JP4902013B1 - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
【課題】隣り合う燃料極間にて絶縁性を確保しつつ、燃料ガス流路に流入した改質前の残存ガス成分を支持基板内部の多数の気孔を通過する過程にて改質できる「横縞型」の燃料電池セルを提供すること。
【解決手段】ガス流路11が内部に形成された平板状の多孔質の支持基板10の主面上の複数の箇所に、発電素子部A(の燃料極)がそれぞれ配置される。支持基板10は、ガス流路11の壁面に近い部分に存在し且つ触媒成分と電気的絶縁成分とから構成される第1部分10aと、発電素子部Aの燃料極と接触する支持基板10の主面に近い部分に存在し且つ電気的絶縁成分のみから構成される第2部分10bと、からなる。支持基板10のガス流路11には、炭化水素系のガスの改質を行う改質器を通過した後のガス(改質後のガス(例えば、水素ガス)のみならず、改質前の残存ガスも含む)が導入される。
【選択図】図1[PROBLEMS] To provide a "horizontal stripe" capable of reforming a residual gas component before reforming which has flowed into a fuel gas flow path through a large number of pores inside a support substrate while ensuring insulation between adjacent fuel electrodes. Providing a “type” fuel cell.
A power generating element portion (a fuel electrode thereof) is disposed at a plurality of locations on a main surface of a flat porous support substrate 10 in which a gas flow path 11 is formed. The support substrate 10 exists in a portion close to the wall surface of the gas flow path 11 and includes a first portion 10a composed of a catalyst component and an electrically insulating component, and a support substrate 10 that is in contact with the fuel electrode of the power generation element portion A. And a second portion 10b that exists in a portion close to the main surface and is composed only of an electrically insulating component. In the gas flow path 11 of the support substrate 10, not only the gas after passing through the reformer that reforms the hydrocarbon gas (reformed gas (for example, hydrogen gas), but also before reforming). Including residual gas).
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、燃料電池セルに関する。 The present invention relates to a fuel battery cell.
従来より、「燃料ガスを流すための燃料ガス流路が内部に形成された絶縁性を有する多孔質の支持基板」と、「前記支持基板の外側面における互いに離れた複数の箇所にそれぞれ設けられ、少なくとも燃料極、固体電解質、及び空気極がこの順に積層されてなる複数の発電素子部」と、「1組又は複数組の隣り合う前記発電素子部の間にそれぞれ設けられ、隣り合う前記発電素子部の一方の燃料極と他方の空気極とを電気的に接続する1つ又は複数の電気的接続部」と、を備えた燃料電池セルが知られている(例えば、特許文献1を参照)。このような構成は、「横縞型」とも呼ばれる。 Conventionally, "a porous support substrate having an insulating property in which a fuel gas flow path for flowing fuel gas is formed inside" and "a plurality of locations apart from each other on the outer surface of the support substrate" are provided. , A plurality of power generation element units in which at least a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are stacked in this order ”and“ the one or more sets of adjacent power generation element units, respectively, There is known a fuel battery cell including one or a plurality of electrical connection portions that electrically connect one fuel electrode of the element portion and the other air electrode (see, for example, Patent Document 1). ). Such a configuration is also called a “horizontal stripe type”.
ところで、係る燃料電池セルの支持基板内の燃料ガス流路に導入される燃料ガス(発電反応に使用されるガス)としては、通常、改質器を用いて炭化水素系のガス(例えば、都市ガス)を改質して得られた改質後のガス(例えば、水素ガス)が使用される。しかしながら、改質器を通過したガス(即ち、支持基板の燃料ガス流路に導入されるガス)内には、改質器で改質され得なかった改質前のガス成分(例えば、都市ガス)が不可避的に残存し得る。 By the way, as the fuel gas (gas used for power generation reaction) introduced into the fuel gas flow path in the support substrate of the fuel cell, a hydrocarbon gas (for example, city) is usually used by using a reformer. A reformed gas (for example, hydrogen gas) obtained by reforming the gas) is used. However, the gas component that has not been reformed by the reformer (for example, city gas) is contained in the gas that has passed through the reformer (that is, gas introduced into the fuel gas flow path of the support substrate). ) May inevitably remain.
燃料ガス流路に流入したガスは、燃料ガス流路の内壁から多孔質の支持基板の内部の多数の気孔を介して燃料極に供給され、発電反応に供される。燃料電池の発電効率を高めるためには、できるだけ多くの改質後のガスを燃料極に供給することが好ましい。このためには、燃料ガス流路に流入した改質前の残存ガス成分を支持基板内部の多数の気孔を通過する過程にて改質することが要求される。 The gas flowing into the fuel gas flow channel is supplied from the inner wall of the fuel gas flow channel to the fuel electrode through a large number of pores inside the porous support substrate, and used for power generation reaction. In order to increase the power generation efficiency of the fuel cell, it is preferable to supply as much reformed gas as possible to the fuel electrode. For this purpose, it is required to reform the residual gas component before reforming that has flowed into the fuel gas flow path in the process of passing through a large number of pores inside the support substrate.
この要求を達成するためには、支持基板を構成する材料に燃料ガスの改質反応を促す触媒成分(例えば、ニッケル)を含めることが考えられる。しかしながら、一般に、係る触媒成分は導電性を有する。従って、多量の触媒成分を支持基板の材質内に均一に含ませると、支持基板の絶縁性が確保され難くなる。 In order to achieve this requirement, it is conceivable to include a catalyst component (for example, nickel) that promotes the reforming reaction of the fuel gas in the material constituting the support substrate. In general, however, such catalyst components are electrically conductive. Therefore, if a large amount of the catalyst component is uniformly included in the material of the support substrate, it is difficult to ensure insulation of the support substrate.
