JP5770355B2 - Fuel cell structure and fuel cell stack structure - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池の構造体、及び、燃料電池のスタック構造体に関する。 The present invention relates to a fuel cell structure and a fuel cell stack structure.
従来より、「内部にガス流路が形成された支持基板を備えた長手方向を有するセル」と、「前記各セルが支持板の表面から長手方向に沿ってそれぞれ突出し且つ前記複数のセルがスタック状に整列するように、前記各セルの長手方向の一端部を接合材を用いてそれぞれ接合・支持する支持板」と、「マニホールドの内部空間と前記複数のセルの前記ガス流路のそれぞれの一端部とが連通するように、前記支持板が設けられるガスのマニホールド」と、を備えた固体酸化物形燃料電池のスタック構造体が知られている(例えば、特許文献1を参照)。ここで、前記支持板は、「燃料極に供給される燃料ガスと空気極に供給される酸素を含むガスとの混合を防止するための仕切り部材」としても機能する。従って、前記接合材は、燃料ガスと酸素を含むガスとの混合を防止するためのシール機能をも備える。 Conventionally, “a cell having a longitudinal direction provided with a support substrate in which a gas flow path is formed” and “the cells protrude from the surface of the support plate along the longitudinal direction, and the plurality of cells are stacked. A support plate that joins and supports one end in the longitudinal direction of each cell using a joining material so as to be aligned in a shape, and “inner space of the manifold and each of the gas flow paths of the plurality of cells”. A stack structure of a solid oxide fuel cell including a gas manifold provided with the support plate so as to communicate with one end is known (for example, see Patent Document 1). Here, the support plate also functions as “a partition member for preventing mixing of the fuel gas supplied to the fuel electrode and the gas containing oxygen supplied to the air electrode”. Accordingly, the bonding material also has a sealing function for preventing mixing of the fuel gas and the gas containing oxygen.
上記接合材のシール機能を高めるため、接合材の材料として、ナトリウム(Na)、及び、カリウム(K)等を含有する物質(典型的には、結晶化ガラス)が使用され得る。これは、接合材にナトリウム及びカリウム等が含まれることによって、接合材の「ぬれ性」が高まり、接合材によって接合される部分(表面)の密着性が高まることに基づく。なお、結晶化ガラスとは、非晶質材料(非晶質ガラス)に熱処理(結晶化処理)を施すことによって非晶質材料が結晶化(固化、セラミックス化)されたものであり、結晶化度が60%以上のものであると定義できる。 In order to enhance the sealing function of the bonding material, a substance (typically crystallized glass) containing sodium (Na), potassium (K), or the like can be used as the material of the bonding material. This is based on the fact that sodium, potassium, and the like are contained in the bonding material, so that the “wetting property” of the bonding material is increased, and the adhesion of the portion (surface) bonded by the bonding material is increased. Note that crystallized glass is obtained by crystallizing (solidifying or ceramicizing) an amorphous material by subjecting an amorphous material (amorphous glass) to heat treatment (crystallization treatment). It can be defined that the degree is 60% or more.
ナトリウム及びカリウム等は、600〜900℃などの高温雰囲気にてステンレス鋼を腐食させる性質を併せ持つ。この点を鑑み、以下、ナトリウム及びカリウム等を「腐食物質」と呼ぶ。通常、上述したスタック構造体では、上記「マニホールド」、並びに、「隣接するセル間を電気的に接続する接続部材」等のように、「ステンレス鋼で構成された部材」(以下、「ステンレス部材」とも呼ぶ)が含まれる。 Sodium and potassium have the property of corroding stainless steel in a high-temperature atmosphere such as 600 to 900 ° C. In view of this point, sodium and potassium are hereinafter referred to as “corrosive substances”. Usually, in the stack structure described above, “members made of stainless steel” (hereinafter referred to as “stainless steel members”), such as the “manifold” and the “connecting member that electrically connects adjacent cells”. Is also called).
上述したスタック構造体において、上述のように接合材の材料として腐食物質を含有する物質が使用される場合、燃料電池の作動温度において、接合材から腐食物質が蒸発し得る。蒸発した腐食物質は、上記「ステンレス部材」に到達し得る。この結果、上記「ステンレス部材」が腐食物質によって腐食され易い、という問題が発生し得る。 In the stack structure described above, when a substance containing a corrosive substance is used as the material of the bonding material as described above, the corrosive substance can be evaporated from the bonding material at the operating temperature of the fuel cell. The evaporated corrosive substance can reach the “stainless steel member”. As a result, a problem may occur that the “stainless steel member” is easily corroded by corrosive substances.
本発明は、セルと仕切り部材との密着性を良好に維持しつつ、「ステンレス鋼で構成された部材」が腐食され難い、燃料電池の構造体を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a fuel cell structure in which “a member made of stainless steel” is hardly corroded while maintaining good adhesion between a cell and a partition member.
本発明に係る燃料電池の構造体は、「燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極との間に位置する固体電解質と、を含んで構成されるセル」と、「前記セルと、前記燃料極に供給される燃料ガスと前記空気極に供給される酸素を含むガスとの混合を防止するための仕切り部材であって、接合材を用いて前記セルに接合される仕切り部材」と、を含む。 The structure of the fuel cell according to the present invention includes a "cell configured to include a fuel electrode, an air electrode, and a solid electrolyte positioned between the fuel electrode and the air electrode" and "the cell A partition member for preventing mixing of a fuel gas supplied to the fuel electrode and a gas containing oxygen supplied to the air electrode, the partition member being joined to the cell using a joining material ”.
この燃料電池の構造体の特徴は、前記接合材が、前記腐食物質を含有する物質で構成されるとともに、前記接合材における「前記燃料電池の稼働中にて前記燃料ガスが通過する空間に向いた表面」が、前記腐食物質を含有しない物質の膜で覆われたことにある。前記「表面」は、「腐食物質を含有しない物質の膜で覆われないと仮定したときに、燃料電池の稼働中にて燃料ガスにさらされる表面」と記載することもできる。ここにおいて、前記膜は、緻密質であっても多孔質であってもよい。前記膜の厚さは、1μm以上であることが好ましい。また、前記膜について、「腐食物質を含有しない」とは、腐食物質の含有率が0.5重量%以下であることを指す。前記接合材を構成する「腐食物質を含有する物質」における腐食物質の含有率は、5〜40重量%である。 The fuel cell structure is characterized in that the bonding material is composed of a substance containing the corrosive substance, and is suitable for a space in the bonding material through which the fuel gas passes during operation of the fuel cell. The “existing surface” is covered with a film of a substance not containing the corrosive substance. The “surface” can also be described as “a surface that is exposed to fuel gas during operation of the fuel cell, assuming that it is not covered with a film of a substance that does not contain corrosive substances”. Here, the film may be dense or porous. The thickness of the film is preferably 1 μm or more. In the film, “not containing a corrosive substance” means that the content of the corrosive substance is 0.5% by weight or less. The content of the corrosive substance in the “substance containing corrosive substance” constituting the bonding material is 5 to 40% by weight.
前記接合材における「燃料ガスが通過する空間に向いた表面」が腐食部材を含有する物質で構成される場合、接合材における同表面から蒸発した腐食物質が、「燃料ガスが通過する空間に面して存在するステンレス部材」に到達する現象が発生し得る。これに対し、上記構成では、前記接合材における同表面が、腐食部材を含有しない物質の膜で覆われる。従って、上記現象が発生し得ず(或いは、発生し難くなり)、この結果、「燃料ガスが通過する空間に面して存在するステンレス部材の腐食」の問題が発生しなくなる(或いは、発生し難くなる)。 When the “surface facing the space through which the fuel gas passes” in the bonding material is made of a substance containing a corrosive member, the corrosive substance evaporated from the surface of the bonding material is “faced in the space through which the fuel gas passes. The phenomenon of reaching the “stained stainless steel member” may occur. On the other hand, in the said structure, the same surface in the said joining material is covered with the film | membrane of the substance which does not contain a corrosive member. Therefore, the above phenomenon cannot occur (or becomes difficult to occur), and as a result, the problem of “corrosion of the stainless steel member existing facing the space through which the fuel gas passes” does not occur (or occurs). It becomes difficult.)
加えて、前記接合材は、腐食物質を含有する物質で構成される。従って、接合材の「ぬれ性」の向上によって、接合材によって接合される部分の密着性が高まる。以上、上記構成によれば、セルと仕切り部材との密着性を良好に維持しつつ、燃料ガスが通過する空間に面して存在するステンレス部材が腐食され難くなる。 In addition, the bonding material is composed of a substance containing a corrosive substance. Therefore, by improving the “wetting property” of the bonding material, the adhesion of the portion bonded by the bonding material is increased. As described above, according to the above configuration, the stainless steel member that faces the space through which the fuel gas passes is hardly corroded while maintaining good adhesion between the cell and the partition member.
上述した本発明に係る燃料電池の構造体が、上記「背景技術」の欄に記載された燃料電池のスタック構造体に適用される場合、前記「支持板」が前記「仕切り部材」に対応する。また、この場合、前記接合材は、腐食物質を含有する物質で構成されるとともに、前記接合材における「前記燃料電池の稼働中にて前記マニホールドを介して前記ガス流路に供給される燃料ガスが通過する空間に向いた表面」は、腐食物質を含有しない物質の膜で覆われる。ここにおいて、「前記燃料ガスが通過する空間に向いた表面」は、「前記マニホールドの内部空間に向いた表面」と記載することもできる。 When the above-described fuel cell structure according to the present invention is applied to the fuel cell stack structure described in the “Background Art” section, the “support plate” corresponds to the “partition member”. . In this case, the bonding material is made of a substance containing a corrosive substance, and “a fuel gas supplied to the gas flow path through the manifold during operation of the fuel cell” in the bonding material. The surface facing the space through which is passed is covered with a film of a substance that does not contain corrosive substances. Here, the “surface facing the space through which the fuel gas passes” can also be described as “surface facing the internal space of the manifold”.
以上、前記接合材における「前記燃料電池の稼働中にて前記燃料ガスが通過する空間に向いた表面」が「腐食物質を含有しない物質の膜」で覆われる構成についての作用・効果について説明してきたが、前記接合材における「前記燃料電池の稼働中にて前記酸素を含むガスが通過する空間に向いた表面」が「腐食物質を含有しない物質の膜」で覆われる構成についても、同様の作用・効果が奏され得る。 The operation and effect of the configuration in which the “surface facing the space through which the fuel gas passes during operation of the fuel cell” in the bonding material is covered with the “film of a substance not containing a corrosive substance” has been described above. However, the same applies to the structure in which the “surface facing the space through which the gas containing oxygen passes during operation of the fuel cell” in the bonding material is covered with the “film of a substance not containing a corrosive substance”. An effect | action and an effect can be show | played.
即ち、「空気が通過する空間に面して存在するステンレス部材の腐食」の問題が発生しなくなる(或いは、発生し難くなる)。加えて、前記接合材の腐食物質の含有に起因する接合材の「ぬれ性」の向上によって、接合材によって接合される部分の密着性が高まる。以上、上記構成によれば、セルと仕切り部材との密着性を良好に維持しつつ、空気が通過する空間に面して存在するステンレス部材が腐食され難くなる。 That is, the problem of “corrosion of the stainless steel member facing the space through which air passes” does not occur (or is difficult to occur). In addition, by improving the “wetting property” of the bonding material due to the inclusion of the corrosive substance in the bonding material, the adhesion of the portion bonded by the bonding material is increased. As mentioned above, according to the said structure, the stainless steel member which exists facing the space which air passes through becomes difficult to corrode, maintaining the adhesiveness of a cell and a partition member favorably.
上記本発明に係る燃料電池の構造体では、前記腐食物質を含有しない物質の膜が多孔質膜であり、前記膜の厚さが1〜10μmであり、且つ、前記膜の気孔率が10〜40体積%であることが好適である。この点については後に詳述する。 In the fuel cell structure according to the present invention, the film of the substance not containing the corrosive substance is a porous film, the thickness of the film is 1 to 10 μm, and the porosity of the film is 10 to 10 μm. It is suitable that it is 40 volume%. This point will be described in detail later.
(スタック構造体に使用されるセルの構成の一例)
先ず、本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池(SOFC)のスタック構造体に使用されるセル100について説明する。図1に示すように、このセル100は、長手方向(x軸方向)を有する平板状の支持基板10の上下面(互いに平行な両側の主面(平面))のそれぞれに、電気的に直列に接続された複数(本例では、4つ)の同形の発電素子部Aが長手方向において所定の間隔をおいて配置された、所謂「横縞型」と呼ばれる構成を有する。
(Example of cell configuration used for stack structure)
First, a cell 100 used in a stack structure of a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention will be described. As shown in FIG. 1, this cell 100 is electrically connected in series to the upper and lower surfaces (main surfaces (planes) on both sides parallel to each other) of a flat plate-like support substrate 10 having a longitudinal direction (x-axis direction). A plurality (four in this example) of the same power generation element portions A connected to each other are arranged at a predetermined interval in the longitudinal direction, so-called “horizontal stripe type”.
