JP5116182B1 - 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、内側電極に埋設されたインターコネクタと内側電極との間の電流の経路を適切に調整できるものを提供すること。
【解決手段】ガス流路11が内部に形成された平板状の支持基板10の主面に、電気的に直列に接続された複数の発電素子部Aが配置される。支持基板10の主面には、複数の発電素子部Aに対応する複数の凹部12がそれぞれ形成される。各凹部12は、周方向に閉じた4つの側壁と、底壁とで画定された直方体状の窪みである。各凹部12に、対応する発電素子部Aの燃料極20が埋設され、各燃料極20の外側面に形成された直方体状の凹部21bに、インターコネクタ30が埋設される。インターコネクタ30の底面と燃料極20との界面にはインターコネクタ30より導電率が大きい中間膜35が介装される。
【選択図】図2A structure of a fuel cell of “horizontal stripe type”, wherein the support substrate is difficult to be deformed when the support substrate receives an external force, and between the interconnector embedded in the inner electrode and the inner electrode. Provide a device that can adjust the current path appropriately.
A plurality of power generating element portions A that are electrically connected in series are arranged on a main surface of a flat support substrate 10 in which a gas flow path 11 is formed. A plurality of recesses 12 corresponding to the plurality of power generation element portions A are formed on the main surface of the support substrate 10, respectively. Each recess 12 is a rectangular parallelepiped recess defined by four side walls closed in the circumferential direction and a bottom wall. The fuel electrode 20 of the corresponding power generation element portion A is embedded in each recess 12, and the interconnector 30 is embedded in a rectangular parallelepiped recess 21 b formed on the outer surface of each fuel electrode 20. An intermediate film 35 having a higher conductivity than the interconnector 30 is interposed at the interface between the bottom surface of the interconnector 30 and the fuel electrode 20.
[Selection] Figure 2
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燃料極と他方の空気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 portions in which an electrolyte and an air electrode are stacked, and one fuel electrode of each of the adjacent power generation element portions provided between one or a plurality of adjacent power generation element portions, There is known a structure of a solid oxide fuel cell provided with “one or more electrical connection parts having electronic conductivity for electrically connecting the other air 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、本発明者は、上述のように、支持基板の主面に形成された複数の第1凹部に内側電極がそれぞれ埋設される構成において、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における緻密材料で構成された部分(インターコネクタ)がそれぞれ埋設される構成を既に提案している(例えば、特願2011−90363等を参照)。 Furthermore, as described above, the present inventor forms the inner electrodes in the plurality of first recesses formed in the main surface of the support substrate, and forms the outer electrodes on the outer surfaces of the embedded inner electrodes. In addition, a configuration in which a portion (interconnector) made of a dense material in the corresponding electrical connection portion is embedded in the second recess has been proposed (see, for example, Japanese Patent Application No. 2011-90363).
この構成では、各インターコネクタは、対応する内側電極における「発電素子部を構成する部分(即ち、固体電解質及び外側電極が積層された部分)から支持基板の平面方向に延設された部分」の外側面に埋設される場合が多い(後述する図5、図15を参照)。一般に、電流は、経路が短くなるように流れる。この場合、各インターコネクタの外側面からインターコネクタの内部に進入した電流は、対応する内側電極における「発電素子部を構成する部分」に向けて、支持基板の主面に沿う方向へ流れようとする。即ち、各インターコネクタの内部に進入した電流は、インターコネクタの側面と内側電極との界面を通って内部電極側に移動しようとする(後述する図15を参照)。 In this configuration, each interconnector has a corresponding inner electrode “a portion extending in the plane direction of the support substrate from a portion constituting the power generation element portion (that is, a portion where the solid electrolyte and the outer electrode are laminated)”. Often embedded in the outer surface (see FIGS. 5 and 15 to be described later). In general, current flows so that the path becomes shorter. In this case, the current that has entered the interconnector from the outer surface of each interconnector tends to flow in a direction along the main surface of the support substrate toward the “part constituting the power generation element portion” of the corresponding inner electrode. To do. That is, the current that has entered each interconnector attempts to move to the internal electrode side through the interface between the side surface of the interconnector and the inner electrode (see FIG. 15 described later).
