JP5732180B1 - Fuel cell - Google Patents

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Abstract

【課題】ガス流路が内部に形成された支持基板を有する燃料電池であって「ガス流路の内壁から支持基板の表面に向かうクラック」が形成され難いものを提供すること。【解決手段】この燃料電池では、ガス流路11が内部に形成された支持基板10の表面に、燃料極20、固体電解質40、及び空気極60が順に積層された発電素子部Aが形成される。支持基板の気孔率が15〜55%である。支持基板10の内部の気孔として、20μm未満の気孔径を有する複数の第1気孔と、20μm以上の気孔径を有する1つ又は複数の第2気孔と、が存在する。支持基板10におけるガス流路11の内壁からの距離が100μm以下の領域を「流路近傍領域」と定義したとき、「流路近傍領域」における第1、第2気孔からなる全気孔の気孔率(Sa)が25〜50%であり、「流路近傍領域」における第2気孔の気孔率(Sb1)が6.5%以下である。【選択図】図2The present invention provides a fuel cell having a support substrate having a gas flow path formed therein, in which “a crack from the inner wall of the gas flow path toward the surface of the support substrate” is difficult to be formed. In this fuel cell, a power generating element portion A in which a fuel electrode 20, a solid electrolyte 40, and an air electrode 60 are sequentially laminated is formed on the surface of a support substrate 10 in which a gas flow path 11 is formed. The The porosity of the support substrate is 15 to 55%. As the pores inside the support substrate 10, there are a plurality of first pores having a pore diameter of less than 20 μm and one or a plurality of second pores having a pore diameter of 20 μm or more. When a region having a distance from the inner wall of the gas flow path 11 of the support substrate 10 of 100 μm or less is defined as a “flow path vicinity area”, the porosity of all pores including the first and second pores in the “flow path vicinity area” (Sa) is 25 to 50%, and the porosity (Sb1) of the second pores in the “channel vicinity region” is 6.5% or less. [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、「前記支持基板に設けられるとともに、燃料極と、固体電解質と、空気極とがこの順に積層されてなる発電素子部」と、を備えた固体酸化物形燃料電池が知られている(例えば、特許文献1を参照)。   Conventionally, “a support substrate having a gas flow path formed therein” and “a power generation element portion that is provided on the support substrate and in which a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are stacked in this order” Are known (for example, see Patent Document 1).

上記文献に記載の燃料電池では、支持基板の内部に形成されたガス流路を流れる燃料ガスは、支持基板の内部の気孔を介して燃料極に移動し、燃料極にて発電のために消費される。即ち、支持基板は多孔質材料で構成される。   In the fuel cell described in the above document, the fuel gas flowing through the gas flow path formed inside the support substrate moves to the fuel electrode through the pores inside the support substrate, and is consumed for power generation at the fuel electrode. Is done. That is, the support substrate is made of a porous material.

特許4883733号公報Japanese Patent No. 4888733

ところで、上述した燃料電池が熱応力的に過酷な環境下で稼働されると、「支持基板のガス流路の内壁を起点とする、支持基板の表面に向かうクラック」が発生する場合がある(後述する図15の矢印を参照)。これは、ガス流路の内壁に応力が集中し易いことに起因する、と考えられる。   By the way, when the above-described fuel cell is operated under a severe environment in terms of thermal stress, a “crack toward the surface of the support substrate starting from the inner wall of the gas flow path of the support substrate” may occur ( (See the arrow in FIG. 15 described later). This is considered due to the fact that stress tends to concentrate on the inner wall of the gas flow path.

本発明者は、この問題に対処するため日々研究・実験を重ねた。その結果、本発明者は、上述したクラックを発生し難くするために有効な条件を見出した。   The present inventor conducted research and experiments every day in order to deal with this problem. As a result, the present inventor has found an effective condition for making the above-described crack difficult to occur.

以上より、本発明は、ガス流路が内部に形成された支持基板を有する燃料電池であって、「ガス流路の内壁を起点とする、支持基板の表面に向かうクラック」が発生し難いものを提供することを目的とする。   As described above, the present invention is a fuel cell having a support substrate in which a gas flow path is formed, and “a crack toward the surface of the support substrate starting from the inner wall of the gas flow path” is unlikely to occur. The purpose is to provide.

本発明に係る燃料電池は、上述と同じ支持基板と、上述と同じ発電素子部と、を備える前記支持基板は、平板状であっても、円筒状であってもよい。前記支持基板全体の気孔率は、15〜55%である。   In the fuel cell according to the present invention, the support substrate including the same support substrate as described above and the same power generation element unit as described above may be flat or cylindrical. The porosity of the entire support substrate is 15 to 55%.

本発明に係る燃料電池の特徴は、前記支持基板の内部の気孔として、20μm未満の気孔径を有する複数の第1気孔と、20μm以上の気孔径を有する1つ又は複数の第2気孔と、が存在し、前記支持基板における前記ガス流路の内壁からの距離が100μm以下の領域(流路近傍領域)における前記第1、第2気孔からなる全気孔の気孔率(Sa)が25〜50%であり、前記流路近傍領域における前記第2気孔の気孔率(Sb1)が6.5%以下である、ことにある。   The fuel cell according to the present invention is characterized in that, as the pores inside the support substrate, a plurality of first pores having a pore diameter of less than 20 μm, and one or a plurality of second pores having a pore diameter of 20 μm or more, And the porosity (Sa) of all the pores composed of the first and second pores in a region where the distance from the inner wall of the gas channel in the support substrate is 100 μm or less (region near the channel) is 25-50. And the porosity (Sb1) of the second pores in the vicinity of the flow path is 6.5% or less.

通常、多孔質の支持基板(焼成体)を作製するため、支持基板用の成形体(焼成前)に造孔材(粉体)を分散・混入する手法が採用される。焼成時、成形体の内部にて造孔材が焼失することによって、支持基板(焼成体)の内部に多数の気孔が形成される(即ち、支持基板が多孔質となる)。   Usually, in order to produce a porous support substrate (fired body), a method of dispersing and mixing a pore former (powder) in a support body molded body (before firing) is employed. At the time of firing, the pore former is burned away inside the molded body, whereby a large number of pores are formed inside the support substrate (fired body) (that is, the support substrate becomes porous).

通常、造孔材の粒径は数μmレベルである。従って、これら造孔材の粒子が凝集することなく成形体内に確実に分散した状態で成形体が焼成されると、支持基板の内部には前記第1気孔(径が20μm未満)のみが形成され得る。しかしながら、このように非常に小さい造孔材の粒子を凝集することなく成形体内に分散させることは、実際には非常に困難である。従って、造孔材の凝集に起因して、支持基板の内部には、第1気孔のみならず、前記第2気孔(径が20μm以上)も不可避的に形成される。このため、前記流路近傍領域の内部においても、第1気孔のみならず、第2気孔が存在し得る。   Usually, the particle diameter of the pore former is on the order of several μm. Therefore, when the molded body is fired in a state where the particles of the pore former are surely dispersed in the molded body without agglomeration, only the first pores (diameter of less than 20 μm) are formed inside the support substrate. obtain. However, it is actually very difficult to disperse particles of such a very small pore former in the molded body without agglomeration. Therefore, due to the aggregation of the pore former, not only the first pores but also the second pores (diameter of 20 μm or more) are inevitably formed in the support substrate. For this reason, not only the first pores but also the second pores may exist in the vicinity of the flow path.

本発明者は、上述したクラックの起点となる「ガス流路の内壁」に近い領域である前記流路近傍領域に着目した。そして、本発明者は、前記流路近傍領域について、「前記全気孔の気孔率(Sa)が25〜50%であり、且つ、前記第2気孔の気孔率(Sb1)が6.5%以下(或いは、0.025〜6.5%)」である場合に、そうでない場合と比べて、上述した燃料電池が熱応力的に過酷な環境下で稼働された場合にて、上述したクラックが発生し難いこと、を見出した(詳細は後述する)。   The inventor paid attention to the vicinity of the flow channel, which is a region close to the “inner wall of the gas flow channel”, which is the starting point of the crack. Then, the present inventor said that “the porosity (Sa) of all the pores is 25 to 50% and the porosity (Sb1) of the second pores is 6.5% or less with respect to the flow path vicinity region”. (Or 0.025 to 6.5%) ", the above-described cracking occurs when the above-described fuel cell is operated under a severe environment in terms of thermal stress as compared with the case where it is not. It was found that it is difficult to occur (details will be described later).

上記本発明に係る燃料電池において、前記流路近傍領域について、「前記ガス流路の内壁に露呈するように存在する前記第2気孔の気孔率(Sb2)が0.3%以下(或いは、0.001〜0.3%)」であることが好適である。   In the fuel cell according to the present invention, for the region near the flow path, “the porosity (Sb2) of the second pore existing so as to be exposed on the inner wall of the gas flow path is 0.3% or less (or 0 0.001 to 0.3%) ".

本発明者は、「前記全気孔の気孔率(Sa)が25〜50%であり、且つ、前記第2気孔の気孔率(Sb1)が6.5%以下(或いは、0.025〜6.5%)」である場合において、「前記ガス流路の内壁に露呈するように存在する前記第2気孔の気孔率(Sb2)が0.3%以下(或いは、0.001〜0.3%)」であると、上述したクラックがより一層発生し難くなる、ことをも見出した(詳細は後述する)。   The present inventor stated, “The porosity (Sa) of all the pores is 25 to 50%, and the porosity (Sb1) of the second pores is 6.5% or less (or 0.025 to 6.5. 5%) ", the porosity (Sb2) of the second pores present so as to be exposed on the inner wall of the gas flow path is 0.3% or less (or 0.001-0.3%). It has also been found that the above-mentioned cracks are more difficult to occur (details will be described later).

本発明の実施形態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 an embodiment of 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に示す支持基板の凹部に埋設された燃料極及びインターコネクタの状態を示した平面図である。It is the top view which showed the state of the fuel electrode and interconnector which were embed | buried under the recessed part of the support substrate shown in FIG. 図1に示す燃料電池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. 支持基板に発生し得るクラックの様子を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the mode of the crack which may generate | occur | produce in a support substrate. 支持基板における流路近傍領域にて、第2気孔が存在する様子を説明するための図である。It is a figure for demonstrating a mode that a 2nd pore exists in the flow path vicinity area | region in a support substrate. 支持基板における流路近傍領域を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the flow-path vicinity area | region in a support substrate. 本発明に係る燃料電池の他の変形例の図2に対応する図である。It is a figure corresponding to FIG. 2 of the other modification of the fuel cell which concerns on this invention. 本発明の他の実施形態に係る固体酸化物型燃料電池の破断斜視図である。FIG. 5 is a cutaway perspective view of a solid oxide fuel cell according to another embodiment of the present invention. 図19に示す燃料電池について、セルとセパレータとが交互に積層された様子を示した模式図である。It is the schematic diagram which showed a mode that the cell and the separator were laminated | stacked alternately about the fuel cell shown in FIG. 図19に示す燃料電池について、1つのセル及びその周囲を拡大して示した図である。It is the figure which expanded and showed one cell and its periphery about the fuel cell shown in FIG. 燃料極に発生し得るクラックの様子を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the mode of the crack which may generate | occur | produce in a fuel electrode. 燃料極にて、第2気孔が存在する様子を説明するための図である。It is a figure for demonstrating a mode that a 2nd pore exists in a fuel electrode. 燃料極における流路近傍領域を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the flow-path vicinity area | region in a fuel electrode.

(構成)
図1は、本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池(SOFC)の構造体を示す。このSOFC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 a structure of a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention. This SOFC is electrically connected in series to each of 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) (this example). In this case, the four power generation element portions A having the same shape are arranged at predetermined intervals in the longitudinal direction, so-called “horizontal stripe type”.

