JP5646785B1 - Fuel cell - Google Patents

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Abstract

【課題】ガス流路が内部に形成された多孔質の支持基板のガス排出側端部に緻密なコーティング膜が形成された燃料電池であって、その緻密なコーティング膜の表面にクラックが発生する事態を抑制し得るものを提供すること。【解決手段】この燃料電池は、複数のガス流路11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10と、支持基板10の主面に設けられ、少なくとも燃料極、固体電解質、及び空気極がこの順で積層された発電素子部と、を備えた焼成体である。各ガス流路11の内壁面におけるガス排出側の端部、並びに、支持基板10の長手方向におけるガス排出側の端面に、支持基板10より気孔率が小さい緻密なコーティング膜が形成されている。この緻密なコーティング膜の上に、更に、この緻密なコーティング膜より気孔率が大きい多孔質のコーティング膜が形成されている。【選択図】図1A fuel cell in which a dense coating film is formed at an end of a gas discharge side of a porous support substrate having a gas flow path formed therein, and cracks are generated on the surface of the dense coating film. Provide something that can control the situation. This fuel cell is provided with a flat porous support substrate 10 in which a plurality of gas flow paths 11 are formed along the longitudinal direction, and a main surface of the support substrate 10, and at least a fuel electrode. , A solid electrolyte, and a power generation element unit in which an air electrode is laminated in this order. A dense coating film having a porosity smaller than that of the support substrate 10 is formed on the end portion on the gas discharge side of the inner wall surface of each gas flow path 11 and on the end surface on the gas discharge side in the longitudinal direction of the support substrate 10. A porous coating film having a larger porosity than the dense coating film is further formed on the dense coating film. [Selection] Figure 1

Description

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

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

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

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

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

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

特開2012−9228号公報JP 2012-9228 A

ところで、上記のように第1コーティング膜が形成される構成において、第1コーティング膜の表面にクラックが発生する、という新たな問題が発生し易いことが判明した。これは、以下の理由に基づくと考えられる。即ち、第1コーティング膜は、各ガス流路のガス排出口の近傍にて外部空間に対して露呈している。従って、上述のように、前記余剰のガスが、ガス排出口の近傍にて外部空間内にある空気(酸素)と反応して燃焼する際、その燃焼に起因する熱(燃焼熱)が第1コーティング膜の表面に伝わり易い。換言すれば、第1コーティング膜の表面温度の変化度合が非常に大きい。他方、第1コーティング膜は緻密膜であるので、第1コーティング膜のヤング率は大きい。従って、第1コーティング膜では、歪に対して発生する応力が比較的大きくなる。以上のことから、第1コーティング膜の表面に発生する熱応力が特に過大になり易い。この結果、第1コーティング膜の表面にクラックが発生し易い、と考えられる。   Incidentally, it has been found that in the configuration in which the first coating film is formed as described above, a new problem that a crack occurs on the surface of the first coating film is likely to occur. This is considered based on the following reasons. That is, the first coating film is exposed to the external space in the vicinity of the gas discharge port of each gas flow path. Therefore, as described above, when the surplus gas burns by reacting with air (oxygen) in the external space in the vicinity of the gas discharge port, the heat (combustion heat) resulting from the combustion is the first. Easy to be transmitted to the surface of the coating film. In other words, the degree of change in the surface temperature of the first coating film is very large. On the other hand, since the first coating film is a dense film, the Young's modulus of the first coating film is large. Therefore, in the first coating film, the stress generated with respect to the strain is relatively large. From the above, the thermal stress generated on the surface of the first coating film tends to be particularly excessive. As a result, it is considered that cracks are likely to occur on the surface of the first coating film.

第1コーティング膜の表面にクラックが発生すると、外部空間内にある空気が支持基板のガス排出側端部の内部へ進入し易くなり、第1コーティング膜を形成したにもかかわらず、上述した「支持基板内部でのクラックの発生」という問題が再び起こり易くなる。第1コーティング膜の表面におけるクラックの発生を抑制することが望まれているところである。   When cracks occur on the surface of the first coating film, the air in the external space can easily enter the inside of the gas discharge side end portion of the support substrate, and the above-described “ The problem of “crack generation inside the support substrate” is likely to occur again. It is desired to suppress the occurrence of cracks on the surface of the first coating film.

本発明の目的は、ガス流路が内部に形成された多孔質の支持基板のガス排出側端部に緻密なコーティング膜が形成された燃料電池であって、その緻密なコーティング膜の表面にクラックが発生する事態を抑制し得るものを提供することにある。   An object of the present invention is a fuel cell in which a dense coating film is formed on the gas discharge side end portion of a porous support substrate having a gas flow path formed therein, and the surface of the dense coating film is cracked. It is in providing the thing which can suppress the situation where this occurs.

本発明に係る燃料電池は、上記と同様の支持基板と発電素子部とを備える。各ガス流路の前記長手方向における一端側及び他端側がそれぞれ、ガス流入側及びガス排出側に対応する。この燃料電池では、少なくとも、前記各ガス流路の内壁面における前記ガス排出側の端部、及び、前記支持基板の前記長手方向における前記ガス排出側の端面に、前記支持基板より気孔率が小さい(緻密な)第1コーティング膜が形成されている。   The fuel cell according to the present invention includes the same support substrate and power generation element unit as described above. One end side and the other end side in the longitudinal direction of each gas flow path correspond to a gas inflow side and a gas discharge side, respectively. In this fuel cell, at least the gas discharge side end portion of the inner wall surface of each gas flow path and the gas discharge side end surface of the support substrate in the longitudinal direction have a lower porosity than the support substrate. A (dense) first coating film is formed.

この燃料電池の特徴は、前記第1コーティング膜の上に、前記第1コーティング膜より気孔率が大きい(多孔質の)第2コーティング膜が形成されたことにある。ここにおいて、前記支持基板の気孔率は、20〜60%であり、前記第1コーティング膜の気孔率は、0.5〜10%であり、前記第2コーティング膜の気孔率は、20〜60%であることが好適である。前記第2コーティング膜は、前記第1コーティング膜の表面の全域に亘って形成されることが好適である。   The fuel cell is characterized in that a second coating film having a porosity (porous) larger than that of the first coating film is formed on the first coating film. Here, the porosity of the support substrate is 20 to 60%, the porosity of the first coating film is 0.5 to 10%, and the porosity of the second coating film is 20 to 60%. % Is preferred. The second coating film is preferably formed over the entire surface of the first coating film.

上記構成によれば、第1コーティング膜の表面に第2コーティング膜が形成されているので、第1コーティング膜は、各ガス流路のガス排出口の近傍にて外部空間に対して露呈しない。従って、第2コーティング膜が形成されていない態様と比べて、前記余剰のガスの燃焼熱が第1コーティング膜の表面に伝わり難く、第1コーティング膜の表面温度の変化度合が小さくなる。この結果、第1コーティング膜の表面に過大な応力が発生し難くなり、第1コーティング膜の表面にクラックが発生し難くなる。   According to the above configuration, since the second coating film is formed on the surface of the first coating film, the first coating film is not exposed to the external space in the vicinity of the gas discharge port of each gas flow path. Accordingly, as compared with an embodiment in which the second coating film is not formed, the combustion heat of the surplus gas is not easily transmitted to the surface of the first coating film, and the degree of change in the surface temperature of the first coating film is reduced. As a result, excessive stress is less likely to occur on the surface of the first coating film, and cracks are less likely to occur on the surface of the first coating film.

加えて、第2コーティング膜は、各ガス流路のガス排出口の近傍にて外部空間に対して露呈している。従って、前記余剰のガスの燃焼熱が第2コーティング膜の表面に伝わり易い。換言すれば、第2コーティング膜の表面温度の変化度合は比較的大きくなる。しかしながら、第2コーティング膜は多孔質膜であるので、ヤング率が小さい。従って、第2コーティング膜の表面には過大な応力が発生し難いので、第2コーティング膜の表面にもクラックが発生し難い。   In addition, the second coating film is exposed to the external space in the vicinity of the gas discharge port of each gas flow path. Accordingly, the combustion heat of the surplus gas is easily transmitted to the surface of the second coating film. In other words, the degree of change in the surface temperature of the second coating film is relatively large. However, since the second coating film is a porous film, the Young's modulus is small. Therefore, since excessive stress is unlikely to occur on the surface of the second coating film, cracks are unlikely to occur on the surface of the second coating film.

