JP5714738B1 - Fuel cell - Google Patents

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Abstract

【課題】横縞型の燃料電池において、「焼成時における拡散による燃料極中のNiOのインターコネクタ内への進入に起因して、インターコネクタのガスシール性が低下する事態」の発生頻度を低減すること。【解決手段】この燃料電池では、インターコネクタ30が「燃料ガスと空気との混合を防止するガスシール部」の一部になっている。インターコネクタ30は、外側面と、底面と、側面と、を備えた直方体状を呈する。インターコネクタ30外側面は、多孔質材料からなる空気極集電膜70と接触している。インターコネクタ30の底面は、中間層38を介して、多孔質材料からなる燃料極集電部21と接続されている。中間層38は、「ランタンクロマイトを主成分とし、且つインターコネクタ30より気孔率が大きい材料」で構成されている。【選択図】図2In a horizontally-striped fuel cell, the frequency of occurrence of “a situation where the gas sealability of an interconnector deteriorates due to the entry of NiO in a fuel electrode into the interconnector due to diffusion during firing” is reduced. thing. In this fuel cell, an interconnector 30 is a part of a “gas seal portion that prevents mixing of fuel gas and air”. The interconnector 30 has a rectangular parallelepiped shape including an outer surface, a bottom surface, and a side surface. The outer surface of the interconnector 30 is in contact with the air electrode current collector film 70 made of a porous material. The bottom surface of the interconnector 30 is connected to the fuel electrode current collector 21 made of a porous material via the intermediate layer 38. The intermediate layer 38 is made of “a material having lanthanum chromite as a main component and having a higher porosity than the interconnector 30”. [Selection] Figure 2

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、「ガス流路が内部に形成された支持基板」と、「前記支持基板の主面における互いに離れた複数の箇所にそれぞれ設けられ、少なくとも遷移金属(典型的には、ニッケル)を含む燃料極、固体電解質膜、及び空気極が積層されてなる複数の発電素子部」と、「隣り合う前記発電素子部の間にそれぞれ設けられ、隣り合う前記発電素子部の一方の燃料極と他方の空気極とを電気的に接続する1つ又は複数の電気的接続部」と、前記ガス流路から前記燃料極に供給される燃料ガスと、前記空気極に供給される酸素を含むガスと、の混合を防止する緻密質材料からなるガスシール部と、を備えた燃料電池が広く知られている(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。   Conventionally, “a support substrate having a gas flow path formed therein” and “provided at a plurality of locations separated from each other on the main surface of the support substrate, each including at least a transition metal (typically nickel)” A plurality of power generation element portions in which a fuel electrode, a solid electrolyte membrane, and an air electrode are laminated ”and“ one fuel electrode and the other of the power generation element portions that are provided between adjacent power generation element portions, respectively ” One or a plurality of electrical connections for electrically connecting the air electrode of the gas, a fuel gas supplied from the gas flow path to the fuel electrode, and a gas containing oxygen supplied to the air electrode There is widely known a fuel cell including a gas seal portion made of a dense material that prevents mixing of (see, for example, Patent Document 1). Such a configuration is also called a “horizontal stripe type”.

上記文献に記載の燃料電池では、前記各電気的接続部は、ランタンクロマイトを主成分とする緻密質材料からなる第1部分(インターコネクタ)と、前記第1部分と接続され且つ多孔質材料からなる第2部分(空気極集電膜)と、で構成されている。前記各インターコネクタは、前記隣り合う発電素子部の一方の燃料極と前記空気極集電膜とに接続され、前記各空気極集電膜は、前記隣り合う発電素子部の他方の空気極と前記インターコネクタとに接続されている。前記各インターコネクタは、前記ガスシール部の一部である。   In the fuel cell described in the above document, each of the electrical connection portions includes a first portion (interconnector) made of a dense material mainly composed of lanthanum chromite and a porous material connected to the first portion. And a second portion (air electrode current collector film). Each interconnector is connected to one fuel electrode of the adjacent power generation element portion and the air electrode current collector film, and each air electrode current collector film is connected to the other air electrode of the adjacent power generation element portion. Connected to the interconnector. Each interconnector is a part of the gas seal portion.

前記各インターコネクタは、外側面と、前記外側面と反対側の底面と、側面と、を備えている。前記各インターコネクタの前記外側面は、対応する前記空気極集電膜と接触しており、前記各インターコネクタの前記底面は、対応する前記燃料極と接触している。前記各インターコネクタの前記側面は、前記ガスシール部の一部を構成する緻密質材料からなるシール部と接触している。   Each interconnector includes an outer surface, a bottom surface opposite to the outer surface, and a side surface. The outer surface of each interconnector is in contact with the corresponding air electrode current collector film, and the bottom surface of each interconnector is in contact with the corresponding fuel electrode. The side surface of each interconnector is in contact with a seal portion made of a dense material constituting a part of the gas seal portion.

上述した燃料電池の各構成部材は、通常、酸化雰囲気での焼成により形成される。このため、上記焼成後の状態では、燃料極中のニッケル(Ni)が酸化ニッケル(NiO)となっており、燃料極の導電性が低下している。従って、燃料極の導電性を獲得するため、通常、上記焼成後にて、800〜1000℃で1〜10時間に亘って支持基板側から還元性の燃料ガスを流して燃料極中のNiOをNiに還元する処理(還元処理)がなされる。   Each component of the fuel cell described above is usually formed by firing in an oxidizing atmosphere. For this reason, in the state after the firing, nickel (Ni) in the fuel electrode is nickel oxide (NiO), and the conductivity of the fuel electrode is lowered. Therefore, in order to obtain the conductivity of the fuel electrode, usually, after the firing, reducing fuel gas is allowed to flow from the support substrate side at 800 to 1000 ° C. for 1 to 10 hours to convert NiO in the fuel electrode to Ni. (Reduction process) is performed.

ところで、上記焼成時、燃料極内のNiOが、拡散によって、前記インターコネクタの底面を介して前記インターコネクタ内に進入する現象が発生し得る。このように前記インターコネクタ内にNiOが進入すると、前記インターコネクタを構成する主成分であるランタンクロマイトの焼結性が低下し易く(緻密化が不十分となり易く)なる(以下、「第1の原因」と呼ぶ)。この結果、この第1の原因によって、上記焼成後において、前記インターコネクタの(=前記ガスシール部の一部)のガスシール性が低下し易くなる。   By the way, during the firing, a phenomenon may occur in which NiO in the fuel electrode enters the interconnector via the bottom surface of the interconnector due to diffusion. When NiO enters the interconnector in this manner, the sinterability of the lanthanum chromite, which is the main component constituting the interconnector, is likely to be reduced (the densification is likely to be insufficient) (hereinafter referred to as “first” Called "cause"). As a result, due to the first cause, the gas sealability of the interconnector (= part of the gas seal portion) is likely to deteriorate after the firing.

加えて、上記焼成時にて、上述のように前記インターコネクタ内にNiOが進入した状態で、上記還元処理が行われると(更には、上記還元処理後にて燃料電池が稼働されると)、前記インターコネクタ内のNiOがNiに還元される。係るNiOからNiへの変化に伴い、緻密質材料からなる前記インターコネクタの内部にて、除かれた酸素(O)の体積分に相当する空間が形成される。   In addition, at the time of firing, when the reduction treatment is performed with NiO entering the interconnector as described above (and when the fuel cell is operated after the reduction treatment), NiO in the interconnector is reduced to Ni. With the change from NiO to Ni, a space corresponding to the volume of oxygen (O) removed is formed inside the interconnector made of a dense material.

従って、前記インターコネクタ内にNiOが進入する度合が大きいと、前記インターコネクタ内に形成される前記空間の総体積が大きくなる(以下、「第2の原因」と呼ぶ)。この結果、この第2の原因によって、上記焼成後、且つ、上記還元処理後において、前記インターコネクタ(=前記ガスシール部の一部)のガスシール性が低下し易くなる。   Therefore, if the degree of NiO entering the interconnector is large, the total volume of the space formed in the interconnector increases (hereinafter referred to as “second cause”). As a result, due to the second cause, the gas sealability of the interconnector (= a part of the gas seal portion) is likely to deteriorate after the firing and after the reduction treatment.

特に、前記インターコネクタの底面を介して前記インターコネクタ内に進入したNiOが、前記インターコネクタ内における前記インターコネクタの外側面まで達する場合、前記インターコネクタ内にて底面から外側面までに亘って前記空間が形成される。このため、前記インターコネクタのガスシール性が特に低下し易い。以上、「上記焼成時における拡散による燃料極中のNiOのインターコネクタ内への進入に起因して(従って、上記第1、第2の原因によって)、インターコネクタのガスシール性が低下する事態」の発生頻度を低減することが望まれてきたところである。   In particular, when NiO that has entered the interconnector through the bottom surface of the interconnector reaches the outer surface of the interconnector in the interconnector, the NiO extends from the bottom surface to the outer surface in the interconnector. A space is formed. For this reason, the gas-sealing property of the interconnector is particularly likely to deteriorate. As described above, “the gas sealability of the interconnector is deteriorated due to the entry of NiO in the fuel electrode into the interconnector due to the diffusion during the firing (and thus the first and second causes)” It has been desired to reduce the frequency of occurrence of the above.

特許第5417548号公報Japanese Patent No. 5417548

本発明の目的は、横縞型の燃料電池であって、「焼成時における拡散による燃料極中のNiOのインターコネクタ内への進入に起因して、インターコネクタのガスシール性が低下する事態」の発生頻度が低減され得るものを提供することにある。   An object of the present invention is a horizontally-striped fuel cell in which “the gas sealability of the interconnector is reduced due to the entry of NiO in the fuel electrode into the interconnector due to diffusion during firing”. An object of the present invention is to provide an apparatus that can reduce the occurrence frequency.

本発明に係る燃料電池は、上記文献に記載のものと同様の、支持基板と、複数の発電素子部と、1つ又は複数の電気的接続部とを備える。加えて、本発明に係る燃料電池では、上記文献に記載のものと同様、前記各電気的接続部の第1部分が、前記ガスシール部の一部であり、前記各電気的接続部の第1部分は、外側面と、前記外側面と反対側の底面と、側面と、を備え、前記各電気的接続部の第1部分の前記外側面(又は、前記外側面及び前記側面)が、対応する前記電気的接続部の第2部分と接触している。   The fuel cell according to the present invention includes a support substrate, a plurality of power generation element portions, and one or a plurality of electrical connection portions similar to those described in the above-mentioned document. In addition, in the fuel cell according to the present invention, the first part of each electrical connection part is a part of the gas seal part, and the first part of each electrical connection part is the same as that described in the above document. One portion includes an outer surface, a bottom surface opposite to the outer surface, and a side surface, and the outer surface (or the outer surface and the side surface) of the first portion of each electrical connection portion is It is in contact with the corresponding second part of the electrical connection.