他方、「横縞型」の場合、隣り合う燃料極間にて短絡電流が流れることを防止するため、支持基板の絶縁性を確保する必要がある。これは、「横縞型」の場合、複数の燃料極が支持基板の外側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ることに起因する。 On the other hand, in the case of the “horizontal stripe type”, in order to prevent a short-circuit current from flowing between adjacent fuel electrodes, it is necessary to ensure the insulation of the support substrate. This is because, in the case of the “horizontal stripe type”, a plurality of fuel electrodes are provided at a plurality of locations separated from each other on the outer surface of the support substrate.
以上より、「横縞型」において、隣り合う燃料極間にて絶縁性を確保しつつ、燃料ガス流路に流入した改質前の残存ガス成分を支持基板内部の多数の気孔を通過する過程にて改質することが望まれていたところである。 As described above, in the “horizontal stripe type”, in the process of passing the residual gas component before reforming flowing into the fuel gas flow path through a large number of pores inside the support substrate while ensuring insulation between adjacent fuel electrodes. Therefore, it has been desired to be improved.
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、隣り合う燃料極間にて絶縁性を確保しつつ、燃料ガス流路に流入した改質前の残存ガス成分を支持基板内部の多数の気孔を通過する過程にて改質することができる「横縞型」の燃料電池セルを提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problem. The remaining gas component before reforming that has flowed into the fuel gas passage is disposed inside the support substrate while ensuring insulation between adjacent fuel electrodes. An object is to provide a “horizontal stripe type” fuel cell that can be reformed in the process of passing through a large number of pores.
本発明に係る燃料電池セルは、燃料ガスを流すための燃料ガス流路が内部に形成された絶縁性を有する多孔質の支持基板と、前記支持基板の外側面における互いに離れた複数の箇所にそれぞれ設けられ、少なくとも燃料極、固体電解質、及び空気極がこの順に積層されてなる複数の発電素子部と、1組又は複数組の隣り合う前記発電素子部の間にそれぞれ設けられ、隣り合う前記発電素子部の一方の燃料極と他方の空気極とを電気的に接続する1つ又は複数の電気的接続部とを備える。即ち、このセルは、「横縞型」の燃料電池セルである。 The fuel battery cell according to the present invention includes a porous support substrate having insulating properties in which a fuel gas flow path for flowing fuel gas is formed, and a plurality of locations apart from each other on the outer surface of the support substrate. A plurality of power generation element portions, each of which is provided, and at least a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are stacked in this order; and one set or a plurality of sets of the power generation element portions adjacent to each other. One or a plurality of electrical connection portions that electrically connect one fuel electrode and the other air electrode of the power generation element portion are provided. That is, this cell is a “horizontal stripe type” fuel cell.
本発明に係る燃料電池セルの特徴は、前記支持基板を構成する材料において燃料ガスの改質反応を促す触媒成分と電気的絶縁成分とが含まれていて、前記支持基板の内部において、前記燃料ガス流路の壁面に近い部分の前記触媒成分の体積濃度が前記燃料極と接触する前記支持基板の外側面に近い部分の前記触媒成分の体積濃度より大きいことにある。ここにおいて、前記触媒成分としては、導電性を有するものが好ましいが、導電性を有しないものであってもよい。前記触媒成分は、例えば、炭化水素系のガスを水素に改質する改質反応を促す触媒成分であり、導電性を有するものとしては、Fe、Ni、Co、Cu等が挙げられ、特に、Niが好ましい。また、導電性を有しないものとしては、例えば、NiAl2O4が挙げられる。NiAl2O4については、例えば、特開2005−340164号公報に詳細に記載されている。 A feature of the fuel battery cell according to the present invention is that a material constituting the support substrate includes a catalyst component that promotes a reforming reaction of a fuel gas and an electrically insulating component, and the fuel is contained inside the support substrate. The volume concentration of the catalyst component near the wall surface of the gas flow path is larger than the volume concentration of the catalyst component near the outer surface of the support substrate in contact with the fuel electrode. Here, the catalyst component is preferably conductive, but may be non-conductive. The catalyst component is, for example, a catalyst component that promotes a reforming reaction for reforming a hydrocarbon-based gas into hydrogen, and examples of the conductive component include Fe, Ni, Co, Cu, etc. Ni is preferred. Further, those having no conductivity, e.g., NiAl 2 O 4 and the like. NiAl 2 O 4 is described in detail, for example, in JP-A-2005-340164.
以下、NiAl2O4について付言する。NiAl2O4は、酸化雰囲気(即ち、支持基板内部が酸化雰囲気となるセルの製造段階等)では、NiAl2O4として安定して存在する。この形態では絶縁性を示す。しかしながら、NiAl2O4は、還元雰囲気(即ち、支持基板内部が還元雰囲気となるセルの稼働段階等)では、NiとAl2O4とが分離して存在する方がNiAl2O4として存在するより安定となる。従って、NiAl2O4からNiが析出する。この析出したNiが「燃料ガス改質を促す触媒」として機能する。以上より、触媒成分としてNiAl2O4を支持基板の材質内に均一に含ませると、セル稼働時に導電性を有するNiが析出することによって支持基板の絶縁性が確保され難くなる。即ち、触媒成分としてNiを支持基板の材質内に均一に含ませる場合と同じ問題が発生し得る。このように「酸化雰囲気で安定し、且つ、還元雰囲気で分解してNiを析出する特性」を示し、且つ、前記触媒成分として使用され得る材料としては、NiAl2O4の他に、「NiOがドープされたMgO」、「Niを含むスピネル化合物」等が挙げられる。 Hereinafter, additional remarks will be made regarding NiAl 2 O 4 . NiAl 2 O 4 is an oxidizing atmosphere (i.e., the supporting substrate inside the production stage or the like of cells functioning as an oxidizing atmosphere), the stably exist as NiAl 2 O 4. This form shows insulation. However, NiAl 2 O 4 is present a reducing atmosphere (i.e., operation steps, such as the cell supporting substrate inside the reducing atmosphere) is better in, and the Ni and Al 2 O 4 are present in isolation as NiAl 2 O 4 It becomes more stable than you do. Therefore, Ni precipitates from NiAl 2 O 4 . The deposited Ni functions as a “catalyst for promoting fuel gas reforming”. As described above, when NiAl 2 O 4 is uniformly included in the material of the support substrate as a catalyst component, it is difficult to ensure the insulating properties of the support substrate due to precipitation of conductive Ni during cell operation. That is, the same problem as in the case where Ni as a catalyst component is uniformly contained in the material of the support substrate may occur. As described above, as a material that exhibits “stable in an oxidizing atmosphere and decomposes in a reducing atmosphere to precipitate Ni” and can be used as the catalyst component, in addition to NiAl 2 O 4 , “NiO And MgO doped with “a spinel compound containing Ni” and the like.