本発明の実施形態に係る燃料電池セルを示す斜視図である。1 is a perspective view showing a fuel battery cell according to an embodiment of the present invention. 図1に示す燃料電池セルの2−2線に対応する断面図である。It is sectional drawing corresponding to the 2-2 line of the fuel battery cell shown in FIG. 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。It is the top view which showed the state of the fuel electrode and interconnector which were embed | buried under the recessed part of the support substrate shown in FIG. 図1に示す燃料電池セルの作動状態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the operation state of the fuel battery cell shown in FIG. 図1に示す燃料電池セルの作動状態における電流の流れを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the flow of the electric current in the operating state of the fuel battery cell shown in FIG. 図1に示す支持基板を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the support substrate shown in FIG. 図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。FIG. 3 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 2 in a first stage in the manufacturing process of the fuel cell shown in FIG. 1. 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。FIG. 3 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 2 in a second stage in the manufacturing process of the fuel cell shown in FIG. 1. 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。FIG. 3 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 2 in a third stage in the manufacturing process of the fuel cell shown in FIG. 1. 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。FIG. 4 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 2 in a fourth stage in the manufacturing process of the fuel cell shown in FIG. 1. 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。FIG. 6 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 2 in a fifth stage in the manufacturing process of the fuel cell shown in FIG. 1. 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。FIG. 7 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 2 in a sixth stage in the manufacturing process of the fuel cell shown in FIG. 1. 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。FIG. 8 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 2 in a seventh stage in the manufacturing process of the fuel cell shown in FIG. 1. 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。FIG. 7 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 2 in an eighth stage in the manufacturing process of the fuel cell shown in FIG. 1. 図1に示す燃料電池セルの第1変形例の図2に対応する断面図である。It is sectional drawing corresponding to FIG. 2 of the 1st modification of the fuel battery cell shown in FIG. 図1に示す燃料電池セルの第2変形例の図3に対応する断面図である。It is sectional drawing corresponding to FIG. 3 of the 2nd modification of the fuel battery cell shown in FIG. 図1に示す複数の燃料電池セルを含むスタック構造体の全体の斜視図である。FIG. 2 is an overall perspective view of a stack structure including a plurality of fuel cells shown in FIG. 1. 図17に示した燃料ガスマニホールドの全体の斜視図である。FIG. 18 is an overall perspective view of the fuel gas manifold shown in FIG. 17. 図17に示したスタック構造体の内部におけるガスの流れを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the flow of the gas inside the stack structure shown in FIG. 図17に示したスタック構造体に対して燃料ガス及び空気が供給・排出される様子を示した斜視図である。FIG. 18 is a perspective view showing how fuel gas and air are supplied to and discharged from the stack structure shown in FIG. 17.

(構成)
図1は、本発明に係る固体酸化物形燃料電池(SOFC)のセル100の実施形態を示す。このSOFCセル100は、長手方向(x軸方向)を有する平板状の支持基板10の上下面(互いに平行な両側の主面(平面))のそれぞれに、電気的に直列に接続された複数(本例では、4つ)の同形の発電素子部Aが長手方向において所定の間隔をおいて配置された、所謂「横縞型」と呼ばれる構成を有する。
(Constitution)
FIG. 1 shows an embodiment of a solid oxide fuel cell (SOFC) cell 100 according to the present invention. This SOFC cell 100 is electrically connected in series to the upper and lower surfaces (main surfaces (planes) on both sides parallel to each other) of the flat support substrate 10 having a longitudinal direction (x-axis direction). In this example, four (4) identically shaped power generation element portions A are arranged at predetermined intervals in the longitudinal direction and have a so-called “horizontal stripe type” configuration.

この実施形態のSOFCセル100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L1が50〜500mmで長手方向に直交する幅方向(y軸方向)の長さL2が10〜100mmの長方形である。このSOFCセル100の全体の厚さL3は、1〜5mmである。このSOFCセル100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セル100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100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 100 of this embodiment viewed from above is, for example, a length L1 of the side in the longitudinal direction of 50 to 500 mm and a length L2 in the width direction (y-axis direction) perpendicular to the longitudinal direction of 10 to 10. It is a 100 mm rectangle. The total thickness L3 of the SOFC cell 100 is 1 to 5 mm. The entire SOFC cell 100 has a vertically symmetrical shape with respect to a plane passing through the center in the thickness direction and parallel to the main surface of the support substrate 10. Hereinafter, in addition to FIG. 1, the details of the SOFC cell 100 will be described with reference to FIG. 2, which is a partial cross-sectional view of the SOFC cell 100 corresponding to line 2-2 shown in FIG. FIG. 2 is a partial cross-sectional view showing a configuration (part of) each of a typical pair of adjacent power generation element portions A and A and a configuration between the power generation element portions A and A. The configuration between the other power generation element portions A and A in other sets is the same as the configuration shown in FIG.

支持基板10は、電子伝導性を有さない多孔質の材料からなる平板状の焼成体である。後述する図6に示すように、支持基板10の内部には、長手方向に延びる複数(本例では、6本)の燃料ガス流路11(貫通孔)が幅方向において所定の間隔をおいて形成されている。各燃料ガス流路11の断面形状は直径Dが0.5〜3mmの円形である。隣り合う燃料ガス流路11、11の幅方向における間隔(ピッチ)Pは1〜5mmである。なお、各燃料ガス流路11の断面形状は、楕円形、長穴、四隅に円弧を有する四角形等であってもよい。また、本例では、各凹部12は、支持基板10の材料からなる底壁と、全周に亘って支持基板10の材料からなる周方向に閉じた側壁(長手方向に沿う2つの側壁と幅方向に沿う2つの側壁)と、で画定された直方体状の窪みである。   The support substrate 10 is a flat plate-like fired body made of a porous material having no electronic conductivity. As shown in FIG. 6 to be described later, a plurality of (six in this example) fuel gas passages 11 (through holes) extending in the longitudinal direction are provided in the support substrate 10 at predetermined intervals in the width direction. Is formed. The cross-sectional shape of each fuel gas channel 11 is a circle having a diameter D of 0.5 to 3 mm. The space | interval (pitch) P in the width direction of the adjacent fuel gas flow paths 11 and 11 is 1-5 mm. In addition, the cross-sectional shape of each fuel gas channel 11 may be an ellipse, a long hole, a quadrangle having arcs at four corners, or the like. Further, in this example, each recess 12 includes a bottom wall made of the material of the support substrate 10 and a side wall made of the material of the support substrate 10 over the entire circumference (two side walls and a width along the longitudinal direction). Two side walls extending in the direction), and a rectangular parallelepiped-shaped depression.

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

なお、気孔率の値は、後述する還元処理後の値である(他の気孔率の値についても同様)。なお、気孔率の測定は,樹脂埋めしたサンプル(還元処理後)の断面を研磨し、同断面についてのSEM(走査型電子顕微鏡)による画像(2次電子像)を解析することによって行われた。具体的には、「断面の総面積」に対する「断面上にて樹脂埋めされた領域に対応する部分の面積の総和」の割合が、その断面の「気孔率」であると定義された。SEMの加速電圧は5kV、SEMの倍率は5000倍、又は7500倍に設定された。気孔率の測定は、サンプルの任意の10箇所の断面について行われ、それらの平均値が気孔率の値として採用された。   In addition, the value of porosity is a value after the reduction process described later (the same applies to other porosity values). The porosity was measured by polishing the cross section of the resin-embedded sample (after the reduction treatment) and analyzing the image (secondary electron image) of the cross section by SEM (scanning electron microscope). . Specifically, the ratio of the “total area of portions corresponding to the resin-filled region on the cross section” to the “total area of the cross section” was defined as the “porosity” of the cross section. The acceleration voltage of SEM was set to 5 kV, and the magnification of SEM was set to 5000 times or 7500 times. The measurement of the porosity was performed on arbitrary 10 cross-sections of the sample, and the average value thereof was adopted as the porosity value.

