JP5620785B2 - Fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池セルに関する。 The present invention relates to a fuel battery cell.
従来より、「ガス流路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」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、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、「前記内側電極に供給されるガスと前記外側電極に供給されるガスとの混合を防止する緻密材料からなるガスシール部」とを備えた燃料電池セルが知られている(例えば、特許文献1を参照)。このような構成は、「横縞型」とも呼ばれる。この文献に記載の燃料電池セルでは、前記ガスシール部は、前記支持基板における前記長手方向に沿って延びる「外側に凸の曲面状の」側端部を覆うように形成された緻密な絶縁体を有する。 Conventionally, “a flat porous support substrate having gas passages formed therein along the longitudinal direction” and “an inner electrode provided at a plurality of locations apart from each other on the main surface of the support substrate” , A plurality of power generating element portions in which a solid electrolyte and an outer electrode are laminated ”and“ inside one of the adjacent power generating element portions provided between one or a plurality of adjacent power generating element portions, respectively ” "One or more electrical connections for electrically connecting the electrode and the other outer electrode" and "dense to prevent mixing of the gas supplied to the inner electrode and the gas supplied to the outer electrode" There is known a fuel battery cell including a “gas seal portion made of a material” (for example, see Patent Document 1). Such a configuration is also called a “horizontal stripe type”. In the fuel battery cell described in this document, the gas seal portion is a dense insulator formed so as to cover the side end portion of the support substrate that extends along the longitudinal direction and has an outwardly convex curved shape. Have
係る燃料電池セルでは、燃料電池セルの形状を扁平状(薄板状)とすることにより、1つの燃料電池セル当たりの発電部の面積を大きくすることができ、この結果、発電量を大きくすることができる。しかしながら、燃料電池セルの形状を扁平状とすると、支持基板の側端部の曲面形状の曲率が大きくなり、この側端部を覆う緻密な絶縁体の曲面形状の曲率も大きくなる。これに伴い、絶縁体に作用する応力が大きくなる。この結果、燃料電池セルの製造過程にてなされる焼成工程や燃料電池セルの発電の際、絶縁体にクラックが発生し易いという問題が発生する。 In such a fuel cell, by making the shape of the fuel cell flat (thin plate), the area of the power generation unit per fuel cell can be increased, and as a result, the power generation amount can be increased. Can do. However, if the shape of the fuel cell is flat, the curvature of the curved shape of the side end portion of the support substrate increases, and the curvature of the curved shape of the dense insulator covering the side end portion also increases. As a result, the stress acting on the insulator increases. As a result, there arises a problem that cracks are likely to occur in the insulator during the firing process performed in the manufacturing process of the fuel cell or during power generation of the fuel cell.
絶縁体にクラックが発生すると、燃料電池セルの内外間でのガスの遮断が達成され得なくなり、燃料電池セルの内外間での酸素分圧差が減少する。この結果、燃料電池セルの発電性能が低下する。従って、絶縁体におけるクラックの発生を抑制することが望まれていたところである。 If a crack occurs in the insulator, gas shutoff between the inside and outside of the fuel cell cannot be achieved, and the oxygen partial pressure difference between the inside and outside of the fuel cell decreases. As a result, the power generation performance of the fuel cell decreases. Therefore, it has been desired to suppress the occurrence of cracks in the insulator.
本発明は、支持基板の側端部を覆う緻密な絶縁体におけるクラックの発生を抑制し得る「横縞型」の燃料電池セルを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a “horizontal stripe type” fuel cell that can suppress the occurrence of cracks in a dense insulator covering the side edge of a support substrate.