このように、電流がインターコネクタの側面と内側電極との界面を通る構成では、燃料電池が長時間に亘って稼働された際、前記界面に剥離が発生することがあった。これは、以下の理由に基づくと考えられる。即ち、通常、係る「横縞型」の燃料電池では、小型軽量化のため、支持基板ができる限り薄く設計される。このことに起因して、内側電極の外側面に埋設されるインターコネクタも、できる限り薄くされる。即ち、各インターコネクタは、薄板状(平面形状が大きく且つ厚さが小さい形状)を呈し、その側面の面積が非常に小さい。従って、電流がインターコネクタの側面と内側電極との界面を通る際、電流が過剰に集中してジュール熱が多く発生し易い。このジュール熱によって前記界面近傍に局所的な温度分布が生じ、この結果、前記界面に剥離が発生し易いものと考えられる。 As described above, in the configuration in which the current passes through the interface between the side surface of the interconnector and the inner electrode, when the fuel cell is operated for a long time, peeling may occur at the interface. This is considered based on the following reasons. That is, normally, in such a “horizontal stripe type” fuel cell, the support substrate is designed to be as thin as possible in order to reduce the size and weight. Due to this, the interconnector embedded in the outer surface of the inner electrode is also made as thin as possible. That is, each interconnector has a thin plate shape (a shape having a large planar shape and a small thickness), and has an extremely small side surface area. Therefore, when the current passes through the interface between the side surface of the interconnector and the inner electrode, the current is excessively concentrated and a lot of Joule heat is likely to be generated. This Joule heat generates a local temperature distribution in the vicinity of the interface, and as a result, it is considered that peeling is likely to occur at the interface.
係る問題に対処するためには、インターコネクタと内側電極との間の電流の経路を積極的に制御すればよい。具体的には、上記の場合、電流が、「面積が小さいインターコネクタの側面」ではなく「面積が大きいインターコネクタの底面」を通るように、電流の経路を制御することが重要である。 In order to cope with such a problem, the current path between the interconnector and the inner electrode may be positively controlled. Specifically, in the above case, it is important to control the current path so that the current passes through “the bottom surface of the interconnector having a large area” instead of “the side surface of the interconnector having a small area”.
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、内側電極に埋設されたインターコネクタと内側電極との間の電流の経路を適切に調整できるものを提供することを目的とする。 The present invention relates to a structure of a “horizontal stripe type” fuel cell, wherein the support substrate is difficult to deform when the support substrate receives an external force, and between the interconnector embedded in the inner electrode and the inner electrode. An object of the present invention is to provide a device that can appropriately adjust the current path.
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気絶縁性を有する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。 A structure of a fuel cell according to the present invention includes a flat porous support substrate having an electrical insulating property in which a gas flow path is formed, and a plurality of spaced apart from each other on a main surface of the flat support substrate. Provided in each of the locations, “a plurality of power generation element portions in which at least an inner electrode, a solid electrolyte, and an outer electrode are stacked” and one set or a plurality of sets of adjacent power generation element portions are provided and adjacent to each other. One or a plurality of electrical connection portions having electronic conductivity for electrically connecting one inner electrode and the other outer electrode of the power generation element portion. 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、前記各電気的接続部は、緻密な材料で構成された第1部分(インターコネクタ)と、前記第1部分と接続され且つ多孔質の材料で構成された第2部分とで構成され、前記平板状の支持基板の主面における前記複数の箇所に、前記支持基板の材料からなる底壁と全周に亘って前記支持基板の材料からなる周方向に閉じた側壁とを有する第1凹部がそれぞれ形成され、前記各第1凹部に、対応する前記発電素子部の内側電極(の全体)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第2凹部に、対応する前記電気的接続部の前記第1部分(の全体又は一部)がそれぞれ埋設されたことにある。 The structure of the fuel cell structure according to the present invention is characterized in that each of the electrical connection portions is a first portion (interconnector) made of a dense material, and is connected to the first portion and made of a porous material. And a bottom wall made of the material of the support substrate and a circumference made of the material of the support substrate over the entire circumference. A first recess having a side wall closed in a direction is formed, and the inner electrode (the whole) of the corresponding power generation element portion is embedded in each of the first recesses. In the second concave portion formed on the side surface, the first portion (the whole or a part thereof) of the corresponding electrical connection portion is embedded.
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、電気的接続部の第1部分が内側電極の外側面に形成された第2凹部に埋設されている。従って、第1凹部に埋設された内部電極の外側平面上に電気的接続部の第1部分が積層される(接触する)構成が採用される場合に比べて、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。この結果、燃料電池の発電出力を高めることができる。 In addition, the first portion of the electrical connection portion is embedded in a second recess formed on the outer surface of the inner electrode. Therefore, compared with the case where the configuration in which the first portion of the electrical connection portion is laminated (contacted) on the outer plane of the internal electrode embedded in the first recess is employed, the internal electrode and the electrical connection portion The area of the interface can be increased. Therefore, the electronic conductivity between the internal electrode and the electrical connection portion can be increased. As a result, the power generation output of the fuel cell can be increased.
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更に大きくできる。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更に高めることができる。 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 preferable to have closed side walls. According to this, the area of the interface between the internal electrode and the electrical connection portion can be further increased. Therefore, the electronic conductivity between the internal electrode and the electrical connection portion can be further increased.
