JP5501299B2 - Fuel cell structure - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池の構造体に関する。 The present invention relates to a fuel cell structure.
従来より、「ガス流路が一体焼成により内部に形成された、長手方向を有する平板状の多孔質の支持基板」と、「平板状の支持基板の主面に配置され、少なくとも内側電極、固体電解質、及び外側電極が積層されてなる1つ又は複数の発電素子部」とを備えた燃料電池の構造体が知られている(例えば、特許文献1を参照)。 Conventionally, “a flat porous support substrate having a longitudinal direction in which a gas flow path is formed by integral firing” and “at least an inner electrode, a solid substrate disposed on the main surface of the flat support substrate” There is known a structure of a fuel cell including an electrolyte and one or a plurality of power generation element portions in which outer electrodes are stacked (see, for example, Patent Document 1).
近年、この種の燃料電池の構造体に関し、ガス流路の流入口及び流出口が支持基板の長手方向の一方側の端部に形成されて、ガス流路が、流入口から支持基板の長手方向の他方側へと延びる「往路部」と、支持基板の長手方向の他方側から流出口へと延びる「復路部」と、往路部の長手方向の他方側の端部と復路部の長手方向の他方側の端部とを接続する「中間部」とから構成される構成(即ち、ガス流路がU字状に形成される構成)が開発されてきている(例えば、特許文献2、3を参照)。
In recent years, regarding a fuel cell structure of this type, an inlet and an outlet of a gas channel are formed at one end in the longitudinal direction of the support substrate, and the gas channel extends from the inlet to the length of the support substrate. "Outward path part" extending to the other side of the direction, "return path part" extending from the other side in the longitudinal direction of the support substrate to the outlet, and the longitudinal direction of the other side end part of the forward path part and the return path part Has been developed (that is, a configuration in which the gas flow path is formed in a U shape) (for example,
このように、ガス流路の流入口及び流出口が支持基板の長手方向の一方側の端部に形成されることにより、流入口にガスを供給するガス供給管、及び流出口から排ガスを回収するガス排気管を共に、支持基板の長手方向の一方側の端部に設けることができる。換言すれば、支持基板を長手方向の一方側の端部のみで支持する構造(所謂、片持ち構造)を採用しつつ、上述したガス排気管を設けることができる。従って、流出口から排気された排ガスがガス排気管により回収され得、流出口近傍での空気(酸素)との反応による排ガスの燃焼の発生を抑制できる。この結果、排ガスの燃焼に起因する支持基板の端部での局所的な温度上昇の発生を抑制できる。加えて、燃料電池の作動中等において支持基板内で温度差(温度分布)が生じた場合、上記片持ち構造のおかげで支持基板が自由に変形し易い。この結果、熱応力に起因する支持基板でのクラック等の発生を抑制することができる。 As described above, the inlet and outlet of the gas flow path are formed at one end in the longitudinal direction of the support substrate, so that the gas supply pipe that supplies gas to the inlet and the exhaust gas are recovered from the outlet. Both gas exhaust pipes can be provided at one end in the longitudinal direction of the support substrate. In other words, the above-described gas exhaust pipe can be provided while adopting a structure (so-called cantilever structure) that supports the support substrate only at one end in the longitudinal direction. Therefore, the exhaust gas exhausted from the outlet can be collected by the gas exhaust pipe, and combustion of the exhaust gas due to the reaction with air (oxygen) in the vicinity of the outlet can be suppressed. As a result, it is possible to suppress the occurrence of a local temperature rise at the end of the support substrate due to the combustion of the exhaust gas. In addition, when a temperature difference (temperature distribution) occurs in the support substrate during operation of the fuel cell or the like, the support substrate is easily deformed freely due to the cantilever structure. As a result, the occurrence of cracks and the like in the support substrate due to thermal stress can be suppressed.
ところで、特許文献2、3に記載の燃料電池の構造体では、U字状のガス流路の「往路部」と「復路部」とが、支持基板の厚さ方向の同じ位置に形成されている。換言すれば、U字状のガス流路が、支持基板の主面に平行な平面内で形成されている。
By the way, in the structure of the fuel cell described in
これに対し、本発明者は、U字状のガス流路の「往路部」と「復路部」とを支持基板の厚さ方向において異なる位置に形成することにより、様々の新たな作用・効果を奏し得る多種多様な燃料電池の構造体を提供し得ることを見出した。 On the other hand, the present inventor forms various new actions and effects by forming the “outward path part” and the “return path part” of the U-shaped gas flow path at different positions in the thickness direction of the support substrate. It has been found that a wide variety of fuel cell structures capable of achieving the above can be provided.
即ち、本発明に係る燃料電池の構造体は、ガス流路が一体焼成により内部に形成された、長手方向を有する平板状の多孔質の支持基板と、前記平板状の支持基板の主面に配置され、少なくとも内側電極、固体電解質、及び外側電極が積層されてなる1つ又は複数の発電素子部とを備える。この構造体は、複数の発電素子部が支持基板の主面上の異なる位置にそれぞれ配置される構成(所謂「横縞型」)を有していても、複数の発電素子部が支持基板の主面上の或る位置に積層される構成(所謂「縦縞型」)を有していてもよい。 That is, the fuel cell structure according to the present invention includes a flat plate-like porous support substrate having a gas flow path formed therein by integral firing and a main surface of the flat plate-like support substrate. And one or a plurality of power generation element units that are arranged and at least an inner electrode, a solid electrolyte, and an outer electrode are stacked. This structure has a configuration in which a plurality of power generation element portions are arranged at different positions on the main surface of the support substrate (so-called “horizontal stripe type”), but the plurality of power generation element portions are the main portions of the support substrate. You may have the structure (what is called a "vertical stripe type") laminated | stacked on a certain position on the surface.
また、本発明に係る燃料電池の構造体では、前記ガス流路の流入口及び流出口が前記支持基板の前記長手方向の一方側の端部に形成され、前記ガス流路が、前記流入口から前記支持基板の長手方向の他方側へと延びる往路部と、前記支持基板の長手方向の他方側から前記流出口へと延びる復路部と、前記往路部の長手方向の他方側の端部と前記復路部の長手方向の他方側の端部とを接続する中間部と、から構成されている。即ち、U字状のガス流路が形成されている。このガス流路は、燃料ガス用の流路であっても、酸素を含むガス用の流路であってもよい。 In the fuel cell structure according to the present invention, the inlet and outlet of the gas flow path are formed at one end of the support substrate in the longitudinal direction, and the gas flow path is formed of the inlet. A forward path portion extending from the other longitudinal side of the support substrate to the outflow port, and an end portion on the other longitudinal side of the forward path portion. And an intermediate portion connecting the end portion on the other side in the longitudinal direction of the return path portion. That is, a U-shaped gas flow path is formed. This gas flow path may be a flow path for fuel gas or a flow path for gas containing oxygen.
本発明に係る燃料電池の構造体の特徴は、前記復路部と前記往路部とが前記支持基板の厚さ方向において異なる位置に形成されたことにある。これによれば、以下に説明するように、多種多様な燃料電池の構造体を提供することができる。この結果、様々の新たな作用・効果を奏し得る。 The fuel cell structure according to the present invention is characterized in that the return path portion and the forward path portion are formed at different positions in the thickness direction of the support substrate. According to this, as explained below, a wide variety of fuel cell structures can be provided. As a result, various new actions and effects can be achieved.
具体的には、第1に、「前記平板状の支持基板の互いに平行な一対の主面のそれぞれにおける前記長手方向に沿って互いに離れて位置する複数の箇所に、前記発電素子部がそれぞれ配置され、隣り合う前記発電素子部の一方の内側電極と他方の外側電極とが電気的に接続される」場合、即ち、「支持基板の一対の主面の両側について「横縞型」の複数の発電素子部が配置される」場合について説明する。 Specifically, firstly, “the power generation element portions are respectively disposed at a plurality of positions located apart from each other along the longitudinal direction of each of the pair of parallel main surfaces of the flat plate-like support substrate. In the case where one inner electrode and the other outer electrode of the adjacent power generation element portions are electrically connected to each other, that is, “a plurality of“ horizontal stripe type ”power generation on both sides of a pair of main surfaces of the support substrate”. The case where the element portion is arranged ”will be described.
この第1の場合、前記ガス流路の前記往路部が、前記支持基板の厚さ方向の中央部において前記流入口から前記支持基板の長手方向の他方側へと延び、前記ガス流路の前記中間部が、前記支持基板の厚さ方向の中央部から前記厚さ方向の一方側及び他方側へとそれぞれ延び、前記ガス流路の前記復路部が、前記厚さ方向の一方側及び他方側において前記支持基板の長手方向の他方側から前記流出口へとそれぞれ延びるように、前記ガス流路が構成され得る。 In this first case, the forward path portion of the gas flow path extends from the inflow port to the other side in the longitudinal direction of the support substrate at the center in the thickness direction of the support substrate, and the gas flow path An intermediate portion extends from a center portion in the thickness direction of the support substrate to one side and the other side in the thickness direction, respectively, and the return path portion of the gas flow path is one side and the other side in the thickness direction. The gas flow path may be configured to extend from the other side in the longitudinal direction of the support substrate to the outlet.
第2に、「前記平板状の支持基板の互いに平行な第1、第2主面のうちの第1主面のみにおける前記長手方向に沿って互いに離れて位置する複数の箇所に、前記発電素子部がそれぞれ配置され、隣り合う前記発電素子部の一方の内側電極と他方の外側電極とが電気的に接続される」場合、即ち、「支持基板の第1、第2主面の第1主面のみについて「横縞型」の複数の発電素子部が配置される」場合について説明する。 2ndly, "The said power generation element is in several places located mutually apart along the said longitudinal direction only in the 1st main surface of the 1st, 2nd main surfaces parallel to each other of the said flat support substrate. Portions are arranged, and one inner electrode and the other outer electrode of the adjacent power generation element portions are electrically connected to each other ”, that is,“ the first main surfaces of the first and second main surfaces of the support substrate ”. A description will be given of a case where “a plurality of horizontal stripe-type power generation element portions are disposed only on the surface”.
この第2の場合、前記ガス流路の前記往路部が、前記支持基板の厚さ方向の前記第2主面に近い側において前記流入口から前記支持基板の長手方向の他方側へと延び、前記ガス流路の前記中間部が、前記支持基板の厚さ方向の前記第2主面に近い側から前記第1主面に近い側へと延び、前記ガス流路の前記復路部が、前記厚さ方向の前記第1主面に近い側において前記支持基板の長手方向の他方側から前記流出口へと延びるように、前記ガス流路が構成され得る。 In this second case, the forward path portion of the gas flow path extends from the inflow port to the other side in the longitudinal direction of the support substrate on the side close to the second main surface in the thickness direction of the support substrate, The intermediate portion of the gas flow path extends from a side near the second main surface in the thickness direction of the support substrate to a side close to the first main surface, and the return path portion of the gas flow path is The gas flow path may be configured to extend from the other side in the longitudinal direction of the support substrate to the outflow port on a side near the first main surface in the thickness direction.