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

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

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

支持基板10の幅は10〜100mmであり、厚さは、1〜5mmである。支持基板10のアスペクト比(幅/厚さ)は、5〜100である。以下、この構造体の形状が上下対称となっていることを考慮し、説明の簡便化のため、支持基板10の上面側の構成についてのみ説明していく。支持基板10の下面側の構成についても同様である。   The width of the support substrate 10 is 10 to 100 mm, and the thickness is 1 to 5 mm. The aspect ratio (width / thickness) of the support substrate 10 is 5 to 100. Hereinafter, only the configuration on the upper surface side of the support substrate 10 will be described in consideration of the fact that the shape of the structure is vertically symmetrical. The same applies to the configuration of the lower surface side of the support substrate 10.

図2及び図3に示すように、支持基板10の上面(上側の主面)に形成された各凹部12には、燃料極集電部21の全体が埋設(充填)されている。従って、各燃料極集電部21は直方体状を呈している。各燃料極集電部21の上面(外側面)には、凹部21aが形成されている。各凹部21aは、燃料極集電部21の材料からなる底壁と、周方向に閉じた側壁(長手方向に沿う2つの側壁と幅方向に沿う2つの側壁)と、で画定された直方体状の窪みである。周方向に閉じた側壁のうち、長手方向に沿う2つの側壁は支持基板10の材料からなり、幅方向に沿う2つの側壁は燃料極集電部21の材料からなる。   As shown in FIGS. 2 and 3, the entire fuel electrode current collector 21 is embedded (filled) in each recess 12 formed in the upper surface (upper main surface) of the support substrate 10. Therefore, each fuel electrode current collector 21 has a rectangular parallelepiped shape. A recess 21 a is formed on the upper surface (outer surface) of each fuel electrode current collector 21. Each recess 21a has a rectangular parallelepiped shape defined by a bottom wall made of the material of the fuel electrode current collector 21 and side walls closed in the circumferential direction (two side walls along the longitudinal direction and two side walls along the width direction). It is a depression. Of the side walls closed in the circumferential direction, two side walls along the longitudinal direction are made of the material of the support substrate 10, and two side walls along the width direction are made of the material of the fuel electrode current collector 21.

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

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

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

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

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

このように、燃料極集電部21は、電子伝導性を有する物質を含んで構成される。燃料極活性部22は、電子伝導性を有する物質と酸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。   As described above, the fuel electrode current collector 21 includes a substance having electronic conductivity. The fuel electrode active part 22 includes a substance having electron conductivity and a substance having oxygen ion conductivity. The “volume ratio of the substance having oxygen ion conductivity with respect to the entire volume excluding the pore portion” in the anode active portion 22 is “having oxygen ion conductivity with respect to the entire volume excluding the pore portion” in the anode current collecting portion 21. It is larger than the “volume ratio of the substance”.

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

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

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

なお、図2に示すように、本例では、固体電解質膜40が、燃料極20の上面、インターコネクタ30の上面における長手方向の両側端部、及び支持基板10の主面を覆っている。ここで、上述したように、燃料極20の上面とインターコネクタ30の上面と支持基板10の主面との間で段差が形成されていない。従って、固体電解質膜40が平坦化されている。この結果、固体電解質膜40に段差が形成される場合に比して、応力集中に起因する固体電解質膜40でのクラックの発生が抑制され得、固体電解質膜40が有するガスシール機能の低下が抑制され得る。   As shown in FIG. 2, in this example, the solid electrolyte membrane 40 covers the upper surface of the fuel electrode 20, both end portions in the longitudinal direction on the upper surface of the interconnector 30, and the main surface of the support substrate 10. Here, as described above, no step is formed between the upper surface of the fuel electrode 20, the upper surface of the interconnector 30, and the main surface of the support substrate 10. Therefore, the solid electrolyte membrane 40 is flattened. As a result, compared with the case where a step is formed in the solid electrolyte membrane 40, the generation of cracks in the solid electrolyte membrane 40 due to stress concentration can be suppressed, and the gas sealing function of the solid electrolyte membrane 40 is reduced. Can be suppressed.

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

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

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

ここで、燃料極20と、固体電解質膜40と、反応防止膜50と、空気極60とが積層されてなる積層体が、「発電素子部A」に対応する(図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 fuel electrode 20, the solid electrolyte membrane 40, the reaction preventing membrane 50, and the air electrode 60 corresponds to the “power generation element portion A” (see FIG. 2). In other words, a plurality (four in this example) of power generating element portions A are arranged on the upper surface of the support substrate 10 at a predetermined interval in the longitudinal direction.

各組の隣り合う発電素子部A,Aについて、一方の(図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 air electrode 60 of one power generation element portion A (on the left side in FIG. 2) and the interconnector of the other power generation element portion A (on the right side in FIG. 2). The air electrode current collecting film 70 is formed on the upper surfaces of the air electrode 60, the solid electrolyte film 40, and the interconnector 30. The air electrode current collector film 70 is a fired body made of a porous material having electron conductivity. The shape of the air electrode current collector film 70 as viewed from above is a rectangle.

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

このように各空気極集電膜70が形成されることにより、各組の隣り合う発電素子部A,Aについて、一方の(図2では、左側の)発電素子部Aの空気極60と、他方の(図2では、右側の)発電素子部Aの燃料極20(特に、燃料極集電部21)とが、電子伝導性を有する「空気極集電膜70及びインターコネクタ30」を介して電気的に接続される。この結果、支持基板10の上面に配置されている複数(本例では、4つ)の発電素子部Aが電気的に直列に接続される。ここで、電子伝導性を有する「空気極集電膜70及びインターコネクタ30」が、前記「電気的接続部」に対応する。   By forming each air electrode current collecting film 70 in this way, for each pair of adjacent power generation element portions A and A, the air electrode 60 of one power generation element portion A (on the left side in FIG. 2), The other fuel electrode 20 (particularly, the fuel electrode current collector 21) of the power generating element part A (on the right side in FIG. 2) passes through the “air electrode current collector film 70 and interconnector 30” having electronic conductivity. Are electrically connected. As a result, a plurality (four in this example) of power generation element portions A arranged on the upper surface of the support substrate 10 are electrically connected in series. Here, the “air electrode current collector film 70 and the interconnector 30” having electronic conductivity correspond to the “electrical connection part”.

なお、インターコネクタ30は、前記「電気的接続部」における前記「緻密な材料で構成された第1部分」に対応し、気孔率は10%以下である。空気極集電膜70は、前記「電気的接続部」における前記「多孔質の材料で構成された第2部分」に対応し、気孔率は20〜60%である。   The interconnector 30 corresponds to the “first portion made of a dense material” in the “electrical connection portion” and has a porosity of 10% or less. The air electrode current collecting film 70 corresponds to the “second portion made of a porous material” in the “electrical connection portion”, and has a porosity of 20 to 60%.

以上、説明した「横縞型」のSOFCセル100に対して、図4に示すように、支持基板10の燃料ガス流路11内に燃料ガス(水素ガス等)を流すとともに、支持基板10の上下面(特に、各空気極集電膜70)を「酸素を含むガス」(空気等)に曝す(或いは、支持基板10の上下面に沿って酸素を含むガスを流す)ことにより、固体電解質膜40の両側面間に生じる酸素分圧差によって起電力が発生する。更に、この構造体を外部の負荷に接続すると、下記(1)、(2)式に示す化学反応が起こり、電流が流れる(発電状態)。
(1/2)・O+2e→O2− (於:空気極60) …(1)
+O2−→HO+2e (於:燃料極20) …(2)
As described above, as shown in FIG. 4, the fuel gas (hydrogen gas or the like) flows through the fuel gas flow path 11 of the support substrate 10 to the “horizontal stripe type” SOFC cell 100 described above, and By exposing the lower surface (in particular, each air electrode current collecting film 70) to “gas containing oxygen” (air or the like) (or flowing a gas containing oxygen along the upper and lower surfaces of the support substrate 10), the solid electrolyte membrane An electromotive force is generated by a difference in oxygen partial pressure generated between both side surfaces of 40. Furthermore, when this structure is connected to an external load, chemical reactions shown in the following formulas (1) and (2) occur, and current flows (power generation state).
(1/2) · O 2 + 2e → O 2− (where: air electrode 60) (1)
H 2 + O 2− → H 2 O + 2e (in the fuel electrode 20) (2)

発電状態においては、図5に示すように、各組の隣り合う発電素子部A,Aについて、電流が、矢印で示すように流れる。この結果、図4に示すように、このSOFCセル100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, from the entire SOFC cell 100 (specifically, in FIG. 4, the interconnector 30 of the power generating element part A on the foremost side and the air electrode 60 of the power generating element part A on the farthest side in FIG. And power is extracted.