本発明に係る燃料電池の特徴は、前記各電気的接続部の第1部分の前記底面が、「ランタンクロマイトを主成分とし且つ前記電気的接続部の第1部分より気孔率が大きい材料からなる中間層」を介して、対応する前記燃料極と接続されたことにある。換言すれば、前記各電気的接続部の第1部分の前記外側面、前記側面、及び前記底面のうち前記底面のみが、前記中間層を介して前記燃料極と接続されている。   The fuel cell according to the present invention is characterized in that the bottom surface of the first portion of each electrical connection portion is made of a material having “lanthanum chromite as a main component and having a larger porosity than the first portion of the electrical connection portion. The intermediate layer is connected to the corresponding fuel electrode. In other words, only the bottom surface among the outer surface, the side surface, and the bottom surface of the first portion of each electrical connection portion is connected to the fuel electrode via the intermediate layer.

上記構成によれば、上記文献に記載の構成(前記電気的接続部の第1部分の底面が、前記燃料極に直接接触する構成)と異なり、前記電気的接続部の第1部分の底面が、前記中間層を介して前記燃料極に接続される。ここで、一般に、或る物体の内部を拡散により或る物質が移動する際、物質は、物体内の気孔の内壁に沿って移動する傾向がある。従って、物体の気孔率が大きいと、物質の移動経路が曲がりくねり易く、従って、その移動経路が長くなる。換言すれば、物体の気孔率が大きいほど、物質が移動し難くなる(物質が拡散し難くなる)。   According to the above configuration, unlike the configuration described in the above document (the configuration in which the bottom surface of the first portion of the electrical connection portion is in direct contact with the fuel electrode), the bottom surface of the first portion of the electrical connection portion is And connected to the fuel electrode via the intermediate layer. Here, in general, when a substance moves inside the object by diffusion, the substance tends to move along the inner wall of the pores in the object. Therefore, if the porosity of the object is large, the movement path of the substance tends to bend, and therefore the movement path becomes longer. In other words, the larger the porosity of the object, the more difficult the substance moves (the more difficult the substance diffuses).

上記構成は、係る知見に基づく。上記構成によれば、燃料極中のNiOが前記電気的接続部の第1部分の底面を介して前記インターコネクタ内に進入するためには、NiOが、気孔率が大きい前記中間層の内部を通過する必要がある。従って、上記文献に記載の構成と比べて、燃料極中のNiOが前記インターコネクタ内に進入し難くなる。この結果、上記第1、第2の原因によって「電気的接続部の第1部分のガスシール性が低下する事態」の発生頻度を低減することができる。   The above configuration is based on such knowledge. According to the above configuration, in order for NiO in the fuel electrode to enter the interconnector via the bottom surface of the first portion of the electrical connection portion, NiO has to pass through the inside of the intermediate layer having a high porosity. Need to pass. Therefore, compared to the configuration described in the above document, NiO in the fuel electrode is less likely to enter the interconnector. As a result, it is possible to reduce the occurrence frequency of the “situation where the gas sealing performance of the first portion of the electrical connection portion is deteriorated” due to the first and second causes.

加えて、上記構成によれば、前記電気的接続部の第1部分を構成する材料の主成分(=ランタンクロマイト)と、前記中間層を構成する材料の主成分(=ランタンクロマイト)とが共通している。従って、前記電気的接続部の第1部分と前記中間層との界面にて「望まれない反応」が生じ難い。この結果、「望まれない反応」に起因する燃料電池の発電効率の低下等の問題が発生し難い。ここで、「主成分」とは、その物体を構成する材料において占める割合(質量割合)が80%以上の成分を指す。なお、ここにいう「ランタンクロマイト」とは、後述するように、化学式LaCrOで表される物質に対して、Ca、Mg、Sr等の元素が含まれたものを指す。 In addition, according to the above configuration, the main component (= lanthanum chromite) of the material constituting the first portion of the electrical connection portion and the main component (= lanthanum chromite) of the material constituting the intermediate layer are common. doing. Therefore, an “undesired reaction” hardly occurs at the interface between the first portion of the electrical connection portion and the intermediate layer. As a result, problems such as a decrease in power generation efficiency of the fuel cell due to “undesired reactions” are unlikely to occur. Here, the “main component” refers to a component whose proportion (mass ratio) in the material constituting the object is 80% or more. As used herein, “lanthanum chromite” refers to a substance containing an element such as Ca, Mg, Sr and the like represented by the chemical formula LaCrO 3 .

更には、ランタンクロマイトは、酸化雰囲気でも還元雰囲気でも安定する材料である。前記電気的接続部の第1部分、及び、前記中間層は、酸化雰囲気と還元雰囲気の何れにも曝され得る。従って、上記構成によれば、前記電気的接続部の第1部分、及び、前記中間層は、酸化雰囲気と還元雰囲気の何れにおいても安定して存在し得る。   Furthermore, lanthanum chromite is a material that is stable in both oxidizing and reducing atmospheres. The first portion of the electrical connection portion and the intermediate layer can be exposed to either an oxidizing atmosphere or a reducing atmosphere. Therefore, according to the said structure, the 1st part of the said electrical connection part and the said intermediate | middle layer can exist stably in any of oxidizing atmosphere and reducing atmosphere.

本発明者は、中間層の気孔率が15〜50%であり、且つ、前記中間層の厚さが3〜50μmである場合、そうでない場合と比べて、上記焼成後、且つ、上記還元処理後において、前記電気的接続部の第1部分のガスシール性が良好に維持され得る、ことを見出した。   The present inventor, when the porosity of the intermediate layer is 15 to 50% and the thickness of the intermediate layer is 3 to 50 μm, compared with the case where it is not so, after the firing and the reduction treatment Later, it was found that the gas sealability of the first portion of the electrical connection can be maintained well.

更に、本発明者は、前記各電気的接続部の第1部分における前記外側面からの距離が3μm以下の領域内の前記遷移金属(典型的には、Ni)の元素濃度が3%以下であると、そうでない場合と比べて、耐久試験を行った後においてもなお、前記電気的接続部の第1部分のガスシール性が低下し難くなる、ことも見出した。   Furthermore, the present inventor has found that the element concentration of the transition metal (typically Ni) in the region whose distance from the outer surface in the first portion of each electrical connection portion is 3 μm or less is 3% or less. It has also been found that the gas sealability of the first portion of the electrical connection portion is less likely to deteriorate after the endurance test as compared with the case where it is not.

本発明に係る燃料電池を示す斜視図である。1 is a perspective view showing a fuel cell according to the present invention. 図1に示す燃料電池の2−2線に対応する断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view corresponding to line 2-2 of the fuel cell shown in FIG. 図1に示す支持基板の主面上に形成された凹部に埋設された燃料極、インターコネクタ、及びシール部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, the interconnector, and the seal | sticker which were embed | buried under the recessed part formed on the main surface of the support substrate shown in FIG. 支持基板の主面上に固体電解質膜が形成された状態における図3に対応する図である。It is a figure corresponding to FIG. 3 in the state in which the solid electrolyte membrane was formed on the main surface of a support substrate. 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。It is a figure for demonstrating the operation state of the fuel cell shown in FIG. 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。It is a figure for demonstrating the flow of the electric current in the operating state of the fuel 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に示す燃料電池の製造過程における第9段階における図2に対応する断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 2 in a ninth 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10段階における図2に対応する断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 2 in a tenth stage in the manufacturing process of the fuel cell shown in FIG. 1. 比較例に係る燃料電池における、インターコネクタの周りの拡大図である。It is an enlarged view around the interconnector in the fuel cell according to the comparative example. 図18に示した比較例において、燃料極集電部内のNiOが拡散によってインターコネクタ内に進入する様子を説明するための図である。In the comparative example shown in FIG. 18, it is a figure for demonstrating a mode that NiO in a fuel electrode current collection part approachs into an interconnector by diffusion. 図1に示す本実施形態における、インターコネクタの周りの拡大図である。It is an enlarged view around the interconnector in this embodiment shown in FIG. 図20に示した本実施形態において、燃料極集電部内のNiOが拡散によってインターコネクタ内に進入する様子を説明するための図である。In this embodiment shown in FIG. 20, it is a figure for demonstrating a mode that NiO in a fuel-electrode current collection part approachs into an interconnector by diffusion. インターコネクタ内の厚さ方向におけるNi濃度の分布を、図18に示した比較例と、図20に示した本実施形態とで比較しながら示したグラフである。FIG. 21 is a graph showing a comparison of the Ni concentration distribution in the thickness direction in the interconnector between the comparative example shown in FIG. 18 and the present embodiment shown in FIG. 20. 図1に示す本実施形態における「インターコネクタ内におけるインターコネクタの外側面からの距離が3μm以下の領域」を説明するための図である。It is a figure for demonstrating "the area | region where the distance from the outer surface of the interconnector in an interconnector is 3 micrometers or less" in this embodiment shown in FIG. 図1に示す燃料電池における「燃料極の外側面に形成された凹部の周りの構造」を示した模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing a “structure around a recess formed in an outer surface of a fuel electrode” in the fuel cell shown in FIG. 1. 本発明に係る燃料電池の第1変形例の図24に対応する断面図である。It is sectional drawing corresponding to FIG. 24 of the 1st modification of the fuel cell which concerns on this invention. 本発明に係る燃料電池の第2変形例の図24に対応する断面図である。It is sectional drawing corresponding to FIG. 24 of the 2nd modification of the fuel cell which concerns on this invention. 本発明に係る燃料電池の第3変形例の図24に対応する断面図である。FIG. 25 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 24 of a third modification of the fuel cell according to the present invention. 本発明に係る燃料電池の第4変形例の図24に対応する断面図である。FIG. 25 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 24 of a fourth modification of the fuel cell according to the present invention. 本発明に係る燃料電池の第5変形例の図2に対応する断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 2 of a fifth modification of the fuel cell according to the present invention.

(構成)
図1は、本発明に係る固体酸化物形燃料電池(SOFC)の実施形態(以下、「本実施形態」と呼ぶこともある)を示す。本実施形態は、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) according to the present invention (hereinafter also referred to as “this embodiment”). In the present embodiment, a plurality of (books) 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 the example, there are four so-called power generation element portions A that are arranged at predetermined intervals in the longitudinal direction and have a so-called “horizontal stripe type” configuration.

