JP5455271B1 - Fuel cell - Google Patents

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Abstract

【課題】ガス流路が内部に形成された多孔質の支持基板のガス排出側端部にコーティング膜が形成された燃料電池であって、コーティング膜にクラックが発生する事態を抑制し得るものを提供すること。
【解決手段】この燃料電池は、複数のガス流路18が長手方向に沿って内部に形成された平板状の多孔質の支持基板11と、支持基板11の主面に設けられ、少なくとも燃料極12、固体電解質13、及び空気極14がこの順で積層された発電素子部と、を備えた焼成体である。各ガス流路18の内壁面におけるガス排出側の端部、並びに、支持基板11の長手方向におけるガス排出側の端面に、支持基板より気孔率が小さいコーティング膜が形成されている。コーティング膜における支持基板11のガス排出側の端面に形成された部分の表面粗さが、算術平均粗さRaで0.13〜5.2μmである。
【選択図】図1
A fuel cell in which a coating film is formed at a gas discharge side end of a porous support substrate having a gas flow path formed therein, which can suppress the occurrence of cracks in the coating film. To provide.
The fuel cell is provided with a flat porous support substrate 11 in which a plurality of gas flow paths 18 are formed along the longitudinal direction, and a main surface of the support substrate 11, and at least a fuel electrode. 12, a solid electrolyte 13 and an air electrode 14 are stacked in this order. A coating film having a porosity smaller than that of the support substrate is formed on the end portion on the gas discharge side in the inner wall surface of each gas flow path 18 and on the end surface on the gas discharge side in the longitudinal direction of the support substrate 11. The surface roughness of the portion of the coating film formed on the end surface of the support substrate 11 on the gas discharge side is 0.13 to 5.2 μm in terms of arithmetic average roughness Ra.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell.

従来より、「長手方向を有する平板状であり、且つ、1つ又は複数のガス流路が前記長手方向に沿って内部に形成された多孔質の支持基板」と、「前記支持基板の主面に設けられ、少なくとも燃料極、固体電解質、及び空気極がこの順で積層された発電素子部」と、を備えた焼成体である固体酸化物形燃料電池が広く知られている(例えば、特許文献1を参照)。   Conventionally, “a porous support substrate that is a flat plate having a longitudinal direction and in which one or a plurality of gas flow paths are formed along the longitudinal direction” and “the main surface of the support substrate” And a solid oxide fuel cell that is a fired body provided with at least a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode stacked in this order. Reference 1).

係る焼成体である燃料電池では、燃料極等の導電性を獲得するため、燃料電池を作動させる前に、燃料電池に対して高温下(例えば、800℃程度)にて還元ガスを供給する熱処理(以下、「還元処理」と呼ぶ。)が行われて、燃料電池が非還元体から還元体に移行される。   In the fuel cell which is such a fired body, heat treatment is performed to supply a reducing gas to the fuel cell at a high temperature (for example, about 800 ° C.) before operating the fuel cell in order to obtain conductivity of the fuel electrode and the like. (Hereinafter referred to as “reduction treatment”) is performed, and the fuel cell is transferred from the non-reduced form to the reduced form.

係る燃料電池では、「各ガス流路内において長手方向における一方向(同じ方向)にガス(燃料ガス)が流され、各ガス流路のガス排出口から外部空間に排出された余剰のガスが、同ガス排出口の近傍にて、同外部空間内にある空気(酸素)と反応して燃焼させられる構成」が採用され得る。   In such a fuel cell, “the gas (fuel gas) flows in one direction (same direction) in the longitudinal direction in each gas flow path, and excess gas discharged from the gas discharge port of each gas flow path to the external space is In the vicinity of the gas discharge port, a configuration in which it reacts with air (oxygen) in the external space and is burned can be employed.

この構成が採用される場合、支持基板のガス排出側端部にてクラックが発生し易い。これは、以下の理由に基づく、と考えられる。第1に、支持基板が多孔質であることに起因して、支持基板のガス排出側端部の内部に外部空間内にある空気が進入し、上述した余剰のガスが同内部にて空気と反応して燃焼する。この結果、同内部にて、燃焼による発熱に伴う過大な熱応力が局所的に発生してクラックが発生する。第2に、支持基板のガス排出側端部の内部に外部空間内にある空気が進入することによって、還元体である同内部が再酸化される。この結果、同内部にて、再酸化による寸法変化(酸化膨張又は収縮)に伴う過大な応力が局所的に発生してクラックが発生する。   When this configuration is employed, cracks are likely to occur at the gas discharge side end of the support substrate. This is considered based on the following reasons. First, due to the support substrate being porous, the air in the external space enters the inside of the gas discharge side end of the support substrate, and the excess gas described above and the air inside It reacts and burns. As a result, excessive thermal stress due to heat generation due to combustion is locally generated in the inside, and cracks are generated. Secondly, when the air in the external space enters the inside of the gas discharge side end of the support substrate, the inside which is a reductant is reoxidized. As a result, an excessive stress accompanying a dimensional change (oxidation expansion or contraction) due to re-oxidation is locally generated in the inside, and a crack is generated.

このようなクラックの発生を抑制するため、支持基板のガス排出側端部、具体的には、各ガス流路の内壁面におけるガス排出側の端部、並びに、支持基板の長手方向におけるガス排出側の端面に、支持基板より気孔率が小さいコーティング膜が形成される構成が知られている(例えば、特許文献1を参照)。このコーティング膜の形成によって、外部空間内にある空気が支持基板のガス排出側端部の内部へ進入し難くなり、この結果、上記のクラックの発生が抑制され得る。   In order to suppress the occurrence of such cracks, the gas discharge side end of the support substrate, specifically, the gas discharge side end of the inner wall surface of each gas flow path, and the gas discharge in the longitudinal direction of the support substrate There is known a configuration in which a coating film having a porosity smaller than that of a support substrate is formed on the side end face (see, for example, Patent Document 1). Formation of this coating film makes it difficult for air in the external space to enter the inside of the gas discharge side end portion of the support substrate, and as a result, generation of the cracks can be suppressed.

特開2012−9226号公報JP 2012-9226 A

ところで、上記のようにコーティング膜が形成される構成において、燃料電池の稼働環境によってはコーティング膜にクラックが発生する場合があった。本発明者は、係る問題に対処するために種々の実験等を重ねた。その結果、本発明者は、係るクラックの発生は、「コーティング膜の表面粗さ」と強い相関があることを見出した。   By the way, in the configuration in which the coating film is formed as described above, a crack may occur in the coating film depending on the operating environment of the fuel cell. The present inventor has conducted various experiments in order to deal with such problems. As a result, the present inventors have found that the occurrence of such cracks has a strong correlation with the “surface roughness of the coating film”.

本発明の目的は、ガス流路が内部に形成された多孔質の支持基板のガス排出側端部にコーティング膜が形成された燃料電池であって、コーティング膜にクラックが発生する事態を抑制し得るものを提供することにある。   An object of the present invention is a fuel cell in which a coating film is formed at a gas discharge side end of a porous support substrate in which a gas flow path is formed, and a situation in which a crack occurs in the coating film is suppressed. It is to provide what you get.

本発明に係る燃料電池は、上記と同様の支持基板と発電素子部とを備える。各ガス流路の前記長手方向における一端側及び他端側がそれぞれ、ガス流入側及びガス排出側に対応する。この燃料電池では、少なくとも、前記各ガス流路の内壁面における前記ガス排出側の端部、及び、前記支持基板の前記長手方向における前記ガス排出側の端面に、前記支持基板より気孔率が小さいコーティング膜が形成されている。   The fuel cell according to the present invention includes the same support substrate and power generation element unit as described above. One end side and the other end side in the longitudinal direction of each gas flow path correspond to a gas inflow side and a gas discharge side, respectively. In this fuel cell, at least the gas discharge side end portion of the inner wall surface of each gas flow path and the gas discharge side end surface of the support substrate in the longitudinal direction have a lower porosity than the support substrate. A coating film is formed.

この燃料電池の特徴は、前記コーティング膜における前記支持基板の前記ガス排出側の端面に形成された部分の表面粗さが、算術平均粗さRaで0.13〜5.2μmであることにある。ここにおいて、前記支持基板の気孔率は、20〜60%であり、前記コーティング膜の気孔率は、0〜10%であることが好適である。   This fuel cell is characterized in that the surface roughness of the portion of the coating film formed on the end surface on the gas discharge side of the support substrate is 0.13 to 5.2 μm in terms of arithmetic average roughness Ra. . Here, it is preferable that the support substrate has a porosity of 20 to 60%, and the coating film has a porosity of 0 to 10%.

本発明者は、前記コーティング膜における前記支持基板の前記ガス排出側の端面に形成された部分の表面粗さが、算術平均粗さRaで0.13〜5.2μmである場合に、そうでない場合と比べて、同部分においてクラックが発生し難くなることを見出した。更には、前記コーティング膜における前記支持基板の前記ガス排出側の端面に形成された部分の厚さが、3〜45μmである場合に、そうでない場合と比べて、同部分においてクラックがより一層発生し難くなることも見出した。これらの点の詳細については後述する。   This inventor is not so when the surface roughness of the part formed in the end surface of the said support substrate in the said gas exhaust side in the said coating film is 0.13-5.2 micrometers by arithmetic mean roughness Ra. It has been found that cracks are less likely to occur in the same part than in the case. Furthermore, when the thickness of the portion of the coating film formed on the end surface on the gas discharge side of the support substrate is 3 to 45 μm, more cracks are generated in the same portion than in the case where the thickness is not so. I also found it difficult. Details of these points will be described later.

本発明の第1実施形態に係る燃料電池セルを示す斜視図である。1 is a perspective view showing a fuel battery cell according to a first embodiment of the present invention. 図1に示す複数の燃料電池セルを含むスタック構造体の全体の斜視図である。FIG. 2 is an overall perspective view of a stack structure including a plurality of fuel cells shown in FIG. 1. 図2に示した燃料ガスマニホールドの全体の斜視図である。FIG. 3 is a perspective view of the entire fuel gas manifold shown in FIG. 2. 図2に示したスタック構造体の内部におけるガスの流れを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the flow of the gas in the inside of the stack structure shown in FIG. 図2に示したスタック構造体に対して燃料ガス及び空気が供給・排出される様子を示した斜視図である。FIG. 3 is a perspective view showing how fuel gas and air are supplied to and discharged from the stack structure shown in FIG. 2. 本発明の第2実施形態に係る燃料電池セルを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the fuel battery cell which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 図6に示す燃料電池セルの7−7線に対応する断面図である。It is sectional drawing corresponding to the 7-7 line | wire of the fuel battery cell shown in FIG. 図6に示す支持基板の凹部に埋設された燃料極及びインターコネクタの状態を示した平面図である。It is the top view which showed the state of the fuel electrode and interconnector which were embed | buried under the recessed part of the support substrate shown in FIG. 図6に示す燃料電池セルの作動状態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the operation state of the fuel battery cell shown in FIG. 図6に示す燃料電池セルの作動状態における電流の流れを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the flow of the electric current in the operating state of the fuel battery cell shown in FIG. 図6に示す支持基板を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the support substrate shown in FIG. 図6に示す燃料電池の製造過程における第1段階における図7に対応する断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 7 in a first stage in the manufacturing process of the fuel cell shown in FIG. 6. 図6に示す燃料電池の製造過程における第2段階における図7に対応する断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 7 in a second stage in the manufacturing process of the fuel cell shown in FIG. 6. 図6に示す燃料電池の製造過程における第3段階における図7に対応する断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 7 in a third stage in the manufacturing process of the fuel cell shown in FIG. 6. 図6に示す燃料電池の製造過程における第4段階における図7に対応する断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 7 in a fourth stage in the manufacturing process of the fuel cell shown in FIG. 6. 図6に示す燃料電池の製造過程における第5段階における図7に対応する断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 7 in a fifth stage in the manufacturing process of the fuel cell shown in FIG. 6. 図6に示す燃料電池の製造過程における第6段階における図7に対応する断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 7 in a sixth stage in the manufacturing process of the fuel cell shown in FIG. 6. 図6に示す燃料電池の製造過程における第7段階における図7に対応する断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 7 in a seventh stage in the manufacturing process of the fuel cell shown in FIG. 6. 図6に示す燃料電池の製造過程における第8段階における図7に対応する断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 7 in an eighth stage in the manufacturing process of the fuel cell shown in FIG. 6. 図6に示す燃料電池セルの第1変形例の図7に対応する断面図である。It is sectional drawing corresponding to FIG. 7 of the 1st modification of the fuel cell shown in FIG. 図6に示す燃料電池セルの第2変形例の図7に対応する断面図である。It is sectional drawing corresponding to FIG. 7 of the 2nd modification of the fuel battery cell shown in FIG. 図6に示す燃料電池セルの第3変形例の図7に対応する断面図である。It is sectional drawing corresponding to FIG. 7 of the 3rd modification of the fuel battery cell shown in FIG. 図6に示す燃料電池セルの第4変形例の図8に対応する断面図である。It is sectional drawing corresponding to FIG. 8 of the 4th modification of the fuel battery cell shown in FIG. 図6に示す複数の燃料電池セルを含むスタック構造体の全体の斜視図である。FIG. 7 is an overall perspective view of a stack structure including a plurality of fuel cells shown in FIG. 6. 図24に示した燃料ガスマニホールドの全体の斜視図である。It is a perspective view of the whole fuel gas manifold shown in FIG. 図24に示したスタック構造体の内部におけるガスの流れを示す断面図である。FIG. 25 is a cross-sectional view showing a gas flow inside the stack structure shown in FIG. 24. 図24に示したスタック構造体に対して燃料ガス及び空気が供給・排出される様子を示した斜視図である。It is the perspective view which showed a mode that fuel gas and air were supplied / discharged with respect to the stack | stuck structure shown in FIG.

(第1実施形態)
図1に示すように、本発明の第1実施形態に係る固体酸化物形燃料電池(SOFC)のセル100では、平板状の多孔質の導電性支持体11の一方の主面に、多孔質の燃料極12、緻密な固体電解質13、多孔質の導電性セラミックスからなる空気極14が順次積層されている。また、空気極14と反対側の導電性支持体11の主面には、中間膜15、ランタン−クロム系酸化物材料からなるインターコネクタ16、P型半導体材料からなる集電膜17が順次形成されている。
(First embodiment)
As shown in FIG. 1, in the solid oxide fuel cell (SOFC) cell 100 according to the first embodiment of the present invention, a porous surface on one main surface of a flat porous conductive support 11 is porous. The fuel electrode 12, the dense solid electrolyte 13, and the air electrode 14 made of porous conductive ceramics are sequentially laminated. Further, an intermediate film 15, an interconnector 16 made of a lanthanum-chromium oxide material, and a current collecting film 17 made of a P-type semiconductor material are sequentially formed on the main surface of the conductive support 11 opposite to the air electrode 14. Has been.

セル100は、第1長手方向(x軸方向)を有する平板状を呈し、セル100の長さL1(第1長手方向の長さ)は50〜500mmであり、幅L2は10〜100mmであり、厚さL3は1〜5mmである(L1>L2)。セル100の第1長手方向(x軸方向)の一端部の側面の形状(長さL2、幅L3の長円形状、L2>L3)は、第2長手方向(y軸方向)を有する。   The cell 100 has a flat plate shape having a first longitudinal direction (x-axis direction), the length L1 (length in the first longitudinal direction) of the cell 100 is 50 to 500 mm, and the width L2 is 10 to 100 mm. The thickness L3 is 1 to 5 mm (L1> L2). The shape of the side surface (length L2, oval shape of width L3, L2> L3) of one end portion of the cell 100 in the first longitudinal direction (x-axis direction) has the second longitudinal direction (y-axis direction).

