JP5826963B1 - Fuel cell - Google Patents

Fuel cell Download PDF

Info

Publication number
JP5826963B1
JP5826963B1 JP2015120057A JP2015120057A JP5826963B1 JP 5826963 B1 JP5826963 B1 JP 5826963B1 JP 2015120057 A JP2015120057 A JP 2015120057A JP 2015120057 A JP2015120057 A JP 2015120057A JP 5826963 B1 JP5826963 B1 JP 5826963B1
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
support substrate
fuel cell
additional member
gas flow
gas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2015120057A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2016048676A (en
Inventor
誠 大森
誠 大森
正幸 新海
正幸 新海
崇 龍
崇 龍
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NGK Insulators Ltd
Original Assignee
NGK Insulators Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NGK Insulators Ltd filed Critical NGK Insulators Ltd
Priority to JP2015120057A priority Critical patent/JP5826963B1/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5826963B1 publication Critical patent/JP5826963B1/en
Publication of JP2016048676A publication Critical patent/JP2016048676A/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

【課題】ガス流路が内部に形成された支持基板を有する燃料電池であって、支持基板のガス排出側端部にクラックが発生し難いものを提供すること。【解決手段】この燃料電池では、複数のガス流路11が内部に形成された支持基板10の表面に、燃料極20、固体電解質40、及び空気極60が順に積層された発電素子部Aが形成される。支持基板10のガス排出側端部には、接合材80を介して、追加部材90が設けられる。追加部材90の内部にも複数のガス流路が形成されている。支持基板10の各ガス流路11が、追加部材90の対応するガス流路とそれぞれ接続されている。追加部材90が設けられたことにより、支持基板10内のガス流路11を流れる燃料ガスは、支持基板10のガス排出側端部から外部空間に直ちに排出されるのではなく、追加部材90内のガス流路を通過した後に追加部材90のガス排出側端部から外部空間に排出される。【選択図】図15To provide a fuel cell having a support substrate with a gas flow path formed therein, in which cracks are unlikely to occur at the gas discharge side end of the support substrate. In this fuel cell, a power generating element section A in which a fuel electrode 20, a solid electrolyte 40, and an air electrode 60 are sequentially laminated on the surface of a support substrate 10 in which a plurality of gas flow paths 11 are formed. It is formed. An additional member 90 is provided at the gas discharge side end of the support substrate 10 via a bonding material 80. A plurality of gas flow paths are also formed inside the additional member 90. Each gas flow path 11 of the support substrate 10 is connected to a corresponding gas flow path of the additional member 90. By providing the additional member 90, the fuel gas flowing through the gas flow path 11 in the support substrate 10 is not immediately discharged from the gas discharge side end of the support substrate 10 to the external space, but in the additional member 90. After passing through the gas flow path, the additional member 90 is discharged from the gas discharge side end to the external space. [Selection] Figure 15

Description

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

従来より、「長手方向を有する支持基板であって前記長手方向に貫通する1つ又は複数のガス流路が内部に形成された多孔質の支持基板」と、「前記支持基板の表面に設けられ、少なくとも燃料極、固体電解質、及び空気極がこの順で積層された発電素子部」とを備えた焼成体である固体酸化物形燃料電池が広く知られている(例えば、特許文献1を参照)。   Conventionally, “a porous support substrate having a longitudinal direction in which one or a plurality of gas passages penetrating in the longitudinal direction are formed” and “provided on the surface of the support substrate. In addition, a solid oxide fuel cell that is a fired body including a power generation element unit in which at least a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are stacked in this order is widely known (see, for example, Patent Document 1). ).

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

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

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

このようなクラックが発生する可能性を低減するため、支持基板のガス排出側端部、具体的には、各ガス流路の内壁面におけるガス排出側の端部、並びに、支持基板の長手方向におけるガス排出側の端面に、支持基板より気孔率が小さいコーティング膜が形成される構成が知られている(例えば、特許文献1を参照)。このコーティング膜の形成によって、外部空間内にある空気が支持基板のガス排出側端部の内部に進入し難くなり、この結果、支持基板のガス排出側端部にてクラックが発生する可能性が低減され得る。   In order to reduce the possibility of occurrence of such cracks, the gas discharge side end of the support substrate, specifically, the gas discharge side end of the inner wall surface of each gas flow path, and the longitudinal direction of the support substrate There is known a configuration in which a coating film having a lower porosity than that of a support substrate is formed on the end surface on the gas discharge side (see Patent Document 1, for example). The formation of this coating film makes it difficult for air in the external space to enter the gas discharge side end of the support substrate, and as a result, cracks may occur at the gas discharge side end of the support substrate. Can be reduced.

特開2012−9228号公報JP 2012-9228 A

ところで、上記のようにコーティング膜が形成される構成において、燃料電池の稼働環境によってはコーティング膜にクラックが発生する場合があった。コーティング膜にクラックが発生すると、このクラックを介して外部空間内にある空気が支持基板のガス排出側端部の内部に進入し得る。この結果、結局、支持基板のガス排出側端部にクラックが発生し得る。   By the way, in the configuration in which the coating film is formed as described above, a crack may occur in the coating film depending on the operating environment of the fuel cell. When a crack occurs in the coating film, air in the external space can enter the inside of the gas discharge side end of the support substrate through the crack. As a result, cracks may eventually occur at the gas discharge side end of the support substrate.

このように、支持基板のガス排出側端部でのクラックを抑制するに際し、コーティング膜を形成する手法には改善の余地があった。本発明者は、コーティング膜を形成する手法を用いずに、支持基板のガス排出側端部でのクラックを抑制する新たな手法を見出した。   As described above, there is room for improvement in the method of forming the coating film when suppressing cracks at the gas discharge side end of the support substrate. The present inventor has found a new technique for suppressing cracks at the gas discharge side end of the support substrate without using a technique for forming a coating film.

本発明に係る燃料電池は、上述と同じ支持基板と、上述と同じ発電素子部と、を備える。前記支持基板は、平板状であっても、円筒状であってもよい。前記支持基板の各ガス流路の前記長手方向における第1側及び前記第1側と反対の第2側がそれぞれ、ガス流入側及びガス排出側に対応する。   The fuel cell according to the present invention includes the same support substrate as described above and the same power generation element unit as described above. The support substrate may be flat or cylindrical. A first side in the longitudinal direction of each gas flow path of the support substrate and a second side opposite to the first side correspond to a gas inflow side and a gas discharge side, respectively.

本発明に係る燃料電池の特徴は、前記支持基板の前記長手方向における前記第2側の端部に取り付けられた追加部材を備えたことにある。この追加部材は、1つ又は複数のガス流路を内部に有する。各ガス流路は、前記長手方向に貫通し、且つ前記支持基板の各ガス流路と接続されている。   A feature of the fuel cell according to the present invention is that an additional member attached to the end portion on the second side in the longitudinal direction of the support substrate is provided. This additional member has one or more gas flow paths therein. Each gas flow path penetrates in the longitudinal direction and is connected to each gas flow path of the support substrate.

ここにおいて、前記追加部材は、多孔質のセラミックス(気孔率が10%以上)で構成されてもよいし、緻密質のセラミックス(気孔率が10%未満)で構成されてもよい。前記追加部材が多孔質のセラミックスで構成される場合、前記追加部材の外表面が緻密質のセラミックス膜で覆われていてもよい。前記接合材の材料は、前記支持基板及び前記追加部材の材料とは異なる組成を有する。前記支持基板及び前記追加部材の材料は、組成及び微構造が同じであってもよいし、組成及び微構造の一方又は両方が異なっていてもよい。   Here, the additional member may be composed of porous ceramics (porosity of 10% or more), or may be composed of dense ceramics (porosity of less than 10%). When the additional member is made of porous ceramics, the outer surface of the additional member may be covered with a dense ceramic film. The material of the bonding material has a composition different from the materials of the support substrate and the additional member. The material of the support substrate and the additional member may have the same composition and microstructure, or one or both of the composition and microstructure may be different.