(製造方法)
次に、図6に示した「横縞型」のSOFCセル100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 cell 100 shown in FIG. 6 will be briefly described with reference to FIGS. 6 to 14, “g” at the end of the reference numeral of each member represents that the member is “before firing”.

先ず、図6に示す形状を有する支持基板の成形体10gが作製される。この支持基板の成形体10gは、例えば、支持基板10の材料(例えば、CSZ)の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、押し出し成形、切削等の手法を利用して作製され得る。以下、図6に示す7−7線に対応する部分断面を表す図7〜図14を参照しながら説明を続ける。   First, a support substrate molded body 10g having the shape shown in FIG. 6 is produced. The molded body 10g of the support substrate is manufactured by using a method such as extrusion molding or cutting using a slurry obtained by adding a binder or the like to the material of the support substrate 10 (for example, CSZ). obtain. Hereinafter, the description will be continued with reference to FIGS. 7 to 14 showing partial cross sections corresponding to line 7-7 shown in FIG. 6.

図7に示すように、支持基板の成形体10gが作製されると、次に、図8に示すように、支持基板の成形体10gの上下面に形成された各凹部に、燃料極集電部の成形体21gがそれぞれ埋設・形成される。次いで、図9に示すように、各燃料極集電部の成形体21gの外側面に形成された各凹部に、燃料極活性部の成形体22gがそれぞれ埋設・形成される。各燃料極集電部の成形体21g、及び各燃料極活性部22gは、例えば、燃料極20の材料(例えば、NiとYSZ)の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して埋設・形成される。   When the support substrate molded body 10g is manufactured as shown in FIG. 7, the fuel electrode current collector is then placed in each recess formed in the upper and lower surfaces of the support substrate molded body 10g as shown in FIG. Each of the molded parts 21g is embedded and formed. Next, as shown in FIG. 9, a molded body 22g of the fuel electrode active portion is embedded and formed in each recess formed in the outer surface of the molded body 21g of each fuel electrode current collector. The molded body 21g of each fuel electrode current collector and each of the fuel electrode active parts 22g use, for example, a slurry obtained by adding a binder or the like to the powder of the material of the fuel electrode 20 (for example, Ni and YSZ), It is embedded and formed using printing methods.

続いて、図10に示すように、各燃料極集電部の成形体21gの外側面における「燃料極活性部の成形体22gが埋設された部分を除いた部分」に形成された各凹部に、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。 Subsequently, as shown in FIG. 10, in each concave portion formed in “the portion excluding the portion where the molded body 22 g of the fuel electrode active portion is embedded” on the outer surface of the molded body 21 g of each fuel electrode current collector. The interconnector molded bodies 30g are respectively embedded and formed. The molded body 30g of each interconnector is embedded and formed by using a slurry obtained by adding a binder or the like to the material of the interconnector 30 (for example, LaCrO 3 ), using a printing method or the like. .

次に、図11に示すように、複数の燃料極の成形体(21g+22g)及び複数のインターコネクタの成形体30gがそれぞれ埋設・形成された状態の支持基板の成形体10gにおける長手方向に延びる外周面において複数のインターコネクタの成形体30gが形成されたそれぞれの部分の長手方向中央部を除いた全面に、固体電解質膜の成形膜40gが形成される。固体電解質膜の成形膜40gは、例えば、固体電解質膜40の材料(例えば、YSZ)の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法、ディッピング法等を利用して形成される。   Next, as shown in FIG. 11, the outer periphery extending in the longitudinal direction of the molded body 10g of the support substrate in a state in which the molded body (21g + 22g) of the plurality of fuel electrodes and the molded body 30g of the plurality of interconnectors are respectively embedded and formed. A solid electrolyte membrane molded film 40g is formed on the entire surface excluding the central portion in the longitudinal direction of each portion where the plurality of interconnector molded bodies 30g are formed. The molded membrane 40g of the solid electrolyte membrane is formed using, for example, a printing method, a dipping method, etc., using a slurry obtained by adding a binder or the like to the powder of the material of the solid electrolyte membrane 40 (for example, YSZ). The

次に、図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。なお、図12には示していないが、この状態の支持基板の成形体10gのガス排出側端部には、後述するコーティング膜500、及びコーティング膜600(図19を参照)の成形膜も、ディッピング法等を利用して形成される。   Next, as shown in FIG. 12, a reaction prevention film molding film 50g is formed on the outer surface of the solid electrolyte membrane molding body 40g in contact with the fuel electrode molding body 22g. The molded film 50g of each reaction preventing film is formed using a slurry obtained by adding a binder or the like to the powder of the material (for example, GDC) of the reaction preventing film 50, using a printing method or the like. Although not shown in FIG. 12, a coating film 500 and a molding film of a coating film 600 (see FIG. 19), which will be described later, are formed on the gas discharge side end of the molded body 10g of the support substrate in this state, It is formed using a dipping method or the like.

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100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. Thereby, the structure in which the air electrode 60 and the air electrode current collector film 70 are not formed in the SOFC cell 100 shown in FIG. 1 is obtained.

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

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

そして、このように成形膜60g、70gが形成された状態の支持基板10が、空気中にて1050℃で3時間焼成される。これにより、図1に示したSOFCが得られる。以上、図1に示したSOFCセル100の製造方法の一例について説明した。   Then, the support substrate 10 in which the molded films 60g and 70g are thus formed is baked in air at 1050 ° C. for 3 hours. Thereby, the SOFC shown in FIG. 1 is obtained. In the above, an example of the manufacturing method of the SOFC cell 100 shown in FIG. 1 was demonstrated.

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

上記実施形態では、図6等に示すように、支持基板10に形成された凹部12の平面形状(支持基板10の主面に垂直の方向からみた場合の形状)が、長方形になっているが、例えば、正方形、円形、楕円形、長穴形状等であってもよい。   In the above embodiment, as shown in FIG. 6 and the like, the planar shape of the recess 12 formed in the support substrate 10 (the shape when viewed from the direction perpendicular to the main surface of the support substrate 10) is a rectangle. For example, it may be a square, a circle, an ellipse, a long hole shape, or the like.

また、上記実施形態においては、各凹部12にはインターコネクタ30の全体が埋設されているが、インターコネクタ30の一部のみが各凹部12に埋設され、インターコネクタ30の残りの部分が凹部12の外に突出(即ち、支持基板10の主面から突出)していてもよい。   In the above embodiment, the entire interconnector 30 is embedded in each recess 12, but only a part of the interconnector 30 is embedded in each recess 12, and the remaining portion of the interconnector 30 is recessed 12. May protrude outside (that is, protrude from the main surface of the support substrate 10).

また、上記実施形態においては、平板状の支持基板10の上下面のそれぞれに複数の凹部12が形成され且つ複数の発電素子部Aが設けられているが、図15に示すように、支持基板10の片側面のみに複数の凹部12が形成され且つ複数の発電素子部Aが設けられていてもよい。   Moreover, in the said embodiment, although the several recessed part 12 is formed in each of the upper and lower surfaces of the flat support substrate 10, and the several electric power generation element part A is provided, as shown in FIG. A plurality of recesses 12 may be formed only on one side of the ten and a plurality of power generation element portions A may be provided.

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、支持基板10が平板状を呈しているが、円筒状を呈していても良い。   Further, in the above embodiment, the fuel electrode 20 is composed of two layers of the fuel electrode current collector 21 and the fuel electrode active portion 22, but the fuel electrode 20 is a single layer corresponding to the fuel electrode active portion 22. It may be configured. In the above embodiment, the support substrate 10 has a flat plate shape, but may have a cylindrical shape.