このセル100の全体を上方からみた形状は、例えば、長手方向の辺の長さL1が50〜500mmで長手方向に直交する幅方向(y軸方向)の長さL2が10〜100mmの長方形である(L1>L2)。このセル100の全体の厚さL3は、1〜5mmである(L2>L3)。このセル100の全体は、厚さ方向の中心を通り且つ支持基板10の主面に平行な面に対して上下対称の形状を有する。以下、図1に加えて、このセル100の図1に示す2−2線に対応する部分断面図である図2を参照しながら、このセル100の詳細について説明する。図2は、代表的な1組の隣り合う発電素子部A,Aのそれぞれの構成(の一部)、並びに、発電素子部A,A間の構成を示す部分断面図である。その他の組の隣り合う発電素子部A,A間の構成も、図2に示す構成と同様である。 The shape of the entire cell 100 viewed from above is, for example, a rectangle with a side length L1 in the longitudinal direction of 50 to 500 mm and a length L2 in the width direction (y-axis direction) perpendicular to the longitudinal direction of 10 to 100 mm. Yes (L1> L2). The total thickness L3 of the cell 100 is 1 to 5 mm (L2> L3). The entire cell 100 has a vertically symmetrical shape with respect to a plane passing through the center in the thickness direction and parallel to the main surface of the support substrate 10. Hereinafter, in addition to FIG. 1, details of the cell 100 will be described with reference to FIG. 2, which is a partial cross-sectional view of the cell 100 corresponding to line 2-2 shown in FIG. 1. 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、各凹部12は、支持基板10の材料からなる底壁と、全周に亘って支持基板10の材料からなる周方向に閉じた側壁(長手方向に沿う2つの側壁と幅方向に沿う2つの側壁)と、で画定された直方体状の窪みである。 The support substrate 10 is a flat plate-like fired body made of a porous material having no electronic conductivity. As shown in FIG. 6 to be described later, a plurality of (six in this example) fuel gas passages 11 (through holes) extending in the longitudinal direction are provided in the support substrate 10 at predetermined intervals in the width direction. Is formed. In this example, each recess 12 includes a bottom wall made of the material of the support substrate 10 and side walls closed in the circumferential direction made of the material of the support substrate 10 over the entire circumference (two side walls along the longitudinal direction and the width direction). A rectangular parallelepiped depression defined by two side walls).
支持基板10は、例えば、CSZ(カルシア安定化ジルコニア)から構成され得る。或いは、NiO(酸化ニッケル)とYSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)とから構成されてもよいし、NiO(酸化ニッケル)とY2O3(イットリア)とから構成されてもよいし、MgO(酸化マグネシウム)とMgAl2O4(マグネシアアルミナスピネル)とから構成されてもよい。 The support substrate 10 can be made of, for example, CSZ (calcia stabilized zirconia). Alternatively, it may be composed of NiO (nickel oxide) and YSZ (8YSZ) (yttria stabilized zirconia), NiO (nickel oxide) and Y 2 O 3 (yttria), or MgO. (Magnesium oxide) and MgAl 2 O 4 (magnesia alumina spinel) may be used.
支持基板10は、「遷移金属酸化物又は遷移金属」と、絶縁性セラミックスとを含んで構成され得る。「遷移金属酸化物又は遷移金属」としては、NiO(酸化ニッケル)又はNi(ニッケル)が好適である。遷移金属は、燃料ガスの改質反応を促す触媒(炭化水素系のガスの改質触媒)として機能し得る。 The support substrate 10 may be configured to include “transition metal oxide or transition metal” and insulating ceramics. As the “transition metal oxide or transition metal”, NiO (nickel oxide) or Ni (nickel) is suitable. The transition metal can function as a catalyst for promoting a reforming reaction of the fuel gas (hydrocarbon-based gas reforming catalyst).
また、絶縁性セラミックスとしては、MgO(酸化マグネシウム)、又は、「MgAl2O4(マグネシアアルミナスピネル)とMgO(酸化マグネシウム)の混合物」が好適である。また、絶縁性セラミックスとして、CSZ(カルシア安定化ジルコニア)、YSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)、Y2O3(イットリア)が使用されてもよい。 Further, as the insulating ceramic, MgO (magnesium oxide) or “mixture of MgAl 2 O 4 (magnesia alumina spinel) and MgO (magnesium oxide)” is preferable. Further, CSZ (calcia stabilized zirconia), YSZ (8YSZ) (yttria stabilized zirconia), Y 2 O 3 (yttria) may be used as the insulating ceramic.
このように、支持基板10が「遷移金属酸化物又は遷移金属」を含むことによって、改質前の残存ガス成分を含んだガスが多孔質の支持基板10の内部の多数の気孔を介して燃料ガス流路11から燃料極に供給される過程において、上記触媒作用によって改質前の残存ガス成分の改質を促すことができる。加えて、支持基板10が絶縁性セラミックスを含むことによって、支持基板10の絶縁性を確保することができる。この結果、隣り合う燃料極間における絶縁性が確保され得る。 As described above, since the support substrate 10 contains “transition metal oxide or transition metal”, the gas containing the residual gas component before the reforming is supplied to the fuel through the numerous pores inside the porous support substrate 10. In the process of being supplied from the gas flow path 11 to the fuel electrode, the catalytic action can promote the reforming of the residual gas component before the reforming. In addition, the insulating property of the support substrate 10 can be ensured by the support substrate 10 containing insulating ceramics. As a result, insulation between adjacent fuel electrodes can be ensured.
支持基板10の厚さは、1〜5mmである。以下、この構造体の形状が上下対称となっていることを考慮し、説明の簡便化のため、支持基板10の上面側の構成についてのみ説明していく。支持基板10の下面側の構成についても同様である。 The thickness of the support substrate 10 is 1 to 5 mm. Hereinafter, only the configuration on the upper surface side of the support substrate 10 will be described in consideration of the fact that the shape of the structure is vertically symmetrical. The same applies to the configuration of the lower surface side of the support substrate 10.
図2及び図3に示すように、支持基板10の上面(上側の主面)に形成された各凹部12には、燃料極集電部21の全体が埋設(充填)されている。従って、各燃料極集電部21は直方体状を呈している。各燃料極集電部21の上面(外側面)には、凹部21aが形成されている。各凹部21aは、燃料極集電部21の材料からなる底壁と、周方向に閉じた側壁(長手方向に沿う2つの側壁と幅方向に沿う2つの側壁)と、で画定された直方体状の窪みである。周方向に閉じた側壁のうち、長手方向に沿う2つの側壁は支持基板10の材料からなり、幅方向に沿う2つの側壁は燃料極集電部21の材料からなる。 As shown in FIGS. 2 and 3, the entire fuel electrode current collector 21 is embedded (filled) in each recess 12 formed in the upper surface (upper main surface) of the support substrate 10. Therefore, each fuel electrode current collector 21 has a rectangular parallelepiped shape. A recess 21 a is formed on the upper surface (outer surface) of each fuel electrode current collector 21. Each recess 21a has a rectangular parallelepiped shape defined by a bottom wall made of the material of the fuel electrode current collector 21 and side walls closed in the circumferential direction (two side walls along the longitudinal direction and two side walls along the width direction). It is a depression. Of the side walls closed in the circumferential direction, two side walls along the longitudinal direction are made of the material of the support substrate 10, and two side walls along the width direction are made of the material of the fuel electrode current collector 21.
各凹部21aには、燃料極活性部22の全体が埋設(充填)されている。従って、各燃料極活性部22は直方体状を呈している。燃料極集電部21と燃料極活性部22とにより燃料極20が構成される。燃料極20(燃料極集電部21+燃料極活性部22)は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。各燃料極活性部22の幅方向に沿う2つの側面と底面とは、凹部21a内で燃料極集電部21と接触している。 The entire anode active portion 22 is embedded (filled) in each recess 21a. Accordingly, each fuel electrode active portion 22 has a rectangular parallelepiped shape. A fuel electrode 20 is configured by the fuel electrode current collector 21 and the fuel electrode active unit 22. The fuel electrode 20 (fuel electrode current collector 21 + fuel electrode active part 22) is a fired body made of a porous material having electron conductivity. The two side surfaces and the bottom surface along the width direction of each anode active portion 22 are in contact with the anode current collecting portion 21 in the recess 21a.
各燃料極集電部21の上面(外側面)における凹部21aを除いた部分には、凹部21bが形成されている。各凹部21bは、燃料極集電部21の材料からなる底壁と、周方向に閉じた側壁(長手方向に沿う2つの側壁と幅方向に沿う2つの側壁)と、で画定された直方体状の窪みである。周方向に閉じた側壁のうち、長手方向に沿う2つの側壁は支持基板10の材料からなり、幅方向に沿う2つの側壁は燃料極集電部21の材料からなる。 A recess 21b is formed in a portion of the upper surface (outer surface) of each fuel electrode current collector 21 excluding the recess 21a. Each recess 21b has a rectangular parallelepiped shape defined by a bottom wall made of the material of the fuel electrode current collector 21 and side walls closed in the circumferential direction (two side walls along the longitudinal direction and two side walls along the width direction). It is a depression. Of the side walls closed in the circumferential direction, two side walls along the longitudinal direction are made of the material of the support substrate 10, and two side walls along the width direction are made of the material of the fuel electrode current collector 21.
各凹部21bには、インターコネクタ30が埋設(充填)されている。従って、各インターコネクタ30は直方体状を呈している。インターコネクタ30は、電子伝導性を有する緻密な材料からなる焼成体である。各インターコネクタ30の幅方向に沿う2つの側面と底面とは、凹部21b内で燃料極集電部21と接触している。 An interconnector 30 is embedded (filled) in each recess 21b. Accordingly, each interconnector 30 has a rectangular parallelepiped shape. The interconnector 30 is a fired body made of a dense material having electronic conductivity. The two side surfaces and the bottom surface along the width direction of each interconnector 30 are in contact with the fuel electrode current collector 21 in the recess 21b.
燃料極20(燃料極集電部21及び燃料極活性部22)の上面(外側面)と、インターコネクタ30の上面(外側面)と、支持基板10の主面とにより、1つの平面(凹部12が形成されていない場合の支持基板10の主面と同じ平面)が構成されている。即ち、燃料極20の上面とインターコネクタ30の上面と支持基板10の主面との間で、段差が形成されていない。 The upper surface (outer surface) of the fuel electrode 20 (the fuel electrode current collector 21 and the fuel electrode active unit 22), the upper surface (outer surface) of the interconnector 30, and the main surface of the support substrate 10 form one plane (recessed portion). The same plane as the main surface of the support substrate 10 when 12 is not formed) is formed. That is, no step is formed between the upper surface of the fuel electrode 20, the upper surface of the interconnector 30, and the main surface of the support substrate 10.
燃料極活性部22は、例えば、NiO(酸化ニッケル)とYSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)とから構成され得る。或いは、NiO(酸化ニッケル)とGDC(ガドリニウムドープセリア)とから構成されてもよい。燃料極集電部21は、例えば、NiO(酸化ニッケル)とYSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)とから構成され得る。或いは、NiO(酸化ニッケル)とY2O3(イットリア)とから構成されてもよいし、NiO(酸化ニッケル)とCSZ(カルシア安定化ジルコニア)とから構成されてもよい。燃料極活性部22の厚さは、5〜30μmであり、燃料極集電部21の厚さ(即ち、凹部12の深さ)は、50〜500μmである。 The fuel electrode active part 22 can be composed of, for example, NiO (nickel oxide) and YSZ (8YSZ) (yttria stabilized zirconia). Or you may comprise from NiO (nickel oxide) and GDC (gadolinium dope ceria). The fuel electrode current collector 21 can be composed of, for example, NiO (nickel oxide) and YSZ (8YSZ) (yttria stabilized zirconia). Alternatively, it may be composed of NiO (nickel oxide) and Y 2 O 3 (yttria), or may be composed of NiO (nickel oxide) and CSZ (calcia stabilized zirconia). The thickness of the anode active portion 22 is 5 to 30 μm, and the thickness of the anode current collecting portion 21 (that is, the depth of the recess 12) is 50 to 500 μm.
このように、燃料極集電部21は、電子伝導性を有する物質を含んで構成される。燃料極活性部22は、電子伝導性を有する物質と酸素イオン伝導性を有する物質とを含んで構成される。燃料極活性部22における「気孔部分を除いた全体積に対する酸化性イオン伝導性を有する物質の体積割合」は、燃料極集電部21における「気孔部分を除いた全体積に対する酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合」よりも大きい。 As described above, the fuel electrode current collector 21 includes a substance having electronic conductivity. The fuel electrode active part 22 includes a substance having electron conductivity and a substance having oxygen ion conductivity. The “volume ratio of the substance having oxidative ion conductivity relative to the total volume excluding the pore portion” in the anode active portion 22 is the “oxygen ion conductivity relative 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 having”.
インターコネクタ30は、例えば、LaCrO3(ランタンクロマイト)から構成され得る。或いは、(Sr,La)TiO3(ストロンチウムチタネート)から構成されてもよい。インターコネクタ30の厚さは、10〜100μmである。 The interconnector 30 can be composed of, for example, LaCrO 3 (lanthanum chromite). Alternatively, it may be composed of (Sr, La) TiO 3 (strontium titanate). The thickness of the interconnector 30 is 10 to 100 μm.
燃料極20及びインターコネクタ30がそれぞれの凹部12に埋設された状態の支持基板10における長手方向に延びる外周面において複数のインターコネクタ30が形成されたそれぞれの部分の長手方向中央部を除いた全面は、固体電解質膜40により覆われている。固体電解質膜40は、イオン伝導性を有し且つ電子伝導性を有さない緻密な材料からなる焼成体である。固体電解質膜40は、例えば、YSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)から構成され得る。或いは、LSGM(ランタンガレート)から構成されてもよい。固体電解質膜40の厚さは、3〜50μmである。 The entire surface excluding the central portion in the longitudinal direction of each portion where the plurality of interconnectors 30 are formed on the outer peripheral surface extending in the longitudinal direction of the support substrate 10 in a state where the fuel electrode 20 and the interconnector 30 are embedded in the respective recesses 12. Is covered with a solid electrolyte membrane 40. The solid electrolyte membrane 40 is a fired body made of a dense material having ionic conductivity and not electron conductivity. The solid electrolyte membrane 40 can be made of, for example, YSZ (8YSZ) (yttria stabilized zirconia). Or you may comprise from LSGM (lantern gallate). The thickness of the solid electrolyte membrane 40 is 3 to 50 μm.