本実施形態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50〜500mmで長手方向に直交する幅方向(y軸方向)の長さが10〜100mmの長方形である。このSOFCの構造体の全体の厚さは、1〜5mmである。本実施形態の全体は、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、本実施形態の図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、本実施形態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 overall shape of the present embodiment as viewed from above is, for example, a rectangle whose length in the longitudinal direction is 50 to 500 mm and whose length in the width direction (y-axis direction) perpendicular to the longitudinal direction is 10 to 100 mm. The total thickness of the SOFC structure is 1 to 5 mm. The entirety of this embodiment has a vertically symmetrical shape with respect to a plane that passes through the center in the thickness direction and is parallel to the main surface of the support substrate 10. Hereinafter, in addition to FIG. 1, details of the present embodiment will be described with reference to FIG. 2, which is a partial cross-sectional view corresponding to line 2-2 shown in FIG. 1 of the present embodiment. 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材料からなる平板状の焼成体である。後述する図7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。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. 7 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. In this example, each recess 12 includes a bottom wall made of the material of the support substrate 10 and side walls closed in the circumferential direction made of the material of the support substrate 10 over the entire circumference (two side walls along the longitudinal direction and the width direction). A rectangular parallelepiped depression defined by two side walls).

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。 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.

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。   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.

支持基板10の厚さは、1〜5mmである。支持基板10の気孔率は、後述する「還元処理」の後において20〜60%である。なお、以下、他の部材の気孔率の値も、還元処理後の値である。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。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。   The thickness of the support substrate 10 is 1 to 5 mm. The porosity of the support substrate 10 is 20 to 60% after “reduction treatment” described later. Hereinafter, the porosity values of the other members are also values after the reduction treatment. 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). . 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.

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。   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、全周に亘って燃料極集電部21の材料からなる周方向に閉じた側壁(長手方向に沿う2つの側壁と、幅方向に沿う2つの側壁)と、で画定された直方体状の窪みである。   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 includes a bottom wall made of the material of the fuel electrode current collector 21 and a side wall (two side walls along the longitudinal direction) closed in the circumferential direction made of the material of the fuel electrode current collector 21 over the entire circumference. And two side walls along the width direction).

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材料からなる焼成体である。各燃料極活性部22の4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 (the fuel electrode current collector 21 + the fuel electrode active part 22) is a fired body made of a porous material having electron conductivity. The four side surfaces and the bottom surface of each anode active portion 22 are in contact with the anode current collecting portion 21 in the recess 21a.

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。燃料極集電部21の気孔率は、25〜50%であり、燃料極活性部22の気孔率も、25〜50%である。 The fuel electrode active part 22 can 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. The porosity of the fuel electrode current collector 21 is 25 to 50%, and the porosity of the fuel electrode active part 22 is also 25 to 50%.

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”.

各燃料極集電部21の上面(外側面)における凹部21aを除いた部分には、凹部21bが形成されている。各凹部21bは、燃料極集電部21の材料からなる底壁と、全周に亘って燃料極集電部21の材料からなる周方向に閉じた側壁(長手方向に沿う2つの側壁と、幅方向に沿う2つの側壁)と、で画定された直方体状の窪みである。   A 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 includes a bottom wall made of a material of the fuel electrode current collector 21 and a circumferentially closed side wall made of the material of the fuel electrode current collector 21 (two side walls along the longitudinal direction). And two side walls along the width direction).

各凹部21bには、インターコネクタ30、シール部35(前記「第2シール部」に対応)、及び、中間層38が埋設(充填)されている。具体的には、図3に示すように、各凹部21b内において、「中間層38の上にインターコネクタ30が積層された積層体」が、凹部21bにおける中央部に埋設(配置)されている。各インターコネクタ30、及び、各中間層38は、それぞれ、長手方向に沿う2つの側壁(側面)と幅方向に沿う2つの側壁(側面)とを有する(薄い)直方体状を呈している。   In each recess 21 b, an interconnector 30, a seal portion 35 (corresponding to the “second seal portion”), and an intermediate layer 38 are embedded (filled). Specifically, as shown in FIG. 3, in each recess 21b, “a laminated body in which the interconnector 30 is stacked on the intermediate layer 38” is embedded (arranged) in the central portion of the recess 21b. . Each interconnector 30 and each intermediate layer 38 have a (thin) rectangular parallelepiped shape having two side walls (side surfaces) along the longitudinal direction and two side walls (side surfaces) along the width direction.

各シール部35は、凹部21bにおける「インターコネクタ30及び中間層38からなる積層体」の周囲に位置する周縁部にて、凹部21bの側壁(内壁)の全周、及び、前記積層体の側壁(外壁)の全周と接触するように埋設(充填)されている。即ち、各シール部35は四角の枠状を呈している。   Each of the seal portions 35 includes a peripheral portion located around the “laminated body including the interconnector 30 and the intermediate layer 38” in the concave portion 21b, and the entire circumference of the side wall (inner wall) of the concave portion 21b and the side wall of the laminated body. It is buried (filled) in contact with the entire circumference of the (outer wall). That is, each seal portion 35 has a square frame shape.

このように、各インターコネクタ30の底面は、中間層38と接触している。換言すれば、各インターコネクタ30の底面は、中間層38を介して燃料極集電部21と接続されている。各インターコネクタ30の側面は、シール部35と接触している。なお、各インターコネクタ35の外側面(上面)は、後述する空気極集電膜70と接触している。   Thus, the bottom surface of each interconnector 30 is in contact with the intermediate layer 38. In other words, the bottom surface of each interconnector 30 is connected to the anode current collector 21 via the intermediate layer 38. The side surface of each interconnector 30 is in contact with the seal portion 35. In addition, the outer side surface (upper surface) of each interconnector 35 is in contact with an air electrode current collector film 70 described later.

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。インターコネクタ30は、ランタンクロマイトを主成分とする材料から構成される。ランタンクロマイトの化学式は、La1−xCr1−y−z(ただし、A:Ca,Sr,Baから選択される少なくとも1種類の元素、B:Co,Ni,Mg,Alから選択される少なくとも1種類の元素、0.05≦x≦0.2、0.02≦y≦0.22、0≦z≦0.05)で表わされる。「ランタンクロマイトが主成分である」とは、インターコネクタ30を構成する材料においてランタンクロマイトが占める割合(質量割合)が80%以上であることを指す(後述する中間層38についても同様)。インターコネクタ30の気孔率は、10%以下である。インターコネクタ30の厚さは、10〜100μmである。 The interconnector 30 is a fired body made of a dense material having electronic conductivity. The interconnector 30 is made of a material whose main component is lanthanum chromite. The chemical formula of lanthanum chromite, La 1-x A x Cr 1-y-z B y O 3 ( provided that, A: Ca, at least one element Sr, is selected from Ba, B: Co, Ni, Mg, At least one element selected from Al, 0.05 ≦ x ≦ 0.2, 0.02 ≦ y ≦ 0.22, 0 ≦ z ≦ 0.05). “Lantan chromite is the main component” means that the proportion (mass ratio) of lanthanum chromite in the material constituting the interconnector 30 is 80% or more (the same applies to the intermediate layer 38 described later). The porosity of the interconnector 30 is 10% or less. The thickness of the interconnector 30 is 10 to 100 μm.

シール部35は、電気絶縁性を有する緻密質材料からなる焼成体である。シール部35は、例えば、金属酸化物を含有し、好ましくは金属酸化物を主成分とする。具体的には、上記金属酸化物として、(AE)ZrO、MgO、MgAl、及びCeLn1−xからなる群より選択される少なくとも1種類の酸化物を含有してもよい。ここで、AEは、アルカリ土類金属であり、Lnは、Y及びランタノイドからなる群より選択される少なくとも1種類の元素であり、xは0<x≦0.3を満たす。AEに該当する元素としては、Mg,Ca,Sr,及びBaが挙げられる。また、微量成分として、遷移金属酸化物(例えば、NiO、Mn、Fe、Cr、CoO)が含まれても良い。これらの成分は、酸化物として存在していても良いし、上記「(AE)ZrO、MgO、MgAl、及びCeLn1−xからなる群より選択される少なくとも1種類の酸化物」に固溶する形で存在していても良い。金属酸化物の平均粒径は0.1〜5.0μmが好ましく、さらに好ましくは0.3〜4.0μmである。シール部35の厚さは、10〜100μmである。シール部35の気孔率は、10%以下である。 The seal part 35 is a fired body made of a dense material having electrical insulation. The seal part 35 contains, for example, a metal oxide, and preferably contains a metal oxide as a main component. Specifically, the metal oxide contains at least one oxide selected from the group consisting of (AE) ZrO 3 , MgO, MgAl 2 O 4 , and Ce x Ln 1-x O 2. Also good. Here, AE is an alkaline earth metal, Ln is at least one element selected from the group consisting of Y and a lanthanoid, and x satisfies 0 <x ≦ 0.3. Examples of elements corresponding to AE include Mg, Ca, Sr, and Ba. Moreover, transition metal oxides (for example, NiO, Mn 3 O 4 , Fe 2 O 3 , Cr 2 O 3 , CoO) may be included as a trace component. These components may exist as an oxide, or at least one selected from the group consisting of “(AE) ZrO 3 , MgO, MgAl 2 O 4 , and Ce x Ln 1-x O 2. It may be present in the form of a solid solution in the oxide. The average particle size of the metal oxide is preferably from 0.1 to 5.0 μm, more preferably from 0.3 to 4.0 μm. The thickness of the seal part 35 is 10 to 100 μm. The porosity of the seal part 35 is 10% or less.

中間層38は、電子伝導性を有する多孔質材料からなる焼成体である。中間層38は、インターコネクタ30と同様、ランタンクロマイトを主成分とする材料から構成される。ランタンクロマイトの化学式は、La1−xCr1−y−z(ただし、A:Ca,Sr,Baから選択される少なくとも1種類の元素、B:Co,Ni,Mg,Alから選択される少なくとも1種類の元素、0.05≦x≦0.2、0.02≦y≦0.22、0≦z≦0.05)で表わされる。中間層38の気孔率は、インターコネクタ30の気孔率より大きく、15〜50%である。中間層38の厚さは、3〜50μmである。 The intermediate layer 38 is a fired body made of a porous material having electron conductivity. The intermediate layer 38 is made of a material containing lanthanum chromite as a main component, like the interconnector 30. The chemical formula of lanthanum chromite, La 1-x A x Cr 1-y-z B y O 3 ( provided that, A: Ca, at least one element Sr, is selected from Ba, B: Co, Ni, Mg, At least one element selected from Al, 0.05 ≦ x ≦ 0.2, 0.02 ≦ y ≦ 0.22, 0 ≦ z ≦ 0.05). The porosity of the intermediate layer 38 is larger than the porosity of the interconnector 30 and is 15 to 50%. The thickness of the intermediate layer 38 is 3 to 50 μm.

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、シール部35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の上面とシール部35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, the upper surface (outer surface) of the seal portion 35, and the support substrate 10 With this main surface, one flat surface (the same flat surface as the main surface of the support substrate 10 when the recessed part 12 is not formed) is comprised. That is, no step is formed between the upper surface of the fuel electrode 20, the upper surface of the interconnector 30, the upper surface of the seal portion 35, and the main surface of the support substrate 10.