本発明に係る燃料電池セルは、「ガス流路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」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、「前記内側電極に供給されるガスと前記外側電極に供給されるガスとの混合を防止する緻密材料からなるガスシール部」と、を備える。即ち、このセルは、「横縞型」の燃料電池セルである。前記ガスシール部は、前記支持基板における前記長手方向に沿って延びる側端部を覆うように形成された緻密な絶縁体を有する。 The fuel cell according to the present invention includes a “flat porous support substrate having a gas flow path formed therein along a longitudinal direction” and “a plurality of locations separated from each other on the main surface of the support substrate”. Each of the plurality of power generation element portions formed by laminating at least the inner electrode, the solid electrolyte, and the outer electrode ”and“ one set or a plurality of sets of adjacent power generation element portions, respectively, “One or more electrical connection portions for electrically connecting one inner electrode and the other outer electrode of the power generation element portion”, “a gas supplied to the inner electrode and a gas supplied to the outer electrode” And a gas seal portion made of a dense material that prevents mixing with the gas. That is, this cell is a “horizontal stripe type” fuel cell. The gas seal portion includes a dense insulator formed so as to cover a side end portion extending along the longitudinal direction of the support substrate.
本発明に係る燃料電池セルの特徴は、前記支持基板の板厚方向における前記絶縁体の端部に対応する前記絶縁体の厚さをT1とし、前記側端部の側面に対応する前記絶縁体の最大厚さをT2としたとき、5.1<T2/T1<300という関係が成立することにある。ここで、前記絶縁体が、前記長手方向と直角の幅方向において外側に突出する曲面形状を呈している場合、前記絶縁体の最大厚さが、前記曲面形状における突出方向の端部に対応する厚さであることが好ましい。 The fuel cell according to the present invention is characterized in that the thickness of the insulator corresponding to the end portion of the insulator in the plate thickness direction of the support substrate is T1, and the insulator corresponding to the side surface of the side end portion. When the maximum thickness of T2 is T2, the relationship 5.1 <T2 / T1 <300 is established. Here, when the insulator has a curved shape that protrudes outward in the width direction perpendicular to the longitudinal direction, the maximum thickness of the insulator corresponds to an end of the curved shape in the protruding direction. A thickness is preferred.
本発明者は、「T2/T1<1、又は、T2/T1>300であると、絶縁体においてクラックが発生し易く、1≦T2/T1≦300であれば、絶縁体においてクラックが発生し難く、5.1≦T2/T1≦300であれば、絶縁体において特にクラックが発生し難いこと」も見出した。このことについては後述する。従って、上記構成によれば、絶縁体におけるクラックの発生が抑制されて、燃料電池セルの内外間でのガスの遮断が確実に達成され得、燃料電池セルの発電性能の低下を確実に抑制することができる。 The present inventor found that if T2 / T1 <1 or T2 / T1> 300, cracks are likely to occur in the insulator, and if 1 ≦ T2 / T1 ≦ 300, cracks occur in the insulator. It has also been found that if 5.1 ≦ T2 / T1 ≦ 300, it is particularly difficult for the insulator to crack . This will be described later. Therefore, according to the above configuration, the generation of cracks in the insulator is suppressed, and the gas can be reliably shut off between the inside and outside of the fuel cell, and the degradation of the power generation performance of the fuel cell is reliably suppressed. be able to.
(構成)