即ち、燃料極20がそれぞれの凹部12に埋設された状態の支持基板10における長手方向に延びる外周面の全面は、インターコネクタ30と固体電解質膜40とからなる緻密層により覆われている。この緻密層は、緻密層の内側の空間を流れる燃料ガスと緻密層の外側の空間を流れる空気との混合を防止するガスシール機能を発揮する。 That is, the entire outer peripheral surface extending in the longitudinal direction of the support substrate 10 in a state where the fuel electrode 20 is embedded in each recess 12 is covered with a dense layer composed of the interconnector 30 and the solid electrolyte membrane 40. This dense layer exhibits a gas sealing function that prevents mixing of the fuel gas flowing in the space inside the dense layer and the air flowing in the space outside the dense layer.
なお、図2に示すように、本例では、固体電解質膜40が、燃料極20の上面、インターコネクタ30の上面における長手方向の両側端部、及び支持基板10の主面を覆っている。ここで、上述したように、燃料極20の上面とインターコネクタ30の上面と支持基板10の主面との間で段差が形成されていない。従って、固体電解質膜40が平坦化されている。この結果、固体電解質膜40に段差が形成される場合に比して、応力集中に起因する固体電解質膜40でのクラックの発生が抑制され得、固体電解質膜40が有するガスシール機能の低下が抑制され得る。 As shown in FIG. 2, in this example, the solid electrolyte membrane 40 covers the upper surface of the fuel electrode 20, both end portions in the longitudinal direction on the upper surface of the interconnector 30, and the main surface of the support substrate 10. Here, as described above, no step is formed between the upper surface of the fuel electrode 20, the upper surface of the interconnector 30, and the main surface of the support substrate 10. Therefore, the solid electrolyte membrane 40 is flattened. As a result, compared with the case where a step is formed in the solid electrolyte membrane 40, the generation of cracks in the solid electrolyte membrane 40 due to stress concentration can be suppressed, and the gas sealing function of the solid electrolyte membrane 40 is reduced. Can be suppressed.
固体電解質膜40における各燃料極活性部22と接している箇所の上面には、反応防止膜50を介して空気極60が形成されている。反応防止膜50は、緻密な材料からなる焼成体であり、空気極60は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。反応防止膜50及び空気極60を上方からみた形状は、燃料極活性部22と略同一の長方形である。 An air electrode 60 is formed on the upper surface of a portion in contact with each fuel electrode active part 22 in the solid electrolyte membrane 40 via a reaction preventing film 50. The reaction preventing film 50 is a fired body made of a dense material, and the air electrode 60 is a fired body made of a porous material having electron conductivity. The shape of the reaction preventing film 50 and the air electrode 60 viewed from above is substantially the same rectangle as the fuel electrode active part 22.
反応防止膜50は、例えば、GDC=(Ce,Gd)O2(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)O3(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)FeO3(ランタンストロンチウムフェライト)、LNF=La(Ni,Fe)O3(ランタンニッケルフェライト)、LSC=(La,Sr)CoO3(ランタンストロンチウムコバルタイト)等から構成されてもよい。また、空気極60は、LSCFからなる第1層(内側層)とLSCからなる第2層(外側層)との2層によって構成されてもよい。空気極60の厚さは、10〜100μmである。 The reaction preventing film 50 can be made of, for example, GDC = (Ce, Gd) O 2 (gadolinium-doped ceria). The thickness of the reaction preventing film 50 is 3 to 50 μm. The air electrode 60 can be made of, for example, LSCF = (La, Sr) (Co, Fe) O 3 (lanthanum strontium cobalt ferrite). Alternatively, from LSF = (La, Sr) FeO 3 (lanthanum strontium ferrite), LNF = La (Ni, Fe) O 3 (lanthanum nickel ferrite), LSC = (La, Sr) CoO 3 (lanthanum strontium cobaltite), etc. It may be configured. Further, the air electrode 60 may be configured by two layers of a first layer (inner layer) made of LSCF and a second layer (outer layer) made of LSC. The thickness of the air electrode 60 is 10 to 100 μm.
なお、反応防止膜50が介装されるのは、SOFC作製時又は作動中のSOFC内において固体電解質膜40内のYSZと空気極60内のSrとが反応して固体電解質膜40と空気極60との界面に電気抵抗が大きい反応層が形成される現象の発生を抑制するためである。 The reaction preventing film 50 is interposed because the YSZ in the solid electrolyte film 40 and the Sr in the air electrode 60 react with each other in the SOFC during the production or operation of the SOFC, and the solid electrolyte film 40 and the air electrode. This is to suppress the occurrence of a phenomenon in which a reaction layer having a large electric resistance is formed at the interface with the substrate 60.
ここで、燃料極20と、固体電解質膜40と、反応防止膜50と、空気極60とが積層されてなる積層体が、「発電素子部A」に対応する(図2を参照)。即ち、支持基板10の上面には、複数(本例では、4つ)の発電素子部Aが、長手方向において所定の間隔をおいて配置されている。 Here, the laminated body formed by laminating the fuel electrode 20, the solid electrolyte membrane 40, the reaction preventing membrane 50, and the air electrode 60 corresponds to the “power generation element portion A” (see FIG. 2). In other words, a plurality (four in this example) of power generating element portions A are arranged on the upper surface of the support substrate 10 at a predetermined interval in the longitudinal direction.
各組の隣り合う発電素子部A,Aについて、一方の(図2では、左側の)発電素子部Aの空気極60と、他方の(図2では、右側の)発電素子部Aのインターコネクタ30とを跨ぐように、空気極60、固体電解質膜40、及び、インターコネクタ30の上面に、空気極集電膜70が形成されている。空気極集電膜70は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。空気極集電膜70を上方からみた形状は、長方形である。 For each pair of adjacent power generation element portions A and A, the air electrode 60 of one power generation element portion A (on the left side in FIG. 2) and the interconnector of the other power generation element portion A (on the right side in FIG. 2). The air electrode current collecting film 70 is formed on the upper surfaces of the air electrode 60, the solid electrolyte film 40, and the interconnector 30. The air electrode current collector film 70 is a fired body made of a porous material having electron conductivity. The shape of the air electrode current collector film 70 as viewed from above is a rectangle.
空気極集電膜70は、例えば、LSCF=(La,Sr)(Co,Fe)O3(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)CoO3(ランタンストロンチウムコバルタイト)から構成されてもよい。或いは、Ag(銀)、Ag−Pd(銀パラジウム合金)から構成されてもよい。空気極集電膜70の厚さは、50〜500μmである。 The air electrode current collector film 70 can be made of, for example, LSCF = (La, Sr) (Co, Fe) O 3 (lanthanum strontium cobalt ferrite). Alternatively, LSC = (La, Sr) CoO 3 (lanthanum strontium cobaltite) may be used. Or you may comprise from Ag (silver) and Ag-Pd (silver palladium alloy). The thickness of the air electrode current collector film 70 is 50 to 500 μm.
このように各空気極集電膜70が形成されることにより、各組の隣り合う発電素子部A,Aについて、一方の(図2では、左側の)発電素子部Aの空気極60と、他方の(図2では、右側の)発電素子部Aの燃料極20(特に、燃料極集電部21)とが、電子伝導性を有する「空気極集電膜70及びインターコネクタ30」を介して電気的に接続される。この結果、支持基板10の上面に配置されている複数(本例では、4つ)の発電素子部Aが電気的に直列に接続される。ここで、電子伝導性を有する「空気極集電膜70及びインターコネクタ30」が、前記「電気的接続部」に対応する。 By forming each air electrode current collecting film 70 in this way, for each pair of adjacent power generation element portions A and A, the air electrode 60 of one power generation element portion A (on the left side in FIG. 2), The other fuel electrode 20 (particularly, the fuel electrode current collector 21) of the power generating element part A (on the right side in FIG. 2) passes through the “air electrode current collector film 70 and interconnector 30” having electronic conductivity. Are electrically connected. As a result, a plurality (four in this example) of power generation element portions A arranged on the upper surface of the support substrate 10 are electrically connected in series. Here, the “air electrode current collector film 70 and the interconnector 30” having electronic conductivity correspond to the “electrical connection part”.
なお、インターコネクタ30は、前記「電気的接続部」における前記「緻密な材料で構成された第1部分」に対応し、気孔率は10%以下である。空気極集電膜70は、前記「電気的接続部」における前記「多孔質の材料で構成された第2部分」に対応し、気孔率は20〜60%である。 The interconnector 30 corresponds to the “first portion made of a dense material” in the “electrical connection portion” and has a porosity of 10% or less. The air electrode current collecting film 70 corresponds to the “second portion made of a porous material” in the “electrical connection portion”, and has a porosity of 20 to 60%.
以上、説明した図1に示す「横縞型」のセル100に対して、図4に示すように、支持基板10の燃料ガス流路11内に燃料ガス(水素ガス等)を流すとともに、支持基板10の上下面(特に、各空気極集電膜70)を「酸素を含むガス」(空気等)に曝す(或いは、支持基板10の上下面に沿って酸素を含むガスを流す)ことにより、固体電解質膜40の両側面間に生じる酸素分圧差によって起電力が発生する。更に、この構造体を外部の負荷に接続すると、下記(1)、(2)式に示す化学反応が起こり、電流が流れる(発電状態)。
(1/2)・O2+2e−→O2− (於:空気極60) …(1)
H2+O2−→H2O+2e− (於:燃料極20) …(2)
As described above, as shown in FIG. 4, the fuel gas (hydrogen gas or the like) flows through the fuel gas flow path 11 of the support substrate 10 with respect to the “horizontal stripe type” cell 100 shown in FIG. 10 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), An electromotive force is generated by an oxygen partial pressure difference generated between both side surfaces of the solid 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、このセル100全体から(具体的には、図4において最も手前側の発電素子部Aのインターコネクタ30と最も奥側の発電素子部Aの空気極60とを介して)電力が取り出される。 In the power generation state, as shown in FIG. 5, a current flows as indicated by an arrow in each pair of adjacent power generation element portions A and A. As a result, as shown in FIG. 4, from the entire cell 100 (specifically, in FIG. 4, the interconnector 30 of the power generating element part A on the foremost side and the air electrode 60 of the power generating element part A on the farthest side) The power is removed.
(製造方法)
次に、図1に示した「横縞型」のセル100の製造方法の一例について図6〜図14を参照しながら簡単に説明する。図6〜図14において、各部材の符号の末尾の「g」は、その部材が「焼成前」であることを表す。
(Production method)
Next, an example of a manufacturing method of the “horizontal stripe type” cell 100 shown in FIG. 1 will be briefly described with reference to FIGS. 6 to 14, “g” at the end of the reference numeral of each member represents that the member is “before firing”.
先ず、図6に示す形状を有する支持基板の成形体10gが作製される。この支持基板の成形体10gは、例えば、支持基板10の材料(例えば、CSZ)の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、押し出し成形、切削等の手法を利用して作製され得る。以下、図6に示す7−7線に対応する部分断面を表す図7〜図14を参照しながら説明を続ける。 First, a support substrate molded body 10g having the shape shown in FIG. 6 is produced. The molded body 10g of the support substrate is manufactured by using a method such as extrusion molding or cutting using a slurry obtained by adding a binder or the like to the material of the support substrate 10 (for example, CSZ). obtain. Hereinafter, the description will be continued with reference to FIGS. 7 to 14 showing partial cross sections corresponding to line 7-7 shown in FIG. 6.
図7に示すように、支持基板の成形体10gが作製されると、次に、図8に示すように、支持基板の成形体10gの上下面に形成された各凹部に、燃料極集電部の成形体21gがそれぞれ埋設・形成される。次いで、図9に示すように、各燃料極集電部の成形体21gの外側面に形成された各凹部に、燃料極活性部の成形体22gがそれぞれ埋設・形成される。各燃料極集電部の成形体21g、及び各燃料極活性部22gは、例えば、燃料極20の材料(例えば、NiとYSZ)の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して埋設・形成される。 When the support substrate molded body 10g is manufactured as shown in FIG. 7, the fuel electrode current collector is then placed in each recess formed in the upper and lower surfaces of the support substrate molded body 10g as shown in FIG. Each of the molded parts 21g is embedded and formed. Next, as shown in FIG. 9, a molded body 22g of the fuel electrode active portion is embedded and formed in each recess formed in the outer surface of the molded body 21g of each fuel electrode current collector. The molded body 21g of each fuel electrode current collector and each of the fuel electrode active parts 22g use, for example, a slurry obtained by adding a binder or the like to the powder of the material of the fuel electrode 20 (for example, Ni and YSZ), It is embedded and formed using printing methods.
続いて、図10に示すように、各燃料極集電部の成形体21gの外側面における「燃料極活性部の成形体22gが埋設された部分を除いた部分」に形成された各凹部に、インターコネクタの成形体30gがそれぞれ埋設・形成される。各インターコネクタの成形体30gは、例えば、インターコネクタ30の材料(例えば、LaCrO3)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に示したセル100において空気極60及び空気極集電膜70が形成されていない状態の構造体が得られる。 Then, 10 g of the support substrate molded body in which various molded films are thus formed is fired in air at 1500 ° C. for 3 hours. Thereby, the structure of the state in which the air electrode 60 and the air electrode current collection film | membrane 70 are not formed in the cell 100 shown in FIG. 1 is obtained.