前記追加部材の前記各ガス流路は、前記支持基板の対応する1つの前記ガス流路とそれぞれ接続されることが好適であるが、前記支持基板の対応する複数の前記ガス流路と接続されていてもよい。前記追加部材の単一の前記ガス流路が、前記支持基板の複数の前記ガス流路の全てと接続されていてもよい。   Each of the gas flow paths of the additional member is preferably connected to one corresponding gas flow path of the support substrate, but is connected to a plurality of corresponding gas flow paths of the support substrate. It may be. The single said gas flow path of the said additional member may be connected with all the several said gas flow paths of the said support substrate.

上記本発明の特徴によれば、支持基板内の長手方向に延びるガス流路を流れる燃料ガスは、支持基板のガス排出側端部から外部空間に直ちに排出されるのではなく、追加部材内の長手方向に延びるガス流路を通過した後に追加部材のガス排出側端部から外部空間に排出される。即ち、支持基板内のガス流路のガス排出側端部は、外部空間に直接接続されるのではなく、追加部材内のガス流路を介して外部空間と接続している。なお、追加部材が多孔質の場合、燃料ガスの一部は、追加部材内のガス流路から追加部材の内部の気孔を介して外部空間に排出され得る。   According to the above feature of the present invention, the fuel gas flowing through the gas flow path extending in the longitudinal direction in the support substrate is not immediately discharged from the gas discharge side end of the support substrate to the external space, but in the additional member. After passing through the gas flow path extending in the longitudinal direction, the gas is discharged from the gas discharge side end of the additional member to the external space. That is, the gas discharge side end of the gas flow path in the support substrate is not directly connected to the external space, but is connected to the external space via the gas flow path in the additional member. When the additional member is porous, part of the fuel gas can be discharged from the gas flow path in the additional member to the external space via the pores inside the additional member.

従って、前記追加部材が設けられない構成と比較して、外部空間内にある空気が、支持基板内のガス流路のガス排出側端部を介して支持基板のガス排出側端部の内部に進入し難くなる。この結果、「外部空間内にある空気の支持基板のガス排出側端部の内部への進入」に起因して支持基板のガス排出側端部にてクラックが発生する可能性が低減され得る。   Therefore, compared with the configuration in which the additional member is not provided, the air in the external space is introduced into the gas discharge side end of the support substrate through the gas discharge side end of the gas flow path in the support substrate. It becomes difficult to enter. As a result, it is possible to reduce the possibility of cracks occurring at the gas discharge side end portion of the support substrate due to the “entry of the air in the external space into the gas discharge side end portion of the support substrate”.

なお、特に前記追加部材が多孔質材料で構成される場合、外部空間内にある空気が追加部材のガス排出側端部の内部に進入し得ることによって、追加部材のガス排出側端部にてクラックが発生する可能性が高い。しかしながら、仮に追加部材にクラックが発生しても、支持基板のガス排出側端部にてクラックが発生しなければ、何ら問題はない。即ち、本発明は、クラックが発生し易い場所にクラックが発生しても問題がない部材を敢えて設けることによって、支持基板のガス排出側端部にてクラックが発生する可能性を低減させる、という知見に基づく。   In particular, when the additional member is made of a porous material, the air in the external space can enter the inside of the gas discharge side end of the additional member. There is a high possibility of cracking. However, even if a crack occurs in the additional member, there is no problem as long as the crack does not occur at the gas discharge side end of the support substrate. That is, the present invention reduces the possibility of cracks occurring at the gas discharge side end portion of the support substrate by intentionally providing a member that does not have a problem even if cracks occur in a place where cracks are likely to occur. Based on knowledge.

本発明に係る燃料電池においては、前記追加部材は、前記支持基板の対応する1つのガス流路の前記第2側の端部にそれぞれ挿入され且つ前記接合材を介して接合された、1つ又は複数の前記長手方向に延びる管状部材で構成され得る。   In the fuel cell according to the present invention, the additional member is inserted into the end portion on the second side of the corresponding one of the gas flow paths of the support substrate and joined through the joining material. Or it may be composed of a plurality of tubular members extending in the longitudinal direction.

また、本発明に係る燃料電池は、長手方向において、支持基板と追加部材との間に介在する金属部材をさらに備えていてもよい。この金属部材は、長手方向に貫通し且つ支持基板の各ガス流路と接続された1つ又は複数のガス流路を内部に有する。   Moreover, the fuel cell according to the present invention may further include a metal member interposed between the support substrate and the additional member in the longitudinal direction. The metal member has one or a plurality of gas passages penetrating in the longitudinal direction and connected to the gas passages of the support substrate.

支持基板と追加部材との間に金属部材が介在しない構成、即ち、支持基板と追加部材との間に接合材のみが介在する構成では、上記のように追加部材にクラックが発生した場合、そのクラックの成長・進行の程度が大きいと、そのクラックが接合材を介して支持基板のガス排出側端部に到達する場合も考えられる。   In the configuration in which the metal member is not interposed between the support substrate and the additional member, that is, in the configuration in which only the bonding material is interposed between the support substrate and the additional member, when a crack occurs in the additional member as described above, If the degree of growth / progress of cracks is large, the cracks may reach the gas discharge side end of the support substrate via the bonding material.

この点、金属には延性があるので、金属にはクラックが発生し難い。従って、上記のように、支持基板と追加部材との間に金属部材が介在する構成では、仮に、追加部材に発生したクラックの成長・進行の程度が大きい場合であっても、そのクラックが金属部材に到達した段階でそのクラックの進行が止まる。即ち、そのクラックが支持基板のガス排出側端部に到達し難くなる。   In this respect, since the metal has ductility, it is difficult for the metal to crack. Therefore, as described above, in the configuration in which the metal member is interposed between the support substrate and the additional member, even if the degree of growth / progress of the crack generated in the additional member is large, the crack is a metal. The progress of the crack stops when it reaches the member. That is, it becomes difficult for the crack to reach the gas discharge side end of the support substrate.

本発明に係る燃料電池が金属部材をさらに備えている場合、本発明に係る燃料電池は、金属部材の表面を覆うコーティング膜を備えていることが好ましい。例えば、金属部材がステンレス鋼で構成される場合、コーティング膜が金属部材の表面を覆うことによって、金属部材からクロムが外部へと流出することを抑制することができる。この結果、金属部材から揮発したクロムによって空気極などが被毒される問題を防止することができる。   When the fuel cell according to the present invention further includes a metal member, the fuel cell according to the present invention preferably includes a coating film that covers the surface of the metal member. For example, when the metal member is made of stainless steel, the coating film covers the surface of the metal member, thereby preventing chromium from flowing out from the metal member. As a result, it is possible to prevent the problem that the air electrode and the like are poisoned by chromium volatilized from the metal member.