上記構成によれば、多孔質の支持基板内部における「燃料ガス流路の壁面に近い部分」の触媒成分の体積濃度が大きくされ得る。従って、燃料ガス流路に流入したガス(改質前の残存ガス成分を含む)が多孔質の支持基板の内部の多数の気孔を介して燃料ガス流路から燃料極に供給される過程における初期段階にて、触媒成分の触媒作用によって改質前の残存ガス成分の改質が促される。この結果、改質前の残存ガス成分が十分に改質され得る。 According to the above configuration, the volume concentration of the catalyst component in the “portion close to the wall surface of the fuel gas flow path” inside the porous support substrate can be increased. Therefore, the initial stage in the process in which the gas flowing into the fuel gas channel (including the residual gas component before reforming) is supplied from the fuel gas channel to the fuel electrode through a large number of pores inside the porous support substrate. In the stage, the reforming of the residual gas component before reforming is promoted by the catalytic action of the catalyst component. As a result, the residual gas component before reforming can be sufficiently reformed.
加えて、上記構成によれば、多孔質の支持基板内部における「燃料極と接触する支持基板の外側面に近い部分」の触媒成分の体積濃度が小さく(例えば、「0」に)され得る。従って、少なくとも支持基板内部における「隣り合う燃料極の間を結ぶ部分」の絶縁性が確保され得る。この結果、隣り合う燃料極間にて絶縁性が確保され得る。以上、本発明によれば、隣り合う燃料極間にて絶縁性を確保しつつ、燃料ガス流路に流入した改質前の残存ガス成分が支持基板内部の多数の気孔を通過する過程にて改質することができる。 In addition, according to the above configuration, the volume concentration of the catalyst component in the “portion close to the outer surface of the support substrate in contact with the fuel electrode” inside the porous support substrate can be reduced (for example, “0”). Accordingly, at least insulation of “a portion connecting adjacent fuel electrodes” inside the support substrate can be ensured. As a result, insulation can be ensured between adjacent fuel electrodes. As described above, according to the present invention, in the process in which the residual gas component before reforming that has flowed into the fuel gas flow path passes through a large number of pores inside the support substrate while ensuring insulation between adjacent fuel electrodes. It can be modified.
上記本発明に係る燃料電池セルにおいては、具体的には、例えば、前記支持基板は、「前記燃料ガス流路の壁面を含む(且つ、前記支持基板の外側面を含まない)第1部分であって、前記電気的絶縁成分と前記触媒成分とから構成される第1部分」と、「前記支持基板の外側面を含む(且つ、前記燃料ガス流路の壁面を含まない)とともに前記第1部分と接続する第2部分であって、前記電気的絶縁成分(のみ)から構成される第2部分」とからなるように構成され得る。この場合、前記第1部分の前記触媒成分の体積濃度は5〜50%とされ得る。また、このような支持基板は、前記触媒成分の体積濃度が異なる複数の部分からなる成形体が焼成により一体化されて形成され得る。 In the fuel cell according to the present invention, specifically, for example, the support substrate is “a first portion including a wall surface of the fuel gas flow path (and not including an outer surface of the support substrate). A first portion composed of the electrically insulating component and the catalyst component, and “including the outer surface of the support substrate (and not including the wall surface of the fuel gas flow path) and the first portion. The second part connected to the part, and the second part composed of (only) the electrically insulating component ”. In this case, the volume concentration of the catalyst component in the first portion may be 5 to 50%. In addition, such a support substrate can be formed by integrating a molded body composed of a plurality of portions having different volume concentrations of the catalyst component by firing.