加えて、上記実施形態においては、図3に示すように、燃料極集電部21の外側面に形成された凹部21bが、燃料極集電部21の材料からなる底壁と、周方向に閉じた側壁(支持基板10の材料からなる長手方向に沿う2つの側壁と、燃料極集電部21の材料からなる幅方向に沿う2つの側壁)と、で画定された直方体状の窪みとなっている。この結果、凹部21bに埋設されたインターコネクタ30の幅方向に沿う2つの側面と底面とが凹部21b内で燃料極集電部21と接触している。   In addition, in the above embodiment, as shown in FIG. 3, the recess 21 b formed on the outer surface of the anode current collector 21 has a bottom wall made of the material of the anode current collector 21 and the circumferential direction. It is a rectangular parallelepiped depression defined by closed side walls (two side walls along the longitudinal direction made of the material of the support substrate 10 and two side walls along the width direction made of the material of the fuel electrode current collector 21). ing. As a result, the two side surfaces and the bottom surface along the width direction of the interconnector 30 embedded in the recess 21b are in contact with the fuel electrode current collector 21 in the recess 21b.

これに対し、図16に示すように、燃料極集電部21の外側面に形成された凹部21bが、燃料極集電部21の材料からなる底壁と、全周に亘って燃料極集電部21の材料からなる周方向に閉じた側壁(長手方向に沿う2つの側壁と、幅方向に沿う2つの側壁)と、で画定された直方体状の窪みであってもよい。これによれば、凹部21bに埋設されたインターコネクタ30の4つの側面の全てと底面とが凹部21b内で燃料極集電部21と接触する。従って、燃料極集電部21とインターコネクタ30との界面の面積をより一層大きくできる。従って、燃料極集電部21とインターコネクタ30との間における電子伝導性をより一層高めることができ、この結果、燃料電池の発電出力をより一層高めることができる。   On the other hand, as shown in FIG. 16, the recess 21b formed on the outer surface of the fuel electrode current collector 21 has a bottom wall made of the material of the fuel electrode current collector 21 and the fuel electrode current collector over the entire circumference. It may be a rectangular parallelepiped recess defined by circumferentially closed side walls (two side walls along the longitudinal direction and two side walls along the width direction) made of the material of the electric part 21. According to this, all four side surfaces and the bottom surface of the interconnector 30 embedded in the recess 21b are in contact with the fuel electrode current collector 21 in the recess 21b. Therefore, the area of the interface between the fuel electrode current collector 21 and the interconnector 30 can be further increased. Therefore, the electronic conductivity between the fuel electrode current collector 21 and the interconnector 30 can be further increased, and as a result, the power generation output of the fuel cell can be further increased.

(スタック構造体の一例)
次に、上述した複数のセル100を用いたスタック構造体の一例について図17〜図20を参照しながら説明する。図17に示すように、このスタック構造体は、多数のセル100と、多数のセル100のそれぞれに燃料ガスを供給するための燃料ガスのマニホールド200と、を備えている。マニホールド200の全体は、ステンレス鋼等の材料で構成されている。
(Example of stack structure)
Next, an example of a stack structure using the plurality of cells 100 described above will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 17, the stack structure includes a large number of cells 100 and a fuel gas manifold 200 for supplying a fuel gas to each of the large number of cells 100. The entire manifold 200 is made of a material such as stainless steel.

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

図18に示すように、支持板210(マニホールド200の天板)の表面には、マニホールド200の内部空間と連通する多数の挿入孔211が形成されている。各挿入孔211には、対応するセル100のガス流入側端部がそれぞれ挿入(遊嵌)される。   As shown in FIG. 18, a large number of insertion holes 211 communicating with the internal space of the manifold 200 are formed on the surface of the support plate 210 (the top plate of the manifold 200). Into each insertion hole 211, the gas inflow side end of the corresponding cell 100 is inserted (freely fitted).

図19に示すように、挿入孔211とセル100のガス流入側端部との接合部のそれぞれにおいて、接合材300が、挿入孔211の内壁とセル100のガス流入側端部の外壁との間の隙間に充填される。これにより、各挿入孔211と対応するセル100のガス流入側端部とがそれぞれ接合・固定されている。接合材300としては、非晶質ガラス、結晶化ガラス等が使用され得る。各セル100のガス流路11のガス流入側端部は、マニホールド200の内部空間と連通している。   As shown in FIG. 19, the bonding material 300 is formed between the inner wall of the insertion hole 211 and the outer wall of the gas inflow side end of the cell 100 at each of the joints between the insertion hole 211 and the gas inflow side end of the cell 100. The gaps between them are filled. Thereby, each insertion hole 211 and the gas inflow side edge part of the corresponding cell 100 are joined and fixed, respectively. As the bonding material 300, amorphous glass, crystallized glass, or the like can be used. The gas inflow side end of the gas flow path 11 of each cell 100 communicates with the internal space of the manifold 200.

図19に示すように、隣接するセル100、100の間には、隣接するセル100、100の間(より詳細には、一方のセル100の燃料極12と他方のセル100の空気極14)を電気的に直列に接続するための集電部材400が介在している。集電部材400は、例えば、金属メッシュ等で構成される。   As shown in FIG. 19, between adjacent cells 100, 100, between adjacent cells 100, 100 (more specifically, fuel electrode 12 of one cell 100 and air electrode 14 of the other cell 100). Current collecting member 400 for electrically connecting the two in series. The current collecting member 400 is made of, for example, a metal mesh.

また、図19に示すように、各セル100のガス排出側端部(自由端部)には、支持基板10より気孔率が小さい緻密なコーティング膜500が形成されている。図19のZ部の拡大図に示すように、具体的には、コーティング膜500は、セル100の長手方向におけるガス排出側の端面の全域に形成された部分(以下、「端面コーティング膜」と呼ぶ)501と、各ガス流路の内壁面におけるガス排出側の端部に形成された部分(以下、「流路内壁面コーティング膜」と呼ぶ)502と、を含んで構成される。換言すれば、コーティング膜500は、少なくとも、支持基板10の長手方向におけるガス排出側の端面、並びに、各ガス流路11の内壁面におけるガス排出側の端部に形成されている。端面コーティング膜501は、各流路内壁面コーティング膜502と連続している。なお、図19に示す例では、コーティング膜500は、セル100の側面におけるガス排出側の端部にも形成されている。コーティング膜500のうちこの部分503は、端面コーティング膜501と連続している。   Further, as shown in FIG. 19, a dense coating film 500 having a porosity smaller than that of the support substrate 10 is formed at the gas discharge side end (free end) of each cell 100. As shown in the enlarged view of the Z portion in FIG. 19, specifically, the coating film 500 is a portion (hereinafter referred to as an “end face coating film”) formed over the entire end face on the gas discharge side in the longitudinal direction of the cell 100. 501 and a portion (hereinafter referred to as “channel inner wall surface coating film”) 502 formed at the end portion on the gas discharge side of the inner wall surface of each gas channel. In other words, the coating film 500 is formed at least on the end surface on the gas discharge side in the longitudinal direction of the support substrate 10 and on the end portion on the gas discharge side in the inner wall surface of each gas flow path 11. The end face coating film 501 is continuous with each flow path inner wall surface coating film 502. In the example shown in FIG. 19, the coating film 500 is also formed on the gas discharge side end of the side surface of the cell 100. This portion 503 of the coating film 500 is continuous with the end face coating film 501.

各流路内壁面コーティング膜502の長手方向の長さH1(図19のZ部の拡大図を参照)は、10mm以上であることが好ましい。コーティング膜の部分503の長手方向の端部は、支持基板10の外周に形成された固体電解質膜40の長手方向の端部の外側面を覆うように同端部と連続している。   The length H1 in the longitudinal direction of each channel inner wall surface coating film 502 (see the enlarged view of the Z portion in FIG. 19) is preferably 10 mm or more. The end portion in the longitudinal direction of the coating film portion 503 is continuous with the end portion so as to cover the outer surface of the end portion in the longitudinal direction of the solid electrolyte membrane 40 formed on the outer periphery of the support substrate 10.

