Document 1, the support substrate has a cylindrical shape. On the surface (cylindrical surface) of the cylindrical support substrate, a plurality of “annular grooves” for embedding the fuel electrode are respectively formed at a plurality of axial positions (see FIG. 3). Therefore, the outer diameter of the portion where the “annular groove” is formed in the support substrate is small. For this reason, it can be said that this structure is a structure that is easily deformed when an external force in the bending direction or the twisting direction is applied to the support substrate.
また、特許文献2に記載の「横縞型」の固体酸化物形燃料電池の構造体では、支持基板が長手方向を有する平板状を呈している。平板状の支持基板の主面(平面)には、燃料極等を埋設するための「長手方向に延び且つ長手方向に開放された長溝」が形成されている(図3(b)を参照)。従って、支持基板において「長溝」が形成された部分の厚さが小さくなっている。
In the structure of the “horizontal stripe type” solid oxide fuel cell described in
加えて、「長溝」は、長手方向に直交する幅方向の両端部において長手方向に延びる側壁を有する一方で、長手方向の両端部において幅方向に延びる側壁を有していない。即ち、「長溝」は、その周方向に閉じた側壁を有していない。従って、支持基板において「長溝」を囲む枠体が形成されていない。これらのことに起因して、この構造体は、特に支持基板にねじり方向の外力が加えられた場合に変形し易い構造であるといえる。以上のことから、「横縞型」の燃料電池の構造体において、支持基板が外力を受けた場合における支持基板の変形を抑制することが望まれていたところである。 In addition, the “long groove” has side walls extending in the longitudinal direction at both ends in the width direction orthogonal to the longitudinal direction, and does not have side walls extending in the width direction at both ends in the longitudinal direction. That is, the “long groove” does not have a side wall closed in the circumferential direction. Therefore, the frame surrounding the “long groove” is not formed on the support substrate. Due to these reasons, this structure can be said to be a structure that is easily deformed particularly when an external force in the twisting direction is applied to the support substrate. From the above, in the structure of the “horizontal stripe” fuel cell, it is desired to suppress the deformation of the support substrate when the support substrate receives an external force.
更には、上記の燃料電池の構造体は、一般に、焼成によって形成される。焼成の際、支持基板の凹部に埋設される燃料極(即ち、内側電極)の形状によっては、燃料極(内側電極)の底部と凹部の底壁との界面において燃料極(内側電極)の部分的な剥離が発生し易いことが判明した(詳細は後述する)。従って、係る剥離の発生を抑制することも重要である。 Furthermore, the fuel cell structure is generally formed by firing. Depending on the shape of the fuel electrode (ie, inner electrode) embedded in the recess of the support substrate during firing, the portion of the fuel electrode (inner electrode) at the interface between the bottom of the fuel electrode (inner electrode) and the bottom wall of the recess It has been found that typical peeling is likely to occur (details will be described later). Therefore, it is also important to suppress the occurrence of such peeling.
本発明は、「横縞型」の燃料電池の構造体であって、支持基板が外力を受けた場合において支持基板が変形し難く、且つ支持基板の凹部に埋設された内側電極の剥離の発生が抑制され得るものを提供することを目的とする。 The present invention is a structure of a “horizontal stripe type” fuel cell, and when the support substrate receives an external force, the support substrate is hardly deformed, and peeling of the inner electrode embedded in the concave portion of the support substrate occurs. The object is to provide what can be suppressed.
本発明に係る燃料電池の構造体は、ガス流路が内部に形成された電子伝導性を有さない平板状の多孔質の支持基板と、前記平板状の支持基板の主面における互いに離れた複数の箇所にそれぞれ設けられ「少なくとも内側電極、固体電解質、及び外側電極が積層されてなる複数の発電素子部」と、1組又は複数組の隣り合う前記発電素子部の間にそれぞれ設けられ、隣り合う前記発電素子部の一方の内側電極と他方の外側電極とを電気的に接続する電子伝導性を有する1つ又は複数の電気的接続部とを備える。即ち、この構造体は、「横縞型」の燃料電池の構造体である。 The structure of the fuel cell according to the present invention includes a flat plate-like porous support substrate that has a gas flow path formed therein and does not have electron conductivity, and a main surface of the flat plate-like support substrate that is separated from each other. Provided at each of a plurality of locations, `` a plurality of power generation element portions formed by laminating at least an inner electrode, a solid electrolyte, and an outer electrode '', and provided between one or a plurality of adjacent power generation element portions, One or a plurality of electrical connection portions having electronic conductivity for electrically connecting one inner electrode and the other outer electrode of the adjacent power generation element portions. That is, this structure is a “horizontal stripe type” fuel cell structure.
本発明に係る燃料電池の構造体の特徴は、前記平板状の支持基板の主面における前記複数の箇所に、前記支持基板の材料からなる底壁と全周に亘って前記支持基板の材料からなる周方向に閉じた側壁とを有する第1凹部がそれぞれ形成され、前記各第1凹部に、対応する前記発電素子部の内側電極(の全体)がそれぞれ埋設された点、前記各内側電極の外側面が前記支持基板の主面に対して外側に膨らんでいる点、並びに、前記支持基板の厚さ方向に平行な内側電極の断面の形状が請求項1の後半部に記載の特徴「E≦2.0・d」を有する点にある。なお、前記「第1凹部の側壁」は、全周に亘って前記支持基板の主面に対して内側に窪んでいるが、前記「第1凹部の底壁」は、部分的に前記支持基板の主面に対して外側に膨らんでいてもよい。 The structure of the fuel cell structure according to the present invention is characterized in that the plurality of locations on the main surface of the flat support substrate are formed from the material of the support substrate over the entire circumference and the bottom wall made of the material of the support substrate. A first recess having a side wall closed in the circumferential direction is formed, and each of the first recesses is embedded with an inner electrode of the corresponding power generation element portion (entirely), 2. The feature “E” according to claim 1, wherein the outer side surface swells outward with respect to the main surface of the support substrate and the shape of the cross section of the inner electrode parallel to the thickness direction of the support substrate. ≦ 2.0 · d ”. Note that the “side wall of the first recess” is recessed inward with respect to the main surface of the support substrate over the entire circumference, but the “bottom wall of the first recess” is partly the support substrate. It may swell outward with respect to the main surface.