また、導電性支持体11の内部には、互いに平行な複数のガス流路18が長手方向(x軸方向)に沿って幅方向(y方向)に間隔をおいて形成されている。各ガス流路18の断面形状は直径Dが0.5〜3mmの円形である。隣り合うガス流路18、18の幅方向における間隔(ピッチ)Pは1〜5mmである。なお、各ガス流路18の断面形状は、楕円形、長穴、四隅に円弧を有する四角形等であってもよい。   A plurality of gas flow paths 18 parallel to each other are formed in the conductive support 11 at intervals in the width direction (y direction) along the longitudinal direction (x axis direction). The cross-sectional shape of each gas flow path 18 is a circle having a diameter D of 0.5 to 3 mm. The space | interval (pitch) P in the width direction of the adjacent gas flow paths 18 and 18 is 1-5 mm. In addition, the cross-sectional shape of each gas flow path 18 may be an ellipse, a long hole, a quadrangle having arcs at four corners, or the like.

セル100は、幅方向(長手方向と直角の方向)の両側にそれぞれ設けられた側端部B,Bと、側端部B,Bを連結する一対の平坦部A,Aと、から構成されている。一対の平坦部A,Aは平坦であり、ほぼ平行である。平坦部A,Aのうちの一方では、導電性支持体11の一方の主面上に燃料極12、固体電解質13、空気極14が順に形成され、平坦部A,Aのうちの他方では、導電性支持体11の他方の主面上に中間膜15、インターコネクタ16、集電膜17が順に形成されている。   The cell 100 includes side end portions B and B provided on both sides in the width direction (direction perpendicular to the longitudinal direction) and a pair of flat portions A and A connecting the side end portions B and B, respectively. ing. The pair of flat portions A and A are flat and substantially parallel. On one of the flat portions A and A, the fuel electrode 12, the solid electrolyte 13, and the air electrode 14 are formed in this order on one main surface of the conductive support 11, and on the other of the flat portions A and A, On the other main surface of the conductive support 11, an intermediate film 15, an interconnector 16, and a current collecting film 17 are formed in this order.

導電性支持体11の幅は、10〜100mmであり、厚さは、1〜5mmであることが望ましい。導電性支持体11のアスペクト比(幅/厚さ)は、5〜100である。なお、導電性支持体11の形状は、「薄板状」と表現されているが、幅方向の寸法及び厚さ方向の寸法の組み合わせに応じて、「楕円柱状」、或いは、「扁平状」とも表現され得る。また、導電性支持体11の形状は、円筒状であってもよい。   The width of the conductive support 11 is preferably 10 to 100 mm, and the thickness is preferably 1 to 5 mm. The aspect ratio (width / thickness) of the conductive support 11 is 5 to 100. The shape of the conductive support 11 is expressed as “thin plate shape”, but depending on the combination of the dimension in the width direction and the dimension in the thickness direction, it may be referred to as “ellipsoidal column shape” or “flat shape”. Can be expressed. The shape of the conductive support 11 may be cylindrical.

この導電性支持体11は、Y、Lu、Yb、Tm、Er、Ho、Dy、Gd、Sm及びPrから選ばれた1種以上からなる希土類元素酸化物とNi及び/又はNiOとを主成分とする材質から構成されることが望ましい。なお、Niに加えて、FeやCu等が含まれていてもよい。   The conductive support 11 is composed mainly of a rare earth element oxide composed of one or more selected from Y, Lu, Yb, Tm, Er, Ho, Dy, Gd, Sm and Pr and Ni and / or NiO. It is desirable to be composed of the material In addition to Ni, Fe, Cu, or the like may be included.

また、導電性支持体11は、「NiO(酸化ニッケル)又はNi(ニッケル)」と、「絶縁性セラミックス」とを含んで構成される、と記載することもできる。絶縁性セラミックスとしては、CSZ(カルシア安定化ジルコニア)、YSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)、Y(イットリア)、MgO(酸化マグネシウム)、又は、「MgAl(マグネシアアルミナスピネル)とMgO(酸化マグネシウム)の混合物」等が使用され得る。導電性支持体11の導電率は、800℃にて、10〜2000S/cmである。導電性支持体11の気孔率は、20〜60%である。 The conductive support 11 can also be described as including “NiO (nickel oxide) or Ni (nickel)” and “insulating ceramics”. Insulating ceramics include CSZ (calcia stabilized zirconia), YSZ (8YSZ) (yttria stabilized zirconia), Y 2 O 3 (yttria), MgO (magnesium oxide), or “MgAl 2 O 4 (magnesia alumina spinel). ) And MgO (magnesium oxide) "or the like. The conductivity of the conductive support 11 is 10 to 2000 S / cm at 800 ° C. The porosity of the conductive support 11 is 20 to 60%.

導電性支持体11とインターコネクタ16の間に形成される中間膜15は、Ni及び/又はNiOと希土類元素を含有するZrOを主成分とする材質、または希土類酸化物(例えばY)から構成され得る。中間膜15中のNi化合物のNi換算量は、全量中35〜80体積%であることが望ましく、更には、50〜70体積%であることがより望ましい。Ni換算量が35体積%以上であることで、Niによる導電パスが増加して、中間膜15の伝導度が向上する。この結果、中間膜15に起因する電圧降下が小さくなる。また、Ni換算量が80体積%以下であることで、導電性支持体11とインターコネクタ16の間の熱膨張係数差を小さくすることができ、両者の界面における亀裂の発生が抑制され得る。 The intermediate film 15 formed between the conductive support 11 and the interconnector 16 is made of a material mainly containing ZrO 2 containing Ni and / or NiO and a rare earth element, or a rare earth oxide (for example, Y 2 O 3 ). The Ni conversion amount of the Ni compound in the intermediate film 15 is preferably 35 to 80% by volume, and more preferably 50 to 70% by volume in the total amount. When the Ni conversion amount is 35% by volume or more, the conductive path by Ni is increased, and the conductivity of the intermediate film 15 is improved. As a result, the voltage drop caused by the intermediate film 15 is reduced. Moreover, when the Ni conversion amount is 80% by volume or less, the difference in thermal expansion coefficient between the conductive support 11 and the interconnector 16 can be reduced, and the occurrence of cracks at the interface between the two can be suppressed.

また、電圧降下の減少という観点から、中間膜15の厚さは20μm以下であることが望ましく、更には、10μm以下であることが望ましい。   Further, from the viewpoint of reducing the voltage drop, the thickness of the intermediate film 15 is preferably 20 μm or less, and more preferably 10 μm or less.

中希土類元素や重希土類元素の酸化物の熱膨張係数は、固体電解質13における「Yを含有するZrO」の熱膨張係数より小さい。従って、Niとのサーメット材としての導電性支持体11の熱膨張係数を固体電解質13の熱膨張係数に近づけることができる。この結果、固体電解質13のクラックや、固体電解質13の燃料極12からの剥離が抑制され得る。更には、熱膨張係数が小さい重希土類元素酸化物を用いることで、導電性支持体11中のNiを多くでき、導電性支持体11の電気伝導度を上げることができる。この観点からも、重希土類元素酸化物を用いることが望ましい。 The thermal expansion coefficient of the middle rare earth element or heavy rare earth element oxide is smaller than that of “ZrO 2 containing Y 2 O 3 ” in the solid electrolyte 13. Therefore, the thermal expansion coefficient of the conductive support 11 as a cermet material with Ni can be made closer to the thermal expansion coefficient of the solid electrolyte 13. As a result, cracks in the solid electrolyte 13 and separation of the solid electrolyte 13 from the fuel electrode 12 can be suppressed. Furthermore, by using a heavy rare earth element oxide having a small thermal expansion coefficient, Ni in the conductive support 11 can be increased, and the electrical conductivity of the conductive support 11 can be increased. From this viewpoint, it is desirable to use heavy rare earth element oxides.

なお、希土類元素酸化物の熱膨張係数の総和が固体電解質13の熱膨張係数未満であれば、軽希土類元素のLa、Ce、Pr、Ndの酸化物は、中希土類元素、重希土類元素に加えて含有されていても問題はない。   If the sum of the thermal expansion coefficients of the rare earth element oxide is less than the thermal expansion coefficient of the solid electrolyte 13, the light rare earth elements La, Ce, Pr, and Nd oxides are added to the medium rare earth element and heavy rare earth element. There is no problem even if it is contained.

また、精製途中の安価な複数の希土類元素を含む複合希土類元素酸化物を用いることにより、原料コストを大幅に下げることができる。この場合も、複合希土類元素酸化物の熱膨張係数が固体電解質13の熱膨張係数未満であることが望ましい。   Moreover, the raw material cost can be significantly reduced by using a complex rare earth element oxide containing a plurality of inexpensive rare earth elements in the course of purification. Also in this case, it is desirable that the thermal expansion coefficient of the complex rare earth element oxide is less than the thermal expansion coefficient of the solid electrolyte 13.

また、インターコネクタ16表面にP型半導体、例えば、遷移金属ペロブスカイト型酸化物からなる集電膜17を設けることが望ましい。インターコネクタ16表面に直接金属の集電部材を配して集電すると、非オーム接触に起因して、電位降下が大きくなる。オーム接触を確保して電位降下を少なくするためには、インターコネクタ16にP型半導体からなる集電膜17を接続する必要がある。P型半導体としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物を用いることが望ましい。遷移金属ペロブスカイト型酸化物としては、ランタン−マンガン系酸化物、ランタン−鉄系酸化物、ランタン−コバルト系酸化物、又は、それらの複合酸化物の少なくとも一種を用いることが望ましい。   Further, it is desirable to provide a current collector film 17 made of a P-type semiconductor, for example, a transition metal perovskite oxide, on the surface of the interconnector 16. When a current collecting member made of metal is disposed directly on the surface of the interconnector 16, the potential drop increases due to non-ohmic contact. In order to secure ohmic contact and reduce the potential drop, it is necessary to connect the current collector film 17 made of a P-type semiconductor to the interconnector 16. As the P-type semiconductor, it is desirable to use a transition metal perovskite oxide. As the transition metal perovskite oxide, it is desirable to use at least one of a lanthanum-manganese oxide, a lanthanum-iron oxide, a lanthanum-cobalt oxide, or a composite oxide thereof.

導電性支持体11の主面に設けられた燃料極12は、Niと希土類元素が固溶したZrOとから構成される。この燃料極12の厚さは1〜30μmであることが望ましい。燃料極12の厚さが1μm以上であることで、燃料極12としての3層界面が十分に形成される。また、燃料極12の厚さが30μm以下であることで、固体電解質13との熱膨張差による界面剥離が防止され得る。 The fuel electrode 12 provided on the main surface of the conductive support 11 is composed of Ni and ZrO 2 in which a rare earth element is dissolved. The thickness of the fuel electrode 12 is desirably 1 to 30 μm. When the thickness of the fuel electrode 12 is 1 μm or more, a three-layer interface as the fuel electrode 12 is sufficiently formed. Further, when the thickness of the fuel electrode 12 is 30 μm or less, interfacial peeling due to a difference in thermal expansion from the solid electrolyte 13 can be prevented.

この燃料極12の主面に設けられた固体電解質13は、イットリア(Y)を含有したイットリア安定化ジルコニアYSZ(緻密体なセラミックス)から構成される。固体電解質13の厚さは、0.5〜100μmであることが望ましい。固体電解質13の厚さが0.5μm以上であることで、ガス透過が防止され得る。また、固体電解質13の厚さが100μm以下であることで、抵抗成分の増加が抑制され得る。 The solid electrolyte 13 provided on the main surface of the fuel electrode 12 is made of yttria-stabilized zirconia YSZ (dense ceramic) containing yttria (Y 2 O 3 ). The thickness of the solid electrolyte 13 is desirably 0.5 to 100 μm. Gas permeation can be prevented when the thickness of the solid electrolyte 13 is 0.5 μm or more. Moreover, the increase in a resistance component can be suppressed because the thickness of the solid electrolyte 13 is 100 micrometers or less.

また、空気極14は、遷移金属ペロブスカイト型酸化物のランタン−マンガン系酸化物、ランタン−鉄系酸化物、ランタン−コバルト系酸化物、又は、それらの複合酸化物の少なくとも一種の多孔質の導電性セラミックスから構成されている。空気極14は、800℃程度の中温域での電気伝導性が高いという観点から、(La,Sr)(Fe,Co)O系が望ましい。空気極14の厚さは、集電性という観点から、10〜100μmであることが望ましい。 The air electrode 14 is a lanthanum-manganese oxide, lanthanum-iron oxide, lanthanum-cobalt oxide of a transition metal perovskite oxide, or at least one porous conductive material of a composite oxide thereof. Made of ceramics. The air electrode 14 is preferably a (La, Sr) (Fe, Co) O 3 system from the viewpoint of high electrical conductivity in the middle temperature range of about 800 ° C. The thickness of the air electrode 14 is preferably 10 to 100 μm from the viewpoint of current collection.

インターコネクタ16は、導電性支持体11の内外間の燃料ガス、酸素含有ガスの漏出を防止するため緻密体とされている。また、インターコネクタ16の内外面は、燃料ガス、酸素含有ガスとそれぞれ接触するため、耐還元性、耐酸化性を有している。   The interconnector 16 is a dense body in order to prevent leakage of fuel gas and oxygen-containing gas between the inside and outside of the conductive support 11. Moreover, since the inner and outer surfaces of the interconnector 16 are in contact with the fuel gas and the oxygen-containing gas, respectively, they have reduction resistance and oxidation resistance.

このインターコネクタ16の厚さは、30〜200μmであることが望ましい。インターコネクタ16の厚さが30μm以上であることで、ガス透過が完全に防止され得、200μm以下であることで、抵抗成分の増加が抑制され得る。   The thickness of the interconnector 16 is desirably 30 to 200 μm. When the thickness of the interconnector 16 is 30 μm or more, gas permeation can be completely prevented, and when it is 200 μm or less, an increase in resistance component can be suppressed.

このインターコネクタ16の端部と固体電解質13の端部との間には、シール性を向上すべく、例えば、NiとZrO、或いはYからなる接合層を介在させても良い。 For example, a bonding layer made of Ni and ZrO 2 or Y 2 O 3 may be interposed between the end portion of the interconnector 16 and the end portion of the solid electrolyte 13 in order to improve the sealing performance.

このセル100では、緻密な固体電解質13は、導電性支持体11の一方の主面上のみならず、導電性支持体11の側端部を介して他方の主面上のインターコネクタ16の側端面まで形成されている。即ち、固体電解質13は、両側の側端部B,Bを形成するように、導電性支持体11の他方の主面まで延設され、インターコネクタ16と接合している。なお、側端部B,B(導電性支持体11の側端部)は、発電に伴う加熱や冷却に伴い発生する熱応力を緩和するため、幅方向において外側に突出する曲面形状となっていることが望ましい。   In this cell 100, the dense solid electrolyte 13 is not only on one main surface of the conductive support 11 but also on the side of the interconnector 16 on the other main surface via the side end of the conductive support 11. It is formed to the end face. That is, the solid electrolyte 13 is extended to the other main surface of the conductive support 11 so as to form the side ends B, B on both sides, and is joined to the interconnector 16. Note that the side ends B and B (side ends of the conductive support 11) have curved shapes that protrude outward in the width direction in order to relieve the thermal stress that occurs due to heating and cooling associated with power generation. It is desirable.