このSOFCの全体を上方からみた形状は、例えば、長手方向の辺の長さが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の全体の厚さは、1〜5mmである。このSOFCの全体は、厚さ方向の中心を通り且つ支持基板10の主面に平行な面に対して上下対称の形状を有する。以下、図1に加えて、このSOFCの図1に示す2−2線に対応する部分断面図である図2を参照しながら、このSOFCの詳細について説明する。図2は、代表的な1組の隣り合う発電素子部A,Aのそれぞれの構成(の一部)、並びに、発電素子部A,A間の構成を示す部分断面図である。その他の組の隣り合う発電素子部A,A間の構成も、図2に示す構成と同様である。   The shape of the entire SOFC 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 this SOFC is 1-5 mm. The entire SOFC has a vertically symmetrical shape with respect to a plane passing through the center in the thickness direction and parallel to the main surface of the support substrate 10. Hereinafter, in addition to FIG. 1, the details of the SOFC will be described with reference to FIG. 2, which is a partial cross-sectional view of the SOFC corresponding to line 2-2 shown in FIG. FIG. 2 is a partial cross-sectional view showing a configuration (part of) each of a typical pair of adjacent power generation element portions A and A and a configuration between the power generation element portions A and A. The configuration between the other power generation element portions A and A in other sets is the same as the configuration shown in FIG.

支持基板10は、電子伝導性を有さない多孔質の材料からなる平板状の焼成体である。後述する図6に示すように、支持基板10の内部には、長手方向に延びる複数(本例では、6本)の燃料ガス流路11(貫通孔)が幅方向において所定の間隔をおいて形成されている。本例では、支持基板10の上下面における複数の発電素子部Aに対応する位置に、凹部12がそれぞれ形成されている。各凹部12は、支持基板10の材料からなる底壁と、全周に亘って支持基板10の材料からなる周方向に閉じた側壁(長手方向に沿う2つの側壁と幅方向に沿う2つの側壁)と、で画定された直方体状の窪みである。各凹部12の長さ(x軸方向の寸法)は5〜50mmであり、幅(y軸方向の寸法)は2〜95mmであり、深さ(z軸方向の寸法)は0.03〜1.5mmである。   The support substrate 10 is a flat plate-like fired body made of a porous material having no electronic conductivity. As shown in FIG. 6 to be described later, a plurality of (six in this example) fuel gas passages 11 (through holes) extending in the longitudinal direction are provided in the support substrate 10 at predetermined intervals in the width direction. Is formed. In this example, the recesses 12 are respectively formed at positions corresponding to the plurality of power generation element portions A on the upper and lower surfaces of the support substrate 10. Each recess 12 has 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 (two side walls along the longitudinal direction and two side walls along the width direction). ) And a rectangular parallelepiped depression defined by Each recess 12 has a length (dimension in the x-axis direction) of 5 to 50 mm, a width (dimension in the y-axis direction) of 2 to 95 mm, and a depth (dimension in the z-axis direction) of 0.03 to 1. .5 mm.

支持基板10は、MgO(酸化マグネシウム)と、第1酸化物セラミックスと、を含んで構成される。なお、支持基板10が第1酸化物セラミックスを含んでいるのは、MgO単独の熱膨張係数(約14ppm/K)が、通常の電極材料の熱膨張係数(10〜13ppm/K)と比べて大きいことに起因して、支持基板10の等価熱膨張係数を通常の電極材料の熱膨張係数に近づけるため、である。従って、第1酸化物セラミックスとしては、熱膨張係数が通常の電極材料の熱膨張係数(10〜13ppm/K)と比べて小さいものが好適である。具体的には、「第1酸化物セラミックス」としては、Y(イットリア)、YSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)、CSZ(カルシア安定化ジルコニア)等が好適である。支持基板10は、「遷移金属酸化物又は遷移金属」を含んでいてもよい。「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 includes MgO (magnesium oxide) and a first oxide ceramic. The support substrate 10 contains the first oxide ceramic because the thermal expansion coefficient of MgO alone (about 14 ppm / K) is compared with the thermal expansion coefficient of normal electrode material (10-13 ppm / K). This is because the equivalent thermal expansion coefficient of the support substrate 10 is brought close to the thermal expansion coefficient of a normal electrode material due to the large size. Therefore, as the first oxide ceramic, those having a smaller thermal expansion coefficient than that of a normal electrode material (10 to 13 ppm / K) are preferable. Specifically, as the “first oxide ceramic”, Y 2 O 3 (yttria), YSZ (8YSZ) (yttria stabilized zirconia), CSZ (calcia stabilized zirconia) and the like are suitable. The support substrate 10 may contain “transition metal oxide or transition metal”. 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).

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が絶縁性の酸化物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, when the support substrate 10 contains insulating oxide ceramics, the insulation of the support substrate 10 can be ensured. 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全体の気孔率は15〜55%である。なお、気孔率の値は、後述する還元処理後の値である(他の気孔率の値についても同様)。なお、気孔率の測定は,樹脂埋めしたサンプル(還元処理後)の断面を研磨し、同断面についてのSEM(走査型電子顕微鏡)による画像(2次電子像)を解析することによって行われた。具体的には、「断面の総面積」に対する「断面上にて樹脂埋めされた領域に対応する部分の面積の総和」の割合が、その断面の「気孔率」であると定義された。SEMの加速電圧は5kV、SEMの倍率は5000倍、又は7500倍に設定された。気孔率の測定は、サンプルの任意の10箇所の断面について行われ、それらの平均値が気孔率の値として採用された。   The thickness of the support substrate 10 is 1 to 5 mm. The porosity of the entire support substrate 10 is 15 to 55%. In addition, the value of porosity is a value after the reduction process described later (the same applies to other porosity values). The porosity was measured by polishing the cross section of the resin-embedded sample (after the reduction treatment) and analyzing the image (secondary electron image) of the cross section by SEM (scanning electron microscope). . Specifically, the ratio of the “total area of portions corresponding to the resin-filled region on the cross section” to the “total area of the cross section” was defined as the “porosity” of the cross section. The acceleration voltage of SEM was set to 5 kV, and the magnification of SEM was set to 5000 times or 7500 times. The measurement of the porosity was performed on arbitrary 10 cross-sections of the sample, and the average value thereof was adopted as the porosity value.

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。   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.

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。   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の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 (fuel electrode current collector 21 + 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.

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が埋設(充填)されている。従って、各インターコネクタ30は直方体状を呈している。インターコネクタ30は、電子伝導性を有する緻密な材料からなる焼成体である。各インターコネクタ30の4つの側面と底面とは、凹部21b内で燃料極集電部21と接触している。   An interconnector 30 is embedded (filled) in each recess 21b. Accordingly, each interconnector 30 has a rectangular parallelepiped shape. The interconnector 30 is a fired body made of a dense material having electronic conductivity. The four side surfaces and the bottom surface of each interconnector 30 are in contact with the fuel electrode current collector 21 in the recess 21b.

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

燃料極集電部21は、NiO(酸化ニッケル)と、第2酸化物セラミックスと、を含んで構成される。なお、燃料極集電部21が第2酸化物セラミックスを含んでいるのは、NiO単独の熱膨張係数(約14ppm/K)が、通常の電極材料の熱膨張係数(10〜13ppm/K)と比べて大きいことに起因して、燃料極集電部21の等価熱膨張係数を通常の電極材料の熱膨張係数に近づけるため、である。従って、第2酸化物セラミックスとしては、熱膨張係数が通常の電極材料の熱膨張係数(10〜13ppm/K)と比べて小さいものが好適である。具体的には、「第2酸化物セラミックス」としては、Y(イットリア)、YSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)、CSZ(カルシア安定化ジルコニア)等が好適である。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15〜55%である。 The fuel electrode current collector 21 includes NiO (nickel oxide) and a second oxide ceramic. The anode current collector 21 contains the second oxide ceramic because the thermal expansion coefficient of NiO alone (about 14 ppm / K) is the thermal expansion coefficient of normal electrode materials (10-13 ppm / K). This is because the equivalent thermal expansion coefficient of the fuel electrode current collector 21 is brought close to the thermal expansion coefficient of a normal electrode material due to the fact that it is larger than. Therefore, as the second oxide ceramic, those having a smaller thermal expansion coefficient than that of a normal electrode material (10 to 13 ppm / K) are preferable. Specifically, as the “second oxide ceramic”, Y 2 O 3 (yttria), YSZ (8YSZ) (yttria stabilized zirconia), CSZ (calcia stabilized zirconia) and the like are suitable. The thickness of the fuel electrode current collector 21 (that is, the depth of the recess 12) is 50 to 500 μm. The porosity of the fuel electrode current collector 21 is 15 to 55%.

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。「電子伝導性を有する物質」としては、NiO(酸化ニッケル)が好適である。「酸素イオン伝導性を有する物質」としては、YSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)、GDC(ガドリニウムドープセリア)等が好適である。燃料極活性部22の厚さは、5〜30μmである。燃料極活性部22の気孔率は15〜55%である。   The anode active part 22 includes a substance having electron conductivity and a substance having oxygen ion conductivity. As the “substance having electron conductivity”, NiO (nickel oxide) is suitable. As the “substance having oxygen ion conductivity”, YSZ (8YSZ) (yttria stabilized zirconia), GDC (gadolinium doped ceria) and the like are suitable. The thickness of the fuel electrode active part 22 is 5 to 30 μm. The porosity of the anode active portion 22 is 15 to 55%.

なお、燃料極集電部21内、並びに、燃料極活性部22内のNiOは、後述する還元処理によってNiに変化して、電子伝導性を獲得する。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。   Note that NiO in the fuel electrode current collector 21 and in the fuel electrode active part 22 is changed to Ni by a reduction process, which will be described later, to acquire electron conductivity. The “volume ratio of the substance having oxygen ion conductivity with respect to the entire volume excluding the pore portion” in the anode active portion 22 is “having oxygen ion conductivity with respect to the entire volume excluding the pore portion” in the anode current collecting portion 21. It is larger than the “volume ratio of the substance”.

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

燃料極20及びインターコネクタ30がそれぞれの凹部12に埋設された状態の支持基板10における長手方向に延びる外周面において複数のインターコネクタ30が形成されたそれぞれの部分の長手方向中央部を除いた全面は、固体電解質膜40により覆われている。固体電解質膜40は、イオン伝導性を有する緻密な材料からなる焼成体である。固体電解質膜40は、例えば、YSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)から構成され得る。或いは、LSGM(ランタンガレート)から構成されてもよい。固体電解質膜40の厚さは、3〜50μmである。   The entire surface excluding the central portion in the longitudinal direction of each portion where the plurality of interconnectors 30 are formed on the outer peripheral surface extending in the longitudinal direction of the support substrate 10 in a state where the fuel electrode 20 and the interconnector 30 are embedded in the respective recesses 12. Is covered with a solid electrolyte membrane 40. The solid electrolyte membrane 40 is a fired body made of a dense material having 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.

即ち、燃料極20がそれぞれの凹部12に埋設された状態の支持基板10における長手方向に延びる外周面の全面は、インターコネクタ30と固体電解質膜40とからなる緻密層により覆われている。この緻密層は、緻密層の内側の空間を流れる燃料ガスと緻密層の外側の空間を流れる空気との混合を防止するガスシール機能を発揮する。なお、本願において「緻密」とは、「ガスが通過しない程度に高密度であること」を指し、具体的には、「気孔率が10%以下であること」を指す。   That is, the entire outer peripheral surface extending in the longitudinal direction of the support substrate 10 in a state where the fuel electrode 20 is embedded in each recess 12 is covered with a dense layer composed of the interconnector 30 and the solid electrolyte membrane 40. This dense layer exhibits a gas sealing function that prevents mixing of the fuel gas flowing in the space inside the dense layer and the air flowing in the space outside the dense layer. In the present application, “dense” means “high density so that gas does not pass”, and specifically means “porosity is 10% or less”.

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

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

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

なお、反応防止膜50が介装されるのは、SOFC作製時又は作動中のSOFC内において固体電解質膜40内のYSZと空気極60内のSrとが反応して固体電解質膜40と空気極60との境界部分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 in order to suppress the occurrence of a phenomenon in which a reaction layer having a large electric resistance is formed at the boundary portion with 60.

ここで、燃料極20と、固体電解質膜40と、反応防止膜50と、空気極60とが積層されてなる積層体が、「発電素子部A」に対応する(図2を参照)。即ち、支持基板10の上面には、複数(本例では、4つ)の発電素子部Aが、長手方向において所定の間隔をおいて配置されている。   Here, the laminated body formed by laminating the fuel electrode 20, the solid electrolyte membrane 40, the reaction preventing membrane 50, and the air electrode 60 corresponds to the “power generation element portion A” (see FIG. 2). In other words, a plurality (four in this example) of power generating element portions A are arranged on the upper surface of the support substrate 10 at a predetermined interval in the longitudinal direction.

