JP5826963B1 - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
【課題】ガス流路が内部に形成された支持基板を有する燃料電池であって、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
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.
(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
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
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
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、Y2O3(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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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、Y2O3(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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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)・O2+2e−→O2 − (於:空気極60) …(1)
H2+O2 −→H2O+2e− (於:燃料極20) …(2)
As described above, the reformed fuel gas (hydrogen gas or the like) flows through the fuel
(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
(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Y2O3)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
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Y2O3)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
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
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
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
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
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
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
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
(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
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
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
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
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
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−SiO2−B2O3系や、MgO−BaO−SiO2−B2O3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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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、Cr2O3、Al2O3、(Mn,Co)3O4、ZnOなどによって構成することができる。
As shown in FIG. 22, the
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
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
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
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
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
In this case, a
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
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
Claims (9)
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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