図1は、本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池(SOFC)のセルを示す。このSOFCセルは、長手方向を有する平板状の支持基板10の上下面(互いに平行な両側の主面(平面))のそれぞれに、電気的に直列に接続された複数(本例では、4つ)の同形の発電素子部Aが長手方向において所定の間隔をおいて配置された、所謂「横縞型」と呼ばれる構成を有する。
(Constitution)
FIG. 1 shows a solid oxide fuel cell (SOFC) cell according to an embodiment of the present invention. This SOFC cell has a plurality (four in this example) electrically connected in series to the upper and lower surfaces (main surfaces (planes) on both sides parallel to each other) of the
このSOFCセルの全体を上方からみた形状は、例えば、長手方向の辺の長さが5〜50cmで長手方向に直交する幅方向の長さが1〜10cmの長方形である。このSOFCセルの全体の厚さは、1〜5mmである。このSOFCセルの全体は、厚さ方向の中心を通り且つ支持基板10の主面に平行な面に対して上下対称の形状を有することが好ましいが、この限りでない。以下、図1に加えて、このSOFCセルの図1に示す2−2線に対応する部分断面図である図2を参照しながら、このSOFCセルの詳細について説明する。図2は、代表的な1組の隣り合う発電素子部A,Aのそれぞれの構成(の一部)、並びに、発電素子部A,A間の構成を示す部分断面図である。その他の組の隣り合う発電素子部A,A間の構成も、図2に示す構成と同様である。
The shape of the entire SOFC cell viewed from above is, for example, a rectangle having a side length of 5 to 50 cm in the longitudinal direction and a length of 1 to 10 cm in the width direction perpendicular to the longitudinal direction. The total thickness of this SOFC cell is 1-5 mm. The entire SOFC cell preferably has a vertically symmetrical shape with respect to a plane passing through the center in the thickness direction and parallel to the main surface of the
支持基板10は、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の側端部は、外側に(幅方向に)凸となる曲面状を呈している。支持基板10の内部には、長手方向に延びる複数(本例では、6本)の燃料ガス流路11(貫通孔)が幅方向において所定の間隔をおいて形成されている。
The
支持基板10は、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、1〜5mmである。以下、説明の簡便化のため、支持基板10の上面側の構成についてのみ説明していく。支持基板10の下面側の構成についても同様である。
The
図2に示すように、支持基板10の上面(上側の主面)の上には、直方体状の燃料極20が設けられている。燃料極20は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。燃料極20は、後述する固体電解質膜40に接する燃料極活性部22と、燃料極活性部22以外の残りの部分である燃料極集電部21とから構成される。燃料極活性部22を上方からみた形状は、燃料極集電部21が存在する範囲に亘って幅方向に延びる長方形である。
As shown in FIG. 2, a rectangular
燃料極活性部22は、例えば、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、インターコネクタ30が形成されている。インターコネクタ30は、電子伝導性を有する緻密な材料からなる焼成体である。インターコネクタ30を上方からみた形状は、燃料極20が存在する範囲に亘って幅方向に延びる長方形である。インターコネクタ30は、例えば、LaCrO3(ランタンクロマイト)から構成され得る。或いは、(Sr,La)TiO3(ストロンチウムチタネート)から構成されてもよい。インターコネクタ30の厚さは、10〜100μmである。
An
複数の燃料極20が設けられた状態の支持基板10における長手方向に延びる外周面において複数のインターコネクタ30が形成された部分を除いた全面は、固体電解質膜40により覆われている。固体電解質膜40は、イオン伝導性を有し且つ電子伝導性を有さない緻密な材料からなる焼成体である。固体電解質膜40は、例えば、Y2O3(イットリア)を含有したYSZ(イットリア安定化ジルコニア)から構成され得る。或いは、LSGM(ランタンガレート)から構成されてもよい。固体電解質膜40の厚さは、3〜50μmである。
The entire outer surface of the
即ち、複数の燃料極20が設けられた状態の支持基板10における長手方向に延びる外周面の全面は、インターコネクタ30と固体電解質膜40とからなる緻密層により覆われている。この緻密層は、緻密層の内側の空間を流れる燃料ガスと緻密層の外側の空間を流れる空気との混合を防止するガスシール機能を発揮する。ここで、緻密材料からなる「インターコネクタ30及び固体電解質膜40」が、「ガスシール部」に対応する。
That is, the entire outer peripheral surface extending in the longitudinal direction of the
固体電解質膜40における各燃料極活性部22と接している箇所の上面には、反応防止膜50を介して空気極60が形成されている。反応防止膜50は、緻密な材料からなる焼成体であり、空気極60は、電子伝導性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
このSOFCセルでは、固体電解質膜40の一部であって支持基板10の側端部(外側に凸となる曲面状を有する部分)を覆うように形成された部分が前記「絶縁体」に対応する。即ち、このSOFCセルでは、「絶縁体」は、固体電解質膜40の層のみからなる。図1に示すように、支持基板10の板厚方向(図の上下方向)における「絶縁体」の端部(図の上下方向の端部)に対応する「絶縁体」の(層の)厚さをT1とし、支持基板10の側端部の側面に対応する「絶縁体」の(層の)最大厚さをT2としたとき、1<T2/T1<300という関係が成立している。この例では、T2は、側端部の曲面形状における突出方向の端部(図の左右方向の端部)に対応する「絶縁体」の厚さであるが、T2が、側端部の曲面形状における突出方向の端部以外の部分に対応する「絶縁体」の厚さであってもよい。