或いは、この場合、前記ガス流路の前記往路部が、前記支持基板の厚さ方向の前記第1主面に近い側において前記流入口から前記支持基板の長手方向の他方側へと延び、前記ガス流路の前記中間部が、前記支持基板の厚さ方向の前記第1主面に近い側から前記第2主面に近い側へと延び、前記ガス流路の前記復路部が、前記厚さ方向の前記第2主面に近い側において前記支持基板の長手方向の他方側から前記流出口へと延びるように、前記ガス流路が構成され得る。以上、第1、第2の場合では、前記内側電極及び外側電極がそれぞれ、燃料極及び空気極であってもよいし、空気極及び燃料極であってもよい。 Alternatively, in this case, the forward path portion of the gas flow path extends from the inflow port to the other side in the longitudinal direction of the support substrate on the side close to the first main surface in the thickness direction of the support substrate, The intermediate portion of the gas flow path extends from a side near the first main surface in the thickness direction of the support substrate to a side close to the second main surface, and the return path portion of the gas flow path is the thickness The gas flow path may be configured to extend from the other side in the longitudinal direction of the support substrate to the outflow port on a side close to the second main surface in the vertical direction. As described above, in the first and second cases, the inner electrode and the outer electrode may be a fuel electrode and an air electrode, respectively, or may be an air electrode and a fuel electrode.
第3に、「前記平板状の支持基板の互いに平行な第1、第2主面のうちの第1主面には、前記発電素子部が配置され、前記第2主面には、外部と電気的に接続されるインターコネクタが配置される」場合、即ち、「支持基板の第1、第2主面の第1主面のみについて1つの発電素子部又は「縦縞型」の複数の発電素子部が配置される」場合について説明する。この第3の場合では、前記内側電極及び外側電極がそれぞれ、燃料極及び空気極である。ここで、前記インターコネクタ(燃料極側の端子電極)は、化学式La1−xAxCr1−y+zByO3(ただし、A:Ca,Sr,Baから選択される少なくとも1種類の元素、B:Co,Ni,Alから選択される少なくとも1種類の元素、xの範囲:0.05〜0.2、yの範囲:0.02〜0.22、zの範囲:0.02〜0.05)で表わされるランタンクロマイトを含んで構成されることが好適である。 Third, “the power generation element portion is arranged on the first main surface of the first and second main surfaces parallel to each other of the flat support substrate, and the second main surface is connected to the outside. In the case where an electrically connected interconnector is disposed, that is, “one power generation element portion or only“ vertical stripe type ”power generation elements for only the first main surfaces of the first and second main surfaces of the support substrate. Will be described. In the third case, the inner electrode and the outer electrode are a fuel electrode and an air electrode, respectively. Here, the interconnector (fuel electrode side of the terminal electrodes) has the formula La 1-x A x Cr 1 -y + z B y O 3 ( provided that, A: Ca least one element, Sr, is selected from Ba , B: at least one element selected from Co, Ni, Al, x range: 0.05 to 0.2, y range: 0.02 to 0.22, z range: 0.02 It is preferable that the lanthanum chromite represented by 0.05) is included.
この第3の場合、前記ガス流路の前記往路部が、前記支持基板の厚さ方向の前記第1主面に近い側において前記流入口から前記支持基板の長手方向の他方側へと延び、前記ガス流路の前記中間部が、前記支持基板の厚さ方向の前記第1主面に近い側から前記第2主面に近い側へと延び、前記ガス流路の前記復路部が、前記厚さ方向の前記第2主面に近い側において前記支持基板の長手方向の他方側から前記流出口へと延びるように、前記ガス流路が構成され得る。以下、この構成による作用・効果について説明する。 In the third case, the forward path portion of the gas flow path extends from the inlet to the other side in the longitudinal direction of the support substrate on the side close to the first main surface in the thickness direction of the support substrate. The intermediate portion of the gas flow path extends from a side near the first main surface in the thickness direction of the support substrate to a side close to the second main surface, and the return path portion of the gas flow path is The gas flow path may be configured to extend from the other side in the longitudinal direction of the support substrate to the outflow port on a side close to the second main surface in the thickness direction. Hereinafter, the operation and effect of this configuration will be described.
この構成では、第1主面の近傍に配置された往路部を流れる燃料ガスは、第1主面に配置された発電素子部の燃料極での反応により燃料が消費され且つ水蒸気を発生しながら中間部へと進行する。即ち、往路部内での燃料ガスの濃度は、長手方向の一方側から他方側への位置の移動につれて徐々に減少していくと考えられる。従って、燃料ガスが中間部を介して復路部に進入する際には、燃料ガスは薄くなっている。加えて、第2主面側には発電素子部が配置されていないので、第2主面の近傍に配置された復路部を流れる燃料ガスは、発電素子部での反応により燃料を消費されることなく流出口へと進行する。以上より、第2主面に配置されたインターコネクタの内側面は、薄い且つ均一な燃料ガスに曝される。 In this configuration, the fuel gas flowing in the forward path portion disposed in the vicinity of the first main surface is consumed by the reaction at the fuel electrode of the power generation element portion disposed on the first main surface and generates water vapor. Proceed to the middle part. That is, it is considered that the concentration of the fuel gas in the forward path portion gradually decreases as the position moves from one side to the other side in the longitudinal direction. Therefore, the fuel gas is thin when the fuel gas enters the return path via the intermediate portion. In addition, since the power generation element portion is not arranged on the second main surface side, the fuel gas flowing through the return path portion arranged in the vicinity of the second main surface consumes fuel by the reaction in the power generation element portion. Proceed to the outlet without any problems. As described above, the inner side surface of the interconnector disposed on the second main surface is exposed to a thin and uniform fuel gas.
他方、一般に、インターコネクタ(燃料極側の端子電極)の材料としては、ランタンクロマイトが採用される。これは、燃料極側の端子電極の内側面が還元雰囲気に曝され且つ外側面が酸化雰囲気に曝されることに基づく。酸化・還元の両雰囲気で安定な導電性セラミックスとしては、現状では、ランタンクロマイトが優れている。ランタンクロマイトは、強い還元雰囲気に曝されると膨張する性質を有する。従って、ランタンクロマイトから構成される板状物体の一方の面を強い還元雰囲気に曝し、他方の面を酸化雰囲気に曝すと、両面間の膨張差に起因してその物体に反りが発生する。この点、上記構成によれば、インターコネクタの内側面が、弱い還元雰囲気に曝される。従って、インターコネクタが反り難い。 On the other hand, lanthanum chromite is generally used as a material for the interconnector (terminal electrode on the fuel electrode side). This is based on the fact that the inner surface of the terminal electrode on the fuel electrode side is exposed to a reducing atmosphere and the outer surface is exposed to an oxidizing atmosphere. At present, lanthanum chromite is excellent as a conductive ceramic that is stable in both oxidizing and reducing atmospheres. Lanthanum chromite has the property of expanding when exposed to a strong reducing atmosphere. Therefore, when one surface of a plate-like object made of lanthanum chromite is exposed to a strong reducing atmosphere and the other surface is exposed to an oxidizing atmosphere, the object warps due to a difference in expansion between both surfaces. In this regard, according to the above configuration, the inner surface of the interconnector is exposed to a weak reducing atmosphere. Therefore, the interconnector is difficult to warp.
加えて、インターコネクタの内側面が、均一な還元雰囲気に曝される。従って、インターコネクタの内部やインターコネクタと接合する他の材料との界面等において前記膨張に起因して発生し得る応力の分布が抑制されて、前記応力の分布に起因するインターコネクタの破壊や剥離を抑制することができる。なお、上述したランタンクロマイトの膨張については、例えば、Electrochemistry_68, No.2 (2000)_p526-530等に詳細に記載されている。 In addition, the inner surface of the interconnector is exposed to a uniform reducing atmosphere. Accordingly, the distribution of stress that may be generated due to the expansion is suppressed in the interior of the interconnector or at the interface with other materials to be joined to the interconnector, and the interconnector is destroyed or peeled off due to the stress distribution. Can be suppressed. The above-described expansion of lanthanum chromite is described in detail in, for example, Electrochemistry_68, No. 2 (2000) _p526-530.
また、上記第3の場合、前記ガス流路の前記往路部が、前記支持基板の厚さ方向の前記第2主面に近い側において前記流入口から前記支持基板の長手方向の他方側へと延び、前記ガス流路の前記中間部が、前記支持基板の厚さ方向の前記第2主面に近い側から前記第1主面に近い側へと延び、前記ガス流路の前記復路部が、前記厚さ方向の前記第1主面に近い側において前記支持基板の長手方向の他方側から前記流出口へと延びるように、前記ガス流路が構成され得る。 Further, in the third case, the forward path portion of the gas flow path is from the inlet to the other side in the longitudinal direction of the support substrate on the side close to the second main surface in the thickness direction of the support substrate. The intermediate portion of the gas flow path extends from a side near the second main surface in the thickness direction of the support substrate to a side close to the first main surface, and the return path portion of the gas flow path The gas flow path may be configured to extend from the other side in the longitudinal direction of the support substrate to the outflow port on the side near the first main surface in the thickness direction.
上述した種々の燃料電池の構造体において、前記ガス流路の前記往路部が、前記支持基板の厚さ方向の「前記発電素子部が配置される前記支持基板の主面」に近い側に配置されない場合、前記ガス流路の前記往路部の内壁が、前記支持基板を構成する多孔質材料より気孔率が小さい材料で構成され得る。前記「気孔率が小さい材料」の膜は、例えば、コーティング等により形成され得る。以下、この構成による作用・効果について説明する。 In the various fuel cell structures described above, the forward path portion of the gas flow path is disposed on the side closer to the “main surface of the support substrate on which the power generation element portion is disposed” in the thickness direction of the support substrate. If not, the inner wall of the forward path portion of the gas flow path may be made of a material having a lower porosity than the porous material constituting the support substrate. The film of the “material with low porosity” can be formed by, for example, coating. Hereinafter, the operation and effect of this configuration will be described.
支持基板は多孔質材料で構成されている。従って、往路部を流れるガスの一部は、中間部まで到達することなく、支持基板を構成する多孔質材料内の多数の気孔を通って復路部にショートカットする。このようにショートカットするガスの割合は、多孔質材料の気孔率が大きい場合、流入口から流入するガスの圧力が高い場合等に大きくなり易い。ショートカットするガスの割合が大きくなると、中間部まで到達するガスが少なくなり、発電素子部において発電に寄与できる領域が狭くなる。このことは、燃料電池の発電出力の低下に繋がる。従って、ショートカットするガスの割合が大きいことが問題となる場合、係るショートカットを抑制する対策を施す必要がある。 The support substrate is made of a porous material. Therefore, a part of the gas flowing in the forward path portion does not reach the intermediate portion, and shortcuts to the return path portion through a large number of pores in the porous material constituting the support substrate. The ratio of the gas to be short-cut in this way is likely to increase when the porosity of the porous material is large or when the pressure of the gas flowing in from the inlet is high. When the ratio of the gas to be short-cut increases, the gas that reaches the intermediate portion decreases, and the region that can contribute to power generation in the power generation element portion is narrowed. This leads to a decrease in the power generation output of the fuel cell. Therefore, when a large proportion of the shortcut gas is a problem, it is necessary to take measures to suppress the shortcut.
この構成は、係る知見に基づく。この構成によれば、往路部を流れるガスのショートカットが抑制される。従って、ショートカットするガスの割合が減少して、中間部まで到達するガスの割合が増大する。この結果、ガスのショートカットに起因する燃料電池の発電出力の低下を抑制することができる。 This configuration is based on such knowledge. According to this structure, the shortcut of the gas which flows through an outward path part is suppressed. Accordingly, the ratio of the gas to be short-cut decreases, and the ratio of the gas that reaches the middle portion increases. As a result, it is possible to suppress a decrease in the power generation output of the fuel cell due to the gas shortcut.
