JP5646780B2 - 燃料電池 - Google Patents

燃料電池 Download PDF

Info

Publication number
JP5646780B2
JP5646780B2 JP2014076442A JP2014076442A JP5646780B2 JP 5646780 B2 JP5646780 B2 JP 5646780B2 JP 2014076442 A JP2014076442 A JP 2014076442A JP 2014076442 A JP2014076442 A JP 2014076442A JP 5646780 B2 JP5646780 B2 JP 5646780B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
support substrate
side end
film
fuel cell
connection member
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2014076442A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2014225435A (ja
Inventor
誠 大森
誠 大森
崇 龍
崇 龍
邦彦 吉岡
邦彦 吉岡
稔久 平岩
稔久 平岩
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NGK Insulators Ltd
Original Assignee
NGK Insulators Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NGK Insulators Ltd filed Critical NGK Insulators Ltd
Priority to JP2014076442A priority Critical patent/JP5646780B2/ja
Publication of JP2014225435A publication Critical patent/JP2014225435A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP5646780B2 publication Critical patent/JP5646780B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)

Description

本発明は、燃料電池に関する。
従来より、「長手方向を有する平板状の多孔質の支持基板であって、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、「前記支持基板の表裏の各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、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、「前記支持基板の表裏の各主面において隣り合う前記発電素子部の間に設けられ、隣り合う前記発電素子部の一方の燃料極と他方の空気極とを電気的に接続する電気的接続部」と、「前記支持基板の表裏の各主面における前記発電素子部が設けられた領域を除いた部分、及び、前記支持基板の側端面を覆うように設けられ、前記ガス流路を経て前記燃料極に供給されるガス(燃料ガス)と、前記空気極に供給されるガス(空気)と、の混合を防止する、緻密質材料からなるシール膜」と、を備えた固体酸化物形燃料電池(SOFC)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。
上記文献に記載された燃料電池では、前記支持基板の表裏に設けられた前記発電素子部同士が、前記支持基板の側端面と、前記シール膜における前記支持基板の側端面を覆う部分と、の間に設けられた接続部材によって電気的に接続されている。換言すれば、前記接続部材は、前記シール膜により区画・形成された「燃料ガスが流通する領域」及び「空気が流通する領域」のうち「燃料ガスが流通する領域」側に位置している。
前記「燃料ガスが流通する領域」は、燃料電池の稼働中は、還元雰囲気(具体的には、燃料ガス)に曝される。しかしながら、燃料電池の稼働の終了直後などの特異な状況下では、前記「燃料ガスが流通する領域」は、一時的に酸化雰囲気(具体的には、空気)に曝され得る。
他方、上記文献に記載された燃料電池の前記接続部材は、Niを含む導電材料で構成されている。従って、前記接続部材が曝される雰囲気が還元雰囲気と酸化雰囲気との間で変化する毎に、前記接続部材に含まれるNiについて酸化・還元反応が発生し得る。この酸化・還元反応に起因して、前記接続部材において膨張・収縮が発生し得る。この結果、前記「シール膜における前記支持基板の側端面を覆う部分」と前記接続部材との界面にて剥離が発生する、更には、前記接続部材そのものにクラックが発生する、という問題が発生し得た。換言すれば、支持基板の表裏に設けられた発電素子部同士を電気的に接続する部材の信頼性が低い、という問題があった。
特開2008−59793号公報
本発明は、以上の問題に対処するためのものであり、「横縞型」の燃料電池であって、支持基板の表裏に設けられた発電素子部同士を電気的に接続する部材の信頼性が高いものを提供することを目的とする。
本発明に係る燃料電池は、「背景技術」の欄で記載した燃料電池と同様に、前記支持基板と、前記複数の発電素子部と、前記電気的接続部と、前記シール膜と、を備えた「横縞型」の燃料電池である。前記支持基板の側端面は、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いる。
本発明に係る燃料電池の特徴は、前記シール膜における前記支持基板の主面を覆う部分を覆う主面側部分と、前記主面側部分に接続するとともに前記シール膜における前記支持基板の側端面を覆う部分を覆う側端面側部分と、を含む表裏間接続部材であって、前記支持基板の表裏の主面に設けられた前記発電素子部同士を電気的に接続する、導電性セラミックス材料で構成された表裏間接続部材を備えたことにある。
上記構成によれば、前記表裏間接続部材は、前記シール膜により区画・形成された「空気が流通する領域」側に位置する。即ち、前記表裏間接続部材が曝される雰囲気は、安定して酸化雰囲気に維持され得る。換言すれば、前記表裏間接続部材が曝される雰囲気が還元雰囲気と酸化雰囲気との間で変化することに起因する上述した「クラックの発生」などの問題が発生しない。この結果、支持基板の表裏に設けられた発電素子部同士を電気的に接続する部材の信頼性が高くなる。
加えて、本発明に係る燃料電池では、前記表裏間接続部材は、前記側端面側部分において、頂部が前記長手方向に連続する突出部を有する。前記頂部から前記側端面側部分における前記主面側部分と接続する部分までの距離が、前記頂部から前記側端面側部分における前記幅方向において最も外側に突出する部分までの距離より短い。
上記のように、前記表裏間接続部材の前記側端面側部分に前記突出部が設けられる場合、前記突出部が設けられない場合と比べて、燃料電池の稼働中において、前記側端面側部分(特に、前記側端面側部分における前記主面側部分との界面の近傍部分)にクラックが発生する可能性が抑制され得ることが判明した。