また、本発明に係る燃料電池において、前記支持基板の前記第2側の端面と前記追加部材の前記第1側の端面とが向かい合うように配置される場合、前記支持基板の前記第2側の端面と前記追加部材の前記第1側の端面との間に、金属部材が介在され得る。この場合、前記支持基板の前記第2側の端面と前記金属部材の前記第1側の端面とが前記接合材を介して接合され、且つ、前記追加部材の前記第1側の端面と前記金属部材の前記第2側の端面とが前記接合材を介して接合されることによって、前記追加部材が前記支持基板の前記第2側の端部に接合される。   In the fuel cell according to the present invention, when the second side end face of the support substrate and the first side end face of the additional member are arranged to face each other, A metal member may be interposed between the end surface and the end surface on the first side of the additional member. In this case, the end surface on the second side of the support substrate and the end surface on the first side of the metal member are bonded via the bonding material, and the end surface on the first side of the additional member and the metal The additional member is joined to the end portion on the second side of the support substrate by joining the end surface on the second side of the member via the joining material.

前記金属部材の前記各ガス流路は、前記支持基板の対応する1つの前記ガス流路とそれぞれ接続されることが好適であるが、前記支持基板の対応する複数の前記ガス流路と接続されていてもよい。前記金属部材の単一の前記ガス流路が、前記支持基板の複数の前記ガス流路の全てと接続されていてもよい。   Each of the gas flow paths of the metal member is preferably connected to a corresponding one of the gas flow paths of the support substrate, but is connected to a plurality of the corresponding gas flow paths of the support substrate. It may be. The single gas channel of the metal member may be connected to all of the plurality of gas channels of the support substrate.

また、本発明に係る燃料電池においては、前記追加部材は、セラミックス(の焼成体)で構成されることが好適である。前記追加部材はクロム(Cr)を含む金属で構成され得る。しかしながら、この場合、追加部材の表面から揮発するクロムが電極(特に、空気極)に到達すると、電極が被毒し得る(所謂、クロム被毒)。これに対し、上記のように、前記追加部材がセラミックス(の焼成体)で構成されると、クロム被毒が発生し得ない。   Moreover, in the fuel cell according to the present invention, it is preferable that the additional member is made of a ceramic (fired body thereof). The additional member may be made of a metal including chromium (Cr). However, in this case, when chromium volatilized from the surface of the additional member reaches the electrode (particularly, the air electrode), the electrode can be poisoned (so-called chromium poisoning). On the other hand, as described above, if the additional member is made of ceramics (fired body thereof), chromium poisoning cannot occur.

また、上記クロム被毒の発生防止の観点から、前記金属部材の外表面が緻密質のセラミックス膜で覆われていてもよい。   Further, from the viewpoint of preventing the occurrence of chromium poisoning, the outer surface of the metal member may be covered with a dense ceramic film.

また、本発明に係る燃料電池において、追加部材の熱伝導率は、支持基板の熱伝導率よりも高いことが好ましい。この構成によれば、追加部材の放熱性が向上するため、ガス排出側端部においてクラックの発生を効果的に防止することができる。例えば、追加部材に金属元素又はニッケルを含めたり、追加部材の表面に金属膜をコーティングしたりすることによって、追加部材の熱伝導率を向上させることができる。   Moreover, in the fuel cell according to the present invention, the thermal conductivity of the additional member is preferably higher than the thermal conductivity of the support substrate. According to this structure, since the heat dissipation of an additional member improves, generation | occurrence | production of a crack can be effectively prevented in a gas discharge side edge part. For example, the thermal conductivity of the additional member can be improved by including a metal element or nickel in the additional member, or coating the surface of the additional member with a metal film.

本発明に係る燃料電池を示す斜視図である。1 is a perspective view showing a fuel cell according to the present invention. 図1に示す燃料電池の2−2線に対応する断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view corresponding to line 2-2 of the fuel cell shown in FIG. 図1に示す支持基板の凹部に埋設された燃料極及びインターコネクタの状態を示した平面図である。It is the top view which showed the state of the fuel electrode and interconnector which were embed | buried under the recessed part of the support substrate shown in FIG. 図1に示す燃料電池の作動状態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the operation state of the fuel cell shown in FIG. 図1に示す燃料電池の作動状態における電流の流れを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the flow of the electric current in the operating state of the fuel cell shown in FIG. 図1に示す支持基板を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the support substrate shown in FIG. 図1に示す燃料電池の製造過程における第1段階における図2に対応する断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 2 in a first stage in the manufacturing process of the fuel cell shown in FIG. 1. 図1に示す燃料電池の製造過程における第2段階における図2に対応する断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 2 in a second stage in the manufacturing process of the fuel cell shown in FIG. 1. 図1に示す燃料電池の製造過程における第3段階における図2に対応する断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 2 in a third stage in the manufacturing process of the fuel cell shown in FIG. 1. 図1に示す燃料電池の製造過程における第4段階における図2に対応する断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 2 in a fourth stage in the manufacturing process of the fuel cell shown in FIG. 1. 図1に示す燃料電池の製造過程における第5段階における図2に対応する断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 2 in a fifth stage in the manufacturing process of the fuel cell shown in FIG. 1. 図1に示す燃料電池の製造過程における第6段階における図2に対応する断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 2 in a sixth stage in the manufacturing process of the fuel cell shown in FIG. 1. 図1に示す燃料電池の製造過程における第7段階における図2に対応する断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 2 in a seventh stage in the manufacturing process of the fuel cell shown in FIG. 1. 図1に示す燃料電池の製造過程における第8段階における図2に対応する断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 2 in an eighth stage in the manufacturing process of the fuel cell shown in FIG. 1. 追加部材が設けられた燃料電池の作動状態を示す図4に対応する図である。FIG. 5 is a view corresponding to FIG. 4 showing an operating state of a fuel cell provided with an additional member. 図15に示した追加部材を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the additional member shown in FIG. 図15に示す支持基板と追加部材との接合部位を拡大して示した平面図である。It is the top view which expanded and showed the junction part of the support substrate shown in FIG. 15, and an additional member. 図15に示す支持基板と追加部材との接合部位を拡大して示した側面図である。It is the side view which expanded and showed the junction part of the support substrate shown in FIG. 15, and an additional member. 本発明に係る他の燃料電池における図17に対応する図である。FIG. 18 is a view corresponding to FIG. 17 in another fuel cell according to the present invention. 本発明に係る他の燃料電池における図18に対応する図である。FIG. 19 is a view corresponding to FIG. 18 in another fuel cell according to the present invention. 図19及び図20に示した金属板を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the metal plate shown in FIG.19 and FIG.20. 支持基板と追加部材との接合部位を拡大して示した断面図である。。It is sectional drawing which expanded and showed the joining site | part of a support substrate and an additional member. . 本発明に係る他の燃料電池における図15に対応する図である。FIG. 16 is a view corresponding to FIG. 15 in another fuel cell according to the present invention. 本発明に係る他の燃料電池における図17に対応する図である。FIG. 18 is a view corresponding to FIG. 17 in another fuel cell according to the present invention. 本発明に係る他の燃料電池における図18に対応する図である。FIG. 19 is a view corresponding to FIG. 18 in another fuel cell according to the present invention. 図25に示す支持基板と追加部材との接合部位を拡大して示した断面図である。It is sectional drawing which expanded and showed the junction part of the support substrate shown in FIG. 25, and an additional member.