ここにおいて、前記第1凹部の平面形状(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 first recess (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、本発明に係る燃料電池の構造体の特徴は、前記埋設された前記各電気的接続部の第1部分(インターコネクタ)と前記内側電極との界面の一部に、インターコネクタより導電率が大きい部材、インターコネクタより導電率が小さい部材、又は空隙が設けられたことにもある。これによれば、インターコネクタと内側電極との界面のうち電流が通過する領域が積極的に調整されて、インターコネクタと内側電極との間の電流の経路が適切に調整され得る。 Further, the structure of the fuel cell structure according to the present invention is characterized in that the electrical conductivity of the embedded first electrical connection portion (interconnector) and a part of the interface between the inner electrodes is higher than that of the interconnector. In some cases, a member having a larger conductivity, a member having a lower conductivity than the interconnector, or a gap is provided. According to this, the region through which current passes in the interface between the interconnector and the inner electrode is positively adjusted, and the current path between the interconnector and the inner electrode can be adjusted appropriately.
具体的には、前記各第2凹部が、前記内側電極の材料からなる底壁と、前記内側電極の材料からなる側壁とを有し、且つ、インターコネクタが薄板状を呈する場合、インターコネクタの底面と内側電極との界面のみに、インターコネクタより導電率が大きい部材が介装され得る。或いは、インターコネクタの側面と内側電極との界面のみに、インターコネクタより導電率が小さい部材が介装され得る。或いは、インターコネクタの側面と内側電極との界面のみに、空隙が設けられ得る。 Specifically, when each of the second recesses has a bottom wall made of the material of the inner electrode and a side wall made of the material of the inner electrode, and the interconnector has a thin plate shape, A member having higher conductivity than the interconnector can be interposed only at the interface between the bottom surface and the inner electrode. Alternatively, a member having a lower conductivity than the interconnector can be interposed only at the interface between the side surface of the interconnector and the inner electrode. Alternatively, a gap may be provided only at the interface between the side surface of the interconnector and the inner electrode.
これらの何れかによれば、電流が、「面積が小さいインターコネクタの側面」ではなく「面積が大きいインターコネクタの底面」を通るように、電流の経路を制御することができる。この結果、電流が「面積が小さいインターコネクタの側面」と内側電極との界面を通る際のジュール熱の発生に起因する前記界面の剥離の発生が抑制され得る。 According to any of these, the current path can be controlled so that the current passes through “the bottom surface of the interconnector having a large area” instead of “the side surface of the interconnector having a small area”. As a result, the occurrence of peeling at the interface due to the generation of Joule heat when the current passes through the interface between the “side surface of the interconnector having a small area” and the inner electrode can be suppressed.
(構成)
図1は、本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池(SOFC)の構造体を示す。このSOFCの構造体は、長手方向(x軸方向)を有する平板状の支持基板10の上下面(互いに平行な両側の主面(平面))のそれぞれに、電気的に直列に接続された複数(本例では、4つ)の同形の発電素子部Aが長手方向において所定の間隔をおいて配置された、所謂「横縞型」と呼ばれる構成を有する。
(Constitution)
FIG. 1 shows a structure of a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention. This SOFC structure is electrically connected in series to the upper and lower surfaces (main surfaces (planes) on both sides parallel to each other) of the