次に、図13に示すように、各反応防止膜50の外側面に、空気極の成形膜60gが形成される。各空気極の成形膜60gは、例えば、空気極60の材料(例えば、LSCF)の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して形成される。 Next, as shown in FIG. 13, an air electrode forming film 60 g is formed on the outer surface of each reaction preventing film 50. The molded film 60g of each air electrode is formed using a slurry obtained by adding a binder or the like to the powder of the material of the air electrode 60 (for example, LSCF), using a printing method or the like.
次に、図14に示すように、各組の隣り合う発電素子部について、一方の発電素子部の空気極の成形膜60gと、他方の発電素子部のインターコネクタ30とを跨ぐように、空気極の成形膜60g、固体電解質膜40、及び、インターコネクタ30の外側面に、空気極集電膜の成形膜70gが形成される。各空気極集電膜の成形膜70gは、例えば、空気極集電膜70の材料(例えば、LSCF)の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して形成される。 Next, as shown in FIG. 14, for each pair of adjacent power generation element portions, air is formed so as to straddle the air electrode molding film 60 g of one power generation element portion and the interconnector 30 of the other power generation element portion. On the outer surface of the electrode forming film 60 g, the solid electrolyte film 40, and the interconnector 30, the air electrode current collecting film forming film 70 g is formed. The forming film 70g of each air electrode current collector film is obtained by using a slurry obtained by adding a binder or the like to the powder of the material of the air electrode current collector film 70 (for example, LSCF), using a printing method or the like. It is formed.
そして、このように成形膜60g、70gが形成された状態の支持基板10が、空気中にて1050℃で3時間焼成される。これにより、図1に示したセル100が得られる。以上、図1に示したセル100の製造方法の一例について説明した。 Then, the support substrate 10 in which the molded films 60g and 70g are thus formed is baked in air at 1050 ° C. for 3 hours. Thereby, the cell 100 shown in FIG. 1 is obtained. In the above, an example of the manufacturing method of the cell 100 shown in FIG. 1 was demonstrated.
なお、この時点では、酸素含有雰囲気での焼成により、燃料極20中のNi成分が、NiOとなっている。従って、これらの導電性を獲得するため、その後、支持基板10側から還元性の燃料ガスが流され、NiOが800〜1000℃で1〜10時間に亘って還元処理される。なお、この還元処理は発電時に行われてもよい。 At this time, the Ni component in the fuel electrode 20 is NiO by firing in an oxygen-containing atmosphere. Therefore, in order to acquire these electroconductivity, after that, reducing fuel gas is flowed from the support substrate 10 side, and NiO is reduced at 800 to 1000 ° C. for 1 to 10 hours. This reduction process may be performed during power generation.
(スタック構造体の全体構成の一例)
次に、上述したセル100を用いた本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池(SOFC)のスタック構造体について説明する。図15に示すように、このスタック構造体は、多数のセル100と、多数のセル100のそれぞれに燃料ガスを供給するための燃料ガスのマニホールド200と、を備えている。マニホールド200の全体は、ステンレス鋼等の材料で構成されている。
(Example of overall structure of stack structure)
Next, a stack structure of a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention using the above-described cell 100 will be described. As shown in FIG. 15, the stack structure includes a large number of cells 100 and a fuel gas manifold 200 for supplying a fuel gas to each of the large number of cells 100. The entire manifold 200 is made of a material such as stainless steel.
マニホールド200の天板(換言すれば、ガスタンクの天板(平板))は、多数のセル100を支持するための支持板210を兼ねている。また、マニホールド200には、外部からマニホールド200の内部空間に燃料ガスを導入するための導入通路220が設けられている。各セル100が支持板210の表面から長手方向(x軸方向)に沿ってそれぞれ突出し且つ複数のセル100がスタック状に整列するように、各セル100の長手方向の一端部が支持板210に接合・支持されている(接合構造の詳細は後述する)。各セル100の長手方向の他端部は、自由端となっている。従って、このスタック構造は、「片持ちスタック構造」と表現することができる。 The top plate of the manifold 200 (in other words, the top plate (flat plate) of the gas tank) also serves as a support plate 210 for supporting a large number of cells 100. The manifold 200 is provided with an introduction passage 220 for introducing fuel gas from the outside into the internal space of the manifold 200. One end of each cell 100 in the longitudinal direction is formed on the support plate 210 so that each cell 100 protrudes along the longitudinal direction (x-axis direction) from the surface of the support plate 210 and the plurality of cells 100 are aligned in a stack. Bonded and supported (details of the bonding structure will be described later). The other end in the longitudinal direction of each cell 100 is a free end. Therefore, this stack structure can be expressed as a “cantilever stack structure”.
図16に示すように、支持板210(マニホールド200の天板)の表面には、マニホールド200の内部空間と連通する多数の挿入孔211が形成されている。各挿入孔211には、対応するセル100の一端部がそれぞれ挿入される。図17に示すように、各挿入孔211の形状は、長さL4、幅L5の長円形状(L4>L5)を呈し、線対称に関する対称軸の方向(y軸方向)を有する。 As shown in FIG. 16, a large number of insertion holes 211 communicating with the internal space of the manifold 200 are formed on the surface of the support plate 210 (the top plate of the manifold 200). One end of the corresponding cell 100 is inserted into each insertion hole 211. As shown in FIG. 17, each insertion hole 211 has an oval shape (L4> L5) having a length L4 and a width L5, and has a symmetric axis direction (y-axis direction) with respect to line symmetry.
挿入孔211の長さL4は、セル100の一端部の側面の長さL2(図1を参照)より0.2〜3mm大きい。同様に、挿入孔211の幅L5は、セル100の一端部の側面の幅L3(図1を参照)より0.2〜3mm大きい。即ち、図18、19に示すように、セル100の一端部の側面の長さ方向が挿入孔211の対称軸の方向(挿入孔211の長さ方向)に沿うように、セル100の一端部が挿入孔211に挿入された状態では、挿入孔211の内壁とセル100の一端部の外壁との間に隙間が形成される。換言すれば、セル100の一端部が挿入孔211に遊嵌される。なお、図18、図19(特に、図19)では、前記隙間が誇張して描かれている。 The length L4 of the insertion hole 211 is 0.2 to 3 mm longer than the length L2 (see FIG. 1) of the side surface of one end of the cell 100. Similarly, the width L5 of the insertion hole 211 is 0.2 to 3 mm larger than the width L3 (see FIG. 1) of the side surface of one end of the cell 100. That is, as shown in FIGS. 18 and 19, one end portion of the cell 100 is arranged such that the length direction of the side surface of one end portion of the cell 100 is along the direction of the axis of symmetry of the insertion hole 211 (length direction of the insertion hole 211). Is inserted into the insertion hole 211, a gap is formed between the inner wall of the insertion hole 211 and the outer wall of one end of the cell 100. In other words, one end of the cell 100 is loosely fitted in the insertion hole 211. In FIG. 18 and FIG. 19 (particularly FIG. 19), the gap is exaggerated.
図18、図19に示すように、挿入孔211とセル100の一端部との接合部のそれぞれにおいて、固化された接合材300が前記隙間に充填されるように設けられている。これにより、各挿入孔211と対応するセル100の一端部とがそれぞれ接合・固定されている。図18に示すように、各セル100のガス流路11の一端部は、マニホールド200の内部空間と連通している。 As shown in FIGS. 18 and 19, solidified bonding material 300 is provided so as to fill the gap in each of the bonding portions between the insertion hole 211 and one end of the cell 100. Thereby, each insertion hole 211 and the one end part of the corresponding cell 100 are joined and fixed, respectively. As shown in FIG. 18, one end of the gas flow path 11 of each cell 100 communicates with the internal space of the manifold 200.
また、図18に示すように、隣接するセル100、100の間には、隣接するセル100、100の間(より詳細には、一方のセル100の燃料極20と他方のセル100の空気極60)を電気的に直列に接続するための集電部材400が介在している。集電部材400は、例えば、ステンレス鋼で構成されたメッシュ等で構成される。加えて、各セル100について表側と裏側とを電気的に直列に接続するための集電部材500も設けられている。 Also, as shown in FIG. 18, between adjacent cells 100, 100, between adjacent cells 100, 100 (more specifically, the fuel electrode 20 of one cell 100 and the air electrode of the other cell 100). A current collecting member 400 for electrically connecting 60) in series is interposed. The current collecting member 400 is made of, for example, a mesh made of stainless steel. In addition, a current collecting member 500 for electrically connecting the front side and the back side of each cell 100 in series is also provided.
接合材300は、例えば、SiO2-MgO-Al2O3−K2O、SiO2-MgO-Al2O3−Na2O系等の腐食物質(Na、K等)を含有する結晶化ガラスで構成され得る。また、接合材300は、SiO2-MgO-CaO−K2O、SiO2-MgO-CaO−Na2O、SiO2-MgO-ZnO−K2O、SiO2-MgO-ZnO−Na2O等の腐食物質(Na、K等)を含有する物質によっても構成され得る。なお、本明細書では、結晶化ガラスとは、全体積に対する「結晶相が占める体積」の割合(結晶化度)が60%以上であり、全体積に対する「非晶質相及び不純物が占める体積」の割合が40%未満のガラス(非晶質)を指す。結晶化ガラスの結晶化度は、具体的には、例えば、「XRD等を用いて結晶相を同定し、SEM及びEDS、或いは、SEM及びEPMA等を用いて結晶化後のガラスの組織や組成分布を観察した結果に基づいて、結晶相領域の体積割合を算出する」ことによって得ることができる。接合材300のコーティング膜310、320については、後述する。 The bonding material 300 is, for example, a crystallization containing a corrosive substance (Na, K, etc.) such as SiO 2 —MgO—Al 2 O 3 —K 2 O, SiO 2 —MgO—Al 2 O 3 —Na 2 O. Can be composed of glass. Further, the bonding material 300 includes SiO 2 —MgO—CaO—K 2 O, SiO 2 —MgO—CaO—Na 2 O, SiO 2 —MgO—ZnO—K 2 O, and SiO 2 —MgO—ZnO—Na 2 O. It can also be constituted by a substance containing a corrosive substance (Na, K, etc.). In this specification, crystallized glass means that the ratio (crystallinity) of “volume occupied by crystal phase” to the total volume is 60% or more, and “volume occupied by amorphous phase and impurities relative to the total volume”. "Indicates a glass (amorphous) with a ratio of less than 40%. The crystallinity of the crystallized glass is specifically determined by, for example, “the crystal phase and the composition after the crystal phase is identified by using XRD or the like and crystallized by using SEM and EDS or SEM and EPMA. The volume ratio of the crystal phase region is calculated based on the result of observing the distribution. The coating films 310 and 320 of the bonding material 300 will be described later.
以上、説明した燃料電池の片持ちスタック構造を稼働させる際には、図20に示すように、高温(例えば、600〜800℃)の燃料ガス(水素等)及び「酸素を含むガス(空気等)」を流通させる。導入通路220から導入された燃料ガスは、マニホールド200の内部空間へと移動し、その後、各挿入孔211を介して対応するセル100のガス流路11にそれぞれ導入される。各ガス流路11を通過した燃料ガスは、その後、各ガス流路11の他端(自由端)から外部に排出される。空気は、スタック構造の内部における隣接するセル100間の隙間に沿って、セル100の幅方向(y軸方向)に流される。 When the cantilever stack structure of the fuel cell described above is operated, as shown in FIG. 20, fuel gas (eg, hydrogen) at a high temperature (eg, 600 to 800 ° C.) and “gas containing oxygen (eg, air) ) ". The fuel gas introduced from the introduction passage 220 moves into the internal space of the manifold 200 and is then introduced into the gas flow path 11 of the corresponding cell 100 via each insertion hole 211. The fuel gas that has passed through each gas flow path 11 is then discharged from the other end (free end) of each gas flow path 11 to the outside. Air flows in the width direction (y-axis direction) of the cells 100 along the gaps between the adjacent cells 100 in the stack structure.
上述した片持ちスタック構造は、例えば、以下の手順で組み立てられる。先ず、必要な枚数の完成したセル100、並びに、完成したマニホールド200が準備される。次いで、所定の治具等を用いて、複数のセル100がスタック状に整列・固定される。次に、複数のセル100がスタック状に整列・固定された状態が維持されながら、複数のセル100のそれぞれの一端部が、支持板210の対応する挿入孔211に一度に挿入される。次いで、接合材300用の材料を含んだペーストが、挿入孔211とセル100の一端部との接合部のそれぞれの隙間に充填される。その際、図18に示すように、ペーストが支持板210の表面から上方に向けてはみ出す程度まで前記接合部に供給されてもよい。 The above-mentioned cantilever stack structure is assembled by the following procedure, for example. First, a required number of completed cells 100 and a completed manifold 200 are prepared. Next, the plurality of cells 100 are aligned and fixed in a stack using a predetermined jig or the like. Next, one end of each of the plurality of cells 100 is inserted into the corresponding insertion hole 211 of the support plate 210 at a time while maintaining the state in which the plurality of cells 100 are aligned and fixed in a stack. Next, a paste containing a material for the bonding material 300 is filled in each gap of the bonding portion between the insertion hole 211 and one end of the cell 100. At that time, as shown in FIG. 18, the paste may be supplied to the joint to the extent that it protrudes upward from the surface of the support plate 210.
