JP5873947B1 - Zygote - Google Patents
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Abstract
【課題】「開口部が設けられた金属製の集電部材の板状部分が接合材膜に埋設された構成」が採用された、集電部材と燃料電池セルとの接合体であって、「開口部の内側面と接合材膜との界面に剥離が発生難いものを提供すること。【解決手段】集電部材の固定部310が接合材膜80に埋設されることで、固定部310の周縁部の外側面310s、及び、開口部312の内側面312sが接合材膜80に覆われる。開口部の内側面312sが接合材膜80に覆われる高さ(T)に対する、「固定部の厚さ方向」に沿う開口部の断面における開口部の内側面に対応する線の道程(S)、の割合(S/T)が1.02〜1.31である。Tに対する、「開口部の断面における開口部の内側面に対応する線上において開口部の内側面と接合材膜とが接触する複数の部分の「固定部の厚さ方向」の長さの合計」、の割合が、21〜95%である。【選択図】図27A joined body of a current collecting member and a fuel battery cell, wherein “a configuration in which a plate-like portion of a metal current collecting member provided with an opening is embedded in a joining material film” is employed, “Providing an interface between the inner surface of the opening and the bonding material film that does not easily peel. The fixing portion 310 of the current collecting member is embedded in the bonding material film 80 to fix the fixing portion 310. The outer peripheral surface 310s of the peripheral portion and the inner side surface 312s of the opening 312 are covered with the bonding material film 80. The “fixed portion” with respect to the height (T) at which the inner side surface 312s of the opening is covered with the bonding material film 80. The ratio (S / T) of the line path (S) corresponding to the inner surface of the opening in the cross section of the opening along the “thickness direction” is 1.02 to 1.31. “Total of the lengths in the“ fixed portion thickness direction ”of a plurality of portions where the inner surface of the opening and the bonding material film are in contact with each other on the line corresponding to the inner surface of the opening in the cross section of the opening” , Is 21-95%. [Selection] Figure 27
Description
本発明は、接合体に関する。 The present invention relates to a joined body.
従来より、「燃料極と、電解質膜と、空気極とを含む燃料電池の発電部」と「電子伝導性を有する集電部材」とが「電子伝導性を有する接合材料からなる接合材膜」によって接合された接合体が知られている(例えば、特許文献1を参照)。 Conventionally, “a fuel cell power generation unit including a fuel electrode, an electrolyte membrane, and an air electrode” and “a current collecting member having electron conductivity” are “a bonding material film made of a bonding material having electron conductivity”. There is known a joined body joined by the above (for example, see Patent Document 1).
上記文献に記載された接合体では、集電部材が板状部分を有する。接合材膜は、「発電部の燃料極及び空気極の何れか一つ、又は、発電部の燃料極及び空気極の何れか一つと電気的に接続された電子伝導性を有する導電部材」(以下、「ベース部材」と呼ぶ)と「集電部材の板状部分」との間に介在する。接合材膜は、集電部材の板状部分がベース部材における板状部分に向いた表面に沿って延在するように、且つ、ベース部材と板状部分とが電気的に接続されるように、ベース部材と板状部分とを接合している。 In the joined body described in the above document, the current collecting member has a plate-like portion. The bonding material film is “a conductive member having electronic conductivity electrically connected to any one of the fuel electrode and the air electrode of the power generation unit, or any one of the fuel electrode and the air electrode of the power generation unit” ( Hereinafter, it is referred to as a “base member”) and “a plate-like portion of the current collecting member”. The bonding material film is formed so that the plate-like portion of the current collecting member extends along the surface of the base member facing the plate-like portion, and the base member and the plate-like portion are electrically connected. The base member and the plate-like portion are joined.
上記文献に記載の接合体では、ベース部材と集電部材の板状部分とを接合するため、電子伝導性を有する接合材料からなるペーストが使用される。即ち、ベース部材の接合面に塗布等の手法によってペーストの膜が形成される。そのペースト膜に集電部材の板状部分が貼り合わされる。この状態にてそのペースト膜が焼成される。この結果、ペースト膜の焼成体(接合材膜、焼成膜)によって、ベース部材と集電部材の板状部分とが電気的に接続された接合体が得られる。 In the joined body described in the above document, a paste made of a joining material having electronic conductivity is used to join the base member and the plate-like portion of the current collecting member. That is, a paste film is formed on the joint surface of the base member by a technique such as coating. The plate-like portion of the current collecting member is bonded to the paste film. In this state, the paste film is baked. As a result, a joined body in which the base member and the plate-like portion of the current collecting member are electrically connected by the paste film fired body (bonding material film, fired film) is obtained.
このような接合体では、電気抵抗が小さいことが好ましい。このため、上記文献に記載の接合体では、「集電部材の板状部分が接合材膜に埋設された構成」が採用されている。この構成は、集電部材の板状部分をペースト膜に貼り合わす際、集電部材の板状部分をペースト膜に埋設することによって得られる。この構成では、集電部材の板状部分の周縁部の外側面がペースト膜(接合材膜)に覆われる。従って、ペースト膜(接合材膜)が、集電部材の板状部分の底面のみならず、集電部材の板状部分の周縁部の外側面にも接触し得る。従って、集電部材の板状部分の底面のみが接合材膜の表面に接触する構成(即ち、集電部材の板状部分が接合材膜に埋設されない構成)と比べて、集電部材と接合材膜との間の接触面積が大きくなり、集電部材と接合材膜との接合部位における電気抵抗を小さくすることができる。 In such a joined body, it is preferable that electric resistance is small. For this reason, in the joined body described in the above document, “a configuration in which the plate-like portion of the current collecting member is embedded in the joining material film” is employed. This configuration is obtained by embedding the plate-like portion of the current collecting member in the paste film when the plate-like portion of the current collecting member is bonded to the paste film. In this configuration, the outer surface of the peripheral edge of the plate-like portion of the current collecting member is covered with the paste film (bonding material film). Therefore, the paste film (bonding material film) can contact not only the bottom surface of the plate-like portion of the current collecting member but also the outer surface of the peripheral portion of the plate-like portion of the current collecting member. Therefore, compared with the configuration in which only the bottom surface of the plate-shaped portion of the current collecting member is in contact with the surface of the bonding material film (that is, the configuration in which the plate-shaped portion of the current collecting member is not embedded in the bonding material film) The contact area with the material film is increased, and the electrical resistance at the junction between the current collecting member and the bonding material film can be reduced.
本発明者は、このような接合体の電気抵抗を更に小さくするため、集電部材の板状部分に「厚さ方向に貫通する開口部」を設けて、「開口部が設けられた集電部材の板状部分が接合材膜に埋設された構成」を採用することを考えている(後述する図20、図21等を参照)。この構成では、開口部の内側面もがペースト膜(接合材膜)に覆われる。従って、ペースト膜(接合材膜)が、集電部材の板状部分の底面、及び、集電部材の板状部分の周縁部の外側面のみならず、開口部の内側面にも接触し得る。従って、集電部材と接合材膜との間の接触面積が更に大きくなり、集電部材と接合材膜との接合部位における電気抵抗を更に小さくすることができる。 In order to further reduce the electrical resistance of such a joined body, the present inventor provided an “opening that penetrates in the thickness direction” in the plate-like portion of the current collecting member, and “the current collector provided with the opening”. It is considered to adopt a configuration in which the plate-like portion of the member is embedded in the bonding material film (see FIGS. 20, 21 and the like described later). In this configuration, the inner surface of the opening is also covered with the paste film (bonding material film). Therefore, the paste film (bonding material film) can contact not only the bottom surface of the plate-shaped portion of the current collecting member and the outer surface of the peripheral portion of the plate-shaped portion of the current collecting member but also the inner surface of the opening. . Therefore, the contact area between the current collecting member and the bonding material film is further increased, and the electrical resistance at the bonding portion between the current collecting member and the bonding material film can be further reduced.
本発明者は、上述した「開口部が設けられた集電部材の板状部分が接合材膜に埋設された構成」について研究、実験等を重ねた。その結果、上記構成の形態によっては、上述したペーストの焼成時等において、開口部の内側面と接合材膜との界面に剥離が発生し易いことが判明した。このような剥離が発生し難い接合体の到来が望まれていたところである。 The inventor repeated research, experiments, and the like on the above-described “configuration in which the plate-like portion of the current collecting member provided with the opening is embedded in the bonding material film”. As a result, it has been found that, depending on the form of the above-described configuration, peeling is likely to occur at the interface between the inner surface of the opening and the bonding material film when the paste is fired. The arrival of a bonded body in which such peeling does not easily occur has been desired.
本発明は、上記問題に対処するためになされたものであり、その目的は、「開口部が設けられた集電部材の板状部分が接合材膜に埋設された構成」が採用された接合体であって、「開口部の内側面と接合材膜との界面に剥離が発生難いものを提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to cope with the above-described problem, and the purpose thereof is a bonding in which “a configuration in which a plate-like portion of a current collecting member provided with an opening is embedded in a bonding material film” is employed. An object of the present invention is to provide a body that is difficult to cause peeling at the interface between the inner surface of the opening and the bonding material film.
本発明に係る接合体の特徴は、前記集電部材が金属で構成され、且つ、「前記開口部の内側面が前記接合材膜に覆われる高さ(T)」に対する「前記板状部分の厚さ方向に沿う前記開口部の断面の拡大率が30倍の画像に基づいて得られる、前記開口部の内側面における前記接合材膜に覆われた部分に対応する線の道程(S)」の割合(S/T)が、1.02〜1.31であることにある。 The feature of the joined body according to the present invention is that the current collecting member is made of metal and “the height of the inner surface of the opening covered with the joining material film (T)” Line path corresponding to the portion covered with the bonding material film on the inner side surface of the opening, obtained based on an image with a magnification of 30 times the cross section of the opening along the thickness direction. The ratio (S / T) is 1.02 to 1.31.
本発明者は、前記割合(S/T)が1.02〜1.31である場合、そうでない場合と比べて、集電部材の板状部分に設けられた開口部の内側面と、接合材膜との界面に剥離が発生し難くなること、を見出した(この点については後述する)。 The present inventor, when the ratio (S / T) is 1.02 to 1.31, compared to the case where the ratio is not so, the inner side surface of the opening provided in the plate-like portion of the current collecting member, and the bonding It has been found that peeling hardly occurs at the interface with the material film (this point will be described later).
(接合体を含むスタック構造体に使用されるセルの構成の一例)
先ず、本発明の実施形態に係る接合体を含む燃料電池(SOFC)のスタック構造体に使用されるセル100について説明する。図1に示すように、このセル100は、長手方向(x軸方向)を有する平板状の支持基板10の上下面(互いに平行な両側の主面(平面))のそれぞれに、電気的に直列に接続された複数(本例では、4つ)の同形の発電素子部Aが長手方向において所定の間隔をおいて配置された、所謂「横縞型」と呼ばれる構成を有する。
(Example of cell structure used for a stack structure including a joined body)
First, a cell 100 used in a stack structure of a fuel cell (SOFC) including a joined body according to an embodiment of the present invention will be described. As shown in FIG. 1, this cell 100 is electrically connected in series to the upper and lower surfaces (main surfaces (planes) on both sides parallel to each other) of a flat plate-like support substrate 10 having a longitudinal direction (x-axis direction). A plurality (four in this example) of the same power generation element portions A connected to each other are arranged at a predetermined interval in the longitudinal direction, so-called “horizontal stripe type”.
このセル100の全体を上方からみた形状は、例えば、長手方向の辺の長さL1が50〜500mmで長手方向に直交する幅方向(y軸方向)の長さL2が10〜100mmの長方形である(L1>L2)。このセル100の全体の厚さL3は、1〜5mmである(L2>L3)。このセル100の全体は、厚さ方向の中心を通り且つ支持基板10の主面に平行な面に対して上下対称の形状を有する。以下、図1に加えて、このセル100の図1に示す2−2線に対応する部分断面図である図2を参照しながら、このセル100の詳細について説明する。図2は、代表的な1組の隣り合う発電素子部A,Aのそれぞれの構成(の一部)、並びに、発電素子部A,A間の構成を示す部分断面図である。その他の組の隣り合う発電素子部A,A間の構成も、図2に示す構成と同様である。 The shape of the entire cell 100 viewed from above is, for example, a rectangle with a side length L1 in the longitudinal direction of 50 to 500 mm and a length L2 in the width direction (y-axis direction) perpendicular to the longitudinal direction of 10 to 100 mm. Yes (L1> L2). The total thickness L3 of the cell 100 is 1 to 5 mm (L2> L3). The entire cell 100 has a vertically symmetrical shape with respect to a plane passing through the center in the thickness direction and parallel to the main surface of the support substrate 10. Hereinafter, in addition to FIG. 1, details of the cell 100 will be described with reference to FIG. 2, which is a partial cross-sectional view of the cell 100 corresponding to line 2-2 shown in FIG. 1. FIG. 2 is a partial cross-sectional view showing a configuration (part of) each of a typical pair of adjacent power generation element portions A and A and a configuration between the power generation element portions A and A. The configuration between the other power generation element portions A and A in other sets is the same as the configuration shown in FIG.
支持基板10は、電子伝導性を有さない多孔質の材料からなる平板状の焼成体である。後述する図6に示すように、支持基板10の内部には、長手方向に延びる複数(本例では、6本)の燃料ガス流路11(貫通孔)が幅方向において所定の間隔をおいて形成されている。本例では、各凹部12は、支持基板10の材料からなる底壁と、全周に亘って支持基板10の材料からなる周方向に閉じた側壁(長手方向に沿う2つの側壁と幅方向に沿う2つの側壁)と、で画定された直方体状の窪みである。 The support substrate 10 is a flat plate-like fired body made of a porous material having no electronic conductivity. As shown in FIG. 6 to be described later, a plurality of (six in this example) fuel gas passages 11 (through holes) extending in the longitudinal direction are provided in the support substrate 10 at predetermined intervals in the width direction. Is formed. In this example, each recess 12 includes a bottom wall made of the material of the support substrate 10 and side walls closed in the circumferential direction made of the material of the support substrate 10 over the entire circumference (two side walls along the longitudinal direction and the width direction). A rectangular parallelepiped depression defined by two side walls).
支持基板10は、例えば、CSZ(カルシア安定化ジルコニア)から構成され得る。或いは、NiO(酸化ニッケル)とYSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)とから構成されてもよいし、NiO(酸化ニッケル)とY2O3(イットリア)とから構成されてもよいし、MgO(酸化マグネシウム)とMgAl2O4(マグネシアアルミナスピネル)とから構成されてもよい。 The support substrate 10 can be made of, for example, CSZ (calcia stabilized zirconia). Alternatively, it may be composed of NiO (nickel oxide) and YSZ (8YSZ) (yttria stabilized zirconia), NiO (nickel oxide) and Y 2 O 3 (yttria), or MgO. (Magnesium oxide) and MgAl 2 O 4 (magnesia alumina spinel) may be used.