上記のように、前記ガス流路の前記往路部の内壁が前記「気孔率が小さい材料」で構成される場合、前記「気孔率が小さい材料」は、燃料ガスの改質反応を促す触媒成分を含んでいてもよい。燃料ガスの改質反応(例えば、都市ガスから水素分子を生成する反応)は吸熱反応である。従って、この構成によれば、ガス流路の流入口から「改質前のガス」(例えば、都市ガス)を供給することにより、往路部を流れるガスに改質反応(=吸熱反応)が発生する。 As described above, when the inner wall of the forward path portion of the gas flow path is composed of the “material having a low porosity”, the “material having a low porosity” is a catalyst component that promotes a reforming reaction of fuel gas. May be included. A fuel gas reforming reaction (for example, a reaction for generating hydrogen molecules from city gas) is an endothermic reaction. Therefore, according to this configuration, by supplying “gas before reforming” (for example, city gas) from the inlet of the gas flow path, a reforming reaction (= endothermic reaction) occurs in the gas flowing in the forward path portion. To do.
この結果、往路部内にて、発電素子部にて使用され得る「改質後のガス」(例えば、水素分子)が得られる。「改質後のガス」は、発電素子部での発電反応に供される。この発電反応は、発電素子部の内部抵抗と熱力学的なエントロピー項に起因する発熱反応である。この発熱反応に起因して発電素子部の温度が上昇する。一方、往路部では改質反応に伴う吸熱反応が発生している。この吸熱反応に起因して往路部の温度が低下する。即ち、発電素子部と往路部との間で温度差が発生する。係る温度差により、発電素子部の熱の一部が往路部に移動する。このため、熱的なバランスを保ちやすい構造が得られる。即ち、作動中の燃料電池の構造体全体の定常的な温度を適切な範囲に維持することができる。 As a result, “reformed gas” (for example, hydrogen molecules) that can be used in the power generation element section is obtained in the forward path section. The “modified gas” is subjected to a power generation reaction in the power generation element section. This power generation reaction is an exothermic reaction resulting from the internal resistance of the power generation element portion and the thermodynamic entropy term. Due to this exothermic reaction, the temperature of the power generation element portion increases. On the other hand, an endothermic reaction accompanying the reforming reaction occurs in the forward path portion. Due to this endothermic reaction, the temperature of the forward path portion decreases. That is, a temperature difference is generated between the power generation element portion and the forward path portion. Due to the temperature difference, a part of the heat of the power generation element portion moves to the forward path portion. For this reason, the structure which is easy to maintain a thermal balance is obtained. That is, the steady temperature of the entire fuel cell structure in operation can be maintained within an appropriate range.
また、改質反応を促す触媒成分の塗布量(膜厚等)を往路部において長手方向に沿って連続的又は断続的に変更することにより、上述した発熱と吸熱とのバランスを任意に調整することが可能である。例えば、往路部の入口(流入口)付近に改質反応を促す触媒成分を多く塗付することにより、往路部の入口(流入口)付近、即ち、支持基板の保持部分の温度を下げることができる。この結果、支持基板と、支持基板の保持に使用されるセラミックス材料、ガラス材料、金属材料等との間の接合部分に作用する熱膨張差に起因する熱応力を低減することができる。 Further, the balance between the heat generation and the heat absorption described above is arbitrarily adjusted by changing the coating amount (film thickness, etc.) of the catalyst component that promotes the reforming reaction continuously or intermittently along the longitudinal direction in the forward path portion. It is possible. For example, by applying a large amount of a catalyst component that promotes the reforming reaction in the vicinity of the entrance (inlet) of the forward path, the temperature in the vicinity of the entrance (inlet) of the forward path, that is, the holding portion of the support substrate can be lowered. it can. As a result, it is possible to reduce thermal stress due to a difference in thermal expansion that acts on the joint portion between the support substrate and the ceramic material, glass material, metal material, or the like used for holding the support substrate.
(構成)
図1は、本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池(SOFC)の構造体を示す。このSOFCの構造体は、長手方向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。なお、支持基板10の「主面」とは、支持基板の外表面を構成する複数の平面のうちで、他の平面よりも面積が大きい平面を指す。
(Constitution)
FIG. 1 shows a structure of a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention. This SOFC structure has a plurality (in this example, electrically connected in series to the upper and lower surfaces (main surfaces (planar surfaces) on both sides parallel to each other) of the
このSOFCの構造体の全体を上方からみた形状は、例えば、長手方向の辺の長さが5〜50cmで長手方向に直交する幅方向の長さが1〜10cmの長方形である。このSOFCの構造体の全体の厚さは、1〜10mmである。このSOFCの構造体の全体は、厚さ方向の中心を通り且つ支持基板10の主面に平行な面に対して上下対称の形状を有する。以下、図1に加えて、このSOFCの構造体の、図1に示す2−2線に対応する部分断面図である図2、並びに、図1に示す3A−3A線、3B−3B線、3C−3C線に対応する断面図である図3を参照しながら、このSOFCの構造体の詳細について説明する。
The shape of the entire SOFC structure viewed from above is, for example, a rectangle having a side length of 5 to 50 cm in the longitudinal direction and a length of 1 to 10 cm in the width direction perpendicular to the longitudinal direction. The total thickness of the SOFC structure is 1 to 10 mm. The entire SOFC structure has a vertically symmetrical shape with respect to a plane passing through the center in the thickness direction and parallel to the main surface of the
図2は、代表的な1組の隣り合う発電素子部A,Aのそれぞれの構成(の一部)、並びに、発電素子部A,A間の構成を示す。その他の組の隣り合う発電素子部A,A間の構成も、図2に示す構成と同様である。図3は、支持基板10の幅方向における「支持基板の厚さ方向に平行な平面内を通る燃料ガス流路11」を含む位置(3か所)において、支持基板10を厚さ方向に平行な面で切断して得られる断面を示す。
FIG. 2 shows 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. FIG. 3 shows that the
支持基板10は、電子伝導性を有さない多孔質の材料からなる平板状の焼成体である。支持基板10は、燃料ガス流路11を含んでその全体が一体焼成されてなる。図3に示すように、支持基板10の内部には、支持基板10の幅方向における複数個所(本例では、3か所)において、「支持基板10の厚さ方向に平行な平面内を通る燃料ガス流路11」がそれぞれ形成されている。各燃料ガス流路11の流入口11in及び流出口11outは共に、支持基板10の長手方向の一方側の端部(端面)に形成されている。
The
各燃料ガス流路11は、流入口11inから長手方向の他方側へと延びる往路部11aと、支持基板10の長手方向の他方側から流出口11outへと延びる一対の復路部11b,11bと、往路部11aの長手方向の他方側の端部と一対の復路部11b,11bの長手方向の他方側のそれぞれの端部とを接続する一対の中間部11c,11cと、から構成されている。
Each fuel
より具体的には、往路部11aは、支持基板10の厚さ方向の中央部において流入口11inから支持基板10の長手方向に沿って長手方向の他方側へと直線的に延びている。一対の中間部11c,11cは、支持基板10の厚さ方向の中央部から厚さ方向の一方側及び他方側へとそれぞれ直線的に延びている。一対の復路部11b,11bは、支持基板10の厚さ方向の一方側及び他方側において支持基板10の長手方向の他方側から支持基板10の長手方向に沿って流出口11outへと直線的にそれぞれ延びている。即ち、復路部11aと往路部11bとは支持基板10の厚さ方向において異なる位置に形成されている。
More specifically, the
各燃料ガス流路11内の燃料ガスは、往路部11aにて流入口11inから長手方向の他方側に向けて厚さ方向の中央部を進み、その後、一対の中間部11c,11cにて厚さ方向の一方側及び他方側へとそれぞれ進み、その後、一対の復路部11b,11bにて長手方向の他方側から流出口11outに向けてそれぞれ進む。
The fuel gas in each
支持基板10は、例えば、CSZ(カルシア安定化ジルコニア)から構成され得る。或いは、NiO(酸化ニッケル)とYSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)とから構成されてもよいし、NiO(酸化ニッケル)とY2O3(イットリア)とから構成されてもよいし、MgO(酸化マグネシウム)とMgAl2O4(マグネシアアルミナスピネル)とから構成されてもよい。支持基板10の厚さは、1〜10mm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
図1、図2に示すように、支持基板10の上面(上側の主面)には、複数(本例では、4つ)の同形の直方体状の燃料極20が長手方向において所定の間隔をおいてそれぞれ、前記上面(平面)から突出するように設けられている。燃料極20は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。燃料極20は、後述する固体電解質膜40に接する燃料極活性部22と、燃料極活性部22以外の残りの部分である燃料極集電部21とから構成される。
As shown in FIGS. 1 and 2, a plurality (four in this example) of rectangular
燃料極活性部22は、例えば、NiO(酸化ニッケル)とYSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)とから構成され得る。或いは、NiO(酸化ニッケル)とGDC(ガドリニウムドープセリア)とから構成されてもよい。燃料極集電部21は、例えば、NiO(酸化ニッケル)とYSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)とから構成され得る。或いは、NiO(酸化ニッケル)とY2O3(イットリア)とから構成されてもよいし、NiO(酸化ニッケル)とCSZ(カルシア安定化ジルコニア)とから構成されてもよい。燃料極活性部22の厚さは、5〜30μmであり、燃料極集電部21の厚さ(即ち、凹部12の深さ)は、50〜500μmである。
The fuel electrode
各燃料極20(より具体的には、各燃料極集電部21)の上面の所定箇所には、薄板状のインターコネクタ30が形成されている。インターコネクタ30は、電子伝導性を有する緻密な材料からなる焼成体である。インターコネクタ30を上方からみた形状は、燃料極20が存在する範囲に亘って幅方向に延びる長方形である。インターコネクタ30は、例えば、LaCrO3(ランタンクロマイト)から構成され得る。或いは、(Sr,La)TiO3(ストロンチウムチタネート)から構成されてもよい。インターコネクタ30の厚さは、10〜100μmである。
A thin plate-
複数の燃料極20が突出した状態の支持基板10における長手方向に延びる外周面において複数のインターコネクタ30が形成された部分を除いた全面、並びに、支持基板10の長手方向の他方側の端面は、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 outer peripheral surface extending in the longitudinal direction of the
即ち、複数の燃料極20が突出した状態の支持基板10における長手方向に延びる外周面の全面、並びに、支持基板10の長手方向の他方側の端面は、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