なお、「内側電極の外側面が支持基板の主面に対して外側に膨らんでいる」とは、「内側電極の外側面の全面が支持基板の主面に対して外側に位置している態様」、並びに、「内側電極の外側面において支持基板の主面に対して外側に位置する部分と支持基板の主面内に位置する部分とが混在する態様」を含む。典型的には、「内側電極の外側面の全面が支持基板の主面に対して外側に位置し、且つ、内側電極の外側面の周縁部の膨らみ度合が内側電極の外側面の中央部の膨らみ度合より大きい態様」も含まれる。 “The outer surface of the inner electrode swells outward with respect to the main surface of the support substrate” means that “the entire outer surface of the inner electrode is located outside the main surface of the support substrate. And “an aspect in which a portion located outside the main surface of the support substrate and a portion located within the main surface of the support substrate are mixed on the outer surface of the inner electrode”. Typically, “the entire outer surface of the inner electrode is located outside the main surface of the support substrate, and the degree of swelling of the peripheral edge of the outer surface of the inner electrode is at the center of the outer surface of the inner electrode. A mode larger than the degree of swelling is also included.
このように、本発明に係る「横縞型」の燃料電池の構造体では、内側電極を埋設するための各第1凹部が周方向に閉じた側壁を有している。換言すれば、支持基板において各第1凹部を囲む枠体がそれぞれ形成されている。従って、この構造体は、支持基板が外力を受けた場合に変形し難い構造であるといえる。 Thus, in the “horizontal stripe type” fuel cell structure according to the present invention, each first recess for embedding the inner electrode has a side wall closed in the circumferential direction. In other words, a frame surrounding each first recess is formed on the support substrate. Therefore, it can be said that this structure is a structure that is not easily deformed when the support substrate receives an external force.
加えて、前記内側電極の断面形状が請求項1の後半部に記載の特徴「E≦2.0・d」を有することによって、燃料極の底部と第1凹部の底壁との界面において燃料極の部分的な剥離が発生し難くなることが判明した(詳細は後述する)。 In addition, since the cross-sectional shape of the inner electrode has the feature “E ≦ 2.0 · d” described in the second half of claim 1, the fuel is formed at the interface between the bottom of the fuel electrode and the bottom wall of the first recess. It has been found that partial peeling of the pole is difficult to occur (details will be described later).
上記本発明に係る燃料電池の構造体では、前記各電気的接続部は、緻密な材料で構成された第1部分と、前記第1部分と接続され且つ多孔質の材料で構成された第2部分とで構成され、前記第1凹部に埋設された各内側電極の外側面に形成された第2凹部に、対応する前記電気的接続部の前記第1部分がそれぞれ埋設されることが好適である。この場合、対応する前記電気的接続部の第1部分が埋設された前記各第2凹部が、前記内側電極の材料からなる底壁と、全周に亘って前記内側電極の材料からなる周方向に閉じた側壁とを有することが更に好適である。これによれば、内部電極と電気的接続部との界面の面積を大きくできる。従って、内部電極と電気的接続部との間における電子伝導性を高めることができる。 In the fuel cell structure according to the present invention, each of the electrical connection portions includes a first portion made of a dense material and a second portion made of a porous material connected to the first portion. It is preferable that the first portion of the corresponding electrical connection portion is embedded in a second recess formed on the outer surface of each inner electrode embedded in the first recess. is there. In this case, each of the second recesses in which the corresponding first portion of the electrical connection portion is embedded includes a bottom wall made of the material of the inner electrode, and a circumferential direction made of the material of the inner electrode over the entire circumference. It is further preferred to have closed side walls. According to this, the area of the interface between the internal electrode and the electrical connection portion can be increased. Therefore, the electronic conductivity between the internal electrode and the electrical connection portion can be increased.
ここにおいて、前記内側電極の外側面の平面形状(支持基板の主面に垂直の方向からみた場合の形状)は、例えば、長方形、正方形、円形、楕円形、長円形である。また、前記支持基板が長手方向を有し、且つ、前記複数の第1凹部が長手方向に沿って所定の間隔をおいて配置されていることが好適である。また、前記内側電極及び前記外側電極はそれぞれ、空気極及び燃料極であってもよいし、燃料極及び空気極であってもよい。 Here, the planar shape of the outer surface of the inner electrode (the shape when viewed from the direction perpendicular to the main surface of the support substrate) is, for example, a rectangle, a square, a circle, an ellipse, or an oval. Further, it is preferable that the support substrate has a longitudinal direction, and the plurality of first recesses are arranged at predetermined intervals along the longitudinal direction. The inner electrode and the outer electrode may be an air electrode and a fuel electrode, respectively, or may be a fuel electrode and an air electrode.
また、前記第1凹部における前記底壁の平面部と前記側壁の平面部とのなす角度は、90°であってもよいが、例えば、90〜135°であってもよい。或いは、前記第1凹部における前記底壁の平面部と前記側壁の平面部とが交差する部分が円弧状になっている場合、前記第1凹部の深さに対する円弧の半径の割合は、例えば、0.01〜3である。また、前記支持基板の主面に垂直な方向からみたときにおいて前記第1凹部の周囲に角部が存在する場合、前記角部は、半径が0.05〜1.0mmの円弧状になっていてもよい。 In addition, the angle formed by the flat portion of the bottom wall and the flat portion of the side wall in the first recess may be 90 °, but may be 90 to 135 °, for example. Alternatively, when the portion where the plane portion of the bottom wall and the plane portion of the side wall intersect in the first recess is arcuate, the ratio of the radius of the arc to the depth of the first recess is, for example, It is 0.01-3. Further, when a corner exists around the first recess when viewed from a direction perpendicular to the main surface of the support substrate, the corner has an arc shape with a radius of 0.05 to 1.0 mm. May be.
上記本発明に係る燃料電池の構造体では、前記平板状の支持基板の互いに平行な両側の主面に前記複数の第1凹部がそれぞれ形成され、前記支持基板の両側の主面の前記各第1凹部に、対応する前記発電素子部の内側電極がそれぞれ埋設され、前記埋設された各内側電極の外側面に形成された前記第2凹部に、対応する前記電気的接続部の前記第1部分がそれぞれ埋設され、前記支持基板の両側の主面に前記複数の発電素子部がそれぞれ設けられていることが好ましい。これにより、前記支持基板の片側の主面のみに前記複数の発電素子部がそれぞれ設けられている場合に比して、構造体中における発電素子部の数を多くでき、燃料電池の発電出力を高めることができる。 In the fuel cell structure according to the present invention, the plurality of first recesses are respectively formed on the main surfaces on both sides of the flat support substrate parallel to each other, and the first recesses on the main surfaces on both sides of the support substrate are formed. The inner electrode corresponding to the power generating element portion is embedded in one recess, and the first portion of the electrical connection portion corresponding to the second recess formed on the outer surface of each embedded inner electrode. Are embedded, and the plurality of power generating element portions are preferably provided on the main surfaces on both sides of the support substrate. Thereby, compared with the case where each of the plurality of power generation element portions is provided only on one main surface of the support substrate, the number of power generation element portions in the structure can be increased, and the power generation output of the fuel cell can be increased. Can be increased.