In this SOFC cell, a part of the
具体的には、図1に示す形態では、図の上下方向における「絶縁体」の端部は、固体電解質膜40の層のみからなっている。従って、T1は、この部分における固体電解質膜40の層のみの厚さと等しい。また、図の左右方向における「絶縁体」の端部(「絶縁体」の厚さが最大となる部分)も、固体電解質膜40の層のみからなっている。従って、T2は、この部分における固体電解質膜40の層のみの厚さと等しい。
Specifically, in the form shown in FIG. 1, the end portion of the “insulator” in the vertical direction of the figure is composed only of the layer of the
T1は、外部から幅方向に沿って燃料電池セルの側面を見たときに見える「絶縁体」の範囲における支持基板10の板厚方向の縁部に対応する「絶縁体」の厚さと表現することもできる。T1は、例えば、20〜40μmである。
T1 is expressed as the thickness of the “insulator” corresponding to the edge in the thickness direction of the
なお、このような燃料電池セルでは、支持基板10の側端部に形成される緻密な「絶縁体」は、固体電解質膜40のみから形成される必要はない。例えば、図3に示すように、「絶縁体」として、固体電解質膜40の外面に他の緻密な絶縁体80が形成された積層体が用いられてもよい。また、図示はしないが、固体電解質膜40の内面に他の緻密な絶縁体が形成された積層体が用いられてもよい。この場合、他の緻密な絶縁体としては、例えば、10Sc1CeZrO2のような他の固体電解質であってもよいし、ガラス、ZrO2のような固体電解質以外の物質であってもよい。
In such a fuel cell, the dense “insulator” formed at the side end of the
また、図4に示すように、支持基板10の主面に形成された固体電解質膜40(前記「絶縁体」に対応しない部分)とは個別に、この固体電解質膜40に連続して、緻密な絶縁体80が支持基板10の側端部に形成されてもよい。即ち、図4に示す実施形態では、「絶縁体」は、絶縁体80の層のみからなる。
Further, as shown in FIG. 4, the solid electrolyte membrane 40 (portion not corresponding to the “insulator”) formed on the main surface of the
図3、又は図4に示す形態においても、図1に示す形態と同様、1<T2/T1<300という関係が成立している。具体的には、図3に示す形態では、図の上下方向における「絶縁体」の端部は、固体電解質膜40の層のみからなっている。従って、T1は、この部分における固体電解質膜40の層のみの厚さと等しい。また、図の左右方向における「絶縁体」の端部(「絶縁体」の厚さが最大となる部分)は、固体電解質膜40と絶縁体80との積層体となっている。従って、T2は、この部分における固体電解質膜40の厚さと絶縁体80の厚さの和である。
Also in the form shown in FIG. 3 or FIG. 4, the relationship 1 <T2 / T1 <300 is established as in the form shown in FIG. Specifically, in the form shown in FIG. 3, the end portion of the “insulator” in the vertical direction of the figure is composed of only the layer of the
図4に示す形態では、図の上下方向における「絶縁体」の端部は、絶縁体80の層のみからなっている。従って、T1は、この部分における絶縁体80の層のみの厚さと等しい。また、図の左右方向における「絶縁体」の端部(「絶縁体」の厚さが最大となる部分)も、絶縁体80の層のみからなっている。従って、T2は、この部分における絶縁体80の層のみの厚さと等しい。
In the form shown in FIG. 4, the end portion of the “insulator” in the vertical direction of the figure consists only of the
以上、説明した「横縞型」のSOFCセルに対して、図5に示すように、支持基板10の燃料ガス流路11内に燃料ガス(水素ガス等)を流すとともに、支持基板10の上下面(特に、各空気極集電膜70)を「酸素を含むガス」(空気等)に曝す(或いは、支持基板10の上下面に沿って酸素を含むガスを流す)ことにより、固体電解質膜40の両側面間に生じる酸素分圧差によって起電力が発生する。更に、この構造体を外部の負荷に接続すると、下記(1)、(2)式に示す化学反応が起こり、電流が流れる(発電状態)。
(1/2)・O2+2e−→O2− (於:空気極60) …(1)
H2+O2−→H2O+2e− (於:燃料極20) …(2)
As shown in FIG. 5, the fuel gas (hydrogen gas or the like) flows through the fuel
(1/2) · O 2 +2 e− → O 2− (where: air electrode 60) (1)
H 2 + O 2− → H 2 O + 2 e− (in the fuel electrode 20) (2)
発電状態においては、図6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5に示すように、このSOFCセル全体から(具体的には、図5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. 6, 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. 5, from the entire SOFC cell (specifically, in FIG. 5, the
(製造方法)
次に、図1に示した「横縞型」のSOFCセルの製造方法の一例について図7〜図14を参照しながら簡単に説明する。図7〜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 cell shown in FIG. 1 will be briefly described with reference to FIGS. 7 to 14, “g” at the end of the reference numeral of each member indicates that the member is “before firing”.