コーティング膜500は、例えば、希土類元素を含むジルコニア(3YSZ、8YSZ、10YSZ)、或いは、ガラス等で構成される。コーティング膜500は、固体電解質膜40と同じ材料(例えば、イットリア安定化ジルコニアYSZ)で構成されてもよいし、支持基板10と同じ材料で構成されてもよい。コーティング膜500は、外部空間から支持基板10への空気の進入を防止できる程度の緻密性を備えており、その気孔率は0.5〜10%である。コーティング膜500は、上述のように、支持基板10、燃料極20及び固体電解質膜40との共焼成によって形成されてもよいし、支持基板10、燃料極20及び固体電解質膜40の焼成後に、真空成膜プロセス法(蒸着法、CVD法(化学気相成長:Chemical Vapor Deposition)等)によって形成されてもよい。   The coating film 500 is made of, for example, zirconia (3YSZ, 8YSZ, 10YSZ) containing rare earth elements, or glass. The coating film 500 may be made of the same material as the solid electrolyte film 40 (for example, yttria-stabilized zirconia YSZ), or may be made of the same material as the support substrate 10. The coating film 500 is dense enough to prevent air from entering the support substrate 10 from the external space, and has a porosity of 0.5 to 10%. As described above, the coating film 500 may be formed by co-firing the support substrate 10, the fuel electrode 20, and the solid electrolyte film 40, or after firing the support substrate 10, the fuel electrode 20, and the solid electrolyte film 40, It may be formed by a vacuum film forming process method (evaporation method, CVD method (Chemical Vapor Deposition) or the like).

また、図19に示すように、コーティング膜500の表面の全域には、コーティング膜500より気孔率が大きい多孔質のコーティング膜600が形成されている。図19のZ部の拡大図に示すように、具体的には、コーティング膜600は、端面コーティング膜501の表面の全域に形成された部分(以下、「端面コーティング膜」と呼ぶ)601と、各流路内壁面コーティング膜502の表面の全域に形成された部分(以下、「流路内壁面コーティング膜」と呼ぶ)602と、を含んで構成される。換言すれば、コーティング膜600は、少なくとも、支持基板10の長手方向におけるガス排出側の端面、並びに、各ガス流路11の内壁面におけるガス排出側の端部に形成されている。端面コーティング膜601は、各流路内壁面コーティング膜602と連続している。なお、図19に示す例では、コーティング膜600は、コーティング膜500の部分503の表面の全域にも形成されている。コーティング膜600のうちこの部分603は、端面コーティング膜601と連続している。   As shown in FIG. 19, a porous coating film 600 having a larger porosity than the coating film 500 is formed on the entire surface of the coating film 500. As shown in the enlarged view of the Z portion in FIG. 19, specifically, the coating film 600 is a portion (hereinafter referred to as “end face coating film”) 601 formed over the entire surface of the end face coating film 501; And a portion (hereinafter, referred to as “channel inner wall surface coating film”) 602 formed over the entire surface of each channel inner wall surface coating film 502. In other words, the coating film 600 is formed at least on the end surface on the gas discharge side in the longitudinal direction of the support substrate 10 and on the end portion on the gas discharge side in the inner wall surface of each gas flow path 11. The end surface coating film 601 is continuous with each flow path inner wall surface coating film 602. In the example shown in FIG. 19, the coating film 600 is also formed over the entire surface of the portion 503 of the coating film 500. This portion 603 of the coating film 600 is continuous with the end face coating film 601.

各流路内壁面コーティング膜602の長手方向の長さH2(図19のZ部の拡大図を参照)は、5mm以上であることが好ましい。コーティング膜の部分603の長手方向の端部は、支持基板10の外周に形成された固体電解質膜40の長手方向の端部の外側面を覆うように同端部と連続している。   The length H2 in the longitudinal direction of each channel inner wall surface coating film 602 (see the enlarged view of the Z portion in FIG. 19) is preferably 5 mm or more. The end portion in the longitudinal direction of the coating film portion 603 is continuous with the end portion so as to cover the outer surface of the end portion in the longitudinal direction of the solid electrolyte membrane 40 formed on the outer periphery of the support substrate 10.

コーティング膜600は、例えば、ジルコニア(3YSZ、8YSZ、10YSZ)、或いは、ガラス等で構成される。多孔質のコーティング膜600の気孔率は20〜60%である。コーティング膜600は、上述のように、支持基板10、燃料極20、固体電解質膜40、及びコーティング膜500との共焼成によって形成されてもよいし、支持基板10、燃料極20、固体電解質膜40、及びコーティング膜500の焼成後に、真空成膜プロセス法(、CVD法(化学気相成長:Chemical Vapor Deposition)等)によって形成されてもよい。   The coating film 600 is made of, for example, zirconia (3YSZ, 8YSZ, 10YSZ) or glass. The porosity of the porous coating film 600 is 20 to 60%. As described above, the coating film 600 may be formed by co-firing with the support substrate 10, the fuel electrode 20, the solid electrolyte film 40, and the coating film 500, or the support film 10, the fuel electrode 20, the solid electrolyte film. 40 and after the coating film 500 is baked, it may be formed by a vacuum film forming process (such as a CVD method (chemical vapor deposition)).

コーティング膜500の厚さT1、及びコーティング膜600の厚さT2(図19のZ部の拡大図を参照)はそれぞれ、3〜100μm、及び、3〜100μmである。コーティング膜500の表面粗さ、及びコーティング膜600の表面粗さはそれぞれ、算術平均粗さRaで、0.1〜10μm、及び、1〜50μmである。   The thickness T1 of the coating film 500 and the thickness T2 of the coating film 600 (see the enlarged view of the Z part in FIG. 19) are 3 to 100 μm and 3 to 100 μm, respectively. The surface roughness of the coating film 500 and the surface roughness of the coating film 600 are an arithmetic average roughness Ra, which are 0.1 to 10 μm and 1 to 50 μm, respectively.

以上、説明したスタック構造を稼働させる際には、図20に示すように、高温(例えば、600〜800℃)の燃料ガス(水素等)及び「酸素を含むガス(空気等)」を流通させる。導入通路220から導入された燃料ガスは、マニホールド200の内部空間へと移動し、その後、各挿入孔211を介して対応するセル100のガス流路11にそれぞれ導入される。各ガス流路11を通過した燃料ガスは、その後、各ガス流路11のガス排出側端部(自由端部)から外部に排出される。空気は、スタック構造の内部における隣接するセル100間の隙間に沿って、セル100の幅方向(y軸方向)に流される。   When operating the stack structure described above, as shown in FIG. 20, a high-temperature (for example, 600 to 800 ° C.) fuel gas (such as hydrogen) and “a gas containing oxygen (such as air)” are circulated. . The fuel gas introduced from the introduction passage 220 moves into the internal space of the manifold 200 and is then introduced into the gas flow path 11 of the corresponding cell 100 via each insertion hole 211. The fuel gas that has passed through each gas flow path 11 is then discharged from the gas discharge side end (free end) of each gas flow path 11 to the outside. Air flows in the width direction (y-axis direction) of the cells 100 along the gaps between the adjacent cells 100 in the stack structure.

各ガス流路11のガス排出口から外部空間に排出された余剰のガスは、同ガス排出口の近傍にて、同外部空間内にある空気(酸素)と反応して燃焼させられる。ここで、各セル100のガス排出側端部(自由端部)にコーティング膜500、及びコーティング膜600が形成されていることによって、多孔質の支持基板10のガス排出側端部の内部に外部空間内にある空気が進入することが抑制され得る。この結果、同内部への空気の進入に起因して支持基板10のガス排出側端部にクラックが発生する事態の発生が抑制され得る。   Excess gas discharged from the gas discharge port of each gas flow path 11 to the external space reacts with air (oxygen) in the external space near the gas discharge port and burns. Here, the coating film 500 and the coating film 600 are formed on the gas discharge side end (free end) of each cell 100, so that the outside of the gas discharge side end of the porous support substrate 10 is externally provided. It is possible to prevent the air in the space from entering. As a result, it is possible to suppress occurrence of a situation in which a crack is generated at the gas discharge side end portion of the support substrate 10 due to the entry of air into the inside.