固体電解質膜40における各燃料極活性部22と接している箇所の上面には、反応防止膜50を介して空気極60が形成されている。反応防止膜50は、緻密な材料からなる焼成体であり、空気極60は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。反応防止膜50及び空気極60を上方からみた形状は、燃料極活性部22と略同一の長方形である。
An
反応防止膜50は、例えば、GDC=(Ce,Gd)O2(ガドリニウムドープセリア)から構成され得る。反応防止膜50の厚さは、3〜50μmである。空気極60は、例えば、LSCF=(La,Sr)(Co,Fe)O3(ランタンストロンチウムコバルトフェライト)から構成され得る。或いは、LSF=(La,Sr)FeO3(ランタンストロンチウムフェライト)、LNF=La(Ni,Fe)O3(ランタンニッケルフェライト)、LSC=(La,Sr)CoO3(ランタンストロンチウムコバルタイト)等から構成されてもよい。また、空気極60は、LSCFからなる第1層(内側層)とLSCからなる第2層(外側層)との2層によって構成されてもよい。空気極60の厚さは、10〜100μmである。
The
なお、反応防止膜50が介装されるのは、SOFC作製時又は作動中のSOFC内において固体電解質膜40内のYSZと空気極60内のSrとが反応して固体電解質膜40と空気極60との界面に電気抵抗が大きい反応層が形成される現象の発生を抑制するためである。
The
ここで、燃料極20と、固体電解質膜40と、反応防止膜50と、空気極60とが積層されてなる積層体が、「発電素子部A」に対応する(図2を参照)。即ち、支持基板10の上面には、複数(本例では、4つ)の発電素子部Aが、長手方向において所定の間隔をおいて配置されている。
Here, the laminated body formed by laminating the
各組の隣り合う発電素子部A,Aについて、一方の(図2では、左側の)発電素子部Aの空気極60と、他方の(図2では、右側の)発電素子部Aのインターコネクタ30とを跨ぐように、空気極60、固体電解質膜40、及び、インターコネクタ30の上面に、空気極集電膜70が形成されている。空気極集電膜70は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。空気極集電膜70を上方からみた形状は、長方形である。
For each pair of adjacent power generation element portions A and A, the
空気極集電膜70は、例えば、LSCF=(La,Sr)(Co,Fe)O3(ランタンストロンチウムコバルトフェライト)から構成され得る。或いは、LSC=(La,Sr)CoO3(ランタンストロンチウムコバルタイト)から構成されてもよい。或いは、Ag(銀)、Ag−Pd(銀パラジウム合金)から構成されてもよい。空気極集電膜70の厚さは、50〜500μmである。
The air electrode
このように各空気極集電膜70が形成されることにより、各組の隣り合う発電素子部A,Aについて、一方の(図2では、左側の)発電素子部Aの空気極60と、他方の(図2では、右側の)発電素子部Aの燃料極20(特に、燃料極集電部21)とが、電子伝導性を有する「空気極集電膜70及びインターコネクタ30」を介して電気的に接続される。この結果、支持基板10の上面に配置されている複数(本例では、4つ)の発電素子部Aが電気的に直列に接続される。ここで、電子伝導性を有する「空気極集電膜70及びインターコネクタ30」が、「電気的接続部」に対応する。
By forming each air electrode
以上、説明した「横縞型」のSOFCの構造体を作動させる際には、支持基板10の長手方向の一方側の端部(即ち、流入口11in及び流出口11outが露呈している端部)に、流入口11inに燃料ガスを供給するためのガス供給管(図示せず)、及び、流出口11outから排気される燃料ガスを回収するためのガス排気管(図示せず)が接続される。ガス供給管とガス排気管とは一体であってもよいし、別体であってもよい。そして、図4に示すように、支持基板10の燃料ガス流路11内に燃料ガス(水素ガス等)を流すとともに、支持基板10の上下面(特に、各空気極集電膜70)を「酸素を含むガス」(空気等)に曝す(或いは、支持基板10の上下面に沿って酸素を含むガスを流す)ことにより、固体電解質膜40の両側面間に生じる酸素分圧差によって起電力が発生する。更に、この構造体を外部の負荷に接続すると、下記(1)、(2)式に示す化学反応が起こり、電流が流れる(発電状態)。
(1/2)・O2+2e−→O2− (於:空気極60) …(1)
H2+O2−→H2O+2e−
(於:燃料極20) …(2)
When the “horizontal stripe type” SOFC structure described above is operated, one end in the longitudinal direction of the support substrate 10 (that is, the end where the inflow port 11in and the outflow port 11out are exposed). Further, a gas supply pipe (not shown) for supplying fuel gas to the inflow port 11in and a gas exhaust pipe (not shown) for recovering the fuel gas exhausted from the outflow port 11out are connected. . The gas supply pipe and the gas exhaust pipe may be integrated or separate. Then, as shown in FIG. 4, fuel gas (hydrogen gas or the like) flows through the fuel
(1/2) · O 2 + 2e − → O 2− (where: air electrode 60) (1)
H 2 + O 2− → H 2 O + 2e −
(At: Fuel electrode 20) (2)
発電状態においては、図5に示すように、各組の隣り合う発電素子部A,Aについて、電流が、矢印で示すように流れる。この結果、図4に示すように、このSOFCの構造体全体から(具体的には、図4において最も手前側の発電素子部Aのインターコネクタ30と最も奥側の発電素子部Aの空気極60とを介して)電力が取り出される。
In the power generation state, as shown in FIG. 5, a current flows as indicated by an arrow in each pair of adjacent power generation element portions A and A. As a result, as shown in FIG. 4, the SOFC structure as a whole (specifically, the
(製造方法)
次に、図1に示した「横縞型」のSOFCの構造体の製造方法の一例について図6〜図14を参照しながら簡単に説明する。図6〜図14において、各部材の符号の末尾の「g」は、その部材が「焼成前」であることを表す。
(Production method)
Next, an example of a manufacturing method of the “horizontal stripe type” SOFC structure shown in FIG. 1 will be briefly described with reference to FIGS. 6 to 14, “g” at the end of the reference numeral of each member represents that the member is “before firing”.
先ず、全体の斜視図である図6、並びに、図6に示す7A−7A線、7B−7B線、7C−7C線に対応する断面図である図7に示す形状を有する支持基板の成形体10gが作製される。この支持基板の成形体10gは、例えば、支持基板10の材料(例えば、CSZ)の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、押し出し成形、切削等の手法を利用して作製され得る。以下、図6に示す8−8線に対応する部分断面を表す図8〜図14を参照しながら説明を続ける。
First, FIG. 6 which is an overall perspective view, and a molded body of a support substrate having the shape shown in FIG. 7 which is a cross-sectional view corresponding to the lines 7A-7A, 7B-7B and 7C-7C shown in FIG. 10 g is produced. The molded
図8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9に示すように、支持基板の成形体10gの上下面における所定の複数箇所のそれぞれに、燃料極の成形体(21g+22g)が積層・形成される。各燃料極の成形体(21g+22g)は、例えば、燃料極20の材料(例えば、NiとYSZ)の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリー用いて、印刷法等を利用して積層・形成される。
As shown in FIG. 8, when the support substrate molded
次に、図10に示すように、各燃料極の成形体21gの外側面の所定箇所に、インターコネクタの成形膜30gが形成される。各インターコネクタの成形膜30gは、例えば、インターコネクタ30の材料(例えば、LaCrO3)の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して形成される。
Next, as shown in FIG. 10, a molded
次に、図11に示すように、複数の燃料極の成形体(21g+22g)が積層・形成された状態の支持基板の成形体10gにおける長手方向に延びる外周面において複数のインターコネクタの成形体30gが形成された部分を除いた全面、並びに、支持基板の成形体10gの他方側の端面に、固体電解質膜の成形膜40gが形成される。固体電解質膜の成形膜40gは、例えば、固体電解質膜40の材料(例えば、YSZ)の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法、ディッピング法等を利用して形成される。
Next, as shown in FIG. 11, a plurality of interconnector molded
次に、図12に示すように、固体電解質膜の成形体40gにおける各燃料極の成形体22gと接している箇所の外側面に、反応防止膜の成形膜50gが形成される。各反応防止膜の成形膜50gは、例えば、反応防止膜50の材料(例えば、GDC)の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して形成される。
Next, as shown in FIG. 12, a reaction prevention
そして、このように種々の成形膜が形成された状態の支持基板の成形体10gが、空気中にて1500℃で3時間焼成される。これにより、図1に示したSOFCの構造体において空気極60及び空気極集電膜70が形成されていない状態の構造体が得られる。
Then, 10 g of the support substrate molded body in which various molded films are thus formed is fired in air at 1500 ° C. for 3 hours. As a result, a structure in which the
次に、図13に示すように、各反応防止膜50の外側面に、空気極の成形膜60gが形成される。各空気極の成形膜60gは、例えば、空気極60の材料(例えば、LSCF)の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して形成される。
Next, as shown in FIG. 13, an air
次に、図14に示すように、各組の隣り合う発電素子部について、一方の発電素子部の空気極の成形膜60gと、他方の発電素子部のインターコネクタ30とを跨ぐように、空気極の成形膜60g、固体電解質膜40、及び、インターコネクタ30の外側面に、空気極集電膜の成形膜70gが形成される。各空気極集電膜の成形膜70gは、例えば、空気極集電膜70の材料(例えば、LSCF)の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して形成される。
Next, as shown in FIG. 14, for each pair of adjacent power generation element portions, air is formed so as to straddle the air
そして、このように成形膜60g、70gが形成された状態の支持基板10が、空気中にて1050℃で3時間焼成される。これにより、図1に示したSOFCの構造体が得られる。以上、図1に示したSOFCの構造体の製造方法の一例について説明した。
Then, the
(作用・効果)
以上、説明したように、上記本発明の実施形態に係る「横縞型」のSOFCの構造体では、複数(本例では、3つ)の燃料ガス流路11が支持基板10内に形成されている。各燃料ガス流路11の流入口11in及び流出口11outは共に、支持基板10の長手方向の一方側の端部(端面)に形成されている。各燃料ガス流路11は、往路部11aと、一対の復路部11b,11bと、一対の中間部11c,11cとから構成されている。
(Action / Effect)
As described above, in the “horizontal stripe type” SOFC structure according to the embodiment of the present invention, a plurality (three in this example) of fuel
往路部11aは、支持基板10の厚さ方向の中央部において流入口11inから支持基板10の長手方向に沿って長手方向の他方側へと直線的に延び、一対の復路部11b,11bは、支持基板10の厚さ方向の一方側及び他方側において支持基板10の長手方向の他方側から支持基板10の長手方向に沿って流出口11outへと直線的にそれぞれ延び、一対の中間部11c,11cは、往路部11aの長手方向の他方側の端部と一対の復路部11b,11bの長手方向の他方側のそれぞれの端部とを接続するために、支持基板10の厚さ方向の中央部から厚さ方向の一方側及び他方側へとそれぞれ延びている。即ち、復路部11aと往路部11bとが、支持基板10の厚さ方向において異なる位置に形成されている。
The
なお、本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記実施形態では、この支持基板10の内部の全体が多孔質材料で構成されているが、図15に示すように、燃料ガス流路11の往路部11aの内壁が、支持基板10を構成する多孔質材料より気孔率が小さい膜12で覆われていてもよい。膜12は、例えば、コーティング等により形成され得る。この膜12を設けることにより、以下の作用・効果が発揮され得る。
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various modification can be employ | adopted within the scope of the present invention. For example, in the above embodiment, the entire inside of the
支持基板10は多孔質材料で構成されているので、往路部11aを流れるガスの一部は、中間部11c,11cまで到達することなく、前記多孔質材料内の多数の気孔を通って復路部11b,11bにショートカットする。ショートカットするガスの割合が大きくなると、中間部11c,11cまで到達するガスが少なくなり、発電素子部Aにおいて発電に寄与できる領域が狭くなる。このことは、燃料電池の発電出力の低下に繋がる。従って、ショートカットするガスの割合が大きいことが問題となる場合、係るショートカットを抑制する対策を施す必要がある。
Since the
図15に示す構成は、この問題に対処するものである。この構成によれば、往路部11aを流れるガスのショートカットが抑制される。従って、ショートカットするガスの割合が減少して、中間部11c,11cまで到達するガスの割合が増大する。この結果、ガスのショートカットに起因する燃料電池の発電出力の低下を抑制することができる。