先ず、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7に示す支持基板の成形体10gの部分断面を表す図8〜図14を参照しながら説明を続ける。
First, a support substrate 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の上下面の所定位置に、燃料極の成形体(21g+22g)が形成される。各燃料極の成形体(21g+22g)は、例えば、燃料極20の材料(例えば、NiとYSZ)の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して形成される。
As shown in FIG. 8, once 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が形成された部分を除いた全面(支持基板の成形体10gの側端部の表面を含む)に、固体電解質膜の成形膜40gが形成される。固体電解質膜の成形膜40gは、例えば、固体電解質膜40の材料(例えば、YSZ)の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法、ディッピング法等を利用して形成される。ここで、固体電解質膜の成形膜40gにおいて支持基板の成形体10gの側端部に形成された部分が、前記「絶縁体」の成形膜に相当する。図1に示した態様では、この処理によって前記「絶縁体」の成形膜の形成が完了する。
Next, as shown in FIG. 11, a plurality of interconnector molded
なお、例えば、図3に示した形態では、この処理の後に更に、支持基板の成形体10gの側端部に形成された固体電解質膜の成形膜40gの外面に、上述した「他の緻密な絶縁体80」の成形膜が印刷法、ディッピング法等を利用して形成される。また、図4に示した形態では、支持基板の成形体10gの側端部を除いて固体電解質膜の成形膜40gを形成し、その後、支持基板の成形体10gの側端部の表面に、上述した「他の緻密な絶縁体80」の成形膜が印刷法、ディッピング法等を利用して形成される。
For example, in the embodiment shown in FIG. 3, after this processing, the above-mentioned “other dense parts” are further formed on the outer surface of the molded
次に、図12に示すように、固体電解質膜の成形体40gにおける各燃料極の成形体22gと接している箇所の外側面に、反応防止膜の成形膜50gが形成される。各反応防止膜の成形膜50gは、例えば、反応防止膜50の材料(例えば、GDC)の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して形成される。
Next, as shown in FIG. 12, a reaction prevention
そして、このように種々の成形膜が形成された状態の支持基板の成形体10gが、空気中にて1500℃で3時間焼成される。これにより、図1に示したSOFCセルにおいて空気極60及び空気極集電膜70が形成されていない状態の構造体が得られる。
Then, 10 g of the support substrate molded body in which various molded films are thus formed is fired in air at 1500 ° C. for 3 hours. As a result, the 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セルが得られる。以上、図1に示したSOFCセルの製造方法の一例について説明した。
Then, the
(T2/T1の好ましい範囲の考察)
次に、支持基板10の側端部に形成された「絶縁体」の層の厚さに関し、T2/T1の好ましい範囲について考察するために行われた実験について説明する。この実験に使用された燃料電池セルは、上述した「製造方法」を利用して作製された。
(Consideration of preferred range of T2 / T1)
Next, an experiment conducted in order to consider a preferable range of T2 / T1 regarding the thickness of the “insulator” layer formed on the side end portion of the
支持基板10の幅方向の寸法は26mm、厚さ方向の寸法は3.5mm、燃料極20の厚さは50μm、固体電解質膜40における支持基板10の主面に形成された部分(前記「絶縁体」に対応しない部分)の厚さは5〜30μm、支持基板10の側端部に形成された「絶縁体」(固体電解質膜40の一部、又は絶縁体80)の厚さは3〜1000μm、空気極60の厚さは50μm、インターコネクタ30の厚さは50μm、空気極集電膜70の厚さは50μmであった。