燃料極20、インターコネクタ30、シール部35、及び中間層38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(主面を含む)において複数のシール部35及びインターコネクタ30に対応する部分を除いた全面は、固体電解質膜40により覆われている。より具体的には、図4に示すように、固体電解質膜40は、シール部35の外側面の周縁部の全周を覆うように、支持基板10の主面上に形成されている。この結果、シール部35とインターコネクタ30とが接触し、シール部35と固体電解質膜40とが接触する一方で、インターコネクタ30と固体電解質膜40とは接触していない。   A plurality of seal portions 35 and a plurality of seal portions 35 on the outer peripheral surface (including the main surface) extending in the longitudinal direction of the support substrate 10 in a state where the fuel electrode 20, the interconnector 30, the seal portion 35, and the intermediate layer 38 are embedded in the respective recesses 12. The entire surface excluding the portion corresponding to the interconnector 30 is covered with a solid electrolyte membrane 40. More specifically, as shown in FIG. 4, the solid electrolyte membrane 40 is formed on the main surface of the support substrate 10 so as to cover the entire periphery of the outer peripheral surface of the seal portion 35. As a result, the seal portion 35 and the interconnector 30 are in contact with each other, and the seal portion 35 and the solid electrolyte membrane 40 are in contact with each other, while the interconnector 30 and the solid electrolyte membrane 40 are not in contact with each other.

固体電解質膜40は、イオン伝導性を有する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。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。固体電解質膜40の気孔率は、10%以下である。   The solid electrolyte membrane 40 is a fired body made of a dense material having ion 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. The porosity of the solid electrolyte membrane 40 is 10% or less.

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とシール部35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, the seal portion 35, and the solid electrolyte membrane 40. ing. 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 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とを繋ぐように、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 air electrode 60, the solid electrolyte film 40, and the upper surface of 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。空気極集電膜70の気孔率は、20〜60%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. The porosity of the air electrode current collector film 70 is 20 to 60%.

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」に対応し、緻密質材料からなるインターコネクタ30が前記「電気的接続部の第1部分」に対応し、多孔質材料からなる空気極集電膜70が前記「電気的接続部の第2部分」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 electron conductivity correspond to the “electrical connection part”, and the interconnector 30 made of a dense material is the “first electrical connection part”. Corresponding to the “part”, the air electrode current collector film 70 made of a porous material corresponds to the “second part of the electrical connection part”.

また、緻密質材料からなる「インターコネクタ30、シール部35、及び、固体電解質膜40」が前記「ガスシール部」に対応する。ここで、固体電解質膜40における「燃料極活性部22と空気極60とに挟まれた部分」が、前記「発電素子部の一部としての固体電解質膜」に対応し、固体電解質膜40における「その他の部分」が、前記「第1シール部」に対応する。また、シール部35が、前記「第2シール部」に対応する。なお、本願では、「緻密質材料」とは、ガスシール機能を有する程度に小さい気孔率を有する材料を指し、典型的には、その材料の気孔率が10%以下である。   Further, the “interconnector 30, the seal portion 35, and the solid electrolyte membrane 40” made of a dense material correspond to the “gas seal portion”. Here, “the portion sandwiched between the fuel electrode active portion 22 and the air electrode 60” in the solid electrolyte membrane 40 corresponds to the “solid electrolyte membrane as a part of the power generation element portion”, and in the solid electrolyte membrane 40. The “other part” corresponds to the “first seal part”. Further, the seal portion 35 corresponds to the “second seal portion”. In the present application, the “dense material” refers to a material having a porosity that is small enough to have a gas sealing function, and typically has a porosity of 10% or less.

以上、説明した「横縞型」のSOFCの構造体に対して、図5に示すように、支持基板10の燃料ガス流路11内に燃料ガス(水素ガス等)を流すとともに、支持基板10の上下面(特に、各空気極集電膜70)を「酸素を含むガス」(空気等)に曝す(或いは、支持基板10の上下面に沿って酸素を含むガスを流す)ことにより、固体電解質膜40の両側面間に生じる酸素分圧差によって起電力が発生する。更に、この構造体を外部の負荷に接続すると、下記(1)、(2)式に示す化学反応が起こり、電流が流れる(発電状態)。
(1/2)・O+2e→O2− (於:空気極60) …(1)
+O2−→HO+2e (於:燃料極20) …(2)
As shown in FIG. 5, the fuel gas (hydrogen gas or the like) flows through the fuel gas flow path 11 of the support substrate 10 as shown in FIG. By exposing the upper and lower surfaces (particularly, 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 An electromotive force is generated by an oxygen partial pressure difference generated between both side surfaces of the film 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6に示すように、各組の隣り合う発電素子部A,Aについて、電流が、矢印で示すように流れる。この結果、図5に示すように、このSOFCの構造体全体から(具体的には、図5において最も手前側の発電素子部Aのインターコネクタ30と最も奥側の発電素子部Aの空気極60とを介して)電力が取り出される。   In the power generation state, as shown in FIG. 6, current flows as indicated by an arrow in each pair of adjacent power generation element portions A and A. As a result, as shown in FIG. 5, from the entire SOFC structure (specifically, in FIG. 5, the interconnector 30 of the power generating element portion A on the foremost side and the air electrode of the power generating element portion A on the farthest side in FIG. The power is extracted (via 60).

(製造方法)
次に、本実施形態の製造方法の一例について図7〜図17を参照しながら簡単に説明する。図7〜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。
(Production method)
Next, an example of the manufacturing method of this embodiment will be briefly described with reference to FIGS. 7 to 17, “g” at the end of the symbol of each member represents that the member is “before firing”.

先ず、図7に示す形状を有する支持基板の成形体10gが作製される。この支持基板の成形体10gは、例えば、支持基板10の材料(例えば、CSZ)の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、押し出し成形、切削等の手法を利用して作製され得る。以下、図7に示す8−8線に対応する部分断面を表す図8〜図17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. 7 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. 8 to 17 showing partial cross sections corresponding to line 8-8 shown in FIG.

図8に示すように、支持基板の成形体10gが作製されると、次に、図9に示すように、支持基板の成形体10gの上下面に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10に示すように、各燃料極集電部の成形体21gの外側面に形成された各凹部に、燃料極活性部の成形体22gがそれぞれ埋設・形成される。各燃料極集電部の成形体21g、及び各燃料極活性部22gは、例えば、燃料極20の材料(例えば、NiとYSZ)の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して埋設・形成される。   As shown in FIG. 8, when the support substrate molded body 10g is manufactured, as shown in FIG. 9, the fuel electrode current collector is then placed in each recess formed on the upper and lower surfaces of the support substrate molded body 10g. Each of the molded parts 21g is embedded and formed. Next, as shown in FIG. 10, 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11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の底面の中央部に、直方体状の中間膜の成形体38gがそれぞれ埋設・形成される。各中間膜の成形体38gは、例えば、中間膜38の材料(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. 11, 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. In the center portion of the bottom surface, a rectangular parallelepiped intermediate film molded body 38g is embedded and formed. The molded body 38g of each intermediate film is embedded and formed using a slurry obtained by adding a binder or the like to the powder of the material (LaCrO 3 ) of the intermediate film 38, using a printing method or the like.

次に、図12に示すように、各凹部の成形体38gの上面に、直方体状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(LaCrO)の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して埋設・形成される。 Next, as shown in FIG. 12, a rectangular parallelepiped shaped interconnector 30g is embedded and formed on the upper surface of each recess 38g. The molded body 30g of each interconnector is embedded and formed using a slurry obtained by adding a binder or the like to the powder of the material of the interconnector 30 (LaCrO 3 ) using a printing method or the like.

次いで、図13に示すように、前記各凹部の「成形体30g及び成形体38gからなる積層体」の周囲に位置する周縁部に、シール材の成形体35gがそれぞれ埋設・形成される。各シール材の成形体35gは、例えば、シール部35の材料(例えば、MgO、或いは、MgOとCaZrOのコンポジット材料)の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して埋設・形成される。 Next, as shown in FIG. 13, a sealing material molded body 35 g is embedded and formed in the peripheral edge portion of each of the concave portions positioned around the “laminated body including the molded body 30 g and the molded body 38 g”. The molded body 35g of each sealing material is, for example, a printing method using a slurry obtained by adding a binder or the like to the powder of the material of the sealing portion 35 (for example, MgO or a composite material of MgO and CaZrO 3 ). It is buried and formed using

次に、図14に示すように、複数の燃料極の成形体(21g+22g)及び複数の成形体30g、35g、38g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成形体30g、35gが形成されたそれぞれの部分を除いた全面に、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. 14, a plurality of fuel electrode molded bodies (21 g + 22 g) and a plurality of molded bodies 30 g, 35 g, and 38 g are embedded in and formed in the longitudinal direction of the molded body 10 g of the support substrate. A solid electrolyte membrane molded film 40g is formed on the entire surface excluding the respective portions where the plurality of molded bodies 30g and 35g are formed on the outer peripheral surface. 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15に示すように、固体電解質膜の成形体40gにおける各燃料極の成形体22gと接している箇所の外側面に、反応防止膜の成形膜50gが形成される。各反応防止膜の成形膜50gは、例えば、反応防止膜50の材料(例えば、GDC)の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して形成される。   Next, as shown in FIG. 15, a molded membrane 50g of the reaction preventing membrane is formed on the outer surface of the solid electrolyte membrane molded body 40g in contact with the molded body 22g of each fuel electrode. The molded film 50g of each reaction preventing film is formed using a slurry obtained by adding a binder or the like to the powder of the material (for example, GDC) of the reaction preventing film 50, using a printing method or the like.

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、本実施形態において空気極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, in this embodiment, the structure of the state in which the air electrode 60 and the air electrode current collection film | membrane 70 are not formed is obtained.

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。   Next, as shown in FIG. 16, 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とを繋ぐように、空気極の成形膜60g、固体電解質膜40、インターコネクタ30、及びシール部35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. 17, for each pair of adjacent power generation element portions, air is formed so as to connect the air electrode forming 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 60g, the solid electrolyte film 40, the interconnector 30, and the seal portion 35, an air electrode current collecting film forming film 70g 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の構造体が得られる。なお、この時点では、酸化雰囲気(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(集電部21及び活性部22)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700〜1000℃で1〜100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。以上、本実施形態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. As a result, the SOFC structure shown in FIG. 1 is obtained. At this time, the Ni component in the support substrate 10 and the fuel electrode 20 (the current collector 21 and the active part 22) is NiO by firing in an oxidizing atmosphere (oxygen-containing atmosphere). Therefore, in order to acquire the conductivity of the fuel electrode 20, thereafter, a reducing fuel gas is flowed from the support substrate 10 side, and NiO is reduced at 700 to 1000 ° C. for 1 to 100 hours. This reduction process may be performed during power generation. In the above, an example of the manufacturing method of this embodiment was demonstrated.