The configuration shown in FIG. 15 addresses this problem. According to this structure, the shortcut of the gas which flows through the
ここで、図15に示す膜12は、燃料ガスの改質反応を促す触媒成分を含んでいてもよい。燃料ガスの改質反応(例えば、都市ガスから水素分子を生成する反応)は吸熱反応である。従って、この構成によれば、燃料ガス流路11の流入口11inから「改質前のガス」(例えば、都市ガス)を供給することにより、往路部11aを流れるガスに改質反応(=吸熱反応)が発生する。
Here, the
この結果、往路部11a内にて、発電素子部Aにて使用され得る「改質後のガス」(例えば、水素分子)が得られる。ここで、「改質後のガス」は、発電素子部Aでの発電反応に供される。この発電反応は発熱反応であるので、この発熱反応に起因して発電素子部Aの温度が上昇する。一方、往路部11aでは改質反応に伴う吸熱反応が発生するので、この吸熱反応に起因して往路部11aの温度が低下する。即ち、発電素子部Aと往路部11aとの間で温度差が発生する。係る温度差により、発電素子部Aの熱の一部が往路部11aに移動する。このため、熱的なバランスを保ちやすい構造が得られる。即ち、作動中の燃料電池の構造体全体の定常的な温度を適切な範囲に維持することができる。
As a result, “reformed gas” (for example, hydrogen molecules) that can be used in the power generation element portion A is obtained in the
なお、改質反応を促す触媒成分の塗布量(膜厚等)を往路部11aにおいて長手方向に沿って連続的又は断続的に変更することにより、上述した発熱と吸熱とのバランスを任意に調整できる。例えば、往路部11aの入口(流入口11in)付近に改質反応を促す触媒成分を多く塗付することにより、往路部11aの入口(流入口11in)付近、即ち、支持基板10の保持部分の温度を下げることができる。この結果、支持基板10と、支持基板10の保持に使用されるセラミックス材料、ガラス材料、金属材料等からなるマニフォールド等との間の接合部分に作用する熱膨張差に起因する熱応力を低減することができる。
In addition, the balance between the heat generation and the heat absorption described above is arbitrarily adjusted by continuously or intermittently changing the coating amount (film thickness, etc.) of the catalyst component that promotes the reforming reaction along the longitudinal direction in the
また、上記実施形態においては、平板状の支持基板10の上下面のそれぞれに「横縞型」の複数の発電素子部Aが設けられているが、支持基板10の片側面のみに「横縞型」の複数の発電素子部Aが設けられていてもよい。以下、支持基板の一対の主面のうち、発電素子部が設けられている主面を「素子形成主面」と呼び、発電素子部が設けられていない主面を「素子非形成主面」と呼ぶ。なお、「素子非形成主面」の全面は、固体電解質膜40で覆われている。
In the above-described embodiment, a plurality of “horizontal stripe type” power generation element portions A are provided on the upper and lower surfaces of the
このように支持基板10の片側面のみに「横縞型」の複数の発電素子部Aが設けられている場合、図16に示すように、燃料ガス流路11の往路部11aが、支持基板10の厚さ方向の中央よりも「素子非形成主面」に近い側において流入口11inから支持基板10の長手方向の他方側へと延び、燃料ガス流路11の中間部11cが、支持基板10の厚さ方向の「素子非形成主面」に近い側から「素子形成主面」に近い側へと延び、燃料ガス流路11の復路部11bが、厚さ方向の中央よりも「素子形成主面」に近い側において支持基板10の長手方向の他方側から流出口11outへと延びるように、燃料ガス流路11が構成され得る。
When a plurality of “horizontal stripe-type” power generation element portions A are provided on only one side surface of the
図16に示す構成の場合、図17に示すように、燃料ガス流路11の往路部11aの内壁が、前記膜12で覆われていてもよい。これによれば、上述した「往路部11a内のガスのショートカットの抑制効果」が発揮され得、ガスのショートカットに起因する燃料電池の発電出力の低下を抑制することができる。また、膜12が燃料ガスの改質反応を促す触媒成分を含んでいる場合、上述した発熱と吸熱とのバランスを任意に調整することにより、作動中の燃料電池の構造体全体の定常的な温度を適切な範囲に維持することができる。
In the case of the configuration shown in FIG. 16, as shown in FIG. 17, the inner wall of the
また、支持基板10の片側面のみに「横縞型」の複数の発電素子部Aが設けられている場合、図18に示すように、燃料ガス流路11の往路部11aが、支持基板10の厚さ方向の中央よりも「素子形成主面」に近い側において流入口11inから支持基板10の長手方向の他方側へと延び、燃料ガス流路11の中間部11cが、支持基板10の厚さ方向の「素子形成主面」に近い側から「素子非形成主面」に近い側へと延び、燃料ガス流路11の復路部11bが、厚さ方向の中央よりも「素子非形成主面」に近い側において支持基板10の長手方向の他方側から流出口11outへと延びるように、燃料ガス流路11が構成され得る。
Further, when a plurality of “horizontal stripe-type” power generation element portions A are provided only on one side surface of the
以上、上記実施形態(図3を参照)、並びに、上述した図15〜図18に示す構成では、支持基板10の両側面又は片側面に「横縞型」の複数の発電素子部Aが設けられているが、図19に示すように、支持基板10の一方の主面(「素子形成主面」)に1つの発電素子部Aが設けられ、他方の主面(「素子非形成主面」)に緻密材料からなる薄板状のインターコネクタ80(燃料極側の端子電極)が設けられていてもよい。図19に示す構成において、発電素子部Aが厚さ方向に複数積層されていてもよい。この場合、「縦縞型」の複数の発電素子部が構成される。
As described above, in the above-described embodiment (see FIG. 3) and the configuration illustrated in FIGS. 15 to 18 described above, a plurality of “horizontal stripe-type” power generation element portions A are provided on both side surfaces or one side surface of the
図19に示す構成では、支持基板10が上述した燃料極集電部21を兼ねている。支持基板10の「素子形成主面」と固体電解質膜40との間に、燃料極活性部22が介装されている。「素子形成主面」上の固体電解質膜40の上には、空気極60が積層されている。ここで、燃料極活性部22と、固体電解質膜40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。支持基板10の「素子非形成主面」の全面が、緻密な材料からなるインターコネクタ80より覆われている。
In the configuration shown in FIG. 19, the
インターコネクタ80は、化学式La1−xAxCr1−y+zByO3(ただし、A:Ca,Sr,Baから選択される少なくとも1種類の元素、B:Co,Ni,Alから選択される少なくとも1種類の元素、xの範囲:0.05〜0.2、yの範囲:0.02〜0.22、zの範囲:0.02〜0.05)で表わされるランタンクロマイトを含んで構成される。これは、燃料極側の端子電極の内側面が還元雰囲気に曝され且つ外側面が酸化雰囲気に曝されることに基づく。酸化・還元の両雰囲気で安定な導電性セラミックスとしては、現状では、ランタンクロマイトが優れている。
図19に示す構成では、燃料ガス流路11の往路部11aが、支持基板10の厚さ方向の中央よりも「素子形成主面」に近い側において流入口11inから支持基板10の長手方向の他方側へと延び、燃料ガス流路11の中間部11cが、支持基板10の厚さ方向の「素子形成主面」に近い側から「素子非形成主面」に近い側へと延び、燃料ガス流路11の復路部11bが、厚さ方向の中央よりも「素子非形成主面」に近い側において支持基板10の長手方向の他方側から流出口11outへと延びるように、燃料ガス流路11が構成されている。この構成により、以下の作用・効果が発揮される。
In the configuration shown in FIG. 19, the
図19に示す構成では、「素子形成主面」の近傍に往路部11aが形成されている。従って、往路部11aを流れる燃料ガスは、「素子形成主面」に配置された発電素子部Aの燃料極活性部22での反応により燃料を消費されながら中間部11cへと進行する。即ち、往路部11a内での燃料ガスの濃度は、長手方向の一方側から他方側への位置の移動につれて徐々に減少していく。従って、燃料ガスが中間部11cを介して復路部11bに進入する際には、燃料ガスは薄くなっている。
In the configuration shown in FIG. 19, the
加えて、復路部11bは「素子非形成主面」の近傍に形成されている。従って、復路部11bを流れる燃料ガスは、発電素子部での反応により燃料を消費されることなく流出口11outへと進行する。以上のことから、「素子非形成主面」に配置されたインターコネクタ80の内側面は、薄い且つ均一な燃料ガスに曝される。
In addition, the
他方、上述したように、インターコネクタ80の材料としては、ランタンクロマイトが採用される。ランタンクロマイトは、強い還元雰囲気に曝されると膨張する性質を有する。従って、ランタンクロマイトから構成される板状物体の一方の面を強い還元雰囲気に曝し、他方の面を酸化雰囲気に曝すと、両面間の膨張差に起因してその物体に反りが発生する。この点につき、図19に示す構成によれば、インターコネクタ80の内側面が、弱い還元雰囲気に曝される。従って、インターコネクタ80が反り難い。
On the other hand, as described above, lanthanum chromite is adopted as the material of the
加えて、インターコネクタ80の内側面が、均一な還元雰囲気に曝される。従って、インターコネクタ80の内部やインターコネクタ80と接合する支持基板10との界面等において前記膨張に起因して発生し得る応力の分布が抑制され得る。従って、前記応力の分布に起因するインターコネクタ80の破壊や剥離を抑制することができる。
In addition, the inner surface of the
また、上述した図19に示すように、支持基板10の片側面(「素子形成主面」)のみに1つの発電素子部A(又は「縦縞型」の複数の発電素子部A)が設けられ、支持基板10の他方の面(「素子非形成主面」)にインターコネクタ80が設けられている場合、図20に示すように、燃料ガス流路11の往路部11aが、支持基板10の厚さ方向の中央よりも「素子非形成主面」に近い側において流入口11inから支持基板10の長手方向の他方側へと延び、燃料ガス流路11の中間部11cが、支持基板10の厚さ方向の「素子非形成主面」に近い側から「素子形成主面」に近い側へと延び、燃料ガス流路11の復路部11bが、厚さ方向の中央よりも「素子形成主面」に近い側において支持基板10の長手方向の他方側から流出口11outへと延びるように、燃料ガス流路11が構成されてもよい。
Further, as shown in FIG. 19 described above, only one power generation element portion A (or a plurality of “vertical stripe type” power generation element portions A) is provided only on one side surface (“element formation main surface”) of the
図20に示す構成の場合、図21に示すように、燃料ガス流路11の往路部11aの内壁が、前記膜12で覆われていてもよい。これによれば、上述した「往路部11a内のガスのショートカットの抑制効果」が発揮され得、ガスのショートカットに起因する燃料電池の発電出力の低下を抑制することができる。また、膜12が燃料ガスの改質反応を促す触媒成分を含んでいる場合、上述した発熱と吸熱とのバランスを任意に調整することにより、作動中の燃料電池の構造体全体の定常的な温度を適切な範囲に維持することができる。
In the case of the configuration shown in FIG. 20, as shown in FIG. 21, the inner wall of the
また、上記実施形態においては、燃料極20が燃料極集電部21と燃料極活性部22との2層で構成されているが、燃料極20が燃料極活性部22に相当する1層で構成されてもよい。加えて、上記実施形態においては、「内側電極」及び「外側電極」がそれぞれ燃料極及び空気極となっているが、逆であってもよい。
Further, in the above embodiment, the
以下、支持基板10の長手方向の一方側の端部(即ち、流入口11in及び流出口11outが露呈している端部)の形状について付言する。上記実施形態では、図1、図3等に示すように、(段差がない)1つの平面によって構成される端面上に、流入口11inと一対の流出口11outとが支持基板10の厚さ方向に沿って配置されている。この構成では、支持基板10の全厚を小さくするためには、隣り合う流入口11inと流出口11outとを1つの平面上に近接して配置する必要がある。1つの平面上に隣り合う流入口11inと流出口11outとが近接して配置されると、流入口11inから流入するガスと流出口11outから流出する排ガスとの混合を防止するためのガスシールを施すための処理が困難になる。
Hereinafter, the shape of one end in the longitudinal direction of the support substrate 10 (that is, the end where the inflow port 11in and the outflow port 11out are exposed) will be additionally described. In the above embodiment, as shown in FIGS. 1, 3, etc., the
係る問題に対処するためには、図22に示す端部形状を有する支持基板10の長手方向の一方側の端部に、図23に示すマニフォールド90を取り付けることが好ましい。このマニフォールド90は、流入口11inに燃料ガスを供給するためのガス供給管の機能と、流出口11outから排気される燃料ガスを回収するためのガス排気管の機能とを兼ね備えている。図24は、図22に示す支持基板10の長手方向の一方側の端部に図23に示したマニフォールド90を取り付けた状態における、図1における3A−3A線、3B−3B線、3C−3C線に対応する部分断面図である。
In order to cope with such a problem, it is preferable to attach a manifold 90 shown in FIG. 23 to the end portion on one side in the longitudinal direction of the
図22に示す支持基板10の長手方向の一方側の端面には、上下一対の流出口11out,11outに干渉しない範囲内の厚さ方向中央部において、幅方向に延びて両端が貫通する長溝13が形成されている。長溝13の断面は、長方形状を呈している。長溝13の底面(平面)には、流入口11inが形成されている。即ち、流入口11inは、上下一対の流出口11out,11outが形成された平面より長手方向の内側に位置する平面に形成されている。
On the end surface on one side in the longitudinal direction of the