このSOFCの構造体の全体を上方からみた形状は、例えば、長手方向の辺の長さが50〜500mmで長手方向に直交する幅方向(y軸方向)の長さが10〜100mmの長方形である。このSOFCの構造体の全体の厚さは、1〜5mmである。このSOFCの構造体の全体は、厚さ方向の中心を通り且つ支持基板10の主面に平行な面に対して上下対称の形状を有する。以下、図1に加えて、このSOFCの構造体の図1に示す2−2線に対応する部分断面図である図2を参照しながら、このSOFCの構造体の詳細について説明する。図2は、代表的な1組の隣り合う発電素子部A,Aのそれぞれの構成(の一部)、並びに、発電素子部A,A間の構成を示す部分断面図である。その他の組の隣り合う発電素子部A,A間の構成も、図2に示す構成と同様である。
The shape of the entire SOFC structure as viewed from above is, for example, a rectangle having a length of 50 to 500 mm in the longitudinal direction and a length in the width direction (y-axis direction) perpendicular to the longitudinal direction of 10 to 100 mm. is there. The total thickness of the SOFC structure is 1 to 5 mm. The entire SOFC structure has a vertically symmetrical shape with respect to a plane passing through the center in the thickness direction and parallel to the main surface of the
支持基板10は、電子伝導性を有さない多孔質の材料からなる平板状の焼成体である。後述する図6に示すように、支持基板10の内部には、長手方向に延びる複数(本例では、6本)の燃料ガス流路11(貫通孔)が幅方向において所定の間隔をおいて形成されている。本例では、各凹部12は、支持基板10の材料からなる底壁と、全周に亘って支持基板10の材料からなる周方向に閉じた側壁(長手方向に沿う2つの側壁と幅方向に沿う2つの側壁)と、で画定された直方体状の窪みである。各凹部12の長さ(x軸方向の寸法)は5〜50mmであり、幅(y軸方向の寸法)は2〜95mmであり、深さ(z軸方向の寸法)は0.03〜1.5mmである。
The
支持基板10は、例えば、MgO(酸化マグネシウム)、MgAl2O4(マグネシアアルミナスピネル)、CSZ(カルシア安定化ジルコニア)、NiO(酸化ニッケル)、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、Y2O3(イットリア)から選ばれる一つ以上の材料から構成される。
The
支持基板10は、「遷移金属酸化物又は遷移金属」と、絶縁性セラミックスとを含んで構成され得る。「遷移金属酸化物又は遷移金属」としては、NiO(酸化ニッケル)又はNi(ニッケル)が好適である。遷移金属は、燃料ガスの改質反応を促す触媒(炭化水素系のガスの改質触媒)として機能し得る。
The
また、絶縁性セラミックスとしては、MgO(酸化マグネシウム)、又は、「MgAl2O4(マグネシアアルミナスピネル)とMgO(酸化マグネシウム)の混合物」が好適である。また、絶縁性セラミックスとして、CSZ(カルシア安定化ジルコニア)、YSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)、Y2O3(イットリア)が使用されてもよい。 Further, as the insulating ceramic, MgO (magnesium oxide) or “mixture of MgAl 2 O 4 (magnesia alumina spinel) and MgO (magnesium oxide)” is preferable. Further, CSZ (calcia stabilized zirconia), YSZ (8YSZ) (yttria stabilized zirconia), Y 2 O 3 (yttria) may be used as the insulating ceramic.
このように、支持基板10が「遷移金属酸化物又は遷移金属」を含むことによって、改質前の残存ガス成分を含んだガスが多孔質の支持基板10の内部の多数の気孔を介して燃料ガス流路11から燃料極に供給される過程において、上記触媒作用によって改質前の残存ガス成分の改質を促すことができる。加えて、支持基板10が絶縁性セラミックスを含むことによって、支持基板10の絶縁性を確保することができる。この結果、隣り合う燃料極間における絶縁性が確保され得る。
As described above, since the
支持基板10の厚さは、1〜5mmである。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、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。各凹部21bの長さ(x軸方向の寸法)は0.2〜10mmであり、幅(y軸方向の寸法)は2〜95mmであり、深さ(z軸方向の寸法)は10〜100μm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(極めて薄い)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
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
インターコネクタ30と燃料極20(の集電部21)との界面のうち、インターコネクタ30の底面と燃料極20(の集電部21)との界面のみに、中間膜35が介装されている。中間膜35は、例えば、NiOとY2O3(イットリア)の混合粉末、NiOとGDC(ガドリニアドープセリア)の混合粉末、NiOとLaCrO3の混合粉末、から構成される。
Of the interface between the interconnector 30 and the fuel electrode 20 (current collector 21), the
燃料極集電部21の導電率は100〜1000S/cmであり、インターコネクタ30の導電率は0.5〜30S/cmであり、中間膜35の導電率は200〜2000S/cmである。即ち、中間膜35の導電率は、インターコネクタ30の導電率より大きい。また、中間膜35の導電率は、燃料極集電部21の導電率より大きくても小さくても良いが、燃料極集電部21の導電率より大きいことが好ましい。中間膜35の厚さは、2〜20μmである。中間膜35は、インターコネクタ30の底面の全域に存在していてもよいし、インターコネクタ30の底面の一部にのみ存在していてもよい。
The conductivity of the fuel electrode