(作用・効果)
以下、本実施形態の作用・効果を説明するための準備として、図18に示す比較例について述べる。この比較例は、「インターコネクタ30の底面が燃料極集電部21と直接接触している」点のみにおいて、「インターコネクタ30の底面が中間層38を介して燃料極集電部21と接続している」本実施形態と異なる。
(Action / Effect)
Hereinafter, a comparative example shown in FIG. 18 will be described as preparation for explaining the operation and effect of the present embodiment. In this comparative example, the “bottom surface of the interconnector 30 is connected to the fuel electrode current collector 21 via the intermediate layer 38 only in the point that the bottom surface of the interconnector 30 is in direct contact with the fuel electrode current collector 21”. Different from this embodiment.

上述したように、SOFCの製造過程では、酸化雰囲気での焼成がなされる。この比較例では、インターコネクタ30の底面が燃料極集電部21と直接接触しているので、図19に示すように、燃料極20及びインターコネクタ30の共焼成時、燃料極集電部21内のNiOが拡散によって、インターコネクタ30の底面を介してインターコネクタ30内に進入し易い。インターコネクタ30内にNiOが進入すると、インターコネクタ30を構成する主成分であるランタンクロマイトの焼結性が低下し易く(緻密化が不十分となり易く)なる(上記「第1の原因」)。この結果、この「第1の原因」によって、上記焼成後において、インターコネクタ30(=前記「ガスシール部」の一部)のガスシール性が低下し易くなる。   As described above, in the SOFC manufacturing process, firing is performed in an oxidizing atmosphere. In this comparative example, since the bottom surface of the interconnector 30 is in direct contact with the fuel electrode current collector 21, as shown in FIG. 19, when the fuel electrode 20 and the interconnector 30 are co-fired, the fuel electrode current collector 21. The NiO inside easily enters the interconnector 30 through the bottom surface of the interconnector 30 by diffusion. When NiO enters the interconnector 30, the sinterability of lanthanum chromite, which is the main component constituting the interconnector 30, is likely to be reduced (the densification is likely to be insufficient) (the above “first cause”). As a result, due to the “first cause”, the gas sealability of the interconnector 30 (= a part of the “gas seal part”) is likely to deteriorate after the firing.

加えて、上記焼成時にて、上述のように、インターコネクタ30内にNiOが進入した状態で、上記還元処理が行われると(更には、上記還元処理後にてSOFCが稼働されると)、インターコネクタ30内のNiOがNiに還元される。係るNiOからNiへの変化に伴い、緻密質材料からなるインターコネクタ30の内部にて、除かれた酸素(O)の体積分に相当する空間が形成される。   In addition, at the time of firing, as described above, when the reduction treatment is performed with NiO entering the interconnector 30 (and when the SOFC is operated after the reduction treatment), the interconnect NiO in the connector 30 is reduced to Ni. With the change from NiO to Ni, a space corresponding to the volume of oxygen (O) removed is formed inside the interconnector 30 made of a dense material.

従って、比較例では、インターコネクタ30内にNiOが進入する度合が大きくなり易く、従って、インターコネクタ30内に形成される前記空間の総体積が大きくなり易い(上記「第2の原因」)。この結果、この「第2の原因」によって、上記焼成後、且つ、上記還元処理後において、インターコネクタ30(=前記「ガスシール部」の一部)のガスシール性が低下し易くなる。   Therefore, in the comparative example, the degree to which NiO enters the interconnector 30 is likely to increase, and accordingly, the total volume of the space formed in the interconnector 30 is likely to increase (the “second cause”). As a result, due to the “second cause”, the gas sealability of the interconnector 30 (= a part of the “gas seal portion”) is likely to deteriorate after the firing and after the reduction treatment.

特に、インターコネクタ30の底面を介してインターコネクタ30内に進入したNiOが、インターコネクタ30内におけるインターコネクタ30の外側面(上面)まで達する場合、インターコネクタ30内にて底面から外側面までに亘って前記空間が形成される。このため、インターコネクタ30のガスシール性が特に低下し易い。   In particular, when NiO that has entered the interconnector 30 through the bottom surface of the interconnector 30 reaches the outer surface (upper surface) of the interconnector 30 in the interconnector 30, it extends from the bottom surface to the outer surface in the interconnector 30. The space is formed across. For this reason, the gas-seal property of the interconnector 30 is particularly likely to deteriorate.

これに対し、本実施形態では、図20に示すように、インターコネクタ30の底面が、中間層38を介して燃料極集電部21に接続される。上述のように、中間層38の気孔率は、インターコネクタ30の気孔率より大きい。ここで、一般に、或る物体の内部を拡散により或る物質が移動する際、物質は、物体内の気孔の内壁に沿って移動する傾向がある。従って、図21に示すように、気孔率が大きい中間層38の内部を拡散によりNiOが移動する場合、NiOの移動経路が曲がりくねり易く、従って、その移動経路が長くなる。換言すれば、NiOは拡散により、中間層38の内部を通過し難い。   On the other hand, in this embodiment, as shown in FIG. 20, the bottom surface of the interconnector 30 is connected to the anode current collector 21 via the intermediate layer 38. As described above, the porosity of the intermediate layer 38 is larger than the porosity of the interconnector 30. Here, in general, when a substance moves inside the object by diffusion, the substance tends to move along the inner wall of the pores in the object. Accordingly, as shown in FIG. 21, when NiO moves due to diffusion inside the intermediate layer 38 having a high porosity, the moving path of NiO tends to bend and therefore the moving path becomes long. In other words, NiO is difficult to pass through the inside of the intermediate layer 38 due to diffusion.

本実施形態では、燃料極集電部21中のNiOがインターコネクタ30の底面を介してインターコネクタ30内に進入するためには、NiOが、気孔率が大きい中間層38の内部を通過する必要がある。従って、比較例と比べて、燃料極集電部21中のNiOがインターコネクタ30内に進入し難くなる。以下、この効果を「中間層38によるNiOの進入抑制効果」と呼ぶ。   In this embodiment, in order for NiO in the fuel electrode current collector 21 to enter the interconnector 30 via the bottom surface of the interconnector 30, it is necessary for NiO to pass through the intermediate layer 38 having a high porosity. There is. Therefore, compared with the comparative example, NiO in the fuel electrode current collector 21 is less likely to enter the interconnector 30. Hereinafter, this effect is referred to as “NiO ingress suppression effect by the intermediate layer 38”.

図22は、本実施形態について、インターコネクタ30内の厚さ方向におけるNi元素濃度の分布を測定した結果の一例を示す。Ni元素濃度の測定は、EPMA(Electron Probe Micro Analyser)を用いてサンプルの断面についてのNiの含有量を、インターコネクタ30の外側面側から底面側に向けて順次(図20、及び図22の矢印を参照)、測定・定量化することによってなされた。   FIG. 22 shows an example of the result of measuring the Ni element concentration distribution in the thickness direction in the interconnector 30 for this embodiment. The Ni element concentration was measured by using the EPMA (Electron Probe Micro Analyzer) to sequentially change the Ni content in the sample cross section from the outer surface side to the bottom surface side of the interconnector 30 (see FIGS. 20 and 22). This was done by measuring and quantifying (see arrows).

本実施形態では、「中間層38によるNiOの進入抑制効果」が発揮されることによって、比較例と比べて、インターコネクタ30内にNiOが進入する度合が小さくなる。この結果、本実施形態では、比較例と比べて、上記「第1、第2の原因」によって「インターコネクタ30のガスシール性が低下する事態」の発生頻度が低くなる。   In the present embodiment, the “inhibition effect of NiO entering by the intermediate layer 38” is exhibited, so that the degree of NiO entering into the interconnector 30 is reduced as compared with the comparative example. As a result, in the present embodiment, the occurrence frequency of “the situation where the gas sealability of the interconnector 30 is degraded” due to the “first and second causes” is lower than in the comparative example.

加えて、本実施形態によれば、インターコネクタ30を構成する材料の主成分(=ランタンクロマイト)と、中間層38を構成する材料の主成分(=ランタンクロマイト)とが共通している。従って、インターコネクタ30と中間層38との界面にて「望まれない反応」が生じ難い。この結果、「望まれない反応」に起因するSOFCの発電効率の低下等の問題が発生し難い。   In addition, according to the present embodiment, the main component of the material constituting the interconnector 30 (= lanthanum chromite) and the main component of the material constituting the intermediate layer 38 (= lanthanum chromite) are common. Therefore, an “undesired reaction” hardly occurs at the interface between the interconnector 30 and the intermediate layer 38. As a result, problems such as a decrease in SOFC power generation efficiency due to “undesired reactions” hardly occur.

更には、ランタンクロマイトは、酸化雰囲気でも還元雰囲気でも安定する材料である。インターコネクタ30、及び、中間層38は、酸化雰囲気と還元雰囲気の何れにも曝され得る。従って、本実施形態によれば、インターコネクタ30、及び、中間層38は、酸化雰囲気と還元雰囲気の何れにおいても安定して存在し得る。   Furthermore, lanthanum chromite is a material that is stable in both oxidizing and reducing atmospheres. The interconnector 30 and the intermediate layer 38 can be exposed to either an oxidizing atmosphere or a reducing atmosphere. Therefore, according to the present embodiment, the interconnector 30 and the intermediate layer 38 can exist stably in both the oxidizing atmosphere and the reducing atmosphere.

(中間層の気孔率及び厚さの適正範囲)
本発明者は、上記実施形態に係るSOFCにおいて、インターコネクタ30のガスシール性の低下度合いが、中間層38の気孔率及び厚さと強い相関があることを見出した。以下、このことを確認した試験Aについて説明する。
(Proper range of porosity and thickness of the intermediate layer)
The present inventor has found that in the SOFC according to the above-described embodiment, the degree of decrease in the gas sealability of the interconnector 30 has a strong correlation with the porosity and thickness of the intermediate layer 38. Hereinafter, test A in which this has been confirmed will be described.

<試験A>
この試験Aでは、本実施形態について、インターコネクタ30の気孔率、中間層38の気孔率、及び、中間層38の厚さの組み合わせが異なる複数のサンプルが作製された。具体的には、表1に示すように、8種類の水準(組み合わせ)が準備された。各水準に対して10個のサンプル(N=10)が作製された。各サンプルについて、「インターコネクタ30(緻密質材料)と中間層38(多孔質材料)との界面」は、「サンプルの断面についての解析結果に基づいて得られる、前記断面において厚さ方向にて気孔率が大きく変化する位置」と定義された。中間層38の厚さとしては、前記断面の任意の10箇所でそれぞれ測定された、「インターコネクタ30と中間層38との界面」と「中間層38と燃料極集電部21との界面」との距離、の平均値が採用された。
<Test A>
In this test A, a plurality of samples having different combinations of the porosity of the interconnector 30, the porosity of the intermediate layer 38, and the thickness of the intermediate layer 38 were produced for this embodiment. Specifically, as shown in Table 1, eight levels (combinations) were prepared. Ten samples (N = 10) were made for each level. For each sample, “the interface between the interconnector 30 (dense material) and the intermediate layer 38 (porous material)” is obtained in the thickness direction in the cross section obtained based on the analysis result of the cross section of the sample. It was defined as “the position where the porosity changes greatly”. As the thickness of the intermediate layer 38, “the interface between the interconnector 30 and the intermediate layer 38” and “the interface between the intermediate layer 38 and the fuel electrode current collector 21”, which were measured at any 10 points in the cross section, respectively. The average value of the distance was adopted.