次に、上記のように充填されたペーストに熱処理が加えられる。この熱処理によってペーストが固化・セラミックス化される。これにより、接合材300が機能を発揮し、各セルの一端部が対応する挿入孔211にそれぞれ接合・固定される。換言すれば、各セル100の一端部が接合材300を用いて支持板210にそれぞれ接合・支持される。その後、前記所定の治具が複数のセル100から取り外されて、上述した片持ちスタック構造体が完成する。接合材300のコーティング膜310、320については、後述する。 Next, heat treatment is applied to the paste filled as described above. This heat treatment solidifies and pastes the paste. As a result, the bonding material 300 exhibits a function, and one end of each cell is bonded and fixed to the corresponding insertion hole 211. In other words, one end of each cell 100 is joined and supported by the support plate 210 using the joining material 300. Thereafter, the predetermined jig is removed from the plurality of cells 100 to complete the above-described cantilever stack structure. The coating films 310 and 320 of the bonding material 300 will be described later.
ここで、支持板210は、「燃料極20に供給される燃料ガスと空気極60に供給される空気との混合を防止するための仕切り部材」としても機能する。従って、接合材300は、支持板210と各セル100の一端部とを接合する機能のみならず、燃料ガスと空気との混合を防止するためのシール機能をも備える。 Here, the support plate 210 also functions as “a partition member for preventing mixing of the fuel gas supplied to the fuel electrode 20 and the air supplied to the air electrode 60”. Therefore, the bonding material 300 has not only a function of bonding the support plate 210 and one end of each cell 100 but also a sealing function for preventing mixing of fuel gas and air.
(接合材から蒸発した腐食物質の燃料ガス及び空気への混入の抑制)
上述したように、接合材300を構成する物質には、接合材300のシール機能を高めるため、腐食物質(Na、K)が含まれる。これは、接合材300に腐食物質が含まれることによって、接合材300(より具体的には、接合材300の前駆体であるペースト)の「ぬれ性」が高まり、接合材300によって接合される部分(表面)の密着性が高まることに基づく。
(Inhibition of mixing of corrosive substances evaporated from bonding materials into fuel gas and air)
As described above, the substances constituting the bonding material 300 include corrosive substances (Na, K) in order to enhance the sealing function of the bonding material 300. This is because when the bonding material 300 contains a corrosive substance, the “wetting property” of the bonding material 300 (more specifically, the paste that is a precursor of the bonding material 300) is increased, and the bonding material 300 is bonded. This is based on the increased adhesion of the part (surface).
しかしながら、接合材300の材料として腐食物質を含有する物質が使用される場合、燃料電池の作動温度において、接合材300から腐食物質が蒸発し、蒸発した腐食物質が、「燃料ガスが通過する空間に面して存在するステンレス部材」(例えば、マニホールド200の内壁等)、並びに、「空気が通過する空間に面して存在するステンレス部材」(例えば、マニホールド200の外壁、集電部材400等)に到達し得る。腐食物質がステンレス部材に到達すると、ステンレス部材が腐食され易い、という問題が発生し得る。 However, when a substance containing a corrosive substance is used as the material of the bonding material 300, the corrosive substance evaporates from the bonding material 300 at the operating temperature of the fuel cell, and the evaporated corrosive substance is “a space through which the fuel gas passes. "Stainless steel member facing the surface" (for example, the inner wall of the manifold 200) and "Stainless steel member facing the space through which air passes" (for example, the outer wall of the manifold 200, the current collecting member 400, etc.) Can reach. When the corrosive substance reaches the stainless steel member, there may be a problem that the stainless steel member is easily corroded.
そこで、図21に示すように、このスタック構造体では、接合材300における「マニホールド200の内部空間に向いた表面」(換言すれば、SOFCの稼働中にて燃料ガスが通過する空間に向いた表面)が、腐食物質を含有しない物質で構成された膜(コーティング膜)310で覆われている。なお、この「表面」は、「コーティング膜310で覆われないと仮定したときに、燃料電池の稼働中にて燃料ガスにさらされる表面」と記載することもできる。同様に、接合材300における「マニホールド200の外部空間に向いた表面」(換言すれば、SOFCの稼働中にて空気が通過する空間に向いた表面)が、腐食物質を含有しない物質で構成された膜(コーティング膜)320で覆われている。なお、この「表面」は、「コーティング膜320で覆われないと仮定したときに、燃料電池の稼働中にて空気にさらされる表面」と記載することもできる。 Therefore, as shown in FIG. 21, in this stack structure, the “surface facing the inner space of the manifold 200” in the bonding material 300 (in other words, the space facing the fuel gas during operation of the SOFC). The surface) is covered with a film (coating film) 310 made of a substance not containing a corrosive substance. In addition, this “surface” can also be described as “a surface exposed to fuel gas during operation of the fuel cell when it is assumed that the coating film 310 is not covered”. Similarly, the “surface facing the external space of the manifold 200” (in other words, the surface facing the space through which air passes during operation of the SOFC) in the bonding material 300 is composed of a substance that does not contain a corrosive substance. It is covered with a film (coating film) 320. This “surface” can also be described as “a surface exposed to air during operation of the fuel cell when it is assumed that the coating film 320 is not covered”.
コーティング膜310、320は、例えば、SiO2−ZnO−BaO−La2O3系、SiO2−ZnO−BaO系等の腐食物質を含有しない結晶化ガラスで構成され得る。コーティング膜310、320を構成する材質は、同じであっても異なっていてもよい。コーティング膜310、320は、緻密質であっても多孔質であってもよい。コーティング膜310、320の厚さは5〜50μmである。コーティング膜310、320は、上記固化・セラミックス化された接合材300の表面に、コーティング膜310、320の材料を含んだペーストの膜をスプレー法、刷け塗り法等を利用して形成し、形成されたペースト膜に熱処理を加えることによって、形成され得る。 The coating films 310 and 320 can be made of crystallized glass that does not contain a corrosive substance such as SiO 2 —ZnO—BaO—La 2 O 3 or SiO 2 —ZnO—BaO. The materials constituting the coating films 310 and 320 may be the same or different. The coating films 310 and 320 may be dense or porous. The thickness of the coating films 310 and 320 is 5 to 50 μm. The coating films 310 and 320 are formed on the surface of the solidified and ceramicized bonding material 300 by using a spray method, a brush coating method, or the like using a paste film containing the material of the coating films 310 and 320. It can be formed by applying heat treatment to the formed paste film.
(コーティング膜310、320が設けられることによる作用・効果)
以上、本発明の実施形態に係るSOFCのスタック構造体では、接合材300における「燃料ガスが通過する空間に向いた表面」が、腐食物質を含有しない物質で構成されたコーティング膜310で覆われる。従って、上述した「発明の概要」の欄で述べた「接合材における同表面から蒸発した腐食物質が、燃料ガスが通過する空間に面して存在するステンレス部材に到達する現象」が発生し得ない(或いは、発生し難くなる)。この結果、「燃料ガスが通過する空間に面して存在するステンレス部材の腐食」の問題が発生しなくなる(或いは、発生し難くなる)。
(Operation and effect by providing coating films 310 and 320)
As described above, in the SOFC stack structure according to the embodiment of the present invention, the “surface facing the space through which the fuel gas passes” in the bonding material 300 is covered with the coating film 310 made of a substance not containing a corrosive substance. . Therefore, the phenomenon that “corrosive substances evaporated from the same surface of the bonding material reach the stainless steel member that faces the space through which the fuel gas passes” described in the “Summary of Invention” section can occur. No (or less likely to occur). As a result, the problem of “corrosion of the stainless steel member facing the space through which the fuel gas passes” does not occur (or is difficult to occur).
また、接合材300における「空気が通過する空間に向いた表面」が、腐食物質を含有しない物質で構成されたコーティング膜320で覆われる。この結果、「空気が通過する空間に面して存在するステンレス部材の腐食」の問題が発生しなくなる(或いは、発生し難くなる)。 Further, the “surface facing the space through which air passes” in the bonding material 300 is covered with a coating film 320 made of a substance that does not contain a corrosive substance. As a result, the problem of “corrosion of the stainless steel member facing the space through which air passes” does not occur (or is difficult to occur).
加えて、接合材300そのものは、腐食物質を含有する物質で構成される。従って、接合材300(の前駆体であるペースト)の「ぬれ性」の向上によって、接合材300によって接合される部分の密着性が高まる。以上、本発明の実施形態に係るSOFCのスタック構造体によれば、セル100と支持板210(仕切り部材)との密着性を良好に維持しつつ、スタック構造体に含まれる「ステンレス部材」が腐食され難くなる。 In addition, the bonding material 300 itself is composed of a substance containing a corrosive substance. Therefore, by improving the “wetting property” of the bonding material 300 (a paste which is a precursor thereof), the adhesion of the portion bonded by the bonding material 300 is increased. As described above, according to the SOFC stack structure according to the embodiment of the present invention, the “stainless steel member” included in the stack structure is maintained while maintaining good adhesion between the cell 100 and the support plate 210 (partition member). It becomes difficult to be corroded.
なお、上記実施形態(図21を参照)では、腐食物質を含有する物質(接合材300)が占める体積が、腐食物質を含有しない物質の膜(コーティング膜310、320)が占める体積より大きい。これに対し、腐食物質を含有する物質(接合材300)が占める体積が、腐食物質を含有しない物質の膜(コーティング膜310、320)が占める体積より小さくてもよい。 In the embodiment (see FIG. 21), the volume occupied by the substance containing the corrosive substance (bonding material 300) is larger than the volume occupied by the film of the substance not containing the corrosive substance (coating films 310 and 320). On the other hand, the volume occupied by the substance containing the corrosive substance (bonding material 300) may be smaller than the volume occupied by the film of the substance not containing the corrosive substance (coating films 310 and 320).
以下、接合材300にコーティング膜310、320が設けられることによる上述した作用・効果を確認するために行った試験について説明する。 Hereinafter, the test performed in order to confirm the operation | movement and effect mentioned above by providing the coating films 310 and 320 in the joining material 300 is demonstrated.
(試験)
この試験では、図15〜図21に示したSOFCのスタック構造体について、接合材300の材質、コーティング膜310、320の材質、コーティング膜310、320の厚さ(μm)、及び、コーティング膜310、320の気孔率(体積%)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、11種類の水準が準備された。各水準に対して1個のサンプル(スタック構造体)が作製された。水準4〜11では、コーティング膜310、320の両方が設けられているが、水準1では、コーティング膜310、320の両方が設けられていない。水準2では、コーティング膜310のみが設けられ、コーティング膜320は設けられていない。水準3では、コーティング膜320のみが設けられ、コーティング膜310は設けられていない。
(test)
In this test, the material of the bonding material 300, the material of the coating films 310 and 320, the thickness (μm) of the coating films 310 and 320, and the coating film 310 of the SOFC stack structure shown in FIGS. , 320 samples having different porosity (volume%) combinations were produced. Specifically, as shown in Table 1, 11 types of levels were prepared. One sample (stack structure) was made for each level. In levels 4 to 11, both coating films 310 and 320 are provided, but in level 1 both coating films 310 and 320 are not provided. In level 2, only the coating film 310 is provided, and the coating film 320 is not provided. In level 3, only the coating film 320 is provided, and the coating film 310 is not provided.
各サンプル(スタック構造体)について、スタック数(セル100の枚数)は5枚であった。セル100は、長さ(x軸方向)L1が50〜500mm、幅(y軸方向)L2が10〜100mm、厚さ(z軸方向)L3が1〜5mmの薄板状を呈していた(図1、及び図19を参照)。マニホールド200の支持板210に形成された各挿入孔211の長さ(x軸方向)L4は、セル100の幅L2より0.2〜3mm大きく、各挿入孔211の幅(z軸方向)L5は、セル100の厚さL3より0.2〜3mm大きかった(図19を参照)。直方体状のマニホールド200、並びに、隣接するセル100間を電気的に接続する集電部材400は、ステンレス鋼で構成されていた。即ち、少なくともマニホールド200、及び集電部材400は、「ステンレス部材」に相当する。 For each sample (stack structure), the number of stacks (number of cells 100) was 5. The cell 100 had a thin plate shape with a length (x-axis direction) L1 of 50 to 500 mm, a width (y-axis direction) L2 of 10 to 100 mm, and a thickness (z-axis direction) L3 of 1 to 5 mm (see FIG. 1 and FIG. 19). The length (x-axis direction) L4 of each insertion hole 211 formed in the support plate 210 of the manifold 200 is 0.2 to 3 mm larger than the width L2 of the cell 100, and the width (z-axis direction) L5 of each insertion hole 211. Was 0.2-3 mm larger than the thickness L3 of the cell 100 (see FIG. 19). The rectangular parallelepiped manifold 200 and the current collecting member 400 that electrically connects the adjacent cells 100 are made of stainless steel. That is, at least the manifold 200 and the current collecting member 400 correspond to “stainless steel members”.
接合材300用のペースト内に含有するセラミックス粉末の粒径は0.3〜2.5μmであった。このペーストを固化・セラミックス化するために施された熱処理は、800〜1100℃にて1〜10時間に亘って行われた。固化・セラミックス化された接合材300は緻密質であり、接合材300における腐食物質の含有率は、5〜40重量%であった。 The particle size of the ceramic powder contained in the paste for the bonding material 300 was 0.3 to 2.5 μm. The heat treatment applied to solidify and ceramicize this paste was performed at 800 to 1100 ° C. for 1 to 10 hours. The solidified and ceramicized bonding material 300 was dense, and the content of corrosive substances in the bonding material 300 was 5 to 40% by weight.