詳細は不明であるが、このことは、前記突出部が設けられる場合、前記突出部が設けられない場合と比べて、前記側端面側部分(特に、前記側端面側部分における前記主面側部分との界面の近傍部分)において局所的に過大な熱応力が発生し難くなることに起因する、と考えられる。
上記本発明に係る燃料電池において、前記シール膜は、ジルコニアを含む緻密質材料で構成され得、前記表裏間接続部材は、ストロンチウム又はランタンを含むペロブスカイト型の導電性セラミックス材料で構成され得る。前記表裏間接続部材は、緻密質膜であっても多孔質膜であってもよい。この場合、前記表裏間接続部材と前記シール膜とが向かい合う部分において、ジルコニア(ZrO)を含まない反応防止膜が介装されることが好適である。
前記表裏間接続部材は、La(Ni、Fe、Cu)O(銅が添加されたランタンニッケルフェライト)で構成され得る。或いは、(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)で構成され得る。
一般に、SrとZrOとが反応すると、SrZrOが形成されることが広く知られている。LaとZrOとが反応すると、LaZrが形成されることが広く知られている。従って、ジルコニアを含む緻密質材料で構成されたシール膜と、ストロンチウム又はランタンを含むペロブスカイト型の導電性セラミックス材料で構成された表裏間接続部材とが直接接触する構成では、シール膜と表裏間接続部材との界面にて、燃料電池作製時又は作動中などの高温時において、SrZrOやLaZrの反応層が形成される場合がある。前記界面にSrZrOやLaZrの反応層が形成されると、前記界面に剥離が発生し易いという問題が発生する。これは、「SrZrOやLaZr」と、「表裏間接続部材やシール膜」との間の熱膨張率差が大きいことに起因すると考えられる。以上より、前記界面にSrZrOやLaZrの反応層が形成される事態の発生を抑制する必要がある。
上記構成は、係る知見に基づく。上記構成によれば、表裏間接続部材(Sr又はLaを含む)とシール膜(ZrOを含む)との間に反応防止膜(ZrOを含まない)が介装される。従って、係る反応防止膜の介装によって、「Sr又はLa」とZrOとの反応の発生が抑制され得る。この結果、表裏間接続部材とシール膜との間におけるSrZrOやLaZrの反応層の形成が抑制されて、表裏間接続部材とシール膜とが向かい合う部分において剥離が発生する事態が抑制され得る。
上記本発明に係る燃料電池において、前記「電気的接続部」は、前記空気極と接続するとともに多孔質材料で構成された第1部分と、前記燃料極と接続するとともに前記第1部分と接続し且つ緻密質材料で構成された第2部分と、で構成され得る。この場合、前記表裏間接続部材の気孔率は、前記電気的接続部の第1部分の気孔率より小さいことが好適である。
一般に、前記支持基板の表裏の主面に設けられた前記発電素子部間における「前記表裏間接続部材によって形成される電気の通り道(電気パス)」の距離は、隣り合う前記発電素子部間における「前記電気的接続部によって形成される電気の通り道(電気パス)」の距離よりも長くなる。従って、前記表裏間接続部材の電気抵抗が比較的大きくなり、通電時において前記表裏間接続部材から発生する熱(ジュール熱)が比較的大きくなり易い。このことに起因して、前記表裏間接続部材(における特に支持基板の側端面を覆う部分)に過大な熱応力が局所的に発生してクラックが発生し易い。以上より、前記表裏間接続部材の電気抵抗を小さくすることが望まれる。
上記構成は係る知見に基づく。上記構成によれば、前記表裏間接続部材の気孔率が前記電気的接続部の第1部分の気孔率より小さい。従って、前記表裏間接続部材の気孔率を小さくすることができる(典型的には、前記表裏間接続部材が緻密質材料で構成され得る)。この結果、前記表裏間接続部材の内部における電気の通り道の断面積を大きくすることができて、前記表裏間接続部材の電気抵抗を小さくすることができる。
上記本発明に係る燃料電池では、前記各シール膜は、対応する前記発電素子部の固体電解質膜から前記支持基板の主面及び側端面を覆うように延びる前記固体電解質と同じ組成又は異なる組成を有する材料からなる緻密質膜で構成され得る。
また、前記電気的接続部は、前記第1部分と、前記燃料極と接続するとともに前記第1部分と接続し且つ緻密質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燃料極がそれぞれ埋設され、前記埋設された各燃料極の外側面に形成された第2凹部に、対応する前記電気的接続部の前記第2部分がそれぞれ埋設され得る。
また、対応する前記電気的接続部の第2部分が埋設された前記各第2凹部は、前記燃料極の材料からなる底壁と、全周に亘って前記燃料極の材料からなる周方向に閉じた側壁とを有し得る。
また、前記燃料極の前記第2凹部以外の外側面と、前記電気的接続部の第2部分の外側面と、前記支持基板の前記主面とにより、1つの平面が構成され得る。
本発明に係る燃料電池を示す斜視図である。 図1に示す燃料電池の2−2線に対応する断面図である。 図1に示す燃料電池の3−3線に対応する断面図である。 図1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。 図1に示す燃料電池の5−5線に対応する断面図である。 図1及び図5に示す燃料電池の6−6線に対応する断面図である。 図1に示す燃料電池の作動状態を説明するための図である。 図1に示す燃料電池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。 図1に示す支持基板を示す斜視図である。 図1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2に対応する断面図である。 図1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2に対応する断面図である。 図1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2に対応する断面図である。 図1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2に対応する断面図である。 図1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2に対応する断面図である。 図1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2に対応する断面図である。 図1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2に対応する断面図である。 図1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2に対応する断面図である。 表裏間接続部材の側端面側部分に設けられた突出部を説明するための図6の部分拡大図である。 突出部の変形例を説明するための図18に対応する図である。 本発明に係る燃料電池の第1変形例の図5に対応する断面図である。 本発明に係る燃料電池の第1変形例の図6に対応する断面図である。