(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)のセルを示す。このSOFCセルは、長手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 solid oxide fuel cell (SOFC) cell according to an embodiment of the present invention. This SOFC cell has a plurality (four in this example) 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セル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の長さが1〜10cmの長方形である。このSOFCセルの全体の厚さは、1〜5mmである。このSOFCセルの全体は、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ことが好ましいが、この限りでない。以下、図1に加えて、このSOFCセルの図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セル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 cell viewed from above is, for example, a rectangle having a side length of 5 to 50 cm in the longitudinal direction and a length of 1 to 10 cm in the width direction perpendicular to the longitudinal direction. The total thickness of this SOFC cell is 1-5 mm. The entire SOFC cell preferably 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、多孔質の材料からなる長手方向を有する平板状の焼成体である。支持基板10の長手方向に沿った側端部は、外側に(幅方向に)凸となる曲面状を呈している。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。
The
支持基板10は、電気的絶縁成分(電子伝導性を有さない成分)と触媒成分とから構成される第1部分10a(図1、図2、及びその他の図面において微細なドットで示した領域を参照)と、電気的絶縁成分(のみ)から構成される第2部分10bと、からなる。電気的絶縁成分としては、例えば、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)、CaZrO3(カルシウムジルコネート)、MgO(マグネシア)、MgAl2O4(スピネル)等、或いはこれらの何れか2種以上の混合物等が挙げられる。触媒成分としては、Ni(ニッケル)、Ru(ルテニウム)等が挙げられる。第1部分10aの触媒成分の体積濃度は5〜50%である。なお、「触媒成分の体積濃度」とは、気孔部分を除いた全体積に対する触媒成分の体積の割合を指す。
The
この例では、第1部分10aは、上記複数の燃料ガス流路11の全体を内部に包含する単一の平板状の層である。第1部分10aは、複数の燃料ガス流路11の内壁面を含んでいる。第2部分10bは、第1部分10aの層の上下にそれぞれ積層された平板状の層である。各第2部分10bの外表面は、支持基板10の外表面(主面)を構成している。即ち、各第2部分10bは、支持基板10の外表面を含んでいる。後に述べるように、各第2部分10bの外表面には、複数の発電素子部Aの燃料極20がそれぞれ接触している。支持基板10の厚さ(両主面間の距離)は、1〜5mmである。以下、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。
In this example, the
図2に示すように、支持基板10の上面(上側の主面)の上には、直方体状の燃料極20が設けられている。燃料極20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。燃料極20は、後述する固体電解質膜40に接する燃料極活性部22と、燃料極活性部22以外の残りの部分である燃料極集電部21とから構成される。燃料極活性部22を上方からみた形状は、燃料極集電部21が存在する範囲に亘って幅方向に延びる長方形である。
As shown in FIG. 2, a rectangular
燃料極活性部22は、例えば、酸化ニッケルNiOとイットリア安定化ジルコニアYSZ(8YSZ)とから構成され得る。或いは、酸化ニッケルNiOとガドリニウムドープセリアGDCとから構成されてもよい。燃料極集電部21は、例えば、酸化ニッケルNiOとイットリア安定化ジルコニアYSZ(8YSZ)とから構成され得る。或いは、酸化ニッケルNiOとイットリアY2O3とから構成されてもよいし、酸化ニッケルNiOとカルシア安定化ジルコニアCSZ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素イオン伝導性を有する物質とを含んで構成される。燃料極活性部22における「気孔部分を除いた全体積に対する酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合」は、燃料極集電部21における「気孔部分を除いた全体積に対する酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合」よりも大きい。
As described above, the fuel electrode
各燃料極20(より具体的には、各燃料極集電部21)の上面の所定箇所には、インターコネクタ30が形成されている。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。インターコネクタ30を上方からみた形状は、燃料極20が存在する範囲に亘って幅方向に延びる長方形である。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。
An
複数の燃料極20が設けら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が形成された部分を除いた全面は、固体電解質膜40により覆われている。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、Y2O3(イットリア)を含有したYSZ(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 outer surface of the
即ち、複数の燃料極20が設けら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。ここで、緻密材料からなる「インターコネクタ30及び固体電解質膜40」が、「ガスシール部」に対応する。
That is, the entire outer peripheral surface extending in the longitudinal direction of 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、電子伝導性とイオン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
以上、説明した「横縞型」のSOFCセルに対して、図3に示すように、支持基板10の燃料ガス流路11内に燃料ガスが流されるとともに、支持基板10の上下面(特に、各空気極集電膜70)が「酸素を含むガス」(空気等)に曝される(或いは、支持基板10の上下面に沿って酸素を含むガスが流される)。これにより、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. 3, the fuel gas flows into 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4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3に示すように、このSOFCセル全体から(具体的には、図3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. 4, 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. 3, from the entire SOFC cell (specifically, in FIG. 3, the
燃料ガス流路11に導入される燃料ガスとしては、改質器(図示せず)を用いて炭化水素系のガス(都市ガスCH4等)を改質して得られた改質後のガス(水素ガスH2等)が使用される。改質器内では、例えば、下記(3)、(4)式に示す化学反応が起こることにより、改質前のガス(CH4)がSOFCの発電反応に使用されるガス(H2)に改質される。
The fuel gas introduced into the
CH4+H2O→3H2+CO …(3)
CO+H2O→H2+CO2 …(4)
CH 4 + H 2 O → 3H 2 + CO (3)
CO + H 2 O → H 2 + CO 2 (4)
(製造方法)
次に、図1に示した「横縞型」のSOFCセルの製造方法の一例について図5〜図13を参照しながら簡単に説明する。図5〜図13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 cell shown in FIG. 1 will be briefly described with reference to FIGS. 5 to 13, “g” at the end of the reference numeral of each member indicates that the member is “before firing”.