次に、以上説明したようなセル100の製法について説明する。先ず、La、Ce、Pr、Ndの元素を除く希土類元素酸化物粉末とNi及び/又はNiO粉末が混合される。この混合粉末に、有機バインダーと、溶媒とを混合した導電性支持体材料が押し出し成形されて、板状の導電性支持体成形体が作製される。この成形体が乾燥、脱脂される。   Next, a method for manufacturing the cell 100 as described above will be described. First, rare earth element oxide powder excluding La, Ce, Pr, and Nd elements and Ni and / or NiO powder are mixed. A conductive support material in which an organic binder and a solvent are mixed is extruded into this mixed powder to produce a plate-shaped conductive support molded body. This molded body is dried and degreased.

また、希土類元素(Y)が固溶したZrO粉末と有機バインダーと溶媒を混合した固体電解質材料を用いてシート状の固体電解質成形体が作製される。 In addition, a sheet-like solid electrolyte molded body is produced using a solid electrolyte material in which a ZrO 2 powder in which a rare earth element (Y) is dissolved, an organic binder, and a solvent are mixed.

次に、Ni及び/又はNiO粉末と、希土類元素が固溶したZrO粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合して作製された、燃料極12となるスラリーが、前記固体電解質成形体の一方側に塗布される。これにより、固体電解質成形体の一方側の面に燃料極成形体が形成される。 Next, a slurry to be the fuel electrode 12 prepared by mixing Ni and / or NiO powder, ZrO 2 powder in which a rare earth element is solid-solved, an organic binder, and a solvent is formed into the solid electrolyte molded body. Applied to one side. Thereby, a fuel electrode molded body is formed on one surface of the solid electrolyte molded body.

次に、導電性支持体成形体に、前記シート状の固体電解質成形体と燃料極成形体の積層体が、燃料極成形体が導電性支持体成形体に当接するように、導電性支持体成形体に巻き付けられる。   Next, the conductive support body is formed such that a laminate of the sheet-like solid electrolyte formed body and the fuel electrode body is in contact with the conductive electrode body. It is wound around the compact.

次に、この積層成形体の側端部B,Bを形成する位置の固体電解質成形体上に、上記のシート状の固体電解質成形体が更に数層積層され、乾燥される。また、固体電解質13となるスラリーが固体電解質成形体上にスクリーン印刷されてもよい。なお、このとき脱脂が行われてもよい。   Next, several layers of the sheet-like solid electrolyte molded body are laminated on the solid electrolyte molded body at the position where the side end portions B and B of the laminated molded body are formed, and dried. Moreover, the slurry used as the solid electrolyte 13 may be screen-printed on the solid electrolyte molded body. In addition, degreasing may be performed at this time.

次に、ランタン−クロム系酸化物粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合したインターコネクタ材料を用いて、シート状のインターコネクタ成形体が作製される。   Next, a sheet-like interconnector molded body is produced using an interconnector material in which a lanthanum-chromium oxide powder, an organic binder, and a solvent are mixed.

また、Ni及び/又はNiO粉末と、希土類元素が固溶したZrO粉と、有機バインダーと、溶媒を混合したスラリーを用いて、シート状の中間膜成形体が作製される。 Moreover, a sheet-like intermediate film molded body is produced using a slurry in which Ni and / or NiO powder, a ZrO 2 powder in which a rare earth element is dissolved, an organic binder, and a solvent are mixed.

次に、インターコネクタ成形体と中間膜成形体とが積層される。この積層体の中間膜成形体側が、露出した導電性支持体成形体側に当接するように、この積層体が導電性支持体成形体に積層される。   Next, the interconnector molded body and the intermediate film molded body are laminated. The laminate is laminated on the conductive support molded body so that the intermediate film molded body side of the laminate is in contact with the exposed conductive support molded body side.

これにより、導電性支持体成形体の一方主面に、燃料極成形体、固体電解質成形体が順次積層されるとともに、他方主面に中間膜成形体、インターコネクタ成形体が積層された積層成形体が作製される。なお、各成形体は、ドクターブレードによるシート成形、印刷、スラリーディップ、並びにスプレーによる吹き付けなどにより作製され得る。また、各成形体は、これらの組み合わせにより作製され得る。なお、この状態の支持体成形体のガス排出側端部には、後述するコーティング膜500(図4を参照)の成形膜も、ディッピング法等を利用して形成される。   Thereby, the fuel electrode molded body and the solid electrolyte molded body are sequentially laminated on one main surface of the conductive support molded body, and the intermediate film molded body and the interconnector molded body are laminated on the other main surface. A body is made. Each molded body can be produced by sheet molding by a doctor blade, printing, slurry dip, spraying by spraying, and the like. Moreover, each molded object can be produced by these combinations. Note that a molded film of a coating film 500 (see FIG. 4), which will be described later, is also formed on the gas discharge side end of the support molded body in this state using a dipping method or the like.

次に、積層成形体が脱脂処理され、酸素含有雰囲気中で1300〜1600℃で同時焼成される。   Next, the laminated molded body is degreased and cofired at 1300 to 1600 ° C. in an oxygen-containing atmosphere.

次に、P型半導体である遷移金属ペロブスカイト型酸化物粉末と、溶媒を混合して、ペーストが作製される。前記積層体がこのペースト中に浸漬される。そして、固体電解質13、インターコネクタ16の表面に、空気極成形体、集電膜成形体が、それぞれディッピング、或いは直接のスプレー塗布により形成される。これらの成形体が1000〜1300℃で焼き付けられることにより、本発明に係る燃料電池が作製される。   Next, a transition metal perovskite oxide powder, which is a P-type semiconductor, and a solvent are mixed to produce a paste. The laminate is immersed in this paste. An air electrode molded body and a current collector film molded body are formed on the surfaces of the solid electrolyte 13 and the interconnector 16 by dipping or direct spray application, respectively. These molded bodies are baked at 1000 to 1300 ° C., whereby the fuel cell according to the present invention is manufactured.

なお、この時点では、酸素含有雰囲気での焼成により、導電性支持体11、燃料極12、中間膜15中のNi成分が、NiOとなっている。従って、これらの導電性を獲得するため、その後、導電性支持体11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。   At this time, the Ni component in the conductive support 11, the fuel electrode 12, and the intermediate film 15 is NiO by firing in an oxygen-containing atmosphere. Therefore, in order to acquire these electroconductivity, after that, reducing fuel gas is flowed from the electroconductive support body 11 side, and NiO is reduced at 800-1000 degreeC over 1 to 10 hours. This reduction process may be performed during power generation.

(スタック構造体の一例)
次に、上述した複数のセル100を用いたスタック構造体の一例について図2〜図5を参照しながら説明する。図2に示すように、このスタック構造体は、多数のセル100と、多数のセル100のそれぞれに燃料ガスを供給するための燃料ガスのマニホールド200と、を備えている。マニホールド200の全体は、ステンレス鋼等の材料で構成されている。
(Example of stack structure)
Next, an example of a stack structure using the above-described plurality of cells 100 will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 2, the stack structure includes a large number of cells 100 and a fuel gas manifold 200 for supplying a fuel gas to each of the large number of cells 100. The entire manifold 200 is made of a material such as stainless steel.

マニホールド200の天板(換言すれば、ガスタンクの天板(平板))は、多数のセル100を支持するための支持板210を兼ねている。また、マニホールド200には、外部からマニホールド200の内部空間に燃料ガスを導入するための導入通路220が設けられている。各セル100が支持板210の表面から第1長手方向(x軸方向)に沿ってそれぞれ突出し且つ複数のセル100がスタック状に整列するように、各セル100の第1長手方向のガス流入側端部が支持板210に接合・支持されている。各セル100の第1長手方向のガス排出側端部は、自由端となっている。従って、このスタック構造は、「片持ちスタック構造」と表現することができる。   The top plate of the manifold 200 (in other words, the top plate (flat plate) of the gas tank) also serves as a support plate 210 for supporting a large number of cells 100. The manifold 200 is provided with an introduction passage 220 for introducing fuel gas from the outside into the internal space of the manifold 200. The gas inflow side of each cell 100 in the first longitudinal direction so that each cell 100 protrudes from the surface of the support plate 210 along the first longitudinal direction (x-axis direction) and the plurality of cells 100 are arranged in a stack. The end is joined and supported by the support plate 210. The gas discharge side end in the first longitudinal direction of each cell 100 is a free end. Therefore, this stack structure can be expressed as a “cantilever stack structure”.

図3に示すように、支持板210(マニホールド200の天板)の表面には、マニホールド200の内部空間と連通する多数の挿入孔211が形成されている。各挿入孔211には、対応するセル100のガス流入側端部がそれぞれ挿入(遊嵌)される。   As shown in FIG. 3, a large number of insertion holes 211 communicating with the internal space of the manifold 200 are formed on the surface of the support plate 210 (the top plate of the manifold 200). Into each insertion hole 211, the gas inflow side end of the corresponding cell 100 is inserted (freely fitted).

図4に示すように、挿入孔211とセル100のガス流入側端部との接合部のそれぞれにおいて、接合材300が、挿入孔211の内壁とセル100のガス流入側端部の外壁との間の隙間に充填される。これにより、各挿入孔211と対応するセル100のガス流入側端部とがそれぞれ接合・固定されている。接合材300としては、非晶質ガラス、結晶化ガラス等が使用され得る。各セル100のガス流路18のガス流入側端部は、マニホールド200の内部空間と連通している。   As shown in FIG. 4, the bonding material 300 is formed between the inner wall of the insertion hole 211 and the outer wall of the gas inflow side end of the cell 100 at each of the joints between the insertion hole 211 and the gas inflow side end of the cell 100. The gaps between them are filled. Thereby, each insertion hole 211 and the gas inflow side edge part of the corresponding cell 100 are joined and fixed, respectively. As the bonding material 300, amorphous glass, crystallized glass, or the like can be used. The gas inflow side end of the gas flow path 18 of each cell 100 communicates with the internal space of the manifold 200.

図4に示すように、隣接するセル100、100の間には、隣接するセル100、100の間(より詳細には、一方のセル100の燃料極12と他方のセル100の空気極14)を電気的に直列に接続するための集電部材400が介在している。集電部材400は、例えば、金属メッシュ等で構成される。   As shown in FIG. 4, between adjacent cells 100, 100, between adjacent cells 100, 100 (more specifically, fuel electrode 12 of one cell 100 and air electrode 14 of the other cell 100). Current collecting member 400 for electrically connecting the two in series. The current collecting member 400 is made of, for example, a metal mesh.

また、図4に示すように、各セル100のガス排出側端部(自由端部)には、導電性支持体11より気孔率が小さいコーティング膜500が形成されている。図4のZ部の拡大図に示すように、具体的には、コーティング膜500は、セル100の長手方向におけるガス排出側の端面の全域に形成された部分(以下、「端面コーティング膜」と呼ぶ)501と、各ガス流路の内壁面におけるガス排出側の端部に形成された部分(以下、「流路内壁面コーティング膜」と呼ぶ)502と、を含んで構成される。換言すれば、コーティング膜500は、少なくとも、導電性支持体11の長手方向におけるガス排出側の端面、並びに、各ガス流路18の内壁面におけるガス排出側の端部に形成されている。端面コーティング膜501は、各流路内壁面コーティング膜502と連続している。なお、図4に示す例では、コーティング膜500は、セル100の側面におけるガス排出側の端部にも形成されている。コーティング膜500のうちこの部分503は、端面コーティング膜501と連続している。   As shown in FIG. 4, a coating film 500 having a porosity smaller than that of the conductive support 11 is formed at the gas discharge side end (free end) of each cell 100. As shown in the enlarged view of the Z portion in FIG. 4, specifically, the coating film 500 is a portion (hereinafter referred to as an “end face coating film”) formed over the entire end face on the gas discharge side in the longitudinal direction of the cell 100. 501 and a portion (hereinafter referred to as “channel inner wall surface coating film”) 502 formed at the end portion on the gas discharge side of the inner wall surface of each gas channel. In other words, the coating film 500 is formed at least on the end surface on the gas discharge side in the longitudinal direction of the conductive support 11 and on the end portion on the gas discharge side in the inner wall surface of each gas flow path 18. The end face coating film 501 is continuous with each flow path inner wall surface coating film 502. In the example shown in FIG. 4, the coating film 500 is also formed on the gas discharge side end of the side surface of the cell 100. This portion 503 of the coating film 500 is continuous with the end face coating film 501.

各流路内壁面コーティング膜502の長手方向の長さH(図4のZ部の拡大図を参照)は、10mm以上であることが好ましい。コーティング膜の部分503の長手方向の端部は、導電性支持体11の外周に形成された固体電解質13の長手方向の端部の外側面を覆うように同端部と連続している。   The length H in the longitudinal direction of each channel inner wall surface coating film 502 (see the enlarged view of the Z portion in FIG. 4) is preferably 10 mm or more. The end portion in the longitudinal direction of the coating film portion 503 is continuous with the end portion so as to cover the outer surface of the end portion in the longitudinal direction of the solid electrolyte 13 formed on the outer periphery of the conductive support 11.

コーティング膜500は、例えば、希土類元素を含むジルコニアから構成される。コーティング膜500は、固体電解質13と同じ材料(例えば、イットリア安定化ジルコニアYSZ)で構成されてもよいし、導電性支持体11と同じ材料で構成されてもよい。コーティング膜500は、外部空間から導電性支持体11への空気の進入を防止できる程度の緻密性を備えており、その気孔率は0〜10%である。コーティング膜500は、上述のように、導電性支持体11、燃料極12及び固体電解質13との共焼成によって形成されてもよいし、導電性支持体11、燃料極12及び固体電解質13の焼成後に、真空成膜プロセス法(蒸着法、CVD法(化学気相成長:Chemical Vapor Deposition)等)によって形成されてもよい。   The coating film 500 is made of, for example, zirconia containing a rare earth element. The coating film 500 may be made of the same material as the solid electrolyte 13 (for example, yttria-stabilized zirconia YSZ), or may be made of the same material as the conductive support 11. The coating film 500 is dense enough to prevent air from entering the conductive support 11 from the external space, and its porosity is 0 to 10%. As described above, the coating film 500 may be formed by co-firing the conductive support 11, the fuel electrode 12, and the solid electrolyte 13, or firing the conductive support 11, the fuel electrode 12, and the solid electrolyte 13. Later, it may be formed by a vacuum film forming process method (evaporation method, CVD method (Chemical Vapor Deposition) or the like).

以上、説明したスタック構造を稼働させる際には、図5に示すように、高温(例えば、600〜800℃)の燃料ガス(水素等)及び「酸素を含むガス(空気等)」を流通させる。導入通路220から導入された燃料ガスは、マニホールド200の内部空間へと移動し、その後、各挿入孔211を介して対応するセル100のガス流路18にそれぞれ導入される。各ガス流路18を通過した燃料ガスは、その後、各ガス流路18のガス排出側端部(自由端部)から外部に排出される。空気は、スタック構造の内部における隣接するセル100間の隙間に沿って、セル100の幅方向(y軸方向)に流される。   When operating the stack structure described above, as shown in FIG. 5, a high-temperature (for example, 600 to 800 ° C.) fuel gas (such as hydrogen) and “a gas containing oxygen (such as air)” are circulated. . The fuel gas introduced from the introduction passage 220 moves to the internal space of the manifold 200 and is then introduced into the gas flow path 18 of the corresponding cell 100 via each insertion hole 211. The fuel gas that has passed through each gas flow path 18 is then discharged from the gas discharge side end (free end) of each gas flow path 18. Air flows in the width direction (y-axis direction) of the cells 100 along the gaps between the adjacent cells 100 in the stack structure.