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

このSOFCの全体を上方からみた形状は、例えば、長手方向の辺の長さが50〜500mmで長手方向に直交する幅方向(y軸方向)の長さが10〜100mmの長方形である。このSOFCの全体の厚さは、1〜5mmである。このSOFCの全体は、厚さ方向の中心を通り且つ支持基板10の主面に平行な面に対して上下対称の形状を有する。以下、図1に加えて、このSOFCの図1に示す2−2線に対応する部分断面図である図2を参照しながら、このSOFCの詳細について説明する。図2は、代表的な1組の隣り合う発電素子部A,Aのそれぞれの構成(の一部)、並びに、発電素子部A,A間の構成を示す部分断面図である。その他の組の隣り合う発電素子部A,A間の構成も、図2に示す構成と同様である。   The shape of the entire SOFC as viewed from above is, for example, a rectangle whose length in the longitudinal direction is 50 to 500 mm and whose length in the width direction (y-axis direction) perpendicular to the longitudinal direction is 10 to 100 mm. The total thickness of this SOFC is 1-5 mm. The entire SOFC has a vertically symmetrical shape with respect to a plane passing through the center in the thickness direction and parallel to the main surface of the support substrate 10. Hereinafter, in addition to FIG. 1, the details of the SOFC will be described with reference to FIG. 2, which is a partial cross-sectional view of the SOFC corresponding to line 2-2 shown in FIG. FIG. 2 is a partial cross-sectional view showing a configuration (part of) each of a typical pair of adjacent power generation element portions A and A and a configuration between the power generation element portions A and A. The configuration between the other power generation element portions A and A in other sets is the same as the configuration shown in FIG.

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

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

このように、支持基板10が「遷移金属酸化物又は遷移金属」を含むことによって、改質前の残存ガス成分を含んだガスが多孔質の支持基板10の内部の多数の気孔を介して燃料ガス流路11から燃料極に供給される過程において、上記触媒作用によって改質前の残存ガス成分の改質を促すことができる。加えて、支持基板10が絶縁性の酸化物セラミックスを含むことによって、支持基板10の絶縁性を確保することができる。この結果、隣り合う燃料極間における絶縁性が確保され得る。   As described above, since the support substrate 10 contains “transition metal oxide or transition metal”, the gas containing the residual gas component before the reforming is supplied to the fuel through the numerous pores inside the porous support substrate 10. In the process of being supplied from the gas flow path 11 to the fuel electrode, the catalytic action can promote the reforming of the residual gas component before the reforming. In addition, when the support substrate 10 contains insulating oxide ceramics, the insulation of the support substrate 10 can be ensured. As a result, insulation between adjacent fuel electrodes can be ensured.

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

以下、この構造体の形状が上下対称となっていることを考慮し、説明の簡便化のため、支持基板10の上面側の構成についてのみ説明していく。支持基板10の下面側の構成についても同様である。   Hereinafter, only the configuration on the upper surface side of the support substrate 10 will be described in consideration of the fact that the shape of the structure is vertically symmetrical. The same applies to the configuration of the lower surface side of the support substrate 10.

図2及び図3に示すように、支持基板10の上面(上側の主面)に形成された各凹部12には、燃料極集電部21の全体が埋設(充填)されている。従って、各燃料極集電部21は直方体状を呈している。   As shown in FIGS. 2 and 3, the entire fuel electrode current collector 21 is embedded (filled) in each recess 12 formed in the upper surface (upper main surface) of the support substrate 10. Therefore, each fuel electrode current collector 21 has a rectangular parallelepiped shape.

各燃料極集電部21の上面(外側面)には、凹部21aが形成されている。各凹部21aは、燃料極集電部21の材料からなる底壁と、全周に亘って燃料極集電部21の材料からなる周方向に閉じた側壁(長手方向に沿う2つの側壁と、幅方向に沿う2つの側壁)と、で画定された直方体状の窪みである。   A recess 21 a is formed on the upper surface (outer surface) of each fuel electrode current collector 21. Each recess 21a includes a bottom wall made of the material of the fuel electrode current collector 21 and a side wall (two side walls along the longitudinal direction) closed in the circumferential direction made of the material of the fuel electrode current collector 21 over the entire circumference. And two side walls along the width direction).

各凹部21aには、燃料極活性部22の全体が埋設(充填)されている。従って、各燃料極活性部22は直方体状を呈している。燃料極集電部21と燃料極活性部22とにより燃料極20が構成される。燃料極20(燃料極集電部21+燃料極活性部22)は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。各燃料極活性部22の4つの側面と底面とは、凹部21a内で燃料極集電部21と接触している。   The entire anode active portion 22 is embedded (filled) in each recess 21a. Accordingly, each fuel electrode active portion 22 has a rectangular parallelepiped shape. A fuel electrode 20 is configured by the fuel electrode current collector 21 and the fuel electrode active unit 22. The fuel electrode 20 (fuel electrode current collector 21 + fuel electrode active part 22) is a fired body made of a porous material having electron conductivity. The four side surfaces and the bottom surface of each anode active portion 22 are in contact with the anode current collecting portion 21 in the recess 21a.

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

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

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

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

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

なお、燃料極集電部21内、並びに、燃料極活性部22内のNiOは、後述する還元処理によってNiに変化して、電子伝導性を獲得する。燃料極活性部22における「気孔部分を除いた全体積に対する酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合」は、燃料極集電部21における「気孔部分を除いた全体積に対する酸素イオン伝導性を有する物質の体積割合」よりも大きい。   Note that NiO in the fuel electrode current collector 21 and in the fuel electrode active part 22 is changed to Ni by a reduction process, which will be described later, to acquire electron conductivity. The “volume ratio of the substance having oxygen ion conductivity with respect to the entire volume excluding the pore portion” in the anode active portion 22 is “having oxygen ion conductivity with respect to the entire volume excluding the pore portion” in the anode current collecting portion 21. It is larger than the “volume ratio of the substance”.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

(製造方法)
次に、図1に示した「横縞型」のSOFCの製造方法の一例について図6〜図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 method for manufacturing the “horizontal stripe type” SOFC 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、MgOとY)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. For example, this support substrate molded body 10g uses a slurry obtained by adding a binder or the like to the powder of the material of the support substrate 10 (for example, MgO and Y 2 O 3 ). It can be made using. 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12に、燃料極集電部の成形体21gがそれぞれ埋設・形成される。次いで、図9に示すように、各燃料極集電部の成形体21gの外側面に形成された各凹部に、燃料極活性部の成形体22gがそれぞれ埋設・形成される。各燃料極集電部の成形体21g、及び各燃料極活性部22gは、例えば、燃料極20の材料(例えば、NiとY)の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して埋設・形成される。 As shown in FIG. 7, when the support substrate molded body 10g is manufactured, next, as shown in FIG. 8, in each recess 12 formed on the upper and lower surfaces of the support substrate molded body 10g, the fuel electrode assembly is formed. The molded part 21g of the electric part is embedded and formed respectively. Next, as shown in FIG. 9, a molded body 22g of the fuel electrode active portion is embedded and formed in each recess formed in the outer surface of the molded body 21g of each fuel electrode current collector. The molded body 21g of each fuel electrode current collector and each fuel electrode active part 22g are, 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 Y 2 O 3 ). It is embedded and formed using a printing method or the like.

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

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

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

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

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

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

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

(支持基板のガス排出側端部におけるクラックの抑制)
上述した図4に示すように、本実施形態に係る燃料電池では、各ガス流路11内において長手方向(x軸方向)における一方向(同じ方向)にガス(燃料ガス)が流される。各ガス流路11のガス排出側端部(x軸負方向の端部)から外部空間に排出された余剰のガスは、同ガス排出側端部の近傍にて、同外部空間内にある空気(酸素)と反応して燃焼させられる。
(Suppression of cracks at the gas discharge side end of the support substrate)
As shown in FIG. 4 described above, in the fuel cell according to the present embodiment, gas (fuel gas) flows in one direction (same direction) in the longitudinal direction (x-axis direction) in each gas flow path 11. Excess gas discharged from the gas discharge side end (end in the negative x-axis direction) of each gas flow path 11 to the external space is air in the external space near the gas discharge side end. It reacts with (oxygen) and burns.