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が平坦化されている。この結果、固体電解質膜40に段差が形成される場合に比して、応力集中に起因する固体電解質膜40でのクラックの発生が抑制され得、固体電解質膜40が有するガスシール機能の低下が抑制され得る。
As shown in FIG. 2, in this example, the
固体電解質膜40における各燃料極活性部22と接している箇所の上面には、反応防止膜50を介して空気極60が形成されている。反応防止膜50は、緻密な材料からなる焼成体であり、空気極60は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。反応防止膜50及び空気極60を上方からみた形状は、燃料極活性部22と略同一の長方形である。
An
反応防止膜50は、例えば、GDC=(Ce,Gd)O2(ガドリニウムドープセリア)から構成され得る。反応防止膜50の厚さは、3〜50μmである。空気極60は、例えば、LSCF=(La,Sr)(Co,Fe)O3(ランタンストロンチウムコバルトフェライト)から構成され得る。或いは、LSF=(La,Sr)FeO3(ランタンストロンチウムフェライト)、LNF=La(Ni,Fe)O3(ランタンニッケルフェライト)、LSC=(La,Sr)CoO3(ランタンストロンチウムコバルタイト)等から構成されてもよい。また、空気極60は、LSCFからなる第1層(内側層)とLSCからなる第2層(外側層)との2層によって構成されてもよい。空気極60の厚さは、10〜100μmである。
The
なお、反応防止膜50が介装されるのは、SOFC作製時又は作動中のSOFC内において固体電解質膜40内のYSZと空気極60内のSrとが反応して固体電解質膜40と空気極60との界面に電気抵抗が大きい反応層が形成される現象の発生を抑制するためである。
The
ここで、燃料極20と、固体電解質膜40と、反応防止膜50と、空気極60とが積層されてなる積層体が、「発電素子部A」に対応する(図2を参照)。即ち、支持基板10の上面には、複数(本例では、4つ)の発電素子部Aが、長手方向において所定の間隔をおいて配置されている。
Here, the laminated body formed by laminating the
各組の隣り合う発電素子部A,Aについて、一方の(図2では、左側の)発電素子部Aの空気極60と、他方の(図2では、右側の)発電素子部Aのインターコネクタ30とを跨ぐように、空気極60、固体電解質膜40、及び、インターコネクタ30の上面に、空気極集電膜70が形成されている。空気極集電膜70は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。空気極集電膜70を上方からみた形状は、長方形である。
For each pair of adjacent power generation element portions A and A, the
空気極集電膜70は、例えば、LSCF=(La,Sr)(Co,Fe)O3(ランタンストロンチウムコバルトフェライト)から構成され得る。或いは、LSC=(La,Sr)CoO3(ランタンストロンチウムコバルタイト)から構成されてもよい。或いは、Ag(銀)、Ag−Pd(銀パラジウム合金)から構成されてもよい。空気極集電膜70の厚さは、50〜500μmである。
The air electrode
このように各空気極集電膜70が形成されることにより、各組の隣り合う発電素子部A,Aについて、一方の(図2では、左側の)発電素子部Aの空気極60と、他方の(図2では、右側の)発電素子部Aの燃料極20(特に、燃料極集電部21)とが、電子伝導性を有する「空気極集電膜70及びインターコネクタ30」を介して電気的に接続される。この結果、支持基板10の上面に配置されている複数(本例では、4つ)の発電素子部Aが電気的に直列に接続される。ここで、電子伝導性を有する「空気極集電膜70及びインターコネクタ30」が、前記「電気的接続部」に対応する。
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。中間膜35の気孔率は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、先ず、中間膜の成形体35gがそれぞれ埋設・形成され、その後、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。各中間膜の成形体35gは、例えば、中間膜35の材料(NiOとY2O3の混合粉末)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。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。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)の導電性を獲得するため、その後、支持基板10側から還元性の燃料ガスが流され、NiOが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SOFCの構造体の製造方法の一例について説明した。
Then, 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、インターコネクタ30が、燃料極集電部21の外側面に形成された凹部21bに埋設され、この結果、直方体状のインターコネクタ30の幅方向(y軸方向)に沿う2つの側面と底面とが凹部21b内で燃料極集電部21と接触している。従って、燃料極集電部21の外側平面上に直方体状のインターコネクタ30が積層される(接触する)構成が採用される場合に比べて、燃料極20(集電部21)とインターコネクタ30との界面の面積を大きくできる。従って、燃料極20とインターコネクタ30との間における電子伝導性を高めることができ、この結果、燃料電池の発電出力を高めることができる。
The
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が平坦化されている。この結果、固体電解質膜40に段差が形成される場合に比して、応力集中に起因する固体電解質膜40でのクラックの発生が抑制され得、固体電解質膜40が有するガスシール機能の低下が抑制され得る。
In the above embodiment, the
また、上記実施形態では、上述のように、インターコネクタ30の底面と燃料極20(の集電部21)との界面に、インターコネクタ30より導電率の大きい中間膜35が介装されている。このことによる作用・効果について説明する。先ず、この作用・効果を説明するための準備として、図15に示すように、上記実施形態に対して上記中間膜35が介装されていないことのみが異なる比較例を想定する。
In the above embodiment, as described above, the