Figure 0005714738
Figure 0005714738

各サンプル(図1に示すSOFC)にて、中間層38は、インターコネクタ30の底面の全域に亘って、インターコネクタ30と燃料極集電部21との間に介装された。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作製された。各サンプルについて、燃料極集電部21の材料としては、NiO/Ni-YSZ、NiO/Ni-CSZ、NiO/Ni-Y等が使用された。インターコネクタ30、及び、中間層38の材料としては、ランタンクロマイト(La1−xCr1−y−z(ただし、A:Ca,Sr,Baから選択される少なくとも1種類の元素、B:Co,Ni,Mg,Alから選択される少なくとも1種類の元素、0.05≦x≦0.2、0.02≦y≦0.22、0≦z≦0.05)で表わされる。)が使用された。インターコネクタ30の厚さは30μmで一定とされた。燃料極20及びインターコネクタ30の共焼成時について、焼成時間は1〜20時間であり、焼成温度は1350〜1500℃であった。インターコネクタ30、及び中間層38のそれぞれの気孔率の調整は、対応する成形体の作製に使用されるスラリー内に含まれる造孔材の量及び径を調整すること等によってなされた。 In each sample (SOFC shown in FIG. 1), the intermediate layer 38 was interposed between the interconnector 30 and the fuel electrode current collector 21 over the entire bottom surface of the interconnector 30. Each sample was produced using the same method as the above-described “example of manufacturing method of this embodiment”. For each sample, NiO / Ni—YSZ, NiO / Ni—CSZ, NiO / Ni—Y 2 O 3 or the like was used as the material of the fuel electrode current collector 21. Interconnector 30 and, as the material of the intermediate layer 38, lanthanum chromite (La 1-x A x Cr 1-y-z B y O 3 ( provided that, A: Ca at least one of, Sr, is selected from Ba Element: B: at least one element selected from Co, Ni, Mg, Al, 0.05 ≦ x ≦ 0.2, 0.02 ≦ y ≦ 0.22, 0 ≦ z ≦ 0.05) ) Was used. The thickness of the interconnector 30 was constant at 30 μm. Regarding the co-firing of the fuel electrode 20 and the interconnector 30, the firing time was 1 to 20 hours, and the firing temperature was 1350 to 1500 ° C. The porosity of each of the interconnector 30 and the intermediate layer 38 was adjusted by adjusting the amount and diameter of the pore former contained in the slurry used for producing the corresponding molded body.

この試験Aでは、上記還元処理後の段階における各サンプル(本実施形態に係るSOFC)について、温度が750℃の条件下にて、SOFCの実開回路電圧が測定された。そして、インターコネクタ30のガスシール性の評価指標として、「実開回路電圧の理論開回路電圧からの差」が採用された。一般に、理論開回路電圧は、「SOFCの温度」、並びに、「SOFCの燃料極側及び空気極側の間の酸素分圧差」に基づいて、一義的に決定される。一方、インターコネクタ30のガスシール性が低くなるほど、SOFCの燃料極側及び空気極側の間の酸素分圧差が理想値(ガスシール性が完全な場合での値)から小さくなることによって、実開回路電圧が理論開回路電圧から低下していく。即ち、「実開回路電圧の理論開回路電圧からの差」が小さい(大きい)ことは、インターコネクタ30のガスシール性が良い(悪い)ことを意味する。各サンプルについて、SOFCの「実開回路電圧の理論開回路電圧からの差」の結果は、表1に示すとおりである。   In this test A, the actual open circuit voltage of the SOFC was measured under the condition where the temperature was 750 ° C. for each sample (SOFC according to the present embodiment) in the stage after the reduction treatment. Then, “the difference between the actual open circuit voltage and the theoretical open circuit voltage” was adopted as an evaluation index of the gas sealability of the interconnector 30. In general, the theoretical open circuit voltage is uniquely determined based on “the temperature of the SOFC” and “the difference in oxygen partial pressure between the fuel electrode side and the air electrode side of the SOFC”. On the other hand, the lower the gas sealability of the interconnector 30, the smaller the oxygen partial pressure difference between the fuel electrode side and the air electrode side of the SOFC from the ideal value (value when the gas seal property is perfect). The open circuit voltage decreases from the theoretical open circuit voltage. That is, the fact that the “difference from the actual open circuit voltage from the theoretical open circuit voltage” is small (large) means that the gas sealability of the interconnector 30 is good (bad). The results of SOFC “Difference from actual open circuit voltage to theoretical open circuit voltage” for each sample are shown in Table 1.

表1から理解できるように、中間層38が設けられる場合(水準2〜8を参照)、中間層38が設けられない場合(水準1)と比較して、「実開回路電圧の理論開回路電圧からの差」が小さい。即ち、インターコネクタ30のガスシール性が良くなる。これは、上述した「中間層38によるNiOの進入抑制効果」が発揮されたことに基づく、と考えられる。   As can be understood from Table 1, when the intermediate layer 38 is provided (see levels 2 to 8), compared with the case where the intermediate layer 38 is not provided (level 1), “theoretical open circuit of the actual open circuit voltage” “Difference from voltage” is small. That is, the gas sealability of the interconnector 30 is improved. This is considered to be based on the fact that the above-mentioned “inhibition effect of NiO intrusion by the intermediate layer 38” was exhibited.

加えて、表1から理解できるように、中間層38が設けられる場合において、特に、中間層38の気孔率が15〜50%、且つ、中間層38の厚さが3〜50μmの場合、そうでない場合と比べて、「実開回路電圧の理論開回路電圧からの差」がより一層小さくなる。即ち、インターコネクタ30のガスシール性がより一層良くなる。このように、インターコネクタ30のガスシール性に関して、中間層38の気孔率及び厚さに適正な範囲があるのは以下の理由に基づく、と考えられる。即ち、中間層38の厚さが小さ過ぎる、又は、中間層38の気孔率が小さ過ぎると、上述した「中間層38によるNiOの進入抑制効果」そのものが発揮され難くなる。この結果、燃料極集電部21中のNiOがインターコネクタ30内に進入し易くなり、上記「第1、第2の原因」によって「インターコネクタ30のガスシール性が低下する事態」が発生し易くなる。一方、中間層38の厚さが大き過ぎる、又は、中間層38の気孔率が大き過ぎると、インターコネクタ30を構成する主成分であるランタンクロマイトの焼結性が阻害され易くなる。この結果、「インターコネクタ30のガスシール性が低下する事態」が発生し易くなる。   In addition, as can be understood from Table 1, when the intermediate layer 38 is provided, particularly when the porosity of the intermediate layer 38 is 15 to 50% and the thickness of the intermediate layer 38 is 3 to 50 μm. Compared with the case where it is not, "the difference from the theoretical open circuit voltage of a real open circuit voltage" becomes still smaller. That is, the gas sealability of the interconnector 30 is further improved. Thus, regarding the gas sealability of the interconnector 30, it is considered that the porosity and thickness of the intermediate layer 38 have an appropriate range based on the following reason. That is, if the thickness of the intermediate layer 38 is too small or the porosity of the intermediate layer 38 is too small, the above-described “inhibition effect of NiO intrusion by the intermediate layer 38” itself is hardly exhibited. As a result, NiO in the fuel electrode current collector 21 can easily enter the interconnector 30, and the “first and second causes” cause a “situation in which the gas sealability of the interconnector 30 decreases”. It becomes easy. On the other hand, if the thickness of the intermediate layer 38 is too large or the porosity of the intermediate layer 38 is too large, the sinterability of the lanthanum chromite that is the main component constituting the interconnector 30 is likely to be hindered. As a result, a “situation in which the gas sealability of the interconnector 30 is degraded” easily occurs.

以上より、中間層38の気孔率が15〜50%であり、且つ、中間層38の厚さが3〜50μmであると、そうでない場合と比べて、上記焼成後、且つ、上記還元処理後において、インターコネクタ30のガスシール性がより一層良くなる、ということができる。   From the above, when the porosity of the intermediate layer 38 is 15 to 50% and the thickness of the intermediate layer 38 is 3 to 50 μm, compared to the case where the porosity is not so, after the firing and after the reduction treatment It can be said that the gas sealability of the interconnector 30 is further improved.

(インターコネクタ内のNi元素濃度の適正範囲)
本発明者は、中間層38の気孔率が15〜50%であり、且つ、中間層38の厚さが3〜50μmである場合であっても、本実施形態に対して耐久試験を実施すると、インターコネクタ30のガスシール性がなおも低下し得ること、そして、係るインターコネクタ30のガスシール性の低下が、インターコネクタ30における「外側面(上面)からの距離が3μm以下の領域」(図23を参照、以下、「外側面近傍領域」と呼ぶ)内のNi元素濃度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Bについて説明する。
(Proper range of Ni element concentration in the interconnector)
The inventor performs the durability test on the present embodiment even when the porosity of the intermediate layer 38 is 15 to 50% and the thickness of the intermediate layer 38 is 3 to 50 μm. Further, the gas sealability of the interconnector 30 can still decrease, and the decrease in the gas sealability of the interconnector 30 can be attributed to the “region where the distance from the outer surface (upper surface) is 3 μm or less” ( It was found that there is a strong correlation with the Ni element concentration in (referred to as “outer surface vicinity region” hereinafter). Hereinafter, test B in which this has been confirmed will be described.

<試験B>
この試験Bでは、本実施形態について、中間層38の気孔率、中間層38の厚さ、及び、インターコネクタ30の外側面近傍領域内のNi元素濃度の組み合わせが異なる複数のサンプルが作製された。具体的には、表2に示すように、6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。
<Test B>
In this test B, a plurality of samples having different combinations of the porosity of the intermediate layer 38, the thickness of the intermediate layer 38, and the Ni element concentration in the region near the outer surface of the interconnector 30 were produced for this embodiment. . Specifically, as shown in Table 2, six kinds of levels (combinations) were prepared. Ten samples (N = 10) were made for each level.