各ガス流路18のガス排出口から外部空間に排出された余剰のガスは、同ガス排出口の近傍にて、同外部空間内にある空気(酸素)と反応して燃焼させられる。ここで、各セル100のガス排出側端部(自由端部)にコーティング膜500が形成されていることによって、多孔質の導電性支持体11のガス排出側端部の内部に外部空間内にある空気が進入することが抑制され得る。この結果、同内部への空気の進入に起因して導電性支持体11のガス排出側端部にクラックが発生する事態の発生が抑制され得る。   Excess gas discharged from the gas discharge port of each gas flow path 18 to the external space reacts with air (oxygen) in the external space near the gas discharge port and is burned. Here, since the coating film 500 is formed on the gas discharge side end (free end) of each cell 100, the inside of the gas discharge side end of the porous conductive support 11 is placed in the external space. The entry of certain air can be suppressed. As a result, it is possible to suppress the occurrence of a situation in which a crack is generated at the gas discharge side end portion of the conductive support 11 due to the entry of air into the inside.

上述した片持ちスタック構造は、例えば、以下の手順で組み立てられる。先ず、必要な枚数の完成したセル100、並びに、完成したマニホールド200が準備される。次いで、所定の治具等を用いて、複数のセル100がスタック状に整列・固定される。次に、複数のセル100がスタック状に整列・固定された状態が維持されながら、複数のセル100のそれぞれの一端部が、支持板210の対応する挿入孔211に一度に挿入される。次いで、接合材300用のペーストが、挿入孔211とセル100の一端部との接合部のそれぞれの隙間に充填される。   The above-mentioned cantilever stack structure is assembled by the following procedure, for example. First, a required number of completed cells 100 and a completed manifold 200 are prepared. Next, the plurality of cells 100 are aligned and fixed in a stack using a predetermined jig or the like. Next, one end of each of the plurality of cells 100 is inserted into the corresponding insertion hole 211 of the support plate 210 at a time while maintaining the state in which the plurality of cells 100 are aligned and fixed in a stack. Next, the paste for the bonding material 300 is filled in each gap of the bonding portion between the insertion hole 211 and one end of the cell 100.

次に、上記のように充填されたペーストに熱処理が加えられる。これにより、ペーストが乾燥・固化されることによって、接合材300としての機能を発揮し、各セルのガス流入側端部が対応する挿入孔211(従って、支持板210)にそれぞれ接合・固定される。その後、前記所定の治具が複数のセル100から取り外されて、上述した片持ちスタック構造体が完成する。   Next, heat treatment is applied to the paste filled as described above. Thereby, when the paste is dried and solidified, the function as the bonding material 300 is exhibited, and the gas inflow end of each cell is bonded and fixed to the corresponding insertion hole 211 (accordingly, the support plate 210). The Thereafter, the predetermined jig is removed from the plurality of cells 100 to complete the above-described cantilever stack structure.

(コーティング膜の表面粗さ)
一般に、固体酸化物形燃料電池(SOFC)では、燃料極の導電性を獲得するため、SOFCを作動させる前に、焼成体であるSOFC(の燃料極)に対して高温下(例えば、800℃程度)にて還元ガスを供給する熱処理(以下、「還元処理」と呼ぶ。)を行って、燃料極を構成するNiOをNiへと還元する必要がある。即ち、SOFC(の燃料極)を非還元体から還元体に移行する必要がある。
(Surface roughness of coating film)
In general, in a solid oxide fuel cell (SOFC), in order to obtain the conductivity of the fuel electrode, before operating the SOFC, the SOFC (fuel electrode) as a fired body is subjected to a high temperature (for example, 800 ° C.). It is necessary to reduce the NiO constituting the fuel electrode to Ni by performing a heat treatment (hereinafter referred to as “reduction treatment”) for supplying a reducing gas at a certain degree. That is, it is necessary to transfer the SOFC (the fuel electrode) from the non-reduced form to the reduced form.

なお、還元処理によって還元体となったSOFCを、その後において800℃程度から常温まで降温する過程において、400℃前後に降温されるまでSOFC(の燃料極)を還元雰囲気に曝し続けた場合、その後の常温下でもSOFC(の燃料極)が還元体に維持される。一方、還元処理によって還元体となったSOFCが400℃前後に降温されるまでにSOFC(の燃料極)が酸化雰囲気に曝された場合、燃料極が再酸化して、その後の常温下にてSOFC(の燃料極)が非還元体に維持され得る。即ち、SOFC(の燃料極)が還元体から非還元体へと戻り得る。更には、係る再酸化によってSOFC(の燃料極)が非還元体となっている状態でSOFCに対して800℃程度で還元処理を再び行うことにより、SOFC(の燃料極)は非還元体から還元体へと再び移行し得る。以上のように、焼成体である(製造後の)SOFCの状態は、その後の使用条件に応じて、還元体及び非還元体の何れの状態にもなり得る。   If the SOFC (reduced electrode) is continuously exposed to the reducing atmosphere until the temperature is lowered to around 400 ° C. in the process of lowering the SOFC that has been reduced by the reduction treatment from about 800 ° C. to room temperature, The SOFC (fuel electrode) is maintained in the reductant even at room temperature. On the other hand, when the SOFC (fuel electrode) is exposed to an oxidizing atmosphere before the SOFC that has been reduced by the reduction treatment is cooled down to around 400 ° C., the fuel electrode is re-oxidized and then at room temperature thereafter. The SOFC can be maintained in a non-reduced form. That is, the SOFC (the fuel electrode) can return from the reductant to the non-reducer. Further, the SOFC (the fuel electrode) is removed from the non-reduced material by performing the reduction treatment again at about 800 ° C. with respect to the SOFC in a state where the SOFC (the fuel electrode) becomes a non-reduced material by the reoxidation. It can move again to the reductant. As described above, the state of the SOFC (after production) that is a fired body can be either a reduced form or a non-reduced form depending on the subsequent use conditions.

上記還元処理によって還元体となった上記第1実施形態に係る燃料電池(スタック構造体)が、通常の環境下で稼働される場合には、コーティング膜500にクラックが発生しない。しかしながら、燃料電池(スタック構造体)が熱応力的に過酷な環境下で稼働されると、コーティング膜500(特に、端面コーティング膜501)にクラックが発生する場合があった。本発明者は、係るクラックの発生が、「コーティング膜500(端面コーティング膜501)の表面粗さ」と強い相関があることを見出した。以下、このことを確認した試験Aについて説明する。   When the fuel cell (stack structure) according to the first embodiment that has been reduced by the reduction treatment is operated in a normal environment, no cracks are generated in the coating film 500. However, when the fuel cell (stack structure) is operated under a severe thermal stress environment, cracks may occur in the coating film 500 (particularly, the end face coating film 501). The present inventor has found that the occurrence of such cracks has a strong correlation with the “surface roughness of the coating film 500 (end surface coating film 501)”. Hereinafter, test A in which this has been confirmed will be described.

(試験A)
試験Aでは、上記第1実施形態に係る燃料電池について、導電性支持体11の材質、端面コーティング膜501の材質、及び、端面コーティング膜501の表面粗さの組み合わせが異なる複数のサンプルが作製された。具体的には、表1に示すように、14種類の水準(組み合わせ)が準備された。各水準に対して10個のサンプル(N=10)が作製された。表面粗さとして、JIS
B 0601:2001で定義される「算術平均粗さRa」が採用された。表1に記載された表面粗さの値は、焼成体である上記第1実施形態の完成後、且つ、上記還元処理後の段階での値(N=10の平均値)である。表面粗さの測定は、y軸方向(図1を参照)に沿って行われた。この測定に使用された表面粗さ計は、TAYLOR
HOBSON社製のForm TalySurf Plusである。触針部の曲率半径は2μmである。
(Test A)
In test A, a plurality of samples having different combinations of the material of the conductive support 11, the material of the end face coating film 501, and the surface roughness of the end face coating film 501 were prepared for the fuel cell according to the first embodiment. It was. Specifically, as shown in Table 1, 14 kinds of levels (combinations) were prepared. Ten samples (N = 10) were made for each level. As surface roughness, JIS
“Arithmetic mean roughness Ra” defined in B 0601: 2001 was adopted. The value of the surface roughness described in Table 1 is a value (average value of N = 10) at the stage after completion of the first embodiment as a fired body and after the reduction treatment. The surface roughness was measured along the y-axis direction (see FIG. 1). The surface roughness meter used for this measurement is TAYLOR
It is Form Tally Surf Plus manufactured by HOBSON. The radius of curvature of the stylus is 2 μm.

各サンプル(図1に示す燃料電池)にて使用された導電性支持体11としては、材料の気孔率が20〜60%であり、厚さ、幅がそれぞれ、2.5mm、50mm(即ち、アスペクト比が20)であり、ガス流路18の断面形状が直径1.5mmの円形であり、隣接するガス流路18、18間のピッチPが5.0mmのものが使用された。各サンプルでは、上述と同様、前記積層成形体(導電性支持体成形体に、少なくとも燃料極成形体と固体電解質成形体とが積層された成形体)と、コーティング膜の成形体とが共焼成された。その後、各サンプルに対して還元処理が行われた。各サンプルにおいて、コーティング膜500(特に、端面コーティング膜501)の厚さは、5〜10μmであった。   As the conductive support 11 used in each sample (the fuel cell shown in FIG. 1), the porosity of the material is 20 to 60%, and the thickness and width are 2.5 mm and 50 mm, respectively (that is, The aspect ratio was 20), the cross-sectional shape of the gas flow path 18 was a circle having a diameter of 1.5 mm, and the pitch P between the adjacent gas flow paths 18 and 18 was 5.0 mm. In each sample, as described above, the laminated molded body (a molded body in which at least a fuel electrode molded body and a solid electrolyte molded body are laminated on a conductive support molded body) and a molded body of a coating film are co-fired. It was done. Thereafter, a reduction process was performed on each sample. In each sample, the thickness of the coating film 500 (in particular, the end face coating film 501) was 5 to 10 μm.

「コーティング膜の表面粗さ」の調整は、導電性支持体11の表面粗さ、コーティング材料の平均粒径、スラリー粘度、ディップコーティング時の引き上げ速度等を調整することにより達成された。具体的には、支持体の表面粗さ(Ra)は0.25〜2.5μm、コーティング材料の平均粒径は0.3〜1.2μm、スラリー粘度は1〜10000mPa・s、引き上げ速度は0.1〜30mm/secの範囲内で調整された。焼成温度は、1300〜1600℃の範囲内で調整された。焼成時間は、1〜20時間の範囲内で調整された。還元処理温度は、800〜1000℃の範囲内で調整された。還元処理時間は、1〜10時間の範囲内で調整された。   Adjustment of the “surface roughness of the coating film” was achieved by adjusting the surface roughness of the conductive support 11, the average particle diameter of the coating material, the slurry viscosity, the pulling speed during dip coating, and the like. Specifically, the surface roughness (Ra) of the support is 0.25 to 2.5 μm, the average particle size of the coating material is 0.3 to 1.2 μm, the slurry viscosity is 1 to 10,000 mPa · s, and the lifting speed is It adjusted within the range of 0.1-30 mm / sec. The firing temperature was adjusted within the range of 1300 to 1600 ° C. The firing time was adjusted within a range of 1 to 20 hours. The reduction treatment temperature was adjusted within the range of 800 to 1000 ° C. The reduction treatment time was adjusted within a range of 1 to 10 hours.

なお、本試験(後述する試験Bでも同様)では、支持体(支持基板)の気孔率は、以下のように測定された。先ず、支持体(支持基板)の気孔内に樹脂が進入するようにその支持体(支持基板)に対して所謂「樹脂埋め」処理がなされた。その「樹脂埋め」処理された支持体(支持基板)の表面に対して機械研磨がなされた。機械研磨された表面の微構造を走査型電子顕微鏡を用いて観察して得られた画像に対して画像処理を行うことによって、気孔の部分(樹脂が進入している部分)と気孔でない部分(樹脂が進入していない部分)の面積がそれぞれ算出された。「全体の面積(気孔の部分の面積と気孔でない部分の面積の和)」に対する「気孔の部分の面積」の割合が支持体(支持基板)の「気孔率」とされた。   In this test (the same applies to test B described later), the porosity of the support (support substrate) was measured as follows. First, a so-called “resin filling” process was performed on the support (support substrate) so that the resin entered the pores of the support (support substrate). The surface of the support (support substrate) treated with “resin filling” was mechanically polished. By performing image processing on the image obtained by observing the microstructure of the mechanically polished surface with a scanning electron microscope, the pore portion (the portion where the resin enters) and the non-pore portion ( The area of the portion where the resin did not enter was calculated. The ratio of the “area of the pore portion” to the “total area (the area of the pore portion and the area of the non-pore portion)” was defined as the “porosity” of the support (support substrate).

そして、上記還元処理後の段階(還元状態)における各サンプルについて、「燃料極12に還元性の燃料ガスを流通させながら、雰囲気温度を常温から750℃まで2時間で上げた後に750℃から常温まで4時間で下げるパターン」を100回繰り返す熱サイクル試験を行った。そして、各サンプルについて、端面コーティング膜501におけるクラックの発生の有無が確認された。この確認は、目視、並びに、顕微鏡を使用した観察によってなされた。この結果は表1に示すとおりである。   For each sample in the stage after the reduction treatment (reduced state), “the ambient temperature was raised from room temperature to 750 ° C. in 2 hours while reducing fuel gas was circulated through the fuel electrode 12 and then from 750 ° C. to room temperature. The thermal cycle test was repeated 100 times. And about each sample, the presence or absence of the generation | occurrence | production of the crack in the end surface coating film 501 was confirmed. This confirmation was made by visual observation as well as observation using a microscope. The results are as shown in Table 1.

表1から理解できるように、熱応力的に過酷な上記熱サイクル試験を行った後では、端面コーティング膜501の表面粗さが算術平均粗さRaで5.2μmを超えると、理由は不明であるが、端面コーティング膜501にクラックが発生し易い。一方、端面コーティング膜501の表面粗さが算術平均粗さRaで5.2μm以下であると、前記クラックが発生し難い、ということができる。   As can be understood from Table 1, after the thermal cycle test, which is severe in terms of thermal stress, if the surface roughness of the end face coating film 501 exceeds 5.2 μm in arithmetic average roughness Ra, the reason is unknown. However, cracks are likely to occur in the end face coating film 501. On the other hand, when the surface roughness of the end face coating film 501 is not more than 5.2 μm in terms of arithmetic average roughness Ra, it can be said that the cracks are hardly generated.

また、上述のように、各サンプルにて形成されたコーティング膜500は、導電性支持体11、燃料極12、及び固体電解質13との共焼成によって形成されている。この場合、端面コーティング膜501の表面粗さを算術平均粗さRaで0.13μm未満とすることはできなかった。以上より、端面コーティング膜501の表面粗さが算術平均粗さRaで0.13〜5.2μmの範囲内であると、そうでない場合と比べて、端面コーティング膜501にクラックが発生し難い、ということができる。
ことが好ましい。
Further, as described above, the coating film 500 formed in each sample is formed by co-firing with the conductive support 11, the fuel electrode 12, and the solid electrolyte 13. In this case, the surface roughness of the end face coating film 501 could not be less than 0.13 μm in terms of arithmetic average roughness Ra. From the above, when the surface roughness of the end surface coating film 501 is within the range of 0.13 to 5.2 μm in terms of arithmetic average roughness Ra, cracks are less likely to occur in the end surface coating film 501 than in the case where it is not. It can be said.
It is preferable.

なお、本発明者は、通常の条件・環境下(例えば、常温から750℃まで4時間で上げた後に750℃から常温まで12時間で下げるパターン)にて上記第1実施形態が使用される場合、端面コーティング膜501の表面粗さが算術平均粗さRaで0.13〜5.2μmの範囲外であっても、コーティング膜500(端面コーティング膜501)にクラックが発生しないことを別途確認している。   The inventor uses the first embodiment under normal conditions and environment (for example, a pattern in which the temperature is raised from room temperature to 750 ° C. in 4 hours and then lowered from 750 ° C. to room temperature in 12 hours). Even if the surface roughness of the end face coating film 501 is outside the range of 0.13 to 5.2 μm in terms of arithmetic average roughness Ra, it is separately confirmed that the coating film 500 (end face coating film 501) does not crack. ing.