支持基板10は、「遷移金属酸化物又は遷移金属」と、絶縁性セラミックスとを含んで構成され得る。「遷移金属酸化物又は遷移金属」としては、NiO(酸化ニッケル)又はNi(ニッケル)が好適である。遷移金属は、燃料ガスの改質反応を促す触媒(炭化水素系のガスの改質触媒)として機能し得る。 The support substrate 10 may be configured to include “transition metal oxide or transition metal” and insulating ceramics. As the “transition metal oxide or transition metal”, NiO (nickel oxide) or Ni (nickel) is suitable. The transition metal can function as a catalyst for promoting a reforming reaction of the fuel gas (hydrocarbon-based gas reforming catalyst).
また、絶縁性セラミックスとしては、MgO(酸化マグネシウム)、又は、「MgAl2O4(マグネシアアルミナスピネル)とMgO(酸化マグネシウム)の混合物」が好適である。また、絶縁性セラミックスとして、CSZ(カルシア安定化ジルコニア)、YSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)、Y2O3(イットリア)が使用されてもよい。 Further, as the insulating ceramic, MgO (magnesium oxide) or “mixture of MgAl 2 O 4 (magnesia alumina spinel) and MgO (magnesium oxide)” is preferable. Further, CSZ (calcia stabilized zirconia), YSZ (8YSZ) (yttria stabilized zirconia), Y 2 O 3 (yttria) may be used as the insulating ceramic.
このように、支持基板10が「遷移金属酸化物又は遷移金属」を含むことによって、改質前の残存ガス成分を含んだガスが多孔質の支持基板10の内部の多数の気孔を介して燃料ガス流路11から燃料極に供給される過程において、上記触媒作用によって改質前の残存ガス成分の改質を促すことができる。加えて、支持基板10が絶縁性セラミックスを含むことによって、支持基板10の絶縁性を確保することができる。この結果、隣り合う燃料極間における絶縁性が確保され得る。 As described above, since the support substrate 10 contains “transition metal oxide or transition metal”, the gas containing the residual gas component before the reforming is supplied to the fuel through the numerous pores inside the porous support substrate 10. In the process of being supplied from the gas flow path 11 to the fuel electrode, the catalytic action can promote the reforming of the residual gas component before the reforming. In addition, the insulating property of the support substrate 10 can be ensured by the support substrate 10 containing insulating ceramics. As a result, insulation between adjacent fuel electrodes can be ensured.
支持基板10の厚さは、1〜5mmである。以下、この構造体の形状が上下対称となっていることを考慮し、説明の簡便化のため、支持基板10の上面側の構成についてのみ説明していく。支持基板10の下面側の構成についても同様である。 The thickness of the support substrate 10 is 1 to 5 mm. Hereinafter, only the configuration on the upper surface side of the support substrate 10 will be described in consideration of the fact that the shape of the structure is vertically symmetrical. The same applies to the configuration of the lower surface side of the support substrate 10.
図2及び図3に示すように、支持基板10の上面(上側の主面)に形成された各凹部12には、燃料極集電部21の全体が埋設(充填)されている。従って、各燃料極集電部21は直方体状を呈している。各燃料極集電部21の上面(外側面)には、凹部21aが形成されている。各凹部21aは、燃料極集電部21の材料からなる底壁と、周方向に閉じた側壁(長手方向に沿う2つの側壁と幅方向に沿う2つの側壁)と、で画定された直方体状の窪みである。周方向に閉じた側壁のうち、長手方向に沿う2つの側壁は支持基板10の材料からなり、幅方向に沿う2つの側壁は燃料極集電部21の材料からなる。 As shown in FIGS. 2 and 3, the entire fuel electrode current collector 21 is embedded (filled) in each recess 12 formed in the upper surface (upper main surface) of the support substrate 10. Therefore, each fuel electrode current collector 21 has a rectangular parallelepiped shape. A recess 21 a is formed on the upper surface (outer surface) of each fuel electrode current collector 21. Each recess 21a has a rectangular parallelepiped shape defined by a bottom wall made of the material of the fuel electrode current collector 21 and side walls closed in the circumferential direction (two side walls along the longitudinal direction and two side walls along the width direction). It is a depression. Of the side walls closed in the circumferential direction, two side walls along the longitudinal direction are made of the material of the support substrate 10, and two side walls along the width direction are made of the material of the fuel electrode current collector 21.
各凹部21aには、燃料極活性部22の全体が埋設(充填)されている。従って、各燃料極活性部22は直方体状を呈している。燃料極集電部21と燃料極活性部22とにより燃料極20が構成される。燃料極20(燃料極集電部21+燃料極活性部22)は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。各燃料極活性部22の幅方向に沿う2つの側面と底面とは、凹部21a内で燃料極集電部21と接触している。 The entire anode active portion 22 is embedded (filled) in each recess 21a. Accordingly, each fuel electrode active portion 22 has a rectangular parallelepiped shape. A fuel electrode 20 is configured by the fuel electrode current collector 21 and the fuel electrode active unit 22. The fuel electrode 20 (fuel electrode current collector 21 + fuel electrode active part 22) is a fired body made of a porous material having electron conductivity. The two side surfaces and the bottom surface along the width direction of each anode active portion 22 are in contact with the anode current collecting portion 21 in the recess 21a.
各燃料極集電部21の上面(外側面)における凹部21aを除いた部分には、凹部21bが形成されている。各凹部21bは、燃料極集電部21の材料からなる底壁と、周方向に閉じた側壁(長手方向に沿う2つの側壁と幅方向に沿う2つの側壁)と、で画定された直方体状の窪みである。周方向に閉じた側壁のうち、長手方向に沿う2つの側壁は支持基板10の材料からなり、幅方向に沿う2つの側壁は燃料極集電部21の材料からなる。 A recess 21b is formed in a portion of the upper surface (outer surface) of each fuel electrode current collector 21 excluding the recess 21a. Each recess 21b has a rectangular parallelepiped shape defined by a bottom wall made of the material of the fuel electrode current collector 21 and side walls closed in the circumferential direction (two side walls along the longitudinal direction and two side walls along the width direction). It is a depression. Of the side walls closed in the circumferential direction, two side walls along the longitudinal direction are made of the material of the support substrate 10, and two side walls along the width direction are made of the material of the fuel electrode current collector 21.
各凹部21bには、インターコネクタ30が埋設(充填)されている。従って、各インターコネクタ30は直方体状を呈している。インターコネクタ30は、電子伝導性を有する緻密な材料からなる焼成体である。各インターコネクタ30の幅方向に沿う2つの側面と底面とは、凹部21b内で燃料極集電部21と接触している。 An interconnector 30 is embedded (filled) in each recess 21b. Accordingly, each interconnector 30 has a rectangular parallelepiped shape. The interconnector 30 is a fired body made of a dense material having electronic conductivity. The two side surfaces and the bottom surface along the width direction of each interconnector 30 are in contact with the fuel electrode current collector 21 in the recess 21b.
燃料極20(燃料極集電部21及び燃料極活性部22)の上面(外側面)と、インターコネクタ30の上面(外側面)と、支持基板10の主面とにより、1つの平面(凹部12が形成されていない場合の支持基板10の主面と同じ平面)が構成されている。即ち、燃料極20の上面とインターコネクタ30の上面と支持基板10の主面との間で、段差が形成されていない。 The upper surface (outer surface) of the fuel electrode 20 (the fuel electrode current collector 21 and the fuel electrode active unit 22), the upper surface (outer surface) of the interconnector 30, and the main surface of the support substrate 10 form one plane (recessed portion). The same plane as the main surface of the support substrate 10 when 12 is not formed) is formed. That is, no step is formed between the upper surface of the fuel electrode 20, the upper surface of the interconnector 30, and the main surface of the support substrate 10.
燃料極活性部22は、例えば、NiO(酸化ニッケル)とYSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)とから構成され得る。或いは、NiO(酸化ニッケル)とGDC(ガドリニウムドープセリア)とから構成されてもよい。燃料極集電部21は、例えば、NiO(酸化ニッケル)とYSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)とから構成され得る。或いは、NiO(酸化ニッケル)とY2O3(イットリア)とから構成されてもよいし、NiO(酸化ニッケル)とCSZ(カルシア安定化ジルコニア)とから構成されてもよい。燃料極活性部22の厚さは、5〜30μmであり、燃料極集電部21の厚さ(即ち、凹部12の深さ)は、50〜500μmである。 The fuel electrode active part 22 may be composed of, for example, NiO (nickel oxide) and YSZ (8YSZ) (yttria stabilized zirconia). Or you may comprise from NiO (nickel oxide) and GDC (gadolinium dope ceria). The fuel electrode current collector 21 can be composed of, for example, NiO (nickel oxide) and YSZ (8YSZ) (yttria stabilized zirconia). Alternatively, it may be composed of NiO (nickel oxide) and Y 2 O 3 (yttria), or may be composed of NiO (nickel oxide) and CSZ (calcia stabilized zirconia). The thickness of the anode active portion 22 is 5 to 30 μm, and the thickness of the anode current collecting portion 21 (that is, the depth of the recess 12) is 50 to 500 μm.
このように、燃料極集電部21は、電子伝導性を有する物質を含んで構成される。燃料極活性部22は、電子伝導性を有する物質と酸素イオン伝導性を有する物質とを含んで構成される。燃料極活性部22における「気孔部分を除いた全体積に対する酸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化性イオン伝導性を有する物質の体積割合」よりも大きい。 As described above, the fuel electrode current collector 21 includes a substance having electronic conductivity. The fuel electrode active part 22 includes a substance having electron conductivity and a substance having oxygen ion conductivity. The “volume ratio of the substance having oxygen ion conductivity with respect to the entire volume excluding the pore portion” in the anode active portion 22 is the “oxidative ion conductivity relative to the entire volume excluding the pore portion” in the anode current collecting portion 21. It is larger than the “volume ratio of the substance having”.
インターコネクタ30は、例えば、LaCrO3(ランタンクロマイト)から構成され得る。或いは、(Sr,La)TiO3(ストロンチウムチタネート)から構成されてもよい。インターコネクタ30の厚さは、10〜100μmである。 The interconnector 30 can be composed of, for example, LaCrO 3 (lanthanum chromite). Alternatively, it may be composed of (Sr, La) TiO 3 (strontium titanate). The thickness of the interconnector 30 is 10 to 100 μm.
燃料極20及びインターコネクタ30がそれぞれの凹部12に埋設された状態の支持基板10における長手方向に延びる外周面において複数のインターコネクタ30が形成されたそれぞれの部分の長手方向中央部を除いた全面は、固体電解質膜40により覆われている。固体電解質膜40は、イオン伝導性を有し且つ電子伝導性を有さない緻密な材料からなる焼成体である。固体電解質膜40は、例えば、YSZ(8YSZ)(イットリア安定化ジルコニア)から構成され得る。或いは、LSGM(ランタンガレート)から構成されてもよい。固体電解質膜40の厚さは、3〜50μmである。 The entire surface excluding the central portion in the longitudinal direction of each portion where the plurality of interconnectors 30 are formed on the outer peripheral surface extending in the longitudinal direction of the support substrate 10 in a state where the fuel electrode 20 and the interconnector 30 are embedded in the respective recesses 12. Is covered with a solid electrolyte membrane 40. The solid electrolyte membrane 40 is a fired body made of a dense material having ionic conductivity and not electron conductivity. The solid electrolyte membrane 40 can be made of, for example, YSZ (8YSZ) (yttria stabilized zirconia). Or you may comprise from LSGM (lantern gallate). The thickness of the solid electrolyte membrane 40 is 3 to 50 μm.
即ち、燃料極20がそれぞれの凹部12に埋設された状態の支持基板10における長手方向に延びる外周面の全面は、インターコネクタ30と固体電解質膜40とからなる緻密層により覆われている。この緻密層は、緻密層の内側の空間を流れる燃料ガスと緻密層の外側の空間を流れる空気との混合を防止するガスシール機能を発揮する。 That is, the entire outer peripheral surface extending in the longitudinal direction of the support substrate 10 in a state where the fuel electrode 20 is embedded in each recess 12 is covered with a dense layer composed of the interconnector 30 and the solid electrolyte membrane 40. This dense layer exhibits a gas sealing function that prevents mixing of the fuel gas flowing in the space inside the dense layer and the air flowing in the space outside the dense layer.
なお、図2に示すように、本例では、固体電解質膜40が、燃料極20の上面、インターコネクタ30の上面における長手方向の両側端部、及び支持基板10の主面を覆っている。ここで、上述したように、燃料極20の上面とインターコネクタ30の上面と支持基板10の主面との間で段差が形成されていない。従って、固体電解質膜40が平坦化されている。この結果、固体電解質膜40に段差が形成される場合に比して、応力集中に起因する固体電解質膜40でのクラックの発生が抑制され得、固体電解質膜40が有するガスシール機能の低下が抑制され得る。 As shown in FIG. 2, in this example, the solid electrolyte membrane 40 covers the upper surface of the fuel electrode 20, both end portions in the longitudinal direction on the upper surface of the interconnector 30, and the main surface of the support substrate 10. Here, as described above, no step is formed between the upper surface of the fuel electrode 20, the upper surface of the interconnector 30, and the main surface of the support substrate 10. Therefore, the solid electrolyte membrane 40 is flattened. As a result, compared with the case where a step is formed in the solid electrolyte membrane 40, the generation of cracks in the solid electrolyte membrane 40 due to stress concentration can be suppressed, and the gas sealing function of the solid electrolyte membrane 40 is reduced. Can be suppressed.
固体電解質膜40における各燃料極活性部22と接している箇所の上面には、反応防止膜50を介して空気極60が形成されている。反応防止膜50は、緻密な材料からなる焼成体であり、空気極60は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。反応防止膜50及び空気極60を上方からみた形状は、燃料極活性部22と略同一の長方形である。 An air electrode 60 is formed on the upper surface of a portion in contact with each fuel electrode active part 22 in the solid electrolyte membrane 40 via a reaction preventing film 50. The reaction preventing film 50 is a fired body made of a dense material, and the air electrode 60 is a fired body made of a porous material having electron conductivity. The shape of the reaction preventing film 50 and the air electrode 60 viewed from above is substantially the same rectangle as the fuel electrode active part 22.