The width dimension of the
次に、この燃料電池セルの内部に、水素ガスを流し、850℃で、支持基板10及び燃料極20の還元処理が施された。
Next, hydrogen gas was allowed to flow inside the fuel cell, and the
得られた燃料電池セルの燃料ガス流路11に燃料ガスを流通させ、燃料電池セルの外側に酸素含有ガスを流通させ、燃料電池セルをガスバーナーを用いて750℃まで加熱して、燃料電池セルを所定時間に亘り稼働させた。
A fuel gas is circulated through the fuel
その後、燃料電池セルに対して、「燃料ガス流路11内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60分間で上げた後に750℃から常温まで120分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、支持基板10の側端部に形成された「絶縁体」(固体電解質膜40の一部、又は絶縁体80、焼成体)について、クラックの有無が確認された。この確認は目視、及び顕微鏡による観察により行われた。
Thereafter, for the fuel cell, “while reducing gas is circulated in the fuel
以上の試験が、支持基板10の側端部に形成された「絶縁体」(焼成体)の層の厚さT1,T2の組み合わせが異なる(従って、比率T2/T1が異なる)種々の燃料電池セルに対してそれぞれ行われた。T2/T1の調整は、「絶縁体」の成形膜(焼成前、即ち、固体電解質膜40の成形膜、又は、絶縁体80の成形膜)の形成の際のパターン(印刷法が利用される場合には印刷の実行パターン、ディッピング法が利用される場合にはディッピングの実行パターン)を調整すること等で行われた。表1は、この「絶縁体」(焼成体)におけるT2/T1と、クラックの有無との関係を示す。なお、各水準について15個のサンプルが作製され、評価された。
The above tests show various fuel cells in which the combinations of the thicknesses T1 and T2 of the “insulator” (fired body) formed on the side end portion of the
表1によれば、「T2/T1<1、又は、T2/T1>300であると、絶縁体においてクラックが発生し易く、1≦T2/T1≦300であれば、絶縁体においてクラックが発生し難いこと」が判明した。これは、1≦T2/T1≦300であれば、絶縁体の端部等における応力集中が緩和されて、絶縁体において過大な応力が局所的に発生しないように応力が分布する構造が得られることに基づく、と推測される。 According to Table 1, “T2 / T1 <1 or T2 / T1> 300 is likely to cause cracks in the insulator, and if 1 ≦ T2 / T1 ≦ 300, cracks are generated in the insulator. It ’s hard to do. ” In this case, if 1 ≦ T2 / T1 ≦ 300, the stress concentration at the end of the insulator is alleviated, and a structure in which stress is distributed so that excessive stress is not locally generated in the insulator is obtained. It is presumed that
また、上述と同様の試験が、上記「熱サイクル試験」の条件を絶縁体にクラックがより発生し易い条件に変更して行われた。具体的には、熱サイクル試験の昇温時間が60分から30分へと変更された(その他の条件は同じ)。この場合の結果を表2に示す。 Further, the same test as described above was performed by changing the condition of the “thermal cycle test” to a condition in which cracks are more likely to occur in the insulator. Specifically, the heating time of the heat cycle test was changed from 60 minutes to 30 minutes (other conditions are the same). The results in this case are shown in Table 2.