コーティング膜310、320は、上記固化・セラミックス化された接合材300の表面に、コーティング膜310、320の材料を含んだペーストの膜をスプレー法、刷け塗り法等を利用して形成し、形成されたペースト膜に熱処理を加えることによって、形成された。この熱処理は、800〜1100℃にて1〜10時間に亘って行われた。コーティング膜310、320の内部に存在する気孔の径の平均値は、0.5〜5μmとされた。接合材300における「マニホールド200の内部空間に向いた表面」の全域がコーティング膜310で覆われていた。同様に、接合材300における「マニホールド200の外部空間に向いた表面」の全域がコーティング膜320で覆われていた。 The coating films 310 and 320 are formed on the surface of the solidified and ceramicized bonding material 300 by using a spray method, a brush coating method, or the like using a paste film containing the material of the coating films 310 and 320. The paste film thus formed was formed by applying a heat treatment. This heat treatment was performed at 800-1100 ° C. for 1-10 hours. The average value of the diameters of the pores existing in the coating films 310 and 320 was 0.5 to 5 μm. The entire region of the “surface facing the internal space of the manifold 200” in the bonding material 300 was covered with the coating film 310. Similarly, the entire “surface facing the external space of the manifold 200” in the bonding material 300 was covered with the coating film 320.
水準4〜11のそれぞれについて、コーティング膜310、320の間で、材質、厚さ、及び気孔率は同じとされた。各水準について、コーティング膜310、320の厚さの調整は、スプレー、又は刷け塗りの繰り返し回数の変更によってなされた。コーティング膜310、320の気孔率の調整は、コーティング膜310、320用のペーストに含まれる材料の粒径、並びに、造孔材(典型的には、PMMA、カーボン粒子等)の粒径を調整することによってなされた。なお、このペースト内に気泡が混入した状態で成膜を行うと、100μm程度の大きな気孔が形成される場合がある。この大きな気孔の形成を防止するため、成膜を行う前に、真空脱泡装置等を利用して、ペースト内の気泡を除去しておくことが望ましい。 For each of the levels 4 to 11, the material, thickness, and porosity were the same between the coating films 310 and 320. For each level, the thickness of the coating films 310 and 320 was adjusted by changing the number of repetitions of spraying or brushing. The porosity of the coating films 310 and 320 is adjusted by adjusting the particle diameter of the material included in the paste for the coating films 310 and 320 and the particle diameter of the pore former (typically PMMA, carbon particles, etc.). Made by doing. When film formation is performed in a state where bubbles are mixed in the paste, a large pore of about 100 μm may be formed. In order to prevent the formation of such large pores, it is desirable to remove bubbles in the paste using a vacuum defoaming device or the like before film formation.
コーティング膜310、320の「厚さ」として、各膜における所定の3か所での厚さの平均値が使用された。 As the “thickness” of the coating films 310 and 320, an average value of thicknesses at three predetermined positions in each film was used.
コーティング膜310、320の「気孔率」、及び、「気孔径の平均値」は、以下のように算出された。先ず、膜の気孔内に樹脂が進入するようにその膜に対して所謂「樹脂埋め」処理がなされた。その「樹脂埋め」処理された膜の表面に対して機械研磨がなされた。機械研磨された表面の微構造を走査型電子顕微鏡を用いて観察して得られた画像に対して画像処理を行うことによって、それぞれの気孔の部分(樹脂が進入している部分)の面積が算出された。それぞれの気孔部分の面積から、それぞれの気孔の等価直径が算出された。それぞれの等価直径の平均値が、膜の「気孔の径の平均値」(μm)とされた。また、「前記機械研磨された表面の全面積」に対する「気孔部分の面積の総和」の割合が、膜の「気孔率」(体積%)とされた。なお、膜の「気孔率」、及び、「気孔径の平均値」の値として、それぞれ、機械研磨された複数個所(例えば、3箇所)の表面からそれぞれ得られる値の平均値を採用することが好ましい。 The “porosity” and “average value of pore diameter” of the coating films 310 and 320 were calculated as follows. First, a so-called “resin filling” process was performed on the membrane so that the resin entered the pores of the membrane. The surface of the “resin-filled” film was mechanically polished. By performing image processing on the image obtained by observing the microstructure of the mechanically polished surface using a scanning electron microscope, the area of each pore portion (portion where the resin enters) is reduced. Calculated. From the area of each pore portion, the equivalent diameter of each pore was calculated. The average value of the equivalent diameters was defined as the “average value of pore diameter” (μm) of the membrane. Further, the ratio of “the total area of the pores” to “the total area of the mechanically polished surface” was defined as the “porosity” (volume%) of the film. In addition, as the “porosity” and “average value of pore diameter” of the film, the average value of values obtained respectively from the surfaces of a plurality of places (for example, three places) mechanically polished is adopted. Is preferred.
この試験では、各サンプルについて、800℃の高温雰囲気下、電流を一定に維持した状態で、ステンレス部材の腐食の進行度合を評価するための耐久試験が実施された。具体的には、1000hrが経過した時点でのステンレス部材の腐食の発生状況が目視等によって評価された。この評価結果を上記表1に示す。この試験では、「腐食が激しく発生していると認定される場合」が不合格(×)と評価され、「腐食が軽微に発生、又は発生していないと認定される場合」が合格(○又は◎)と評価された。合格のうち、特に「腐食が発生していないと認定される場合」が最良(◎)とされた。なお、水準11については、腐食の発生状況のみを考慮すれば、「最良」と評価される一方で、理由は不明であるが、コーティング膜310、320に軽微なクラックが生じていた。従って、総合的には合格(○)と評価された。 In this test, each sample was subjected to a durability test for evaluating the progress of corrosion of the stainless steel member in a high temperature atmosphere of 800 ° C. while maintaining a constant current. Specifically, the occurrence of corrosion of the stainless steel member after 1000 hours was evaluated by visual observation or the like. The evaluation results are shown in Table 1 above. In this test, “when it is recognized that corrosion is occurring violently” is evaluated as rejected (×), and “when it is determined that corrosion has occurred slightly or has not occurred” is passed (○ Or ◎). Among the passing results, the “when it is recognized that corrosion has not occurred” was the best (◎). The level 11 is evaluated as “best” considering only the occurrence of corrosion, but the reason is unknown, but slight cracks have occurred in the coating films 310 and 320. Therefore, it was generally evaluated as a pass (◯).
表1から明らかなように、コーティング膜310、320の少なくとも一方が設けられると(水準2〜11を参照)、コーティング膜310、320の両方が設けられない場合(水準1を参照)と比べて、ステンレス部材(具体的には、マニホールド200又は集電部材400)の腐食の進行度合いが小さい。これは、コーティング膜310、320の少なくとも一方の存在により、接合材300から蒸発した腐食物質がステンレス部材に到達する量が少なくなること、に起因する、と考えられる。 As is clear from Table 1, when at least one of the coating films 310 and 320 is provided (see levels 2 to 11), compared to a case where both the coating films 310 and 320 are not provided (see level 1). The progress of corrosion of the stainless steel member (specifically, the manifold 200 or the current collecting member 400) is small. This is considered to be due to the fact that the amount of the corrosive substance evaporated from the bonding material 300 reaches the stainless steel member decreases due to the presence of at least one of the coating films 310 and 320.
加えて、コーティング膜310、320の厚さが1〜10μmであり、且つ、コーティング膜310、320の気孔率が10〜40体積%である場合(水準4〜10を参照)、コーティング膜310、320にてクラックが発生し難いことに加え、前記耐久試験後においてステンレス部材の腐食が発生しなくなる。 In addition, when the thickness of the coating films 310 and 320 is 1 to 10 μm and the porosity of the coating films 310 and 320 is 10 to 40% by volume (see levels 4 to 10), the coating film 310, In addition to being hard to generate cracks at 320, the stainless steel member does not corrode after the endurance test.
本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記実施形態では、接合材300における「マニホールド200の内部空間に向いた表面」(換言すれば、SOFCの稼働中にて燃料ガスが通過する空間に向いた表面)の全域がコーティング膜310で覆われているが、同表面の一部のみがコーティング膜310で覆われ、同表面の前記一部以外の残りの部分がマニホールド200の内部空間にさらされていてもよい。同様に、接合材300における「マニホールド200の外部空間に向いた表面」(換言すれば、SOFCの稼働中にて空気が通過する空間に向いた表面)の全域がコーティング膜320で覆われているが、同表面の一部のみがコーティング膜320で覆われ、同表面の前記一部以外の残りの部分がマニホールド200の外部空間にさらされていてもよい。 The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be employed within the scope of the present invention. For example, in the above-described embodiment, the entire area of the “surface facing the internal space of the manifold 200” (in other words, the surface facing the space through which the fuel gas passes during operation of the SOFC) in the bonding material 300 is the coating film 310. However, only a part of the surface may be covered with the coating film 310, and the remaining part other than the part of the surface may be exposed to the internal space of the manifold 200. Similarly, the entire region of the “surface facing the external space of the manifold 200” (in other words, the surface facing the space through which air passes during operation of the SOFC) in the bonding material 300 is covered with the coating film 320. However, only a part of the surface may be covered with the coating film 320, and the remaining part of the surface other than the part may be exposed to the external space of the manifold 200.
また、上記実施形態では、セル100の一端部そのものが接合材300を用いて支持板210と接合されているが、セル100の一端部に設けられた電極端子が接合材300を用いて支持板210と接合されていてもよい。 In the above embodiment, one end of the cell 100 itself is bonded to the support plate 210 using the bonding material 300, but the electrode terminal provided at one end of the cell 100 is supported to the support plate using the bonding material 300. 210 may be joined.
また、上記実施形態では、支持板210に形成された1つの挿入孔211に1つのセル100の一端部が挿入されているが、図22に示すように、支持板210に形成された1つの挿入孔211に2つ以上のセル100の一端部が挿入されていてもよい。なお、図22では、隣接するセル100、100の間隔が誇張して描かれている。更には、支持板210に形成された1つの(唯一の)挿入孔211に複数のセル100の一端部の全てが挿入されていてもよい。 Moreover, in the said embodiment, although the one end part of one cell 100 is inserted in one insertion hole 211 formed in the support plate 210, as shown in FIG. One end of two or more cells 100 may be inserted into the insertion hole 211. In FIG. 22, the interval between adjacent cells 100 is exaggerated. Further, all of one end portions of the plurality of cells 100 may be inserted into one (only) insertion hole 211 formed in the support plate 210.
また、上記実施形態では、挿入孔211にセル100の一端部が挿入されている(即ち、挿入孔211の内部空間にセル100の一端部が進入している)が(図18等を参照)、図23に示すように、孔211にセル100の一端部が挿入されていなくてもよい(即ち、孔211の内部空間にセル100の一端部が進入していなくてもよい)。この場合、接合材300が、各孔211と対応するセル100の一端部との接合部のそれぞれにおいて孔211とセル100の一端部との間に存在する空間に充填されるように設けられる。加えて、上記実施形態と同様、図23に示す例においても、図24に示すように、接合材300における「マニホールド200の内部空間に向いた表面」(換言すれば、SOFCの稼働中にて燃料ガスが通過する空間に向いた表面)が、腐食物質を含有しないコーティング膜310で覆われている。更には、接合材300における「マニホールド200の外部空間に向いた表面」(換言すれば、SOFCの稼働中にて空気が通過する空間に向いた表面)が、腐食物質を含有しないコーティング膜320で覆われている。 In the above embodiment, one end of the cell 100 is inserted into the insertion hole 211 (that is, one end of the cell 100 enters the internal space of the insertion hole 211) (see FIG. 18 and the like). 23, one end of the cell 100 may not be inserted into the hole 211 (that is, the one end of the cell 100 may not enter the internal space of the hole 211). In this case, the bonding material 300 is provided so as to fill a space existing between the hole 211 and one end of the cell 100 at each of the bonding portions between the holes 211 and the corresponding one end of the cell 100. In addition, as in the above embodiment, in the example shown in FIG. 23, as shown in FIG. 24, the “surface facing the internal space of the manifold 200” in the bonding material 300 (in other words, during operation of the SOFC). The surface facing the space through which the fuel gas passes is covered with a coating film 310 containing no corrosive substance. Furthermore, the “surface facing the external space of the manifold 200” in the bonding material 300 (in other words, the surface facing the space through which air passes during operation of the SOFC) is the coating film 320 that does not contain a corrosive substance. Covered.
また、上記実施形態では、マニホールドの天板が多数のセルを支持するための支持板を兼ねているが(即ち、支持板がマニホールドと一体で構成されているが)、マニホールドの内部空間と複数のセルのガス流路とが連通する限りにおいて、支持板がマニホールドとは別体で構成されていてもよい。 In the above embodiment, the top plate of the manifold also serves as a support plate for supporting a large number of cells (that is, the support plate is integrally formed with the manifold). As long as the gas flow paths of the cells communicate with each other, the support plate may be configured separately from the manifold.