また、上記本発明に係る燃料電池の構造体では、前記内側電極の前記第2凹部以外の外側面と、前記緻密な材料で構成された前記電気的接続部の第1部分の外側面と、前記支持基板の前記主面とにより、段差のない滑らかな1つの面が構成されることが好適である。これによれば、隣り合う発電素子部間をガスシールするために「電子伝導性を有さない緻密層」が、内側電極の外側面上、前記電気的接続部の第1部分の外側面上の一部、及び支持基板の主面上を覆うように設けられる場合において、その緻密層に段差が形成されない。従って、その緻密層に段差が形成される場合に比して、支持基板が外力を受けた場合等における応力集中に起因するその緻密層でのクラックの発生が抑制され得、その緻密層が有するガスシール機能の低下が抑制され得る。なお、上記「電子伝導性を有さない緻密層」は、隣り合う発電素子部間における内側電極の外側面上、前記電気的接続部の第1部分の外側面上の一部、及び支持基板の主面上を覆うように発電素子部内の緻密な固体電解質の層が延設された層であってもよい。 Further, in the fuel cell structure according to the present invention, the outer surface of the inner electrode other than the second concave portion, the outer surface of the first portion of the electrical connection portion made of the dense material, It is preferable that the main surface of the support substrate forms a smooth surface without a step. According to this, in order to gas-seal between the adjacent power generation element portions, a “dense layer not having electron conductivity” is provided on the outer surface of the inner electrode and on the outer surface of the first portion of the electrical connection portion. In the case where it is provided so as to cover a part of the substrate and the main surface of the support substrate, no step is formed in the dense layer. Therefore, compared to the case where a step is formed in the dense layer, the generation of cracks in the dense layer due to stress concentration when the support substrate receives an external force or the like can be suppressed, and the dense layer has The deterioration of the gas seal function can be suppressed. The “dense layer not having electron conductivity” includes a portion on the outer surface of the inner electrode between adjacent power generating element portions, a portion on the outer surface of the first portion of the electrical connection portion, and a support substrate. It may be a layer in which a dense solid electrolyte layer in the power generation element portion is extended so as to cover the main surface.
(構成)
図1は、本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池(SOFC)の構造体を示す。このSOFCの構造体は、長手方向(x軸方向)を有する平板状の支持基板10の上下面(互いに平行な両側の主面(平面))のそれぞれに、電気的に直列に接続された複数(本例では、4つ)の同形の発電素子部Aが長手方向において所定の間隔をおいて配置された、所謂「横縞型」と呼ばれる構成を有する。
(Constitution)
FIG. 1 shows a structure of a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention. This SOFC structure is electrically connected in series to the upper and lower surfaces (main surfaces (planes) on both sides parallel to each other) of the
このSOFCの構造体の全体を上方からみた形状は、例えば、長手方向の辺の長さが5〜50cmで長手方向に直交する幅方向(y軸方向)の長さが1〜10cmの長方形である。このSOFCの構造体の全体の厚さは、1〜5mmである。このSOFCの構造体の全体は、厚さ方向の中心を通り且つ支持基板10の主面に平行な面に対して上下対称の形状を有する。以下、図1に加えて、このSOFCの構造体の図1に示す2−2線に対応する部分断面図である図2を参照しながら、このSOFCの構造体の詳細について説明する。図2は、代表的な1組の隣り合う発電素子部A,Aのそれぞれの構成(の一部)、並びに、発電素子部A,A間の構成を示す部分断面図である。その他の組の隣り合う発電素子部A,A間の構成も、図2に示す構成と同様である。
The shape of the entire SOFC structure viewed from above is, for example, a rectangle having a length of 5 to 50 cm in the longitudinal direction and a length of 1 to 10 cm in the width direction (y-axis direction) perpendicular to the longitudinal direction. is there. The total thickness of the SOFC structure is 1 to 5 mm. The entire SOFC structure has a vertically symmetrical shape with respect to a plane passing through the center in the thickness direction and parallel to the main surface of the
支持基板10は、電子伝導性を有さない多孔質の材料からなる平板状の焼成体である。後述する図6に示すように、支持基板10の内部には、長手方向に延びる複数(本例では、6本)の燃料ガス流路11(貫通孔)が幅方向において所定の間隔をおいて形成されている。本例では、各凹部12は、支持基板10の材料からなる底壁と、全周に亘って支持基板10の材料からなる周方向に閉じた側壁(長手方向に沿う2つの側壁と幅方向に沿う2つの側壁)と、で画定された略直方体状の窪みである。各凹部12の底壁と側壁の平面部とが交差する部分は円弧状になっている。
The
支持基板10は、例えば、CSZ(カルシア安定化ジルコニア)から構成され得る。或いは、NiO(酸化ニッケル)とYSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)とから構成されてもよいし、NiO(酸化ニッケル)とY2O3(イットリア)とから構成されてもよいし、MgO(酸化マグネシウム)とMgAl2O4(マグネシアアルミナスピネル)とから構成されてもよい。
The
支持基板10は、「遷移金属酸化物又は遷移金属」と、絶縁性セラミックスとを含んで構成される。「遷移金属酸化物又は遷移金属」としては、NiO(酸化ニッケル)又はNi(ニッケル)が好適である。遷移金属は、燃料ガスの改質反応を促す触媒(炭化水素系のガスの改質触媒)として機能し得る。
The
また、絶縁性セラミックスとしては、MgO(酸化マグネシウム)、又は、「MgAl2O4(マグネシアアルミナスピネル)とMgO(酸化マグネシウム)の混合物」が好適である。また、絶縁性セラミックスとして、CSZ(カルシア安定化ジルコニア)、YSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)、Y2O3(イットリア)が使用されてもよい。 Further, as the insulating ceramic, MgO (magnesium oxide) or “mixture of MgAl 2 O 4 (magnesia alumina spinel) and MgO (magnesium oxide)” is preferable. Further, CSZ (calcia stabilized zirconia), YSZ (8YSZ) (yttria stabilized zirconia), Y 2 O 3 (yttria) may be used as the insulating ceramic.