以上の結果は、各ガス流路18の断面形状が円形の場合に対応するが、各ガス流路18の断面形状が楕円形、長穴、四隅に円弧を有する四角形等であっても同じ結果が得られることが既に確認されている。また、この結果は、導電性支持体のアスペクト比が20の場合に対応するが、導電性支持体のアスペクト比が5〜100の範囲内であれば、同じ結果が得られることが既に確認されている。また、コーティング膜500の表面粗さは、コーティング膜500の全域に亘って均一であることが望ましく、従って、コーティング膜500における端面コーティング膜501を除いた部分の表面粗さも、端面コーティング膜501と同様、算術平均粗さRaで0.13〜5.2μmの範囲内であることが望ましい。   The above results correspond to the case where the cross-sectional shape of each gas flow path 18 is circular. Has already been confirmed. This result corresponds to the case where the aspect ratio of the conductive support is 20, but it has already been confirmed that the same result can be obtained if the aspect ratio of the conductive support is in the range of 5 to 100. ing. Further, it is desirable that the surface roughness of the coating film 500 is uniform over the entire area of the coating film 500. Therefore, the surface roughness of the coating film 500 excluding the end surface coating film 501 is also the same as that of the end surface coating film 501. Similarly, the arithmetic average roughness Ra is preferably in the range of 0.13 to 5.2 μm.

(コーティング膜の厚さ)
また、本発明者は、端面コーティング膜501の表面粗さが0.13〜5.2μmである場合において、端面コーティング膜501の厚さT1(図4のZ部の拡大図を参照)が3〜45μmであると、端面コーティング膜501においてクラックがより一層発生し難くなることも見出した。以下、このことを確認した試験Bについて説明する。
(Thickness of coating film)
Further, the inventor of the present invention has a thickness T1 of the end face coating film 501 (refer to an enlarged view of the Z portion in FIG. 4) of 3 when the surface roughness of the end face coating film 501 is 0.13 to 5.2 μm. It has also been found that cracks are less likely to occur in the end face coating film 501 when the thickness is ˜45 μm. Hereinafter, test B in which this has been confirmed will be described.

(試験B)
試験Bでは、上記第1実施形態に係る燃料電池について、導電性支持体11の材質、端面コーティング膜501の材質、端面コーティング膜501の表面粗さ、及び、端面コーティング膜501の厚さT1の組み合わせが異なる複数のサンプルが作製された。具体的には、表2に示すように、11種類の水準(組み合わせ)が準備された。各水準に対して10個のサンプル(N=10)が作製された。各サンプルの端面コーティング膜501の表面粗さは全て、0.3〜0.8μmの範囲内となっている。
(Test B)
In test B, for the fuel cell according to the first embodiment, the material of the conductive support 11, the material of the end face coating film 501, the surface roughness of the end face coating film 501, and the thickness T1 of the end face coating film 501 are Several samples with different combinations were made. Specifically, as shown in Table 2, eleven kinds of levels (combinations) were prepared. Ten samples (N = 10) were made for each level. The surface roughness of the end face coating film 501 of each sample is in the range of 0.3 to 0.8 μm.

各サンプルのその他の寸法等は、試験Aのものと同様である。「コーティング膜の厚さ」の調整は、コーティング膜の成形体(焼成前の状態)の膜厚の調整によって達成され得る。   Other dimensions of each sample are the same as those of Test A. The adjustment of the “thickness of the coating film” can be achieved by adjusting the film thickness of the molded body (state before firing) of the coating film.

そして、上記還元処理後の段階(還元状態)における各サンプルについて、試験Aで実行された熱サイクル試験より熱応力的に過酷な熱サイクル試験、即ち、「燃料極12に還元性の燃料ガスを流通させながら、雰囲気温度を常温から750℃まで1時間で上げた後に750℃から常温まで2時間で下げるパターン」を100回繰り返す熱サイクル試験を行った。そして、各サンプルについて、端面コーティング膜501におけるクラックの発生の有無が確認された。この確認は、目視、並びに、顕微鏡を使用した観察によってなされた。この結果は表2に示すとおりである。   Then, for each sample in the stage after the reduction treatment (reduced state), a thermal cycle test that is severer in terms of thermal stress than the thermal cycle test performed in test A, that is, “reducing a reducing fuel gas to the fuel electrode 12. While circulating, the thermal cycle test was repeated 100 times. “Pattern of raising the ambient temperature from room temperature to 750 ° C. over 1 hour and then lowering from 750 ° C. to room temperature over 2 hours”. And about each sample, the presence or absence of the generation | occurrence | production of the crack in the end surface coating film 501 was confirmed. This confirmation was made by visual observation as well as observation using a microscope. The results are as shown in Table 2.

表2から理解できるように、端面コーティング膜501の厚さT1が3〜45μmの範囲外では、理由は不明であるが、端面コーティング膜501にクラックが発生し易い。一方、端面コーティング膜501の厚さT1が3〜45μmの範囲内であると、前記クラックが発生し難い、ということができる。   As understood from Table 2, when the thickness T1 of the end face coating film 501 is outside the range of 3 to 45 μm, the reason is unknown, but cracks are likely to occur in the end face coating film 501. On the other hand, when the thickness T1 of the end face coating film 501 is in the range of 3 to 45 μm, it can be said that the crack is hardly generated.

以上の結果は、各ガス流路18の断面形状が円形の場合に対応するが、各ガス流路18の断面形状が楕円形、長穴、四隅に円弧を有する四角形等であっても同じ結果が得られることが既に確認されている。また、この結果は、導電性支持体のアスペクト比が20の場合に対応するが、導電性支持体のアスペクト比が5〜100の範囲内であれば、同じ結果が得られることが既に確認されている。また、コーティング膜500の厚さは、コーティング膜500の全域に亘って均一であることが望ましく、従って、コーティング膜500における端面コーティング膜501を除いた部分の厚さも、端面コーティング膜501と同様、3〜45μmの範囲内であることが望ましい。   The above results correspond to the case where the cross-sectional shape of each gas flow path 18 is circular. Has already been confirmed. This result corresponds to the case where the aspect ratio of the conductive support is 20, but it has already been confirmed that the same result can be obtained if the aspect ratio of the conductive support is in the range of 5 to 100. ing. Further, it is desirable that the thickness of the coating film 500 is uniform over the entire area of the coating film 500. Therefore, the thickness of the coating film 500 excluding the end face coating film 501 is also the same as that of the end face coating film 501. It is desirable to be within the range of 3 to 45 μm.

以上、表1、表2の結果より、端面コーティング膜501の表面粗さが算術平均粗さRaで0.13〜5.2μmの範囲内であると、端面コーティング膜501にクラックが発生し難く、更に、端面コーティング膜501の厚さT1が3〜45μmの範囲内にあると、前記クラックがより一層発生し難い、ということができる。   As described above, from the results of Tables 1 and 2, when the surface roughness of the end face coating film 501 is within the range of 0.13 to 5.2 μm in terms of arithmetic average roughness Ra, the end face coating film 501 is hardly cracked. Furthermore, it can be said that when the thickness T1 of the end surface coating film 501 is in the range of 3 to 45 μm, the cracks are more difficult to occur.

(第2実施形態)
図6は、本発明に係る固体酸化物形燃料電池(SOFC)の第2実施形態を示す。このSOFC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。この点、導電性支持体の表面に「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発電素子部」が1つのみ設けられたセルが複数枚積層された所謂「縦縞型」の構成が採用された上記第1実施形態と異なる。
(Second Embodiment)
FIG. 6 shows a second embodiment of a solid oxide fuel cell (SOFC) according to the present invention. This SOFC is electrically connected in series to each of the upper and lower surfaces (main surfaces (planes) on both sides parallel to each other) of the flat support substrate 10 having a longitudinal direction (x-axis direction) (this example). In this case, the four power generation element portions A having the same shape are arranged at predetermined intervals in the longitudinal direction, so-called “horizontal stripe type”. In this respect, a so-called “vertical stripe type” in which a plurality of cells each provided with only one “power generation element portion in which a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are laminated in this order” are laminated on the surface of the conductive support. This is different from the first embodiment in which the configuration is adopted.

この第2実施形態のSOFC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の全体の厚さは、1〜5mmである。このSOFC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6に加えて、このSOFCの図6に示す7−7線に対応する部分断面図である図7を参照しながら、このSOFCの詳細について説明する。図7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7に示す構成と同様である。   The shape of the entire SOFC of the second embodiment viewed from above is, for example, that the length of the side in the longitudinal direction is 5 to 50 cm and the length in the width direction (y-axis direction) perpendicular to the longitudinal direction is 1 to 10 cm. It is a rectangle. The total thickness of this SOFC is 1-5 mm. The entire SOFC has a vertically symmetrical shape with respect to a plane passing through the center in the thickness direction and parallel to the main surface of the support substrate 10. Hereinafter, in addition to FIG. 6, the details of the SOFC will be described with reference to FIG. 7 which is a partial sectional view corresponding to the line 7-7 shown in FIG. 6 of the SOFC. FIG. 7 is a partial cross-sectional view showing a configuration (part of) each of a typical pair of adjacent power generation element portions A and A and a configuration between the power generation element portions A and A. The configuration between the other power generation element portions A and A in other sets is the same as the configuration shown in FIG.

支持基板10は、電子伝導性を有さない多孔質の材料からなる平板状の焼成体である。後述する図11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。各燃料ガス流路11の断面形状は直径Dが0.5〜3mmの円形である。隣り合う燃料ガス流路11、11の幅方向における間隔(ピッチ)Pは1〜5mmである。なお、各燃料ガス流路11の断面形状は、楕円形、長穴、四隅に円弧を有する四角形等であってもよい。また、本例では、各凹部12は、支持基板10の材料からなる底壁と、全周に亘って支持基板10の材料からなる周方向に閉じた側壁(長手方向に沿う2つの側壁と幅方向に沿う2つの側壁)と、で画定された直方体状の窪みである。   The support substrate 10 is a flat plate-like fired body made of a porous material having no electronic conductivity. As shown in FIG. 11 to be described later, a plurality (six in this example) of fuel gas passages 11 (through holes) extending in the longitudinal direction are provided in the support substrate 10 at predetermined intervals in the width direction. Is formed. The cross-sectional shape of each fuel gas channel 11 is a circle having a diameter D of 0.5 to 3 mm. The space | interval (pitch) P in the width direction of the adjacent fuel gas flow paths 11 and 11 is 1-5 mm. In addition, the cross-sectional shape of each fuel gas flow path 11 may be an ellipse, a long hole, a quadrangle having arcs at four corners, or the like. Further, in this example, each recess 12 includes a bottom wall made of the material of the support substrate 10 and a side wall made of the material of the support substrate 10 over the entire circumference (two side walls and a width along the longitudinal direction). Two side walls extending in the direction), and a rectangular parallelepiped-shaped depression.

支持基板10は、例えば、CSZ(カルシア安定化ジルコニア)から構成され得る。或いは、NiO(酸化ニッケル)とYSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)とから構成されてもよいし、NiO(酸化ニッケル)とY(イットリア)とから構成されてもよいし、MgO(酸化マグネシウム)とMgAl(マグネシアアルミナスピネル)とから構成されてもよい。支持基板10の気孔率は、20〜60%である。 The support substrate 10 can be made of, for example, CSZ (calcia stabilized zirconia). Alternatively, it may be composed of NiO (nickel oxide) and YSZ (8YSZ) (yttria stabilized zirconia), NiO (nickel oxide) and Y 2 O 3 (yttria), or MgO. (Magnesium oxide) and MgAl 2 O 4 (magnesia alumina spinel) may be used. The porosity of the support substrate 10 is 20 to 60%.

支持基板10は、「遷移金属酸化物又は遷移金属」と、絶縁性セラミックスとを含んで構成され得る。「遷移金属酸化物又は遷移金属」としては、NiO(酸化ニッケル)又はNi(ニッケル)が好適である。遷移金属は、燃料ガスの改質反応を促す触媒(炭化水素系のガスの改質触媒)として機能し得る。   The support substrate 10 may be configured to include “transition metal oxide or transition metal” and insulating ceramics. As the “transition metal oxide or transition metal”, NiO (nickel oxide) or Ni (nickel) is suitable. The transition metal can function as a catalyst for promoting a reforming reaction of the fuel gas (hydrocarbon-based gas reforming catalyst).

また、絶縁性セラミックスとしては、MgO(酸化マグネシウム)、又は、「MgAl(マグネシアアルミナスピネル)とMgO(酸化マグネシウム)の混合物」が好適である。また、絶縁性セラミックスとして、CSZ(カルシア安定化ジルコニア)、YSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)、Y(イットリア)が使用されてもよい。 Further, as the insulating ceramic, MgO (magnesium oxide) or “mixture of MgAl 2 O 4 (magnesia alumina spinel) and MgO (magnesium oxide)” is preferable. Further, CSZ (calcia stabilized zirconia), YSZ (8YSZ) (yttria stabilized zirconia), Y 2 O 3 (yttria) may be used as the insulating ceramic.

このように、支持基板10が「遷移金属酸化物又は遷移金属」を含むことによって、改質前の残存ガス成分を含んだガスが多孔質の支持基板10の内部の多数の気孔を介して燃料ガス流路11から燃料極に供給される過程において、上記触媒作用によって改質前の残存ガス成分の改質を促すことができる。加えて、支持基板10が絶縁性セラミックスを含むことによって、支持基板10の絶縁性を確保することができる。この結果、隣り合う燃料極間における絶縁性が確保され得る。これに対し、支持基板10は、Ni元素を含まない絶縁性セラミックス材料のみ、例えば、MgO−Y、MgO−MgAlで構成されてもよい。 As described above, since the support substrate 10 contains “transition metal oxide or transition metal”, the gas containing the residual gas component before the reforming is supplied to the fuel through the numerous pores inside the porous support substrate 10. In the process of being supplied from the gas flow path 11 to the fuel electrode, the catalytic action can promote the reforming of the residual gas component before the reforming. In addition, the insulating property of the support substrate 10 can be ensured by the support substrate 10 containing insulating ceramics. As a result, insulation between adjacent fuel electrodes can be ensured. On the other hand, the support substrate 10 may be made of only an insulating ceramic material that does not contain Ni elements, for example, MgO—Y 2 O 3 , MgO—MgAl 2 O 4 .

支持基板10の幅は10〜100mmであり、厚さは、1〜5mmである。支持基板10のアスペクト比(幅/厚さ)は、5〜100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 width of the support substrate 10 is 10 to 100 mm, and the thickness is 1 to 5 mm. The aspect ratio (width / thickness) of the support substrate 10 is 5 to 100. Hereinafter, only the configuration on the upper surface side of the support substrate 10 will be described in consideration of the fact that the shape of the structure is vertically symmetrical. The same applies to the configuration of the lower surface side of the support substrate 10.

図7及び図8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. 7 and 8, the entire fuel electrode current collector 21 is embedded (filled) in each recess 12 formed in the upper surface (upper main surface) of the support substrate 10. Therefore, each fuel electrode current collector 21 has a rectangular parallelepiped shape. A recess 21 a is formed on the upper surface (outer surface) of each fuel electrode current collector 21. Each recess 21a has a rectangular parallelepiped shape defined by a bottom wall made of the material of the fuel electrode current collector 21 and side walls closed in the circumferential direction (two side walls along the longitudinal direction and two side walls along the width direction). It is a depression. Of the side walls closed in the circumferential direction, two side walls along the longitudinal direction are made of the material of the support substrate 10, and two side walls along the width direction are made of the material of the fuel electrode current collector 21.