(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)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1〜図8を参照しながら、このSOFC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。
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9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。また、支持基板10の上下面(両主面)のそれぞれには、各発電素子部Aに対応する箇所に凹部12がそれぞれ形成されている。本例では、各凹部12は、支持基板10の材料からなる底壁と、全周に亘って支持基板10の材料からなる周方向に閉じた側壁(長手方向に沿う2つの側壁と幅方向に沿う2つの側壁)と、で画定された直方体状の窪みである。
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。
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。
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。支持基板10の厚さは、1〜5mmである。
図2〜図4に示すように、支持基板10の上下面(両主面)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。図4に示すように、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。前記「周方向に閉じた側壁」は、全周に亘って燃料極集電部21の材料からなる。
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の前記「周方向に閉じた側壁」の全周と底面とは、凹部21a内で燃料極集電部21と接触している。
図4に示すように、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。前記「周方向に閉じた側壁」は、全周に亘って燃料極集電部21の材料からなる。
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質材料からなる焼成体である。各インターコネクタ30の前記「周方向に閉じた側壁」の全周と底面とは、凹部21b内で燃料極集電部21と接触している。
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。
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。
このように、燃料極集電部21は、電子伝導性を有する物質を含んで構成される。燃料極活性部22は、電子伝導性を有する物質と酸素イオン伝導性を有する物質とを含んで構成される。燃料極活性部22における「気孔部分を除いた全体積に対する酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合」は、燃料極集電部21における「気孔部分を除いた全体積に対する酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合」よりも大きい。
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。
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。即ち、固体電解質膜40は、発電素子部Aの内部から支持基板10の表面を覆うように発電素子部Aの外部へ延びている。換言すれば、固体電解質膜40は、支持基板10の表裏の各主面における発電素子部Aが設けられた領域を除いた部分、及び、支持基板10の側端面(幅方向(y軸方向)の両端面)を覆うように設けられている。
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質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。即ち、固体電解質膜40は、ジルコニア(ZrO)を含む。固体電解質膜40の厚さは、3〜50μmである。
即ち、支持基板10の表裏の各主面における発電素子部Aが設けられた領域を除いた部分、及び、支持基板10の側端面は、インターコネクタ30と固体電解質膜40とからなる緻密質膜により覆われている。この緻密質膜は、緻密質膜の内側の空間を流れる燃料ガスと緻密質膜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。このガスシール機能を発揮するため、この緻密質膜(インターコネクタ30+固体電解質膜40)の気孔率は、10%以下である。この緻密質膜が前記「シール膜」に対応する。従って、「シール膜」における支持基板10の側端面を覆う部分は、固体電解質膜40と同じ組成を有する材料(即ち、ジルコニアを含む材料)からなる緻密質膜で構成されている。
なお、図2に示すように、本例では、固体電解質膜40が、燃料極20(集電部21+活性部22)の上面、インターコネクタ30の上面の中央部、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。
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、緻密質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。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。
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)、及び、SDC=(Ce,Sm)O(サマリウムドープセリア)等の希土類元素を含むセリアから構成され得る。即ち、反応防止膜50は、ジルコニア(ZrO)を含まない。ここで、「反応防止膜50がジルコニア(ZrO)を含まない」とは、反応防止膜50と前記シール膜との積層体について、反応防止膜50における前記シール膜との界面からの距離が2μm以内の領域内において、ジルコニウム(Zr)、イットリウム(Y)、セリウム(Ce)、ガドリニウム(Gd)、酸素(O)のうち、ジルコニウム濃度が、5at.%(原子分率、原子パーセント)以下(更に好ましくは、1at.%以下)であることを指す。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。
なお、固体電解質膜40と空気極60との間に反応防止膜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(SrZrO)が形成される現象の発生を抑制するためである。
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の上下面のそれぞれには、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。
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。