このように、支持基板10が「遷移金属酸化物又は遷移金属」を含むことによって、改質前の残存ガス成分を含んだガスが多孔質の支持基板10の内部の多数の気孔を介して燃料ガス流路11から燃料極に供給される過程において、上記触媒作用によって改質前の残存ガス成分の改質を促すことができる。加えて、支持基板10が絶縁性セラミックスを含むことによって、支持基板10の絶縁性を確保することができる。この結果、隣り合う燃料極間における絶縁性が確保され得る。
As described above, since the
支持基板10の厚さは、1〜5mmである。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
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
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
各燃料極集電部21の上面(外側面)における凹部21aを除いた部分には、凹部21bが形成されている。各凹部21bは、燃料極集電部21の材料からなる底壁と、全周に亘って燃料極集電部21の材料からなる周方向に閉じた側壁(長手方向に沿う2つの側壁と、幅方向に沿う2つの側壁)と、で画定された直方体状の窪みである。なお、各凹部21bは、凹部12の幅方向において凹部12の全幅に亘って延在していてもよい。この場合、各凹部21bは、燃料極集電部21の材料からなる底壁と、周方向に閉じた側壁(長手方向に沿う2つの側壁と幅方向に沿う2つの側壁)と、で画定された直方体状の窪みであるものの、周方向に閉じた側壁のうち、長手方向に沿う2つの側壁は支持基板10の材料からなり、幅方向に沿う2つの側壁は燃料極集電部21の材料からなる。
A
各凹部21bには、インターコネクタ30が埋設(充填)されている。従って、各インターコネクタ30は直方体状を呈している。インターコネクタ30は、電子伝導性を有する緻密な材料からなる焼成体である。各インターコネクタ30の4つの側面の全てと底面とは、凹部21b内で燃料極集電部21と接触している。
An
後述するように、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)は、支持基板10の主面に対して外側に膨らんでいる。燃料極20の外側面と、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、段差のない滑らかな1つの面が構成されている。
As will be described later, the upper surface (outer surface) of the fuel electrode 20 (the fuel electrode
燃料極活性部22は、例えば、NiO(酸化ニッケル)とYSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)とから構成され得る。或いは、NiO(酸化ニッケル)とGDC(ガドリニウムドープセリア)とから構成されてもよい。燃料極集電部21は、例えば、NiO(酸化ニッケル)とYSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)とから構成され得る。或いは、NiO(酸化ニッケル)とY2O3(イットリア)とから構成されてもよいし、NiO(酸化ニッケル)とCSZ(カルシア安定化ジルコニア)とから構成されてもよい。燃料極活性部22の厚さは、5〜30μmであり、燃料極集電部21の厚さ(即ち、凹部12の深さ)は、50〜500μmである。
The fuel electrode
このように、燃料極集電部21は、電子伝導性を有する物質を含んで構成される。燃料極活性部22は、電子伝導性を有する物質と酸化性イオン(酸素イオン)伝導性を有する物質とを含んで構成される。燃料極活性部22における「気孔部分を除いた全体積に対する酸化性イオン伝導性を有する物質の体積割合」は、燃料極集電部21における「気孔部分を除いた全体積に対する酸化性イオン伝導性を有する物質の体積割合」よりも大きい。
As described above, the fuel electrode
インターコネクタ30は、例えば、LaCrO3(ランタンクロマイト)から構成され得る。或いは、(Sr,La)TiO3(ストロンチウムチタネート)から構成されてもよい。インターコネクタ30の厚さは、10〜100μmである。
The
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
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
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において段差が形成されない。この結果、固体電解質膜40に段差が形成される場合に比して、応力集中に起因する固体電解質膜40でのクラックの発生が抑制され得、固体電解質膜40が有するガスシール機能の低下が抑制され得る。
As shown in FIG. 2, in this example, the
固体電解質膜40における各燃料極活性部22と接している箇所の上面には、反応防止膜50を介して空気極60が形成されている。反応防止膜50は、緻密な材料からなる焼成体であり、空気極60は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。反応防止膜50及び空気極60を上方からみた形状は、燃料極活性部22と略同一の長方形である。
An
反応防止膜50は、例えば、GDC=(Ce,Gd)O2(ガドリニウムドープセリア)から構成され得る。反応防止膜50の厚さは、3〜50μmである。空気極60は、例えば、LSCF=(La,Sr)(Co,Fe)O3(ランタンストロンチウムコバルトフェライト)から構成され得る。或いは、LSF=(La,Sr)FeO3(ランタンストロンチウムフェライト)、LNF=La(Ni,Fe)O3(ランタンニッケルフェライト)、LSC=(La,Sr)CoO3(ランタンストロンチウムコバルタイト)等から構成されてもよい。また、空気極60は、LSCFからなる第1層(内側層)とLSCからなる第2層(外側層)との2層によって構成されてもよい。空気極60の厚さは、10〜100μmである。
The
なお、反応防止膜50が介装されるのは、SOFC作製時又は作動中のSOFC内において固体電解質膜40内のYSZと空気極60内のSrとが反応して固体電解質膜40と空気極60との界面に電気抵抗が大きい反応層が形成される現象の発生を抑制するためである。
The
ここで、燃料極20と、固体電解質膜40と、反応防止膜50と、空気極60とが積層されてなる積層体が、「発電素子部A」に対応する(図2を参照)。即ち、支持基板10の上面には、複数(本例では、4つ)の発電素子部Aが、長手方向において所定の間隔をおいて配置されている。
Here, the laminated body formed by laminating the
各組の隣り合う発電素子部A,Aについて、一方の(図2では、左側の)発電素子部Aの空気極60と、他方の(図2では、右側の)発電素子部Aのインターコネクタ30とを跨ぐように、空気極60、固体電解質膜40、及び、インターコネクタ30の上面に、空気極集電膜70が形成されている。空気極集電膜70は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。空気極集電膜70を上方からみた形状は、長方形である。
For each pair of adjacent power generation element portions A and A, the
空気極集電膜70は、例えば、LSCF=(La,Sr)(Co,Fe)O3(ランタンストロンチウムコバルトフェライト)から構成され得る。或いは、LSC=(La,Sr)CoO3(ランタンストロンチウムコバルタイト)から構成されてもよい。或いは、Ag(銀)、Ag−Pd(銀パラジウム合金)から構成されてもよい。空気極集電膜70の厚さは、50〜500μmである。
The air electrode
このように各空気極集電膜70が形成されることにより、各組の隣り合う発電素子部A,Aについて、一方の(図2では、左側の)発電素子部Aの空気極60と、他方の(図2では、右側の)発電素子部Aの燃料極20(特に、燃料極集電部21)とが、電子伝導性を有する「空気極集電膜70及びインターコネクタ30」を介して電気的に接続される。この結果、支持基板10の上面に配置されている複数(本例では、4つ)の発電素子部Aが電気的に直列に接続される。ここで、電子伝導性を有する「空気極集電膜70及びインターコネクタ30」が、「電気的接続部」に対応する。
By forming each air electrode
なお、インターコネクタ30は、前記「電気的接続部」における前記「緻密な材料で構成された第1部分」に対応し、気孔率は10%以下である。空気極集電膜70は、前記「電気的接続部」における前記「多孔質の材料で構成された第2部分」に対応し、気孔率は20〜60%である。
The
以上、説明した「横縞型」のSOFCの構造体に対して、図4に示すように、支持基板10の燃料ガス流路11内に燃料ガス(水素ガス等)を流すとともに、支持基板10の上下面(特に、各空気極集電膜70)を「酸素を含むガス」(空気等)に曝す(或いは、支持基板10の上下面に沿って酸素を含むガスを流す)ことにより、固体電解質膜40の両側面間に生じる酸素分圧差によって起電力が発生する。更に、この構造体を外部の負荷に接続すると、下記(1)、(2)式に示す化学反応が起こり、電流が流れる(発電状態)。