図23に示すマニフォールド90の取り付け面91には、支持基板10の端部全体を挿入するための凹部92と、外部から導入された燃料ガスを流入口11inへと供給するためのガス供給路93とが形成されている。凹部92とガス供給路93とは、凹部92の側面の一部に(1か所)形成された連通路94を介して連通している。
A mounting
また、マニフォールド90には、流出口11outから排出された排ガスを回収するためのガス排気路95が形成されている。凹部92とガス排気路95とは、凹部92の底面(平面)に形成された複数の連通路96を介して連通している。凹部92の底面において、複数の連通路96は、支持基板10の端部全体をマニフォールド90の凹部92に挿入した際に、各連通路96が対応する流出口11outと同軸的に連通する位置にそれぞれ配置されている。
Further, the manifold 90 is formed with a
図24に示すように、支持基板10の端部全体は、前記端部における上下一対の流出口11out,11outが形成された平面がマニフォールド90の凹部92の底面(平面)に当接するように、マニフォールド90の凹部92に挿入される。この結果、各流出口11outが、対応する連通路96と同軸的にそれぞれ接続されることにより、ガス排気路95と連通する。他方、溝13と凹部92の底面とで空間S1が区画・形成される。空間S1は、溝13の底面に形成された流入口11inと連通するとともに、上述した連通路94と連通する。この結果、流入口11inが、ガス供給路93と連通する。なお、マニフォールド90が支持基板10に取り付けられた状態では、実際には、ガス供給路93と外部とを区画するため、図23に示すような蓋部材97が取り付けられる。
As shown in FIG. 24, the entire end portion of the
ここで、支持基板10の端部における上下一対の流出口11out,11outが形成された平面と、マニフォールド90の凹部92の底面(平面)とが当接する部位(当接面)において、ガスシール機能が確実に達成され得る。この結果、流入口11inから流入するガスと流出口11outから流出する排ガスとの混合が防止され得る。この構成によれば、支持基板10の全厚が小さくて、隣り合う流入口11inと流出口11outとの厚さ方向の位置が近接していても、上述したガスシール機能が容易に達成され得る。
Here, a gas seal function is provided at a portion (abutment surface) where the plane where the pair of upper and lower outlets 11out and 11out are formed at the end portion of the
以上、図22〜図24に示す接続構造は、「支持基板の長手方向の一方側の端部であって前記支持基板の内部に形成されたガス流路の流入口及び流出口が形成された端部と、前記流入口に燃料ガスを供給する機能と前記流出口から排気される燃料ガスを回収する機能とを備えるとともに前記端部に取り付けられたマニフォールドと、の接続構造であって、
前記支持基板の端部において、前記流入口は、前記流出口が形成された平面より長手方向の内側に位置する平面に形成され、
前記マニフォールドの取り付け面には、前記支持基板の端部を挿入するための凹部が形成されていて、
前記マニフォールドには、外部から導入された燃料ガスを前記流入口へと供給するためのガス供給路と、前記流出口から排出された排ガスを回収するためのガス排気路とが形成されていて、
前記凹部と前記ガス供給路とは、前記凹部の側面に形成された第1連通路を介して連通し、前記凹部と前記ガス排気路とは、前記凹部の底面である平面に形成された第2連通路を介して連通していて、
前記支持基板の端部が前記マニフォールドの凹部に挿入されることにより前記端部と前記マニフォールドとが接続された状態において、前記支持基板の端部における前記流出口が形成された平面が前記マニフォールドの凹部の底面である平面に当接し、前記第2連通路が前記流出口と連通し、前記支持基板の端部と前記凹部とで区画・形成された空間が、前記流入口、及び前記第1連通路と連通している、接続構造。」と表される。
As described above, the connection structure shown in FIGS. 22 to 24 is “the end of one side in the longitudinal direction of the support substrate, and the inlet and outlet of the gas flow path formed inside the support substrate are formed. A connection structure between an end and a manifold having a function of supplying fuel gas to the inlet and a function of collecting fuel gas exhausted from the outlet and attached to the end;
In the end portion of the support substrate, the inflow port is formed in a plane located on the inner side in the longitudinal direction from the plane in which the outflow port is formed,
On the attachment surface of the manifold, a recess for inserting the end of the support substrate is formed,
The manifold is formed with a gas supply path for supplying fuel gas introduced from the outside to the inlet, and a gas exhaust path for recovering exhaust gas discharged from the outlet,
The recess and the gas supply path communicate with each other via a first communication path formed on a side surface of the recess, and the recess and the gas exhaust path are formed on a plane that is a bottom surface of the recess. It communicates through two communication paths,
In a state where the end and the manifold are connected by inserting the end of the support substrate into the recess of the manifold, the plane on which the outflow port is formed at the end of the support substrate is the manifold. A space that is in contact with a flat surface that is the bottom surface of the recess, the second communication path communicates with the outlet, and is defined and formed by an end portion of the support substrate and the recess, and the inlet and the first A connection structure that communicates with the communication path. ".
図25に示す端部形状を有する支持基板10の長手方向の一方側の端部に、図26に示すマニフォールド90を取り付けても同様の作用・効果が得られる。即ち、図25に示す支持基板10の長手方向の一方側の端面には、上下一対の流出口11out,11outに干渉しない範囲内の厚さ方向中央部において、幅方向に両端まで延びる突出部14が形成されている。突出部14の断面は、長方形状を呈している。突出部14の頂面(平面)には、流入口11inが形成されている。即ち、流入口11inは、上下一対の流出口11out,11outが形成された平面より長手方向の外側に位置する平面に形成されている。
Even if the manifold 90 shown in FIG. 26 is attached to one end in the longitudinal direction of the
図26に示すマニフォールド90の取り付け面91には、支持基板10の端部全体を挿入するための凹部92と、流出口11outから排出された排ガスを回収するためのガス排気路95とが形成されている。凹部92とガス排気路95とは、凹部92の側面の一部に(2か所)形成された連通路96を介して連通している。
26, a
また、マニフォールド90には、外部から導入された燃料ガスを流入口11inへと供給するためのガス供給路93とが形成されている。凹部92とガス供給路93とは、凹部92の底面(平面)に形成された複数の連通路94を介して連通している。凹部92の底面において、複数の連通路94は、支持基板10の端部全体をマニフォールド90の凹部92に挿入した際に、各連通路94が対応する流入口11inと同軸的に連通する位置にそれぞれ配置されている。
Further, the manifold 90 is formed with a
図27に示すように、支持基板10の端部全体は、前記端部における流入口11inが形成された平面がマニフォールド90の凹部92の底面(平面)に当接するように、マニフォールド90の凹部92に挿入される。この結果、各流入口11inが、対応する連通路94と同軸的にそれぞれ接続されることにより、ガス供給路93と連通する。他方、突出部14を含む支持基板10の端面と凹部92とで空間S2,S2が区画・形成される。空間S2,S2は、上下一対の流出口11out,11outとそれぞれ連通するとともに、上述した連通路96と連通する。この結果、上下一対の流出口11out,11outが、ガス排気路95と連通する。なお、マニフォールド90が支持基板10に取り付けられた状態では、実際には、ガス排気路95と外部とを区画するため、図26に示すような蓋部材97が取り付けられる。
As shown in FIG. 27, the entire end portion of the
ここで、支持基板10の端部における流入口11inが形成された平面と、マニフォールド90の凹部92の底面(平面)とが当接する部位(当接面)において、ガスシール機能が確実に達成され得る。この結果、流入口11inから流入するガスと流出口11outから流出する排ガスとの混合が防止され得る。この構成によっても、支持基板10の全厚が小さくて、隣り合う流入口11inと流出口11outとの厚さ方向の位置が近接していても、上述したガスシール機能が容易に達成され得る。
Here, the gas sealing function is reliably achieved at the portion (contact surface) where the plane where the inflow port 11in is formed at the end of the
以上、図25〜図27に示す接続構造は、「支持基板の長手方向の一方側の端部であって前記支持基板の内部に形成されたガス流路の流入口及び流出口が形成された端部と、前記流入口に燃料ガスを供給する機能と前記流出口から排気される燃料ガスを回収する機能とを備えるとともに前記端部に取り付けられたマニフォールドと、の接続構造であって、
前記支持基板の端部において、前記流入口は、前記流出口が形成された平面より長手方向の外側に位置する平面に形成され、
前記マニフォールドの取り付け面には、前記支持基板の端部を挿入するための凹部が形成されていて、
前記マニフォールドには、外部から導入された燃料ガスを前記流入口へと供給するためのガス供給路と、前記流出口から排出された排ガスを回収するためのガス排気路とが形成されていて、
前記凹部と前記ガス排気路とは、前記凹部の側面に形成された第1連通路を介して連通し、前記凹部と前記ガス供給路とは、前記凹部の底面である平面に形成された第2連通路を介して連通していて、
前記支持基板の端部が前記マニフォールドの凹部に挿入されることにより前記端部と前記マニフォールドとが接続された状態において、前記支持基板の端部における前記流入口が形成された平面が前記マニフォールドの凹部の底面である平面に当接し、前記第2連通路が前記流入口と連通し、前記支持基板の端部と前記凹部とで区画・形成された空間が、前記流出口、及び前記第1連通路と連通している、接続構造。」と表される。
As described above, the connection structure shown in FIGS. 25 to 27 is “the end of one side in the longitudinal direction of the support substrate and the inlet and outlet of the gas channel formed inside the support substrate are formed. A connection structure between an end and a manifold having a function of supplying fuel gas to the inlet and a function of collecting fuel gas exhausted from the outlet and attached to the end;
In the end portion of the support substrate, the inflow port is formed in a plane located outside in a longitudinal direction from the plane in which the outflow port is formed,
On the attachment surface of the manifold, a recess for inserting the end of the support substrate is formed,
The manifold is formed with a gas supply path for supplying fuel gas introduced from the outside to the inlet, and a gas exhaust path for recovering exhaust gas discharged from the outlet,
The recess and the gas exhaust path communicate with each other via a first communication path formed on a side surface of the recess, and the recess and the gas supply path are formed on a plane that is a bottom surface of the recess. It communicates through two communication paths,
In a state where the end portion and the manifold are connected by inserting the end portion of the support substrate into the concave portion of the manifold, a plane on which the inflow port is formed at the end portion of the support substrate is a portion of the manifold. A space that is in contact with a flat surface that is a bottom surface of the recess, the second communication path communicates with the inflow port, and is defined and formed by an end portion of the support substrate and the recess, and the first and second outlets. A connection structure that communicates with the communication path. ".