各組の隣り合う発電素子部A,Aについて、一方の(図2では、左側の)発電素子部Aの空気極60と、他方の(図2では、右側の)発電素子部Aのインターコネクタ30とを跨ぐように、空気極60、固体電解質膜40、及び、インターコネクタ30の上面に、空気極集電膜70が形成されている。空気極集電膜70は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。空気極集電膜70を上方からみた形状は、長方形である。   For each pair of adjacent power generation element portions A and A, the air electrode 60 of one power generation element portion A (on the left side in FIG. 2) and the interconnector of the other power generation element portion A (on the right side in FIG. 2). The air electrode current collecting film 70 is formed on the upper surfaces of the air electrode 60, the solid electrolyte film 40, and the interconnector 30. The air electrode current collector film 70 is a fired body made of a porous material having electron conductivity. The shape of the air electrode current collector film 70 as viewed from above is a rectangle.

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

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

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

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

発電状態においては、図5に示すように、各組の隣り合う発電素子部A,Aについて、電流が、矢印で示すように流れる。この結果、図4に示すように、このSOFC全体から(具体的には、図4において最も手前側の発電素子部Aのインターコネクタ30と最も奥側の発電素子部Aの空気極60とを介して)電力が取り出される。   In the power generation state, as shown in FIG. 5, a current flows as indicated by an arrow in each pair of adjacent power generation element portions A and A. As a result, as shown in FIG. 4, from this entire SOFC (specifically, the interconnector 30 of the power generating element part A on the frontmost side in FIG. 4 and the air electrode 60 of the power generating element part A on the innermost side in FIG. Power).

(製造方法)
次に、図1に示した「横縞型」のSOFCの製造方法の一例について図6〜図15を参照しながら簡単に説明する。図6〜図15において、各部材の符号の末尾の「g」は、その部材が「焼成前」であることを表す。
(Production method)
Next, an example of a method for manufacturing the “horizontal stripe type” SOFC shown in FIG. 1 will be briefly described with reference to FIGS. 6 to 15, “g” at the end of the reference numeral of each member indicates that the member is “before firing”.

先ず、図6に示す形状を有する支持基板の成形体10gが作製される。この支持基板の成形体10gは、例えば、支持基板10の材料(例えば、MgOとY)の粉末にバインダー、造孔材、分散材等が添加されて得られるスラリーを用いて、押し出し成形、切削等の手法を利用して作製され得る。以下、図6に示す7−7線に対応する部分断面を表す図7〜図15を参照しながら説明を続ける。 First, a support substrate molded body 10g having the shape shown in FIG. 6 is produced. The support substrate molded body 10g is extruded using, for example, a slurry obtained by adding a binder, a pore former, a dispersing agent, or the like to the powder of the material of the support substrate 10 (for example, MgO and Y 2 O 3 ). It can be produced using techniques such as molding and cutting. Hereinafter, the description will be continued with reference to FIGS. 7 to 15 showing partial cross sections corresponding to the line 7-7 shown in FIG.

図7に示すように、支持基板の成形体10gが作製されると、次に、図8に示すように、支持基板の成形体10gの上下面に形成された各凹部12に、燃料極集電部の成形体21gがそれぞれ埋設・形成される。次いで、図9に示すように、各燃料極集電部の成形体21gの外側面に形成された各凹部に、燃料極活性部の成形体22gがそれぞれ埋設・形成される。各燃料極集電部の成形体21g、及び各燃料極活性部22gは、例えば、燃料極20の材料(例えば、NiとY)の粉末にバインダー、造孔材、分散材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. 7, when the support substrate molded body 10g is manufactured, next, as shown in FIG. 8, in each recess 12 formed on the upper and lower surfaces of the support substrate molded body 10g, the fuel electrode assembly is formed. The molded part 21g of the electric part is embedded and formed respectively. Next, as shown in FIG. 9, a molded body 22g of the fuel electrode active portion is embedded and formed in each recess formed in the outer surface of the molded body 21g of each fuel electrode current collector. The molded body 21g of each fuel electrode current collector and each fuel electrode active part 22g are made of, for example, a powder of the material of the fuel electrode 20 (for example, Ni and Y 2 O 3 ) with a binder, a pore former, a dispersing material, and the like. Using the slurry obtained by addition, it is embedded and formed using a printing method or the like.

続いて、図10に示すように、各燃料極集電部の成形体21gの外側面における「燃料極活性部の成形体22gが埋設された部分を除いた部分」に形成された各凹部に、インターコネクタの成形体30gがそれぞれ埋設・形成される。各インターコネクタの成形体30gは、例えば、インターコネクタ30の材料(例えば、LaCrO)の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して埋設・形成される。 Subsequently, as shown in FIG. 10, in each concave portion formed in “the portion excluding the portion where the molded body 22 g of the fuel electrode active portion is embedded” on the outer surface of the molded body 21 g of each fuel electrode current collector. The interconnector molded bodies 30g are respectively embedded and formed. The molded body 30g of each interconnector is embedded and formed by using a slurry obtained by adding a binder or the like to the material of the interconnector 30 (for example, LaCrO 3 ), using a printing method or the like. .

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

次に、図12に示すように、固体電解質膜の成形体40gにおける各燃料極の成形体22gと接している箇所の外側面に、反応防止膜の成形膜50gが形成される。各反応防止膜の成形膜50gは、例えば、反応防止膜50の材料(例えば、GDC)の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して形成される。   Next, as shown in FIG. 12, a reaction prevention film molding film 50g is formed on the outer surface of the solid electrolyte membrane molding body 40g in contact with the fuel electrode molding body 22g. The molded film 50g of each reaction preventing film is formed using a slurry obtained by adding a binder or the like to the powder of the material (for example, GDC) of the reaction preventing film 50, using a printing method or the like.

そして、このように種々の成形膜が形成された状態の支持基板の成形体10gが、空気中にて1500℃で3時間焼成される。これにより、図1に示したSOFCにおいて空気極60及び空気極集電膜70が形成されていない状態の構造体が得られる。   Then, 10 g of the support substrate molded body in which various molded films are thus formed is fired in air at 1500 ° C. for 3 hours. As a result, a structure in which the air electrode 60 and the air electrode current collector film 70 are not formed in the SOFC shown in FIG. 1 is obtained.

次に、図13に示すように、各反応防止膜50の外側面に、空気極の成形膜60gが形成される。各空気極の成形膜60gは、例えば、空気極60の材料(例えば、LSCF)の粉末にバインダー、造孔材、分散材等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して形成される。   Next, as shown in FIG. 13, an air electrode forming film 60 g is formed on the outer surface of each reaction preventing film 50. The forming film 60g of each air electrode uses, for example, a printing method or the like using a slurry obtained by adding a binder, a pore former, a dispersing material, or the like to the powder of the material of the air electrode 60 (for example, LSCF). Formed.

次に、図14に示すように、各組の隣り合う発電素子部について、一方の発電素子部の空気極の成形膜60gと、他方の発電素子部のインターコネクタ30とを跨ぐように、空気極の成形膜60g、固体電解質膜40、及び、インターコネクタ30の外側面に、空気極集電膜の成形膜70gが形成される。各空気極集電膜の成形膜70gは、例えば、空気極集電膜70の材料(例えば、LSCF)の粉末にバインダー、造孔材、分散材等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して形成される。   Next, as shown in FIG. 14, for each pair of adjacent power generation element portions, air is formed so as to straddle the air electrode molding film 60 g of one power generation element portion and the interconnector 30 of the other power generation element portion. On the outer surface of the electrode forming film 60 g, the solid electrolyte film 40, and the interconnector 30, the air electrode current collecting film forming film 70 g is formed. The forming film 70g of each air electrode current collector film is, for example, using a slurry obtained by adding a binder, a pore former, a dispersing material, etc. to the powder of the material of the air electrode current collector film 70 (for example, LSCF), It is formed using a printing method or the like.

そして、このように成形膜60g、70gが形成された状態の支持基板10が、空気中にて1050℃で3時間焼成される。これにより、図1に示したSOFCが得られる。なお、この時点では、酸素含有雰囲気での焼成により、燃料極20(集電部21+活性部22)中のNi成分が、NiOとなっている。従って、燃料極20(集電部21+活性部22)の電子伝導性を獲得するため、その後、支持基板10側から還元性の燃料ガスが流され、NiOが800〜1000℃で1〜10時間に亘って還元処理される。なお、この還元処理は発電時に行われてもよい。以上、図1に示したSOFCの製造方法の一例について説明した。   Then, the support substrate 10 in which the molded films 60g and 70g are thus formed is baked in air at 1050 ° C. for 3 hours. Thereby, the SOFC shown in FIG. 1 is obtained. At this point, the Ni component in the fuel electrode 20 (current collector 21 + active portion 22) is NiO due to firing in an oxygen-containing atmosphere. Therefore, in order to acquire the electron conductivity of the fuel electrode 20 (current collector 21 + active part 22), a reducing fuel gas is then flowed from the support substrate 10 side, and NiO is heated at 800 to 1000 ° C. for 1 to 10 hours. The reduction treatment is performed over a period of time. This reduction process may be performed during power generation. In the above, an example of the manufacturing method of SOFC shown in FIG. 1 was demonstrated.

(クラックの発生の防止)
上記実施形態に係るSOFCが、通常の環境下とは異なり、熱応力的に過酷な環境下で稼働されると、図15に示すような「支持基板10のガス流路11の内壁を起点とする、支持基板10の主面に向かうクラック」が発生する場合がある(図15の矢印を参照)。この現象は、ガス流路11の内壁に応力が集中し易いことに起因する、と考えられる。係るクラックが発生する可能性を低減することは重要である。
(Preventing cracks)
When the SOFC according to the above embodiment is operated under a severe thermal stress environment unlike a normal environment, as shown in FIG. 15, “the inner wall of the gas flow path 11 of the support substrate 10 is a starting point. May occur ”(see the arrow in FIG. 15). This phenomenon is considered to be caused by the fact that stress tends to concentrate on the inner wall of the gas flow path 11. It is important to reduce the possibility of such cracks.

以下、支持基板10の内部に形成される気孔について、20μm未満の気孔径を有する気孔を「第1気孔」と呼び、20μm以上の気孔径を有する気孔を「第2気孔」と呼ぶ。なお、或る断面上に存在する気孔の径とは、「その断面上にてその気孔が占める面積と同じ面積を有する等価円の直径」と定義される。   Hereinafter, with respect to the pores formed in the support substrate 10, pores having a pore diameter of less than 20 μm are referred to as “first pores”, and pores having a pore diameter of 20 μm or more are referred to as “second pores”. The diameter of pores existing on a certain cross section is defined as “the diameter of an equivalent circle having the same area as the area occupied by the pores on the cross section”.

上記実施形態の製造過程では、多孔質の支持基板10(焼成体)を作製するため、支持基板の成形体10g(焼成前)に造孔材(粉体)が分散・混入される。混入される造孔材の粒径は数μmレベルである。従って、これら造孔材の粒子が凝集することなく成形体10g内に確実に分散した状態で成形体10gが焼成されると、支持基板10(焼成体)の内部には、「第1気孔」(径が20μm未満)のみが形成され得る。しかしながら、このように非常に小さい造孔材の粒子を凝集することなく成形体10g内に分散させることは、実際には非常に困難である。   In the manufacturing process of the above-described embodiment, in order to produce the porous support substrate 10 (fired body), the pore former (powder) is dispersed and mixed in the support substrate molded body 10g (before firing). The particle diameter of the pore former to be mixed is on the order of several μm. Therefore, when the molded body 10g is baked in a state where the particles of the pore former are surely dispersed in the molded body 10g without agglomerating, the “first pores” are formed inside the support substrate 10 (baked body). Only (diameter less than 20 μm) can be formed. However, it is actually very difficult to disperse particles of such a very small pore former in the molded body 10g without agglomerating.

従って、上記実施形態では、造孔材の凝集に起因して、支持基板10の内部には、第1気孔のみならず、「第2気孔」(径が20μm以上)も不可避的に形成される(図16を参照)。なお、図16では、第2気孔のみが示され、(第2気孔より小さい)第1気孔は示されていない。第2気孔の最大径は200μmであった。また、支持基板10内の全体において、第1、第2気孔は、それぞれ、概ね均一に分布している。   Therefore, in the above embodiment, due to the aggregation of the pore former, not only the first pores but also the “second pores” (diameter of 20 μm or more) are inevitably formed in the support substrate 10. (See FIG. 16). In FIG. 16, only the second pores are shown, and the first pores (smaller than the second pores) are not shown. The maximum diameter of the second pores was 200 μm. In addition, the first and second pores are distributed substantially uniformly throughout the support substrate 10.