反応防止膜50は、例えば、GDC=(Ce,Gd)O2(ガドリニウムドープセリア)から構成され得る。反応防止膜50の厚さは、3〜50μmである。空気極60は、例えば、LSCF=(La,Sr)(Co,Fe)O3(ランタンストロンチウムコバルトフェライト)から構成され得る。或いは、LSF=(La,Sr)FeO3(ランタンストロンチウムフェライト)、LNF=La(Ni,Fe)O3(ランタンニッケルフェライト)、LSC=(La,Sr)CoO3(ランタンストロンチウムコバルタイト)等から構成されてもよい。また、空気極60は、LSCFからなる第1層(内側層)とLSCからなる第2層(外側層)との2層によって構成されてもよい。空気極60の厚さは、10〜100μmである。 The reaction preventing film 50 can be made of, for example, GDC = (Ce, Gd) O 2 (gadolinium-doped ceria). The thickness of the reaction preventing film 50 is 3 to 50 μm. The air electrode 60 can be made of, for example, LSCF = (La, Sr) (Co, Fe) O 3 (lanthanum strontium cobalt ferrite). Alternatively, from LSF = (La, Sr) FeO 3 (lanthanum strontium ferrite), LNF = La (Ni, Fe) O 3 (lanthanum nickel ferrite), LSC = (La, Sr) CoO 3 (lanthanum strontium cobaltite), etc. It may be configured. Further, the air electrode 60 may be configured by two layers of a first layer (inner layer) made of LSCF and a second layer (outer layer) made of LSC. The thickness of the air electrode 60 is 10 to 100 μm.
なお、反応防止膜50が介装されるのは、SOFC作製時又は作動中のSOFC内において固体電解質膜40内のYSZと空気極60内のSrとが反応して固体電解質膜40と空気極60との界面に電気抵抗が大きい反応層が形成される現象の発生を抑制するためである。 The reaction preventing film 50 is interposed because the YSZ in the solid electrolyte film 40 and the Sr in the air electrode 60 react with each other in the SOFC during the production or operation of the SOFC, and the solid electrolyte film 40 and the air electrode. This is to suppress the occurrence of a phenomenon in which a reaction layer having a large electric resistance is formed at the interface with the substrate 60.
ここで、燃料極20と、固体電解質膜40と、反応防止膜50と、空気極60とが積層されてなる積層体が、「発電素子部A」に対応する(図2を参照)。即ち、支持基板10の上面には、複数(本例では、4つ)の発電素子部Aが、長手方向において所定の間隔をおいて配置されている。 Here, the laminated body formed by laminating the fuel electrode 20, the solid electrolyte membrane 40, the reaction preventing membrane 50, and the air electrode 60 corresponds to the “power generation element portion A” (see FIG. 2). In other words, a plurality (four in this example) of power generating element portions A are arranged on the upper surface of the support substrate 10 at a predetermined interval in the longitudinal direction.
各組の隣り合う発電素子部A,Aについて、一方の(図2では、左側の)発電素子部Aの空気極60と、他方の(図2では、右側の)発電素子部Aのインターコネクタ30とを跨ぐように、空気極60、固体電解質膜40、及び、インターコネクタ30の上面に、空気極集電膜70が形成されている。空気極集電膜70は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。空気極集電膜70を上方からみた形状は、長方形である。 For each pair of adjacent power generation element portions A and A, the air electrode 60 of one power generation element portion A (on the left side in FIG. 2) and the interconnector of the other power generation element portion A (on the right side in FIG. 2). The air electrode current collecting film 70 is formed on the upper surfaces of the air electrode 60, the solid electrolyte film 40, and the interconnector 30. The air electrode current collector film 70 is a fired body made of a porous material having electron conductivity. The shape of the air electrode current collector film 70 as viewed from above is a rectangle.
空気極集電膜70は、例えば、LSCF=(La,Sr)(Co,Fe)O3(ランタンストロンチウムコバルトフェライト)から構成され得る。或いは、LSC=(La,Sr)CoO3(ランタンストロンチウムコバルタイト)から構成されてもよい。或いは、Ag(銀)、Ag−Pd(銀パラジウム合金)から構成されてもよい。空気極集電膜70の厚さは、50〜500μmである。 The air electrode current collector film 70 can be made of, for example, LSCF = (La, Sr) (Co, Fe) O 3 (lanthanum strontium cobalt ferrite). Alternatively, LSC = (La, Sr) CoO 3 (lanthanum strontium cobaltite) may be used. Or you may comprise from Ag (silver) and Ag-Pd (silver palladium alloy). The thickness of the air electrode current collector film 70 is 50 to 500 μm.
このように各空気極集電膜70が形成されることにより、各組の隣り合う発電素子部A,Aについて、一方の(図2では、左側の)発電素子部Aの空気極60と、他方の(図2では、右側の)発電素子部Aの燃料極20(特に、燃料極集電部21)とが、電子伝導性を有する「空気極集電膜70及びインターコネクタ30」を介して電気的に接続される。この結果、支持基板10の上面に配置されている複数(本例では、4つ)の発電素子部Aが電気的に直列に接続される。ここで、電子伝導性を有する「空気極集電膜70及びインターコネクタ30」が、「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%.
なお、膜の気孔率は、以下のように測定された。先ず、膜の気孔内に樹脂が進入するようにその膜に対して所謂「樹脂埋め」処理がなされた。その「樹脂埋め」処理された膜の表面に対して機械研磨がなされた。機械研磨された表面の微構造を走査型電子顕微鏡を用いて観察して得られた画像に対して画像処理を行うことによって、気孔の部分(樹脂が進入している部分)と気孔でない部分(樹脂が進入していない部分)の面積がそれぞれ算出された。その比率が膜の気孔率とされた。 The porosity of the film was measured as follows. First, a so-called “resin filling” process was performed on the membrane so that the resin entered the pores of the membrane. The surface of the “resin-filled” film was mechanically polished. By performing image processing on the image obtained by observing the microstructure of the mechanically polished surface with a scanning electron microscope, the pore portion (the portion where the resin enters) and the non-pore portion ( The area of the portion where the resin did not enter was calculated. That ratio was taken as the porosity of the membrane.
以上、説明した図1に示す「横縞型」のセル100に対して、図4に示すように、支持基板10の燃料ガス流路11内に燃料ガス(水素ガス等)を流すとともに、支持基板10の上下面(特に、各空気極集電膜70)を「酸素を含むガス」(空気等)に曝す(或いは、支持基板10の上下面に沿って酸素を含むガスを流す)ことにより、固体電解質膜40の両側面間に生じる酸素分圧差によって起電力が発生する。更に、この構造体を外部の負荷に接続すると、下記(1)、(2)式に示す化学反応が起こり、電流が流れる(発電状態)。
(1/2)・O2+2e−→O2 − (於:空気極60) …(1)
H2+O2 −→H2O+2e− (於:燃料極20) …(2)
As described above, as shown in FIG. 4, the fuel gas (hydrogen gas or the like) flows through the fuel gas flow path 11 of the support substrate 10 with respect to the “horizontal stripe type” cell 100 shown in FIG. 10 by exposing the upper and lower surfaces (in particular, each air electrode current collecting film 70) to “gas containing oxygen” (air or the like) (or flowing a gas containing oxygen along the upper and lower surfaces of the support substrate 10), An electromotive force is generated by an oxygen partial pressure difference generated between both side surfaces of the solid electrolyte membrane 40. Furthermore, when this structure is connected to an external load, chemical reactions shown in the following formulas (1) and (2) occur, and current flows (power generation state).
(1/2) · O 2 + 2e − → O 2 − (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、このセル100全体から(具体的には、図4において最も手前側の発電素子部Aのインターコネクタ30と最も奥側の発電素子部Aの空気極60とを介して)電力が取り出される。 In the power generation state, as shown in FIG. 5, a current flows as indicated by an arrow in each pair of adjacent power generation element portions A and A. As a result, as shown in FIG. 4, from the entire cell 100 (specifically, in FIG. 4, the interconnector 30 of the power generating element part A on the foremost side and the air electrode 60 of the power generating element part A on the farthest side) The power is removed.
(セルの製造方法)
次に、図1に示した「横縞型」のセル100の製造方法の一例について図6〜図14を参照しながら簡単に説明する。なお、この明細書において、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。
(Cell manufacturing method)
Next, an example of a manufacturing method of the “horizontal stripe type” cell 100 shown in FIG. 1 will be briefly described with reference to FIGS. In this specification, “g” at the end of the symbol of each member indicates that the member is “before firing”.
先ず、図6に示す形状を有する支持基板の成形体10gが作製される。この支持基板の成形体10gは、例えば、支持基板10の材料(例えば、CSZ)の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、押し出し成形、切削等の手法を利用して作製され得る。以下、図6に示す7−7線に対応する部分断面を表す図7〜図14を参照しながら説明を続ける。 First, a support substrate molded body 10g having the shape shown in FIG. 6 is produced. The molded body 10g of the support substrate is manufactured by using a method such as extrusion molding or cutting using a slurry obtained by adding a binder or the like to the material of the support substrate 10 (for example, CSZ). obtain. Hereinafter, the description will be continued with reference to FIGS. 7 to 14 showing partial cross sections corresponding to line 7-7 shown in FIG. 6.
図7に示すように、支持基板の成形体10gが作製されると、次に、図8に示すように、支持基板の成形体10gの上下面に形成された各凹部に、燃料極集電部の成形体21gがそれぞれ埋設・形成される。次いで、図9に示すように、各燃料極集電部の成形体21gの外側面に形成された各凹部に、燃料極活性部の成形体22gがそれぞれ埋設・形成される。各燃料極集電部の成形体21g、及び各燃料極活性部22gは、例えば、燃料極20の材料(例えば、NiとYSZ)の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して埋設・形成される。 When the support substrate molded body 10g is manufactured as shown in FIG. 7, the fuel electrode current collector is then placed in each recess formed in the upper and lower surfaces of the support substrate molded body 10g as shown in FIG. Each of the molded parts 21g is embedded and formed. Next, as shown in FIG. 9, a molded body 22g of the fuel electrode active portion is embedded and formed in each recess formed in the outer surface of the molded body 21g of each fuel electrode current collector. The molded body 21g of each fuel electrode current collector and each of the fuel electrode active parts 22g use, for example, a slurry obtained by adding a binder or the like to the powder of the material of the fuel electrode 20 (for example, Ni and YSZ), It is embedded and formed using printing methods.
続いて、図10に示すように、各燃料極集電部の成形体21gの外側面における「燃料極活性部の成形体22gが埋設された部分を除いた部分」に形成された各凹部に、インターコネクタの成形体30gがそれぞれ埋設・形成される。各インターコネクタの成形体30gは、例えば、インターコネクタ30の材料(例えば、LaCrO3)の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して埋設・形成される。 Subsequently, as shown in FIG. 10, in each concave portion formed in “the portion excluding the portion where the molded body 22 g of the fuel electrode active portion is embedded” on the outer surface of the molded body 21 g of each fuel electrode current collector. The interconnector molded bodies 30g are respectively embedded and formed. The molded body 30g of each interconnector is embedded and formed by using a slurry obtained by adding a binder or the like to the material of the interconnector 30 (for example, LaCrO 3 ), using a printing method or the like. .
次に、図11に示すように、複数の燃料極の成形体(21g+22g)及び複数のインターコネクタの成形体30gがそれぞれ埋設・形成された状態の支持基板の成形体10gにおける長手方向に延びる外周面において複数のインターコネクタの成形体30gが形成されたそれぞれの部分の長手方向中央部を除いた全面に、固体電解質膜の成形膜40gが形成される。固体電解質膜の成形膜40gは、例えば、固体電解質膜40の材料(例えば、YSZ)の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法、ディッピング法等を利用して形成される。 Next, as shown in FIG. 11, the outer periphery extending in the longitudinal direction of the molded body 10g of the support substrate in a state in which the molded body (21g + 22g) of the plurality of fuel electrodes and the molded body 30g of the plurality of interconnectors are respectively embedded and formed. A solid electrolyte membrane molded film 40g is formed on the entire surface excluding the central portion in the longitudinal direction of each portion where the plurality of interconnector molded bodies 30g are formed. The molded membrane 40g of the solid electrolyte membrane is formed using, for example, a printing method, a dipping method, etc., using a slurry obtained by adding a binder or the like to the powder of the material of the solid electrolyte membrane 40 (for example, YSZ). The
次に、図12に示すように、固体電解質膜の成形体40gにおける各燃料極の成形体22gと接している箇所の外側面に、反応防止膜の成形膜50gが形成される。各反応防止膜の成形膜50gは、例えば、反応防止膜50の材料(例えば、GDC)の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して形成される。 Next, as shown in FIG. 12, a reaction prevention film molding film 50g is formed on the outer surface of the solid electrolyte membrane molding body 40g in contact with the fuel electrode molding body 22g. The molded film 50g of each reaction preventing film is formed using a slurry obtained by adding a binder or the like to the powder of the material (for example, GDC) of the reaction preventing film 50, using a printing method or the like.
そして、このように種々の成形膜が形成された状態の支持基板の成形体10gが、空気中にて1500℃で3時間焼成される。これにより、図1に示したセル100において空気極60及び空気極集電膜70が形成されていない状態の構造体が得られる。 Then, 10 g of the support substrate molded body in which various molded films are thus formed is fired in air at 1500 ° C. for 3 hours. Thereby, the structure of the state in which the air electrode 60 and the air electrode current collection film | membrane 70 are not formed in the cell 100 shown in FIG. 1 is obtained.
次に、図13に示すように、各反応防止膜50の外側面に、空気極の成形膜60gが形成される。各空気極の成形膜60gは、例えば、空気極60の材料(例えば、LSCF)の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して形成される。 Next, as shown in FIG. 13, an air electrode forming film 60 g is formed on the outer surface of each reaction preventing film 50. The molded film 60g of each air electrode is formed using a slurry obtained by adding a binder or the like to the powder of the material of the air electrode 60 (for example, LSCF), using a printing method or the like.
次に、図14に示すように、各組の隣り合う発電素子部について、一方の発電素子部の空気極の成形膜60gと、他方の発電素子部のインターコネクタ30とを跨ぐように、空気極の成形膜60g、固体電解質膜40、及び、インターコネクタ30の外側面に、空気極集電膜の成形膜70gが形成される。各空気極集電膜の成形膜70gは、例えば、空気極集電膜70の材料(例えば、LSCF)の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して形成される。 Next, as shown in FIG. 14, for each pair of adjacent power generation element portions, air is formed so as to straddle the air electrode molding film 60 g of one power generation element portion and the interconnector 30 of the other power generation element portion. On the outer surface of the electrode forming film 60 g, the solid electrolyte film 40, and the interconnector 30, the air electrode current collecting film forming film 70 g is formed. The forming film 70g of each air electrode current collector film is obtained by using a slurry obtained by adding a binder or the like to the powder of the material of the air electrode current collector film 70 (for example, LSCF), using a printing method or the like. It is formed.