先ず、図5に示す薄板状の形状を有する支持基板の第1部分の成形体10agが作製される。この成形体10agは、例えば、支持基板の第1部分10aの材料(例えば、CSZとNi)の粉末を所謂押し出し成形法等を利用して成形・固化することによって作製され得る。
First, a molded body 10ag of the first portion of the support substrate having a thin plate shape shown in FIG. 5 is produced. This molded body 10ag can be produced, for example, by molding and solidifying the powder of the material (for example, CSZ and Ni) of the
次いで、図6に示すように、上述のように得られた成形体10agの上下面にそれぞれ、支持基板の第2部分の成形体10bgの成形体が形成される。これにより、支持基板の成形体10gが得られる。成形体10bgの形成は、支持基板の第2部分10bの材料(例えば、CSZのみ)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たテープ成形法、印刷法等を利用してなされ得る。以下、図6に示す支持基板の成形体10gの部分断面を表す図7〜図13を参照しながら説明を続ける。
Next, as shown in FIG. 6, a molded body of the 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(より具体的には、第2部分10bg)の上下面の所定位置に、燃料極の成形体(21g+22g)が形成される。各燃料極の成形体(21g+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形成される。
As shown in FIG. 7, when the support substrate molded
次に、図9に示すように、各燃料極の成形体21gの外側面の所定箇所に、インターコネクタの成形膜30gが形成される。各インターコネクタの成形膜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形成される。
Next, as shown in FIG. 9, an interconnector molded
次に、図10に示すように、複数の燃料極の成形体(21g+22g)が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が形成された部分を除いた全面(支持基板の成形体10gの側端部の表面を含む)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. 10, a plurality of interconnector molded
次に、図11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. 11, a molded
そして、このように種々の成形膜が形成された状態の支持基板の成形体10gが、空気中にて1400〜1500℃で1〜20時間焼成される。これにより、図1に示したSOFCセルにおいて空気極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 formed in this way is fired in air at 1400 to 1500 ° C. for 1 to 20 hours. As a result, the structure in which the
次に、図12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. 12, an air
次に、図13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. 13, for each pair of adjacent power generation element portions, air is formed so as to straddle the forming
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900〜1100℃で1〜20時間焼成される。これにより、図1に示したSOFCセルが得られる。以上、図1に示したSOFCセルの製造方法の一例について説明した。
And the
(支持基板内の触媒成分についての体積濃度分布の付与)
上述したように、上述したSOFCセルの支持基板10内の燃料ガス流路11に導入される燃料ガス(発電反応に使用されるガス)としては、改質器(図示せず)を用いて炭化水素系のガス(例えば、都市ガスCH4)を改質して得られた改質後のガス(例えば、水素ガスH2)が使用される。しかしながら、改質器を通過したガス(即ち、支持基板10の燃料ガス流路11に導入されるガス)内には、改質器で改質され得なかった改質前のガス成分(例えば、都市ガスCH4)が不可避的に残存し得る。
(Give volume concentration distribution for catalyst components in the support substrate)
As described above, as a fuel gas (gas used for power generation reaction) introduced into the fuel
燃料ガス流路11に流入したガスは、燃料ガス流路11の内壁から多孔質の支持基板10の内部の多数の気孔を介して燃料極20に供給される。従って、SOFCの発電効率を高めるためには、できるだけ多くの改質後のガスを燃料極20に供給することが好ましい。このためには、燃料ガス流路11に流入した改質前の残存ガス成分を支持基板10の内部の多数の気孔を通過する過程にて改質することが要求される。
The gas that has flowed into the
このため、支持基板10を構成する材料に燃料ガスの改質反応(上述した(3)、(4)式を参照)を促す触媒成分(Ni等)を含めることが考えられる。しかしながら、一般に、係る触媒成分(Ni等)は導電性を有する。従って、多量の触媒成分を支持基板10の材質内に均一に含ませると、支持基板10の絶縁性が確保され難くなる。
For this reason, it is conceivable that the material constituting the
他方、本例のように「横縞型」のSOFCの場合、隣り合う燃料極間にて短絡電流が流れることを防止するため、支持基板10の内部における少なくとも「隣り合う燃料極間を結ぶ部分」の絶縁性を確保する必要がある。これは、「横縞型」のSOFCの場合、複数の燃料極が支持基板の外側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ることに起因する。
On the other hand, in the case of a “horizontal stripe type” SOFC as in this example, at least “a portion connecting adjacent fuel electrodes” in the
本実施形態に係るSOFCセルでは、上述の内容を考慮して、支持基板10の内部の触媒成分について体積濃度分布が付与されている。即ち、支持基板10は、電気的絶縁成分(CSZ等)と触媒成分(Ni等)とから構成される第1部分10aと、電気的絶縁成分のみから構成される第2部分10bとから構成される。ここで、触媒成分を含む第1部分10aは、支持基板10の内部における「燃料ガス流路11の内壁面に近い部分」に存在する。従って、燃料ガス流路11に流入したガス(改質前の残存ガス成分を含む)が燃料ガス流路11の内壁から多孔質の支持基板10の内部の多数の気孔を介して燃料極20に供給される過程における初期段階にて、触媒成分の触媒作用によって改質前の残存ガス成分の改質が促される。この結果、改質前の残存ガス成分が十分に改質され得る。