また、上記実施形態では、支持基板10の主面上に燃料極20が形成(積層)され、インターコネクタ30が燃料極20の外側面に形成(積層)されているが、図28〜図30に示すように、燃料極20が支持基板10の主面に形成された凹部内に埋設され、且つインターコネクタ30が燃料極20の外側面に形成された凹部内に埋設されていてもよい。以下、上記実施形態に対する、図28〜図30に示す形態の主たる相違点について簡単に説明する。
In the above embodiment, the
図28〜図30に示す形態では、支持基板10の主面(上下面)には、複数の凹部12が長手方向において所定の間隔をおいて形成されている(図30を参照)。各凹部12は、支持基板10の材料からなる底壁と、全周に亘って支持基板10の材料からなる周方向に閉じた側壁(長手方向に沿う2つの側壁と幅方向に沿う2つの側壁)と、で画定された直方体状の窪みである。各凹部12には、燃料極集電部21の全体が埋設(充填)されている。従って、各燃料極集電部21は直方体状を呈している。
In the form shown in FIGS. 28 to 30, a plurality of
各燃料極集電部21の上面(外側面)には、凹部21aが形成されている。各凹部21aは、燃料極集電部21の材料からなる底壁と、周方向に閉じた側壁(長手方向に沿う2つの側壁と幅方向に沿う2つの側壁)と、で画定された直方体状の窪みである。周方向に閉じた側壁のうち、長手方向に沿う2つの側壁は支持基板10の材料からなり、幅方向に沿う2つの側壁は燃料極集電部21の材料からなる。
A
各凹部21aには、燃料極活性部22の全体が埋設(充填)されている。従って、各燃料極活性部22は直方体状を呈している。燃料極集電部21と燃料極活性部22とにより燃料極20が構成される。燃料極20(燃料極集電部21+燃料極活性部22)は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。各燃料極活性部22の幅方向に沿う2つの側面と底面とは、凹部21a内で燃料極集電部21と接触している。
The entire anode
各燃料極集電部21の上面(外側面)における凹部21aを除いた部分には、凹部21bが形成されている。各凹部21bは、燃料極集電部21の材料からなる底壁と、全周に亘って燃料極集電部21の材料からなる周方向に閉じた側壁(長手方向に沿う2つの側壁と、幅方向に沿う2つの側壁)と、で画定された直方体状の窪みである。
A
各凹部21bには、インターコネクタ30が埋設(充填)されている。従って、各インターコネクタ30は直方体状を呈している。インターコネクタ30は、電子伝導性を有する緻密な材料からなる焼成体である。各インターコネクタ30の4つの側壁(長手方向に沿う2つの側壁と、幅方向に沿う2つの側壁)と底面とは、凹部21b内で燃料極集電部21と接触している。
An
燃料極20(燃料極集電部21及び燃料極活性部22)の上面(外側面)と、インターコネクタ30の上面(外側面)と、支持基板10の主面とにより、1つの平面(凹部12が形成されていない場合の支持基板10の主面と同じ平面)が構成されている。即ち、燃料極20の上面とインターコネクタ30の上面と支持基板10の主面との間で、段差が形成されていない。
The upper surface (outer surface) of the fuel electrode 20 (the fuel electrode
燃料極活性部22は、例えば、NiO(酸化ニッケル)とYSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)とから構成され得る。或いは、NiO(酸化ニッケル)とGDC(ガドリニウムドープセリア)とから構成されてもよい。燃料極集電部21は、例えば、NiO(酸化ニッケル)とYSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)とから構成され得る。或いは、NiO(酸化ニッケル)とY2O3(イットリア)とから構成されてもよいし、NiO(酸化ニッケル)とCSZ(カルシア安定化ジルコニア)とから構成されてもよい。燃料極活性部22の厚さは、5〜30μmであり、燃料極集電部21の厚さ(即ち、凹部12の深さ)は、50〜500μmである。
The fuel electrode
このように、燃料極集電部21は、電子伝導性を有する物質を含んで構成される。燃料極活性部22は、電子伝導性を有する物質と酸化性イオン(酸素イオン)伝導性を有する物質とを含んで構成される。燃料極活性部22における「気孔部分を除いた全体積に対する酸化性イオン伝導性を有する物質の体積割合」は、燃料極集電部21における「気孔部分を除いた全体積に対する酸化性イオン伝導性を有する物質の体積割合」よりも大きい。
As described above, the fuel electrode
インターコネクタ30は、例えば、LaCrO3(ランタンクロマイト)から構成され得る。或いは、(Sr,La)TiO3(ストロンチウムチタネート)から構成されてもよい。インターコネクタ30の厚さは、10〜100μmである。
The
燃料極20及びインターコネクタ30がそれぞれの凹部12に埋設された状態の支持基板10における長手方向に延びる外周面において複数のインターコネクタ30が形成されたそれぞれの部分の長手方向中央部を除いた全面は、固体電解質膜40により覆われている。固体電解質膜40は、イオン伝導性を有し且つ電子伝導性を有さない緻密な材料からなる焼成体である。固体電解質膜40は、例えば、YSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)から構成され得る。或いは、LSGM(ランタンガレート)から構成されてもよい。固体電解質膜40の厚さは、3〜50μmである。
The entire surface excluding the central portion in the longitudinal direction of each portion where the plurality of
即ち、燃料極20がそれぞれの凹部12に埋設された状態の支持基板10における長手方向に延びる外周面の全面は、インターコネクタ30と固体電解質膜40とからなる緻密層により覆われている。この緻密層は、緻密層の内側の空間を流れる燃料ガスと緻密層の外側の空間を流れる空気との混合を防止するガスシール機能を発揮する。
That is, the entire outer peripheral surface extending in the longitudinal direction of the
図28に示すように、この例では、固体電解質膜40が、燃料極20の上面、インターコネクタ30の上面における長手方向の両側端部、及び支持基板10の主面を覆っている。ここで、上述したように、燃料極20の上面とインターコネクタ30の上面と支持基板10の主面との間で段差が形成されていない。従って、固体電解質膜40が平坦化されている。この結果、固体電解質膜40に段差が形成される場合に比して、応力集中に起因する固体電解質膜40でのクラックの発生が抑制され得、固体電解質膜40が有するガスシール機能の低下が抑制され得る。
As shown in FIG. 28, in this example, the
固体電解質膜40における各燃料極活性部22と接している箇所の上面には、反応防止膜50を介して空気極60が形成されている。反応防止膜50は、緻密な材料からなる焼成体であり、空気極60は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。反応防止膜50及び空気極60を上方からみた形状は、燃料極活性部22と略同一の長方形である。
An
反応防止膜50は、例えば、GDC=(Ce,Gd)O2(ガドリニウムドープセリア)から構成され得る。反応防止膜50の厚さは、3〜50μmである。空気極60は、例えば、LSCF=(La,Sr)(Co,Fe)O3(ランタンストロンチウムコバルトフェライト)から構成され得る。或いは、LSF=(La,Sr)FeO3(ランタンストロンチウムフェライト)、LNF=La(Ni,Fe)O3(ランタンニッケルフェライト)、LSC=(La,Sr)CoO3(ランタンストロンチウムコバルタイト)等から構成されてもよい。また、空気極60は、LSCFからなる第1層(内側層)とLSCからなる第2層(外側層)との2層によって構成されてもよい。空気極60の厚さは、10〜100μmである。
The
なお、反応防止膜50が介装されるのは、SOFC作製時又は作動中のSOFC内において固体電解質膜40内のYSZと空気極60内のSrとが反応して固体電解質膜40と空気極60との界面に電気抵抗が大きい反応層が形成される現象の発生を抑制するためである。
The
ここで、燃料極20と、固体電解質膜40と、反応防止膜50と、空気極60とが積層されてなる積層体が、「発電素子部A」に対応する(図28を参照)。即ち、支持基板10の上面には、複数(本例では、4つ)の発電素子部Aが、長手方向において所定の間隔をおいて配置されている。
Here, the laminated body formed by laminating the
各組の隣り合う発電素子部A,Aについて、一方の(図28では、左側の)発電素子部Aの空気極60と、他方の(図28では、右側の)発電素子部Aのインターコネクタ30とを跨ぐように、空気極60、固体電解質膜40、及び、インターコネクタ30の上面に、空気極集電膜70が形成されている。空気極集電膜70は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。空気極集電膜70を上方からみた形状は、長方形である。
For each pair of adjacent power generation element portions A and A, the
空気極集電膜70は、例えば、LSCF=(La,Sr)(Co,Fe)O3(ランタンストロンチウムコバルトフェライト)から構成され得る。或いは、LSC=(La,Sr)CoO3(ランタンストロンチウムコバルタイト)から構成されてもよい。或いは、Ag(銀)、Ag−Pd(銀パラジウム合金)から構成されてもよい。空気極集電膜70の厚さは、50〜500μmである。
The air electrode
このように各空気極集電膜70が形成されることにより、各組の隣り合う発電素子部A,Aについて、一方の(図28では、左側の)発電素子部Aの空気極60と、他方の(図28では、右側の)発電素子部Aの燃料極20(特に、燃料極集電部21)とが、電子伝導性を有する「空気極集電膜70及びインターコネクタ30」を介して電気的に接続される。この結果、支持基板10の上面に配置されている複数(本例では、4つ)の発電素子部Aが電気的に直列に接続される。ここで、電子伝導性を有する「空気極集電膜70及びインターコネクタ30」が、前記「電気的接続部」に対応する。
By forming each air electrode
なお、インターコネクタ30は、前記「電気的接続部」における前記「緻密な材料で構成された第1部分」に対応し、気孔率は10%以下である。空気極集電膜70は、前記「電気的接続部」における前記「多孔質の材料で構成された第2部分」に対応し、気孔率は20〜60%である。
The
以上、図28〜図30に示す形態では、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。
As described above, in the form shown in FIGS. 28 to 30, each of the plurality of
また、支持基板10の各凹部12内に燃料極20及びインターコネクタ30等の部材が隙間なく充填・埋設された状態で、支持基板10と前記埋設された部材とが共焼結される。従って、部材間の接合性が高く且つ信頼性の高い焼結体が得られる。
Further, the
また、インターコネクタ30が、燃料極集電部21の外側面に形成された凹部21bに埋設され、この結果、直方体状のインターコネクタ30の4つの側壁(長手方向に沿う2つの側壁と、幅方向に沿う2つの側壁)と底面とが凹部21b内で燃料極集電部21と接触している。従って、燃料極集電部21の外側平面上に直方体状のインターコネクタ30が積層される(接触する)構成が採用される場合に比べて、燃料極20(集電部21)とインターコネクタ30との界面の面積を大きくできる。従って、燃料極20とインターコネクタ30との間における電子伝導性を高めることができ、この結果、燃料電池の発電出力を高めることができる。
Further, the
また、上記実施形態では、平板状の支持基板10の上下面のそれぞれに、複数の発電素子部Aが設けられている。これにより、支持基板の片側面のみに複数の発電素子部が設けられる場合に比して、構造体中における発電素子部の数を多くでき、燃料電池の発電出力を高めることができる。
Further, in the above-described embodiment, a plurality of power generation element portions A are provided on each of the upper and lower surfaces of the
また、上記実施形態では、固体電解質膜40が、燃料極20の外側面、インターコネクタ30の外側面における長手方向の両側端部、及び支持基板10の主面を覆っている。ここで、燃料極20の外側面とインターコネクタ30の外側面と支持基板10の主面との間で段差が形成されていない。従って、固体電解質膜40が平坦化されている。この結果、固体電解質膜40に段差が形成される場合に比して、応力集中に起因する固体電解質膜40でのクラックの発生が抑制され得、固体電解質膜40が有するガスシール機能の低下が抑制され得る。
In the above embodiment, the
10…支持基板、11…燃料ガス流路、11a…往路部、11b…復路部、11c…中間部、11in…流入口、11out…流出口、12…凹部、20…燃料極、21…燃料極集電部、21a,21b…凹部、22…燃料極活性部、30…インターコネクタ、40…固体電解質膜、50…反応防止膜、60…空気極、70…空気極集電膜、A…発電素子部
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記平板状の支持基板の主面に配置され、少なくとも内側電極、固体電解質、及び外側電極が積層されてなる複数の発電素子部と、
を備えた燃料電池の構造体において、
前記ガス流路の流入口及び流出口が前記支持基板の前記長手方向の一方側の端部に形成され、前記ガス流路が、前記流入口から前記支持基板の長手方向の他方側へと延びる往路部と、前記支持基板の長手方向の他方側から前記流出口へと延びる復路部と、前記往路部の長手方向の他方側の端部と前記復路部の長手方向の他方側の端部とを接続する中間部と、から構成されていて、前記復路部と前記往路部とは前記支持基板の厚さ方向において異なる位置に形成され、
前記平板状の支持基板の互いに平行な第1、第2主面のうちの第1主面のみにおける前記長手方向に沿って互いに離れて位置する複数の箇所に、前記発電素子部がそれぞれ配置され、隣り合う前記発電素子部の一方の内側電極と他方の外側電極とが電気的に接続されていて、
前記ガス流路の前記往路部が、前記支持基板の厚さ方向の前記第2主面に近い側において前記流入口から前記支持基板の長手方向の他方側へと延び、前記ガス流路の前記中間部が、前記支持基板の厚さ方向の前記第2主面に近い側から前記第1主面に近い側へと延び、前記ガス流路の前記復路部が、前記厚さ方向の前記第1主面に近い側において前記支持基板の長手方向の他方側から前記流出口へと延びている、燃料電池の構造体。 A flat plate-like porous support substrate having a longitudinal direction, in which a gas flow path is formed by integral firing; and
Disposed on the main surface of the plate-shaped support substrate, at least the inner electrode, the solid electrolyte, and the power generating element of the multiple outer electrodes ing are stacked,
In a fuel cell structure comprising:
An inlet and an outlet of the gas channel are formed at one end of the support substrate in the longitudinal direction, and the gas channel extends from the inlet to the other side of the support substrate in the longitudinal direction. An outward path, a return path extending from the other side in the longitudinal direction of the support substrate to the outlet, an end on the other side in the longitudinal direction of the forward path, and an end on the other side in the longitudinal direction of the return path An intermediate portion for connecting, the return path portion and the forward path portion are formed at different positions in the thickness direction of the support substrate,