そして、このように成形膜60g、70gが形成された状態の支持基板10が、空気中にて1050℃で3時間焼成される。これにより、図1に示したセル100が得られる。以上、図1に示したセル100の製造方法の一例について説明した。 Then, the support substrate 10 in which the molded films 60g and 70g are thus formed is baked in air at 1050 ° C. for 3 hours. Thereby, the cell 100 shown in FIG. 1 is obtained. In the above, an example of the manufacturing method of the cell 100 shown in FIG. 1 was demonstrated.
なお、この時点では、酸素含有雰囲気での焼成により、燃料極20中のNi成分が、NiOとなっている。従って、これらの導電性を獲得するため、その後、支持基板10側から還元性の燃料ガスが流され、NiOが800〜1000℃で1〜10時間に亘って還元処理される。なお、この還元処理は発電時に行われてもよい。 At this time, the Ni component in the fuel electrode 20 is NiO by firing in an oxygen-containing atmosphere. Therefore, in order to acquire these electroconductivity, after that, reducing fuel gas is flowed from the support substrate 10 side, and NiO is reduced at 800 to 1000 ° C. for 1 to 10 hours. This reduction process may be performed during power generation.
(スタック構造体の全体構成の一例)
次に、上述したセル100を用いた「本発明の実施形態に係る接合体を含む固体酸化物形燃料電池(SOFC)のスタック構造体」について説明する。図15に示すように、このスタック構造体は、多数のセル100と、多数のセル100のそれぞれに燃料ガスを供給するための燃料マニホールド200と、を備えている。燃料マニホールド200の全体は、ステンレス鋼等の材料で構成されている。燃料マニホールド200は、内部空間(直方体状の空間、第1内部空間に対応)を備えた、長手方向(z軸方向)を有する直方体状の筐体である。
(Example of overall structure of stack structure)
Next, a “solid oxide fuel cell (SOFC) stack structure including a joined body according to an embodiment of the present invention” using the cell 100 described above will be described. As shown in FIG. 15, this stack structure includes a large number of cells 100 and a fuel manifold 200 for supplying fuel gas to each of the large number of cells 100. The entire fuel manifold 200 is made of a material such as stainless steel. The fuel manifold 200 is a rectangular parallelepiped casing having an internal space (a rectangular parallelepiped space, corresponding to the first internal space) and having a longitudinal direction (z-axis direction).
燃料マニホールド200の上壁(天板、換言すれば、ガスタンクの天板(平板))は、多数のセル100を支持するための支持板210を兼ねている。また、燃料マニホールド200には、外部から燃料マニホールド200の内部空間に燃料ガスを導入するための導入通路220が、支持板210上にて、燃料マニホールド200の長手方向(z軸方向)の一方側(z軸正方向側)の端部に設けられている。導入通路220と燃料マニホールド200の内部空間とは連通している。 The upper wall (top plate, in other words, the top plate (flat plate) of the gas tank) of the fuel manifold 200 also serves as a support plate 210 for supporting a large number of cells 100. Further, the fuel manifold 200 has an introduction passage 220 for introducing fuel gas from the outside into the internal space of the fuel manifold 200 on one side of the longitudinal direction (z-axis direction) of the fuel manifold 200 on the support plate 210. It is provided at the end of the z-axis positive direction side. The introduction passage 220 and the internal space of the fuel manifold 200 communicate with each other.
各セル100が支持板210(=マニホールド200の上壁)から上方(x軸正方向)に向けてそれぞれ突出するように、且つ、上方から見たとき、各セル100がy軸方向(前記第1方向)に沿ってそれぞれ延在し且つ複数のセル100がz軸方向(前記第2方向)に沿って互いに離れてスタック状に整列するように、各セル100の長手方向(x軸方向)における燃料ガス流入側の端部が、支持板210にて接合・支持されている。燃料マニホールド200の内部空間と、複数のセル100の燃料ガス流路11のそれぞれとは連通している。各セル100の長手方向(x軸方向)における燃料ガス排出側の端部は、自由端となっている。従って、このスタック構造は、「片持ちスタック構造」と表現することができる。 Each cell 100 protrudes upward (in the positive x-axis direction) from the support plate 210 (= the upper wall of the manifold 200) and when viewed from above, each cell 100 is in the y-axis direction (the first The longitudinal direction of each cell 100 (x-axis direction) so that each cell 100 extends along one direction) and the plurality of cells 100 are separated from each other along the z-axis direction (second direction) and stacked. The end of the fuel gas inflow side is joined and supported by the support plate 210. The internal space of the fuel manifold 200 communicates with each of the fuel gas flow paths 11 of the plurality of cells 100. The end portion on the fuel gas discharge side in the longitudinal direction (x-axis direction) of each cell 100 is a free end. Therefore, this stack structure can be expressed as a “cantilever stack structure”.
図16に示すように、支持板210(=マニホールド200の上壁)の表面には、燃料マニホールド200の内部空間と連通する多数の挿入孔211(貫通孔)が形成されている。各挿入孔211には、対応するセル100の燃料ガス流入側の一端部がそれぞれ挿入される。 As shown in FIG. 16, a large number of insertion holes 211 (through holes) communicating with the internal space of the fuel manifold 200 are formed on the surface of the support plate 210 (= the upper wall of the manifold 200). One end of the corresponding cell 100 on the fuel gas inflow side is inserted into each insertion hole 211.
図17に示すように、本実施形態では、複数の挿入孔211は同形である。各挿入孔211の形状は、長さL4、幅L5のy軸方向に延在する長円形状(L4>L5)を呈している。また、複数の挿入孔211は、y軸方向において同じ位置に、且つ、z軸方向において同じ間隔をおいて配置されている。 As shown in FIG. 17, in the present embodiment, the plurality of insertion holes 211 have the same shape. Each insertion hole 211 has an oval shape (L4> L5) extending in the y-axis direction having a length L4 and a width L5. The plurality of insertion holes 211 are arranged at the same position in the y-axis direction and at the same interval in the z-axis direction.
各挿入孔211の長さL4は、セル100の一端部の側面の長さL2(図1を参照)より0.2〜3mm大きい。同様に、各挿入孔211の幅L5は、セル100の一端部の側面の幅L3(図1を参照)より0.2〜3mm大きい。即ち、図18、19に示すように、セル100の一端部が挿入孔211に挿入された状態では、挿入孔211の内壁とセル100の一端部の外壁との間に隙間が形成される。換言すれば、セル100の一端部が挿入孔211に遊嵌される。なお、図18、図19(特に、図18)では、前記隙間が誇張して描かれている。 The length L4 of each insertion hole 211 is 0.2 to 3 mm longer than the length L2 (see FIG. 1) of the side surface of one end of the cell 100. Similarly, the width L5 of each insertion hole 211 is 0.2 to 3 mm larger than the width L3 (see FIG. 1) of the side surface of one end of the cell 100. That is, as shown in FIGS. 18 and 19, when one end of the cell 100 is inserted into the insertion hole 211, a gap is formed between the inner wall of the insertion hole 211 and the outer wall of one end of the cell 100. In other words, one end of the cell 100 is loosely fitted in the insertion hole 211. In FIG. 18 and FIG. 19 (particularly FIG. 18), the gap is exaggerated.
図18、図19に示すように、挿入孔211とセル100の一端部との接合部のそれぞれにおいて、固化された接合材250が前記隙間に充填されるように設けられている。これにより、各挿入孔211と対応するセル100の一端部とがそれぞれ接合・固定されている。図19に示すように、各セル100のガス流路11の一端部は、燃料マニホールド200の内部空間と連通している。 As shown in FIGS. 18 and 19, solidified bonding material 250 is provided so as to fill the gap in each of the bonding portions between the insertion hole 211 and one end of the cell 100. Thereby, each insertion hole 211 and the one end part of the corresponding cell 100 are joined and fixed, respectively. As shown in FIG. 19, one end of the gas flow path 11 of each cell 100 communicates with the internal space of the fuel manifold 200.
接合材250は、MgO−CaO−SiO2−B2O3系や、MgO−BaO−SiO2−B2O3系等の結晶化ガラスで構成される。なお、本明細書では、結晶化ガラスとは、全体積に対する「結晶相が占める体積」の割合(結晶化度)が60%以上であり、全体積に対する「非晶質相及び不純物が占める体積」の割合が40%未満のガラス(セラミックス)を指す。結晶化ガラスの結晶化度は、具体的には、例えば、「XRD等を用いて結晶相を同定し、SEM及びEDS、或いは、SEM及びEPMA等を用いて結晶化後のガラスの組織や組成分布を観察した結果に基づいて、結晶相領域の体積割合を算出する」ことによって得ることができる。 The bonding material 250 is made of crystallized glass such as MgO—CaO—SiO 2 —B 2 O 3 or MgO—BaO—SiO 2 —B 2 O 3 . 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%. The crystallinity of the crystallized glass is specifically determined by, for example, “the crystal phase and the composition after the crystal phase is identified by using XRD or the like and crystallized by using SEM and EDS or SEM and EPMA. The volume ratio of the crystal phase region is calculated based on the result of observing the distribution.
また、図19に示すように、隣接するセル100、100の間の空間(以下、「セル間空間」とも呼ぶ)には、隣接するセル100、100の間を電気的に直列に接続するための集電部材300がそれぞれ介在している。加えて、各セル100について表側と裏側とを電気的に直列に接続するための集電部材400も設けられている。各セル間空間の幅(z軸方向の距離)は同じである。 Further, as shown in FIG. 19, in the space between adjacent cells 100, 100 (hereinafter also referred to as “inter-cell space”), the adjacent cells 100, 100 are electrically connected in series. Current collecting members 300 are interposed. In addition, a current collecting member 400 for electrically connecting the front side and the back side of each cell 100 in series is also provided. The width of each inter-cell space (distance in the z-axis direction) is the same.
なお、図19から理解できるように、集電部材300は、複数の発電素子部Aのうち上下方向(x軸方向)における最も下側に設けられた発電素子部A(以下、「最下発電素子部AS」とも呼ぶ)より下側に配置されている。換言すれば、集電部材300は、燃料マニホールド200の上壁から突出するセル100の根元側(即ち、燃料ガス流入側)に接続されている。これは、セル100の根元側より温度が高いセル100の先端側(即ち、燃料ガス排出側)に集電部材300を設けると、集電部材300とセル100との接合部位にて剥離が発生し易いことに因る。ガス排出口から排出された余剰の燃料ガスが周囲の空気(酸素)と反応(燃焼)することによって、その燃焼による熱を受けてセル100の先端側の温度は局所的に高くなる。 As can be understood from FIG. 19, the current collecting member 300 includes the power generating element portion A (hereinafter referred to as “the lowest power generation”) provided on the lowermost side in the vertical direction (x-axis direction) among the plurality of power generating element portions A. (Also referred to as “element portion AS”). In other words, the current collecting member 300 is connected to the base side (that is, the fuel gas inflow side) of the cell 100 protruding from the upper wall of the fuel manifold 200. This is because if the current collecting member 300 is provided on the tip side (that is, the fuel gas discharge side) of the cell 100 where the temperature is higher than the base side of the cell 100, peeling occurs at the junction between the current collecting member 300 and the cell 100. Because it is easy to do. When the surplus fuel gas discharged from the gas discharge port reacts (burns) with the surrounding air (oxygen), the temperature at the front end side of the cell 100 is locally increased by receiving heat from the combustion.
図19に示すように、各集電部材300(より詳細には、集電部材300の後述する一対の固定部310、310)は、電子伝導性を有する接合材膜80を用いて、隣接するセル100、100に設けられたベース部材B、Bとそれぞれ接合されている。ここで、「ベース部材B」とは、「セル100の最下発電素子部ASの燃料極20及び空気極60の何れか一つ」、又は、「最下発電素子部ASの燃料極20及び空気極60の何れか一つと電気的に接続された電子伝導性を有する導電部材」を指す。この導電部材は、例えば、ランタンストロンチウムコバルトフェライトLSCF=(La,Sr)(Co,Fe)O3等の多孔質の導電性セラミックス材料からなる焼成体である。隣接するセル100、100のベース部材B、Bの組み合わせは、燃料極及び燃料極、燃料極及び空気極、空気極及び空気極の何れであってもよい。 As shown in FIG. 19, each current collecting member 300 (more specifically, a pair of fixing portions 310 and 310 described later of the current collecting member 300) is adjacent to each other using a bonding material film 80 having electron conductivity. The base members B and B provided in the cells 100 and 100 are respectively joined. Here, the “base member B” means “any one of the fuel electrode 20 and the air electrode 60 of the lowermost power generation element part AS of the cell 100” or “the fuel electrode 20 of the lowermost power generation element part AS and This refers to a conductive member having electronic conductivity electrically connected to any one of the air electrodes 60. The conductive member is a fired body made of a porous conductive ceramic material such as lanthanum strontium cobalt ferrite LSCF = (La, Sr) (Co, Fe) O 3 . The combination of the base members B and B of the adjacent cells 100 and 100 may be any one of a fuel electrode and a fuel electrode, a fuel electrode and an air electrode, an air electrode and an air electrode.
集電部材300は、例えば、日立金属(株)製のZMG232L等のFe、Crを主成分とするステンレス系材料(SUS材料)に代表される緻密な金属材料によって構成されている。接合材膜80は、MnCo2O4、CuMn2O4、CuFe2O4等のスピネル型結晶構造を有する遷移金属酸化物(即ち、導電性セラミックス材料)等からなる焼成体である。 The current collecting member 300 is made of a dense metal material typified by a stainless steel material (SUS material) mainly composed of Fe and Cr, such as ZMG232L manufactured by Hitachi Metals, Ltd. The bonding material film 80 is a fired body made of a transition metal oxide (that is, a conductive ceramic material) having a spinel crystal structure such as MnCo 2 O 4 , CuMn 2 O 4 , or CuFe 2 O 4 .
(集電部材の形状)
以下、図20〜図24を参照しながら、集電部材300の三次元形状について説明する。図20に示すように、集電部材300は、一対の固定部310、310と、一対の固定部310、310の一部である一対の側端部311、311を連結する連結部320と、から構成される。ここで、集電部材300が本発明の前記「集電部材」に対応し、集電部材300の固定部310が本発明の前記「集電部材の板状部分」に対応する。
(Shape of current collector)
Hereinafter, the three-dimensional shape of the current collecting member 300 will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 20, the current collecting member 300 includes a pair of fixing portions 310 and 310, and a connecting portion 320 that connects a pair of side end portions 311 and 311 that are part of the pair of fixing portions 310 and 310, Consists of Here, the current collecting member 300 corresponds to the “current collecting member” of the present invention, and the fixing portion 310 of the current collecting member 300 corresponds to the “plate portion of the current collecting member” of the present invention.