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

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

(作用・効果)
上記実施形態では、上述のように、SOFCセル100のガス排出側端部(自由端部)に緻密なコーティング膜500が形成され、コーティング膜500の上に、多孔質のコーティング膜600が形成されている。即ち、コーティング膜500は、各ガス流路11のガス排出口の近傍にて外部空間に対して露呈しない。従って、コーティング膜600が形成されていない態様と比べて、前記余剰のガスの燃焼熱がコーティング膜500の表面に伝わり難く、コーティング膜500の表面温度の変化度合が小さくなる。この結果、コーティング膜500の表面に過大な熱応力が発生し難くなり、コーティング膜500の表面にクラックが発生し難くなる。
(Action / Effect)
In the embodiment, as described above, the dense coating film 500 is formed on the gas discharge side end (free end) of the SOFC cell 100, and the porous coating film 600 is formed on the coating film 500. ing. That is, the coating film 500 is not exposed to the external space in the vicinity of the gas outlet of each gas flow path 11. Therefore, as compared with the case where the coating film 600 is not formed, the combustion heat of the surplus gas is not easily transmitted to the surface of the coating film 500, and the degree of change in the surface temperature of the coating film 500 is reduced. As a result, it is difficult for excessive thermal stress to be generated on the surface of the coating film 500, and cracks are hardly generated on the surface of the coating film 500.

加えて、コーティング膜600は、各ガス流路11のガス排出口の近傍にて外部空間に対して露呈している。従って、前記余剰のガスの燃焼熱がコーティング膜600の表面に伝わり易い。換言すれば、コーティング膜600の表面温度の変化度合は比較的大きくなる。しかしながら、コーティング膜600は多孔質膜であるので、ヤング率が小さい。従って、コーティング膜600の表面には過大な応力が発生し難いので、コーティング膜600の表面にもクラックが発生し難い。   In addition, the coating film 600 is exposed to the external space in the vicinity of the gas discharge port of each gas flow path 11. Accordingly, the combustion heat of the surplus gas is easily transmitted to the surface of the coating film 600. In other words, the degree of change in the surface temperature of the coating film 600 is relatively large. However, since the coating film 600 is a porous film, the Young's modulus is small. Accordingly, since excessive stress is unlikely to occur on the surface of the coating film 600, cracks are unlikely to occur on the surface of the coating film 600.

(コーティング膜にクラックが発生する可能性の更なる低減)
上述した還元処理後における図1に示したSOFCでは、通常の環境下で稼働される場合には、コーティング膜500の表面、及び/又はコーティング膜600の表面にクラックが発生しない。しかしながら、SOFCが熱応力的に過酷な環境下で稼働されると、コーティング膜500の表面、及び/又はコーティング膜600の表面にクラックが発生する場合があった。本発明者は、係るクラックの発生が「コーティング膜500の気孔率、及び、コーティング膜600の気孔率の組み合わせ」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。なお、この明細書にて「平均」とは、「相加平均」を指す。
(Further reduction in the possibility of cracks in the coating film)
In the SOFC shown in FIG. 1 after the above reduction treatment, cracks do not occur on the surface of the coating film 500 and / or the surface of the coating film 600 when operated in a normal environment. However, when the SOFC is operated under a severe thermal stress environment, cracks may occur on the surface of the coating film 500 and / or the surface of the coating film 600. The present inventor has found that the occurrence of such cracks has a strong correlation with the “combination of the porosity of the coating film 500 and the porosity of the coating film 600”. Hereinafter, a test for confirming this will be described. In this specification, “average” refers to “arithmetic average”.

(試験)
この試験では、図1に示したSOFCについて、「コーティング膜500気孔率(%)」及び「コーティング膜600の気孔率(%)」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、10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。なお、水準1では、コーティング膜600が設けられていない。
(test)
In this test, a plurality of samples having different combinations of “coating film 500 porosity (%)” and “porosity (%) of coating film 600” were produced for the SOFC shown in FIG. Specifically, as shown in Table 1, 10 types (combinations) were prepared. Ten samples (N = 10) were made for each level. In Level 1, the coating film 600 is not provided.

各サンプル(図1に示すSOFC)にて、支持基板10は、長手方向(x軸方向)の長さが50〜500mmで、幅方向(y軸方向)の長さが10〜100mmで、厚さが1〜5mmの平板状を呈していた。支持基板10のガス流路11(具体的には、6本)の断面は円形であり、その直径は0.3〜4.5mmであった。支持基板10の気孔率は20〜60%であった。   In each sample (SOFC shown in FIG. 1), the support substrate 10 has a length in the longitudinal direction (x-axis direction) of 50 to 500 mm, a length in the width direction (y-axis direction) of 10 to 100 mm, and a thickness. A flat plate shape with a length of 1 to 5 mm was exhibited. The cross section of the gas flow path 11 (specifically, six) of the support substrate 10 was circular, and the diameter was 0.3-4.5 mm. The porosity of the support substrate 10 was 20 to 60%.

コーティング膜500は、図19に示すように、部分501、502、503を含むように形成され、コーティング膜600は、図19に示すように、部分601、602、603を含むように形成された。部分502の長手方向の長さH1、及び、部分602の長手方向の長さH2はそれぞれ、10〜20mm、及び、5〜30mmであった。コーティング膜500の厚さT1、及びコーティング膜600の厚さT2(図19のZ部の拡大図を参照)はそれぞれ、3〜100μm、及び、3〜100μmであった。コーティング膜500の表面粗さ、及びコーティング膜600の表面粗さはそれぞれ、算術平均粗さRaで、0.1〜10μm、及び、1〜50μmであった。なお、上記各値は、上記還元処理後の値である。   The coating film 500 is formed to include portions 501, 502, and 503 as shown in FIG. 19, and the coating film 600 is formed to include portions 601, 602, and 603 as shown in FIG. 19. . The length H1 in the longitudinal direction of the portion 502 and the length H2 in the longitudinal direction of the portion 602 were 10 to 20 mm and 5 to 30 mm, respectively. The thickness T1 of the coating film 500 and the thickness T2 of the coating film 600 (see the enlarged view of the Z part in FIG. 19) were 3 to 100 μm and 3 to 100 μm, respectively. The surface roughness of the coating film 500 and the surface roughness of the coating film 600 were arithmetic average roughness Ra, and were 0.1 to 10 μm and 1 to 50 μm, respectively. In addition, each said value is a value after the said reduction process.

コーティング膜500、及び、コーティング膜600の気孔率の調整は、それぞれ、スラリー内の粉末の粒径、造孔材の添加量等を調整することによってなされた。コーティング膜500、及びコーティング膜600は、支持基板10との共焼成によって形成された。この共焼成は、1400〜1500℃にて1〜3時間に亘って行われた。各サンプルについて、上記還元処理が、800〜1000℃にて1〜10時間に亘って行われた。   The porosity of the coating film 500 and the coating film 600 was adjusted by adjusting the particle size of the powder in the slurry, the added amount of the pore former, and the like. The coating film 500 and the coating film 600 were formed by co-firing with the support substrate 10. This co-firing was performed at 1400-1500 ° C. for 1-3 hours. About each sample, the said reduction process was performed over 1 to 10 hours at 800-1000 degreeC.

各サンプルについて、「コーティング膜500の気孔率」及び「コーティング膜600の気孔率」の測定が、2層のコーティング膜500、600の(x−z平面に平行な)任意の5箇所の「断面」(図19に示す断面を参照)について行われた。各サンプルについて、コーティング膜毎に、対応する5個の値の平均値がそのコーティング膜の気孔率として採用された。表1に記載された各水準についての「コーティング膜500の気孔率」の値(%)、及び「コーティング膜600の気孔率」の値(%)はそれぞれ、その水準に含まれる10個のサンプル(N=10)の対応する気孔率の値(=10個の値)の平均値である。   For each sample, measurement of “porosity of coating film 500” and “porosity of coating film 600” is performed at any five “cross-sections” (parallel to the xz plane) of coating films 500 and 600 of two layers. (See the cross section shown in FIG. 19). For each sample, for each coating film, the average of the corresponding five values was adopted as the porosity of the coating film. The value (%) of the “porosity of the coating film 500” and the value (%) of the “porosity of the coating film 600” for each level shown in Table 1 are 10 samples included in the level. It is an average value of the corresponding porosity values (= 10 values) of (N = 10).