各凹部21aには、燃料極活性部22の全体が埋設(充填)されている。従って、各燃料極活性部22は直方体状を呈している。燃料極集電部21と燃料極活性部22とにより燃料極20が構成される。燃料極20(燃料極集電部21+燃料極活性部22)は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。各燃料極活性部22の幅方向に沿う2つの側面と底面とは、凹部21a内で燃料極集電部21と接触している。   The entire anode active portion 22 is embedded (filled) in each recess 21a. Accordingly, each fuel electrode active portion 22 has a rectangular parallelepiped shape. A fuel electrode 20 is configured by the fuel electrode current collector 21 and the fuel electrode active unit 22. The fuel electrode 20 (fuel electrode current collector 21 + fuel electrode active part 22) is a fired body made of a porous material having electron conductivity. The two side surfaces and the bottom surface along the width direction of each anode active portion 22 are in contact with the anode current collecting portion 21 in the recess 21a.

各燃料極集電部21の上面(外側面)における凹部21aを除いた部分には、凹部21bが形成されている。各凹部21bは、燃料極集電部21の材料からなる底壁と、周方向に閉じた側壁(長手方向に沿う2つの側壁と幅方向に沿う2つの側壁)と、で画定された直方体状の窪みである。周方向に閉じた側壁のうち、長手方向に沿う2つの側壁は支持基板10の材料からなり、幅方向に沿う2つの側壁は燃料極集電部21の材料からなる。   A recess 21b is formed in a portion of the upper surface (outer surface) of each fuel electrode current collector 21 excluding the recess 21a. Each recess 21b has a rectangular parallelepiped shape defined by a bottom wall made of the material of the fuel electrode current collector 21 and side walls closed in the circumferential direction (two side walls along the longitudinal direction and two side walls along the width direction). It is a depression. Of the side walls closed in the circumferential direction, two side walls along the longitudinal direction are made of the material of the support substrate 10, and two side walls along the width direction are made of the material of the fuel electrode current collector 21.

各凹部21bには、インターコネクタ30が埋設(充填)されている。従って、各インターコネクタ30は直方体状を呈している。インターコネクタ30は、電子伝導性を有する緻密な材料からなる焼成体である。各インターコネクタ30の幅方向に沿う2つの側面と底面とは、凹部21b内で燃料極集電部21と接触している。   An interconnector 30 is embedded (filled) in each recess 21b. Accordingly, each interconnector 30 has a rectangular parallelepiped shape. The interconnector 30 is a fired body made of a dense material having electronic conductivity. The two side surfaces and the bottom surface along the width direction of each interconnector 30 are in contact with the fuel electrode current collector 21 in the recess 21b.

燃料極20(燃料極集電部21及び燃料極活性部22)の上面(外側面)と、インターコネクタ30の上面(外側面)と、支持基板10の主面とにより、1つの平面(凹部12が形成されていない場合の支持基板10の主面と同じ平面)が構成されている。即ち、燃料極20の上面とインターコネクタ30の上面と支持基板10の主面との間で、段差が形成されていない。   The upper surface (outer surface) of the fuel electrode 20 (the fuel electrode current collector 21 and the fuel electrode active unit 22), the upper surface (outer surface) of the interconnector 30, and the main surface of the support substrate 10 form one plane (recessed portion). The same plane as the main surface of the support substrate 10 when 12 is not formed) is formed. That is, no step is formed between the upper surface of the fuel electrode 20, the upper surface of the interconnector 30, and the main surface of the support substrate 10.

燃料極活性部22は、例えば、NiO(酸化ニッケル)とYSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)とから構成され得る。或いは、NiO(酸化ニッケル)とGDC(ガドリニウムドープセリア)とから構成されてもよい。燃料極集電部21は、例えば、NiO(酸化ニッケル)とYSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)とから構成され得る。或いは、NiO(酸化ニッケル)とY(イットリア)とから構成されてもよいし、NiO(酸化ニッケル)とCSZ(カルシア安定化ジルコニア)とから構成されてもよい。燃料極活性部22の厚さは、5〜30μmであり、燃料極集電部21の厚さ(即ち、凹部12の深さ)は、50〜500μmである。 The fuel electrode active part 22 may be composed of, for example, NiO (nickel oxide) and YSZ (8YSZ) (yttria stabilized zirconia). Or you may comprise from NiO (nickel oxide) and GDC (gadolinium dope ceria). The fuel electrode current collector 21 can be composed of, for example, NiO (nickel oxide) and YSZ (8YSZ) (yttria stabilized zirconia). Alternatively, it may be composed of NiO (nickel oxide) and Y 2 O 3 (yttria), or may be composed of NiO (nickel oxide) and CSZ (calcia stabilized zirconia). The thickness of the anode active portion 22 is 5 to 30 μm, and the thickness of the anode current collecting portion 21 (that is, the depth of the recess 12) is 50 to 500 μm.

このように、燃料極集電部21は、電子伝導性を有する物質を含んで構成される。燃料極活性部22は、電子伝導性を有する物質と酸化性イオン(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 current collector 21 includes a substance having electronic conductivity. The fuel electrode active part 22 includes a substance having electron conductivity and a substance having oxidative ion (oxygen ion) conductivity. The “volume ratio of the substance having oxidative ion conductivity relative to the total volume excluding the pore portion” in the anode active portion 22 is “the oxidative ion conductivity relative to the entire volume excluding the pore portion” in the anode current collecting portion 21. Greater than the volume fraction of the substance having

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

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

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

なお、図7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. 7, in this example, the solid electrolyte membrane 40 covers the upper surface of the fuel electrode 20, both side ends in the longitudinal direction on the upper surface of the interconnector 30, and the main surface of the support substrate 10. Here, as described above, no step is formed between the upper surface of the fuel electrode 20, the upper surface of the interconnector 30, and the main surface of the support substrate 10. Therefore, the solid electrolyte membrane 40 is flattened. As a result, compared with the case where a step is formed in the solid electrolyte membrane 40, the generation of cracks in the solid electrolyte membrane 40 due to stress concentration can be suppressed, and the gas sealing function of the solid electrolyte membrane 40 is reduced. Can be suppressed.

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

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

なお、反応防止膜50が介装されるのは、SOFC作製時又は作動中のSOFC内において固体電解質膜40内のYSZと空気極60内のSrとが反応して固体電解質膜40と空気極60との界面に電気抵抗が大きい反応層が形成される現象の発生を抑制するためである。   The reaction preventing film 50 is interposed because the YSZ in the solid electrolyte film 40 and the Sr in the air electrode 60 react with each other in the SOFC during the production or operation of the SOFC, and the solid electrolyte film 40 and the air electrode. This is to suppress the occurrence of a phenomenon in which a reaction layer having a large electric resistance is formed at the interface with the substrate 60.

ここで、燃料極20と、固体電解質膜40と、反応防止膜50と、空気極60とが積層されてなる積層体が、「発電素子部A」に対応する(図7を参照)。即ち、支持基板10の上面には、複数(本例では、4つ)の発電素子部Aが、長手方向において所定の間隔をおいて配置されている。   Here, the laminated body formed by laminating the fuel electrode 20, the solid electrolyte membrane 40, the reaction preventing membrane 50, and the air electrode 60 corresponds to the “power generation element portion A” (see FIG. 7). In other words, a plurality (four in this example) of power generating element portions A are arranged on the upper surface of the support substrate 10 at a predetermined interval in the longitudinal direction.

各組の隣り合う発電素子部A,Aについて、一方の(図7では、左側の)発電素子部Aの空気極60と、他方の(図7では、右側の)発電素子部Aのインターコネクタ30とを跨ぐように、空気極60、固体電解質膜40、及び、インターコネクタ30の上面に、空気極集電膜70が形成されている。空気極集電膜70は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。空気極集電膜70を上方からみた形状は、長方形である。   For each pair of adjacent power generation element portions A and A, the air electrode 60 of one power generation element portion A (on the left side in FIG. 7) and the interconnector of the other power generation element portion A (on the right side in FIG. 7). The air electrode current collecting film 70 is formed on the upper surfaces of the air electrode 60, the solid electrolyte film 40, and the interconnector 30. The air electrode current collector film 70 is a fired body made of a porous material having electron conductivity. The shape of the air electrode current collector film 70 as viewed from above is a rectangle.

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

このように各空気極集電膜70が形成されることにより、各組の隣り合う発電素子部A,Aについて、一方の(図7では、左側の)発電素子部Aの空気極60と、他方の(図7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 current collecting film 70 in this way, the air electrode 60 of one power generation element part A (on the left side in FIG. 7) of each pair of adjacent power generation element parts A and A, The other fuel electrode 20 (particularly, the fuel electrode current collector 21) of the power generating element part A (on the right side in FIG. 7) passes through the “air electrode current collector film 70 and interconnector 30” having electronic conductivity. Are electrically connected. As a result, a plurality (four in this example) of power generation element portions A arranged on the upper surface of the support substrate 10 are electrically connected in series. Here, the “air electrode current collector film 70 and the interconnector 30” having electronic conductivity correspond to the “electrical connection part”.

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 interconnector 30 corresponds to the “first portion made of a dense material” in the “electrical connection portion” and has a porosity of 10% or less. The air electrode current collecting film 70 corresponds to the “second portion made of a porous material” in the “electrical connection portion”, and has a porosity of 20 to 60%.

以上、説明した「横縞型」のSOFCに対して、図9に示すように、支持基板10の燃料ガス流路11内に燃料ガス(水素ガス等)を流すとともに、支持基板10の上下面(特に、各空気極集電膜70)を「酸素を含むガス」(空気等)に曝す(或いは、支持基板10の上下面に沿って酸素を含むガスを流す)ことにより、固体電解質膜40の両側面間に生じる酸素分圧差によって起電力が発生する。更に、この構造体を外部の負荷に接続すると、下記(1)、(2)式に示す化学反応が起こり、電流が流れる(発電状態)。
(1/2)・O+2e→O2− (於:空気極60) …(1)
+O2−→HO+2e
(於:燃料極20) …(2)
As described above, as shown in FIG. 9, the fuel gas (hydrogen gas or the like) flows through the fuel gas flow path 11 of the support substrate 10 with respect to the “horizontal stripe” SOFC described above, and the upper and lower surfaces ( In particular, by exposing each air electrode current collector film 70) to “a gas containing oxygen” (air or the like) (or flowing a gas containing oxygen along the upper and lower surfaces of the support substrate 10), the solid electrolyte membrane 40 An electromotive force is generated by a difference in oxygen partial pressure generated between the two side surfaces. Furthermore, when this structure is connected to an external load, chemical reactions shown in the following formulas (1) and (2) occur, and current flows (power generation state).
(1/2) · O 2 + 2e → O 2− (where: air electrode 60) (1)
H 2 + O 2− → H 2 O + 2e
(At: Fuel electrode 20) (2)

発電状態においては、図10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9に示すように、このSOFC全体から(具体的には、図9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. 10, 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. 9, from the entire SOFC (specifically, the interconnector 30 of the power generating element portion A on the frontmost side in FIG. 9 and the air electrode 60 of the power generating element portion A on the innermost side in FIG. Power).

(製造方法)
次に、図6に示した「横縞型」のSOFCの製造方法の一例について図11〜図19を参照しながら簡単に説明する。図11〜図19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 method for manufacturing the “horizontal stripe type” SOFC shown in FIG. 6 will be briefly described with reference to FIGS. 11 to 19, “g” at the end of the reference numeral of each member represents that the member is “before firing”.

先ず、図11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11に示す12−12線に対応する部分断面を表す図12〜図19を参照しながら説明を続ける。   First, a support substrate molded body 10g having the shape shown in FIG. 11 is produced. The molded body 10g of the support substrate is manufactured by using a method such as extrusion molding or cutting using a slurry obtained by adding a binder or the like to the material of the support substrate 10 (for example, CSZ). obtain. Hereinafter, the description will be continued with reference to FIGS. 12 to 19 showing partial cross sections corresponding to line 12-12 shown in FIG.

図12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13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14に示すように、各燃料極集電部の成形体21gの外側面に形成された各凹部に、燃料極活性部の成形体22gがそれぞれ埋設・形成される。各燃料極集電部の成形体21g、及び各燃料極活性部22gは、例えば、燃料極20の材料(例えば、NiとYSZ)の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して埋設・形成される。   As shown in FIG. 12, when the support substrate molded body 10g is manufactured, as shown in FIG. 13, next, as shown in FIG. Each of the molded parts 21g is embedded and formed. Next, as shown in FIG. 14, a molded body 22g of the fuel electrode active part is embedded and formed in each recess formed in the outer surface of the molded body 21g of each fuel electrode current collector. The molded body 21g of each fuel electrode current collector and each of the fuel electrode active parts 22g use, for example, a slurry obtained by adding a binder or the like to the powder of the material of the fuel electrode 20 (for example, Ni and YSZ), It is embedded and formed using printing methods.

続いて、図15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、LaCrO)の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して埋設・形成される。 Next, as shown in FIG. 15, in each concave portion formed in “the portion excluding the portion where the molded body 22 g of the fuel electrode active portion is embedded” on the outer surface of the molded body 21 g of each fuel electrode current collector. The interconnector molded bodies 30g are respectively embedded and formed. The molded body 30g of each interconnector is embedded and formed by using a slurry obtained by adding a binder or the like to the material of the interconnector 30 (for example, LaCrO 3 ), using a printing method or the like. .

次に、図16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. 16, the outer periphery extending in the longitudinal direction of the molded body 10g of the support substrate in a state where the molded bodies 30g of fuel electrodes (21g + 22g) and the molded body 30g of the plurality of interconnectors are respectively embedded and formed. A solid electrolyte membrane molded film 40g is formed on the entire surface excluding the central portion in the longitudinal direction of each portion where the plurality of interconnector molded bodies 30g are formed. The molded membrane 40g of the solid electrolyte membrane is formed using, for example, a printing method, a dipping method, etc., using a slurry obtained by adding a binder or the like to the powder of the material of the solid electrolyte membrane 40 (for example, YSZ). The

次に、図17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。なお、図17には示していないが、この状態の支持基板の成形体10gのガス排出側端部には、後述するコーティング膜500(図26を参照)の成形膜も、ディッピング法等を利用して形成される。   Next, as shown in FIG. 17, a molded membrane 50g of the reaction preventing film is formed on the outer surface of the solid electrolyte membrane molded body 40g in contact with the molded body 22g of each fuel electrode. The molded film 50g of each reaction preventing film is formed using a slurry obtained by adding a binder or the like to the powder of the material (for example, GDC) of the reaction preventing film 50, using a printing method or the like. Although not shown in FIG. 17, a molding film of a coating film 500 (see FIG. 26), which will be described later, also uses a dipping method or the like at the gas discharge side end of the molded body 10g of the support substrate in this state. Formed.

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6に示したSOFC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 air electrode 60 and the air electrode current collector film 70 are not formed in the SOFC shown in FIG. 6 is obtained.

次に、図18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. 18, an air electrode forming film 60 g is formed on the outer surface of each reaction preventing film 50. The molded film 60g of each air electrode is formed using a slurry obtained by adding a binder or the like to the powder of the material of the air electrode 60 (for example, LSCF), using a printing method or the like.