一対の固定部310、310は、z軸方向に互いに間隔を空けて平行に向かい合う一対の平板状(薄い直方体状)の部分である。各固定部310には、x軸方向に互いに間隔を空け且つy軸方向に互いに平行に延びる複数(本例では、6本)の開口部312(厚さ方向に貫通する長孔)が設けられている。本例では、各開口部312の開口は、細長い長方形を呈している。すなわち、各開口部312は、スリット状である。 The pair of fixing portions 310 and 310 are a pair of flat plate-like (thin rectangular parallelepiped) portions facing each other in parallel with a gap in the z-axis direction. Each fixing portion 310 is provided with a plurality (six in this example) of opening portions 312 (long holes penetrating in the thickness direction) spaced apart from each other in the x-axis direction and extending in parallel with each other in the y-axis direction. ing. In this example, each opening 312 has an elongated rectangular shape. That is, each opening 312 has a slit shape.
一対の固定部310、310は、接合材膜80を介して、隣接するセル100、100の対応するベース部材B、Bの接合面(x−y平面に沿う平面)とそれぞれ接合されている(図19を参照)。一対の側端部311、311は、一対の固定部310、310のうち、y軸負方向側の端部においてx軸方向に亘って延在する領域であって、z軸方向に互いに間隔を空けて平行に向かい合う一対の短冊状の部分である。 The pair of fixing portions 310 and 310 are respectively joined to the joining surfaces (planes along the xy plane) of the corresponding base members B and B of the adjacent cells 100 and 100 via the joining material film 80 ( (See FIG. 19). The pair of side end portions 311 and 311 are regions extending in the x-axis direction at the end portion on the y-axis negative direction side of the pair of fixed portions 310 and 310, and are spaced apart from each other in the z-axis direction. It is a pair of strip-shaped parts facing each other in parallel.
連結部320は、第1延在部と、第2延在部323と、を有する。第1延在部は、一対の側端部311、311におけるx軸正方向側の端部から、y軸負方向側に向けてそれぞれ延びる一対の第1部分321、321と、一対の第1部分321、321の先端側(y軸負方向側)にある一対の先端部からx軸負方向側に向けてそれぞれ延びる一対の第2部分322、322と、から構成される。一対の第1部分321、321、並びに、一対の第2部分322、322は共に、z軸方向に互いに間隔を空けて平行に向かい合う一対の短冊状の部分である。 The connection part 320 has a first extension part and a second extension part 323. The first extending portion includes a pair of first portions 321 and 321 extending from the end on the x-axis positive direction side of the pair of side end portions 311 and 311 toward the y-axis negative direction side, and a pair of first portions. It is comprised from a pair of 2nd part 322,322 extended respectively toward a x-axis negative direction side from a pair of front-end | tip part in the front end side (y-axis negative direction side) of the part 321,321. The pair of first portions 321 and 321 and the pair of second portions 322 and 322 are both a pair of strip-shaped portions facing each other in parallel with a gap in the z-axis direction.
第2延在部323は、z軸方向に延びる短冊状を呈し、一対の第2部分322、322の先端側(x軸負方向側)にある一対の先端部同士を連結する。 The second extending portion 323 has a strip shape extending in the z-axis direction, and connects a pair of tip portions on the tip side (x-axis negative direction side) of the pair of second portions 322 and 322.
図20に示す集電部材300は、ワイヤ放電加工等によって図21に示す形状に作製された薄板状の部材を、第2延在部323と一対の第2部分322、322との境界線に沿ってそれぞれ直角に折り曲げることによって完成される。 A current collecting member 300 shown in FIG. 20 has a thin plate-like member produced in the shape shown in FIG. 21 by wire electric discharge machining or the like at the boundary line between the second extending portion 323 and the pair of second portions 322 and 322. It is completed by bending each along a right angle.
図21に示す薄板状の部材において、「第1部分321に対応する部分の主面(紙面に平行な平面)における、第1部分321の延在方向(紙面左右方向)に直交する方向(紙面上下方向)の幅A21」、「第2部分322に対応する部分の主面(紙面に平行な平面)における、第2部分322の延在方向(紙面上下方向)に直交する方向(紙面左右方向)の幅A22」、並びに、「第2延在部323に対応する部分の主面(紙面に平行な平面)における、第2延在部323の延在方向(紙面左右方向)に直交する方向(紙面上下方向)の幅A23」は、全て、図21に示す薄板状の部材の板厚よりも大きい。 In the thin plate-like member shown in FIG. 21, “a direction (paper surface) perpendicular to the extending direction (left and right direction of the paper surface) of the first portion 321 on the main surface (plane parallel to the paper surface) corresponding to the first portion 321. (Vertical direction) width A21 "," direction (right and left direction on the paper surface) orthogonal to the extending direction (up and down direction on the paper surface) of the main surface (plane parallel to the paper surface) corresponding to the second portion 322 " ) And a direction orthogonal to the extending direction of the second extending portion 323 (left and right direction on the drawing) in the main surface (a plane parallel to the drawing surface) corresponding to the second extending portion 323. The width A23 "(up and down direction in the drawing) is all greater than the plate thickness of the thin plate member shown in FIG.
以下、集電部材300が上記のような三次元的な形状を有することによる作用・効果について図22〜図24を参照しながら簡単に述べる。上述したスタック構造体では、SOFCの運転時等において、隣接するセル100、100の間で三次元的な相対変位(相対的な位置のずれ、相対的な姿勢のずれ等)が不可避的に発生し得る。加えて、隣接するセル100、100の間では、一対の固定部310、310が対応するセル100とそれぞれ接合・固定されている。このことは、図20に示す集電部材300において、一対の固定部310、310の間で、三次元的な相対変位(相対的な位置のずれ、相対的な姿勢のずれ等)が不可避的に発生し得ることをも意味する。 Hereinafter, actions and effects of the current collecting member 300 having the above three-dimensional shape will be briefly described with reference to FIGS. In the stack structure described above, three-dimensional relative displacement (relative position shift, relative position shift, etc.) inevitably occurs between adjacent cells 100 and 100 during SOFC operation. Can do. In addition, between the adjacent cells 100, 100, a pair of fixing portions 310, 310 are joined and fixed to the corresponding cells 100, respectively. This means that, in the current collecting member 300 shown in FIG. 20, a three-dimensional relative displacement (relative positional deviation, relative positional deviation, etc.) is unavoidable between the pair of fixed portions 310, 310. It also means that it can occur.
ここで、図22に示すように、集電部材300は、「一対の固定部310、310間でx軸方向からみた相対回転変位を伴う弾性変形」に対する剛性が低い。これは、一対の固定部310、310同士が相対的にx軸周りのモーメントを受けた際において、一対の第1部分321、321の曲げ剛性、一対の第2部分322、322のねじれ剛性、並びに、第2延在部323の曲げ剛性が低いことに基づく。 Here, as shown in FIG. 22, the current collecting member 300 has low rigidity against “elastic deformation accompanied by relative rotational displacement as seen from the x-axis direction between the pair of fixing portions 310, 310”. This is because when the pair of fixing portions 310, 310 relatively receive a moment around the x-axis, the bending rigidity of the pair of first portions 321, 321 and the torsional rigidity of the pair of second portions 322, 322, And it is based on the bending rigidity of the 2nd extension part 323 being low.
また、図23に示すように、集電部材300は、「一対の固定部310、310間でy軸方向からみた相対回転変位を伴う弾性変形」に対する剛性も低い。これは、一対の固定部310、310同士が相対的にy軸周りのモーメントを受けた際において、一対の第1部分321、321のねじれ剛性、並びに、一対の第2部分322、322の曲げ剛性が低いことに基づく。 Further, as shown in FIG. 23, the current collecting member 300 has low rigidity against “elastic deformation accompanied by relative rotational displacement as seen from the y-axis direction between the pair of fixing portions 310 and 310”. This is because the torsional rigidity of the pair of first portions 321 and 321 and the bending of the pair of second portions 322 and 322 when the pair of fixing portions 310 and 310 receive a moment about the y-axis relatively. Based on low stiffness.
更には、図24に示すように、集電部材300は、「一対の固定部310、310間でz軸方向からみた相対回転変位を伴う弾性変形」に対する剛性も低い。これは、一対の固定部310、310同士が相対的にz軸周りのモーメントを受けた際において、第2延在部323のねじれ剛性が低いことに基づく。 Furthermore, as shown in FIG. 24, the current collecting member 300 has low rigidity against “elastic deformation accompanied by relative rotational displacement as seen from the z-axis direction between the pair of fixing portions 310 and 310”. This is based on the fact that the torsional rigidity of the second extending portion 323 is low when the pair of fixing portions 310 and 310 receive a moment around the z axis relatively.
以上より、集電部材300では、「一対の固定部310、310の間でx軸、y軸、z軸の3軸方向からみたそれぞれの相対回転変位を伴う弾性変形」の全てに対する剛性が低い。従って、集電部材300は、「一対の固定部310、310の間で三次元的に相対変位が発生するような弾性変形」に対する剛性が低い、といえる。この結果、隣接するセル100、100の間で三次元的な相対変位が発生しても、「集電部材の一対の固定部310、310」と「隣接するセル100、100のベース部材B、B」との接合部に作用する応力が小さくなる。この結果、前記接合部における信頼性が高くなる。 As described above, the current collecting member 300 has low rigidity with respect to all of “elastic deformation with relative rotation displacements between the pair of fixing portions 310 and 310 viewed from the three axial directions of the x axis, the y axis, and the z axis”. . Therefore, it can be said that the current collecting member 300 has low rigidity against “elastic deformation that causes a three-dimensional relative displacement between the pair of fixing portions 310, 310”. As a result, even if a three-dimensional relative displacement occurs between the adjacent cells 100, 100, “the pair of fixing portions 310, 310 of the current collecting member” and “the base member B of the adjacent cells 100, 100” The stress acting on the joint with “B” is reduced. As a result, the reliability at the joint is increased.
なお、集電部材300として、図25、図26に示す形状を有する集電部材300が採用されても、上記と同様の作用・効果が奏される。図25、図26に示す集電部材300は、図20、図21に示す集電部材300に対して、第2延在部323の平面の向きのみが異なる。図25に示す集電部材300は、ワイヤ放電加工等によって図26に示す形状に作製された薄板状の部材を、第2延在部323と一対の第2部分322、322との境界線に沿ってそれぞれ直角に折り曲げることによって完成される。 Even if the current collecting member 300 having the shape shown in FIGS. 25 and 26 is adopted as the current collecting member 300, the same operation and effect as described above can be obtained. The current collecting member 300 shown in FIGS. 25 and 26 differs from the current collecting member 300 shown in FIGS. 20 and 21 only in the orientation of the plane of the second extending portion 323. In the current collecting member 300 shown in FIG. 25, a thin plate-like member produced in the shape shown in FIG. 26 by wire electric discharge machining or the like is used as a boundary line between the second extending portion 323 and the pair of second portions 322 and 322. It is completed by bending each along a right angle.
図26に示す薄板状の部材において、「第1部分321に対応する部分の主面(紙面に平行な平面)における、第1部分321の延在方向(紙面上下方向)に直交する方向(紙面左右方向)の幅A21」、「第2部分322に対応する部分の主面(紙面に平行な平面)における、第2部分322の延在方向(紙面左右方向)に直交する方向(紙面上下方向)の幅A22」、並びに、「第2延在部323に対応する部分の主面(紙面に平行な平面)における、第2延在部323の延在方向(紙面左右方向)に直交する方向(紙面上下方向)の幅A23」は、全て、図26に示す薄板状の部材の板厚よりも大きい。 In the thin plate-like member shown in FIG. 26, “a direction (paper surface) perpendicular to the extending direction (paper sheet vertical direction) of the first portion 321 on the main surface (plane parallel to the paper surface) corresponding to the first portion 321. (Width A21 in the left-right direction) "," direction (vertical direction on the paper surface) perpendicular to the extending direction (left-right direction on the paper surface) of the main surface (plane parallel to the paper surface) of the portion corresponding to the second portion 322 " ) And a direction orthogonal to the extending direction of the second extending portion 323 (left and right direction on the drawing) in the main surface (a plane parallel to the drawing surface) corresponding to the second extending portion 323. The width A23 "(up and down direction in the drawing) is all greater than the plate thickness of the thin plate member shown in FIG.
以上、説明したSOFCのスタック構造を稼働させる際には、図15、及び、図19に示すように、高温(例えば、600〜800℃)の「燃料ガス」(水素等)及び「空気」を流通させる。即ち、図15に示すように、導入通路220から導入された燃料ガスは、燃料マニホールド200の内部空間へと移動し、その後、各挿入孔211を介して対応するセル100のガス流路11にそれぞれ導入される。各ガス流路11を通過した燃料ガスは、その後、各ガス流路11の他端(自由端)から外部に排出される。一方、図19に示すように、空気は、それぞれのセル間空間にてセルの幅方向(y軸方向)に沿って主として移動するように、図示しない空気マニホールドから供給される。 As described above, when operating the SOFC stack structure described above, as shown in FIGS. 15 and 19, high-temperature (for example, 600 to 800 ° C.) “fuel gas” (hydrogen, etc.) and “air” are used. Circulate. That is, as shown in FIG. 15, the fuel gas introduced from the introduction passage 220 moves to the internal space of the fuel manifold 200, and then enters the gas flow path 11 of the corresponding cell 100 via each insertion hole 211. Each is introduced. The fuel gas that has passed through each gas flow path 11 is then discharged from the other end (free end) of each gas flow path 11 to the outside. On the other hand, as shown in FIG. 19, air is supplied from an air manifold (not shown) so as to move mainly along the cell width direction (y-axis direction) in each inter-cell space.
(スタック構造体の組立方法)
次に、図15等に示した本発明の実施形態に係る「接合体」を含むスタック構造体は、例えば、以下の手順で組み立てられる。先ず、必要な枚数の完成したセル100、完成した燃料マニホールド200、及び、必要な個数の完成した集電部材300等が準備される。次いで、所定の治具等を用いて、複数のセル100がスタック状に整列・固定される。次に、複数のセル100がスタック状に整列・固定された状態が維持されながら、複数のセル100のそれぞれの一端部が、支持板210の対応する挿入孔211に一度に挿入される。次いで、接合材250用のペーストが、挿入孔211とセル100の一端部との接合部のそれぞれの隙間に充填される。
(Assembly method of stack structure)
Next, the stack structure including the “joint” according to the embodiment of the present invention illustrated in FIG. 15 and the like is assembled, for example, by the following procedure. First, a required number of completed cells 100, a completed fuel manifold 200, a required number of completed current collecting members 300, and the like are prepared. Next, the plurality of cells 100 are aligned and fixed in a stack using a predetermined jig or the like. Next, one end of each of the plurality of cells 100 is inserted into the corresponding insertion hole 211 of the support plate 210 at a time while maintaining the state in which the plurality of cells 100 are aligned and fixed in a stack. Next, a paste for the bonding material 250 is filled in each gap of the bonding portion between the insertion hole 211 and one end of the cell 100.