この構成では、上述した「背景技術」の欄で記載したように、外部空間内にある空気が、各ガス流路11のガス排出側端部を介して支持基板10のガス排出側端部の内部に進入することに起因して、支持基板10のガス排出側端部にてクラックが発生し易い。   In this configuration, as described in the above-mentioned “Background Art” section, the air in the external space passes through the gas discharge side end portions of the gas flow paths 11 to the gas discharge side end portions of the support substrate 10. Due to entering the inside, cracks are likely to occur at the gas discharge side end of the support substrate 10.

この問題に対処するため、図15に示すように、本実施形態では、SOFCの支持基板10のガス排出側端部に、追加部材90が取り付けられている。例えば、追加部材90は、接合材80を介して、支持基板10のガス排出側端部に接合されている。図16に示すように、追加部材90は、支持基板10において長手方向(x軸方向)の長さを短くした形状を呈している。追加部材90の内部には、長手方向(x軸方向)に貫通する複数のガス流路91が形成されている。支持基板10のガス排出側端面と追加部材90のガス流入側端面とが向かい合うように配置され、これら2つの端面同士が接合材80によって接合されている。   In order to cope with this problem, as shown in FIG. 15, in this embodiment, an additional member 90 is attached to the gas discharge side end portion of the SOFC support substrate 10. For example, the additional member 90 is bonded to the gas discharge side end portion of the support substrate 10 via the bonding material 80. As illustrated in FIG. 16, the additional member 90 has a shape in which the length in the longitudinal direction (x-axis direction) is shortened in the support substrate 10. A plurality of gas passages 91 penetrating in the longitudinal direction (x-axis direction) are formed inside the additional member 90. The gas discharge side end surface of the support substrate 10 and the gas inflow side end surface of the additional member 90 are arranged so as to face each other, and these two end surfaces are bonded to each other by a bonding material 80.

図17、及び、図18に示すように、支持基板10と追加部材90とが接合材80を介して接合されている状態(図15も参照)では、支持基板10の各ガス流路11が、追加部材90の対応するガス流路91とそれぞれ接続されている。なお、接合材80の内部においても、対応するガス流路11とガス流路91とを接続する(長手方向に貫通する)ガス流路がそれぞれ形成されている。   As shown in FIGS. 17 and 18, in a state where the support substrate 10 and the additional member 90 are bonded via the bonding material 80 (see also FIG. 15), each gas flow path 11 of the support substrate 10 is The additional member 90 is connected to the corresponding gas flow path 91. Note that, in the bonding material 80, gas flow paths that connect the corresponding gas flow paths 11 and the gas flow paths 91 (penetrate in the longitudinal direction) are formed.

追加部材90の材料は、支持基板10の材料と組成及び微構造が同じであってもよいし、組成及び微構造の一方又は両方が異なっていてもよい。追加部材90は、多孔質のセラミックス(気孔率が10%以上)で構成されてもよいし、緻密質のセラミックス(気孔率が10%未満)で構成されてもよい。追加部材90が多孔質のセラミックスで構成される場合、追加部材90の外表面が緻密質のセラミックス膜で覆われていてもよい。追加部材90は、クロム(Cr)を含む金属でも構成され得るが、セラミックス(の焼成体)で構成されることが好適である。これにより、電極(特に、空気極)において上記クロム被毒(上記発明の概要の欄を参照)が発生し得ない。   The material of the additional member 90 may have the same composition and microstructure as the material of the support substrate 10, or one or both of the composition and microstructure may be different. The additional member 90 may be made of porous ceramics (porosity of 10% or more) or may be made of dense ceramics (porosity of less than 10%). When the additional member 90 is made of porous ceramics, the outer surface of the additional member 90 may be covered with a dense ceramic film. The additional member 90 may be made of a metal containing chromium (Cr), but is preferably made of ceramics (fired body thereof). As a result, the chromium poisoning (see the summary of the invention) cannot occur in the electrodes (particularly the air electrode).

接合材80の材料は、支持基板10及び追加部材90の材料とは異なる組成を有する。具体的には、例えば、接合材80は、非晶質ガラス、結晶化ガラス等で構成される。結晶化ガラスとしては、例えば、MgO−CaO−SiO−B系や、MgO−BaO−SiO−B系等のものが好ましい。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(セラミックス)を指す。 The material of the bonding material 80 has a composition different from the materials of the support substrate 10 and the additional member 90. Specifically, for example, the bonding material 80 is made of amorphous glass, crystallized glass, or the like. As the crystallized glass, for example, ones such as MgO—CaO—SiO 2 —B 2 O 3 and MgO—BaO—SiO 2 —B 2 O 3 are preferable. 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”. "Refers to glass (ceramics) having a ratio of less than 40%.

SOFCの支持基板10に対する追加部材90の組み付けは、例えば、以下の手順で行われ得る。先ず、完成したSOFC(図1を参照)、及び、完成した追加部材90(図16を参照)が準備される。次に、所定の治具等を用いて、支持基板10のガス排出側端面と追加部材90のガス流入側端面とが、所定の間隔を空けて向かい合うように配置される。次いで、接合材80用のペーストが、これら2つの端面の間の空間(隙間)に充填される。このとき、上述した「接合材80の内部のガス流路」を形成するため、対応するガス流路11とガス流路91とを貫通するように棒状部材をそれぞれ挿入・配置しておくとよい。   The assembly of the additional member 90 to the SOFC support substrate 10 can be performed, for example, by the following procedure. First, a completed SOFC (see FIG. 1) and a completed additional member 90 (see FIG. 16) are prepared. Next, using a predetermined jig or the like, the gas discharge side end surface of the support substrate 10 and the gas inflow side end surface of the additional member 90 are arranged to face each other with a predetermined interval. Next, the paste for the bonding material 80 is filled in the space (gap) between these two end faces. At this time, in order to form the above-described “gas flow path inside the bonding material 80”, rod-shaped members may be inserted and arranged so as to penetrate the corresponding gas flow paths 11 and 91. .

次に、上記のように充填されたペーストに熱処理が加えられる。これにより、ペーストが乾燥・固化されることによって、接合材80としての機能を発揮し、上記2つの端面同士が接合・固定される。その後、前記所定の治具(及び、前記棒状部材)が取り外されて、支持基板10に対する追加部材90の組み付けが完了する。   Next, heat treatment is applied to the paste filled as described above. Thereby, when the paste is dried and solidified, the function as the bonding material 80 is exhibited, and the two end surfaces are bonded and fixed to each other. Thereafter, the predetermined jig (and the rod-shaped member) is removed, and the assembly of the additional member 90 to the support substrate 10 is completed.

以下、SOFCの支持基板10のガス排出側端部に追加部材90を組み付けたことによる作用・効果について述べる。この追加部材90が設けられたことにより、支持基板10内のガス流路11を流れる燃料ガスは、支持基板10のガス排出側端部から外部空間に直ちに排出されるのではなく、追加部材90内のガス流路91を通過した後に追加部材90のガス排出側端部から外部空間に排出される。即ち、支持基板10内のガス流路11のガス排出側端部は、外部空間に直接接続されるのではなく、追加部材90内のガス流路91を介して外部空間と接続している。なお、追加部材90が多孔質の場合、燃料ガスの一部は、追加部材90内のガス流路91から追加部材90の内部の気孔を介して外部空間に排出され得る。   Hereinafter, the operation and effect obtained by assembling the additional member 90 to the gas discharge side end of the SOFC support substrate 10 will be described. By providing this additional member 90, the fuel gas flowing through the gas flow path 11 in the support substrate 10 is not immediately discharged from the gas discharge side end portion of the support substrate 10 to the external space, but is added to the additional member 90. After passing through the inner gas flow path 91, the additional member 90 is discharged from the gas discharge side end to the external space. That is, the gas discharge side end of the gas flow path 11 in the support substrate 10 is not directly connected to the external space, but is connected to the external space via the gas flow path 91 in the additional member 90. In addition, when the additional member 90 is porous, a part of fuel gas can be discharged | emitted from the gas flow path 91 in the additional member 90 to the external space via the pore inside the additional member 90.