本発明者は、上述したクラックの起点となる「ガス流路11の内壁」に近い領域である「流路近傍領域」に着目した。図17に示すように、「流路近傍領域」とは、「支持基板10におけるガス流路11の内壁からの距離が100μm以下の領域」を指す(図17にて微細なドットで示した領域を参照)。即ち、上記実施形態では、各「流路近傍領域」は、肉厚が100μmの円筒状の領域に対応する。この流路近傍領域の内部においても、第1気孔と、第2気孔とが存在し得る。   The inventor of the present invention paid attention to a “channel vicinity region” that is a region close to the “inner wall of the gas flow channel 11” that is the starting point of the crack. As shown in FIG. 17, the “region near the flow path” refers to a “area where the distance from the inner wall of the gas flow path 11 in the support substrate 10 is 100 μm or less” (area indicated by fine dots in FIG. 17). See). That is, in the above-described embodiment, each “channel vicinity region” corresponds to a cylindrical region having a thickness of 100 μm. The first pores and the second pores can also exist in the vicinity of the flow path.

以下、図16に示すように、「流路近傍領域に存在する第2気孔」のうち、「ガス流路11の内壁に露呈するように存在する第2気孔」を、特に「表面第2気孔」と呼び、「ガス流路11の内壁に露呈しないように存在する第2気孔」を、特に「内部第2気孔」と呼ぶ。「表面第2気孔」と「内部第2気孔」とを合わせて、「全体第2気孔」とも呼ぶ。また、「流路近傍領域に存在する第1気孔」と「流路近傍領域に存在する第2気孔」とを合わせて、「全気孔」とも呼ぶ。   Hereinafter, as shown in FIG. 16, among “second pores existing in the vicinity of the flow channel”, “second pores present so as to be exposed on the inner wall of the gas flow channel 11”, particularly “surface second pores”. The “second pores existing so as not to be exposed on the inner wall of the gas flow path 11” are particularly called “internal second pores”. The “surface second pores” and the “internal second pores” are also collectively referred to as “total second pores”. The “first pores existing in the vicinity of the flow path” and the “second pores existing in the vicinity of the flow path” are collectively referred to as “all pores”.

流路近傍領域における全気孔の気孔率(流路近傍領域の総体積に対する、全気孔の総体積の割合)を、「全気孔の気孔率Sa」と呼び、流路近傍領域における全体第2気孔の気孔率(流路近傍領域の総体積に対する、全体第2気孔の総体積の割合)を、「全体第2気孔の気孔率Sb1」と呼ぶ。   The porosity of all pores in the region near the flow path (ratio of the total volume of all pores to the total volume in the region near the flow path) is referred to as “the porosity Sa of all pores”, and the entire second pore in the region near the flow path The porosity (the ratio of the total volume of the entire second pores to the total volume in the vicinity of the flow path) is referred to as “the porosity Sb1 of the entire second pores”.

「全気孔の気孔率Sa」は、「流路近傍領域の断面の総面積」に対する「流路近傍領域の断面に存在する全気孔が占める面積の総和」の割合とも定義され得る。「全体第2気孔の気孔率Sb1」は、「流路近傍領域の断面の総面積」に対する「流路近傍領域の断面に存在する全体第2気孔が占める面積の総和」の割合とも定義され得る。ここで、「断面」とは、y−z平面(支持基板10の長手方向に垂直な平面)に沿う断面を指す(図17を参照)。   The “porosity Sa of all pores” can also be defined as the ratio of the “total area occupied by all pores existing in the cross section of the channel vicinity region” to the “total area of the cross section of the channel vicinity region”. “The porosity Sb1 of the entire second pores” can also be defined as the ratio of “the total area occupied by the entire second pores existing in the cross section of the channel vicinity region” to “the total area of the cross section of the channel vicinity region”. . Here, the “cross section” refers to a cross section along the yz plane (a plane perpendicular to the longitudinal direction of the support substrate 10) (see FIG. 17).

本発明者は、上記実施形態に係るSOFCが熱応力的に過酷な環境下で稼働される場合における上述したクラックの発生の有無が、「全気孔の気孔率Sa」、及び、「全体第2気孔の気孔率Sb1」と強い相関があることを見出した。以下、これらのことを確認した試験Aについて説明する。   The present inventor confirmed that the occurrence of the above-described cracks when the SOFC according to the above embodiment is operated under a severe environment due to thermal stress is “porosity Sa of all pores” and “total second It was found that there is a strong correlation with the porosity Sb1 of the pores. Hereinafter, test A in which these are confirmed will be described.

(試験A)
この試験Aでは、図1に示したSOFCについて、「全気孔の気孔率Sa(%)」及び「全体第2気孔の気孔率Sb1(%)」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、11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 A)
In this test A, for the SOFC shown in FIG. 1, a plurality of samples having different “porosity Sa (%) of all pores” and “porosity Sb1 (%) of all second pores” were produced. Specifically, as shown in Table 1, eleven kinds of levels (combinations) were prepared. Ten samples (N = 10) were made for each level.

Figure 0005732180
Figure 0005732180

各サンプル(図1に示すSOFC)にて、支持基板10は、長手方向(x軸方向)の長さが50〜500mmで、幅方向(y軸方向)の長さが10〜100mmで、厚さが1〜5mmの平板状を呈していた。支持基板10のガス流路11(具体的には、6本)の断面は円形であり、その直径は0.3〜4.5mmであった。支持基板10は、MgO及びY、MgO及びYSZ、又は、MgO及びCSZ等によって構成された。支持基板10について、全気孔の気孔率Saの調整は、支持基板の成形体10g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。全体第2気孔の気孔率Sb1の調整は、前記スラリーに含まれる分散材の量を調整することによってなされた。一般に、上述した「造孔材の凝集」の発生頻度は、分散材の量に依存する。従って、分散材の量を調整することによって、「造孔材の粒子の凝集」の発生頻度(即ち、第2気孔の発生頻度、ひいては、全体第2気孔の気孔率Sb1)を調整することができる。 In each sample (SOFC shown in FIG. 1), the support substrate 10 has a length in the longitudinal direction (x-axis direction) of 50 to 500 mm, a length in the width direction (y-axis direction) of 10 to 100 mm, and a thickness. A flat plate shape with a length of 1 to 5 mm was exhibited. The cross section of the gas flow path 11 (specifically, six) of the support substrate 10 was circular, and the diameter was 0.3-4.5 mm. The support substrate 10 was made of MgO and Y 2 O 3 , MgO and YSZ, or MgO and CSZ. Regarding the support substrate 10, the porosity Sa of all the pores was adjusted by adjusting the amount and diameter of the pore former contained in the slurry used for producing the molded body 10 g of the support substrate. The porosity Sb1 of the entire second pores was adjusted by adjusting the amount of the dispersing material contained in the slurry. In general, the frequency of occurrence of the above-mentioned “aggregation of pore former” depends on the amount of the dispersing material. Therefore, by adjusting the amount of the dispersing material, the frequency of occurrence of “aggregation of pore forming material particles” (that is, the frequency of occurrence of the second pores, and hence the porosity Sb1 of the entire second pores) can be adjusted. it can.

支持基板10全体の気孔率は15〜55%であった。第2気孔の気孔径は、20〜200μmの範囲内であった。支持基板10の焼成は、1400〜1500℃にて、1〜20時間に亘って行われた。各サンプルに対して施された上記還元処理は、800〜1000℃にて、1〜10時間に亘って行われた。   The porosity of the entire support substrate 10 was 15 to 55%. The pore diameter of the second pore was in the range of 20 to 200 μm. Firing of the support substrate 10 was performed at 1400 to 1500 ° C. for 1 to 20 hours. The said reduction process performed with respect to each sample was performed over 1-10 hours at 800-1000 degreeC.

各サンプルについて、「全気孔の気孔率Sa」及び「全体第2気孔の気孔率Sb1」の測定は、支持基板10の(x軸方向における)任意の10箇所の「断面」について行われ、それらの平均値が「全気孔の気孔率Sa」及び「全体第2気孔の気孔率Sb1」としてそれぞれ採用された。表1に記載された各水準についての「全気孔の気孔率Sa」及び「全体第2気孔の気孔率Sb1」の値(%)は、N=10の平均値である。   For each sample, the “porosity Sa of all pores” and the “porosity Sb1 of the entire second pore” are measured on arbitrary “cross-sections” (in the x-axis direction) of the support substrate 10. Were adopted as “the porosity Sa of all the pores” and “the porosity Sb1 of the entire second pore”, respectively. The values (%) of “porosity Sa of all pores” and “porosity Sb1 of whole second pores” for each level described in Table 1 are average values of N = 10.

この試験Aでは、上記還元処理後の各サンプルについて、「燃料極20に還元性の燃料ガスを流通させながら、雰囲気温度を常温から750℃まで2時間で上げた後に750℃から常温まで4時間で下げるパターン」を10回繰り返す熱サイクル試験を行った。そして、各サンプルについて、「支持基板10のガス流路11の内壁を起点とする、支持基板10の主面に向かうクラック」の発生の有無が確認された。この確認は、目視、並びに、顕微鏡を使用した断面の観察によってなされた。この結果は表1に示すとおりである。   In this test A, for each sample after the above reduction treatment, “the ambient temperature was raised from room temperature to 750 ° C. over 2 hours while reducing fuel gas was circulated through the fuel electrode 20 and then from 750 ° C. to room temperature for 4 hours. The thermal cycle test was repeated 10 times. And about each sample, the presence or absence of generation | occurrence | production of "the crack which goes to the main surface of the support substrate 10 from the inner wall of the gas flow path 11 of the support substrate 10" was confirmed. This confirmation was made by visual observation and observation of a cross section using a microscope. The results are as shown in Table 1.

表1から理解できるように、「全気孔の気孔率Saが25〜50%であり、且つ、全体第2気孔の気孔率Sb1が6.5%以下」であると、そうでない場合と比べて、上述したクラックが発生し難い。これは、流路近傍領域内にて存在する第2気孔(即ち、比較的大きい気孔)の数が多過ぎると、何等かの理由によってガス流路11の内壁に応力が集中し易くなること、に起因する、と考えられる。   As can be understood from Table 1, when “the porosity Sa of all the pores is 25 to 50% and the porosity Sb1 of the entire second pores is 6.5% or less”, compared to the case where it is not so The cracks described above are unlikely to occur. This is because if there are too many second pores (that is, relatively large pores) in the vicinity of the flow path, the stress tends to concentrate on the inner wall of the gas flow path 11 for some reason, It is thought to be caused by

なお、表1から理解できるように、「全体第2気孔の気孔率Sb1」が0.025%より小さいサンプルを作製することはできなかった。これは、上述した「造孔材の凝集」の発生頻度の低減について限度があることに関連する、と考えられる。   As can be understood from Table 1, a sample having a “total porosity Sb1 of the second pore” smaller than 0.025% could not be produced. This is considered to be related to the limitation on the frequency of occurrence of the above-mentioned “aggregation of pore former”.

以上より、「全気孔の気孔率Saが25〜50%であり、且つ、全体第2気孔の気孔率Sb1が6.5%以下(或いは、0.025〜6.5%)」である場合に、そうでない場合と比べて、上述したSOFCが熱応力的に過酷な環境下で稼働された場合においても、上述したクラックが発生し難くなる、ということができる。   As described above, when “the porosity Sa of all the pores is 25 to 50% and the porosity Sb1 of the entire second pores is 6.5% or less (or 0.025 to 6.5%)”. In addition, it can be said that the above-described cracks are less likely to occur even when the above-described SOFC is operated under a severe environment in terms of thermal stress as compared to the case where this is not the case.