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(ペーストが焼成される)。この結果、ペーストが固化されて接合材300となる。即ち、各セル100の一端部が接合材300を用いて支持板210にそれぞれ接合・支持される。その後、前記所定の治具が複数のセル100から取り外される。 Next, heat treatment is applied to the paste filled as described above (the paste is fired). As a result, the paste is solidified to form the bonding material 300. That is, one end of each cell 100 is joined and supported on the support plate 210 using the joining material 300. Thereafter, the predetermined jig is removed from the plurality of cells 100.
次いで、スタック状に整列している複数のセル100において、隣接するセル100、100のベース部材B、Bが、接合材膜80を用いて、集電部材300の一対の固定部310、310にそれぞれ接合・固定される(この過程については、後述する)。その後、各セル100の所定の位置に集電部材400を組み付けるなどの処理を経て、上述した片持ちスタック構造体が完成する。 Next, in the plurality of cells 100 arranged in a stack, the base members B and B of the adjacent cells 100 and 100 are bonded to the pair of fixing portions 310 and 310 of the current collecting member 300 using the bonding material film 80. Each is joined and fixed (this process will be described later). Thereafter, the above-described cantilever stack structure is completed through a process such as assembling the current collecting member 400 at a predetermined position of each cell 100.
なお、上述した例では、各セル100の一端部が支持板210にそれぞれ接合・支持された後に、隣接するセル100、100のベース部材B、Bが集電部材300の一対の固定部310、310とそれぞれ接合・固定されているが、隣接するセル100、100のベース部材B、Bが集電部材300の一対の固定部310、310とそれぞれ接合・固定された後に、各セル100の一端部が支持板210にそれぞれ接合・支持されてもよい。 In the example described above, after one end of each cell 100 is joined and supported by the support plate 210, the base members B and B of the adjacent cells 100 and 100 are the pair of fixing portions 310 of the current collecting member 300, 310, the base members B and B of the adjacent cells 100 and 100 are joined and fixed to the pair of fixing portions 310 and 310 of the current collecting member 300, respectively. The portions may be joined and supported by the support plate 210, respectively.
以下、各集電部材300の固定部310と、対応するセル100のベース部材Bとの接合について、図27を参照しながら説明する。図27は、集電部材300の固定部310とベース部材Bとの接合部分における、図28に示す何れかの切断線に沿う断面(x−z平面に平行な平面)の一部を示す。 Hereinafter, the joining of the fixing portion 310 of each current collecting member 300 and the base member B of the corresponding cell 100 will be described with reference to FIG. FIG. 27 shows a part of a cross section (a plane parallel to the xz plane) along one of the cutting lines shown in FIG. 28 in the joint portion between the fixing portion 310 and the base member B of the current collecting member 300.
図27の上図に示すように、先ず、セル100のベース部材Bの表面(接合面。本例では、平面)の接合箇所に、接合材膜80用のペーストの膜が、塗布、印刷法等を用いて形成される。なお、接合材膜80用のペーストの膜は、集電部材300の固定部310の接合箇所に形成されてもよいし、ベース部材Bの表面の接合箇所及び集電部材300の固定部310の接合箇所にそれぞれ形成されてもよい。このペースト膜の厚さ(合計)は20〜500μmである。なお、このペースト膜に代えて、ペースト膜と同じ材料で構成されたテープが上記接合箇所に貼り付けられてもよい。 As shown in the upper diagram of FIG. 27, first, a paste film for the bonding material film 80 is applied to the surface of the base member B of the cell 100 (bonding surface; in this example, a flat surface). Etc. are used. The paste film for the bonding material film 80 may be formed at the bonding portion of the fixing portion 310 of the current collecting member 300, or the bonding portion on the surface of the base member B and the fixing portion 310 of the current collecting member 300. You may form in a junction location, respectively. The thickness (total) of this paste film is 20 to 500 μm. Instead of this paste film, a tape made of the same material as the paste film may be attached to the joint location.
次に、集電部材300の固定部310がペースト膜の上面に所定の荷重で押し付けられる。これにより、図27の中図に示すように、ペースト膜の表面における「開口部312に対応するそれぞれの部分」及び「固定部310の周縁部に対応する部分」が、上方(z軸負方向)に盛り上がる。この結果、図27に示す例では、集電部材300の固定部310の全体がペースト膜に埋設される。換言すれば、固定部310の底面(本例では、平面)、固定部310の周縁部の外側面310s、及び、固定部310に設けられた各開口部312の内側面312s、のそれぞれの全域が、ペースト膜に覆われる。なお、集電部材300の固定部310の厚さ方向の一部分(下側部分)のみがペースト膜に埋設されてもよい。この場合、固定部310の底面(本例では、平面)の全域、固定部310の周縁部の外側面310sの下側部分のみ、及び、固定部310に設けられた各開口部312の内側面312sの下側部分のみが、ペースト膜に覆われる。 Next, the fixing portion 310 of the current collecting member 300 is pressed against the upper surface of the paste film with a predetermined load. As a result, as shown in the middle diagram of FIG. 27, the “respective portions corresponding to the opening 312” and the “portion corresponding to the peripheral portion of the fixing portion 310” on the surface of the paste film are upward (in the negative z-axis direction). ). As a result, in the example shown in FIG. 27, the entire fixing portion 310 of the current collecting member 300 is embedded in the paste film. In other words, the entire area of the bottom surface (in this example, a flat surface) of the fixing portion 310, the outer peripheral surface 310 s of the peripheral portion of the fixing portion 310, and the inner side surface 312 s of each opening 312 provided in the fixing portion 310. Is covered with a paste film. Note that only a part (lower part) in the thickness direction of the fixing portion 310 of the current collecting member 300 may be embedded in the paste film. In this case, the entire bottom surface (in this example, a flat surface) of the fixed portion 310, only the lower portion of the outer surface 310s of the peripheral portion of the fixed portion 310, and the inner surface of each opening 312 provided in the fixed portion 310. Only the lower part of 312s is covered with the paste film.
そして、図27の下図に示すように、集電部材300の固定部310が埋設されたペースト膜が焼成(温度:800〜1000℃(好ましくは850℃)、時間:1hr)されて、接合材膜80となる。この結果、各集電部材300の固定部310と、対応するベース部材Bとが、接合材膜80を介して接合・固定され、隣接するセル100、100のそれぞれが、対応するセル間空間に配置された集電部材300によって、接合材膜80を介して電気的に接続される。 27, the paste film in which the fixing portion 310 of the current collecting member 300 is embedded is baked (temperature: 800 to 1000 ° C. (preferably 850 ° C., time: 1 hr)) to obtain a bonding material. A film 80 is formed. As a result, the fixing portion 310 of each current collecting member 300 and the corresponding base member B are bonded and fixed via the bonding material film 80, and each of the adjacent cells 100, 100 is in the corresponding inter-cell space. The current collecting member 300 is electrically connected via the bonding material film 80.
この「接合体」では、集電部材300の固定部310が接合体膜80に埋設されることによって、固定部310の底面、固定部310の周縁部の外側面310s、並びに、各開口部312の内側面312sのそれぞれの全域が接合材膜80に覆われている。従って、固定部310の底面のみが接合材膜80の表面に接触する構成(即ち、固定部310が接合材膜80に埋設されない構成)と比べて、集電部材300と接合材膜80との間の接触面積が大きくなり、集電部材300と接合材膜80との接合部位における電気抵抗を小さくすることができる。 In this “joint”, the fixing portion 310 of the current collecting member 300 is embedded in the joined body film 80, whereby the bottom surface of the fixing portion 310, the outer peripheral surface 310 s of the peripheral portion of the fixing portion 310, and each opening 312. The entire inner surface 312 s is covered with the bonding material film 80. Therefore, compared with the configuration in which only the bottom surface of the fixing portion 310 is in contact with the surface of the bonding material film 80 (that is, the configuration in which the fixing portion 310 is not embedded in the bonding material film 80), the current collecting member 300 and the bonding material film 80 The contact area between them increases, and the electrical resistance at the junction between the current collecting member 300 and the bonding material film 80 can be reduced.
(開口部の内側面と接合材膜との界面における剥離の抑制)
上述した「開口部が設けられた集電部材の固定部が接合材膜に埋設された構成」を採用する場合、接合材膜80用のペーストの焼成時等において、集電部材300の固定部310に設けられた開口部312の内側面312sと接合材膜80との界面に剥離が発生し易い場合があった。
(Suppression of peeling at the interface between the inner surface of the opening and the bonding material film)
When the above-described “configuration in which the fixing portion of the current collecting member provided with the opening is embedded in the bonding material film” is employed, the fixing portion of the current collecting member 300 is used when the paste for the bonding material film 80 is fired. In some cases, peeling is likely to occur at the interface between the inner surface 312 s of the opening 312 provided in 310 and the bonding material film 80.
ここで、図27の下図の一部拡大図である図29及び図30に示すように、「開口部312の内側面312sが接合材膜80に覆われる高さ(固定部310の厚さ方向(z軸方向)の距離)(mm)」を「T」とし、「固定部310の厚さ方向(z軸方向)に沿う開口部312の断面における、開口部312の内側面312sの接合材膜80に覆われる部分に対応する線の道程(mm)」を「S」とする。 Here, as shown in FIGS. 29 and 30 which are partially enlarged views of the lower diagram of FIG. 27, “the height at which the inner surface 312s of the opening 312 is covered with the bonding material film 80 (the thickness direction of the fixing portion 310). (Distance in (z-axis direction)) (mm) ”is“ T ”, and“ the bonding material of the inner side surface 312s of the opening 312 in the cross section of the opening 312 along the thickness direction (z-axis direction) of the fixed part 310 ” The path length (mm) corresponding to the portion covered by the film 80 is “S”.
図29は、集電部材300の固定部310の全体が接合材膜80に埋設された場合の一例を示し、図30は、集電部材300の固定部310の下側部分のみが接合材膜80に埋設された場合の一例を示している。図29に示すように、集電部材300の固定部310の全体が接合材膜80に埋設された場合には、開口部312の内側面312sの全域が接合材膜80に覆われる。この場合、値Tは、集電部材300の固定部310の厚さ(板厚)と等しくなる。図30に示すように、集電部材300の固定部310の下側部分のみが接合材膜80に埋設された場合には、開口部312の内側面312sの下側部分のみが接合材膜80に覆われる。この場合、値Tは、集電部材300の固定部310の厚さ(板厚)より小さくなる。 FIG. 29 shows an example where the entire fixing portion 310 of the current collecting member 300 is embedded in the bonding material film 80, and FIG. 30 shows only the lower portion of the fixing portion 310 of the current collecting member 300 in the bonding material film. An example in the case of being embedded in 80 is shown. As shown in FIG. 29, when the entire fixing portion 310 of the current collecting member 300 is embedded in the bonding material film 80, the entire area of the inner side surface 312 s of the opening 312 is covered with the bonding material film 80. In this case, the value T is equal to the thickness (plate thickness) of the fixing portion 310 of the current collecting member 300. As shown in FIG. 30, when only the lower portion of the fixing portion 310 of the current collecting member 300 is embedded in the bonding material film 80, only the lower portion of the inner side surface 312 s of the opening 312 is bonded to the bonding material film 80. Covered with. In this case, the value T is smaller than the thickness (plate thickness) of the fixing portion 310 of the current collecting member 300.
図29及び図30に示す断面図において、道程Sは、開口部312の内側面312sにおける接合材膜80に覆われる部分に対応する線(内側面312sに対応する線における、図中にて高さTに対応する範囲内の部分)の、微細なうねり(凹凸)までを考慮して得られる長さである。道程Sは、例えば、図29及び図30に示すような断面の拡大率が30倍の画像に対して画像解析を行うことによって、その画像にて確認できる微細なうねり(凹凸)を考慮した値(道筋の長さ)として算出され得る。 In the cross-sectional views shown in FIGS. 29 and 30, the path S is a line corresponding to a portion of the inner surface 312 s of the opening 312 that is covered with the bonding material film 80 (in the line corresponding to the inner surface 312 s, it is high in the drawing). Is a length obtained in consideration of fine undulations (irregularities) in a range corresponding to the thickness T). The path S is a value that takes into account the fine waviness (unevenness) that can be confirmed in an image by performing image analysis on an image with a magnification of 30 times as shown in FIGS. 29 and 30, for example. It can be calculated as (path length).
本発明者は、上述した「開口部の内側面312sと接合材膜80との界面での剥離」の問題に対処するために種々の実験等を重ねた。その結果、本発明者は、係る剥離の発生は、値「S/T」と強い相関があることを見出した。以下、このことを確認した試験Aについて説明する。 The present inventor conducted various experiments and the like in order to cope with the above-mentioned problem of “peeling at the interface between the inner side surface 312 s of the opening and the bonding material film 80”. As a result, the present inventors have found that the occurrence of such peeling has a strong correlation with the value “S / T”. Hereinafter, test A in which this has been confirmed will be described.
(試験A)
試験Aでは、図27に示す手順に従って接合された「集電部材の固定部とベース部材との接合体」と同等の接合体について、集電部材(の固定部)の材料、接合材膜の材料、及び、値「S/T」、の組み合わせが異なる複数のサンプルが作製された。具体的には、表1に示すように、15種類の水準(組み合わせ)が準備された。各水準に対して10個のサンプル(N=10)が作製された。
(Test A)
In the test A, for the joined body equivalent to the “joined body of the fixed portion of the current collecting member and the base member” joined according to the procedure shown in FIG. A plurality of samples having different combinations of materials and values “S / T” were produced. Specifically, as shown in Table 1, 15 types (combinations) were prepared. Ten samples (N = 10) were made for each level.
各サンプルについて、ベース部材としては、La(Ni,Fe,Cu)O3からなる直方体の部材が使用された。ベース部材の気孔率は、25〜50%であった。集電部材の固定部の形状としては、図21に示す固定部310(6本の開口部312を含む)と同等の形状が採用された。集電部材の固定部の形状(開口部を含む)は、ワイヤ放電加工によって形成された。固定部全体の平面形状は、14mm×49mmの長方形であった。各開口部の幅H2(mm)及び長さH3(mm)、並びに、隣接する開口部の間隔H1(mm)(図21を参照)は、それぞれ、1mm、43mm、1mmであった。集電部材の固定部の厚さは、0.5〜0.6mmであった。各サンプルにおいて、集電部材の固定部の全体が接合材膜に埋設されていた。従って、「高さT」は、集電部材の固定部の「厚さ」と一致する。 For each sample, a rectangular parallelepiped member made of La (Ni, Fe, Cu) O 3 was used as the base member. The porosity of the base member was 25 to 50%. As the shape of the fixing part of the current collecting member, a shape equivalent to the fixing part 310 (including six openings 312) shown in FIG. 21 was adopted. The shape (including the opening) of the fixed portion of the current collecting member was formed by wire electric discharge machining. The planar shape of the entire fixing part was a rectangle of 14 mm × 49 mm. The width H2 (mm) and length H3 (mm) of each opening, and the interval H1 (mm) between adjacent openings (see FIG. 21) were 1 mm, 43 mm, and 1 mm, respectively. The thickness of the fixed part of the current collecting member was 0.5 to 0.6 mm. In each sample, the entire fixing portion of the current collecting member was embedded in the bonding material film. Accordingly, the “height T” matches the “thickness” of the fixed portion of the current collecting member.