(1/2)・O2+2e−→O2− (於:空気極60) …(1)
H2+O2−→H2O+2e− (於:燃料極20) …(2)
As described above, as shown in FIG. 4, the fuel gas (hydrogen gas or the like) flows through the fuel
(1/2) · O 2 + 2e − → O 2− (where: air electrode 60) (1)
H 2 + O 2− → H 2 O + 2e − (in the fuel electrode 20) (2)
発電状態においては、図5に示すように、各組の隣り合う発電素子部A,Aについて、電流が、矢印で示すように流れる。この結果、図4に示すように、このSOFCの構造体全体から(具体的には、図4において最も手前側の発電素子部Aのインターコネクタ30と最も奥側の発電素子部Aの空気極60とを介して)電力が取り出される。
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, the SOFC structure as a whole (specifically, the
(製造方法)
次に、図1に示した「横縞型」のSOFCの構造体の製造方法の一例について図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” SOFC structure 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
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
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
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
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
そして、このように種々の成形膜が形成された状態の支持基板の成形体10gが、空気中にて1500℃で3時間焼成される。これにより、図1に示したSOFCの構造体において空気極60及び空気極集電膜70が形成されていない状態の構造体が得られる。
Then, 10 g of the support substrate molded body in which various molded films are thus formed is fired in air at 1500 ° C. for 3 hours. As a result, a structure in which the
次に、図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
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
そして、このように成形膜60g、70gが形成された状態の支持基板10が、空気中にて1050℃で3時間焼成される。これにより、図1に示したSOFCの構造体が得られる。以上、図1に示したSOFCの構造体の製造方法の一例について説明した。
Then, the
(支持基板の凹部に埋設された燃料極の形状)
次に、図1に示した支持基板10の凹部12に埋設された燃料極20の形状について図15、16を参照しながら説明する。この説明の準備のため、直線L1〜L6(図15を参照)、並びに、値d、E(図16を参照)を、以下のように定義する。
(The shape of the fuel electrode embedded in the recess of the support substrate)
Next, the shape of the
図15の上図は、支持基板10の主面に形成された複数の凹部12に埋設された燃料極20のうちの1つを支持基板10の主面に垂直な方向(z軸方向)からみたときの燃料極20の外側面の平面形状を示す(微細なドットで示した領域を参照)。この例では、燃料極20の外側面の平面形状は(4角が丸められた)長方形である。なお、図15の上図における「微細なドットで示した領域」は、より詳細には、燃料極集電部21の外側面に燃料極活性部22及びインターコネクタ30が埋設されない状態における、燃料極集電部21の領域に対応する(図15の下図、並びに、図16〜18についても同様)。
The upper diagram of FIG. 15 shows one of the
直線L1は、前記平面形状の代表長さに対応する線分と平行であり、且つ、前記平面形状の重心を通る直線である。この例では、代表長さとして、前記長方形の長辺(図15の上図において上下方向に延びる2本の線分)の長さが採用された。代表長さとして、前記長方形の短辺(図15の上図において左右方向に延びる2本の線分)の長さが採用されてもよい。 The straight line L1 is a straight line that is parallel to a line segment corresponding to the representative length of the planar shape and passes through the center of gravity of the planar shape. In this example, the length of the long side of the rectangle (two line segments extending in the vertical direction in the upper diagram of FIG. 15) is adopted as the representative length. As the representative length, the length of the short side of the rectangle (two line segments extending in the left-right direction in the upper diagram of FIG. 15) may be employed.
直線L2は、直線L1と平行であり、且つ、前記平面形状の輪郭における直線L1に対して一方側(図15の上図において左側)に位置する部分のうち直線L1から最も離れた点と直線L1との距離を2等分する直線である。 The straight line L2 is parallel to the straight line L1, and the point farthest from the straight line L1 and the straight line among the portions located on one side (left side in the upper diagram of FIG. 15) with respect to the straight line L1 in the outline of the planar shape It is a straight line that bisects the distance from L1.
直線L3は、直線L1と平行であり、且つ、前記平面形状の輪郭における直線L1に対して他方側(図15の上図において右側)に位置する部分のうち直線L1から最も離れた点と直線L1との距離を2等分する直線である。 The straight line L3 is parallel to the straight line L1, and the point farthest from the straight line L1 and the straight line among the portions located on the other side (right side in the upper diagram of FIG. 15) with respect to the straight line L1 in the outline of the planar shape. It is a straight line that bisects the distance from L1.
直線L4は、直線L1と直交し、且つ、前記平面形状の重心を通る直線である。 The straight line L4 is a straight line orthogonal to the straight line L1 and passing through the center of gravity of the planar shape.
直線L5は、直線L4と平行であり、且つ、前記平面形状の輪郭における直線L4に対して一方側(図15の上図において上側)に位置する部分のうち直線L4から最も離れた点と直線L4との距離を2等分する直線である。 The straight line L5 is parallel to the straight line L4, and a point and a straight line farthest from the straight line L4 in a portion located on one side (upper side in the upper diagram of FIG. 15) of the planar shape with respect to the straight line L4. It is a straight line that bisects the distance to L4.