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。或いは、La(Ni、Fe、Cu)Oで構成されてもよい。即ち、空気極集電膜70は、ストロンチウム(Sr)又はランタン(La)を含む。空気極集電膜70の厚さは、50〜500μmである。
本明細書にて、La(Ni、Fe、Cu)Oは、具体的には、下記(1)式の化学式で表わされる酸化物を指す。ただし、(1)式において、m及びnは0.95以上1.05以下であり、xは0.03以上0.3以下であり、yは0.05以上0.5以下であり、δは0以上0.8以下である。
La(Ni1−x−yFeCu3−δ …(1)
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の上下面のそれぞれ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。
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「緻密質材料で構成された第2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1部分」に対応し、気孔率は20〜60%である。
図2に示す構成では、反応防止膜50が、発電素子部Aの内部(即ち、固体電解質膜40と空気極60との間の部分)から前記シール膜(=固体電解質膜40における発電素子部Aの外部に形成された部分)の表面を覆うように(表面に接触するように)発電素子部Aの外部へ延びている。空気極集電膜70が、反応防止膜50(より具体的には、反応防止膜50における発電素子部Aの外部に形成された部分)の表面を覆うように(表面に接触するように)形成されている。空気極集電膜70と前記シール膜とが向かい合う全ての部分において、反応防止膜50(より具体的には、反応防止膜50における発電素子部Aの外部に形成された部分)が介装されている。
図1、図5、及び図6に示すように、支持基板10の長手方向の一端部(x軸負方向の端部)には、支持基板10の表裏の主面における前記長手方向の最も一端側(x軸負方向側)にそれぞれ設けられた発電素子部A同士を電気的に接続する表裏間接続部材80が設けられている。
表裏間接続部材80は、例えば、空気極集電膜70と同じ材料、即ち、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)、LSC=(La,Sr)CoO(ランタンストロンチウムコバルタイト)、或いは、La(Ni、Fe、Cu)O等で構成され得る。この場合、表裏間接続部材80は、ストロンチウム(Sr)又はランタン(La)を含むペロブスカイト型導電性セラミックスからなる焼成体である。表裏間接続部材80の気孔率は、空気極集電膜70の気孔率と同じであっても異なっていても良い。
図5の6−6線に対応する断面図である図6に示すように、この例では、表裏間接続部材80は、支持基板10の長手方向の一端部の周囲を周回するように設けられている。従って、表裏間接続部材80は、「シール膜」における「支持基板10の主面及び側端面を覆う部分」(即ち、固体電解質膜40)の表面を覆うように設けられている。
この例では、表裏間接続部材80によって電気的に接続された発電素子部Aの反応防止膜50が、表裏間接続部材80と「シール膜」(即ち、固体電解質膜40)とが向かい合う全ての部分において介装されるように、発電素子部Aの外部へ延びている。換言すれば、支持基板10の長手方向の一端部では、支持基板10の主面及び側端面を覆うように形成された「シール膜」(固体電解質膜40)の表面を覆うように反応防止膜50が形成され、その反応防止膜50の表面を覆うように表裏間接続部材80が形成されている。
図5及び図6に示す例では、表裏間接続部材80は、支持基板10の上下面の一方(図5における上側の主面)に形成された発電素子部Aの空気極60と、支持基板10の上下面の他方(図5における下側の主面)に形成された発電素子部Aの燃料極20(より具体的には、その燃料極20に電気的に接続されたインターコネクタ30)と、を電気的に接続している。即ち、表裏間接続部材80は、支持基板10の上下面に設けられた発電素子部間を電気的に直列に接続している。
以上、説明した「横縞型」のSOFCに対して、図7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(2)、(3)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) …(2)
+O2−→HO+2e (於:燃料極20) …(3)
発電状態においては、図8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7に示すように、このSOFC全体から(具体的には、図7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。
(製造方法)
次に、図1に示した「横縞型」のSOFCの製造方法の一例について図9〜図17を参照しながら簡単に説明する。図9〜図17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。
先ず、図9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9に示す10−10線に対応する部分断面を表す図10〜図17を参照しながら説明を続ける。
図10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11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12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。
続いて、図13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。
次に、図14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(即ち、上下の主面、及び、両側の側端面)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。
次に、図15に示すように、固体電解質膜の成形体40gの外側面の全域に、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。
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。
次に、図16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。
次に、図17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、La(Ni、Fe、Cu)O)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。
また、支持基板10の長手方向の一端部においてその周囲を周回するように、表裏間接続部材の成形膜が形成される(図5、及び、図6を参照)。表裏間接続部材の成形膜は、例えば、空気極集電膜70の材料(例えば、LSCF、La(Ni、Fe、Cu)O)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。