各サンプルについて、集電部材の固定部の「厚さ」(=「高さT」)としては、「図28に示す10本の切断線に沿う固定部のそれぞれの断面(x−z平面に平行な平面)の任意の位置において得られるそれぞれの値(10個の値)の平均値」が採用された。開口部の内側面の「道程S」としては、「図28に示す10本の切断線に沿う固定部のそれぞれの断面(x−z平面に平行な平面)に含まれる任意の開口部の任意の位置において前記断面を30倍に拡大した画像に基づいて得られるそれぞれの値(10個の値)の平均値」が採用された。厚さTに対する道程Sの調整(値S/Tの調整)は、ワイヤ放電加工における放電エネルギーを調整することによってなされた。具体的には、放電エネルギーが大きいほど、値S(従って、値「S/T」)が大きくなる。 For each sample, the “thickness” (= “height T”) of the fixing portion of the current collecting member is “each cross-section of the fixing portion along the 10 cutting lines shown in FIG. The “average value of each value (10 values) obtained at an arbitrary position on a parallel plane” was adopted. As the “path S” of the inner surface of the opening, “an arbitrary opening included in each cross section (a plane parallel to the xz plane) of the fixed portion along the 10 cutting lines shown in FIG. The average value of the respective values (10 values) obtained based on the image obtained by enlarging the cross-section 30 times at the position of is adopted. The adjustment of the path S with respect to the thickness T (adjustment of the value S / T) was made by adjusting the discharge energy in wire electric discharge machining. Specifically, the greater the discharge energy, the greater the value S (and hence the value “S / T”).
各サンプル(集電部材の固定部とベース部材との接合体)の接合は、図27に示した手順を経て行われた。図27の上図に示す接合材膜用のペーストの膜の厚さは30〜300μmであった。ペーストの焼成は、800〜1000℃(好ましくは850℃)で、1hrに亘って行われた。焼成後の接合材膜の気孔率は、20〜50%であった。各サンプルについて、図27の下図のように、固定部の底面(平面)、固定部の周縁部の外側面、及び、固定部に設けられた各開口部の内側面、のそれぞれの全域が、接合材膜(焼成膜)に覆われていた。固定部の底面とベース部材の表面との距離は0.1〜0.5mmであった。 Each sample (a joined body of the fixing portion of the current collecting member and the base member) was joined through the procedure shown in FIG. The thickness of the paste film for the bonding material film shown in the upper diagram of FIG. 27 was 30 to 300 μm. The paste was fired at 800 to 1000 ° C. (preferably 850 ° C.) for 1 hr. The porosity of the bonding material film after firing was 20 to 50%. For each sample, as shown in the lower diagram of FIG. 27, the entire area of the bottom surface (plane) of the fixed portion, the outer surface of the peripheral portion of the fixed portion, and the inner surface of each opening provided in the fixed portion, It was covered with a bonding material film (firing film). The distance between the bottom surface of the fixed part and the surface of the base member was 0.1 to 0.5 mm.
表1から理解できるように、値「S/T」が1.02より小さい、又は、1.31より大きいと、「開口部の内側面と接合材膜との界面での剥離」が発生し易く、値「S/T」が1.02〜1.31の範囲内であると、前記剥離が発生し難い、ということができる。値「S/T」が1.02より小さいと、内側面と接合材膜との接合界面におけるアンカー効果が十分に得られないため剥離が発生しやすくなるものと考えられる。また、値「S/T」が1.31よりも大きいと、内側面と接合材膜との接合界面に空隙が残りやすいため剥離が発生しやすくなるものと考えられる。以上より、値「S/T」は1.02〜1.31の範囲内であることが好ましい。なお、各サンプルにおける値「S/T」の標準偏差は、0.1以内である。 As can be understood from Table 1, when the value “S / T” is smaller than 1.02 or larger than 1.31, “peeling at the interface between the inner surface of the opening and the bonding material film” occurs. If the value “S / T” is within the range of 1.02 to 1.31, it can be said that the peeling is difficult to occur. If the value “S / T” is less than 1.02, it is considered that the anchor effect at the bonding interface between the inner surface and the bonding material film cannot be sufficiently obtained, and thus peeling easily occurs. On the other hand, if the value “S / T” is larger than 1.31, it is considered that separation tends to occur because voids are likely to remain at the bonding interface between the inner surface and the bonding material film. Accordingly, the value “S / T” is preferably in the range of 1.02 to 1.31. The standard deviation of the value “S / T” in each sample is within 0.1.
ところで、図29及び図30に示すように、開口部の内側面では、実際には、微細なうねり(凹凸)が不可避的に発生する。具体的には、断面を30倍に拡大した画像において、開口部は、接合材膜に覆われている部分において少なくとも一部がベース部材から離れるに連れて径が大きくなっている。このうねりの存在に起因して、開口部の内側面と接合材膜との界面では、図29及び図30に示すように、開口部の内側面と接合材膜とが接触しない部分が発生し得る。ここで、開口部の内側面と接合材膜との界面の「接合率」(%)を、「高さT」に対する、「開口部の断面における開口部の内側面の接合材膜に覆われる部分(図中にて、高さTに対応する範囲)に対応する線上において開口部の内側面と接合材膜とが接触している複数の部分の固定部の厚さ方向の長さの合計」の割合、とする。「接合率」は、例えば、図29及び図30に示すような断面の拡大率が30倍の画像に対して画像解析を行うことによって、その画像にて確認できる「開口部の内側面と接合材膜との接触部分、及び、非接触部分」のそれぞれの長さに基づいて算出され得る。 By the way, as shown in FIGS. 29 and 30, in actuality, fine waviness (unevenness) is inevitably generated on the inner surface of the opening. Specifically, in an image in which the cross section is enlarged 30 times, the diameter of the opening portion increases as the opening portion is separated from the base member in a portion covered with the bonding material film. Due to the presence of this undulation, at the interface between the inner surface of the opening and the bonding material film, a portion where the inner surface of the opening and the bonding material film do not contact each other is generated as shown in FIGS. obtain. Here, the “bonding rate” (%) of the interface between the inner surface of the opening and the bonding material film is covered with the bonding material film on the inner surface of the opening in the section of the opening with respect to the “height T”. The total length in the thickness direction of the fixed portions of the plurality of portions where the inner surface of the opening and the bonding material film are in contact with each other on the line corresponding to the portion (the range corresponding to the height T in the figure) ”Ratio. The “joining rate” can be confirmed, for example, by performing image analysis on an image having a cross-sectional enlargement ratio of 30 times as shown in FIGS. 29 and 30. It can be calculated based on the lengths of the “contact portion with the material film and the non-contact portion”.
本発明者は、前記「開口部の内側面と接合材膜との界面での剥離」の発生が、上記値「S/T」のみならず、上記「接合率」とも強い相関があることを見出した。以下、このことを確認した試験Bについて説明する。 The present inventor has found that the occurrence of the “peeling at the interface between the inner surface of the opening and the bonding material film” has a strong correlation not only with the value “S / T” but also with the “bonding rate”. I found it. Hereinafter, test B in which this has been confirmed will be described.
(試験B)
試験Bでは、試験Aと同様の接合体について、集電部材(の固定部)の材料、接合材膜の材料、値「S/T」、及び「接合率(%)」、の組み合わせが異なる複数のサンプルが作製された。具体的には、表2示すように、15種類の水準(組み合わせ)が準備された。各水準に対して10個のサンプル(N=10)が作製された。
(Test B)
In the test B, the combination of the material of the current collecting member (fixed part thereof), the material of the bonding material film, the value “S / T”, and the “bonding rate (%)” is different for the bonded body similar to the test A. Multiple samples were made. Specifically, as shown in Table 2, 15 types (combinations) were prepared. Ten samples (N = 10) were made for each level.
試験Bにおいて各サンプルに使用された各部材の形状、材料等は、試験Aの場合と同じである。試験Bでは、値「S/T」が1.02〜1.31の範囲内で調整された。各サンプルについて、「接合率」としては、試験Aと同様、「図28に示す10本の切断線に沿う固定部のそれぞれの断面(x−z平面に平行な平面)に含まれる任意の開口部の任意の位置において前記断面を30倍に拡大した画像に基づいて得られるそれぞれの値(10個の値)のうちの最大値」が採用された。「接合率」の調整は、接合材用のペーストの粘度を調整することによってなされる。具体的には、ペーストの粘度が小さいほど「接合率」が大きくなる。 The shape, material, etc. of each member used for each sample in Test B are the same as in Test A. In Test B, the value “S / T” was adjusted within the range of 1.02 to 1.31. As for “joining rate” for each sample, as in Test A, “arbitrary opening included in each cross section (plane parallel to the xz plane) of the fixed portion along the 10 cutting lines shown in FIG. The maximum value among the respective values (10 values) obtained based on an image obtained by enlarging the cross section 30 times at an arbitrary position of the part was adopted. The “bonding rate” is adjusted by adjusting the viscosity of the paste for the bonding material. Specifically, the “joining rate” increases as the viscosity of the paste decreases.
試験Bでは、作製された各サンプル(焼成体)に対して、過酷な熱サイクル試験(温度範囲:常温〜800℃、昇温速度:2時間、降温速度:4時間の条件で、10サイクル)が実施された。 In test B, a severe thermal cycle test (temperature range: normal temperature to 800 ° C., heating rate: 2 hours, cooling rate: 4 hours, 10 cycles) for each sample (fired body) produced. Was implemented.
表2から理解できるように、値「S/T」が1.02〜1.31の範囲内にある場合において、「接合率」が21%より小さい、又は、95%より大きいと、「開口部の内側面と接合材膜との界面での剥離」が発生し易く、「接合率」が21〜95(%)の範囲内であると、前記剥離が発生し難い、ということができる。以上より、値「S/T」が1.02〜1.31の範囲内であると前記剥離が発生し難く、更に、「接合率」が21〜95(%)の範囲内であると前記剥離がより一層発生し難くなる、ということができる。接合率が21%よりも小さいと、内側面と接合材膜との接触不足のために十分な強度が得られず剥離が発生し易くなるものと考えられる。また、「接合率」が95%よりも大きいと、接合材膜の熱膨張係数と集電部材の熱膨張係数との差の影響を強く受けるため剥離が発生しやすくなるものと考えられる。すなわち、上述した一定の割合で未接合部が存在することによって、接合時の歪を解消することができ、ひいては、内側面と接合材膜との境界での剥離が発生し難くなるものと考えられる。 As can be understood from Table 2, when the value “S / T” is in the range of 1.02 to 1.31, when the “joining rate” is less than 21% or greater than 95%, "Peeling at the interface between the inner surface of the part and the bonding material film" is likely to occur, and if the "bonding rate" is in the range of 21 to 95 (%), it can be said that the peeling is difficult to occur. From the above, when the value “S / T” is in the range of 1.02 to 1.31, the separation is difficult to occur, and further, the “joining rate” is in the range of 21 to 95 (%). It can be said that peeling is less likely to occur. If the bonding rate is less than 21%, it is considered that sufficient strength cannot be obtained due to insufficient contact between the inner surface and the bonding material film, and peeling easily occurs. Further, if the “bonding rate” is greater than 95%, it is considered that peeling is likely to occur because the influence of the difference between the thermal expansion coefficient of the bonding material film and the thermal expansion coefficient of the current collecting member is strongly influenced. That is, it is considered that the unbonded portion exists at a certain rate as described above, so that distortion at the time of bonding can be eliminated, and as a result, peeling at the boundary between the inner surface and the bonding material film is less likely to occur. It is done.
以上より、上述したスタック構造体の実施形態では、前記剥離が発生する可能性を低減する上で、隣接するセル100、100のそれぞれについて、集電部材300の固定部310とベース部材Bとの一対の接合部分の少なくとも一方において、値「S/T」が1.02〜1.31の範囲内(であり、且つ、「接合率」が21〜95(%)の範囲内)であることが好適であり、前記一対の接合部分の両方において、値「S/T」が1.02〜1.31の範囲内(であり、且つ、「接合率」が21〜95(%)の範囲内)であることがより好ましい。 As described above, in the embodiment of the stack structure described above, in order to reduce the possibility that the separation occurs, the fixing portion 310 and the base member B of the current collecting member 300 for each of the adjacent cells 100 and 100 are separated. The value “S / T” is in the range of 1.02 to 1.31 (and the “joining rate” is in the range of 21 to 95 (%)) in at least one of the pair of joint portions. And the value “S / T” is in the range of 1.02 to 1.31 (and the “joining rate” is in the range of 21 to 95 (%) in both of the pair of joint portions. More preferred).
上述した試験A、Bのそれぞれの結果は、セル100が平板状であり(ベース部材Bの表面が平面であり)、且つ、集電部材300の固定部310が平板状の場合に対応するが、セル100が円筒状であり(従って、ベース部材Bの表面が円筒面の一部であり)、且つ、集電部材300の固定部310が前記円筒面に沿う薄い曲面板状であっても、同様の結果が得られることが既に確認されている。また、上述した試験A、Bのそれぞれの結果は、集電部材300の固定部310の全体が接合材膜80に埋設された場合に対応するが、集電部材300の固定部310の下側部分のみが接合材膜80に埋設された場合であっても、同様の結果が得られることが既に確認されている。 The results of the tests A and B described above correspond to the case where the cell 100 is flat (the surface of the base member B is flat) and the fixing portion 310 of the current collecting member 300 is flat. The cell 100 has a cylindrical shape (therefore, the surface of the base member B is a part of the cylindrical surface), and the fixing portion 310 of the current collecting member 300 has a thin curved plate shape along the cylindrical surface. It has already been confirmed that similar results can be obtained. The results of the tests A and B described above correspond to the case where the entire fixing portion 310 of the current collecting member 300 is embedded in the bonding material film 80, but the lower side of the fixing portion 310 of the current collecting member 300. It has already been confirmed that the same result can be obtained even when only the portion is embedded in the bonding material film 80.