直線L6は、直線L4と平行であり、且つ、前記平面形状の輪郭における直線L4に対して他方側(図15の上図において下側)に位置する部分のうち直線L4から最も離れた点と直線L4との距離を2等分する直線である。 The straight line L6 is parallel to the straight line L4, and is a point farthest from the straight line L4 in a portion located on the other side (lower side in the upper diagram of FIG. 15) with respect to the straight line L4 in the planar contour. This is a straight line that bisects the distance from the straight line L4.
図15の下図は、支持基板10の厚さ方向(z軸方向)に平行であり、且つ、直線L1〜L6の各直線を含む燃料極20の断面の形状を示す(微細なドットで示した領域を参照)。図15の下図に示すように、支持基板10の各凹部12に埋設された燃料極20の外側面は、支持基板10の主面に対して外側に膨らんでいる。
The lower diagram of FIG. 15 shows the cross-sectional shape of the
値dは、「前記断面形状の輪郭のうち燃料極20の外側面に対応する部分」から法線を引いたときの「前記法線における燃料極20に含まれる範囲」の長さの最大値(焼成後の値)である。値Eは、支持基板10の主面に対応する基準直線と平行であり且つ前記断面形状の面積を2等分する中立直線(図16の破線を参照)と、前記断面形状の輪郭における前記中立直線に対して内側に位置する部分のうち前記中立直線から最も離れた最深点と、の距離(焼成後の値)である。
The value d is the maximum length of the “range included in the
図16は、値d、Eの種々のパターンを示す。図16に示すように、凹部12に埋設された燃料極20の外側面は支持基板10の主面に対して常に外側に膨らんでいる一方で、燃料極20の底面(内側面)は、平坦であっても、外側に窪んでいても、内側に膨らんでいてもよい。なお、図16に示す燃料極20の断面形状は、実際の断面形状に対して横方向に圧縮して描かれている。
FIG. 16 shows various patterns of values d and E. As shown in FIG. 16, the outer surface of the
本発明者は、各凹部12に埋設された燃料極20について、且つ、直線L1〜L6の各直線を含むそれぞれの断面形状について、「E≦2.0・d」という関係が成立する場合に、そうでない場合と比べて、「燃料極20(燃料極集電部21)の底部」と「支持基板10の凹部12の底壁」との界面において燃料極(燃料極集電部21)の部分的な剥離が発生し難いこと」を見出した。この剥離は、支持基板10の凹部12と燃料極20(具体的には燃料極集電部21)とが共焼成によって一体化される際に発生するものである。以下、このことを確認した試験について説明する。
When the relationship of “E ≦ 2.0 · d” is established for the
この試験では、上記実施形態に係るSOFCの構造体に対して、上記値d、Eの組み合わせが異なる複数のサンプルが焼成によって作製された。具体的には、表1に示すように、9種類の水準(組み合わせ)が準備された。表1における水準1〜9で使用された燃料極の形状はそれぞれ、図16に示すパターン1〜9に示す形状であった。各水準につき、6つのサンプルが作製された。 In this test, a plurality of samples having different combinations of the values d and E were produced by firing with respect to the SOFC structure according to the embodiment. Specifically, as shown in Table 1, nine levels (combinations) were prepared. The shapes of the fuel electrodes used in levels 1 to 9 in Table 1 were the shapes shown in patterns 1 to 9 shown in FIG. Six samples were made for each level.
これらのサンプルにおいて、凹部12の開口の平面形状は長方形であり、前記平面形状の面積(焼成後の値)は100〜500mm2とされた。また、支持基板10の材料としてMgAl2O4(マグネシアアルミナスピネル)とMgO(酸化マグネシウム)の混合物が使用され、燃料極20(燃料極集電部21)の材料としてNiO(酸化ニッケル)とYSZ(8YSZ)が使用された。支持基板10の材料の気孔率(焼成後の値)は20〜50%であり、燃料極20(燃料極集電部21)の材料の気孔率(焼成後の値)は25〜45%であった。サンプル作製時の共焼成温度(支持基板10の凹部12と燃料極集電部21とが共焼成によって一体化される際の焼成温度)は、1350〜1500℃であり、共焼成時間は1〜20時間であった。
In these samples, the planar shape of the opening of the
各サンプルについて、燃料極集電部21の底部と支持基板10の凹部12の底壁との界面における燃料極集電部21の剥離の有無は、直線L1〜L6の各直線を含むそれぞれの実際の断面を、目視、或いは顕微鏡等を使用して確認することにより判定された。なお、表1では、各水準につき、6つのサンプルのうちでE/dが最大となる組み合わせの数値(d、E、E/d)が示されている。
For each sample, the presence or absence of separation of the fuel electrode
表1から理解できるように、「E/d≦2.0」(従って、「E≦2.0・d」)という関係が成立している場合に、そうでない場合と比べて前記剥離が発生し難い、ということができる。 As can be understood from Table 1, when the relationship of “E / d ≦ 2.0” (and therefore “E ≦ 2.0 · d”) is established, the above-described peeling occurs compared to the case where it is not. It can be difficult.