Figure 0005714738
Figure 0005714738

各サンプル(図1に示すSOFC)は、試験Aと同様、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作製された。各サンプルについて、中間層38の気孔率及び厚さ以外の各構成部材の諸元、材質等について、試験Bと同様とされた。中間層38の気孔率は、インターコネクタ30の気孔率より大きい。インターコネクタ30の外側面近傍領域内のNi元素濃度の測定は、EPMA(Electron Probe Micro Analyser)を用いて、サンプルの断面における「インターコネクタ30の外側面近傍領域」についてのNiの含有量を測定・定量化することによってなされた。インターコネクタ30の外側面近傍領域内のNi元素濃度の調整は、燃料極20及びインターコネクタ30の共焼成時における焼成時間、及び、焼成温度を調整することによってなされた。焼成時間が長くなるにつれて、且つ、焼成温度が高くなるにつれて、燃料極集電部21からのNiOの拡散の度合が大きくなることに起因して、インターコネクタ30の外側面近傍領域内のNi元素濃度が高くなる。表2に示すように、試験Bでは、中間層38の気孔率は15〜50%の範囲内に調整され、中間層38の厚さは3〜50μmの範囲内に調整された。   Each sample (SOFC shown in FIG. 1) was produced using the same method as the above-described “example of production method of this embodiment”, as in Test A. About each sample, it was set as the same as that of the test B about the item, the material, etc. of each structural member other than the porosity and thickness of the intermediate | middle layer 38. FIG. The porosity of the intermediate layer 38 is greater than the porosity of the interconnector 30. The Ni element concentration in the region near the outer surface of the interconnector 30 is measured using the EPMA (Electron Probe Micro Analyzer) to measure the Ni content in the “region near the outer surface of the interconnector 30” in the cross section of the sample. • Made by quantification. The Ni element concentration in the region near the outer surface of the interconnector 30 was adjusted by adjusting the firing time and the firing temperature when the fuel electrode 20 and the interconnector 30 were cofired. As the firing time becomes longer and the firing temperature becomes higher, the degree of diffusion of NiO from the fuel electrode current collector 21 increases, so that the Ni element in the region near the outer surface of the interconnector 30 is increased. The concentration becomes high. As shown in Table 2, in the test B, the porosity of the intermediate layer 38 was adjusted in the range of 15 to 50%, and the thickness of the intermediate layer 38 was adjusted in the range of 3 to 50 μm.

この試験Bでは、上記還元処理後の各サンプルについて、前記耐久試験として、750℃、3000時間に亘ってSOFCが連続的に稼働された。そして、この耐久試験後の段階にて、SOFCの実開回路電圧が測定された。各サンプルについて、SOFCの「実開回路電圧の理論開回路電圧からの差」の結果は、表2に示すとおりである。   In this test B, the SOFC was continuously operated for 3,000C for 3000 hours as the durability test for each sample after the reduction treatment. Then, at the stage after this endurance test, the actual open circuit voltage of the SOFC was measured. The results of SOFC “Difference from actual open circuit voltage to theoretical open circuit voltage” for each sample are shown in Table 2.

表2から理解できるように、インターコネクタ30の外側面近傍領域内のNi元素濃度が3atm.%より大きい場合、そうでない場合と比べて、前記耐久試験後において、「実開回路電圧の理論開回路電圧からの差」が大きくなる。即ち、インターコネクタ30のガスシール性が低下する。これは、以下の理由に基づく、と考えられる。   As can be understood from Table 2, the Ni element concentration in the region near the outer surface of the interconnector 30 is 3 atm. When the value is larger than%, the “difference from the actual open circuit voltage from the theoretical open circuit voltage” becomes larger after the endurance test than when not. That is, the gas sealability of the interconnector 30 is reduced. This is considered based on the following reasons.

即ち、上記「第2の原因」に関し、上述した「上記還元処理の際、或いは、上記還元処理後のSOFCの稼働中にて、インターコネクタ30内のNiOがNiに還元される現象」の進行速度は、実際には非常に遅い。従って、上記還元処理後に行われる前記耐久試験中においても、インターコネクタ30内にてNiOがNiに還元される現象が徐々に進行していく。この結果、前記耐久試験中において、インターコネクタ30の内部にて、NiOからNiへの変化に伴って除かれた酸素(O)の体積分に相当する空間の総体積が徐々に大きくなっていく(前記空間が成長していく)。従って、上記焼成時においてNiOがインターコネクタ30の底面から外側面近傍領域までに亘って進入しているような場合(即ち、前記外側面近傍領域内のNi元素濃度が大きい場合)、前記耐久試験中において、NiOの還元の進行に伴ってインターコネクタ30内にて成長していく前記空間が、インターコネクタ30の底面から外側面までに亘って繋がり易くなる。このため、前記外側面近傍領域内のNi元素濃度が大きいと、前記耐久試験後において、インターコネクタ30のガスシール性が低下し易い、と考えられる。   That is, with respect to the “second cause”, the progress of “a phenomenon in which NiO in the interconnector 30 is reduced to Ni during the reduction process or during operation of the SOFC after the reduction process”. The speed is actually very slow. Therefore, even during the endurance test performed after the reduction treatment, a phenomenon in which NiO is reduced to Ni in the interconnector 30 gradually proceeds. As a result, during the endurance test, the total volume of the space corresponding to the volume of oxygen (O) removed along with the change from NiO to Ni inside the interconnector 30 gradually increases. (The space will grow). Therefore, when NiO has entered from the bottom surface of the interconnector 30 to the outer surface vicinity region during the firing (that is, when the Ni element concentration in the outer surface vicinity region is large), the durability test is performed. In the inside, the space that grows in the interconnector 30 with the progress of reduction of NiO is easily connected from the bottom surface to the outer surface of the interconnector 30. For this reason, it is considered that when the Ni element concentration in the region near the outer surface is large, the gas sealability of the interconnector 30 is likely to deteriorate after the durability test.

以上より、中間層38の気孔率が15〜50%であり、且つ、中間層38の厚さが3〜50μmである場合において、インターコネクタ30の外側面近傍領域内のNi元素濃度が3atm.%以下であると、前記耐久試験後においてもなお、インターコネクタ30のガスシール性が低下し難い、ということができる。   As described above, when the porosity of the intermediate layer 38 is 15 to 50% and the thickness of the intermediate layer 38 is 3 to 50 μm, the Ni element concentration in the region near the outer surface of the interconnector 30 is 3 atm. % Or less, it can be said that the gas sealability of the interconnector 30 is hardly lowered even after the durability test.

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、図24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内に、インターコネクタ30、シール部35、及び、中間層38が埋設され、インターコネクタ30の底面の全域が中間層38と接触しているが、図25に示すように、インターコネクタ30の底面における中央部が中間層38と接触し、インターコネクタ30の底面における前記中央部の周囲に位置する周縁部がシール部35と接触するように構成されてもよい。   The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be employed within the scope of the present invention. For example, in the above embodiment, as shown in FIG. 24, the interconnector 30, the seal portion 35, and the intermediate layer 38 are embedded in the recess 21 b formed on the outer surface of the anode current collector 21. Although the entire bottom surface of the connector 30 is in contact with the intermediate layer 38, as shown in FIG. 25, the central portion of the bottom surface of the interconnector 30 is in contact with the intermediate layer 38, and the central portion of the bottom surface of the interconnector 30 is The peripheral edge located around may be configured to contact the seal part 35.

また、図25に示す構成において、固体電解質膜40における「シール部35(前記「第2シール部」に対応)の外側面の周縁部の全周を覆う部分」は、固体電解質膜40に代えて、固体電解質膜40とは構成材料が異なる緻密膜37(前記「第1シール部」に対応)で構成されてもよい。緻密膜37は、例えば、GDC=(Ce,Gd)O(ガドリニウムドープセリア)で構成され得る。 In the configuration shown in FIG. 25, the “part covering the entire periphery of the peripheral edge of the outer surface of the seal portion 35 (corresponding to the“ second seal portion ”)” in the solid electrolyte membrane 40 is replaced with the solid electrolyte membrane 40. In addition, the solid electrolyte membrane 40 may be formed of a dense membrane 37 (corresponding to the “first seal portion”) having a different constituent material. The dense film 37 can be made of, for example, GDC = (Ce, Gd) O 2 (gadolinium-doped ceria).

この場合、前記「ガスシール部」における燃料極集電部21の外側面を覆う部分では、前記「ガスシール部」は、前記発電素子部の一部としての固体電解質膜40と、固体電解質膜40と接続されるとともに固体電解質膜40とは異なる構成材料からなる緻密膜37(前記「第1シール部」に対応)と、緻密膜37と接続されるとともに緻密膜37とは異なる緻密な構成材料からなるシール部35(前記「第2シール部」に対応)と、シール部35と接続されたインターコネクタ30と、から構成される。この場合、緻密膜37とインターコネクタ30とが接触せず、且つ、固体電解質膜40とシール部35とが接触しない。   In this case, in the portion covering the outer surface of the fuel electrode current collector 21 in the “gas seal portion”, the “gas seal portion” includes a solid electrolyte membrane 40 as a part of the power generation element portion, and a solid electrolyte membrane. A dense film 37 (corresponding to the “first seal portion”) made of a material different from that of the solid electrolyte film 40 while being connected to the solid electrolyte film 40, and a dense structure connected to the dense film 37 and different from the dense film 37 A seal part 35 made of a material (corresponding to the “second seal part”) and an interconnector 30 connected to the seal part 35 are configured. In this case, the dense membrane 37 and the interconnector 30 do not contact each other, and the solid electrolyte membrane 40 and the seal portion 35 do not contact each other.

また、図25に示す構成では、燃料極集電部21の外側面に形成された凹部21bにシール部35、中間層38、及びインターコネクタ30が埋設されているが、図26に示すように、凹部21bに、シール部35、及び中間層38のみが埋設されていてもよい。或いは、図27に示すように、燃料極集電部21の外側面に凹部21bが形成されず、インターコネクタ30、シール部35、及び、中間層38が支持基板10の主面上に形成されてもよい。   In the configuration shown in FIG. 25, the seal portion 35, the intermediate layer 38, and the interconnector 30 are embedded in the recess 21 b formed on the outer surface of the anode current collector 21, but as shown in FIG. 26. Only the seal portion 35 and the intermediate layer 38 may be embedded in the recess 21b. Alternatively, as shown in FIG. 27, the recess 21 b is not formed on the outer surface of the fuel electrode current collector 21, and the interconnector 30, the seal portion 35, and the intermediate layer 38 are formed on the main surface of the support substrate 10. May be.

図25に示す構成と同様、図26、及び図27に示す構成でも、前記「ガスシール部」における燃料極20(集電部21)の外側面を覆う部分では、前記「ガスシール部」は、「前記発電素子部の一部としての固体電解質膜40」と、「固体電解質膜40と接続されるとともに固体電解質膜40と同じ構成材料からなる緻密膜40又は異なる構成材料からなる緻密膜37」(前記「第1シール部」に対応)と、「緻密膜40又は37と接続されるとともに緻密膜40又は37とは異なる緻密な構成材料からなるシール部35」(前記「第2シール部」に対応)と、「シール部35と接続されたインターコネクタ30」と、から構成される。   Similarly to the configuration shown in FIG. 25, in the configuration shown in FIGS. 26 and 27, the “gas seal portion” is the portion that covers the outer surface of the fuel electrode 20 (current collector 21) in the “gas seal portion”. , “A solid electrolyte membrane 40 as a part of the power generation element portion” and “a dense membrane 40 connected to the solid electrolyte membrane 40 and made of the same constituent material as the solid electrolyte membrane 40 or a dense membrane 37 made of a different constituent material. (Corresponding to the “first seal portion”) and “the seal portion 35 connected to the dense film 40 or 37 and made of a dense constituent material different from the dense film 40 or 37” (the “second seal portion”). And "interconnector 30 connected to seal portion 35".