そして、このように成形膜60g、70g、並びに、表裏間接続部材の成形膜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が得られる。以上、図1に示したSOFCの製造方法の一例について説明した。
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。
(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では、支持基板10の長手方向の一端部にて、支持基板10の主面及び側端面を覆うように「シール膜」(固体電解質膜40)が形成され、その「シール膜」の表面を覆うように反応防止膜50が形成され、その反応防止膜50の表面を覆うように表裏間接続部材80が形成されている。従って、表裏間接続部材80は、「シール膜」により区画・形成された「空気が流通する領域」側に位置する。即ち、表裏間接続部材80が曝される雰囲気は、安定して酸化雰囲気に維持され得る。従って、「背景技術」の欄で述べたような、「表裏間接続部材80が曝される雰囲気が還元雰囲気と酸化雰囲気との間で変化することに起因するクラックの発生」などの問題が発生しない。この結果、支持基板10の表裏に設けられた発電素子部A同士を電気的に接続する部材の信頼性が高くなる。
また、上記実施形態では、表裏間接続部材80と「シール膜」とが向かい合う全ての部分において、反応防止膜50が介装されている。加えて、空気極集電膜70と「シール膜」とが向かい合う全ての部分においても、反応防止膜50が介装されている。
上記構成によれば、空気極集電膜70(Sr又はLaを含む)とシール膜(ZrOを含む)との間、並びに、表裏間接続部材80(Sr又はLaを含む)とシール膜(ZrOを含む)との間に反応防止膜50(ZrOを含まない)が介装される。従って、係る反応防止膜50の介装によって、空気極集電膜70とシール膜との間、並びに、表裏間接続部材80とシール膜との間において、「Sr又はLa」とZrOとの反応の発生が抑制され得る。この結果、空気極集電膜70とシール膜との間、並びに、表裏間接続部材80とシール膜との間におけるSrZrOやLaZrの反応層の形成が抑制されて、空気極集電膜70とシール膜とが向かい合う部分、並びに、表裏間接続部材80とシール膜とが向かい合う部分において剥離が発生する事態が抑制され得る。
上記実施形態では、表裏間接続部材80の気孔率が空気極集電膜70の気孔率より小さいことが好適である。これによれば、表裏間接続部材80の気孔率を小さくすることができる(典型的には、表裏間接続部材80が緻密質材料で構成され得る)。従って、表裏間接続部材80の内部における電気の通り道の断面積が大きくされ得、表裏間接続部材80の電気抵抗が小さくされ得る。この結果、通電時において表裏間接続部材80から発生する熱(ジュール熱)に基づく過大な熱応力の発生に起因して表裏間接続部材80(における特に支持基板10の側端面を覆う部分)にクラックが発生することが抑制され得る。
また、支持基板10の上下面に形成されている、燃料極20(集電部21)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。
また、支持基板10の各凹部12内に燃料極20(集電部21+活性部22)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。
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。
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。
また、上記実施形態では、固体電解質膜40が、燃料極20(集電部21+活性部22)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。
(表裏間接続部材の詳細な形状)
次に、表裏間接続部材80の詳細な形状について、図18、及び、図19を参照しながら説明する。以下、表裏間接続部材80における「シール膜(固体電解質膜40)における支持基板10の主面を覆う部分を覆う部分」を、「主面側部分80A」と呼び、表裏間接続部材80における「主面側部分80Aに接続するとともに、シール膜(固体電解質膜40)における支持基板10の側端面を覆う部分を覆う部分」を、「側端面側部分80B」と呼ぶ。
図18に示すように、「支持基板10における主面と側端面との境界を通り、且つ、x−z平面に平行な平面」を、「平面PL」と定義したとき、主面側部分80Aは、表裏間接続部材80における「図18において平面PLの左側に位置する部分」に対応し、側端面側部分80Bは、表裏間接続部材80における「図18において平面PLの右側に位置する部分」に対応する。図18に示す例では、主面側部分80Aは、反応防止膜50における「シール膜(固体電解質膜40)における支持基板10の主面を覆う部分の上に形成された部分」と接触するように設けられ、側端面側部分80Bは、反応防止膜50における「シール膜(固体電解質膜40)における支持基板10の側端面を覆う部分の上に形成された部分」と接触するように設けられている。
図18に示す例では、主面側部分80Aの厚さはT1で一定である。一方、側端面側部分80Bでは、頂部が長手方向(x軸方向)に連続する突出部80B1が設けられている。この例では、突出部80B1が、支持基板10の幅方向(y軸方向)の両側の側端面側部分80Bのそれぞれについて、支持基板10の表面側(z軸正方向側)及び裏面側(z軸負方向側)にそれぞれ設けられている(合計4か所)。各突出部80B1について、頂部から「側端面側部分80Bにおける主面側部分80Aと接続する部分」までの距離は、頂部から「側端面側部分80Bにおける幅方向(y軸方向)において最も外側に位置する部分」までの距離より短い。
図19に示す例では、図18に示す例と異なり、主面側部分80Aの厚さに関し、主面側部分80Aにおける「側端面側部分80Bと接続する部分」の近傍部分(即ち、突出部80B1の裾野に対応する部分)の厚さが、主面側部分80Aにおけるその他の部分の厚さと比べて大きくなっている。
図18、及び、図19に示すように、表裏間接続部材80の側端面側部分80Bに突出部80B1が設けられる場合、突出部80B1が設けられない場合(典型的には、側端面側部分80Bの厚さが一定の場合)と比べて、SOFCの稼働中において、側端面側部分80B(特に、側端面側部分80Bにおける主面側部分80Aとの界面の近傍部分)にクラックが発生する可能性が抑制され得ることが判明した。これは、詳細は不明であるが、突出部80B1が設けられる場合、突出部80B1が設けられない場合と比べて、側端面側部分80B(特に、側端面側部分80Bにおける主面側部分80Aとの界面の近傍部分)において局所的に過大な熱応力が発生し難くなることに起因する、と考えられる。
(突出部の厚さの適正な範囲)
以下、表裏間接続部材80の側端面側部分80Bに設けられる突出部80B1の厚さの適正な範囲について付言する。以下、表裏間接続部材80の「或る部分」の厚さとは、「表裏間接続部材80が形成されるベース面(図18、及び、図19に示す例では、反応防止膜50の表面)における「その部分」から引いた法線の方向の厚さ」を指す。主面側部分80Aにおける厚さの最大値を厚さ「T1」とし、側端面側部分80Bにおける厚さの最大値を厚さ「T2」とする(図18、及び図19を参照)。図18、及び図19から理解できるように、厚さT2は、側端面側部分80Bにおける「前記法線が突出部80B1の頂部を通る部分」の厚さである。