ところで、本発明者は、更に、上述したクラックの起点となる「ガス流路11の内壁」そのものに露呈する上記「表面第2気孔」(図16を参照)にも着目した。ここで、流路近傍領域における表面第2気孔の気孔率(流路近傍領域の総体積に対する、表面第2気孔の総体積の割合)を、「表面第2気孔の気孔率Sb2」と呼ぶ。「表面第2気孔の気孔率Sb2」は、「流路近傍領域の断面の総面積」に対する「流路近傍領域の断面に存在する表面第2気孔が占める面積の総和」の割合とも定義され得る。ここで、「断面」とは、「全気孔の気孔率Sa」及び「全体第2気孔の気孔率Sb1」と同様、y−z平面(支持基板10の長手方向に垂直な平面)に沿う断面を指す(図17を参照)。   By the way, the present inventor further paid attention to the “second surface pores” (see FIG. 16) exposed on the “inner wall of the gas flow path 11” itself, which is the starting point of the crack. Here, the porosity of the surface second pores in the region near the flow path (the ratio of the total volume of the surface second pores to the total volume of the region near the flow path) is referred to as “the porosity Sb2 of the surface second pores”. “The porosity Sb2 of the surface second pores” can also be defined as the ratio of “the total area occupied by the surface second pores existing in the cross section of the channel vicinity region” to “the total area of the cross section of the channel vicinity region”. . Here, “cross section” refers to a cross section along the yz plane (a plane perpendicular to the longitudinal direction of the support substrate 10), as in “porosity Sa of all pores” and “porosity Sb1 of all second pores”. (See FIG. 17).

本発明者は、「全気孔の気孔率Saが25〜50%であり、且つ、全体第2気孔の気孔率Sb1が6.5%以下(或いは、0.025〜6.5%)」である場合において、「表面第2気孔の気孔率Sb2」が0.3%以下(或いは、0.001〜0.3%)」であると、上述したクラックがより一層発生し難くなる、ことをも見出した。以下、このことを確認した試験Bについて説明する。   The present inventor stated that “the porosity Sa of all pores is 25 to 50% and the porosity Sb1 of the entire second pores is 6.5% or less (or 0.025 to 6.5%)”. In some cases, when the “porosity Sb2 of the surface second pores” is 0.3% or less (or 0.001 to 0.3%), the above-described cracks are less likely to occur. I also found. Hereinafter, test B in which this has been confirmed will be described.

(試験B)
試験Bでは、図1に示したSOFCについて、「全気孔の気孔率Sa(%)」、「全体第2気孔の気孔率Sb1(%)」、及び「表面第2気孔の気孔率Sb2(%)」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、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。
(Test B)
In the test B, for the SOFC shown in FIG. 1, “the porosity Sa (%) of all pores”, “the porosity Sb1 (%) of the entire second pores”, and “the porosity Sb2 (% of the surface second pores) Samples with different ")" were produced. Specifically, as shown in Table 2, eight levels (combinations) were prepared. Ten samples (N = 10) were made for each level.

各サンプルについて、全気孔の気孔率Saは25〜50%の範囲内に調整され、且つ、全体第2気孔の気孔率Sb1は6.5%以下(或いは、0.025〜6.5%)の範囲内に調整された。各サンプルについて、表2に示した項目以外の各部材の寸法、材質、製造過程等は、試験Aのものと同様である。表面第2気孔の気孔率Sb2の調整は、ガス流路11の内壁にコーティングされた支持基板10と同じ材料からなる薄膜(焼成膜)の気孔率を調整することによってなされた。この薄膜(コーティング膜)は、支持基板10と共焼成された。   For each sample, the porosity Sa of all the pores is adjusted within a range of 25 to 50%, and the porosity Sb1 of the entire second pores is 6.5% or less (or 0.025 to 6.5%). Adjusted to within the range. About each sample, the dimension of each member other than the item shown in Table 2, a material, a manufacturing process, etc. are the same as that of the test A. The porosity Sb2 of the surface second pores was adjusted by adjusting the porosity of a thin film (fired film) made of the same material as that of the support substrate 10 coated on the inner wall of the gas flow path 11. This thin film (coating film) was co-fired with the support substrate 10.

Figure 0005732180
Figure 0005732180

この試験Bでは、試験Aで実行された熱サイクル試験より熱応力的に過酷な熱サイクル試験、即ち、「燃料極20に還元性の燃料ガスを流通させながら、雰囲気温度を常温から750℃まで1時間で上げた後に750℃から常温まで2時間で下げるパターン」を20回繰り返す熱サイクル試験を行った。そして、各サンプルについて、上述したクラックの発生の有無が確認された。この結果は表2に示すとおりである。   In this test B, the thermal cycle test is more severe in terms of thermal stress than the thermal cycle test performed in test A, that is, “the ambient temperature is changed from room temperature to 750 ° C. while reducing fuel gas is circulated through the fuel electrode 20. A heat cycle test was repeated 20 times, in which the pattern was raised from 750 ° C. to room temperature in 2 hours after being raised in 1 hour. And about each sample, the presence or absence of the generation | occurrence | production of the crack mentioned above was confirmed. The results are as shown in Table 2.

表2から理解できるように、「表面第2気孔の気孔率Sb2」が0.3%より大きいと、上述したクラックが発生し易い。これは、ガス流路11の内壁に露呈する表面第2気孔の数が多すぎると、何等かの理由によってガス流路11の内壁に応力が集中し易くなること、に起因する、と考えられる。   As can be understood from Table 2, when “the porosity Sb2 of the surface second pores” is larger than 0.3%, the above-described cracks are likely to occur. This is considered to be caused by the fact that if the number of surface second pores exposed on the inner wall of the gas flow path 11 is too large, the stress tends to concentrate on the inner wall of the gas flow path 11 for some reason. .

なお、表2から理解できるように、「表面第2気孔の気孔率Sb2」が0.001%より小さいサンプルを作製することはできなかった。これは、上述した「造孔材の凝集」の発生頻度の低減について限度があることに関連する、と考えられる。   As can be understood from Table 2, a sample having a “porosity Sb2 of the surface second pores” of less than 0.001% could not be produced. This is considered to be related to the limitation on the frequency of occurrence of the above-mentioned “aggregation of pore former”.

以上、表1、及び表2の結果より、支持基板10の気孔率が15〜55%であり、且つ、「全気孔の気孔率Saが25〜50%であり、且つ、全体第2気孔の気孔率Sb1が6.5%以下(或いは、0.025〜6.5%)」である場合に上述したクラックが発生し難くなり、更に、この場合において、「表面第2気孔の気孔率Sb2が0.3%以下(或いは、0.001〜0.3%)」であると、上述したクラックがより一層発生し難くなる、ということができる。   As described above, from the results of Table 1 and Table 2, the porosity of the support substrate 10 is 15 to 55%, and “the porosity Sa of all the pores is 25 to 50%, and the entire second porosity is When the porosity Sb1 is 6.5% or less (or 0.025 to 6.5%), the above-described cracks are difficult to occur, and in this case, “the porosity Sb2 of the surface second porosity” Is 0.3% or less (or 0.001 to 0.3%) ", it can be said that the above-described cracks are more difficult to occur.

なお、本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記実施形態では、図6等に示すように、支持基板10に形成された凹部12の平面形状(支持基板10の主面に垂直の方向からみた場合の形状)が、長方形になっているが、例えば、正方形、円形、楕円形、長穴形状等であってもよい。また、支持基板10は平板状を呈しているが、円筒状であってもよい。   In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various modification can be employ | adopted within the scope of the present invention. For example, in the above embodiment, as shown in FIG. 6 and the like, the planar shape of the recess 12 formed in the support substrate 10 (the shape when viewed from the direction perpendicular to the main surface of the support substrate 10) is a rectangle. However, it may be, for example, a square, a circle, an ellipse, or a long hole shape. Further, the support substrate 10 has a flat plate shape, but may have a cylindrical shape.

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、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、上記実施形態においては、支持基板10の一つの主面上に、電気的に直列に接続された複数の発電素子部Aが配置された所謂「横縞型」と呼ばれる構成が採用されているが、支持基板10の一つの主面上に一つの発電素子部Aが配置される構成(所謂「縦縞型」)が採用されてもよい。   Further, 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 generation element portions A are provided, but a plurality of recesses 12 are provided only on one side of the support substrate 10. , And a plurality of power generating element portions A may be provided. Further, in the above-described embodiment, a so-called “horizontal stripe type” configuration in which a plurality of power generation element portions A electrically connected in series is disposed on one main surface of the support substrate 10 is employed. However, a configuration in which one power generation element portion A is disposed on one main surface of the support substrate 10 (so-called “vertical stripe type”) may be employed.

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(Ni+酸化物セラミックス)で構成されてもよい。   Further, in the above-described embodiment, the fuel electrode 20 is composed of two layers of the fuel electrode current collector 21 and the fuel electrode active unit 22, but the fuel electrode 20 is one layer corresponding to the fuel electrode active unit 22 ( (Ni + oxide ceramics).

加えて、上記実施形態においては、各燃料極20(集電部21及び活性部22)が支持基板の主面に形成された凹部12に埋設されているが、図18に示すように、支持基板の主面に凹部が形成されず、各燃料極20(集電部21及び活性部22)が支持基板の主面から突出するように形成されていてもよい。   In addition, in the above embodiment, each fuel electrode 20 (current collector 21 and active portion 22) is embedded in the recess 12 formed in the main surface of the support substrate. However, as shown in FIG. The recesses may not be formed on the main surface of the substrate, and each fuel electrode 20 (current collector 21 and active portion 22) may be formed so as to protrude from the main surface of the support substrate.

以上、図1に示す構成を備えた燃料電池における「支持基板のガス流路の内壁におけるクラックの発生の防止」について説明してきた。本発明者は、図19〜図21に示す構成を備えた燃料電池における「燃料極の表面におけるクラックの発生の防止」についても、上記と同様のことが適用され得ることを見出した。以下、この点について説明する。   In the above, “preventing the occurrence of cracks in the inner wall of the gas flow path of the support substrate” in the fuel cell having the configuration shown in FIG. 1 has been described. The present inventor has found that the same thing as described above can be applied to “preventing generation of cracks on the surface of the fuel electrode” in the fuel cell having the configuration shown in FIGS. 19 to 21. Hereinafter, this point will be described.

(構成)
先ず、図19〜図21に示す燃料電池(固体酸化物形燃料電池)の構成について簡単に説明する。この燃料電池は、セル100とセパレータ200とが交互に積層された構造を有している。この構造は、「平板スタック構造」とも呼ばれる。なお、図20に示すように、この燃料電池では、最も上方に位置するセル100の上側に位置するセパレータを特に上側蓋部材300と呼び、最も下方に位置するセル100の下側に位置するセパレータを特に下側蓋部材400と呼ぶ。
(Constitution)
First, the configuration of the fuel cell (solid oxide fuel cell) shown in FIGS. 19 to 21 will be briefly described. This fuel cell has a structure in which cells 100 and separators 200 are alternately stacked. This structure is also called “flat plate stack structure”. As shown in FIG. 20, in this fuel cell, the separator located on the upper side of the uppermost cell 100 is particularly called the upper lid member 300, and the separator located on the lower side of the lowermost cell 100. Is specifically referred to as the lower lid member 400.

図21に示すように、セル100は、固体電解質層120と、固体電解質層120の上面に積層された燃料極110と、固体電解質層120の下面に積層された空気極130と、からなる平板状の焼成体である。セル100の平面形状は、例えば、1辺の長さが10〜300mmの正方形である。   As shown in FIG. 21, the cell 100 includes a flat plate comprising a solid electrolyte layer 120, a fuel electrode 110 stacked on the upper surface of the solid electrolyte layer 120, and an air electrode 130 stacked on the lower surface of the solid electrolyte layer 120. It is a fired body. The planar shape of the cell 100 is, for example, a square having a side length of 10 to 300 mm.

セル100の厚さ(z軸方向の長さ)は全体に渡って均一であり、例えば、110〜2100μmである。燃料極110、固体電解質層120、及び、空気極130の厚さはそれぞれ、例えば、50〜2000μm、1〜50μm、及び、50〜2000μmである。図21に示す例では、セル100を構成する部材のうち燃料極110が最も厚く、従って、燃料極110がセル100全体を支持する構造となっている。   The thickness of the cell 100 (the length in the z-axis direction) is uniform throughout, for example, 110 to 2100 μm. The thicknesses of the fuel electrode 110, the solid electrolyte layer 120, and the air electrode 130 are, for example, 50 to 2000 μm, 1 to 50 μm, and 50 to 2000 μm, respectively. In the example shown in FIG. 21, the fuel electrode 110 is the thickest among the members constituting the cell 100, and thus the fuel electrode 110 supports the entire cell 100.