図25に示す構成と同様、図26、及び図27に示す構成でも、前記「第1シール部」が緻密膜40(=固体電解質膜40)である場合、緻密膜40(=固体電解質膜40)とインターコネクタ30とが接触しない。前記「第1シール部」が緻密膜37(≠固体電解質膜40)である場合、緻密膜37(≠固体電解質膜40)とインターコネクタ30とが接触せず、且つ、固体電解質膜40とシール部35とが接触しない。   Similarly to the configuration shown in FIG. 25, in the configuration shown in FIGS. 26 and 27, when the “first seal portion” is the dense membrane 40 (= solid electrolyte membrane 40), the dense membrane 40 (= solid electrolyte membrane 40). ) And the interconnector 30 do not contact each other. When the “first seal portion” is the dense membrane 37 (≠ solid electrolyte membrane 40), the dense membrane 37 (≠ solid electrolyte membrane 40) and the interconnector 30 are not in contact with each other, and the solid electrolyte membrane 40 and the seal are sealed. The part 35 does not contact.

また、上記実施形態においては、燃料極集電部21の外側面に形成された凹部21bの底面と、インターコネクタ30の底面と、の間には、中間層38のみ(1層のみ)が介装されているが、図28に示すように、凹部21bの底面と、中間層38の底面と、の間に更に、中間層38とは異なる「ランタンクロマイトとNiとを主成分とする第2の中間層39」が介装されていてもよい。   In the above embodiment, only the intermediate layer 38 (only one layer) is interposed between the bottom surface of the recess 21 b formed on the outer surface of the anode current collector 21 and the bottom surface of the interconnector 30. However, as shown in FIG. 28, “second lanthanum chromite and Ni as main components are different from the intermediate layer 38 between the bottom surface of the recess 21 b and the bottom surface of the intermediate layer 38. Intermediate layer 39 ”may be interposed.

本実施形態、並びに、図25〜図28に示す変形例においては、「インターコネクタ30の外側面、底面、及び側面のうちで中間層38を介して燃料極集電部21と接続されているのは底面のみである」点、及び、「インターコネクタ30の外側面、底面、及び側面のうちで空気極集電膜70と接触しているのは外側面のみである」点において共通している。   In the present embodiment and the modifications shown in FIGS. 25 to 28, “the outer electrode is connected to the anode current collector 21 via the intermediate layer 38 among the outer surface, the bottom surface, and the side surface of the interconnector 30. Is common to the point that “only the bottom surface is in contact with the air electrode current collector film 70 among the outer surface, bottom surface, and side surfaces of the interconnector 30”. Yes.

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29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。また、上記実施形態では、支持基板10が平板状を呈しているが、支持基板が円筒状を呈していてもよい。   In the above embodiment, a plurality of recesses 12 are formed on each of the upper and lower surfaces of the flat support substrate 10 and a plurality of power generating element portions A are 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. Moreover, in the said embodiment, although the support substrate 10 is exhibiting flat form, the support substrate may be exhibiting cylindrical shape.

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。   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.

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、35…シール部、37…緻密膜、38…中間層、40…固体電解質膜、50…反応防止膜、60…空気極、70…空気極集電膜、A…発電素子部   DESCRIPTION OF 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, 35 ... Seal , 37 ... dense membrane, 38 ... intermediate layer, 40 ... solid electrolyte membrane, 50 ... reaction preventing membrane, 60 ... air electrode, 70 ... air electrode current collector membrane, A ... power generation element portion

Claims (4)

ガス流路が内部に形成された支持基板と、
前記支持基板の表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、少なくとも遷移金属を含む燃料極、固体電解質膜、及び空気極が積層されてなる複数の発電素子部と、
隣り合う前記発電素子部の間にそれぞれ設けられ、隣り合う前記発電素子部の一方の燃料極と他方の空気極とを電気的に接続する1つ又は複数の電気的接続部と、
前記ガス流路から前記燃料極に供給される燃料ガスと、前記空気極に供給される酸素を含むガスと、の混合を防止する緻密質材料からなるガスシール部と、
を備えた燃料電池であって、
前記各電気的接続部は、ランタンクロマイトを主成分とする緻密質材料からなる第1部分と、前記第1部分と接続され且つ多孔質材料からなる第2部分とで構成され、前記第1部分は、前記隣り合う発電素子部の一方の燃料極及び前記第2部分と電気的に接続され、前記第2部分は、前記隣り合う発電素子部の他方の空気極及び前記第1部分と電気的に接続され、
前記各電気的接続部の第1部分は、前記ガスシール部の一部であり、
前記各電気的接続部の第1部分は、外側面と、前記外側面と反対側の底面と、側面と、を備え、
前記各電気的接続部の第1部分の前記外側面が、対応する前記電気的接続部の第2部分と接触しており、
前記各電気的接続部の第1部分の前記底面と対応する前記燃料極との間に、ランタンクロマイトを主成分とし且つ前記電気的接続部の第1部分より気孔率が大きい材料からなる中間層が介装され
前記各電気的接続部の第1部分における前記外側面からの距離が3μm以下の領域内の前記遷移金属の元素濃度が3atm.%以下である、燃料電池。
A support substrate having a gas flow path formed therein;
A plurality of power generating element portions each provided at a plurality of locations separated from each other on the surface of the support substrate, and a stack of a fuel electrode including at least a transition metal, a solid electrolyte membrane, and an air electrode;
One or a plurality of electrical connection portions that are respectively provided between the adjacent power generation element portions and electrically connect one fuel electrode and the other air electrode of the adjacent power generation element portions;
A gas seal portion made of a dense material for preventing mixing of the fuel gas supplied from the gas flow path to the fuel electrode and the gas containing oxygen supplied to the air electrode;
A fuel cell comprising:
Each of the electrical connection parts is composed of a first part made of a dense material mainly composed of lanthanum chromite and a second part made of a porous material and connected to the first part. , the power generated element one of the fuel electrode and connecting the second portion and electrically the portion adjacent the second portion, electrical and other air electrode and the first portion of the power generating element in which the adjacent It is connected to,
The first part of each electrical connection part is a part of the gas seal part,
The first portion of each electrical connection portion includes an outer surface, a bottom surface opposite to the outer surface, and a side surface,
The outer surface of the first portion of each electrical connection is in contact with the corresponding second portion of the electrical connection;
An intermediate layer comprising lanthanum chromite as a main component and having a higher porosity than the first portion of the electrical connection portion between the bottom surface of the first portion of each electrical connection portion and the corresponding fuel electrode. Is intervened ,
The element concentration of the transition metal in the region whose distance from the outer surface in the first portion of each electrical connection portion is 3 μm or less is 3 atm. % Fuel cell.
請求項1に記載の燃料電池において、
前記中間層の気孔率が15〜50%であり、且つ、前記中間層の厚さが3〜50μmである、燃料電池。
The fuel cell according to claim 1, wherein
A fuel cell in which the porosity of the intermediate layer is 15 to 50% and the thickness of the intermediate layer is 3 to 50 μm.
請求項1又は請求項2に記載の燃料電池において、
前記ガスシール部は、前記発電素子部の一部としての緻密質材料からなる前記固体電解質膜と、前記固体電解質膜と接続されるとともに前記固体電解質膜と同じ又は異なる緻密質材料からなる第1シール部と、前記第1シール部と接続されるとともに前記第1シール部とは異なる緻密質材料からなる第2シール部と、前記第2シール部と接続された前記電気的接続部の第1部分と、を含み、前記第1シール部と前記電気的接続部の第1部分とは接触しないように構成された、燃料電池。
The fuel cell according to claim 1 or 2 ,
The gas seal portion includes a solid electrolyte membrane made of a dense material as a part of the power generation element portion, and a first dense material connected to the solid electrolyte membrane and made of the same or different dense material from the solid electrolyte membrane. A first seal portion, a second seal portion connected to the first seal portion and made of a dense material different from the first seal portion, and a first electrical connection portion connected to the second seal portion. A fuel cell configured to prevent contact between the first seal portion and the first portion of the electrical connection portion.
請求項に記載の燃料電池において、
前記支持基板の主面における前記複数の箇所に、前記支持基板の材料からなる底壁と、前記支持基板の材料からなる側壁と、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前記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、前記燃料極の材料からなる底壁と、前記燃料極の材料からなる側壁と、を有する第2凹部がそれぞれ形成され、
前記各第2凹部に、対応する前記電気的接続部の前記第1部分、及び、対応する前記第2シール部がそれぞれ埋設され、
前記各第2凹部において、
前記電気的接続部の第1部分が、前記第2凹部における中央部に埋設され、
前記第2シール部が、前記第2凹部における前記中央部の周囲に位置する周縁部にて、前記第2凹部の前記側壁の全周、及び、前記電気的接続部の第1部分の前記側面の全周と接触するように埋設され、
前記電気的接続部の第1部分の前記底面における中央部が、前記中間層を介して前記燃料極と接続され、前記電気的接続部の第1部分の前記底面における前記中央部の周囲に位置する周縁部が前記第2シール部と接触しており、
前記第2シール部の外側面の周縁部の全周が前記第1シール部で覆われた、燃料電池。
The fuel cell according to claim 3 , wherein
First recesses having a bottom wall made of the material of the support substrate and a side wall made of the material of the support substrate are formed in the plurality of locations on the main surface of the support substrate, respectively.
In each of the first recesses, the corresponding fuel electrode of the power generation element unit is embedded,
Second recesses having a bottom wall made of the material of the fuel electrode and a side wall made of the material of the fuel electrode are formed on the outer surface of each buried fuel electrode,
In each of the second recesses, the corresponding first portion of the electrical connection portion and the corresponding second seal portion are embedded, respectively.
In each of the second recesses,
A first portion of the electrical connection portion is embedded in a central portion of the second recess,
The second seal portion is a peripheral portion located around the central portion of the second recess, and the entire periphery of the side wall of the second recess and the side surface of the first portion of the electrical connection portion. Buried in contact with the entire circumference of the
A central portion of the first portion of the electrical connection portion at the bottom surface is connected to the fuel electrode via the intermediate layer, and is positioned around the central portion of the bottom surface of the first portion of the electrical connection portion. The peripheral edge part is in contact with the second seal part,
A fuel cell, wherein the entire periphery of the outer peripheral surface of the second seal portion is covered with the first seal portion.
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