上述のように、側端面側部分80Bに突出部80B1が設けられる上記実施形態では、突出部80B1が設けられない構成(典型的には、側端面側部分80Bの厚さが一定となる構成)と比べて、通常の環境下で稼働される場合には、側端面側部分80B(特に、側端面側部分80Bにおける主面側部分80Aとの界面の近傍部分)にクラックが発生し難い。しかしながら、上記実施形態が熱応力的に過酷な環境下で稼働されると、係る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、厚さ比(T2/T1)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について説明する。
(試験)
この試験では、上記実施形態について、表裏間接続部材80の材質、厚さT1及び厚さT2(従って、厚さ比T2/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1に示すように、15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1に記載された厚さT1、T2の値は、上記還元処理後の段階での値(N=10の平均値)である。
Figure 0005646780
各サンプルは、上述した「本実施形態の製造方法の一例」と同じ方法を用いて、各突出部80B1(合計4つ)が図18に示す形態を有するように、作製された。各サンプル(図1に示す燃料電池)にて使用された支持基板10としては、材料が上記に列挙されたもののうちの一つであり、材料の気孔率が20〜60%であり、厚さ、幅がそれぞれ、2〜4mm、30〜100mmであるものが使用された。(y−z平面に沿った断面における)支持基板10の側端面の曲率半径は、1〜2mmであった。固体電解質膜40の厚さは5〜30μmであった。反応防止膜50の厚さは5〜30μmであった。主面側部分80Aの厚さはT1で一定であった。側端面側部分80Bにおける突出部80B1を除いた部分の厚さもT1で一定であった。表裏間接続部材80の気孔率は10〜50%であった。各サンプルについて、表裏間接続部材80の焼成に関し、焼成温度は900〜1200℃であり、焼成時間は1〜20時間であった。還元処理温度は800〜1000℃であり、還元処理時間は1〜10時間であった。
表1において、各水準にて、厚さT1、T2の値として、10個のサンプルにおける平均値がそれぞれ示されている。
上記還元処理後の段階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10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、側端面側部分80B(特に、側端面側部分80Bにおける主面側部分80Aとの界面の近傍部分)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。
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、側端面側部分80Bに突出部80B1が設けられる場合(水準2〜15を参照)、突出部80B1が設けられない場合(水準1を参照)と比べて、側端面側部分80B(特に、側端面側部分80Bにおける主面側部分80Aとの界面の近傍部分)にてクラックが発生し難い、といえる。
加えて、表1から理解できるように、厚さ比T2/T1が1.05〜1.75であると、そうでない場合と比べて、側端面側部分80B(特に、側端面側部分80Bにおける主面側部分80Aとの界面の近傍部分)にてクラックがより一層発生し難い、といえる。
以上より、熱応力的に過酷な上記熱サイクル試験を行った後では、側端面側部分80Bに突出部80B1が設けられると、突出部80B1が設けられない場合と比べて、側端面側部分80B(特に、側端面側部分80Bにおける主面側部分80Aとの界面の近傍部分)にてクラックが発生し難く、更に、側端面側部分80Bに突出部80B1が設けられる場合において、厚さ比T2/T1が1.05〜1.75であると、そうでない場合と比べて、前記クラックがより一層発生し難い、といえる。
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)では、表1の水準1〜15の全てにおいて、「側端面側部分80B(特に、側端面側部分80Bにおける主面側部分80Aとの界面の近傍部分)にてクラックが発生しないことを別途確認している。
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、表裏間接続部材80は、支持基板10の長手方向の一端部に形成されているが、支持基板10の長手方向の中央部に形成されてもよい。また、表裏間接続部材80は、支持基板10の長手方向の一端部にて支持基板10の周囲を周回するように設けられているが、支持基板10の上下面に設けられた発電素子部間の電気的な接続が確保される限りにおいて、表裏間接続部材80が、支持基板10の周囲を周回しなくてもよい。
また、上記実施形態では、図5及び図6から理解できるように、表裏間接続部材80が、支持基板10の上下面の一方(図5における上側の主面)に形成された発電素子部Aの空気極60と、支持基板10の上下面の他方(図5における下側の主面)に形成された発電素子部Aの燃料極20と、を電気的に直列に接続する構成が採用されている。
これに対し、図5及び図6にそれぞれ対応する図20及び図21に示すように、表裏間接続部材80が、支持基板10の上下面の一方(図20における上側の主面)に形成された発電素子部Aの空気極60と、支持基板10の上下面の他方(図20における下側の主面)に形成された発電素子部Aの空気極60と、を電気的に並列に接続する構成が採用されてもよい。
また、上記実施形態では、図9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。
また、上記実施形態においては、各凹部12にはインターコネクタ30の全体が埋設されているが、インターコネクタ30の一部のみが各凹部12に埋設され、インターコネクタ30の残りの部分が凹部12の外に突出(即ち、支持基板10の主面から突出)していてもよい。
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。
また、上記実施形態においては、固体電解質膜40における「発電素子部Aの内側の部分」(燃料極活性部22と反応防止膜50との間の部分)と「発電素子部Aの外側の部分」とが同じ組成で構成されているが、異なる組成で構成されてもよい。同様に、反応防止膜50における「発電素子部Aの内側の部分」(固体電解質膜40と空気極60との間の部分)と「発電素子部Aの外側の部分」とが同じ組成で構成されているが、異なる組成で構成されてもよい。
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、80…表裏間接続部材、80A…主面側部分、80B…側端面側部分、80B1…突出部、A…発電素子部