次に、図19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. 19, for each pair of adjacent power generation element portions, air is formed so as to straddle the air electrode molding film 60 g of one power generation element portion and the interconnector 30 of the other power generation element portion. On the outer surface of the electrode forming film 60 g, the solid electrolyte film 40, and the interconnector 30, the air electrode current collecting film forming film 70 g is formed. The forming film 70g of each air electrode current collector film is obtained by using a slurry obtained by adding a binder or the like to the powder of the material of the air electrode current collector film 70 (for example, LSCF), using a printing method or the like. It is formed.

そして、このように成形膜60g、70gが形成された状態の支持基板10が、空気中にて1050℃で3時間焼成される。これにより、図6に示したSOFCが得られる。以上、図6に示したSOFCの製造方法の一例について説明した。   Then, the support substrate 10 in which the molded films 60g and 70g are thus formed is baked in air at 1050 ° C. for 3 hours. Thereby, the SOFC shown in FIG. 6 is obtained. In the above, an example of the manufacturing method of SOFC shown in FIG. 6 was demonstrated.

なお、この時点では、酸素含有雰囲気での焼成により、支持基板10、及び燃料極20中のNi成分が、NiOとなっている。従って、燃料極20の導電性を獲得するため、その後、支持基板10側から還元性の燃料ガスが流され、NiOが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。   At this time, the Ni component in the support substrate 10 and the fuel electrode 20 is NiO by firing in an oxygen-containing atmosphere. Therefore, in order to acquire the conductivity of the fuel electrode 20, thereafter, reducing fuel gas is flowed from the support substrate 10 side, and NiO is reduced at 800 to 1000 ° C. for 1 to 10 hours. This reduction process may be performed during power generation.

上記第2実施形態では、図11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。   In the second embodiment, as shown in FIG. 11 and the like, the planar shape of the recess 12 formed in the support substrate 10 (the shape when viewed from the direction perpendicular to the main surface of the support substrate 10) is a rectangle. However, it may be, for example, a square, a circle, an ellipse, or a long hole shape.

また、上記第2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。   Moreover, in the said 2nd Embodiment, although the whole interconnector 30 is embed | buried under each recessed part 12, only a part of interconnector 30 is embed | buried in each recessed part 12, and the remaining part of the interconnector 30 is You may protrude outside the recessed part 12 (namely, it protrudes from the main surface of the support substrate 10).

また、上記第2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20に示すように、角度θが90〜135°となっていてもよい。また、上記第2実施形態においては、図21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 2nd Embodiment, although the angle (theta) which the bottom wall and side wall in the recessed part 12 make is 90 degrees, as shown in FIG. 20, angle (theta) may be 90-135 degrees. . Further, in the second embodiment, as shown in FIG. 21, the portion of the recess 12 where the bottom wall and the side wall intersect each other has an arc shape with a radius R, and the ratio of the radius R to the depth of the recess 12 May be 0.01 to 1.

また、上記第2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22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。   Further, in the second embodiment, a plurality of recesses 12 are formed on each of the upper and lower surfaces of the flat support substrate 10 and a plurality of power generation element portions A are provided, but as shown in FIG. A plurality of recesses 12 may be formed only on one side surface of the support substrate 10 and a plurality of power generation element portions A may be provided.

また、上記第2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。また、上記第2実施形態においては、支持基板10が平板状を呈しているが、円筒状を呈していても良い。   In the second embodiment, the fuel electrode 20 is composed of two layers of the fuel electrode current collector 21 and the fuel electrode active part 22. The fuel electrode 20 corresponds to the fuel electrode active part 22. It may be composed of layers. In the second embodiment, the support substrate 10 has a flat plate shape, but may have a cylindrical shape.

加えて、上記第2実施形態においては、図8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 second embodiment, as shown in FIG. 8, the recess 21 b formed on the outer surface of the anode current collector 21 has a bottom wall made of the material of the anode current collector 21, and a peripheral wall. A rectangular parallelepiped recess defined by side walls closed in the direction (two side walls along the longitudinal direction made of the material of the support substrate 10 and two side walls along the width direction made of the material of the fuel electrode current collector 21) It has become. As a result, the two side surfaces and the bottom surface along the width direction of the interconnector 30 embedded in the recess 21b are in contact with the fuel electrode current collector 21 in the recess 21b.

これに対し、図23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. 23, the recess 21b formed on the outer surface of the fuel electrode current collector 21 has a bottom wall made of the material of the fuel electrode current collector 21 and the fuel electrode current collector over the entire circumference. It may be a rectangular parallelepiped recess defined by circumferentially closed side walls (two side walls along the longitudinal direction and two side walls along the width direction) made of the material of the electric part 21. According to this, all four side surfaces and the bottom surface of the interconnector 30 embedded in the recess 21b are in contact with the fuel electrode current collector 21 in the recess 21b. Therefore, the area of the interface between the fuel electrode current collector 21 and the interconnector 30 can be further increased. Therefore, the electronic conductivity between the fuel electrode current collector 21 and the interconnector 30 can be further increased, and as a result, the power generation output of the fuel cell can be further increased.

図24〜図27はそれぞれ、上記第2実施形態に係るセル100を用いたスタック構造体が形成された場合における図2〜図5に対応する図である。図24〜図27において、図2〜図5に示した部材・構成と同じ或いは等価な部材・構成については図2〜図5にて使用した符号と同じ符号が付されている。   FIGS. 24 to 27 are diagrams corresponding to FIGS. 2 to 5 in the case where a stack structure using the cell 100 according to the second embodiment is formed, respectively. 24 to 27, members and configurations that are the same as or equivalent to the members and configurations shown in FIGS. 2 to 5 are denoted by the same reference numerals as those used in FIGS.

図26に示すように、このスタック構造体に使用された上記第2実施形態に係るセル100のガス排出側端部(自由端部)にも、上記第1実施形態に係るセル100と同様(図4を参照)、支持基板10より気孔率が小さいコーティング膜500が形成されている。このコーティング膜500は、少なくとも、各ガス流路11の内壁面におけるガス排出側の端部、並びに、支持基板10の長手方向におけるガス排出側の端面に形成されている。端面コーティング膜501は、各流路内壁面コーティング膜502と連続している。なお、図26に示す例では、コーティング膜500は、セル100の側面におけるガス排出側の端部にも形成されている。コーティング膜500のうちこの部分503は、端面コーティング膜501と連続している。   As shown in FIG. 26, the gas discharge side end portion (free end portion) of the cell 100 according to the second embodiment used in the stack structure is the same as the cell 100 according to the first embodiment ( 4), a coating film 500 having a porosity smaller than that of the support substrate 10 is formed. The coating film 500 is formed at least on the end portion on the gas discharge side of the inner wall surface of each gas flow path 11 and on the end surface on the gas discharge side in the longitudinal direction of the support substrate 10. The end face coating film 501 is continuous with each flow path inner wall surface coating film 502. In the example shown in FIG. 26, the coating film 500 is also formed on the gas discharge side end of the side surface of the cell 100. This portion 503 of the coating film 500 is continuous with the end face coating film 501.

各流路内壁面コーティング膜502の長手方向の長さH(図26のZ部の拡大図を参照)は、10mm以上であることが好ましい。コーティング膜の部分503の長手方向の端部は、支持基板10の外周に形成された固体電解質膜40の長手方向の端部の外側面を覆うように同端部と連続している。   The length H in the longitudinal direction of each channel inner wall surface coating film 502 (see the enlarged view of the Z portion in FIG. 26) is preferably 10 mm or more. The end portion in the longitudinal direction of the coating film portion 503 is continuous with the end portion so as to cover the outer surface of the end portion in the longitudinal direction of the solid electrolyte membrane 40 formed on the outer periphery of the support substrate 10.

このコーティング膜500は、例えば、希土類元素を含むジルコニアから構成される。このコーティング膜500は、固体電解質膜40と同じ材料(例えば、イットリア安定化ジルコニアYSZ)で構成されてもよいし、支持基板10と同じ材料で構成されてもよい。このコーティング膜500は、外部空間から支持基板10への空気の進入を防止できる程度の緻密性を備えており、その気孔率は0〜10%である。このコーティング膜500は、上述のように、支持基板10、燃料極20及び固体電解質膜40との共焼成によって形成されてもよいし、支持基板10、燃料極20及び固体電解質膜40の焼成後に、真空成膜プロセス法(蒸着法、CVD法(化学気相成長:Chemical Vapor Deposition)等)によって形成されてもよい。   The coating film 500 is made of, for example, zirconia containing a rare earth element. The coating film 500 may be made of the same material as the solid electrolyte film 40 (for example, yttria stabilized zirconia YSZ), or may be made of the same material as the support substrate 10. The coating film 500 is dense enough to prevent air from entering the support substrate 10 from the external space, and has a porosity of 0 to 10%. As described above, the coating film 500 may be formed by co-firing the support substrate 10, the fuel electrode 20, and the solid electrolyte film 40, or after the support substrate 10, the fuel electrode 20, and the solid electrolyte film 40 are fired. Further, it may be formed by a vacuum film forming process method (evaporation method, CVD method (Chemical Vapor Deposition) or the like).

(コーティング膜の表面粗さ)
上述した還元処理によって還元体となった上記第2実施形態に係る燃料電池(スタック構造体)も、上記第1実施形態に係る燃料電池と同様、通常の環境下で稼働される場合にはコーティング膜500にクラックが発生しない一方で、熱応力的に過酷な環境下で稼働されると、コーティング膜500(特に、端面コーティング膜501)にクラックが発生する場合があった。本発明者は、上記第1実施形態と同様、上記第2実施形態においても、係るクラックの発生が、「コーティング膜500(端面コーティング膜501)の表面粗さ」と強い相関があることを見出した。以下、このことを確認した試験Cについて説明する。
(Surface roughness of coating film)
Similarly to the fuel cell according to the first embodiment, the fuel cell (stack structure) according to the second embodiment, which has been reduced by the above-described reduction treatment, is coated when operated in a normal environment. While cracks do not occur in the film 500, cracks may occur in the coating film 500 (particularly, the end face coating film 501) when operated in a severe thermal stress environment. As in the first embodiment, the present inventor has found that the occurrence of such a crack has a strong correlation with the “surface roughness of the coating film 500 (end surface coating film 501)” in the second embodiment as well. It was. Hereinafter, test C in which this has been confirmed will be described.

(試験C)
試験Cでは、試験Aと同様、上記第2実施形態に係る燃料電池について、支持基板10の材質、端面コーティング膜501の材質、及び、端面コーティング膜501の表面粗さの組み合わせが異なる複数のサンプルが作製された。具体的には、表3に示すように、14種類の水準(組み合わせ)が準備された。各水準に対して10個のサンプル(N=10)が作製された。表面粗さの評価方法は、試験Aのときと同じである。
(Test C)
In test C, as in test A, a plurality of samples with different combinations of the material of the support substrate 10, the material of the end surface coating film 501, and the surface roughness of the end surface coating film 501 for the fuel cell according to the second embodiment. Was made. Specifically, as shown in Table 3, 14 kinds of levels (combinations) were prepared. Ten samples (N = 10) were made for each level. The evaluation method of the surface roughness is the same as in Test A.

各サンプル(図6に示す燃料電池)にて使用された支持基板10としては、材料の気孔率が20〜60%であり、厚さ、幅がそれぞれ、2.5mm、50mm(即ち、アスペクト比が20)であり、ガス流路11の断面形状が直径1.5mmの円形であり、隣接するガス流路11、11間のピッチPが5.0mmのものが使用された。各サンプルでは、上述と同様、支持基板10、燃料極20、及び固体電解質膜40と、コーティング膜500とが共焼成された。その後、各サンプルに対して還元処理が行われた。各サンプルにおいて、コーティング膜500(特に、端面コーティング膜501)の厚さは、5〜10μmであった。「コーティング膜の表面粗さ」の調整は、試験Aのときと同様になされた。   As the support substrate 10 used in each sample (fuel cell shown in FIG. 6), the porosity of the material is 20 to 60%, and the thickness and width are 2.5 mm and 50 mm, respectively (that is, the aspect ratio). 20), the gas channel 11 has a circular cross-sectional shape with a diameter of 1.5 mm, and the pitch P between the adjacent gas channels 11 and 11 is 5.0 mm. In each sample, the support substrate 10, the fuel electrode 20, the solid electrolyte membrane 40, and the coating membrane 500 were co-fired as described above. Thereafter, a reduction process was performed on each sample. In each sample, the thickness of the coating film 500 (in particular, the end face coating film 501) was 5 to 10 μm. The “coating film surface roughness” was adjusted in the same manner as in Test A.

そして、上記還元処理後の段階(還元状態)における各サンプルについて、「燃料極20に還元性の燃料ガスを流通させながら、雰囲気温度を常温から750℃まで2時間で上げた後に750℃から常温まで4時間で下げるパターン」を100回繰り返す熱サイクル試験を行った。そして、各サンプルについて、端面コーティング膜501におけるクラックの発生の有無が確認された。この確認は、目視、並びに、顕微鏡を使用した観察によってなされた。この結果は表3に示すとおりである。   For each sample in the stage after the reduction treatment (reduced state), “the ambient temperature was raised from room temperature to 750 ° C. in 2 hours while reducing fuel gas was circulated through the fuel electrode 20 and then from 750 ° C. to room temperature. The thermal cycle test was repeated 100 times. And about each sample, the presence or absence of the generation | occurrence | production of the crack in the end surface coating film 501 was confirmed. This confirmation was made by visual observation as well as observation using a microscope. The results are as shown in Table 3.

表3から理解できるように、熱応力的に過酷な上記熱サイクル試験を行った後では、端面コーティング膜501の表面粗さが算術平均粗さRaで5.2μmを超えると、理由は不明であるが、端面コーティング膜501にクラックが発生し易い。一方、端面コーティング膜501の表面粗さが算術平均粗さRaで5.2μm以下であると、前記クラックが発生し難い、ということができる。   As can be understood from Table 3, after the thermal cycle test that is severe in terms of thermal stress, if the surface roughness of the end face coating film 501 exceeds 5.2 μm in arithmetic average roughness Ra, the reason is unknown. However, cracks are likely to occur in the end face coating film 501. On the other hand, when the surface roughness of the end face coating film 501 is not more than 5.2 μm in terms of arithmetic average roughness Ra, it can be said that the cracks are hardly generated.

また、上述のように、各サンプルにて形成されたコーティング膜500は、支持基板10、燃料極20、及び固体電解質膜40との共焼成によって形成されている。この場合、端面コーティング膜501の表面粗さを算術平均粗さRaで0.13μm未満とすることはできなかった。以上より、端面コーティング膜501の表面粗さが算術平均粗さRaで0.13〜5.2μmの範囲内であると、そうでない場合と比べて、端面コーティング膜501にクラックが発生し難い、ということができる。
ことが好ましい。
Further, as described above, the coating film 500 formed in each sample is formed by co-firing with the support substrate 10, the fuel electrode 20, and the solid electrolyte film 40. In this case, the surface roughness of the end face coating film 501 could not be less than 0.13 μm in terms of arithmetic average roughness Ra. From the above, when the surface roughness of the end surface coating film 501 is within the range of 0.13 to 5.2 μm in terms of arithmetic average roughness Ra, cracks are less likely to occur in the end surface coating film 501 than in the case where it is not. It can be said.
It is preferable.

なお、本発明者は、通常の条件・環境下(例えば、常温から750℃まで4時間で上げた後に750℃から常温まで12時間で下げるパターン)にて上記第2実施形態が使用される場合、端面コーティング膜501の表面粗さが算術平均粗さRaで0.13〜5.2μmの範囲外であっても、コーティング膜500(端面コーティング膜501)にクラックが発生しないことを別途確認している。   The inventor uses the second embodiment under normal conditions and environment (for example, a pattern in which the temperature is raised from room temperature to 750 ° C. in 4 hours and then lowered from 750 ° C. to room temperature in 12 hours). Even if the surface roughness of the end face coating film 501 is outside the range of 0.13 to 5.2 μm in terms of arithmetic average roughness Ra, it is separately confirmed that the coating film 500 (end face coating film 501) does not crack. ing.