この試験では、上記還元処理後の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、「コーティング膜500の表面でのクラック」、及び、「コーティング膜600の表面でのクラック」の発生の有無が確認された。「コーティング膜600の表面でのクラック」の発生の有無は、目視、並びに、顕微鏡を使用した断面の観察によってなされた。「コーティング膜500の表面でのクラック」の発生の有無は、顕微鏡を使用した断面の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。   In this test, for each sample after the reduction treatment, “with reducing fuel gas flowing through the fuel electrode 20, the ambient temperature was raised from room temperature to 750 ° C. in 2 hours, and then from 750 ° C. to room temperature in 4 hours. The thermal cycle test was repeated 10 times for the “lowering pattern”. For each sample, the presence or absence of occurrence of “cracks on the surface of the coating film 500” and “cracks on the surface of the coating film 600” was confirmed. The presence or absence of the occurrence of “cracks on the surface of the coating film 600” was made by visual observation and observation of a cross section using a microscope. The presence or absence of the occurrence of “cracks on the surface of the coating film 500” was made by observing a cross section using a microscope. The results are as shown in Table 1.

表1にて、水準1では、コーティング膜500の表面(特に、部分501の表面)にクラックが発生し、水準10では、コーティング膜600の表面(特に、部分601の表面)にクラックが発生している。その他の水準ではクラックが発生していない。   In Table 1, at level 1, cracks occur on the surface of the coating film 500 (particularly, the surface of the portion 501), and at level 10, cracks occur on the surface of the coating film 600 (particularly, the surface of the portion 601). ing. There are no cracks at other levels.

表1から理解できるように、コーティング膜600が設けられていないと、コーティング膜500の表面にクラックが発生し易い(水準1)。これは、上記「発明の概要」の欄で記載したように、「コーティング膜500がガス流路11のガス排出口の近傍にて露呈していることによって上記余剰のガスの燃焼に起因する熱がコーティング膜500の表面に伝わり易いこと」、並びに、「緻密膜であるコーティング膜500のヤング率が大きいこと」によって、コーティング膜500の表面に発生する熱応力が特に過大になり易い、ことに基づく、と考えられる。   As can be seen from Table 1, if the coating film 600 is not provided, cracks are likely to occur on the surface of the coating film 500 (level 1). This is because, as described in the “Summary of the Invention” section above, “the coating film 500 is exposed in the vicinity of the gas discharge port of the gas flow path 11, thereby causing heat generated by the combustion of the excess gas. Is easily transmitted to the surface of the coating film 500, and “the Young's modulus of the coating film 500, which is a dense film, is large”, the thermal stress generated on the surface of the coating film 500 is particularly likely to be excessive. It is considered to be based.

また、「コーティング膜500の気孔率が0.5〜10%であり、且つ、コーティング膜600の気孔率が20〜60%」であると、コーティング膜500の表面、及び、コーティング膜600の表面共にクラックが発生し難いといえる。一方、コーティング膜600の気孔率が60%より大きいと、コーティング膜600の表面にクラックが発生し易い(水準10)。これは、コーティング膜600の気孔率が大き過ぎると、コーティング膜600の強度が著しく低下することに基づく、と考えられる。   Further, when “the porosity of the coating film 500 is 0.5 to 10% and the porosity of the coating film 600 is 20 to 60%”, the surface of the coating film 500 and the surface of the coating film 600 It can be said that cracks hardly occur in both cases. On the other hand, if the porosity of the coating film 600 is greater than 60%, cracks are likely to occur on the surface of the coating film 600 (level 10). This is considered to be based on the fact that the strength of the coating film 600 is significantly reduced if the porosity of the coating film 600 is too large.

以上より、支持基板10の気孔率が20〜60%である場合において、「コーティング膜500の気孔率が0.5〜10%であり、且つ、コーティング膜600の気孔率が20〜60%」であると、そうでない場合と比べて、上述したSOFCが熱応力的に過酷な環境下で稼働された場合においても、コーティング膜500の表面、及びコーティング膜600の表面にクラックが発生し難くなる、ということができる。   As described above, when the porosity of the support substrate 10 is 20 to 60%, “the porosity of the coating film 500 is 0.5 to 10% and the porosity of the coating film 600 is 20 to 60%”. If it is, the surface of the coating film 500 and the surface of the coating film 600 are less likely to be cracked even when the above-described SOFC is operated under a severe thermal stress environment. It can be said.

なお、本発明者は、通常の条件・環境下(例えば、常温から750℃まで4時間で上げた後に750℃から常温まで12時間で下げるパターン)にて上記実施形態が使用される場合、「コーティング膜500の気孔率が0.5〜10%であり、且つ、コーティング膜600の気孔率が20〜60%」という条件が成立しない場合であっても、コーティング膜500の表面、及びコーティング膜600の表面にクラックが発生し難いことを別途確認している。   In addition, when the above-described embodiment is used under the normal conditions and environment (for example, a pattern in which the temperature is raised from room temperature to 750 ° C. in 4 hours and then lowered from 750 ° C. to room temperature in 12 hours), Even if the condition that the porosity of the coating film 500 is 0.5 to 10% and the porosity of the coating film 600 is 20 to 60% is not satisfied, the surface of the coating film 500 and the coating film It has been confirmed separately that cracks hardly occur on the surface of 600.

10…支持基板、11…燃料ガス流路、12…凹部、20…燃料極、21…燃料極集電部、21a、21b…凹部、22…燃料極活性部、30…インターコネクタ、40…固体電解質膜、50…反応防止膜、60…空気極、70…空気極集電膜、500…コーティング膜、600…コーティング膜、A…発電素子部   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Support substrate, 11 ... Fuel gas flow path, 12 ... Recessed part, 20 ... Fuel electrode, 21 ... Fuel electrode current collecting part, 21a, 21b ... Recessed part, 22 ... Fuel electrode active part, 30 ... Interconnector, 40 ... Solid Electrolyte membrane, 50 ... Reaction prevention membrane, 60 ... Air electrode, 70 ... Air electrode current collector film, 500 ... Coating film, 600 ... Coating film, A ... Power generation element part

Claims (2)

長手方向を有する多孔質の支持基板であって1つ又は複数のガス流路が前記長手方向に沿って内部に形成された支持基板と、
前記支持基板の主面に設けられ、少なくとも燃料極、固体電解質、及び空気極がこの順で積層された発電素子部と、
を備えた焼成体である燃料電池であって、
前記各ガス流路の前記長手方向における一端側及び他端側がそれぞれ、ガス流入側及びガス排出側に対応し、
少なくとも、前記各ガス流路の内壁面における前記ガス排出側の端部、及び、前記支持基板の前記長手方向における前記ガス排出側の端面に、前記支持基板より気孔率が小さい第1コーティング膜が形成され、
前記第1コーティング膜の上に、前記第1コーティング膜より気孔率が大きい第2コーティング膜が形成された、燃料電池。
A porous support substrate having a longitudinal direction and one or more gas flow paths formed therein along the longitudinal direction;
A power generation element portion provided on the main surface of the support substrate, wherein at least a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are laminated in this order;
A fuel cell that is a fired body comprising:
One end side and the other end side in the longitudinal direction of each gas flow path correspond to a gas inflow side and a gas discharge side, respectively.
A first coating film having a porosity smaller than that of the support substrate is provided at least on the end portion on the gas discharge side in the inner wall surface of each gas flow path and on the end surface on the gas discharge side in the longitudinal direction of the support substrate. Formed,
A fuel cell, wherein a second coating film having a porosity higher than that of the first coating film is formed on the first coating film.
請求項1に記載の燃料電池において、
前記支持基板の気孔率は、20〜60%であり、前記第1コーティング膜の気孔率は、0.5〜10%であり、前記第2コーティング膜の気孔率は、20〜60%である、燃料電池。
The fuel cell according to claim 1, wherein
The support substrate has a porosity of 20 to 60%, the first coating film has a porosity of 0.5 to 10%, and the second coating film has a porosity of 20 to 60%. ,Fuel cell.
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