本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記実施形態では、「接合体」によって接合される対象となるSOFCセルとして「横縞型」のSOFCセル(1つのセルに複数の発電部が設けられたセル)が採用されているが、「接合体」によって接合される対象となるSOFCセルとして「縦縞型」のSOFCセルが採用されてもよい。「縦縞型」のSOFCセルは、複数のSOFCセル(1つのセルに1つの発電部が設けられたセル)がセルの厚さ方向に積層されたスタック構造を有する。 The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be employed within the scope of the present invention. For example, in the above embodiment, a “horizontal stripe type” SOFC cell (a cell in which a plurality of power generation units are provided in one cell) is employed as the SOFC cell to be joined by the “joint”. As the SOFC cell to be joined by the “joined body”, a “vertical stripe type” SOFC cell may be adopted. The “vertical stripe type” SOFC cell has a stack structure in which a plurality of SOFC cells (cells each provided with one power generation unit) are stacked in the cell thickness direction.
また、上記実施形態では、本発明に係る「接合体」として、複数のSOFCセルのスタック構造体におけるセルと集電部材との接続部分が採用されているが、本発明に係る「接合体」として、単独で存在するSOFCセルと集電部材との接続部分が採用されてもよい。 Moreover, in the said embodiment, although the connection part of the cell and current collection member in the stack structure of several SOFC cells is employ | adopted as a "joined body" concerning this invention, the "joined body" concerning this invention As an alternative, a connecting portion between the SOFC cell and the current collecting member existing alone may be employed.
また、図31に示すように、集電部材300は、コーティング膜310bを有していてもよい。具体的には、集電部材300の固定部310は、固定部本体部310aとコーティング膜310bとを有する。コーティング膜310bは、固定部本体部310aの両面を覆うとともに、固定部本体部310aの開口部の内側面312aを覆っている。この内側面312aを覆うコーティング膜310bが、固定部30の開口部312の内側面312sを画定する。コーティング膜310bは、例えば、MnCo2O4、(La、Sr)MnO3又は、ZnOなどから形成することができる。コーティング膜310bは、例えば厚さ3〜30μm程度である。 Further, as shown in FIG. 31, the current collecting member 300 may have a coating film 310b. Specifically, the fixing portion 310 of the current collecting member 300 includes a fixing portion main body portion 310a and a coating film 310b. The coating film 310b covers both surfaces of the fixed portion main body portion 310a and covers the inner side surface 312a of the opening portion of the fixed portion main body portion 310a. The coating film 310 b covering the inner side surface 312 a defines the inner side surface 312 s of the opening 312 of the fixing unit 30. The coating film 310b can be formed from, for example, MnCo 2 O 4 , (La, Sr) MnO 3, or ZnO. The coating film 310b has a thickness of about 3 to 30 μm, for example.
集電部材300がコーティング膜310bを有する場合、高さTは、コーティング膜310bと接合材膜80との境界面を基準とした高さである。すなわち、厚さ方向において、接合材膜80と固定部310との間に位置するコーティング膜310bの厚さは高さTに含まれる。なお、コーティング膜310bと接合材膜80とが同じ材質である場合は、例えば、コーティング膜310bと接合材膜80の気孔率とが異なることを利用して、コーティング膜310bと接合材膜80とを区別することができる。一般的には、コーティング膜310bの気孔率は、接合材膜80の気孔率よりも小さい。このため、気孔率の異なる位置をコーティング膜310bと接合材膜80との境界面とすることができる。例えば、気孔率が10%以上異なる位置を境界面とすることができる。 When the current collecting member 300 includes the coating film 310b, the height T is a height based on the boundary surface between the coating film 310b and the bonding material film 80. That is, in the thickness direction, the thickness of the coating film 310b positioned between the bonding material film 80 and the fixing portion 310 is included in the height T. In the case where the coating film 310b and the bonding material film 80 are made of the same material, for example, the coating film 310b and the bonding material film 80 are used by utilizing the fact that the porosity of the coating film 310b and the bonding material film 80 is different. Can be distinguished. In general, the porosity of the coating film 310 b is smaller than the porosity of the bonding material film 80. For this reason, the position where the porosity is different can be used as the boundary surface between the coating film 310b and the bonding material film 80. For example, a position where the porosity differs by 10% or more can be used as the boundary surface.
また、集電部材300がコーティング膜310bを有する場合、道程Sは、固定本体部310aの開口部の内側面312a上を覆うコーティング膜310b上における接合材膜80に覆われた部分に対応する線の道程である。 When the current collecting member 300 includes the coating film 310b, the path S corresponds to a line corresponding to a portion covered with the bonding material film 80 on the coating film 310b covering the inner side surface 312a of the opening of the fixed main body 310a. This is the path.
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…接合材膜、300…集電部材、310…固定部、312…開口部、312s…内側面、A…発電素子部、B…ベース部材
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 Material film, 300 ... current collecting member, 310 ... fixing part, 312 ... opening, 312s ... inner surface, A ... power generation element part, B ... base member
Claims (4)
板状部分を有し、金属で構成された集電部材と、
前記燃料極及び前記空気極の何れか一つ、又は、前記燃料極及び前記空気極の何れか一つと電気的に接続された電子伝導性を有する導電部材、であるベース部材と前記板状部分との間に介在する、電子伝導性を有する接合材料からなる接合材膜と、
を備え、
前記接合材膜は、前記板状部分が前記ベース部材における前記板状部分に向いた表面に沿って延在するように、且つ、前記ベース部材と前記板状部分とが電気的に接続されるように、前記ベース部材と前記板状部分とを接合し、
前記板状部分は、前記板状部分の厚さ方向に貫通する開口部を有し、
前記板状部分が前記接合材膜に埋設されることによって、前記板状部分の周縁部の外側面、及び、前記開口部の内側面は、前記接合材膜に覆われており、
前記開口部の内側面が前記接合材膜に覆われる高さ(T)に対する、前記板状部分の厚さ方向に沿う前記開口部の断面の拡大率が30倍の画像に基づいて得られる、前記開口部の内側面における前記接合材膜に覆われた部分に対応する線の道程(S)、の割合(S/T)は、1.02〜1.31である、
接合体。
A fuel cell power generation unit including a fuel electrode, an electrolyte membrane, and an air electrode;
A current collecting member having a plate-like portion and made of metal;
The base member and the plate-like portion which are any one of the fuel electrode and the air electrode, or a conductive member having electronic conductivity electrically connected to any one of the fuel electrode and the air electrode A bonding material film made of a bonding material having electronic conductivity, interposed between
With
In the bonding material film, the base member and the plate-like portion are electrically connected so that the plate-like portion extends along a surface of the base member facing the plate-like portion. And joining the base member and the plate-like part,
The plate-like portion has an opening penetrating in the thickness direction of the plate-like portion,
When the plate-like portion is embedded in the bonding material film, the outer peripheral surface of the plate-like portion and the inner side surface of the opening are covered with the bonding material film,
The magnification of the cross section of the opening along the thickness direction of the plate-like portion with respect to the height (T) at which the inner surface of the opening is covered with the bonding material film is obtained based on an image of 30 times. The ratio (S / T) of the line path (S) corresponding to the portion covered with the bonding material film on the inner surface of the opening is 1.02 to 1.31.
Joined body.
前記開口部の内側面が前記接合材膜に覆われる高さ(T)に対する、前記開口部の断面の拡大率が30倍の画像に基づいて得られる、前記開口部の内側面における前記接合材膜に覆われた部分に対応する線上において前記開口部の内側面と前記接合材膜とが接触している複数の部分の前記板状部分の厚さ方向の長さの合計、の割合である接合率は、21〜95%である、接合体。
The joined body according to claim 1,
The bonding material on the inner surface of the opening is obtained based on an image in which the enlargement ratio of the cross section of the opening is 30 times the height (T) at which the inner surface of the opening is covered with the bonding material film. It is the ratio of the total length in the thickness direction of the plate-like portion of a plurality of portions where the inner surface of the opening and the bonding material film are in contact with each other on a line corresponding to the portion covered with the film A joined body having a joining rate of 21 to 95%.
燃料極、電解質膜、及び空気極を含む燃料電池の第2発電部と、
第1板状部分、第2板状部分、及び前記第1、第2板状部分を連結する連結部、を有し、金属で構成された集電部材と、
前記第1発電部の前記燃料極及び前記空気極の何れか一つ、又は、前記第1発電部の前記燃料極及び前記空気極の何れか一つと電気的に接続された電子伝導性を有する導電部材、である第1ベース部材と前記集電部材の第1板状部分との間に介在する、電子伝導性を有する接合材料からなる第1接合材膜と、
前記第2発電部の前記燃料極及び前記空気極の何れか一つ、又は、前記第2発電部の前記燃料極及び前記空気極の何れか一つと電気的に接続された電子伝導性を有する導電部材、である第2ベース部材と前記集電部材の第2板状部分との間に介在する、電子伝導性を有する接合材料からなる第2接合材膜と、
を備え、
前記第1接合材膜は、前記第1板状部分が前記第1ベース部材における前記第1板状部分に向いた表面に沿って延在するように、且つ、前記第1ベース部材と前記第1板状部分とが電気的に接続されるように、前記第1ベース部材と前記第1板状部分とを接合し、
前記第2接合材膜は、前記第2板状部分が前記第2ベース部材における前記第2板状部分に向いた表面に沿って延在するように、且つ、前記第2ベース部材と前記第2板状部分とが電気的に接続されるように、前記第2ベース部材と前記第2板状部分とを接合し、
前記第1板状部分は、前記第1板状部分の厚さ方向に貫通する第1開口部を有し、
前記第1板状部分が前記第1接合材膜に埋設されることによって、前記第1板状部分の周縁部の外側面、及び、前記第1開口部の内側面は、前記第1接合材膜に覆われており、
前記第1開口部の内側面が前記第1接合材膜に覆われる高さ(T)に対する、前記第1板状部分の厚さ方向に沿う前記第1開口部の断面の拡大率が30倍の画像に基づいて得られる、前記第1開口部の内側面における前記第1接合材膜に覆われた部分に対応する線の道程(S)、の割合(S/T)は、1.02〜1.31であり、
前記第2板状部分は、前記第2板状部分の厚さ方向に貫通する第2開口部を有し、
前記第2板状部分が前記第2接合材膜に埋設されることによって、前記第2板状部分の周縁部の外側面、及び、前記第2開口部の内側面は、前記第2接合材膜に覆われており、
前記第2開口部の内側面が前記第2接合材膜に覆われる高さ(T)に対する、前記第2板状部分の厚さ方向に沿う前記第2開口部の断面の拡大率が30倍の画像に基づいて得られる、前記第2開口部の内側面における前記第2接合材膜に覆われた部分に対応する線の道程(S)、の割合(S/T)は、1.02〜1.31である、
接合体。
A first power generation unit of a fuel cell including a fuel electrode, an electrolyte membrane, and an air electrode;
A second power generation unit of a fuel cell including a fuel electrode, an electrolyte membrane, and an air electrode;
A first plate-like portion, a second plate-like portion, and a connecting portion for connecting the first and second plate-like portions, and a current collecting member made of metal,
Electronic conductivity electrically connected to any one of the fuel electrode and the air electrode of the first power generation unit, or one of the fuel electrode and the air electrode of the first power generation unit. A first bonding material film made of a bonding material having electronic conductivity and interposed between a first base member which is a conductive member and a first plate-like portion of the current collecting member;
Electronic conductivity electrically connected to any one of the fuel electrode and the air electrode of the second power generation unit, or any one of the fuel electrode and the air electrode of the second power generation unit. A second bonding material film made of a bonding material having electronic conductivity, interposed between the second base member, which is a conductive member, and the second plate-shaped portion of the current collecting member;
With
The first bonding material film includes the first base member and the first base member so that the first plate-like portion extends along a surface of the first base member facing the first plate-like portion. Joining the first base member and the first plate-like portion so that the one plate-like portion is electrically connected;
The second bonding material film is formed so that the second plate-shaped portion extends along a surface of the second base member facing the second plate-shaped portion, and the second base member and the second base member Joining the second base member and the second plate-like portion so that the two plate-like portions are electrically connected;
The first plate-like portion has a first opening that penetrates in the thickness direction of the first plate-like portion,
By embedding the first plate-like portion in the first bonding material film, the outer surface of the peripheral portion of the first plate-like portion and the inner surface of the first opening portion are the first bonding material. Covered with a membrane,
The magnification of the cross section of the first opening along the thickness direction of the first plate-like portion is 30 times the height (T) at which the inner surface of the first opening is covered with the first bonding material film. The ratio (S / T) of the line path (S) corresponding to the portion covered with the first bonding material film on the inner side surface of the first opening obtained based on the image of 1.02 is 1.02. ~ 1.31
The second plate-like portion has a second opening that penetrates in the thickness direction of the second plate-like portion,
Since the second plate-like portion is embedded in the second bonding material film, the outer surface of the peripheral portion of the second plate-like portion and the inner surface of the second opening portion are the second bonding material. Covered with a membrane,
The magnification of the cross section of the second opening along the thickness direction of the second plate-shaped portion is 30 times the height (T) at which the inner surface of the second opening is covered with the second bonding material film. The ratio (S / T) of the line path (S) corresponding to the portion covered with the second bonding material film on the inner surface of the second opening obtained based on the image of 1.02 is 1.02. ~ 1.31
Joined body.
前記第1開口部の内側面が前記第1接合材膜に覆われる高さ(T)に対する、前記第1開口部の断面の拡大率が30倍の画像に基づいて得られる、前記第1開口部の内側面における前記第1接合材膜に覆われた部分に対応する線上において前記第1開口部の内側面と前記第1接合材膜とが接触している複数の部分の前記第1板状部分の厚さ方向の長さの合計、の割合である第1接合率は、21〜95%であり、
前記第2開口部の内側面が前記第2接合材膜に覆われる高さ(T)に対する、前記第2開口部の断面の拡大率が30倍の画像に基づいて得られる、前記第2開口部の内側面における前記第2接合材膜に覆われた部分に対応する線上において前記第2開口部の内側面と前記第2接合材膜とが接触している複数の部分の前記第2板状部分の厚さ方向の長さの合計、の割合である第2接合率は、21〜95%である、接合体。 The joined body according to claim 3,
The first opening, which is obtained based on an image in which the magnification of the cross section of the first opening is 30 times the height (T) at which the inner surface of the first opening is covered with the first bonding material film. The first plate of a plurality of portions where the inner surface of the first opening and the first bonding material film are in contact with each other on the line corresponding to the portion covered with the first bonding material film on the inner surface of the portion The first joining rate, which is a ratio of the total length in the thickness direction of the shaped part, is 21 to 95%,
The second opening, which is obtained based on an image in which the magnification of the cross section of the second opening is 30 times the height (T) at which the inner surface of the second opening is covered with the second bonding material film. The second plate of a plurality of portions where the inner surface of the second opening and the second bonding material film are in contact with each other on the line corresponding to the portion covered with the second bonding material film on the inner surface of the portion 2nd joining rate which is the ratio of the sum total of the length of the thickness direction of a shape part is 21-95%, and is a joined body.
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