この結果は、以下の理由に基づくと考えられる。即ち、一般に、支持基板10の焼成時の収縮率は、燃料極20(燃料極集電部21)の焼成時の収縮率より大きい。従って、上述のように両者が共焼成によって一体化される際、支持基板10の凹部12に充填・埋設された燃料極(燃料極集電部21)は圧縮応力を受ける。このとき、「E/d>2.0」という関係が成立する場合には、何らかの理由によって、燃料極20(燃料極集電部21)に対して曲げ応力(図16において燃料極20に対応する領域(微細なドットで示した領域)を上に凸の形状となる方向に曲げる応力)が作用し易い。この結果、「屈曲した梁とみなし得る燃料極20」に対して所謂「梁の座屈」に類する現象が発生して、前記剥離が発生し易いと考えられる。これに対し、「E/d≦2.0」という関係が成立する場合には、このような曲げ応力が作用し難く(即ち、所謂「梁の座屈」に類する現象が発生し難く)、従って、前記剥離が発生し難いと考えられる。
This result is considered to be based on the following reasons. That is, in general, the shrinkage rate during firing of the
なお、以上の試験では、凹部12に埋設された燃料極20の平面形状が長方形であるサンプルが使用されていたが、図17に示すように前記平面形状が円形である場合、或いは、図18に示すように前記平面形状が長穴形である場合等においても、上述と同様、「E/d≦2.0」(従って、「E≦2.0・d」)という関係が成立している場合に、そうでない場合と比べて前記剥離が発生し難い、ということが確認されている。
In the above test, a sample in which the planar shape of the
(作用・効果)
以上、説明したように、上記本発明の実施形態に係る「横縞型」のSOFCの構造体では、支持基板10の上下面に形成されている、燃料極20を埋設するための複数の凹部12のそれぞれが、全周に亘って支持基板10の材料からなる周方向に閉じた側壁を有している。換言すれば、支持基板10において各凹部12を囲む枠体がそれぞれ形成されている。従って、この構造体は、支持基板10が外力を受けた場合に変形し難い。
(Action / Effect)
As described above, in the “horizontal stripe type” SOFC structure according to the embodiment of the present invention, the plurality of
また、支持基板10の各凹部12内に燃料極20及びインターコネクタ30等の部材が隙間なく充填・埋設された状態で、支持基板10と前記埋設された部材とが共焼結される。従って、部材間の接合性が高く且つ信頼性の高い焼結体が得られる。
Further, the
また、支持基板10の凹部12の形状について、上述した「E≦2.0・d」という関係が成立することによって、燃料極20(燃料極集電部21)の底部と支持基板10の凹部12の底壁との界面において燃料極20の部分的な剥離が発生し難くなる。
Further, with respect to the shape of the
また、インターコネクタ30が、燃料極集電部21の外側面に形成された凹部21bに埋設され、この結果、直方体状のインターコネクタ30の4つの側面の全てと底面とが、凹部21b内で燃料極集電部21と接触している。従って、燃料極集電部21の外側平面上に直方体状のインターコネクタ30が積層される(接触する)構成が採用される場合に比べて、燃料極20(集電部21)とインターコネクタ30との界面の面積を大きくできる。従って、燃料極20とインターコネクタ30との間における電子伝導性を高めることができ、この結果、燃料電池の発電出力を高めることができる。
Further, the
また、上記実施形態では、平板状の支持基板10の上下面のそれぞれに、複数の発電素子部Aが設けられている。これにより、支持基板の片側面のみに複数の発電素子部が設けられる場合に比して、構造体中における発電素子部の数を多くでき、燃料電池の発電出力を高めることができる。
Further, in the above-described embodiment, a plurality of power generation element portions A are provided on each of the upper and lower surfaces of the
また、上記実施形態では、固体電解質膜40が、燃料極20の外側面、インターコネクタ30の外側面における長手方向の両側端部、及び支持基板10の主面を覆っている。ここで、燃料極20の外側面とインターコネクタ30の外側面と支持基板10の主面との間で段差が形成されていない。従って、固体電解質膜40において段差が形成されない。この結果、固体電解質膜40に段差が形成される場合に比して、応力集中に起因する固体電解質膜40でのクラックの発生が抑制され得、固体電解質膜40が有するガスシール機能の低下が抑制され得る。
In the above embodiment, the
なお、本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記実施形態では、各凹部12にはインターコネクタ30の全体が埋設されているが、インターコネクタ30の一部のみが各凹部12に埋設され、インターコネクタ30の残りの部分が凹部12の外に突出(即ち、支持基板10の主面から突出)していてもよい。
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various modification can be employ | adopted within the scope of the present invention. For example, in the above embodiment, the
また、上記実施形態においては、平板状の支持基板10の上下面のそれぞれに複数の凹部12が形成され且つ複数の発電素子部Aが設けられているが、図19に示すように、支持基板10の片側面のみに複数の凹部12が形成され且つ複数の発電素子部Aが設けられていてもよい。
Moreover, in the said embodiment, although the several recessed
加えて、上記実施形態においては、燃料極20が燃料極集電部21と燃料極活性部22との2層で構成されているが、燃料極20が燃料極活性部22に相当する1層で構成されてもよい。加えて、上記実施形態においては、「内側電極」及び「外側電極」がそれぞれ燃料極及び空気極となっているが、逆であってもよい。
In addition, in the above-described embodiment, the
10…支持基板、11…燃料ガス流路、12…凹部、20…燃料極、21…燃料極集電部、21a、21b…凹部、22…燃料極活性部、30…インターコネクタ、40…固体電解質膜、50…反応防止膜、60…空気極、70…空気極集電膜、A…発電素子部
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記平板状の支持基板の主面における互いに離れた複数の箇所にそれぞれ設けられ、少なくとも内側電極、固体電解質、及び外側電極が積層されてなる複数の発電素子部と、
1組又は複数組の隣り合う前記発電素子部の間にそれぞれ設けられ、隣り合う前記発電素子部の一方の内側電極と他方の外側電極とを電気的に接続する1つ又は複数の電気的接続部と、
を備えた燃料電池の構造体において、
前記平板状の支持基板の主面における前記複数の箇所に、前記支持基板の材料からなる底壁と全周に亘って前記支持基板の材料からなる周方向に閉じた側壁とを有する第1凹部がそれぞれ形成され、
前記各第1凹部に、対応する前記発電素子部の内側電極がそれぞれ埋設され、
前記各内側電極の外側面は、前記支持基板の主面に対して外側に膨らんでいて、
前記各第1凹部に埋設された内側電極を前記支持基板の主面に垂直な方向からみたときの前記内側電極の外側面の平面形状について、
前記平面形状の代表長さに対応する線分と平行であり、且つ、前記平面形状の重心を通る直線を第1直線(L1)とし、
前記第1直線と平行であり、且つ、前記平面形状の輪郭における前記第1直線に対して一方側に位置する部分のうち前記第1直線から最も離れた点と前記第1直線との距離を2等分する直線を第2直線(L2)とし、
前記第1直線と平行であり、且つ、前記平面形状の輪郭における前記第1直線に対して前記一方側と反対の他方側に位置する部分のうち前記第1直線から最も離れた点と前記第1直線との距離を2等分する直線を第3直線(L3)とし、
前記第1直線と直交し、且つ、前記平面形状の重心を通る直線を第4直線(L4)とし、
前記第4直線と平行であり、且つ、前記平面形状の輪郭における前記第4直線に対して一方側に位置する部分のうち前記第4直線から最も離れた点と前記第4直線との距離を2等分する直線を第5直線(L5)とし、
前記第4直線と平行であり、且つ、前記平面形状の輪郭における前記第4直線に対して前記一方側と反対の他方側に位置する部分のうち前記第4直線から最も離れた点と前記第4直線との距離を2等分する直線を第6直線(L6)とし、
前記支持基板の厚さ方向に平行であり且つ前記第1〜第6直線の各直線を含む前記内側電極の断面の形状について、
前記断面形状の輪郭のうち前記内側電極の外側面に対応する部分から法線を引いたときの前記法線における前記内側電極に含まれる範囲の長さの最大値をdとし、
前記支持基板の主面に対応する基準直線と平行であり且つ前記断面形状の面積を2等分する中立直線と、前記断面形状の輪郭における前記中立直線に対して内側に位置する部分のうち前記中立直線から最も離れた最深点と、の距離をEとしたとき、
E≦2.0・dという関係が、前記第1〜第6直線の各直線を含むそれぞれの前記断面形状について成立し、
前記支持基板の前記各第1凹部に対応する前記内側電極がそれぞれ埋設された状態で、前記支持基板と前記内側電極とが共焼結されてなる、燃料電池の構造体。 A flat porous support substrate having a gas flow path formed therein;
A plurality of power generating element portions each provided at a plurality of positions separated from each other on the main surface of the flat support substrate, and a laminate of at least an inner electrode, a solid electrolyte, and an outer electrode;
One or a plurality of electrical connections that are respectively provided between one set or a plurality of sets of adjacent power generation element portions and electrically connect one inner electrode and the other outer electrode of the adjacent power generation element portions And
In a fuel cell structure comprising:
A first recess having a bottom wall made of the material of the support substrate and a side wall made of the material of the support substrate over the entire circumference at the plurality of locations on the main surface of the flat support substrate. Each formed,
In each of the first recesses, a corresponding inner electrode of the power generation element portion is embedded,
The outer surface of each inner electrode swells outward with respect to the main surface of the support substrate,
Regarding the planar shape of the outer surface of the inner electrode when the inner electrode embedded in each first recess is viewed from the direction perpendicular to the main surface of the support substrate,
A straight line that is parallel to a line segment corresponding to the representative length of the planar shape and passes through the center of gravity of the planar shape is a first straight line (L1),
A distance between the first straight line and a point farthest from the first straight line in a portion that is parallel to the first straight line and located on one side with respect to the first straight line in the outline of the planar shape. The straight line that bisects is the second straight line (L2),
A point that is parallel to the first straight line and that is located farthest from the first straight line in a portion located on the other side opposite to the one side with respect to the first straight line in the outline of the planar shape, and the first A straight line that divides the distance from one straight line into two equal parts is defined as a third straight line (L3).
A straight line orthogonal to the first straight line and passing through the center of gravity of the planar shape is a fourth straight line (L4),
A distance between the fourth straight line and a point farthest from the fourth straight line in a portion parallel to the fourth straight line and located on one side with respect to the fourth straight line in the outline of the planar shape. The straight line that bisects is the fifth straight line (L5),
A point that is parallel to the fourth straight line and that is farthest from the fourth straight line in a portion located on the other side opposite to the one side with respect to the fourth straight line in the outline of the planar shape, and the first A straight line that divides the distance from the four straight lines into two equal parts is defined as a sixth straight line (L6).
About the shape of the cross section of the inner electrode that is parallel to the thickness direction of the support substrate and includes each of the first to sixth straight lines,
The maximum value of the length of the range included in the inner electrode in the normal line when the normal line is drawn from the portion corresponding to the outer surface of the inner electrode in the cross-sectional shape contour,
A neutral straight line that is parallel to a reference straight line corresponding to the main surface of the support substrate and bisects the area of the cross-sectional shape, and among the portions that are located on the inner side of the neutral straight line in the outline of the cross-sectional shape When the distance from the deepest point farthest from the neutral straight line is E,
A relationship of E ≦ 2.0 · d is established for each of the cross-sectional shapes including each of the first to sixth straight lines ,
A fuel cell structure in which the support substrate and the inner electrode are co-sintered in a state where the inner electrodes corresponding to the first recesses of the support substrate are embedded .
前記各電気的接続部は、緻密な材料で構成された第1部分と、前記第1部分と接続され且つ多孔質の材料で構成された第2部分とで構成され、
前記第1凹部に埋設された各内側電極の外側面に形成された第2凹部に、対応する前記電気的接続部の前記第1部分がそれぞれ埋設された、燃料電池の構造体。 The fuel cell structure according to claim 1,
Each of the electrical connection portions includes a first portion made of a dense material, and a second portion made of a porous material connected to the first portion,
A fuel cell structure in which the corresponding first portion of the electrical connection portion is embedded in a second recess formed on the outer surface of each inner electrode embedded in the first recess.
対応する前記電気的接続部の第1部分が埋設された前記各第2凹部は、前記内側電極の材料からなる底壁と、全周に亘って前記内側電極の材料からなる周方向に閉じた側壁とを有する、燃料電池の構造体。 The fuel cell structure according to claim 2,
Each of the second recesses in which the corresponding first portion of the electrical connection portion is embedded is closed in the circumferential direction made of the material of the inner electrode and the bottom wall made of the material of the inner electrode. A fuel cell structure having a side wall.
前記内側電極の前記第2凹部以外の外側面と、前記電気的接続部の第1部分の外側面と、前記支持基板の前記主面とにより、段差のない滑らかな1つの面が構成された、燃料電池の構造体。 In the structure of the fuel cell according to claim 1 or 2,
The outer surface of the inner electrode other than the second concave portion, the outer surface of the first portion of the electrical connection portion, and the main surface of the support substrate constitute a smooth surface without a step. , Fuel cell structure.
前記平板状の支持基板の互いに平行な両側の主面に前記複数の第1凹部がそれぞれ形成され、
前記支持基板の両側の主面の前記各第1凹部に、対応する前記発電素子部の内側電極がそれぞれ埋設され、
前記埋設された各内側電極の外側面に形成された前記第2凹部に、対応する前記電気的接続部の前記第1部分がそれぞれ埋設され、
前記支持基板の両側の主面に前記複数の発電素子部がそれぞれ設けられた、燃料電池の構造体。 In the structure of the fuel cell according to any one of claims 1 to 4,
The plurality of first recesses are respectively formed on the principal surfaces on both sides of the flat support substrate parallel to each other,
In each of the first recesses on the main surface on both sides of the support substrate, the corresponding inner electrode of the power generation element portion is embedded,
The first portions of the corresponding electrical connection portions are embedded in the second recesses formed on the outer side surfaces of the embedded inner electrodes, respectively.
A fuel cell structure in which the plurality of power generation element portions are respectively provided on main surfaces on both sides of the support substrate.
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