Claims (4)

  1. 長手方向を有する平板状の電子伝導性を有さない多孔質の支持基板であって、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、
    前記支持基板の表裏の各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、固体電解質膜、及び空気極がこの順で積層されてなる複数の発電素子部と、
    前記支持基板の表裏の各主面において隣り合う前記発電素子部の間に設けられ、隣り合う前記発電素子部の一方の燃料極と他方の空気極とを電気的に接続する電気的接続部と、
    前記支持基板の表裏の各主面における前記発電素子部が設けられた領域を除いた部分、及び、前記支持基板の側端面を覆うように設けられ、前記ガス流路を経て前記燃料極に供給されるガスと、前記空気極に供給されるガスと、の混合を防止する、緻密質材料からなるシール膜と、
    を備えた燃料電池であって、
    前記支持基板の側端面は、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、
    前記シール膜における前記支持基板の主面を覆う部分を覆う主面側部分と、前記主面側部分に接続するとともに前記シール膜における前記支持基板の側端面を覆う部分を覆う側端面側部分と、を含む表裏間接続部材であって、前記支持基板の表裏の主面に設けられた前記発電素子部同士を電気的に接続する、導電性セラミックス材料で構成された表裏間接続部材を備え、
    前記側端面側部分は、前記長手方向に連続する突出部を備え、
    前記突出部は、前記長手方向に連続し且つ前記幅方向及び前記支持基板の厚さ方向に沿う断面にて凸面形状を呈する頂部と、前記長手方向に連続し且つ前記幅方向及び前記支持基板の厚さ方向に沿う断面にて凹面形状を呈するとともに前記側端面側部分における前記突出部以外の部分に接続する根元部と、を備え、
    前記側端面側部分における前記突出部の厚さの最大値が、前記側端面側部分における前記突出部以外の部分の厚さより大きく、
    前記頂部から前記側端面側部分における前記主面側部分と接続する部分までの距離が、前記頂部から前記側端面側部分における前記幅方向において最も外側に位置する部分までの距離より短い、燃料電池。
  2. 請求項1に記載の燃料電池において、
    前記表裏間接続部材の前記主面側部分の厚さの最大値(T1)に対する、前記表裏間接続部材の前記側端面側部分の前記突出部の厚さの最大値(T2)の割合が1.05〜1.75である、燃料電池。
  3. 請求項1又は請求項2に記載の燃料電池において、
    前記シール膜は、ジルコニアを含む材料で構成され、
    前記表裏間接続部材は、ストロンチウム又はランタンを含むペロブスカイト型導電性セラミックス材料で構成され、
    前記表裏間接続部材と前記シール膜とが向かい合う部分において、ジルコニアを含まない反応防止膜が介装された、燃料電池。
  4. 請求項1乃至請求項3の何れか一項に記載の燃料電池において、
    前記表裏間接続部材は、化学式La(Ni1−x−yFeCu3−δ(ただし、m及びnは0.95以上1.05以下、xは0.03以上0.3以下、yは0.05以上0.5以下、δは0以上0.8以下)で表わされる酸化物で構成された、燃料電池。
JP2014076442A 2013-04-19 2014-04-02 燃料電池 Active JP5646780B2 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014076442A JP5646780B2 (ja) 2013-04-19 2014-04-02 燃料電池

