JP5752297B1 - 燃料電池 - Google Patents
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Abstract
Description
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。本明細書では、特に説明がない限りにおいて形状等の寸法の値は、後述する「還元処理」が施された後の常温での値である。
(1/2)・O2+2e−→O2− (於:空気極60) …(1)
H2+O2−→H2O+2e− (於:燃料極20) …(2)
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14を参照しながら簡単に説明する。図6〜図14において、各部材の符号の末尾の「g」は、その部材が「焼成前」であることを表す。
次に、上記実施形態に係るSOFCの燃料極集電部21の側面の特徴について説明する。図3、及び、「図3に示す燃料極集電部21の側面の一部を拡大して示す図15」に示すように、燃料極集電部21の側面の全周において、前記側面の周方向に沿って、凹部と凸部とが交互に繰り返す凹凸が形成されている。なお、上述したように、この燃料極集電部21の側面の凹凸は、上述した燃料極集電部の成形体21g(焼成前)の形成の段階で既に形成されている。
上記実施形態では、燃料極集電部21の側面の全周において、前記側面の周方向に沿って凹凸が形成されている。これにより、「発明の概要」の欄で記載した「燃料極の縁部に残留する応力」が分散されて、応力の集中が抑制され易くなる。この結果、燃料極集電部21の縁部にて剥離が発生し難くなる。なお、上記実施形態にて燃料極集電部21の側面に凹凸が形成される一方で燃料極活性部22の側面には凹凸が形成されていないのは、燃料集電部21が空気極活性部22より厚いので、燃料極集電部21の剥離が特に問題になり易いことに基づく。
上述の還元処理後における図1に示したSOFCでは、通常の環境下で稼働される場合には、燃料極集電部21の側面(凹凸が形成された面)にクラックが発生しない。しかしながら、SOFCが熱応力的に過酷な環境下で稼働されると、上記側面にクラックが発生する場合があった。本発明者は、係るクラックの発生が、「凹部の底部の円弧半径R2」に対する「凸部の頂部の円弧半径R1」の割合(R1/R2)(以下、「円弧半径割合R1/R2」と呼ぶ)と強い相関があることを見出した。以下、このことを確認した試験Aについて説明する。
試験Aでは、図1に示したSOFCについて、燃料極集電部の材質、及び、燃料極集電部の側面に形成された凹凸の高低差H、凸部の頂部の円弧半径R1、凹部の底部の円弧半径R2、円弧半径割合R1/R2の組み合わせが異なる複数のサンプルが作製された。具体的には、表1に示すように、10種類の水準(組み合わせ)が準備された。各水準に対して10個のサンプル(N=10)が作製された。表1に記載された各値は、上述の還元処理後の値(N=10の平均値)である。
本発明者は、図1に示したSOFCが熱応力的に過酷な環境下で稼働される場合に発生する上記クラックの発生が、「凹凸の高低差H」(図15を参照)とも強い相関があることを見出した。以下、このことを確認した試験Bについて説明する。
試験Bでは、図1に示したSOFCについて、燃料極集電部の材質、及び、燃料極集電部の側面に形成された凹凸の凸部の頂部の円弧半径R1、凹部の底部の円弧半径R2、高低差Hの組み合わせが異なる複数のサンプルが作製された。具体的には、表2に示すように、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。表2に記載された各値は、上述の還元処理後の値(N=10の平均値)である。
Claims (4)
- ガス流路が内部に形成された平板状の支持基板と、
前記支持基板の主面における互いに離れた複数の箇所にそれぞれ設けられ、それぞれが少なくとも燃料極、固体電解質、及び空気極が積層されてなる複数の発電素子部と、
隣り合う前記発電素子部の一方の燃料極と他方の空気極とを電気的に接続する電気的接続部と、
を備えた燃料電池であって、
前記支持基板の主面における前記複数の箇所に、前記支持基板の材料からなる底壁と全周に亘って前記支持基板の材料からなる周方向に閉じた側壁とを有する第1凹部がそれぞれ形成され、
前記各第1凹部に、対応する前記発電素子部の燃料極がそれぞれ埋設され、
前記埋設された燃料極の側面の一部又は全周において、前記側面の周方向に沿って、凹部と凸部とが交互に繰り返す凹凸が形成され、
前記各凸部の頂部、及び、前記各凹部の底部がそれぞれ円弧状を呈し、
前記凹部の底部の円弧半径(R2)に対する、前記凸部の頂部の円弧半径(R1)の割合(R1/R2)は、0.4〜2.5である、燃料電池。 - 請求項1に記載の燃料電池において、
前記凸部の最頂部と前記凹部の最底部との間の高低差(H)は、0.05〜1mmである、燃料電池。 - ガス流路が内部に形成された平板状の支持基板と、
前記支持基板の主面における互いに離れた複数の箇所にそれぞれ設けられ、それぞれが少なくとも燃料極、固体電解質、及び空気極が積層されてなる複数の発電素子部と、
隣り合う前記発電素子部の一方の燃料極と他方の空気極とを電気的に接続する電気的接続部と、
を備えた燃料電池であって、
前記支持基板の主面における前記複数の箇所に、前記支持基板の材料からなる底壁と全周に亘って前記支持基板の材料からなる周方向に閉じた側壁とを有する第1凹部がそれぞれ形成され、
前記各第1凹部に、対応する前記発電素子部の燃料極がそれぞれ埋設され、
前記埋設された燃料極の側面の一部又は全周において、前記側面の周方向に沿って、凹部と凸部とが交互に繰り返す凹凸が形成され、
前記凸部の最頂部と前記凹部の最底部との間の高低差(H)は、0.05〜1mmである、燃料電池。 - 請求項1乃至請求項3の何れか一項に記載の燃料電池において、
前記燃料極は、燃料極集電部と、前記燃料極集電部に対して酸素イオン伝導性を有する物質の含有割合が大きい燃料極活性部と、から構成され、
前記各第1凹部に、対応する前記発電素子部の燃料極集電部がそれぞれ埋設され、
前記埋設された各燃料極集電部の外側面に形成された第2凹部に、対応する前記発電素子部の燃料極活性部がそれぞれ埋設され、
前記埋設された燃料極集電部の側面の一部又は全周において、前記側面の周方向に沿って、前記凹凸が形成された、燃料電池。
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