In the SOFC cell according to the present embodiment, a volume concentration distribution is given to the catalyst component inside the
加えて、触媒成分を含まない(電気的絶縁成分のみからなる)第2部分10bは、支持基板10の内部における「燃料極20と接触する支持基板10の外側面(主面)に近い部分」に存在する。従って、支持基板10の内部における少なくとも「隣り合う燃料極20の間を結ぶ部分」の絶縁性が確保され得る。この結果、隣り合う燃料極20間にて絶縁性が確保され得る。以上、本実施形態によれば、隣り合う燃料極20間にて絶縁性を確保しつつ、燃料ガス流路11に流入した改質前の残存ガス成分が支持基板10の内部の多数の気孔を通過する過程にて改質することができる。この結果、SOFCの全体として発電効率を高めることができる。
In addition, 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、支持基板10が、触媒成分と電気的絶縁成分とからなる第1部分10aと、触媒成分を含まず電気的絶縁成分のみからなる第2部分10bとから構成されているが、第1、第2部分10a、10bがそれぞれ、触媒成分と電気的絶縁成分とから構成されるとともに、第1部分10aの触媒成分の体積濃度が第2部分10bの触媒成分の体積濃度より大きくなるように構成されていてもよい。
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-described embodiment, the
また、上記実施形態では、支持基板10の内部の触媒成分について、「燃料ガス流路11の壁面に近い部分」の体積濃度が「燃料極20と接触する支持基板10の外側面に近い部分」の体積濃度より大きくなるように体積濃度分布を付与するにあたり、2段階(第1部分10aにて5〜50%、第2部分10bにて0〜20%)の分布が付与されている。なお、「触媒成分の体積濃度」とは、気孔部分を除いた全体積に対する触媒成分の体積の割合を指す。これに対し、支持基板10の内部の触媒成分について、「燃料ガス流路11の壁面に近い部分」から「燃料極20と接触する支持基板10の外側面に近い部分」に向けて体積濃度が徐々に減少するように体積濃度分布が付与されていてもよい。更には、支持基板が、触媒成分の体積濃度が異なる層を2層以上積層して構成されても良い。この場合、セル製造プロセスの煩雑性を考慮して10層以下とすることが好ましい。
In the above-described embodiment, the volume concentration of the “part close to the wall surface of 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が設けられているが、図14に示すように、支持基板10の片側面のみに複数の発電素子部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。
In the above embodiment, a plurality of power generation element portions A are provided on the upper and lower surfaces of the
また、上記実施形態では、触媒成分と電気的絶縁成分とからなる第1部分10aは、複数の燃料ガス流路11の全体を内部に包含する単一の平板状の層であり、電気的絶縁成分のみからなる第2部分10bは、第1部分10aの層の上下にそれぞれ積層された平板状の層である。これに対し、図15に示すように、触媒成分と電気的絶縁成分とからなる第1部分10aが、各燃料ガス流路11の周囲をそれぞれ囲む複数の中空円筒状の層であり、電気的絶縁成分のみからなる第2部分10bが残りの部分であるように構成されてもよい。
Moreover, in the said embodiment, the
図15に示す支持基板の第2部分10bの成形体は、例えば、支持基板の第2部分10bの材料(例えば、CSZ)の粉末を所謂押し出し成形法等を利用して成形・固化することによって作製され得る。図15に示す支持基板の第1部分10aの成形体は、例えば、第2部分10bの成形体における燃料ガス流路11に対応する穴の内壁に対してディップコート法を利用して支持基板の第1部分10aの材料(例えば、CSZとNi)からなる膜を形成することによって作製され得る。更には、第2部分10bの成形体が焼成された後、その焼成体における燃料ガス流路11に対応する穴に対しディップコート法を用いて第1部分10aを設けても良い。
The molded body of the
図15に示す態様においても、第1、第2部分10a、10bがそれぞれ、触媒成分と電気的絶縁成分とから構成されるとともに、第1部分10aの触媒成分の体積濃度が第2部分10bの触媒成分の体積濃度より大きくなるように構成されていてもよい。
Also in the embodiment shown in FIG. 15, the first and
加えて、上記実施形態では、触媒成分として導電性を有するNiが使用されているが、触媒成分としてNiAl2O4が使用されてもよい。NiAl2O4は、酸化雰囲気にて安定して存在し、絶縁性を示す。しかしながら、セルの稼働段階(即ち、支持基板内部が還元雰囲気となる段階)では、NiとAl2O4とが分離して存在する方がNiAl2O4として存在するより安定となることに起因して、NiAl2O4からNiが析出する。この析出したNiが「燃料ガス改質を促す触媒」として機能する。このように「酸化雰囲気で安定し、且つ、還元雰囲気で分解してNiを析出する特性」を示し、且つ、触媒成分として使用され得る材料としては、NiAl2O4の他に、「NiOがドープされたMgO」、「Niを含むスピネル化合物」等が挙げられる。 In addition, in the embodiment, Ni having conductivity as a catalyst component is used, NiAl 2 O 4 may be used as a catalyst component. NiAl 2 O 4 is stably present in an oxidizing atmosphere and exhibits insulating properties. However, in the operation stage of the cell (that is, the stage in which the inside of the support substrate becomes a reducing atmosphere), Ni and Al 2 O 4 are separated and exist more stably than NiAl 2 O 4. Then, Ni precipitates from NiAl 2 O 4 . The deposited Ni functions as a “catalyst for promoting fuel gas reforming”. As described above, the material that is stable in an oxidizing atmosphere and decomposes in a reducing atmosphere to precipitate Ni and that can be used as a catalyst component includes, in addition to NiAl 2 O 4 , “NiO “Doped MgO”, “spinel compound containing Ni” and the like.