燃料極110は、例えば、NiとYSZとを含む多孔質材料で構成される。固体電解質層120は、例えば、YSZを含む緻密質材料で構成される。空気極130は、例えば、LSM(La(Sr)MnO:ランタンストロンチウムマンガナイト)を含む多孔質材料で構成される。燃料極110、固体電解質層120、及び、空気極130の気孔率はそれぞれ、15〜55%、0〜10%、15〜55%である。燃料極110、固体電解質層120、及び、空気極130の常温から1000℃での平均熱膨張率はそれぞれ、およそ、12.5ppm/K、10.8ppm/K、及び、11(10.8)ppm/Kである。 The fuel electrode 110 is made of, for example, a porous material containing Ni and YSZ. The solid electrolyte layer 120 is made of a dense material containing YSZ, for example. The air electrode 130 is made of a porous material containing, for example, LSM (La (Sr) MnO 3 : lanthanum strontium manganite). The porosity of the fuel electrode 110, the solid electrolyte layer 120, and the air electrode 130 is 15 to 55%, 0 to 10%, and 15 to 55%, respectively. The average thermal expansion coefficients of the fuel electrode 110, the solid electrolyte layer 120, and the air electrode 130 from room temperature to 1000 ° C. are approximately 12.5 ppm / K, 10.8 ppm / K, and 11 (10.8), respectively. ppm / K.

図20及び図21に示すように、セパレータ200は、平板部210と、枠体部220と、を備えている。セパレータ200の平面形状は、セル100の平面形状と同形である。枠体部220は、平板部210の周縁部をその全周に亘って囲むように位置している。枠体部220の厚さ(z軸方向の長さ)は、平板部210の厚さ(z軸方向の長さ)より大きい。枠体部220は、平板部210に対して、上方及び下方の両方に突出している。   As illustrated in FIGS. 20 and 21, the separator 200 includes a flat plate portion 210 and a frame body portion 220. The planar shape of the separator 200 is the same as the planar shape of the cell 100. The frame body part 220 is located so as to surround the peripheral part of the flat plate part 210 over the entire circumference. The thickness (length in the z-axis direction) of the frame body part 220 is larger than the thickness (length in the z-axis direction) of the flat plate part 210. The frame body part 220 projects both upward and downward with respect to the flat plate part 210.

セパレータ200は、Ni系耐熱合金(例えば、フェライト系SUS、インコネル600及びハステロイ等)で構成されている。セパレータ200の常温から1000℃での平均熱膨張率は、例えばフェライト系SUSであるSUS430の場合、およそ12.5ppm/Kである。従って、セパレータ200の熱膨張率は、セル100の平均熱膨張率よりも大きい。   The separator 200 is made of a Ni-based heat-resistant alloy (for example, ferrite-based SUS, Inconel 600, Hastelloy, etc.). For example, in the case of SUS430, which is a ferrite SUS, the average thermal expansion coefficient of the separator 200 from room temperature to 1000 ° C. is approximately 12.5 ppm / K. Therefore, the thermal expansion coefficient of the separator 200 is larger than the average thermal expansion coefficient of the cell 100.

各セル100の周縁部は、その上側及び下側に隣接するセパレータ200のそれぞれの枠体部220によって、接合材(ガラス材料等)を介して挟持されている。この結果、図21に示すように、各セル100について、セル100とセル100の上側に隣接するセパレータ200との間にて、燃料ガスが流通する燃料流路が区画・形成され、セル100とセル100の下側に隣接するセパレータ200との間にて、空気が流通する空気流路が区画・形成されている。従って、セパレータ200は、燃料ガスと空気との混合を防止する機能を果たす。   The peripheral part of each cell 100 is sandwiched by the respective frame body parts 220 of the separators 200 adjacent to the upper side and the lower side via a bonding material (glass material or the like). As a result, as shown in FIG. 21, for each cell 100, a fuel flow channel through which fuel gas flows is defined and formed between the cell 100 and the separator 200 adjacent to the upper side of the cell 100. An air flow path through which air flows is defined and formed between the separator 200 adjacent to the lower side of the cell 100. Therefore, the separator 200 functions to prevent mixing of fuel gas and air.

以上、図19〜図21に示した燃料電池に対して、各燃料流路に燃料ガス(水素ガス等)を流すとともに、各空気流路に空気を流し、この燃料電池を外部の負荷に接続することによって、図1に示した燃料電池と同様、上述した化学反応式(1)及び(2)に基づく発電が行われる。   As described above, with respect to the fuel cell shown in FIGS. 19 to 21, the fuel gas (hydrogen gas or the like) flows through each fuel flow path, and the air flows through each air flow path, and this fuel cell is connected to an external load. By doing so, the power generation based on the above-described chemical reaction formulas (1) and (2) is performed as in the fuel cell shown in FIG.

(製造方法)
次に、図19〜図21に示す燃料電池の製造方法について簡単に説明する。先ず、セル100は、シート(燃料極110となる層)の下面にセラミックスシート(固体電解質層120となる層)を印刷法等によって形成し、その積層体を1400℃・1時間にて焼成し、その焼成体の下面にシート(空気極130となる層)を印刷法等によって形成し、その積層体を1200℃・1時間にて焼成することにより、形成される。セパレータ200は、Ni系耐熱合金の薄板材料に対して、切削加工、プレス加工等に施すことによって形成される。
(Production method)
Next, a method for manufacturing the fuel cell shown in FIGS. 19 to 21 will be briefly described. First, in the cell 100, a ceramic sheet (a layer that becomes the solid electrolyte layer 120) is formed on the lower surface of the sheet (a layer that becomes the fuel electrode 110) by a printing method or the like, and the laminate is fired at 1400 ° C. for 1 hour. The sheet (layer that becomes the air electrode 130) is formed on the lower surface of the fired body by a printing method or the like, and the laminate is fired at 1200 ° C. for 1 hour. The separator 200 is formed by subjecting a Ni-based heat-resistant alloy thin plate material to cutting, pressing, or the like.

次に、完成したセル100とセパレータ200とを交互に、且つ、隣接するセル100の周縁部とセパレータ200の枠体部220との間にガラス材料が介在する状態で積層し、この積層体(のガラス材料)に対して熱処理(830℃/1hr)が施される。この結果、ガラス材料が固化することによってこの積層体が一体化されて、平板スタック構造を有する図19に示す燃料電池が完成する。   Next, the completed cells 100 and separators 200 are laminated alternately and in a state where a glass material is interposed between the peripheral portion of the adjacent cells 100 and the frame body portion 220 of the separator 200, and this laminate ( The glass material is subjected to heat treatment (830 ° C./1 hr). As a result, the glass material is solidified to integrate the laminate, and the fuel cell shown in FIG. 19 having a flat plate stack structure is completed.

なお、この時点では、酸素含有雰囲気での焼成により、燃料極110中のNi成分が、NiOとなっている。従って、燃料極110の電子伝導性を獲得するため、その後、燃料流路側から還元性の燃料ガスが流され、NiOが800〜1000℃で1〜10時間に亘って還元処理される。なお、この還元処理は発電時に行われてもよい。   At this point, the Ni component in the fuel electrode 110 is NiO due to firing in an oxygen-containing atmosphere. Therefore, in order to acquire the electron conductivity of the fuel electrode 110, thereafter, reducing fuel gas is flowed from the fuel flow path side, and NiO is reduced at 800 to 1000 ° C. for 1 to 10 hours. This reduction process may be performed during power generation.

(クラックの発生の防止)
図19に示す燃料電池が、通常の環境下とは異なり、熱応力的に過酷な環境下で稼働されると、図22に示すような「燃料極110の燃料流路に面する表面を起点とする、燃料極110の内部に向かうクラック」が発生する場合がある(図22の矢印を参照)。この現象は、燃料極110の表面に応力が集中し易いことに起因する、と考えられる。係るクラックが発生する可能性を低減することは重要である。
(Preventing cracks)
When the fuel cell shown in FIG. 19 is operated under a severe thermal stress environment unlike a normal environment, the “surface facing the fuel flow path of the fuel electrode 110 as shown in FIG. May occur ”(see the arrow in FIG. 22). This phenomenon is considered to be caused by the fact that stress tends to concentrate on the surface of the fuel electrode 110. It is important to reduce the possibility of such cracks.

以下、燃料極110の内部に形成される気孔について、上述と同様、20μm未満の気孔径を有する気孔を「第1気孔」と呼び、20μm以上の気孔径を有する気孔を「第2気孔」と呼ぶ。この燃料電池の製造過程においても、多孔質の燃料極110(焼成体)を作製するため、燃料極用のシート(焼成前)に造孔材(粉体)が分散・混入される。混入される造孔材の粒径は数μmレベルである。従って、これら造孔材の粒子が凝集することなくシート内に確実に分散した状態でシートが焼成されると、燃料極110(焼成体)の内部には、「第1気孔」(径が20μm未満)のみが形成され得る。しかしながら、このように非常に小さい造孔材の粒子を凝集することなくシート内に分散させることは、実際には非常に困難である。   Hereinafter, as for the pores formed inside the fuel electrode 110, the pores having a pore diameter of less than 20 μm are referred to as “first pores”, and the pores having a pore diameter of 20 μm or more are referred to as “second pores”. Call. Also in the manufacturing process of this fuel cell, in order to produce the porous fuel electrode 110 (fired body), the pore former (powder) is dispersed and mixed in the fuel electrode sheet (before firing). The particle diameter of the pore former to be mixed is on the order of several μm. Therefore, when the sheet is fired in a state where the particles of the pore former are surely dispersed in the sheet without agglomerating, the “first pore” (diameter is 20 μm) is formed inside the fuel electrode 110 (fired body). Less than) can be formed. However, it is actually very difficult to disperse particles of such a very small pore former in the sheet without agglomeration.

従って、上記燃料電池では、造孔材の凝集に起因して、燃料極110の内部には、第1気孔のみならず、「第2気孔」(径が20μm以上)も不可避的に形成される(図23を参照)。なお、図23では、第2気孔のみが示され、(第2気孔より小さい)第1気孔は示されていない。第2気孔の最大径は200μmであった。また、燃料極110内の全体において、第1、第2気孔は、それぞれ、概ね均一に分布している。   Therefore, in the fuel cell, not only the first pores but also the “second pores” (diameter of 20 μm or more) are inevitably formed inside the fuel electrode 110 due to the aggregation of the pore former. (See FIG. 23). In FIG. 23, only the second pores are shown, and the first pores (smaller than the second pores) are not shown. The maximum diameter of the second pores was 200 μm. In addition, in the entire fuel electrode 110, the first and second pores are substantially uniformly distributed.

本発明者は、上述したクラックの起点となる「燃料極110の燃料流路に面する表面」に近い領域である「流路近傍領域」に着目した。図24に示すように、「流路近傍領域」とは、「燃料極110における燃料流路に面する表面からの距離が100μm以下の領域」を指す(図24にて微細なドットで示した領域を参照)。即ち、この燃料電池では、各「流路近傍領域」は、厚さが100μmの平板状の領域に対応する。この流路近傍領域の内部においても、第1気孔と、第2気孔とが存在し得る。   The inventor of the present invention has focused on a “channel vicinity region” that is a region near the “surface facing the fuel flow path of the fuel electrode 110” that is the starting point of the crack described above. As shown in FIG. 24, the “region in the vicinity of the flow path” refers to a “region where the distance from the surface facing the fuel flow path in the fuel electrode 110 is 100 μm or less” (indicated by fine dots in FIG. 24). See area). That is, in this fuel cell, each “region near the flow path” corresponds to a flat plate-like region having a thickness of 100 μm. The first pores and the second pores can also exist in the vicinity of the flow path.

以下、上述した図16と同様、図23に示すように、「流路近傍領域に存在する第2気孔」のうち、「燃料極110の表面に露呈するように存在する第2気孔」を、特に「表面第2気孔」と呼び、「燃料極110の表面に露呈しないように存在する第2気孔」を、特に「内部第2気孔」と呼ぶ。「全体第2気孔」、「全気孔」、「全気孔の気孔率Sa」、及び「全体第2気孔の気孔率Sb1」の定義は、上述と同じである。   Hereinafter, as in FIG. 23 described above, as shown in FIG. 23, among “second pores existing in the vicinity of the flow path”, “second pores present so as to be exposed on the surface of the fuel electrode 110” In particular, it is referred to as “surface second pores”, and “second pores present so as not to be exposed on the surface of the fuel electrode 110” are particularly referred to as “internal second pores”. The definitions of “total second pores”, “all pores”, “porosity Sa of all pores”, and “porosity Sb1 of all second pores” are the same as described above.