表2によれば、「5.1≦T2/T1≦300であれば、絶縁体において特にクラックが発生し難いこと」が判明した。なお、表1、表2では、支持基板の材料がNi−Y2O3の場合の結果が示されているが、支持基板の材料がNi−Y2O3以外の材料、例えばNi−YSZの場合も同じ結果が得られることが判明している。 According to Table 2, it was found that “if 5.1 ≦ T2 / T1 ≦ 300, it is particularly difficult for the insulator to crack.” Incidentally, Table 1, Table 2, but the material of the supporting substrate are shown the results of the case of Ni-Y 2 O 3, the material of the supporting substrate is Ni-Y 2 O 3 other than the material, for example, Ni-YSZ It has been found that the same result can be obtained in the case of.
以上、上記実験結果によれば、「絶縁体」においてクラックの発生を抑制するためには、1≦T2/T1≦300であることが好ましく、5.1≦T2/T1≦300であれば特に好ましいことが判明した。これにより、燃料電池セルの内外間でのガスの遮断が確実に達成され得、燃料電池セルの発電性能の低下を確実に抑制することができる。 As described above, according to the above experimental results, in order to suppress the occurrence of cracks in the “insulator”, it is preferable that 1 ≦ T2 / T1 ≦ 300, and particularly if 5.1 ≦ T2 / T1 ≦ 300. It turned out to be preferable. Thereby, the interruption | blocking of the gas between the inside and outside of a fuel cell can be achieved reliably, and the fall of the power generation performance of a fuel cell can be suppressed reliably.
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、平板状の支持基板10の上下面のそれぞれに複数の発電素子部Aが設けられているが、図15に示すように、支持基板10の片側面のみに複数の発電素子部Aが設けられていてもよい。また、上記実施形態においては、燃料極20が燃料極集電部21と燃料極活性部22との2層で構成されているが、燃料極20が燃料極活性部22に相当する1層で構成されてもよい。
In 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, a plurality of power generation element portions A are provided on the upper and lower surfaces of the
10…支持基板、11…燃料ガス流路、20…燃料極、21…燃料極集電部、22…燃料極活性部、30…インターコネクタ、40…固体電解質膜、50…反応防止膜、60…空気極、70…空気極集電膜、80…絶縁体、A…発電素子部
DESCRIPTION OF
Claims (2)
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、
前記内側電極に供給されるガスと前記外側電極に供給されるガスとの混合を防止する緻密材料からなるガスシール部と、
を備えた燃料電池セルであって、
前記支持基板における前記長手方向に沿って延びる側端部は、前記長手方向と直角の幅方向において外側に突出する曲面形状を呈しており、
前記ガスシール部は、
前記支持基板の側端部を覆うように形成され、且つ、前記幅方向において外側に突出する曲面形状を呈する緻密な絶縁体を有し、
前記支持基板の板厚方向における前記絶縁体の端部に対応する前記絶縁体の厚さをT1とし、前記側端部の側面に対応する前記絶縁体の最大厚さをT2としたとき、5.1≦T2/T1≦300という関係が成立する、燃料電池セル。 A flat porous support substrate having a gas flow path formed therein along the longitudinal direction;
A plurality of power generation element portions each provided at a plurality of locations separated from each other on the main surface of the support substrate, and at least an inner electrode, a solid electrolyte, and an outer electrode are laminated;
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
A gas seal portion made of a dense material that prevents mixing of the gas supplied to the inner electrode and the gas supplied to the outer electrode;
A fuel cell comprising:
The side end portion extending along the longitudinal direction in the support substrate has a curved shape protruding outward in the width direction perpendicular to the longitudinal direction,
The gas seal portion is
A dense insulator that is formed so as to cover a side end portion of the support substrate and that has a curved shape protruding outward in the width direction ;
When the thickness of the insulator corresponding to the end portion of the insulator in the thickness direction of the support substrate is T1, and the maximum thickness of the insulator corresponding to the side surface of the side end portion is T2, 5 .1 ≦ T2 / T1 ≦ 300 The fuel battery cell is established.
前記絶縁体の最大厚さは、前記曲面形状における突出方向の端部に対応する厚さである燃料電池セル。 The fuel cell according to claim 1 ,
Before Symbol maximum thickness of the insulator, the thickness is the fuel cell corresponding to the end portion of the protruding direction of the curved surface shape.
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