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013088029 2013-04-19
JP2013088029 2013-04-19
JP2014076442A JP5646780B2 (ja) 2013-04-19 2014-04-02 燃料電池

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2014225435A JP2014225435A (ja) 2014-12-04
JP5646780B2 true JP5646780B2 (ja) 2014-12-24

Family

ID=52123956

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2014076442A Active JP5646780B2 (ja) 2013-04-19 2014-04-02 燃料電池
JP2014076440A Active JP5646779B2 (ja) 2013-04-19 2014-04-02 燃料電池

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2014076440A Active JP5646779B2 (ja) 2013-04-19 2014-04-02 燃料電池

Country Status (1)

Country Link
JP (2) JP5646780B2 (ja)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6169930B2 (ja) * 2013-09-25 2017-07-26 京セラ株式会社 固体酸化物形燃料電池セル
JP5727062B1 (ja) * 2014-02-24 2015-06-03 日本碍子株式会社 燃料電池
JP5883536B1 (ja) * 2014-12-25 2016-03-15 日本碍子株式会社 燃料電池
JP2016162630A (ja) * 2015-03-03 2016-09-05 日本碍子株式会社 燃料電池
CN107408743B (zh) * 2015-03-13 2020-11-20 日本碍子株式会社 空气极、水电解阳极、金属空气电池及水电解装置
US10998569B2 (en) * 2015-08-22 2021-05-04 Kyocera Corporation Cell, cell stack device, module and module housing device

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4874678A (en) * 1987-12-10 1989-10-17 Westinghouse Electric Corp. Elongated solid electrolyte cell configurations and flexible connections therefor
JP4028809B2 (ja) * 2003-02-20 2007-12-26 京セラ株式会社 燃料電池セル及び燃料電池
JP5257826B2 (ja) * 2007-06-22 2013-08-07 Toto株式会社 燃料電池セルスタック、燃料電池セルスタックユニット及び燃料電池
JP5214227B2 (ja) * 2007-11-29 2013-06-19 東京瓦斯株式会社 横縞型固体酸化物形燃料電池スタック及びその作製方法
JP5301865B2 (ja) * 2007-12-26 2013-09-25 東京瓦斯株式会社 横縞型固体酸化物形燃料電池
JP2011113830A (ja) * 2009-11-27 2011-06-09 Kyocera Corp 燃料電池セルならびにそれを用いたセルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置
JP4995327B1 (ja) * 2010-03-25 2012-08-08 日本碍子株式会社 電極材料、それを含む燃料電池セル、及びその製造方法
JP4995328B1 (ja) * 2010-03-25 2012-08-08 日本碍子株式会社 電極材料及びそれを含む燃料電池セル
JP4853979B2 (ja) * 2010-03-26 2012-01-11 日本碍子株式会社 燃料電池セル
JP5775682B2 (ja) * 2010-10-26 2015-09-09 日本碍子株式会社 燃料電池セル
JP5377599B2 (ja) * 2011-08-26 2013-12-25 京セラ株式会社 燃料電池セルならびにそれを用いたセルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置

Also Published As

Publication number Publication date
JP2014225435A (ja) 2014-12-04
JP5646779B2 (ja) 2014-12-24
JP2014225434A (ja) 2014-12-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5417516B1 (ja) 燃料電池
JP5646780B2 (ja) 燃料電池
JP6169930B2 (ja) 固体酸化物形燃料電池セル
JP5752287B1 (ja) 燃料電池
JP5095877B1 (ja) 燃料電池
JP5600819B1 (ja) 燃料電池
JP5642855B1 (ja) 燃料電池
JP5443648B1 (ja) 燃料電池の構造体
JP2012226828A (ja) 燃料電池の構造体
JP5455267B1 (ja) 燃料電池
JP5613808B1 (ja) 燃料電池
JP5824204B2 (ja) 燃料電池セル
JP5895112B1 (ja) 燃料電池
JP5646785B1 (ja) 燃料電池
JP5727062B1 (ja) 燃料電池
JP5752297B1 (ja) 燃料電池
JP7270703B2 (ja) セル
JP5752340B1 (ja) 燃料電池
JP5895113B1 (ja) 燃料電池
JP5455266B1 (ja) 燃料電池
JP5587479B1 (ja) 燃料電池
JP6021126B2 (ja) 燃料電池
JP5824499B2 (ja) 燃料電池
JP5621029B1 (ja) 燃料電池
JP5753930B1 (ja) 燃料電池

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20140917

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20141007

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20141105

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5646780

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150