本発明者は、上記燃料電池が熱応力的に過酷な環境下で稼働される場合における上述した燃料極110のクラックの発生の有無が、「全気孔の気孔率Sa」、及び、「全体第2気孔の気孔率Sb1」と強い相関があることを見出した。以下、これらのことを確認した試験Aについて説明する。   The present inventor has determined that the occurrence of cracks in the above-described fuel electrode 110 when the fuel cell is operated under a severe environment due to thermal stress is the “porosity Sa of all the pores” and “total porosity”. It was found that there is a strong correlation with the porosity Sb1 of 2 pores. Hereinafter, test A in which these are confirmed will be described.

(試験C)
この試験Cでは、図19に示した燃料電池について、「全気孔の気孔率Sa(%)」及び「全体第2気孔の気孔率Sb1(%)」が異なる複数のサンプルが作製された。具体的には、表3に示すように、10種類の水準(組み合わせ)が準備された。各水準に対して10個のサンプル(N=10)が作製された。
(Test C)
In this test C, a plurality of samples having different “porosity Sa (%) of all pores” and “porosity Sb1 (%) of entire second pores” were produced for the fuel cell shown in FIG. Specifically, as shown in Table 3, ten types (combinations) were prepared. Ten samples (N = 10) were made for each level.

Figure 0005732180
Figure 0005732180

各サンプル(図19に示すSOFC)にて、セル100は、その平面形状が1辺の長さが10〜300mmの正方形であり、その厚さが110〜2100μmであった。燃料極110、固体電解質層120、及び、空気極130の厚さはそれぞれ、例えば、50〜2000μm、1〜50μm、及び、50〜2000μmであった。セル100を構成する部材のうち燃料極110が最も厚く、従って、燃料極110がセル100全体を支持する構造となっていた。   In each sample (SOFC shown in FIG. 19), the cell 100 had a planar shape of a square having a side length of 10 to 300 mm and a thickness of 110 to 2100 μm. The thicknesses of the fuel electrode 110, the solid electrolyte layer 120, and the air electrode 130 were, for example, 50 to 2000 μm, 1 to 50 μm, and 50 to 2000 μm, respectively. Of the members constituting the cell 100, the fuel electrode 110 is the thickest, and thus the fuel electrode 110 supports the entire cell 100.

燃料極110は、NiとYSZからなる多孔質材料で構成された。固体電解質層120は、YSZからなる緻密質材料で構成された。空気極130は、LSM(La(Sr)MnO)からなる多孔質材料で構成された。燃料極110、固体電解質層120、及び、空気極130の気孔率はそれぞれ、15〜55%、0〜10%、15〜55%であった。 The fuel electrode 110 was made of a porous material made of Ni and YSZ. The solid electrolyte layer 120 was made of a dense material made of YSZ. The air electrode 130 was made of a porous material made of LSM (La (Sr) MnO 3 ). The porosity of the fuel electrode 110, the solid electrolyte layer 120, and the air electrode 130 was 15 to 55%, 0 to 10%, and 15 to 55%, respectively.

燃料極110について、全気孔の気孔率Saの調整は、燃料極用のシート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。全体第2気孔の気孔率Sb1の調整は、前記スラリーに含まれる分散材の量を調整することによってなされた。一般に、上述した「造孔材の凝集」の発生頻度は、分散材の量に依存する。従って、分散材の量を調整することによって、「造孔材の粒子の凝集」の発生頻度(即ち、第2気孔の発生頻度、ひいては、全体第2気孔の気孔率Sb1)を調整することができる。   Regarding the fuel electrode 110, the porosity Sa of all the pores was adjusted by adjusting the amount and diameter of the pore-forming material contained in the slurry used for producing the fuel electrode sheet. The porosity Sb1 of the entire second pores was adjusted by adjusting the amount of the dispersing material contained in the slurry. In general, the frequency of occurrence of the above-mentioned “aggregation of pore former” depends on the amount of the dispersing material. Therefore, by adjusting the amount of the dispersing material, the frequency of occurrence of “aggregation of pore forming material particles” (that is, the frequency of occurrence of the second pores, and hence the porosity Sb1 of the entire second pores) can be adjusted. it can.

燃料極110全体の気孔率は15〜55%であった。第2気孔の気孔径は、20〜200μmの範囲内であった。燃料極110の焼成は、1400〜1500℃にて、1〜20時間に亘って行われた。各サンプルに対して施された上記還元処理は、800〜1000℃にて、1〜10時間に亘って行われた。   The porosity of the entire fuel electrode 110 was 15 to 55%. The pore diameter of the second pore was in the range of 20 to 200 μm. Firing of the fuel electrode 110 was performed at 1400 to 1500 ° C. for 1 to 20 hours. The said reduction process performed with respect to each sample was performed over 1-10 hours at 800-1000 degreeC.

各サンプルについて、「全気孔の気孔率Sa」及び「全体第2気孔の気孔率Sb1」の測定は、燃料極110の(y軸方向における)任意の10箇所の「断面」について行われ、それらの平均値が「全気孔の気孔率Sa」及び「全体第2気孔の気孔率Sb1」としてそれぞれ採用された。表3に記載された各水準についての「全気孔の気孔率Sa」及び「全体第2気孔の気孔率Sb1」の値(%)は、N=10の平均値である。   For each sample, the measurement of “porosity Sa of all pores” and “porosity Sb1 of the entire second pore” is performed on arbitrary “cross sections” of the fuel electrode 110 (in the y-axis direction). Were adopted as “the porosity Sa of all the pores” and “the porosity Sb1 of the entire second pore”, respectively. The values (%) of “the porosity Sa of all the pores” and “the porosity Sb1 of the entire second pores” for each level shown in Table 3 are average values of N = 10.

この試験Cでは、上記還元処理後の各サンプルについて、「各燃料流路に還元性の燃料ガスを流通させながら、雰囲気温度を常温から750℃まで2時間で上げた後に750℃から常温まで4時間で下げるパターン」を10回繰り返す熱サイクル試験を行った。そして、各サンプルについて、「燃料極110の燃料流路に面する表面を起点とする、燃料極110の内部に向かうクラック」の発生の有無が確認された。この確認は、目視、並びに、顕微鏡を使用した断面の観察によってなされた。この結果は表3に示すとおりである。   In this test C, with respect to each sample after the above reduction treatment, “after reducing the ambient temperature from room temperature to 750 ° C. in 2 hours while flowing reducing fuel gas through each fuel flow path, the temperature was increased from 750 ° C. to room temperature 4 The thermal cycle test was repeated 10 times in the “pattern that decreases with time”. For each sample, it was confirmed whether or not “a crack toward the inside of the fuel electrode 110 starting from the surface of the fuel electrode 110 facing the fuel flow path” occurred. This confirmation was made by visual observation and observation of a cross section using a microscope. The results are as shown in Table 3.

表3から理解できるように、「全気孔の気孔率Saが20〜50%であり、且つ、全体第2気孔の気孔率Sb1が10%以下」であると、そうでない場合と比べて、上述したクラックが発生し難い。これは、流路近傍領域内にて存在する第2気孔(即ち、比較的大きい気孔)の数が多過ぎると、何等かの理由によって燃料極110の表面に応力が集中し易くなること、に起因する、と考えられる。   As can be understood from Table 3, when “the porosity Sa of all the pores is 20 to 50% and the porosity Sb1 of the entire second pore is 10% or less”, compared to the case where it is not so, the above-mentioned Cracks are less likely to occur. This is because if there are too many second pores (that is, relatively large pores) in the vicinity of the flow path, stress is likely to be concentrated on the surface of the fuel electrode 110 for some reason. It is thought to be caused.

なお、表3から理解できるように、「全体第2気孔の気孔率Sb1」が0.04%より小さいサンプルを作製することはできなかった。これは、上述した「造孔材の凝集」の発生頻度の低減について限度があることに関連する、と考えられる。   As can be understood from Table 3, a sample having a “total porosity of the second pore Sb1” smaller than 0.04% could not be produced. This is considered to be related to the limitation on the frequency of occurrence of the above-mentioned “aggregation of pore former”.

以上より、「全気孔の気孔率Saが20〜50%であり、且つ、全体第2気孔の気孔率Sb1が10%以下(或いは、0.04〜10%)」である場合に、そうでない場合と比べて、上述した燃料電池が熱応力的に過酷な環境下で稼働された場合においても、上述した燃料極のクラックが発生し難くなる、ということができる。   From the above, when “the porosity Sa of all the pores is 20 to 50% and the porosity Sb1 of the entire second pore is 10% or less (or 0.04 to 10%)”, it is not so. Compared to the case, it can be said that the above-described crack of the fuel electrode is less likely to occur even when the above-described fuel cell is operated under a severe thermal stress environment.

ところで、本発明者は、更に、上述した燃料極のクラックの起点となる「燃料極110の表面」そのものに露呈する上記「表面第2気孔」(図23を参照)にも着目した。ここで、流路近傍領域における表面第2気孔の気孔率(流路近傍領域の総体積に対する、表面第2気孔の総体積の割合)を、「表面第2気孔の気孔率Sb2」と呼ぶ。「表面第2気孔の気孔率Sb2」は、「流路近傍領域の断面の総面積」に対する「流路近傍領域の断面に存在する表面第2気孔が占める面積の総和」の割合とも定義され得る。ここで、「断面」とは、「全気孔の気孔率Sa」及び「全体第2気孔の気孔率Sb1」と同様、x−z平面に沿う断面を指す(図24を参照)。   By the way, the present inventor further paid attention to the “surface second pores” (see FIG. 23) exposed to the “surface of the fuel electrode 110” itself, which is the starting point of the crack of the fuel electrode. Here, the porosity of the surface second pores in the region near the flow path (the ratio of the total volume of the surface second pores to the total volume of the region near the flow path) is referred to as “the porosity Sb2 of the surface second pores”. “The porosity Sb2 of the surface second pores” can also be defined as the ratio of “the total area occupied by the surface second pores existing in the cross section of the channel vicinity region” to “the total area of the cross section of the channel vicinity region”. . Here, the “cross section” refers to a cross section along the xz plane, as in “porosity Sa of all pores” and “porosity Sb1 of all second pores” (see FIG. 24).

本発明者は、「全気孔の気孔率Saが20〜50%であり、且つ、全体第2気孔の気孔率Sb1が10%以下(或いは、0.04〜10%)」である場合において、「表面第2気孔の気孔率Sb2」が0.5%以下(或いは、0.001〜0.5%)」であると、上述したクラックがより一層発生し難くなる、ことをも見出した。以下、このことを確認した試験Dについて説明する。   In the case where the porosity Sa of all the pores is 20 to 50% and the porosity Sb1 of the entire second pores is 10% or less (or 0.04 to 10%), It has also been found that the above-described cracks are less likely to occur when “the porosity Sb2 of the surface second pores” is 0.5% or less (or 0.001 to 0.5%). Hereinafter, Test D in which this is confirmed will be described.

(試験D)
試験Dでは、図19に示した燃料電池について、「全気孔の気孔率Sa(%)」、「全体第2気孔の気孔率Sb1(%)」、及び「表面第2気孔の気孔率Sb2(%)」が異なる複数のサンプルが作製された。具体的には、表4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。
(Test D)
In the test D, with respect to the fuel cell shown in FIG. 19, “the porosity Sa (%) of all pores”, “the porosity Sb1 (%) of the entire second pores”, and “the porosity Sb2 of the surface second pores ( %) ”Were produced. Specifically, as shown in Table 4, eight levels (combinations) were prepared. Ten samples (N = 10) were made for each level.

各サンプルについて、全気孔の気孔率Saは20〜50%の範囲内に調整され、且つ、全体第2気孔の気孔率Sb1は10%以下(或いは、0.04〜10%)の範囲内に調整された。各サンプルについて、表4に示した項目以外の各部材の寸法、材質、製造過程等は、試験Cのものと同様である。表面第2気孔の気孔率Sb2の調整は、燃料極110の燃料流路に面する表面にコーティングされた燃料極110と同じ材料からなる薄膜(焼成膜)の気孔率を調整することによってなされた。この薄膜(コーティング膜)は、燃料極110と共焼成された。   For each sample, the porosity Sa of all the pores is adjusted within the range of 20 to 50%, and the porosity Sb1 of the entire second pore is within the range of 10% or less (or 0.04 to 10%). Adjusted. About each sample, the dimension of each member other than the item shown in Table 4, a material, a manufacturing process, etc. are the same as that of the test C. The porosity Sb2 of the surface second pores was adjusted by adjusting the porosity of a thin film (fired film) made of the same material as the fuel electrode 110 coated on the surface of the fuel electrode 110 facing the fuel flow path. . This thin film (coating film) was co-fired with the fuel electrode 110.