The power generating element portions are respectively disposed at a plurality of locations that are located apart from each other along the longitudinal direction of only the first main surface of the first and second main surfaces parallel to each other of the flat support substrate. The one inner electrode and the other outer electrode of the adjacent power generation element portions are electrically connected,
The forward path portion of the gas flow path extends from the inflow port to the other side in the longitudinal direction of the support substrate on the side close to the second main surface in the thickness direction of the support substrate, An intermediate portion extends from a side close to the second main surface in the thickness direction of the support substrate to a side close to the first main surface, and the return path portion of the gas flow path extends in the thickness direction. A fuel cell structure extending from the other side in the longitudinal direction of the support substrate to the outflow port on a side close to one main surface.
前記平板状の支持基板の主面に配置され、少なくとも内側電極、固体電解質、及び外側電極が積層されてなる複数の発電素子部と、
を備えた燃料電池の構造体において、
前記ガス流路の流入口及び流出口が前記支持基板の前記長手方向の一方側の端部に形成され、前記ガス流路が、前記流入口から前記支持基板の長手方向の他方側へと延びる往路部と、前記支持基板の長手方向の他方側から前記流出口へと延びる復路部と、前記往路部の長手方向の他方側の端部と前記復路部の長手方向の他方側の端部とを接続する中間部と、から構成されていて、前記復路部と前記往路部とは前記支持基板の厚さ方向において異なる位置に形成され、
前記平板状の支持基板の互いに平行な第1、第2主面のうちの第1主面のみにおける前記長手方向に沿って互いに離れて位置する複数の箇所に、前記発電素子部がそれぞれ配置され、隣り合う前記発電素子部の一方の内側電極と他方の外側電極とが電気的に接続されていて、
前記ガス流路の前記往路部が、前記支持基板の厚さ方向の前記第1主面に近い側において前記流入口から前記支持基板の長手方向の他方側へと延び、前記ガス流路の前記中間部が、前記支持基板の厚さ方向の前記第1主面に近い側から前記第2主面に近い側へと延び、前記ガス流路の前記復路部が、前記厚さ方向の前記第2主面に近い側において前記支持基板の長手方向の他方側から前記流出口へと延びている、燃料電池の構造体。 A flat plate-like porous support substrate having a longitudinal direction, in which a gas flow path is formed by integral firing; and
Disposed on the main surface of the plate-shaped support substrate, at least the inner electrode, the solid electrolyte, and the power generating element of the multiple outer electrodes ing are stacked,
In a fuel cell structure comprising:
An inlet and an outlet of the gas channel are formed at one end of the support substrate in the longitudinal direction, and the gas channel extends from the inlet to the other side of the support substrate in the longitudinal direction. An outward path, a return path extending from the other side in the longitudinal direction of the support substrate to the outlet, an end on the other side in the longitudinal direction of the forward path, and an end on the other side in the longitudinal direction of the return path An intermediate portion for connecting, the return path portion and the forward path portion are formed at different positions in the thickness direction of the support substrate,
The power generating element portions are respectively disposed at a plurality of locations that are located apart from each other along the longitudinal direction of only the first main surface of the first and second main surfaces parallel to each other of the flat support substrate. The one inner electrode and the other outer electrode of the adjacent power generation element portions are electrically connected,
The forward path portion of the gas flow path extends from the inlet to the other side in the longitudinal direction of the support substrate on the side close to the first main surface in the thickness direction of the support substrate, An intermediate portion extends from a side close to the first main surface in the thickness direction of the support substrate to a side close to the second main surface, and the return path portion of the gas flow path extends in the thickness direction. 2. A fuel cell structure extending from the other side in the longitudinal direction of the support substrate to the outflow port on the side close to the main surface.
前記ガス流路の前記往路部の内壁は、前記支持基板を構成する多孔質材料より気孔率が小さい材料で構成された、燃料電池の構造体。 The fuel cell structure according to claim 1,
A fuel cell structure in which an inner wall of the forward path portion of the gas flow path is made of a material having a lower porosity than the porous material constituting the support substrate.
前記材料は、燃料ガスの改質反応を促す触媒成分を含んでいる、燃料電池の構造体。 The fuel cell structure according to claim 3, wherein
The fuel cell structure includes a catalyst component that promotes a reforming reaction of the fuel gas.
前記平板状の支持基板の主面における互いに離れた複数の箇所にそれぞれ設けられ、少なくとも内側電極、固体電解質、及び外側電極が積層されてなる複数の発電素子部と、
1組又は複数組の隣り合う前記発電素子部の間にそれぞれ設けられ、隣り合う前記発電素子部の一方の内側電極と他方の外側電極とを電気的に接続する1つ又は複数の電気的接続部と、
を備えた燃料電池の構造体において、
前記各電気的接続部は、緻密な材料で構成された第1部分と、前記第1部分と接続され且つ多孔質の材料で構成された第2部分とで構成され、
前記平板状の支持基板の主面における前記複数の箇所に、前記支持基板の材料からなる底壁と全周に亘って前記支持基板の材料からなる周方向に閉じた側壁とを有する第1凹部がそれぞれ形成され、
前記各第1凹部に、対応する前記発電素子部の内側電極がそれぞれ埋設され、
前記埋設された各内側電極の外側面に形成された第2凹部に、対応する前記電気的接続部の前記第1部分がそれぞれ埋設され、
対応する前記電気的接続部の第1部分が埋設された前記各第2凹部は、前記内側電極の材料からなる底壁と、全周に亘って前記内側電極の材料からなる周方向に閉じた側壁とを有し、
前記ガス流路の流入口及び流出口が前記支持基板の前記長手方向の一方側の端部に形成され、前記ガス流路が、前記流入口から前記支持基板の長手方向の他方側へと延びる往路部と、前記支持基板の長手方向の他方側から前記流出口へと延びる復路部と、前記往路部の長手方向の他方側の端部と前記復路部の長手方向の他方側の端部とを接続する中間部と、から構成されていて、前記復路部と前記往路部とは前記支持基板の厚さ方向において異なる位置に形成された、燃料電池の構造体。 A flat plate-like porous support substrate having a longitudinal direction, in which a gas flow path is formed by integral firing; and
A plurality of power generating element portions each provided at a plurality of positions separated from each other on the main surface of the flat support substrate, and a laminate of at least an inner electrode, a solid electrolyte, and an outer electrode;
One or a plurality of electrical connections that are respectively provided between one set or a plurality of sets of adjacent power generation element portions and electrically connect one inner electrode and the other outer electrode of the adjacent power generation element portions And
In a fuel cell structure comprising:
Each of the electrical connection portions includes a first portion made of a dense material, and a second portion made of a porous material connected to the first portion,
A first recess having a bottom wall made of the material of the support substrate and a side wall made of the material of the support substrate over the entire circumference at the plurality of locations on the main surface of the flat support substrate. Each formed,
In each of the first recesses, a corresponding inner electrode of the power generation element portion is embedded,
The first portion of the corresponding electrical connection portion is embedded in the second recess formed on the outer surface of each embedded inner electrode,
Each of the second recesses in which the corresponding first portion of the electrical connection portion is embedded is closed in the circumferential direction made of the material of the inner electrode and the bottom wall made of the material of the inner electrode. Having side walls,
An inlet and an outlet of the gas channel are formed at one end of the support substrate in the longitudinal direction, and the gas channel extends from the inlet to the other side of the support substrate in the longitudinal direction. An outward path, a return path extending from the other side in the longitudinal direction of the support substrate to the outlet, an end on the other side in the longitudinal direction of the forward path, and an end on the other side in the longitudinal direction of the return path A fuel cell structure in which the return path part and the forward path part are formed at different positions in the thickness direction of the support substrate.
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