この比較例では、各インターコネクタ30は、対応する燃料極集電部21における「発電素子部Aを構成する部分(即ち、固体電解質40及び空気極60が積層された部分)から支持基板10の平面方向に延設された部分」の外側面に埋設されている。一般に、空気極集電膜70、及び燃料極集電部21の導電率は、インターコネクタ30の導電率より約1桁〜2桁程度大きい。更に、インターコネクタ30と燃料極集電部21との界面は、異種材料が接合する領域であるため、界面抵抗が存在する。これらの条件下、この比較例では、電流は、インターコネクタ30内の経路が最短となるようにインターコネクタ30内を流れる。即ち、図15の黒矢印で示すように、空気極集電膜70を流れる電流は、「インターコネクタ30の側面と燃料極集電部21との界面」(図中のZ部を参照)に近い位置からインターコネクタ30に進入し、インターコネクタ30内を最短経路で通過した後、「インターコネクタ30の側面と燃料極集電部21との界面」(図中のZ部を参照)を通って、燃料極集電部21(ひいては、燃料極集電部21における「発電素子部Aを構成する部分」、図中右方向)へ流れようとする。
In this comparative example, each interconnector 30 is connected to the
このように、電流がインターコネクタ30の側面と燃料極集電部21との界面を通る構成では、燃料電池が長時間に亘って稼働された際、前記界面に剥離が発生することがあった。これは、以下の理由に基づくと考えられる。即ち、上述のように、この例では、各インターコネクタ30は、極薄の板状(平面形状が大きく且つ厚さが小さい形状)を呈し、その側面の面積が非常に小さい。従って、電流がインターコネクタ30の側面と燃料極集電部21との界面を通る際、電流が過剰に集中してジュール熱が多く発生し易い。このジュール熱によって前記界面近傍に局所的な温度分布が生じ、この結果、前記界面に剥離が発生し易いものと考えられる。
As described above, in the configuration in which the current passes through the interface between the side surface of the
これに対し、上記実施形態では、図16に示すように、インターコネクタ30の底面にインターコネクタ30より導電率が大きい中間膜35が設けられている。この層を挿入することによって、インターコネクタ30と燃料極集電部21間に存在する界面抵抗を大幅に減少することができる。従って、電流が、「面積が小さいインターコネクタ30の側面」ではなく「面積が大きいインターコネクタ30の底面」を通るように、電流の経路を制御することができる(図16の黒矢印を参照)。この結果、電流が「面積が小さいインターコネクタ30の側面」と燃料極集電部21との界面を通る際のジュール熱の発生に起因する前記界面の剥離の発生が抑制され得る。
In contrast, in the above-described embodiment, as shown in FIG. 16, an
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、インターコネクタ30の底面にのみインターコネクタ30より導電率が大きい中間膜35が設けられているが(図16を参照)、図17に示すように、インターコネクタ30の側面にのみ空隙が設けられていてもよい。或いは、図18に示すように、インターコネクタ30の側面にのみインターコネクタ30より導電率が小さい部材(例えば、電気絶縁体)が設けられていてもよい。これらによっても、上記実施形態と同様、電流が、「面積が小さいインターコネクタ30の側面」ではなく「面積が大きいインターコネクタ30の底面」を通るように、電流の経路を制御することができ、(図17、図18の黒矢印を参照)、上記実施形態と同じ作用・効果が奏され得る。
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、上記実施形態においては、図6等に示すように、支持基板10に形成された凹部12の平面形状(支持基板10の主面に垂直の方向からみた場合の形状)が、長方形になっているが、例えば、正方形、円形、楕円形、長穴形状等であってもよい。
Moreover, in the said embodiment, as shown in FIG. 6 etc., the planar shape (shape when it sees from the direction perpendicular | vertical to the main surface of the support substrate 10) of the recessed
また、上記実施形態においては、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 the above embodiment, the
また、上記実施形態において、凹部12における底壁と側壁とのなす角度θが90°になっているが、図19に示すように、角度θが90〜135°となっていてもよい。また、上記実施形態においては、図20に示すように、凹部12における底壁と側壁とが交差する部分が半径Rの円弧状になっていて、凹部12の深さに対する半径Rの割合が0.01〜1となっていてもよい。
Moreover, in the said embodiment, although the angle (theta) which the bottom wall and side wall in the recessed
また、上記実施形態においては、平板状の支持基板10の上下面のそれぞれに複数の凹部12が形成され且つ複数の発電素子部Aが設けられているが、図21に示すように、支持基板10の片側面のみに複数の凹部12が形成され且つ複数の発電素子部Aが設けられていてもよい。
Moreover, in the said embodiment, although the several recessed
また、上記実施形態においては、燃料極20が燃料極集電部21と燃料極活性部22との2層で構成されているが、燃料極20が燃料極活性部22に相当する1層で構成されてもよい。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。
Further, in the above embodiment, the
加えて、上記実施形態においては、図3に示すように、燃料極集電部21の外側面に形成された凹部21bが、燃料極集電部21の材料からなる底壁と、周方向に閉じた側壁(支持基板10の材料からなる長手方向に沿う2つの側壁と、燃料極集電部21の材料からなる幅方向に沿う2つの側壁)と、で画定された直方体状の窪みとなっている。この結果、凹部21bに埋設されたインターコネクタ30の幅方向に沿う2つの側面と底面とが凹部21b内で燃料極集電部21と接触している。
In addition, in the above embodiment, as shown in FIG. 3, the