Figure 0005732180
Figure 0005732180

この試験Dでは、試験Cで実行された熱サイクル試験より熱応力的に過酷な熱サイクル試験、即ち、「各燃料流路に還元性の燃料ガスを流通させながら、雰囲気温度を常温から750℃まで1時間で上げた後に750℃から常温まで2時間で下げるパターン」を20回繰り返す熱サイクル試験を行った。そして、各サンプルについて、上述した燃料極のクラックの発生の有無が確認された。この結果は表4に示すとおりである。   In this test D, a thermal cycle test that is more severe in terms of thermal stress than the thermal cycle test performed in test C, that is, “the ambient temperature is changed from room temperature to 750 ° C. while reducing fuel gas is circulated through each fuel flow path. The heat cycle test was repeated 20 times, “Pattern raised from 750 ° C. to room temperature in 2 hours after being raised in 1 hour”. And about each sample, the presence or absence of the crack of the fuel electrode mentioned above was confirmed. The results are as shown in Table 4.

表4から理解できるように、「表面第2気孔の気孔率Sb2」が0.5%より大きいと、上述したクラックが発生し易い。これは、燃料極110の表面に露呈する表面第2気孔の数が多すぎると、何等かの理由によって燃料極110の表面に応力が集中し易くなること、に起因する、と考えられる。   As can be understood from Table 4, when “the porosity Sb2 of the surface second pores” is larger than 0.5%, the above-described cracks are likely to occur. This is considered to be caused by the fact that if the number of surface second pores exposed on the surface of the fuel electrode 110 is too large, stress is likely to concentrate on the surface of the fuel electrode 110 for some reason.

なお、表4から理解できるように、「表面第2気孔の気孔率Sb2」が0.001%より小さいサンプルを作製することはできなかった。これは、上述した「造孔材の凝集」の発生頻度の低減について限度があることに関連する、と考えられる。   As can be understood from Table 4, a sample having a “porosity Sb2 of the surface second pores” of less than 0.001% could not be produced. This is considered to be related to the limitation on the frequency of occurrence of the above-mentioned “aggregation of pore former”.

以上、表3、及び表4の結果より、燃料極110の気孔率が15〜55%であり、且つ、「全気孔の気孔率Saが20〜50%であり、且つ、全体第2気孔の気孔率Sb1が10%以下(或いは、0.04〜10%)」である場合に上述した燃料極110のクラックが発生し難くなり、更に、この場合において、「表面第2気孔の気孔率Sb2が0.5%以下(或いは、0.001〜0.5%)」であると、上述した燃料極110のクラックがより一層発生し難くなる、ということができる。   As described above, from the results of Tables 3 and 4, the porosity of the fuel electrode 110 is 15 to 55%, and “the porosity Sa of all the pores is 20 to 50%, and the entire second pore is When the porosity Sb1 is 10% or less (or 0.04 to 10%), cracks of the fuel electrode 110 described above are difficult to occur, and in this case, “the porosity Sb2 of the surface second pores” Is 0.5% or less (or 0.001 to 0.5%) ", it can be said that the above-described cracks of the fuel electrode 110 are more unlikely to occur.

なお、セル100を構成する部材のうち燃料極110が最も厚い構造ではない場合(例えば、固体電解質膜120が最も厚い場合)においても、燃料極の内部の気孔の調整に関して、表3及び表4と全く同じ結果が得られることが別途判明している。   Even when the fuel electrode 110 is not the thickest structure among the members constituting the cell 100 (for example, when the solid electrolyte membrane 120 is the thickest), Table 3 and Table 4 relate to the adjustment of the pores inside the fuel electrode. It has been found that the exact same result can be obtained.

更には、上記試験C及び試験D(表3及び表4)に示した結果は、セル100において燃料極110が最も厚い構造(従って、燃料極110がセル100全体を支持する構造)における燃料極の内部の気孔の調整に関するものであった。これに対し、セル100において空気極130が最も厚い構造(従って、空気極130がセル100全体を支持する構造)における空気極の内部の気孔の調整に関しても、上記試験C及び試験Dと同様の試験を行ったところ、上記表3及び表4と全く同じ結果が得られることが別途判明している。   Furthermore, the results shown in Test C and Test D (Tables 3 and 4) show that the fuel electrode 110 in the cell 100 has the thickest fuel electrode 110 (therefore, the fuel electrode 110 supports the entire cell 100). It was related to the adjustment of the pores inside. On the other hand, the adjustment of the pores inside the air electrode in the structure in which the air electrode 130 is the thickest in the cell 100 (therefore, the structure in which the air electrode 130 supports the entire cell 100) is the same as in the above test C and test D. As a result of tests, it has been found that the same results as in Tables 3 and 4 are obtained.

具体的には、空気極130の内部の気孔に関し、空気極130の気孔率が15〜55%であり、且つ、「全気孔の気孔率Saが20〜50%であり、且つ、全体第2気孔の気孔率Sb1が10%以下(或いは、0.04〜10%)」である場合に空気極130のクラックが発生し難くなり、更に、この場合において、「表面第2気孔の気孔率Sb2が0.5%以下(或いは、0.001〜0.5%)」であると、空気極130のクラックがより一層発生し難くなる。なお、この場合における「流路近傍領域」とは、「空気極130における空気流路に面する表面からの距離が100μm以下の領域」(厚さが100μmの平板状の領域)を指す。   Specifically, regarding the pores in the air electrode 130, the porosity of the air electrode 130 is 15 to 55%, and “the porosity Sa of all the pores is 20 to 50%, and the second When the porosity Sb1 of the pores is 10% or less (or 0.04 to 10%), cracking of the air electrode 130 is difficult to occur, and in this case, “porosity Sb2 of the surface second pores” Is 0.5% or less (or 0.001 to 0.5%) ", the cracks of the air electrode 130 are more unlikely to occur. In this case, the “region in the vicinity of the flow path” refers to a “area where the distance from the surface facing the air flow path in the air electrode 130 is 100 μm or less” (a flat area having a thickness of 100 μm).

10…支持基板、11…燃料ガス流路、12…凹部、15…中間層、20…燃料極、21…燃料極集電部、21a、21b…凹部、22…燃料極活性部、30…インターコネクタ、40…固体電解質膜、50…反応防止膜、60…空気極、70…空気極集電膜、A…発電素子部   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Support substrate, 11 ... Fuel gas flow path, 12 ... Recess, 15 ... Intermediate layer, 20 ... Fuel electrode, 21 ... Fuel electrode current collector, 21a, 21b ... Recess, 22 ... Fuel electrode active part, 30 ... Inter Connector: 40 ... Solid electrolyte membrane, 50 ... Reaction prevention membrane, 60 ... Air electrode, 70 ... Air electrode current collector membrane, A ... Power generation element part

Claims (6)

ガス流路が内部に形成された支持基板と、
前記支持基板に設けられるとともに、燃料極と、固体電解質と、空気極とがこの順に積層されてなる発電素子部と、
を備えた燃料電池であって、
前記支持基板全体の気孔率が15〜55%であり、
前記支持基板の内部の気孔として、20μm未満の気孔径を有する複数の第1気孔と、20μm以上の気孔径を有する1つ又は複数の第2気孔と、が存在し、
前記支持基板における前記ガス流路の内壁からの距離が100μm以下の領域である流路近傍領域における前記第1、第2気孔からなる全気孔の気孔率(Sa)が25〜50%であり、前記流路近傍領域における前記第2気孔の気孔率(Sb1)が6.5%以下である、燃料電池。
A support substrate having a gas flow path formed therein;
A power generation element unit that is provided on the support substrate and in which a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are stacked in this order;
A fuel cell comprising:
The porosity of the entire support substrate is 15 to 55%,
As the pores inside the support substrate, there are a plurality of first pores having a pore diameter of less than 20 μm, and one or a plurality of second pores having a pore diameter of 20 μm or more,
The porosity (Sa) of the total pores composed of the first and second pores in the vicinity of the flow channel in the region where the distance from the inner wall of the gas flow channel in the support substrate is 100 μm or less is 25 to 50%, The fuel cell, wherein a porosity (Sb1) of the second pores in the region near the flow path is 6.5% or less.
請求項1に記載の燃料電池において、
前記流路近傍領域における前記ガス流路の内壁に露呈するように存在する前記第2気孔の気孔率(Sb2)が0.3%以下である、燃料電池。
The fuel cell according to claim 1, wherein
The fuel cell, wherein a porosity (Sb2) of the second pore existing so as to be exposed on an inner wall of the gas flow channel in the flow channel vicinity region is 0.3% or less.
複数の平板状のセルと、複数のセパレータと、を備え、前記セルと前記セパレータとが1つずつ交互に積層された燃料電池であって、
前記各セルは、固体電解質層と、前記固体電解質層の第1側に積層された燃料極と、前記固体電解質層の第2側に積層された空気極と、を備え、
前記各セルについて、前記セルと前記セルの前記第1側に隣接する前記セパレータとの間にて燃料ガスが流通する燃料流路が区画・形成されるとともに、前記セルと前記セルの前記第2側に隣接する前記セパレータとの間にて酸素を含むガスが流通する空気流路が区画・形成された燃料電池であり、
前記各セルについて、
前記燃料極及び前記空気極の何れか一方である第1電極の全体の気孔率が15〜55%であり、
前記第1電極の内部の気孔として、20μm未満の気孔径を有する複数の第1気孔と、20μm以上の気孔径を有する1つ又は複数の第2気孔と、が存在し、
前記第1電極における対応する前記流路に面する表面からの距離が100μm以下の領域である流路近傍領域における前記第1、第2気孔からなる全気孔の気孔率(Sa)が20〜50%であり、前記流路近傍領域における前記第2気孔の気孔率(Sb1)が10%以下である、燃料電池。
A fuel cell comprising a plurality of flat cells and a plurality of separators, wherein the cells and the separators are alternately stacked one by one,
Each cell includes a solid electrolyte layer, a fuel electrode laminated on the first side of the solid electrolyte layer, and an air electrode laminated on the second side of the solid electrolyte layer,
For each cell, a fuel flow path through which fuel gas flows is defined and formed between the cell and the separator adjacent to the first side of the cell, and the cell and the second of the cell. A fuel cell in which an air flow path through which a gas containing oxygen flows between the separator adjacent to the side is formed and formed;
For each cell,
The overall porosity of the first electrode which is one of the fuel electrode and the air electrode is 15 to 55%,
As pores inside the first electrode, there are a plurality of first pores having a pore diameter of less than 20 μm and one or a plurality of second pores having a pore diameter of 20 μm or more,
The porosity (Sa) of the total pores composed of the first and second pores in a region near the flow channel, which is a region having a distance from the surface facing the flow channel corresponding to the first electrode of 100 μm or less, is 20 to 50. %, And the porosity (Sb1) of the second pores in the vicinity of the flow path is 10% or less.
請求項3に記載の燃料電池において、
前記流路近傍領域における前記対応する流路に面する表面に露呈するように存在する前記第2気孔の気孔率(Sb2)が0.5%以下である、燃料電池。
The fuel cell according to claim 3, wherein
The fuel cell, wherein a porosity (Sb2) of the second pores existing so as to be exposed on a surface facing the corresponding channel in the region near the channel is 0.5% or less.
請求項3又は請求項4に記載の燃料電池において、
前記各セルについて、
前記各セルを構成する部材のうち前記第1電極の厚さが最も大きい、燃料電池。
The fuel cell according to claim 3 or claim 4,
For each cell,
The fuel cell in which the first electrode has the largest thickness among the members constituting each cell.
請求項3乃至請求項5の何れか一項に記載の燃料電池において、
前記各セルについて、
前記第1電極は前記燃料極である、燃料電池。
The fuel cell according to any one of claims 3 to 5, wherein
For each cell,
The fuel cell, wherein the first electrode is the fuel electrode.
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