また、本発明は、図25に示すように、「燃料極と、空気極と、燃料極と空気極との間に位置する固体電解質と、からなる平板状のセル」と、「インターコネクタ」(前記「仕切り部材」に相当)と、が交互に積層された燃料電池のスタック構造体にも適用され得る。通常、「インターコネクタ」は、ステンレス鋼で構成される。この場合、図26に示すように、各セルは、セルの上下に隣接するインターコネクタの端部のそれぞれと、接合材300(腐食物質を含む)を用いて接合されている。そして、接合材300における「燃料ガス流路に向いた表面」(換言すれば、燃料電池の稼働中にて燃料ガスが通過する空間に向いた表面)が、腐食物質を含まないコーティング膜310で覆われている。更には、接合材300における「空気流路に向いた表面」(換言すれば、燃料電池の稼働中にて空気が通過する空間に向いた表面)が、腐食物質を含まないコーティング膜320で覆われている。これらコーティング膜310、320の存在により、ステンレス部材(=インターコネクタ)の腐食の進行度合いが小さくなる。 In addition, as shown in FIG. 25, the present invention provides a “flat cell comprising a fuel electrode, an air electrode, and a solid electrolyte positioned between the fuel electrode and the air electrode” and an “interconnector”. (Corresponding to the “partition member”) can be applied to a stack structure of a fuel cell in which are alternately stacked. Usually, the “interconnector” is made of stainless steel. In this case, as shown in FIG. 26, each cell is joined to each of the end portions of the interconnector adjacent to the top and bottom of the cell using a joining material 300 (including a corrosive substance). Then, the “surface facing the fuel gas flow path” (in other words, the surface facing the space through which the fuel gas passes during operation of the fuel cell) in the bonding material 300 is the coating film 310 that does not contain a corrosive substance. Covered. Furthermore, the “surface facing the air flow path” of the bonding material 300 (in other words, the surface facing the space through which air passes during operation of the fuel cell) is covered with the coating film 320 containing no corrosive substance. It has been broken. Due to the presence of these coating films 310 and 320, the progress of corrosion of the stainless steel member (= interconnector) is reduced.
10…支持基板、11…燃料ガス流路、20…燃料極、40…固体電解質膜、60…空気極、A…発電素子部、100…セル、200…マニホールド、210…支持板、211…挿入孔、300…接合材、310…コーティング膜、320…コーティング膜 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Support substrate, 11 ... Fuel gas flow path, 20 ... Fuel electrode, 40 ... Solid electrolyte membrane, 60 ... Air electrode, A ... Power generation element part, 100 ... Cell, 200 ... Manifold, 210 ... Support plate, 211 ... Insertion Hole 300, bonding material, 310 ... coating film, 320 ... coating film
Claims (16)
前記セルと、前記燃料極に供給される燃料ガスと前記空気極に供給される酸素を含むガスとの混合を防止するための仕切り部材であって、接合材を用いて前記セルに接合される仕切り部材と、
を含む、燃料電池の構造体であって、
前記接合材は、アルカリ金属を含有する物質で構成されるとともに、前記接合材における、前記燃料電池の稼働中にて前記燃料ガスが通過する空間に向いた表面が、前記アルカリ金属を含有しない物質の膜で覆われた、燃料電池の構造体。 A cell including a fuel electrode, an air electrode, and a solid electrolyte positioned between the fuel electrode and the air electrode;
A partition member for preventing mixing of the cell and a fuel gas supplied to the fuel electrode and a gas containing oxygen supplied to the air electrode, which is joined to the cell using a joining material A partition member;
A fuel cell structure comprising:
The bonding material is composed of a substance containing an alkali metal, and the surface of the bonding material facing the space through which the fuel gas passes during operation of the fuel cell does not contain the alkali metal. A fuel cell structure covered with a membrane.
前記各セルが支持板の表面から前記長手方向に沿ってそれぞれ突出し且つ前記複数のセルがスタック状に整列するように、前記各セルの前記長手方向の一端部を接合材を用いてそれぞれ接合・支持する支持板と、
マニホールドの内部空間と前記複数のセルの前記ガス流路のそれぞれの一端部とが連通するように、前記支持板が設けられるガスのマニホールドと、
を備えた燃料電池のスタック構造体であって、
前記支持板の表面には、前記マニホールドの内部空間と前記複数のセルの一端部とを連通するための1つ又は複数の孔が形成され、
前記各セルの一端部が、対応する前記孔に対応して位置付けられ、
前記接合材が、前記各孔と対応する前記セルの一端部との接合部のそれぞれにおいて前記孔と前記セルの一端部との間に存在する空間に充填されるよう設けられることによって、前記各孔と対応する前記セルの一端部とがそれぞれ接合され、
前記接合材は、アルカリ金属を含有する物質で構成されるとともに、前記接合材における、前記燃料電池の稼働中にて前記マニホールドを介して前記ガス流路に供給される燃料ガスが通過する空間に向いた表面が、前記アルカリ金属を含有しない物質の膜で覆われた、燃料電池のスタック構造体。 Each includes a support substrate having a longitudinal direction and a gas flow path along the longitudinal direction formed therein, and at least a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode provided on the surface of the support substrate in this order. A plurality of cells including:
Each cell is joined to each other using a joining material so that each cell protrudes from the surface of the support plate along the longitudinal direction and the plurality of cells are arranged in a stack. A supporting plate to support;
A gas manifold provided with the support plate so that the internal space of the manifold communicates with one end of each of the gas flow paths of the plurality of cells;
A fuel cell stack structure comprising:
One or a plurality of holes for communicating the internal space of the manifold and one end of the plurality of cells are formed on the surface of the support plate,
One end of each cell is positioned corresponding to the corresponding hole;
The bonding material is provided so as to fill a space existing between the hole and one end of the cell at each of the bonding portions between the holes and the corresponding one end of the cell. The hole and the corresponding one end of the cell are joined together,
The bonding material is made of a substance containing an alkali metal, and a space in the bonding material through which the fuel gas supplied to the gas flow path through the manifold during operation of the fuel cell passes. A stack structure of a fuel cell, wherein a facing surface is covered with a film of a substance not containing an alkali metal .
前記各セルが支持板の表面から前記長手方向に沿ってそれぞれ突出し且つ前記複数のセルがスタック状に整列するように、前記各セルの前記長手方向の一端部を接合材を用いてそれぞれ接合・支持する支持板と、
マニホールドの内部空間と前記複数のセルの前記ガス流路のそれぞれの一端部とが連通するように、前記支持板が設けられるガスのマニホールドと、
を備えた燃料電池のスタック構造体であって、
前記支持板の表面には、前記マニホールドの内部空間と連通するとともに前記複数のセルの一端部を挿入するための複数の挿入孔が形成され、
前記各セルの一端部が、対応する前記挿入孔に遊嵌され、
前記接合材が、前記各挿入孔と対応する前記セルの一端部との接合部のそれぞれにおいて前記挿入孔の内壁と前記セルの一端部の外壁との間に存在する隙間に少なくとも進入するよう設けられることによって、前記各挿入孔と対応する前記セルの一端部とがそれぞれ接合され、
前記接合材は、アルカリ金属を含有する物質で構成されるとともに、前記接合材における、前記燃料電池の稼働中にて前記マニホールドを介して前記ガス流路に供給される燃料ガスが通過する空間に向いた表面が、前記アルカリ金属を含有しない物質の膜で覆われた、燃料電池のスタック構造体。 Each includes a support substrate having a longitudinal direction and a gas flow path along the longitudinal direction formed therein, and at least a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode provided on the surface of the support substrate in this order. A plurality of cells including:
Each cell is joined to each other using a joining material so that each cell protrudes from the surface of the support plate along the longitudinal direction and the plurality of cells are arranged in a stack. A supporting plate to support;
A gas manifold provided with the support plate so that the internal space of the manifold communicates with one end of each of the gas flow paths of the plurality of cells;
A fuel cell stack structure comprising:
On the surface of the support plate, a plurality of insertion holes for communicating with the internal space of the manifold and inserting one end portions of the plurality of cells are formed.
One end of each cell is loosely fitted into the corresponding insertion hole,
The bonding material is provided so as to enter at least a gap existing between the inner wall of the insertion hole and the outer wall of the one end of the cell at each of the bonding portions between the insertion holes and the corresponding one end of the cell. The one end of each cell corresponding to each insertion hole is joined,
The bonding material is made of a substance containing an alkali metal, and a space in the bonding material through which the fuel gas supplied to the gas flow path through the manifold during operation of the fuel cell passes. A stack structure of a fuel cell, wherein a facing surface is covered with a film of a substance not containing an alkali metal .
前記セルと、前記燃料極に供給される燃料ガスと前記空気極に供給される酸素を含むガスとの混合を防止するための仕切り部材であって、接合材を用いて前記セルに接合される仕切り部材と、
を含む、燃料電池の構造体であって、
前記接合材は、アルカリ金属を含有する物質で構成されるとともに、前記接合材における、前記燃料電池の稼働中にて前記酸素を含むガスが通過する空間に向いた表面が、前記アルカリ金属を含有しない物質の膜で覆われた、燃料電池の構造体。 A cell including a fuel electrode, an air electrode, and a solid electrolyte positioned between the fuel electrode and the air electrode;
A partition member for preventing mixing of the cell and a fuel gas supplied to the fuel electrode and a gas containing oxygen supplied to the air electrode, which is joined to the cell using a joining material A partition member;
A fuel cell structure comprising:
The bonding material is composed of a substance containing an alkali metal, and a surface of the bonding material facing a space through which the gas containing oxygen passes during operation of the fuel cell contains the alkali metal . A fuel cell structure covered with a film of non-performing material.
前記各セルが支持板の表面から前記長手方向に沿ってそれぞれ突出し且つ前記複数のセルがスタック状に整列するように、前記各セルの前記長手方向の一端部を接合材を用いてそれぞれ接合・支持する支持板と、
マニホールドの内部空間と前記複数のセルの前記ガス流路のそれぞれの一端部とが連通するように、前記支持板が設けられるガスのマニホールドと、
を備えた燃料電池のスタック構造体であって、
前記支持板の表面には、前記マニホールドの内部空間と前記複数のセルの一端部とを連通するための1つ又は複数の孔が形成され、
前記各セルの一端部が、対応する前記孔に対応して位置付けられ、
前記接合材が、前記各孔と対応する前記セルの一端部との接合部のそれぞれにおいて前記孔と前記セルの一端部との間に存在する空間に充填されるよう設けられることによって、前記各孔と対応する前記セルの一端部とがそれぞれ接合され、
前記接合材は、アルカリ金属を含有する物質で構成されるとともに、前記接合材における、前記燃料電池の稼働中にて酸素を含むガスが通過する空間に向いた表面が、前記アルカリ金属を含有しない物質の膜で覆われた、燃料電池のスタック構造体。 Each includes a support substrate having a longitudinal direction and a gas flow path along the longitudinal direction formed therein, and at least a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode provided on the surface of the support substrate in this order. A plurality of cells including:
Each cell is joined to each other using a joining material so that each cell protrudes from the surface of the support plate along the longitudinal direction and the plurality of cells are arranged in a stack. A supporting plate to support;
A gas manifold provided with the support plate so that the internal space of the manifold communicates with one end of each of the gas flow paths of the plurality of cells;
A fuel cell stack structure comprising:
One or a plurality of holes for communicating the internal space of the manifold and one end of the plurality of cells are formed on the surface of the support plate,
One end of each cell is positioned corresponding to the corresponding hole;
The bonding material is provided so as to fill a space existing between the hole and one end of the cell at each of the bonding portions between the holes and the corresponding one end of the cell. The hole and the corresponding one end of the cell are joined together,
The bonding material, while being constituted by a material containing an alkali metal, in the bonding material, the surface of a gas containing oxygen Te during operation of the fuel cell is directed into the space passes through, containing the alkali metal A stack structure of a fuel cell, covered with a film of non-conducting material.
前記各セルが支持板の表面から前記長手方向に沿ってそれぞれ突出し且つ前記複数のセルがスタック状に整列するように、前記各セルの前記長手方向の一端部を接合材を用いてそれぞれ接合・支持する支持板と、
マニホールドの内部空間と前記複数のセルの前記ガス流路のそれぞれの一端部とが連通するように、前記支持板が設けられるガスのマニホールドと、
を備えた燃料電池のスタック構造体であって、
前記支持板の表面には、前記マニホールドの内部空間と連通するとともに前記複数のセルの一端部を挿入するための複数の挿入孔が形成され、
前記各セルの一端部が、対応する前記挿入孔に遊嵌され、
前記接合材が、前記各挿入孔と対応する前記セルの一端部との接合部のそれぞれにおいて前記挿入孔の内壁と前記セルの一端部の外壁との間に存在する隙間に少なくとも進入するよう設けられることによって、前記各挿入孔と対応する前記セルの一端部とがそれぞれ接合され、
前記接合材は、アルカリ金属を含有する物質で構成されるとともに、前記接合材における、前記燃料電池の稼働中にて酸素を含むガスが通過する空間に向いた表面が、前記アルカリ金属を含有しない物質の膜で覆われた、燃料電池のスタック構造体。 Each includes a support substrate having a longitudinal direction and a gas flow path along the longitudinal direction formed therein, and at least a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode provided on the surface of the support substrate in this order. A plurality of cells including:
Each cell is joined to each other using a joining material so that each cell protrudes from the surface of the support plate along the longitudinal direction and the plurality of cells are arranged in a stack. A supporting plate to support;
A gas manifold provided with the support plate so that the internal space of the manifold communicates with one end of each of the gas flow paths of the plurality of cells;
A fuel cell stack structure comprising:
On the surface of the support plate, a plurality of insertion holes for communicating with the internal space of the manifold and inserting one end portions of the plurality of cells are formed.
One end of each cell is loosely fitted into the corresponding insertion hole,
The bonding material is provided so as to enter at least a gap existing between the inner wall of the insertion hole and the outer wall of the one end of the cell at each of the bonding portions between the insertion holes and the corresponding one end of the cell. The one end of each cell corresponding to each insertion hole is joined,
The bonding material, while being constituted by a material containing an alkali metal, in the bonding material, the surface of a gas containing oxygen Te during operation of the fuel cell is directed into the space passes through, containing the alkali metal A stack structure of a fuel cell, covered with a film of non-conducting material.