従って、追加部材90が設けられない構成と比較して、外部空間内にある空気が、支持基板10内のガス流路11のガス排出側端部を介して支持基板10のガス排出側端部の内部に進入し難くなる。この結果、「外部空間内にある空気の支持基板10のガス排出側端部の内部への進入」に起因して支持基板10のガス排出側端部にてクラックが発生する可能性が低減され得る。   Therefore, as compared with the configuration in which the additional member 90 is not provided, the air in the external space is moved to the gas discharge side end portion of the support substrate 10 through the gas discharge side end portion of the gas flow path 11 in the support substrate 10. It becomes difficult to enter inside. As a result, the possibility of occurrence of cracks at the gas discharge side end portion of the support substrate 10 due to the “entry of the air in the external space into the gas discharge side end portion of the support substrate 10” is reduced. obtain.

なお、特に追加部材90が多孔質材料で構成される場合、外部空間内にある空気が追加部材90のガス排出側端部の内部に進入し得る。これにより、追加部材90のガス排出側端部にてクラックが発生する可能性が高い。しかしながら、仮に追加部材90にクラックが発生しても、支持基板10のガス排出側端部にてクラックが発生しなければ、何ら問題はない。即ち、本発明は、クラックが発生し易い場所にクラックが発生しても問題がない部材を敢えて設けることによって、支持基板10のガス排出側端部にてクラックが発生する可能性を低減させる、という知見に基づく。   In particular, when the additional member 90 is made of a porous material, air in the external space can enter the inside of the gas discharge side end of the additional member 90. Thereby, a crack is highly likely to occur at the gas discharge side end of the additional member 90. However, even if a crack occurs in the additional member 90, there is no problem as long as the crack does not occur at the gas discharge side end of the support substrate 10. That is, the present invention reduces the possibility of cracks occurring at the gas discharge side end of the support substrate 10 by intentionally providing a member that does not have a problem even if cracks occur in a place where cracks are likely to occur. Based on this knowledge.

なお、本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記実施形態では、支持基板10のガス排出側端面と追加部材90のガス流入側端面との間に接合材80のみが介在しているが(図17及び図18を参照)、図19及び図20に示すように、これら2つの端面の間に、金属板(金属部材の一例)110が介在していてもよい。図19及び図20に示す例では、支持基板10のガス排出側端面と金属板110のガス流入側端面とが接合材80を介して接合され、且つ、追加部材90のガス流入側端面と金属板110のガス排出側端面とが接合材80を介して接合されている。   In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various modification can be employ | adopted within the scope of the present invention. For example, in the above embodiment, only the bonding material 80 is interposed between the gas discharge side end surface of the support substrate 10 and the gas inflow side end surface of the additional member 90 (see FIGS. 17 and 18). And as shown in FIG. 20, the metal plate (an example of a metal member) 110 may interpose between these two end surfaces. In the example shown in FIGS. 19 and 20, the gas discharge side end surface of the support substrate 10 and the gas inflow side end surface of the metal plate 110 are bonded via the bonding material 80, and the gas inflow side end surface of the additional member 90 and the metal A gas discharge side end surface of the plate 110 is bonded via a bonding material 80.

図21に示すように、この金属板110には、貫通する複数のガス流路111が形成されている。図19、及び、図20に示すように、支持基板10のガス排出側端面と追加部材90のガス流入側端面との間に接合材80を介して金属板110が介在している状態では、支持基板10の各ガス流路11が、金属板110及び追加部材90の対応するガス流路111、91とそれぞれ接続されている。なお、接合材80の内部においても、対応するガス流路11とガス流路111、及び、対応するガス流路111とガス流路91とを接続する(長手方向に貫通する)ガス流路がそれぞれ形成されている。   As shown in FIG. 21, the metal plate 110 has a plurality of gas flow paths 111 therethrough. As shown in FIGS. 19 and 20, in the state where the metal plate 110 is interposed between the gas discharge side end surface of the support substrate 10 and the gas inflow side end surface of the additional member 90 via the bonding material 80, Each gas flow path 11 of the support substrate 10 is connected to the corresponding gas flow paths 111 and 91 of the metal plate 110 and the additional member 90, respectively. Also in the bonding material 80, the corresponding gas flow path 11 and the gas flow path 111, and the corresponding gas flow path 111 and the gas flow path 91 are connected to each other (through the longitudinal direction). Each is formed.

以下、このように金属板110を介在させたことによる作用・効果について述べる。支持基板10と追加部材90との間に金属板110が介在しない構成、即ち、支持基板10と追加部材90との間に接合材80のみが介在する構成(図15、図17、及び図18を参照)では、上記のように追加部材90にクラックが発生した場合、そのクラックの成長・進行の程度が大きいと、そのクラックが接合材80を介して支持基板10のガス排出側端部に到達する場合も考えられる。   Hereinafter, the operation and effect of the metal plate 110 interposed as described above will be described. A configuration in which the metal plate 110 is not interposed between the support substrate 10 and the additional member 90, that is, a configuration in which only the bonding material 80 is interposed between the support substrate 10 and the additional member 90 (FIGS. 15, 17, and 18). In the case where a crack is generated in the additional member 90 as described above, if the crack grows and proceeds to a large extent, the crack is formed on the gas discharge side end of the support substrate 10 via the bonding material 80. It is also possible to reach it.

この点、金属には延性があるので、金属板110にはクラックが発生し難い。従って、上記のように、支持基板10と追加部材90との間に金属板110が介在する構成では、仮に、追加部材90に発生したクラックの成長・進行の程度が大きい場合であっても、そのクラックが金属板110に到達した段階でそのクラックの進行が止まる。即ち、そのクラックが支持基板10のガス排出側端部に到達し難くなる。   In this respect, since the metal has ductility, the metal plate 110 is hardly cracked. Therefore, as described above, in the configuration in which the metal plate 110 is interposed between the support substrate 10 and the additional member 90, even if the degree of growth / progress of cracks generated in the additional member 90 is large, When the crack reaches the metal plate 110, the progress of the crack stops. That is, it becomes difficult for the crack to reach the gas discharge side end of the support substrate 10.

図22に示すように、金属板110は、コーティング膜130によって覆われていてもよい。詳細には、金属板110の外側面を覆うようにコーティング膜130が形成されている。金属板110がステンレス鋼によって構成される場合、コーティング膜130によって金属部材110を覆うことによって、金属板110からクロムが外部へと流出することを抑制することができる。この結果、金属板110から揮発したクロムによって空気極60などが被毒される問題を防止することができる。なお、コーティング膜130は、例えば、高温で安定なセラミックス膜であれば良く、例えば、Cr、Al、(Mn,Co)、ZnOなどによって構成することができる。 As shown in FIG. 22, the metal plate 110 may be covered with a coating film 130. Specifically, the coating film 130 is formed so as to cover the outer surface of the metal plate 110. When the metal plate 110 is made of stainless steel, by covering the metal member 110 with the coating film 130, it is possible to prevent chromium from flowing out from the metal plate 110 to the outside. As a result, the problem that the air electrode 60 and the like are poisoned by chromium volatilized from the metal plate 110 can be prevented. The coating film 130 may be a ceramic film that is stable at a high temperature, and may be composed of, for example, Cr 2 O 3 , Al 2 O 3 , (Mn, Co) 3 O 4 , ZnO, or the like.