また、上記実施形態では、平板状の支持基板10の外側面上(平面上)に燃料極20が形成(積層)され且つ燃料極20の外側面上(平面上)にインターコネクタ30が形成(積層)されているが、図16〜図19に示すように、燃料極20が支持基板10の外側面に形成された凹部(図16、17を参照)内に埋設され且つインターコネクタ30が燃料極20の外側面に形成された凹部内に埋設されていてもよい。以下、上記実施形態に対する、図16〜図19に示す形態の主たる相違点について簡単に説明する。
Further, in the above embodiment, the
図16〜図19に示す形態では、支持基板10の主面(上下面)には、複数の凹部12が長手方向において所定の間隔をおいて形成されている。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。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。
In the form shown in FIGS. 16 to 19, a plurality of
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。
A
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。
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)と底面とは、凹部21b内で燃料極集電部21と接触している。
An
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
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
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
図18に示すように、この例では、固体電解質膜40が、燃料極20の上面、インターコネクタ30の上面における長手方向の両側端部、及び支持基板10の主面を覆っている。ここで、上述したように、燃料極20の上面とインターコネクタ30の上面と支持基板10の主面との間で段差が形成されていない。従って、固体電解質膜40が平坦化されている。この結果、固体電解質膜40に段差が形成される場合に比して、応力集中に起因する固体電解質膜40でのクラックの発生が抑制され得、固体電解質膜40が有するガスシール機能の低下が抑制され得る。
As shown in FIG. 18, in this example, the
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18を参照)。即ち、支持基板10の上面には、複数(本例では、4つ)の発電素子部Aが、長手方向において所定の間隔をおいて配置されている。
Here, the laminated body formed by laminating the
各組の隣り合う発電素子部A,Aについて、一方の(図18では、左側の)発電素子部Aの空気極60と、他方の(図18では、右側の)発電素子部Aのインターコネクタ30とを跨ぐように、空気極60、固体電解質膜40、及び、インターコネクタ30の上面に、空気極集電膜70が形成されている。空気極集電膜70は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。空気極集電膜70を上方からみた形状は、長方形である。
For each pair of adjacent power generation element portions A and A, the
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18では、左側の)発電素子部Aの空気極60と、他方の(図18では、右側の)発電素子部Aの燃料極20(特に、燃料極集電部21)とが、電子伝導性を有する「空気極集電膜70及びインターコネクタ30」を介して電気的に接続される。この結果、支持基板10の上面に配置されている複数(本例では、4つ)の発電素子部Aが電気的に直列に接続される。ここで、電子伝導性を有する「空気極集電膜70及びインターコネクタ30」が、前記「電気的接続部」に対応する。
By forming each air electrode
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、図16〜図19に示す形態では、上記実施形態と同様、支持基板10が、電気的絶縁成分(CSZ等)と触媒成分(Ni等)とから構成される第1部分10aと、電気的絶縁成分のみから構成される第2部分10bとから構成される(図16、図17を参照)。この結果、隣り合う燃料極20間にて絶縁性が確保され得る。従って、上記実施形態と同様、隣り合う燃料極20間にて絶縁性を確保しつつ、燃料ガス流路11に流入した改質前の残存ガス成分が支持基板10の内部の多数の気孔を通過する過程にて改質することができる。この結果、SOFCの全体として発電効率を高めることができる。
As described above, in the embodiments shown in FIGS. 16 to 19, as in the above embodiment, the
また、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。
Further, each of 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、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、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。
A plurality of power generating element portions A are provided on the upper and lower surfaces of the
加えて、固体電解質膜40が、燃料極20の外側面、インターコネクタ30の外側面における長手方向の両側端部、及び支持基板10の主面を覆っている。ここで、燃料極20の外側面とインターコネクタ30の外側面と支持基板10の主面との間で段差が形成されていない。従って、固体電解質膜40が平坦化されている。この結果、固体電解質膜40に段差が形成される場合に比して、応力集中に起因する固体電解質膜40でのクラックの発生が抑制され得、固体電解質膜40が有するガスシール機能の低下が抑制され得る。
In addition, the
10…支持基板、10a…第1部分、10b…第2部分、11…燃料ガス流路、12…凹部、20…燃料極、21…燃料極集電部、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、80…絶縁体、A…発電素子部
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記支持基板の外側面における互いに離れた複数の箇所にそれぞれ設けられ、少なくとも燃料極、固体電解質、及び空気極がこの順に積層されてなる複数の発電素子部と、
1組又は複数組の隣り合う前記発電素子部の間にそれぞれ設けられ、隣り合う前記発電素子部の一方の燃料極と他方の空気極とを電気的に接続する1つ又は複数の電気的接続部と、
を備えた燃料電池セルにおいて、
前記支持基板を構成する材料において燃料ガスの改質反応を促す触媒成分と電気的絶縁成分とが含まれていて、前記支持基板の内部において、前記燃料ガス流路の壁面に近い部分の前記触媒成分の体積濃度が前記燃料極と接触する前記支持基板の外側面に近い部分の前記触媒成分の体積濃度より大きい、燃料電池セル。 A porous support substrate having a fuel gas passage for flowing fuel gas formed therein;
A plurality of power generating element portions each provided at a plurality of locations apart from each other on the outer surface of the support substrate, wherein at least a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are stacked in this order;
One or a plurality of electrical connections that are respectively provided between one or a plurality of adjacent power generation element portions and electrically connect one fuel electrode and the other air electrode of the adjacent power generation element portions. And
In a fuel cell comprising:
The material constituting the support substrate includes a catalyst component that promotes a reforming reaction of fuel gas and an electrically insulating component, and the catalyst in a portion near the wall surface of the fuel gas flow path inside the support substrate The fuel cell, wherein the volume concentration of the component is larger than the volume concentration of the catalyst component in a portion close to the outer surface of the support substrate in contact with the fuel electrode.
前記支持基板は、
前記燃料ガス流路の壁面を含む第1部分であって、前記電気的絶縁成分と前記触媒成分とから構成される第1部分と、
前記支持基板の外側面を含むとともに前記第1部分と接続する第2部分であって、前記電気的絶縁成分から構成される第2部分と、
からなる、燃料電池セル。 The fuel cell according to claim 1,
The support substrate is
A first portion including a wall surface of the fuel gas flow path, the first portion including the electrically insulating component and the catalyst component;
A second part including the outer surface of the support substrate and connected to the first part, the second part comprising the electrically insulating component;
A fuel cell comprising:
前記第1部分の前記触媒成分の体積濃度は5〜50%である、燃料電池セル。 The fuel cell according to claim 2,
The fuel cell, wherein the volume concentration of the catalyst component in the first portion is 5 to 50%.
前記触媒成分は、炭化水素系のガスを水素に改質する改質反応を促す触媒成分である、燃料電池セル。 In the fuel cell according to any one of claims 1 to 3,
The fuel cell, wherein the catalyst component is a catalyst component that promotes a reforming reaction for reforming a hydrocarbon-based gas into hydrogen.
前記触媒成分はニッケルである、燃料電池セル。 The fuel cell according to claim 4, wherein
The fuel battery cell, wherein the catalyst component is nickel.
前記支持基板は、
前記触媒成分の体積濃度が異なる複数の部分からなる成形体が焼成により一体化されて形成された、燃料電池セル。 In the fuel cell according to any one of claims 1 to 5,
The support substrate is
A fuel battery cell, in which formed bodies composed of a plurality of portions having different volume concentrations of the catalyst component are integrated by firing.
前記平板状の支持基板の外側面における互いに離れた複数の箇所にそれぞれ設けられ、少なくとも燃料極、固体電解質、及び空気極がこの順に積層されてなる複数の発電素子部と、
1組又は複数組の隣り合う前記発電素子部の間にそれぞれ設けられ、隣り合う前記発電素子部の一方の燃料極と他方の空気極とを電気的に接続する1つ又は複数の電気的接続部と、
を備えた燃料電池セルにおいて、
前記平板状の支持基板の外側面における前記複数の箇所に、前記支持基板の材料からなる底壁と全周に亘って前記支持基板の材料からなる周方向に閉じた側壁とを有する凹部がそれぞれ形成されていて、
前記各凹部に、対応する前記発電素子部の燃料極がそれぞれ埋設され、
前記支持基板を構成する材料において燃料ガスの改質反応を促す触媒成分と電気的絶縁成分とが含まれていて、前記支持基板の内部において、前記燃料ガス流路の壁面に近い部分の前記触媒成分の体積濃度が前記燃料極と接触する前記支持基板の外側面に近い部分の前記触媒成分の体積濃度より大きい、燃料電池セル。 A flat porous support substrate having a fuel gas flow path formed therein for flowing a fuel gas;
A plurality of power generating element portions each provided at a plurality of positions separated from each other on the outer surface of the flat support substrate, and at least a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are laminated in this order;
One or a plurality of electrical connections that are respectively provided between one or a plurality of adjacent power generation element portions and electrically connect one fuel electrode and the other air electrode of the adjacent power generation element portions. And
In a fuel cell comprising:
Recesses having a bottom wall made of the material of the support substrate and a side wall closed in the circumferential direction made of the material of the support substrate over the entire circumference at the plurality of locations on the outer surface of the flat support substrate, respectively. Formed,
In each of the recesses, the corresponding fuel electrode of the power generation element portion is embedded,
The material constituting the support substrate includes a catalyst component that promotes a reforming reaction of fuel gas and an electrically insulating component, and the catalyst in a portion near the wall surface of the fuel gas flow path inside the support substrate The fuel cell, wherein the volume concentration of the component is larger than the volume concentration of the catalyst component in a portion close to the outer surface of the support substrate in contact with the fuel electrode.
前記平板状の支持基板の外側面における互いに離れた複数の箇所にそれぞれ設けられ、少なくとも燃料極、固体電解質、及び空気極がこの順に積層されてなる複数の発電素子部と、
1組又は複数組の隣り合う前記発電素子部の間にそれぞれ設けられ、隣り合う前記発電素子部の一方の燃料極と他方の空気極とを電気的に接続する1つ又は複数の電気的接続部と、
を備えた燃料電池セルにおいて、
前記各電気的接続部は、緻密な材料で構成された第1部分と、前記第1部分と接続され且つ多孔質の材料で構成された第2部分とで構成され、
前記平板状の支持基板の外側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燃料極がそれぞれ埋設され、
前記埋設された各燃料極の外側面に、前記燃料極の材料からなる底壁と全周に亘って前記燃料極の材料からなる周方向に閉じた側壁とを有する第2凹部がそれぞれ形成され、
前記各第2凹部に、対応する前記電気的接続部の前記第1部分がそれぞれ埋設され、
前記支持基板を構成する材料において燃料ガスの改質反応を促す触媒成分と電気的絶縁成分とが含まれていて、前記支持基板の内部において、前記燃料ガス流路の壁面に近い部分の前記触媒成分の体積濃度が前記燃料極と接触する前記支持基板の外側面に近い部分の前記触媒成分の体積濃度より大きい、燃料電池セル。 A flat porous support substrate having a fuel gas flow path formed therein for flowing a fuel gas;
A plurality of power generating element portions each provided at a plurality of positions separated from each other on the outer surface of the flat support substrate, and at least a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are laminated in this order;
One or a plurality of electrical connections that are respectively provided between one or a plurality of adjacent power generation element portions and electrically connect one fuel electrode and the other air electrode of the adjacent power generation element portions. And
In a fuel cell comprising:
Each of the electrical connection portions includes a first portion made of a dense material, and a second portion made of a porous material connected to the first portion,
A first recess having a bottom wall made of the material of the support substrate and a side wall made of the material of the support substrate in the circumferential direction at the plurality of locations on the outer surface of the flat support substrate. Each formed,
In each of the first recesses, the corresponding fuel electrode of the power generation element unit is embedded,
Second recesses each having a bottom wall made of the fuel electrode material and a circumferentially closed side wall made of the fuel electrode material are formed on the outer surface of each buried fuel electrode. ,
In each of the second recesses, the corresponding first portion of the electrical connection portion is embedded,
The material constituting the support substrate includes a catalyst component that promotes a reforming reaction of fuel gas and an electrically insulating component, and the catalyst in a portion near the wall surface of the fuel gas flow path inside the support substrate The fuel cell, wherein the volume concentration of the component is larger than the volume concentration of the catalyst component in a portion close to the outer surface of the support substrate in contact with the fuel electrode.
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