前記アルカリ金属を含有しない物質の膜が多孔質膜であり、
前記膜の厚さが1〜10μmであり、且つ、前記膜の気孔率が10〜40体積%である、燃料電池の構造体。 The fuel cell structure according to any one of claims 1 to 6, wherein
The membrane of the substance containing no alkali metal is a porous membrane,
A structure of a fuel cell, wherein the thickness of the membrane is 1 to 10 μm, and the porosity of the membrane is 10 to 40% by volume.
前記アルカリ金属を含有する物質が、結晶化度が60%以上の結晶化ガラスであり、
前記アルカリ金属を含有しない物質も、結晶化度が60%以上の結晶化ガラスである、燃料電池の構造体。 In the structure of the fuel cell according to any one of claims 1 to 7,
The substance containing the alkali metal is crystallized glass having a crystallinity of 60% or more,
The structure of a fuel cell, wherein the substance not containing an alkali metal is also a crystallized glass having a crystallinity of 60% or more.
前記セルと、前記燃料極に供給される燃料ガスと前記空気極に供給される酸素を含むガスとの混合を防止するための仕切り部材であって、接合材を用いて前記セルに接合される仕切り部材と、 A partition member for preventing mixing of the cell and a fuel gas supplied to the fuel electrode and a gas containing oxygen supplied to the air electrode, which is joined to the cell using a joining material A partition member;
を含む、燃料電池の構造体であって、 A fuel cell structure comprising:
前記接合材はガラスであり、燃料電池の作動温度において前記接合材から蒸発しステンレス鋼を腐食させる腐食物質を含有する物質で構成されるとともに、前記接合材における、前記燃料電池の稼働中にて前記燃料ガスが通過する空間に向いた表面が、前記腐食物質を含有しない物質の膜で覆われた、燃料電池の構造体。 The bonding material is glass, and is composed of a substance containing a corrosive substance that evaporates from the bonding material and corrodes stainless steel at the operating temperature of the fuel cell, and in the operation of the fuel cell in the bonding material. A structure of a fuel cell, wherein a surface facing a space through which the fuel gas passes is covered with a film of a substance not containing a corrosive substance.
前記各セルが支持板の表面から前記長手方向に沿ってそれぞれ突出し且つ前記複数のセルがスタック状に整列するように、前記各セルの前記長手方向の一端部を接合材を用いてそれぞれ接合・支持する支持板と、 Each cell is joined to each other using a joining material so that each cell protrudes from the surface of the support plate along the longitudinal direction and the plurality of cells are arranged in a stack. A supporting plate to support;
マニホールドの内部空間と前記複数のセルの前記ガス流路のそれぞれの一端部とが連通するように、前記支持板が設けられるガスのマニホールドと、 A gas manifold provided with the support plate so that the internal space of the manifold communicates with one end of each of the gas flow paths of the plurality of cells;
を備えた燃料電池のスタック構造体であって、 A fuel cell stack structure comprising:
前記支持板の表面には、前記マニホールドの内部空間と前記複数のセルの一端部とを連通するための1つ又は複数の孔が形成され、 One or a plurality of holes for communicating the internal space of the manifold and one end of the plurality of cells are formed on the surface of the support plate,
前記各セルの一端部が、対応する前記孔に対応して位置付けられ、 One end of each cell is positioned corresponding to the corresponding hole;
前記接合材が、前記各孔と対応する前記セルの一端部との接合部のそれぞれにおいて前記孔と前記セルの一端部との間に存在する空間に充填されるよう設けられることによって、前記各孔と対応する前記セルの一端部とがそれぞれ接合され、 The bonding material is provided so as to fill a space existing between the hole and one end of the cell at each of the bonding portions between the holes and the corresponding one end of the cell. The hole and the corresponding one end of the cell are joined together,
前記接合材はガラスであり、燃料電池の作動温度において前記接合材から蒸発しステンレス鋼を腐食させる腐食物質を含有する物質で構成されるとともに、前記接合材における、前記燃料電池の稼働中にて前記マニホールドを介して前記ガス流路に供給される燃料ガスが通過する空間に向いた表面が、前記腐食物質を含有しない物質の膜で覆われた、燃料電池のスタック構造体。 The bonding material is glass, and is composed of a substance containing a corrosive substance that evaporates from the bonding material and corrodes stainless steel at the operating temperature of the fuel cell, and in the operation of the fuel cell in the bonding material. A fuel cell stack structure in which a surface facing a space through which fuel gas supplied to the gas flow path through the manifold passes is covered with a film of a substance not containing a corrosive substance.
前記各セルが支持板の表面から前記長手方向に沿ってそれぞれ突出し且つ前記複数のセルがスタック状に整列するように、前記各セルの前記長手方向の一端部を接合材を用いてそれぞれ接合・支持する支持板と、 Each cell is joined to each other using a joining material so that each cell protrudes from the surface of the support plate along the longitudinal direction and the plurality of cells are arranged in a stack. A supporting plate to support;
マニホールドの内部空間と前記複数のセルの前記ガス流路のそれぞれの一端部とが連通するように、前記支持板が設けられるガスのマニホールドと、 A gas manifold provided with the support plate so that the internal space of the manifold communicates with one end of each of the gas flow paths of the plurality of cells;
を備えた燃料電池のスタック構造体であって、 A fuel cell stack structure comprising:
前記支持板の表面には、前記マニホールドの内部空間と連通するとともに前記複数のセルの一端部を挿入するための複数の挿入孔が形成され、 On the surface of the support plate, a plurality of insertion holes for communicating with the internal space of the manifold and inserting one end portions of the plurality of cells are formed.
前記各セルの一端部が、対応する前記挿入孔に遊嵌され、 One end of each cell is loosely fitted into the corresponding insertion hole,
前記接合材が、前記各挿入孔と対応する前記セルの一端部との接合部のそれぞれにおいて前記挿入孔の内壁と前記セルの一端部の外壁との間に存在する隙間に少なくとも進入するよう設けられることによって、前記各挿入孔と対応する前記セルの一端部とがそれぞれ接合され、 The bonding material is provided so as to enter at least a gap existing between the inner wall of the insertion hole and the outer wall of the one end of the cell at each of the bonding portions between the insertion holes and the corresponding one end of the cell. The one end of each cell corresponding to each insertion hole is joined,
前記接合材はガラスであり、燃料電池の作動温度において前記接合材から蒸発しステンレス鋼を腐食させる腐食物質を含有する物質で構成されるとともに、前記接合材における、前記燃料電池の稼働中にて前記マニホールドを介して前記ガス流路に供給される燃料ガスが通過する空間に向いた表面が、前記腐食物質を含有しない物質の膜で覆われた、燃料電池のスタック構造体。 The bonding material is glass, and is composed of a substance containing a corrosive substance that evaporates from the bonding material and corrodes stainless steel at the operating temperature of the fuel cell, and in the operation of the fuel cell in the bonding material. A fuel cell stack structure in which a surface facing a space through which fuel gas supplied to the gas flow path through the manifold passes is covered with a film of a substance not containing a corrosive substance.
前記セルと、前記燃料極に供給される燃料ガスと前記空気極に供給される酸素を含むガスとの混合を防止するための仕切り部材であって、接合材を用いて前記セルに接合される仕切り部材と、 A partition member for preventing mixing of the cell and a fuel gas supplied to the fuel electrode and a gas containing oxygen supplied to the air electrode, which is joined to the cell using a joining material A partition member;
を含む、燃料電池の構造体であって、 A fuel cell structure comprising:
前記接合材はガラスであり、燃料電池の作動温度において前記接合材から蒸発しステンレス鋼を腐食させる腐食物質を含有する物質で構成されるとともに、前記接合材における、前記燃料電池の稼働中にて前記酸素を含むガスが通過する空間に向いた表面が、前記腐食物質を含有しない物質の膜で覆われた、燃料電池の構造体。 The bonding material is glass, and is composed of a substance containing a corrosive substance that evaporates from the bonding material and corrodes stainless steel at the operating temperature of the fuel cell, and in the operation of the fuel cell in the bonding material. A structure of a fuel cell, wherein a surface facing a space through which the gas containing oxygen passes is covered with a film of a substance not containing a corrosive substance.
前記各セルが支持板の表面から前記長手方向に沿ってそれぞれ突出し且つ前記複数のセルがスタック状に整列するように、前記各セルの前記長手方向の一端部を接合材を用いてそれぞれ接合・支持する支持板と、 Each cell is joined to each other using a joining material so that each cell protrudes from the surface of the support plate along the longitudinal direction and the plurality of cells are arranged in a stack. A supporting plate to support;
マニホールドの内部空間と前記複数のセルの前記ガス流路のそれぞれの一端部とが連通するように、前記支持板が設けられるガスのマニホールドと、 A gas manifold provided with the support plate so that the internal space of the manifold communicates with one end of each of the gas flow paths of the plurality of cells;
を備えた燃料電池のスタック構造体であって、 A fuel cell stack structure comprising:
前記支持板の表面には、前記マニホールドの内部空間と前記複数のセルの一端部とを連通するための1つ又は複数の孔が形成され、 One or a plurality of holes for communicating the internal space of the manifold and one end of the plurality of cells are formed on the surface of the support plate,
前記各セルの一端部が、対応する前記孔に対応して位置付けられ、 One end of each cell is positioned corresponding to the corresponding hole;
前記接合材が、前記各孔と対応する前記セルの一端部との接合部のそれぞれにおいて前記孔と前記セルの一端部との間に存在する空間に充填されるよう設けられることによって、前記各孔と対応する前記セルの一端部とがそれぞれ接合され、 The bonding material is provided so as to fill a space existing between the hole and one end of the cell at each of the bonding portions between the holes and the corresponding one end of the cell. The hole and the corresponding one end of the cell are joined together,
前記接合材はガラスであり、燃料電池の作動温度において前記接合材から蒸発しステンレス鋼を腐食させる腐食物質を含有する物質で構成されるとともに、前記接合材における、前記燃料電池の稼働中にて酸素を含むガスが通過する空間に向いた表面が、前記腐食物質を含有しない物質の膜で覆われた、燃料電池のスタック構造体。 The bonding material is glass, and is composed of a substance containing a corrosive substance that evaporates from the bonding material and corrodes stainless steel at the operating temperature of the fuel cell. A fuel cell stack structure in which a surface facing a space through which a gas containing oxygen passes is covered with a film of a substance not containing a corrosive substance.
前記各セルが支持板の表面から前記長手方向に沿ってそれぞれ突出し且つ前記複数のセルがスタック状に整列するように、前記各セルの前記長手方向の一端部を接合材を用いてそれぞれ接合・支持する支持板と、 Each cell is joined to each other using a joining material so that each cell protrudes from the surface of the support plate along the longitudinal direction and the plurality of cells are arranged in a stack. A supporting plate to support;
マニホールドの内部空間と前記複数のセルの前記ガス流路のそれぞれの一端部とが連通するように、前記支持板が設けられるガスのマニホールドと、 A gas manifold provided with the support plate so that the internal space of the manifold communicates with one end of each of the gas flow paths of the plurality of cells;
を備えた燃料電池のスタック構造体であって、 A fuel cell stack structure comprising:
前記支持板の表面には、前記マニホールドの内部空間と連通するとともに前記複数のセルの一端部を挿入するための複数の挿入孔が形成され、 On the surface of the support plate, a plurality of insertion holes for communicating with the internal space of the manifold and inserting one end portions of the plurality of cells are formed.
前記各セルの一端部が、対応する前記挿入孔に遊嵌され、 One end of each cell is loosely fitted into the corresponding insertion hole,
前記接合材が、前記各挿入孔と対応する前記セルの一端部との接合部のそれぞれにおいて前記挿入孔の内壁と前記セルの一端部の外壁との間に存在する隙間に少なくとも進入するよう設けられることによって、前記各挿入孔と対応する前記セルの一端部とがそれぞれ接合され、 The bonding material is provided so as to enter at least a gap existing between the inner wall of the insertion hole and the outer wall of the one end of the cell at each of the bonding portions between the insertion holes and the corresponding one end of the cell. The one end of each cell corresponding to each insertion hole is joined,
前記接合材はガラスであり、燃料電池の作動温度において前記接合材から蒸発しステンレス鋼を腐食させる腐食物質を含有する物質で構成されるとともに、前記接合材における、前記燃料電池の稼働中にて酸素を含むガスが通過する空間に向いた表面が、前記腐食物質を含有しない物質の膜で覆われた、燃料電池のスタック構造体。 The bonding material is glass, and is composed of a substance containing a corrosive substance that evaporates from the bonding material and corrodes stainless steel at the operating temperature of the fuel cell. A fuel cell stack structure in which a surface facing a space through which a gas containing oxygen passes is covered with a film of a substance not containing a corrosive substance.
前記腐食物質を含有しない物質の膜が多孔質膜であり、 The film of the substance not containing the corrosive substance is a porous film,
前記膜の厚さが1〜10μmであり、且つ、前記膜の気孔率が10〜40体積%である、燃料電池の構造体。 A structure of a fuel cell, wherein the thickness of the membrane is 1 to 10 μm, and the porosity of the membrane is 10 to 40% by volume.
前記腐食物質を含有する物質が、結晶化度が60%以上の結晶化ガラスであり、 The substance containing the corrosive substance is crystallized glass having a crystallinity of 60% or more,
前記腐食物質を含有しない物質も、結晶化度が60%以上の結晶化ガラスである、燃料電池の構造体。 The structure of a fuel cell, wherein the substance not containing the corrosive substance is also a crystallized glass having a crystallinity of 60% or more.
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