また、上記実施形態では、追加部材90の各ガス流路91が、支持基板10の対応する1つのガス流路11とそれぞれ接続されているが、追加部材90が単一のガス流路91を備え、追加部材90の前記単一のガス流路91が、支持基板10の複数のガス流路11の全てと接続されていてもよい。同様に、上記実施形態では、金属部材110の各ガス流路111が、支持基板10の対応する1つのガス流路11とそれぞれ接続されているが、金属部材110が単一のガス流路111を備え、金属部材110の前記単一のガス流路111が、支持基板10の複数のガス流路11の全てと接続されていてもよい。   Further, in the above embodiment, each gas flow path 91 of the additional member 90 is connected to one corresponding gas flow path 11 of the support substrate 10, but the additional member 90 has a single gas flow path 91. The single gas flow path 91 of the additional member 90 may be connected to all of the plurality of gas flow paths 11 of the support substrate 10. Similarly, in the above embodiment, each gas flow path 111 of the metal member 110 is connected to one corresponding gas flow path 11 of the support substrate 10, but the metal member 110 is a single gas flow path 111. The single gas flow path 111 of the metal member 110 may be connected to all of the plurality of gas flow paths 11 of the support substrate 10.

また、上記実施形態では、前記追加部材として、一つの部材(追加部材90)が採用されているが、図23〜図26に示すように、前記追加部材として、複数のパイプ120が採用されてもよい。図23〜図26に示す例では、各パイプ120の一端部(ガス流入側端部)が、支持基板10の対応する1つのガス流路11のガス排出側端部にそれぞれ挿入され、且つ、接合材80を介して接合されている。   Moreover, in the said embodiment, although one member (additional member 90) is employ | adopted as said additional member, as shown in FIGS. 23-26, the several pipe 120 is employ | adopted as said additional member. Also good. In the example shown in FIGS. 23 to 26, one end portion (gas inflow side end portion) of each pipe 120 is inserted into the gas discharge side end portion of the corresponding one gas flow path 11 of the support substrate 10, and Bonded via a bonding material 80.

このパイプ120が設けられたことにより、支持基板10内のガス流路11を流れる燃料ガスは、支持基板10のガス排出側端部から外部空間に直ちに排出されるのではなく、パイプ120内のガス流路121を通過した後にパイプ120のガス排出側端部から外部空間に排出される。従って、上記実施形態と同様、外部空間内にある空気が、支持基板10内のガス流路11のガス排出側端部を介して支持基板10のガス排出側端部の内部に進入し難くなる。この結果、支持基板10のガス排出側端部にてクラックが発生する可能性が低減され得る。   By providing this pipe 120, the fuel gas flowing through the gas flow path 11 in the support substrate 10 is not immediately discharged from the gas discharge side end of the support substrate 10 to the external space, but in the pipe 120. After passing through the gas flow path 121, the gas is discharged from the gas discharge side end of the pipe 120 to the external space. Therefore, as in the above-described embodiment, the air in the external space is less likely to enter the gas discharge side end of the support substrate 10 through the gas discharge side end of the gas flow path 11 in the support substrate 10. . As a result, the possibility of cracks occurring at the gas discharge side end of the support substrate 10 can be reduced.

上記追加部材90と同様、パイプ120は、多孔質のセラミックス(気孔率が10%以上)で構成されてもよいし、緻密質のセラミックス(気孔率が10%未満)で構成されてもよい。パイプ120が多孔質のセラミックスで構成される場合、パイプ120の外表面が緻密質のセラミックス膜で覆われていてもよい。また、パイプ120は、クロム(Cr)を含む金属で構成され得る。この場合、上記クロム被毒の発生防止の観点から、パイプ120の外表面が緻密質のセラミックス膜で覆われていてもよい。   Similar to the additional member 90, the pipe 120 may be made of porous ceramics (porosity of 10% or more) or may be made of dense ceramics (porosity of less than 10%). When the pipe 120 is made of porous ceramics, the outer surface of the pipe 120 may be covered with a dense ceramic film. Moreover, the pipe 120 may be comprised with the metal containing chromium (Cr). In this case, from the viewpoint of preventing the occurrence of the chromium poisoning, the outer surface of the pipe 120 may be covered with a dense ceramic film.

また、上記実施形態においては、支持基板10内に複数のガス流路11が形成されているが、単一のガス流路11が形成されていてもよい。この場合、追加部材90(及び、金属板110)には、単一のガス流路91(及び、単一のガス流路111)が形成される。
また、この場合、単一のパイプ120が設けられる。
Moreover, in the said embodiment, although the several gas flow path 11 is formed in the support substrate 10, the single gas flow path 11 may be formed. In this case, a single gas passage 91 (and a single gas passage 111) is formed in the additional member 90 (and the metal plate 110).
In this case, a single pipe 120 is provided.

また、上記実施形態においては、平板状の支持基板10の上下面のそれぞれに複数の凹部12が形成され且つ複数の発電素子部Aが設けられているが、支持基板10の片側面のみに複数の凹部12が形成され且つ複数の発電素子部Aが設けられていてもよい。更には、支持基板10が円筒形状を呈していても良い。また、上記実施形態においては、支持基板10の一つの主面上に、電気的に直列に接続された複数の発電素子部Aが配置された所謂「横縞型」と呼ばれる構成が採用されているが、支持基板10の一つの主面上に一つの発電素子部Aが配置される構成(所謂「縦縞型」)が採用されてもよい。   Further, in the above embodiment, a plurality of recesses 12 are formed on each of the upper and lower surfaces of the flat support substrate 10 and a plurality of power generation element portions A are provided, but a plurality of recesses 12 are provided only on one side of the support substrate 10. , And a plurality of power generating element portions A may be provided. Furthermore, the support substrate 10 may have a cylindrical shape. Further, in the above-described embodiment, a so-called “horizontal stripe type” configuration in which a plurality of power generation element portions A electrically connected in series is disposed on one main surface of the support substrate 10 is employed. However, a configuration in which one power generation element portion A is disposed on one main surface of the support substrate 10 (so-called “vertical stripe type”) may be employed.

10…支持基板、11…燃料ガス流路、20…燃料極、30…インターコネクタ、40…固体電解質膜、50…反応防止膜、60…空気極、70…空気極集電膜、80…接合材、90…追加部材、91…ガス流路、110…金属板、111…ガス流路、120…パイプ、121…ガス流路、A…発電素子部   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Support substrate, 11 ... Fuel gas flow path, 20 ... Fuel electrode, 30 ... Interconnector, 40 ... Solid electrolyte membrane, 50 ... Reaction prevention membrane, 60 ... Air electrode, 70 ... Air electrode current collection membrane, 80 ... Joining 90 ... additional member, 91 ... gas flow path, 110 ... metal plate, 111 ... gas flow path, 120 ... pipe, 121 ... gas flow path, A ... power generation element part

Claims (9)