これに対し、図22に示すように、燃料極集電部21の外側面に形成された凹部21bが、燃料極集電部21の材料からなる底壁と、全周に亘って燃料極集電部21の材料からなる周方向に閉じた側壁(長手方向に沿う2つの側壁と、幅方向に沿う2つの側壁)と、で画定された直方体状の窪みであってもよい。これによれば、凹部21bに埋設されたインターコネクタ30の4つの側面の全てと底面とが凹部21b内で燃料極集電部21と接触する。従って、燃料極集電部21とインターコネクタ30との界面の面積をより一層大きくできる。従って、燃料極集電部21とインターコネクタ30との間における電子伝導性をより一層高めることができ、この結果、燃料電池の発電出力をより一層高めることができる。
On the other hand, as shown in FIG. 22, the
10…支持基板、11…燃料ガス流路、12…凹部、20…燃料極、21…燃料極集電部、21a、21b…凹部、22…燃料極活性部、30…インターコネクタ、35…中間膜、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 (4)
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、
前記各電気的接続部は、第1部分と、前記第1部分と接続され且つ多孔質の材料で構成された第2部分とで構成され、前記第1部分は、ガスシール機能を有する程度に前記第2部分の気孔率より小さい気孔率を有し、前記第1部分は、前記隣り合う発電素子部の一方の内側電極と前記第2部分とに接続され、前記第2部分は、前記隣り合う発電素子部の他方の外側電極と前記第1部分とに接続され、
前記平板状の支持基板の主面における前記複数の箇所に、前記支持基板の材料からなる底壁と前記支持基板の材料からなる側壁とを有する第1凹部がそれぞれ形成され、前記支持基板の主面に垂直な方向にて外部からみたとき、前記第1凹部の側壁は、全周に亘って前記支持基板の材料からなり且つ周方向に閉じており、
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における前記第1凹部の底面と反対側の面に、前記内側電極の材料からなる底壁と、前記内側電極の材料からなる側壁とを有する第2凹部がそれぞれ形成され、
前記各第2凹部に、対応する前記電気的接続部の前記第1部分がそれぞれ埋設され、
前記埋設された前記各電気的接続部の第1部分と前記内側電極との界面における前記第2凹部の底壁に対応する部分のみに、前記電気的接続部材の第1部分より導電率が大きい部材が介装された、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:
Each of the electrical connection parts is composed of a first part and a second part connected to the first part and made of a porous material, and the first part has a gas sealing function. The first portion has a porosity smaller than the porosity of the second portion, the first portion is connected to one inner electrode of the adjacent power generation element portion and the second portion, and the second portion is adjacent to the adjacent portion. Connected to the other outer electrode and the first part of the matching power generation element part,
It said plurality of locations on the main surface of the plate-shaped support substrate, a first recess having a side wall made of a material of the bottom wall and the supporting substrate made of a material of the supporting substrate are formed respectively, the main of the support substrate When viewed from the outside in a direction perpendicular to the surface, the side wall of the first recess is made of the material of the support substrate over the entire circumference and is closed in the circumferential direction,
In each of the first recesses, a corresponding inner electrode of the power generation element portion is embedded,
A second recess having a bottom wall made of the material of the inner electrode and a side wall made of the material of the inner electrode is formed on a surface opposite to the bottom surface of the first recess in each of the embedded inner electrodes . ,
In each of the second recesses , the corresponding first portion of the electrical connection portion is embedded,
Only in the portion corresponding to the bottom wall of the second recess at the interface between the first portion of each of the embedded electrical connection portions and the inner electrode, the conductivity is higher than that of the first portion of the electrical connection member. A fuel cell structure in which members are interposed .
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、 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;
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、 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
を備えた燃料電池の構造体において、 In a fuel cell structure comprising:
前記各電気的接続部は、第1部分と、前記第1部分と接続され且つ多孔質の材料で構成された第2部分とで構成され、前記第1部分は、ガスシール機能を有する程度に前記第2部分の気孔率より小さい気孔率を有し、前記第1部分は、前記隣り合う発電素子部の一方の内側電極と前記第2部分とに接続され、前記第2部分は、前記隣り合う発電素子部の他方の外側電極と前記第1部分とに接続され、 Each of the electrical connection parts is composed of a first part and a second part connected to the first part and made of a porous material, and the first part has a gas sealing function. The first portion has a porosity smaller than the porosity of the second portion, the first portion is connected to one inner electrode of the adjacent power generation element portion and the second portion, and the second portion is adjacent to the adjacent portion. Connected to the other outer electrode and the first part of the matching power generation element part,
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前記支持基板の材料からなる側壁とを有する第1凹部がそれぞれ形成され、前記支持基板の主面に垂直な方向にて外部からみたとき、前記第1凹部の側壁は、全周に亘って前記支持基板の材料からなり且つ周方向に閉じており、 First recesses each having a bottom wall made of a material of the support substrate and a side wall made of a material of the support substrate are formed at the plurality of locations on the main surface of the flat support substrate, respectively. When viewed from the outside in a direction perpendicular to the surface, the side wall of the first recess is made of the material of the support substrate over the entire circumference and is closed in the circumferential direction,
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、 In each of the first recesses, a corresponding inner electrode of the power generation element portion is embedded,
前記埋設された各内側電極における前記第1凹部の底面と反対側の面に、前記内側電極の材料からなる底壁と、前記内側電極の材料からなる側壁とを有する第2凹部がそれぞれ形成され、 A second recess having a bottom wall made of the material of the inner electrode and a side wall made of the material of the inner electrode is formed on a surface opposite to the bottom surface of the first recess in each of the embedded inner electrodes. ,
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、 In each of the second recesses, the corresponding first portion of the electrical connection portion is embedded,
前記埋設された前記各電気的接続部の第1部分と前記内側電極との界面における前記第2凹部の側壁に対応する部分のみに、前記電気的接続部材の第1部分より導電率が小さい部材が介装された、燃料電池の構造体。 A member having a lower conductivity than the first portion of the electrical connection member only in the portion corresponding to the side wall of the second recess at the interface between the first portion of each of the embedded electrical connection portions and the inner electrode. A fuel cell structure in which is interposed.
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、 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;
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、 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
を備えた燃料電池の構造体において、 In a fuel cell structure comprising:
前記各電気的接続部は、第1部分と、前記第1部分と接続され且つ多孔質の材料で構成された第2部分とで構成され、前記第1部分は、ガスシール機能を有する程度に前記第2部分の気孔率より小さい気孔率を有し、前記第1部分は、前記隣り合う発電素子部の一方の内側電極と前記第2部分とに接続され、前記第2部分は、前記隣り合う発電素子部の他方の外側電極と前記第1部分とに接続され、 Each of the electrical connection parts is composed of a first part and a second part connected to the first part and made of a porous material, and the first part has a gas sealing function. The first portion has a porosity smaller than the porosity of the second portion, the first portion is connected to one inner electrode of the adjacent power generation element portion and the second portion, and the second portion is adjacent to the adjacent portion. Connected to the other outer electrode and the first part of the matching power generation element part,
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前記支持基板の材料からなる側壁とを有する第1凹部がそれぞれ形成され、前記支持基板の主面に垂直な方向にて外部からみたとき、前記第1凹部の側壁は、全周に亘って前記支持基板の材料からなり且つ周方向に閉じており、 First recesses each having a bottom wall made of a material of the support substrate and a side wall made of a material of the support substrate are formed at the plurality of locations on the main surface of the flat support substrate, respectively. When viewed from the outside in a direction perpendicular to the surface, the side wall of the first recess is made of the material of the support substrate over the entire circumference and is closed in the circumferential direction,
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、 In each of the first recesses, a corresponding inner electrode of the power generation element portion is embedded,
前記埋設された各内側電極における前記第1凹部の底面と反対側の面に、前記内側電極の材料からなる底壁と、前記内側電極の材料からなる側壁とを有する第2凹部がそれぞれ形成され、 A second recess having a bottom wall made of the material of the inner electrode and a side wall made of the material of the inner electrode is formed on a surface opposite to the bottom surface of the first recess in each of the embedded inner electrodes. ,
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、 In each of the second recesses, the corresponding first portion of the electrical connection portion is embedded,
前記埋設された前記各電気的接続部の第1部分と前記内側電極との界面における前記第2凹部の側壁に対応する部分のみに、前記空隙が設けられた、燃料電池の構造体。 A fuel cell structure in which the gap is provided only in a portion corresponding to a side wall of the second recess at an interface between the first portion of each of the embedded electrical connection portions and the inner electrode.
前記支持基板の主面に垂直な方向にて外部からみたとき、前記第2凹部の側壁は、全周に亘って前記内側電極の材料からなる、燃料電池の構造体。 In the structure of the fuel cell according to any one of claims 1 to 3 ,
When viewed from the outside in a direction perpendicular to the main surface of the support substrate, the side wall of the second recess is made of the material of the inner electrode over the entire circumference .
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