以上の結果は、各ガス流路11の断面形状が円形の場合に対応するが、各ガス流路11の断面形状が楕円形、長穴、四隅に円弧を有する四角形等であっても同じ結果が得られることが既に確認されている。また、この結果は、導電性支持体のアスペクト比が20の場合に対応するが、導電性支持体のアスペクト比が5〜100の範囲内であれば、同じ結果が得られることが既に確認されている。また、コーティング膜500の表面粗さは、コーティング膜500の全域に亘って均一であることが望ましく、従って、コーティング膜500における端面コーティング膜501を除いた部分の表面粗さも、端面コーティング膜501と同様、算術平均粗さRaで0.13〜5.2μmの範囲内であることが望ましい。   The above results correspond to the case where the cross-sectional shape of each gas flow path 11 is circular, but the same result is obtained even if the cross-sectional shape of each gas flow path 11 is an ellipse, a long hole, a quadrangle having arcs at four corners, or the like. Has already been confirmed. This result corresponds to the case where the aspect ratio of the conductive support is 20, but it has already been confirmed that the same result can be obtained if the aspect ratio of the conductive support is in the range of 5 to 100. ing. Further, it is desirable that the surface roughness of the coating film 500 is uniform over the entire area of the coating film 500. Therefore, the surface roughness of the coating film 500 excluding the end surface coating film 501 is also the same as that of the end surface coating film 501. Similarly, the arithmetic average roughness Ra is preferably in the range of 0.13 to 5.2 μm.

(コーティング膜の厚さ)
また、本発明者は、上記第2実施形態に関し、端面コーティング膜501の表面粗さが0.13〜5.2μmである場合において、端面コーティング膜501の厚さT1(図26のZ部の拡大図を参照)が3〜45μmであると、端面コーティング膜501においてクラックがより一層発生し難くなることも見出した。以下、このことを確認した試験Dについて説明する。
(Thickness of coating film)
In addition, regarding the second embodiment, when the surface roughness of the end surface coating film 501 is 0.13 to 5.2 μm, the present inventor has a thickness T1 of the end surface coating film 501 (in the Z portion in FIG. 26). It has also been found that cracks are less likely to occur in the end face coating film 501 when the thickness is 3 to 45 μm. Hereinafter, Test D in which this is confirmed will be described.

(試験D)
試験Dでは、上記第2実施形態に係る燃料電池について、支持基板10の材質、端面コーティング膜501の材質、端面コーティング膜501の表面粗さ、及び、端面コーティング膜501の厚さT1の組み合わせが異なる複数のサンプルが作製された。具体的には、表4に示すように、11種類の水準(組み合わせ)が準備された。各水準に対して10個のサンプル(N=10)が作製された。各サンプルの端面コーティング膜501の表面粗さは全て、0.3〜0.8μmの範囲内となっている。
(Test D)
In the test D, for the fuel cell according to the second embodiment, the combination of the material of the support substrate 10, the material of the end surface coating film 501, the surface roughness of the end surface coating film 501, and the thickness T1 of the end surface coating film 501 is Different samples were made. Specifically, as shown in Table 4, 11 kinds of levels (combinations) were prepared. Ten samples (N = 10) were made for each level. The surface roughness of the end face coating film 501 of each sample is in the range of 0.3 to 0.8 μm.

各サンプルのその他の寸法等は、試験B、Cのものと同様である。「コーティング膜の厚さ」の調整は、コーティング膜の成形体(焼成前の状態)の膜厚の調整によって達成され得る。   Other dimensions of each sample are the same as those of tests B and C. The adjustment of the “thickness of the coating film” can be achieved by adjusting the film thickness of the molded body (state before firing) of the coating film.

そして、上記還元処理後の段階(還元状態)における各サンプルについて、試験Cで実行された熱サイクル試験より熱応力的に過酷な熱サイクル試験、即ち、「燃料極12に還元性の燃料ガスを流通させながら、雰囲気温度を常温から750℃まで1時間上げた後に750℃から常温まで2時間で下げるパターン」を100回繰り返す熱サイクル試験を行った。そして、各サンプルについて、端面コーティング膜501におけるクラックの発生の有無が確認された。この確認は、目視、並びに、顕微鏡を使用した観察によってなされた。この結果は表4に示すとおりである。   Then, for each sample in the stage after the reduction treatment (reduced state), a thermal cycle test that is more severe in terms of thermal stress than the thermal cycle test performed in test C, that is, “reducing fuel gas to the fuel electrode 12. While circulating, the thermal cycle test was repeated 100 times. “Pattern of raising the ambient temperature from normal temperature to 750 ° C. for 1 hour and then decreasing from 750 ° C. to normal temperature in 2 hours”. And about each sample, the presence or absence of the generation | occurrence | production of the crack in the end surface coating film 501 was confirmed. This confirmation was made by visual observation as well as observation using a microscope. The results are as shown in Table 4.

表4から理解できるように、端面コーティング膜501の厚さT1が3〜45μmの範囲外では、理由は不明であるが、端面コーティング膜501にクラックが発生し易い。一方、端面コーティング膜501の厚さT1が3〜45μmの範囲内であると、前記クラックが発生し難い、ということができる。   As can be understood from Table 4, when the thickness T1 of the end face coating film 501 is outside the range of 3 to 45 μm, the reason is unknown, but cracks are likely to occur in the end face coating film 501. On the other hand, when the thickness T1 of the end face coating film 501 is in the range of 3 to 45 μm, it can be said that the crack is hardly generated.

以上の結果は、各ガス流路11の断面形状が円形の場合に対応するが、各ガス流路11の断面形状が楕円形、長穴、四隅に円弧を有する四角形等であっても同じ結果が得られることが既に確認されている。また、この結果は、導電性支持体のアスペクト比が20の場合に対応するが、導電性支持体のアスペクト比が5〜100の範囲内であれば、同じ結果が得られることが既に確認されている。また、コーティング膜500の厚さは、コーティング膜500の全域に亘って均一であることが望ましく、従って、コーティング膜500における端面コーティング膜501を除いた部分の厚さも、端面コーティング膜501と同様、3〜45μmの範囲内であることが望ましい。   The above results correspond to the case where the cross-sectional shape of each gas flow path 11 is circular, but the same result is obtained even if the cross-sectional shape of each gas flow path 11 is an ellipse, a long hole, a quadrangle having arcs at four corners, or the like. Has already been confirmed. This result corresponds to the case where the aspect ratio of the conductive support is 20, but it has already been confirmed that the same result can be obtained if the aspect ratio of the conductive support is in the range of 5 to 100. ing. Further, it is desirable that the thickness of the coating film 500 is uniform over the entire area of the coating film 500. Therefore, the thickness of the coating film 500 excluding the end face coating film 501 is also the same as that of the end face coating film 501. It is desirable to be within the range of 3 to 45 μm.

以上、表3、表4の結果より、上記第2実施形態に関し、端面コーティング膜501の表面粗さが算術平均粗さRaで0.13〜5.2μmの範囲内であると、端面コーティング膜501にクラックが発生し難く、更に、端面コーティング膜501の厚さT1が3〜45μmの範囲内にあると、前記クラックがより一層発生し難い、ということができる。   As described above, from the results of Tables 3 and 4, when the surface roughness of the end face coating film 501 is within the range of 0.13 to 5.2 μm in terms of arithmetic average roughness Ra, the end face coating film is related to the second embodiment. It can be said that cracks hardly occur in 501 and that the crack T is further less likely to occur when the thickness T1 of the end face coating film 501 is in the range of 3 to 45 μm.

(第2実施形態特有の作用・効果)
上述した第2実施形態では、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。
(Operations and effects peculiar to the second embodiment)
In the second embodiment described above, the circumferential direction in which each of the plurality of recesses 12 for embedding the fuel electrode 20 formed on the upper and lower surfaces of the support substrate 10 is made of the material of the support substrate 10 over the entire circumference. Have closed side walls. In other words, the support body 10 is formed with a frame surrounding each recess 12. Therefore, this structure is not easily deformed when the support substrate 10 receives an external force.

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 support substrate 10 and the embedded member are co-sintered in a state in which the members such as the fuel electrode 20 and the interconnector 30 are filled and embedded in the recesses 12 of the support substrate 10 without gaps. Therefore, a sintered body having high bondability between members and high reliability can be obtained.

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 interconnector 30 is embedded in a recess 21b formed on the outer surface of the fuel electrode current collector 21, and as a result, two side surfaces and a bottom surface along the width direction (y-axis direction) of the rectangular interconnector 30 Are in contact with the anode current collector 21 in the recess 21b. Therefore, the fuel electrode 20 (the current collector 21) and the interconnector 30 are compared to the case where a configuration in which the rectangular parallelepiped interconnector 30 is laminated (contacted) on the outer plane of the fuel electrode current collector 21 is employed. The area of the interface with can be increased. Therefore, the electronic conductivity between the fuel electrode 20 and the interconnector 30 can be increased, and as a result, the power generation output of the fuel cell can be increased.

また、上記第2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。   In the second embodiment, a plurality of power generating element portions A are provided on the upper and lower surfaces of the flat support substrate 10. Thereby, compared with the case where a plurality of power generation element portions are provided only on one side 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.

また、上記第2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 second embodiment, the solid electrolyte membrane 40 covers the outer surface of the fuel electrode 20, both side ends in the longitudinal direction of the outer surface of the interconnector 30, and the main surface of the support substrate 10. Here, no step is formed between the outer surface of the fuel electrode 20, the outer surface of the interconnector 30, and the main surface of the support substrate 10. Therefore, the solid electrolyte membrane 40 is flattened. As a result, compared with the case where a step is formed in the solid electrolyte membrane 40, the generation of cracks in the solid electrolyte membrane 40 due to stress concentration can be suppressed, and the gas sealing function of the solid electrolyte membrane 40 is reduced. Can be suppressed.

11…導電性支持体、12…燃料極、13…固体電解質、14…空気極、
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、500…コーティング膜、A…発電素子部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Electroconductive support body, 12 ... Fuel electrode, 13 ... Solid electrolyte, 14 ... Air electrode,
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Support substrate, 11 ... Fuel gas flow path, 12 ... Recessed part, 20 ... Fuel electrode, 21 ... Fuel electrode current collecting part, 21a, 21b ... Recessed part, 22 ... Fuel electrode active part, 30 ... Interconnector, 40 ... Solid Electrolyte membrane, 50 ... Reaction prevention film, 60 ... Air electrode, 70 ... Air electrode current collector film, 500 ... Coating film, A ... Power generation element part

Claims (6)

長手方向を有する多孔質の支持基板であって1つ又は複数のガス流路が前記長手方向に沿って内部に形成された支持基板と、
前記支持基板の主面に設けられ、少なくとも燃料極、固体電解質、及び空気極がこの順で積層された発電素子部と、
を備えた焼成体である燃料電池であって、
前記各ガス流路の前記長手方向における一端側及び他端側がそれぞれ、ガス流入側及びガス排出側に対応し、
少なくとも、前記各ガス流路の内壁面における前記ガス排出側の端部、及び、前記支持基板の前記長手方向における前記ガス排出側の端面に、前記支持基板より気孔率が小さいコーティング膜が形成されており、
前記コーティング膜における前記支持基板の前記ガス排出側の端面に形成された部分の表面粗さが、算術平均粗さRaで0.13〜5.2μmである、燃料電池。
A porous support substrate having a longitudinal direction and one or more gas flow paths formed therein along the longitudinal direction;
A power generation element portion provided on the main surface of the support substrate, wherein at least a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are laminated in this order;
A fuel cell that is a fired body comprising:
One end side and the other end side in the longitudinal direction of each gas flow path correspond to a gas inflow side and a gas discharge side, respectively.
A coating film having a porosity smaller than that of the support substrate is formed at least on the end portion on the gas discharge side of the inner wall surface of each gas flow path and on the end surface on the gas discharge side in the longitudinal direction of the support substrate. And
The fuel cell, wherein a surface roughness of a portion of the coating film formed on the end surface on the gas discharge side of the support substrate is an arithmetic average roughness Ra of 0.13 to 5.2 μm.
請求項1に記載の燃料電池において、
前記コーティング膜における前記支持基板の前記ガス排出側の端面に形成された部分の厚さが、3〜45μmである、燃料電池。
The fuel cell according to claim 1, wherein
The fuel cell, wherein a thickness of a portion of the coating film formed on an end surface of the support substrate on the gas discharge side is 3 to 45 μm.
長手方向を有する多孔質の支持基板であって1つ又は複数のガス流路が前記長手方向に沿って内部に形成された支持基板と、
前記支持基板の主面における互いに離れた複数の箇所にそれぞれ設けられ、少なくとも燃料極、固体電解質、及び空気極が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、
を備えた焼成体である燃料電池であって、
前記支持基板の主面における前記複数の箇所に、前記支持基板の材料からなる底壁と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、
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、
前記各ガス流路の前記長手方向における一端側及び他端側がそれぞれ、ガス流入側及びガス排出側に対応し、
少なくとも、前記各ガス流路の内壁面における前記ガス排出側の端部、及び、前記支持基板の前記長手方向における前記ガス排出側の端面に、前記支持基板より気孔率が小さいコーティング膜が形成されており、
前記コーティング膜における前記支持基板の前記ガス排出側の端面に形成された部分の表面粗さが、算術平均粗さRaで0.13〜5.2μmである、燃料電池。
A porous support substrate having a longitudinal direction and one or more gas flow paths formed therein along the longitudinal direction;
A plurality of power generating element portions each provided at a plurality of locations apart from each other on the main surface of the support substrate, wherein at least a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are 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
A fuel cell that is a fired body comprising:
Recesses having a bottom wall made of the material of the support substrate and a circumferentially closed side wall made of the material of the support substrate are formed in the plurality of locations on the main surface of the support substrate,
In each of the recesses, the corresponding fuel electrode of the power generation element portion is embedded,
One end side and the other end side in the longitudinal direction of each gas flow path correspond to a gas inflow side and a gas discharge side, respectively.
A coating film having a porosity smaller than that of the support substrate is formed at least on the end portion on the gas discharge side of the inner wall surface of each gas flow path and on the end surface on the gas discharge side in the longitudinal direction of the support substrate. And
The fuel cell, wherein a surface roughness of a portion of the coating film formed on the end surface on the gas discharge side of the support substrate is an arithmetic average roughness Ra of 0.13 to 5.2 μm.
請求項3に記載の燃料電池において、
前記コーティング膜における前記支持基板の前記ガス排出側の端面に形成された部分の厚さが、3〜45μmである、燃料電池。
The fuel cell according to claim 3, wherein
The fuel cell, wherein a thickness of a portion of the coating film formed on an end surface of the support substrate on the gas discharge side is 3 to 45 μm.
請求項1乃至請求項4の何れか一項に記載の燃料電池において、
前記支持基板の気孔率は、20〜60%であり、前記コーティング膜の気孔率は、0〜10%である、燃料電池。
The fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein
The fuel cell according to claim 1, wherein the support substrate has a porosity of 20 to 60%, and the coating film has a porosity of 0 to 10%.
請求項1乃至請求項5の何れか一項に記載の燃料電池において、
前記コーティング膜における、前記各ガス流路の内壁面における前記ガス排出側の端部に形成された部分の、前記長手方向の長さが10mm以上である、燃料電池。
The fuel cell according to any one of claims 1 to 5, wherein
A fuel cell, wherein a length of the coating film formed at an end of the gas discharge side on an inner wall surface of each gas flow path is 10 mm or more.
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