長手方向を有し、前記長手方向に貫通する1つ又は複数のガス流路を内部に有する支持基板であって、前記各ガス流路の前記長手方向における第1側はガス流入側に対応し、前記各ガス流路の前記長手方向における前記第1側と反対の第2側はガス排出側に対応する、支持基板と、
前記支持基板の表面に設けられ、少なくとも燃料極、固体電解質、及び空気極がこの順で積層された発電素子部と、
前記支持基板の前記長手方向における前記第2側の端部に取り付けられた追加部材であって、前記長手方向に貫通し且つ前記支持基板の各ガス流路と接続された1つ又は複数のガス流路を内部に有する追加部材と、
を備えた、燃料電池。
A support substrate having a longitudinal direction and having one or more gas flow paths penetrating in the longitudinal direction therein, wherein a first side of each gas flow path in the longitudinal direction corresponds to a gas inflow side. The second side opposite to the first side in the longitudinal direction of each gas flow path corresponds to the gas discharge side, and a support substrate;
A power generating element portion provided on the surface of the support substrate, wherein at least a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode are laminated in this order;
One or more gases that are additional members attached to the end of the support substrate in the longitudinal direction on the second side and that pass through the longitudinal direction and are connected to the gas flow paths of the support substrate. An additional member having a flow path therein;
A fuel cell.
請求項1に記載の燃料電池において、
前記追加部材は、接合材を介して前記支持基板に接合される、燃料電池。
The fuel cell according to claim 1, wherein
The additional member is bonded to the support substrate via a bonding material.
請求項1又は請求項2に記載の燃料電池において、
前記追加部材の前記各ガス流路は、前記支持基板の対応する1つの前記ガス流路とそれぞれ接続された、燃料電池。
The fuel cell according to claim 1 or 2,
Each gas channel of the additional member is a fuel cell connected to one gas channel corresponding to the support substrate.
請求項1乃至請求項3の何れか一項に記載の燃料電池において、
前記長手方向において、前記支持基板と前記追加部材との間に介在する金属部材をさらに備え、
前記金属部材は、前記長手方向に貫通し且つ前記支持基板の各ガス流路と接続された1つ又は複数のガス流路を内部に有する、
燃料電池。
The fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein
A metal member interposed between the support substrate and the additional member in the longitudinal direction;
The metal member has one or a plurality of gas passages penetrating in the longitudinal direction and connected to the gas passages of the support substrate.
Fuel cell.
請求項4に記載の燃料電池において、
前記金属部材の表面を覆うコーティング膜をさらに備える、燃料電池。
The fuel cell according to claim 4, wherein
A fuel cell further comprising a coating film covering a surface of the metal member.
請求項2に従属する請求項4又は5に記載の燃料電池において、
前記支持基板の前記第2側の端面と前記追加部材の前記第1側の端面とが向かい合うように配置され、
前記金属部材は、前記支持基板の前記第2側の端面と前記追加部材の前記第1側の端面との間に、介在し、
前記支持基板の前記第2側の端面と前記金属部材の前記第1側の端面とが前記接合材を介して接合され、且つ、前記追加部材の前記第1側の端面と前記金属部材の前記第2側の端面とが前記接合材を介して接合されることによって、前記追加部材が前記支持基板の前記第2側の端部に接合された、燃料電池。
The fuel cell according to claim 4 or 5 dependent on claim 2 ,
The second side end surface of the support substrate and the first side end surface of the additional member are arranged to face each other.
The metal member is interposed between the end surface on the second side of the support substrate and the end surface on the first side of the additional member,
The end surface on the second side of the support substrate and the end surface on the first side of the metal member are bonded via the bonding material, and the end surface on the first side of the additional member and the metal member The fuel cell, wherein the additional member is joined to the second-side end portion of the support substrate by joining the second-side end surface via the joining material.
請求項4乃至請求項6の何れか一項に記載の燃料電池において、
前記金属部材の前記各ガス流路は、前記支持基板の対応する1つの前記ガス流路とそれぞれ接続された、燃料電池。
The fuel cell according to any one of claims 4 to 6, wherein
Each of the gas flow paths of the metal member is a fuel cell connected to a corresponding one of the gas flow paths of the support substrate.
請求項1に記載の燃料電池において、
前記追加部材は、前記支持基板の対応する1つの前記ガス流路の前記第2側の端部にそれぞれ挿入され且つ接合材を介して接合された、1つ又は複数の前記長手方向に延びる管状部材である、燃料電池。
The fuel cell according to claim 1, wherein
The additional member, the is the end of the second side of the corresponding one of the gas flow path of the supporting substrate is inserted respectively bonded via且one junction member, to one or more of the longitudinal A fuel cell, which is a tubular member extending.
請求項1乃至請求項8の何れか一項に記載の燃料電池において、
前記追加部材は、多孔質のセラミックスで構成された、燃料電池。
The fuel cell according to any one of claims 1 to 8, wherein
The additional member is a fuel cell made of porous ceramics.
JP2015120057A 2014-08-25 2015-06-15 Fuel cell Expired - Fee Related JP5826963B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015120057A JP5826963B1 (en) 2014-08-25 2015-06-15 Fuel cell

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014170391 2014-08-25
JP2014170391 2014-08-25
JP2015120057A JP5826963B1 (en) 2014-08-25 2015-06-15 Fuel cell

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP5826963B1 true JP5826963B1 (en) 2015-12-02
JP2016048676A JP2016048676A (en) 2016-04-07

Family

ID=54776783

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2015120057A Expired - Fee Related JP5826963B1 (en) 2014-08-25 2015-06-15 Fuel cell

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5826963B1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112352339A (en) * 2018-07-12 2021-02-09 日本碍子株式会社 Cell stack device

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2018170109A (en) * 2017-03-29 2018-11-01 アイシン精機株式会社 Fuel battery structure

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004259604A (en) * 2003-02-26 2004-09-16 Kyocera Corp Cell for fuel cell and fuel cell
JP2011154935A (en) * 2010-01-28 2011-08-11 Kyocera Corp Cell stack of horizontally striped solid oxide fuel battery and fuel battery
JP2012014850A (en) * 2010-06-29 2012-01-19 Kyocera Corp Lateral stripe type solid oxide fuel battery cell stack, lateral stripe type solid oxide fuel battery bundle, and fuel battery

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004259604A (en) * 2003-02-26 2004-09-16 Kyocera Corp Cell for fuel cell and fuel cell
JP2011154935A (en) * 2010-01-28 2011-08-11 Kyocera Corp Cell stack of horizontally striped solid oxide fuel battery and fuel battery
JP2012014850A (en) * 2010-06-29 2012-01-19 Kyocera Corp Lateral stripe type solid oxide fuel battery cell stack, lateral stripe type solid oxide fuel battery bundle, and fuel battery

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112352339A (en) * 2018-07-12 2021-02-09 日本碍子株式会社 Cell stack device

Also Published As

Publication number Publication date
JP2016048676A (en) 2016-04-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5839756B1 (en) Fuel cell stack structure
JP5116184B1 (en) Fuel cell structure
JP5117627B1 (en) Fuel cell structure
JP5662613B1 (en) Fuel cell stack structure
JP5599956B1 (en) Fuel cell stack structure
JP2014225434A (en) Fuel cell
JP4824137B1 (en) Fuel cell structure
JP5443648B1 (en) Fuel cell structure
JP5485444B1 (en) Fuel cell
JP5116182B1 (en) Fuel cell structure
JP5826963B1 (en) Fuel cell
JP5613852B1 (en) Fuel cell
JP5075268B1 (en) Fuel cell structure
JP5883536B1 (en) Fuel cell
JP5613808B1 (en) Fuel cell
JP5667315B1 (en) Fuel cell
JP5895112B1 (en) Fuel cell
JP5646785B1 (en) Fuel cell
JP5981001B1 (en) Fuel cell
JP5752297B1 (en) Fuel cell
JP5727062B1 (en) Fuel cell
JP5895113B1 (en) Fuel cell
JP5587479B1 (en) Fuel cell
JP5732180B1 (en) Fuel cell
JP5981000B1 (en) Fuel cell

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20150914

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20151006

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20151014

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5826963

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees