JP6039459B2 - Solid oxide fuel cell - Google Patents

Solid oxide fuel cell Download PDF

Info

Publication number
JP6039459B2
JP6039459B2 JP2013036037A JP2013036037A JP6039459B2 JP 6039459 B2 JP6039459 B2 JP 6039459B2 JP 2013036037 A JP2013036037 A JP 2013036037A JP 2013036037 A JP2013036037 A JP 2013036037A JP 6039459 B2 JP6039459 B2 JP 6039459B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
recess
fuel electrode
solid electrolyte
support substrate
embedded
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2013036037A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2014165067A (en
Inventor
真 兒井
真 兒井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kyocera Corp
Original Assignee
Kyocera Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kyocera Corp filed Critical Kyocera Corp
Priority to JP2013036037A priority Critical patent/JP6039459B2/en
Publication of JP2014165067A publication Critical patent/JP2014165067A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6039459B2 publication Critical patent/JP6039459B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

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

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池セルに関するものである。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell.

従来、ガス流路が内部に形成された平板状の多孔質の支持基板と、この平板状の支持基板の主面における互いに離れた複数の箇所にそれぞれ設けられた複数の発電素子部と、隣り合う発電素子部の一方の燃料極と他方の空気極とを電気的に接続する電気的接続部と、平板状の支持基板の主面における複数の箇所に、底壁と周方向に閉じた側壁とを有する第1凹部がそれぞれ形成され、該各第1凹部に、対応する発電素子部の燃料極集電部がそれぞれ埋設された固体酸化物形燃料電池セルが知られている(例えば、特許文献1参照)。   Conventionally, a flat porous support substrate having a gas flow path formed therein, and a plurality of power generating element portions respectively provided at a plurality of locations separated from each other on the main surface of the flat support substrate, An electrical connection part that electrically connects one fuel electrode and the other air electrode of the matching power generation element part, and a bottom wall and a side wall closed in the circumferential direction at a plurality of locations on the main surface of the flat support substrate There are known solid oxide fuel cells in which first electrode recesses are formed, and in each of the first recesses, a fuel electrode current collector of a corresponding power generation element unit is embedded (for example, a patent) Reference 1).

この特許文献1では、燃料極集電部の外側面に第2凹部が形成され、この第2凹部に電気的接続部が埋設され、さらに燃料極集電部の外側面に形成された第3凹部に燃料極活性部が埋設されており、燃料極活性部の表面に形成された固体電解質が電気的接続部の表面まで延設され、固体電解質と電気的接続部とで、燃料極側に供給された燃料ガスと、空気極側に供給された空気との混合を防止していた。   In Patent Document 1, a second recess is formed on the outer surface of the fuel electrode current collector, an electrical connection is embedded in the second recess, and a third electrode formed on the outer surface of the fuel electrode current collector. The fuel electrode active part is embedded in the recess, and the solid electrolyte formed on the surface of the fuel electrode active part extends to the surface of the electrical connection part. The solid electrolyte and the electrical connection part are connected to the fuel electrode side. Mixing of the supplied fuel gas and the air supplied to the air electrode side was prevented.

特開2012−38718号公報JP 2012-38718 A

しかしながら、上記した特許文献1では、燃料極活性部の表面に形成された固体電解質を電気的接続部の表面まで延設して接続し、ガスシールしていたため、固体電解質を薄くして発電素子部の発電性能を向上させようとすると、薄い固体電解質にクラック等が入りやすく、ガスシール性能が低下し、逆にガスシール性能を向上すべく、固体電解質の厚みを厚くすると、発電素子部の発電性能が低下するという問題があった。   However, in Patent Document 1 described above, the solid electrolyte formed on the surface of the fuel electrode active portion extends to the surface of the electrical connection portion and is connected and gas-sealed. When trying to improve the power generation performance of the part, cracks etc. are likely to enter the thin solid electrolyte, the gas seal performance is lowered, and conversely, if the thickness of the solid electrolyte is increased to improve the gas seal performance, There was a problem that the power generation performance deteriorated.

本発明は、発電性能を向上できるとともに、ガスシール性能を向上できる固体酸化物形燃料電池セルを提供することを目的とする。   It is an object of the present invention to provide a solid oxide fuel cell that can improve power generation performance and gas sealing performance.

本発明の固体酸化物形燃料電池セルは、ガス流路が内部に形成された平板状の多孔質の支持基板と、該平板状の支持基板の主面における互いに離れた複数の箇所にそれぞれ設けられ、少なくとも燃料極、固体電解質および空気極が積層されてなる複数の発電素子部と、隣り合う前記発電素子部の間にそれぞれ設けられ、一方の前記発電素子部の燃料極と他方の前記発電素子部の空気極とを電気的に接続する電気的接続部とを備えるとともに、前記支持基板の主面における前記複数の箇所に、底壁と周方向に閉じた側壁とを有する第1凹部がそれぞれ設けられ、該各第1凹部に、対応する前記発電素子部の燃料極の集電部がそれぞれ埋設され、前記第1凹部に埋設された燃料極集電部の外側面に形成された第2凹部に、前記燃料極集電部に対してイオン伝導性を有する物質の含有割合が多い燃料極活性部の上面に前記固体電解質が積層されて埋設され、前記第1凹部に埋設された燃料極集電部の前記第2凹部が形成された位置と異なる位置の外側面に形成された第3凹部に、前記電気的接続部が埋設され、前記支持基板の外側面に、前記電気的接続部の外側面と前記固体電解質の外側面とに掛け渡すようにガスシール層が設けられていることを特徴とする。
The solid oxide fuel cell of the present invention is provided in a flat porous support substrate having a gas flow path formed therein, and at a plurality of locations separated from each other on the main surface of the flat support substrate. A plurality of power generation element units each formed by laminating at least a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode and the adjacent power generation element units, and the fuel electrode of one power generation element unit and the other power generation unit An electrical connection portion that electrically connects the air electrode of the element portion, and a first recess having a bottom wall and a side wall closed in the circumferential direction at the plurality of locations on the main surface of the support substrate. respectively provided on respective first recess, the collector portion of the corresponding power generating element of the fuel electrode is embedded respectively, formed on the outer surface of the fuel electrode current collector embedded in the first recess 2 With respect to the fuel electrode current collector Ion the solid electrolyte on the upper surface of the content is often anode active portion of the material having conductivity is embedded is laminated, the second recess of the anode current collector embedded in the first recess is formed The electrical connection portion is embedded in a third recess formed on the outer surface at a position different from the position, and the outer surface of the support substrate includes an outer surface of the electrical connection portion and an outer surface of the solid electrolyte. A gas seal layer is provided so as to be spanned.

また、本発明の固体酸化物形燃料電池セルは、ガス流路が内部に形成された平板状の多孔質の支持基板と、該平板状の支持基板の主面における互いに離れた複数の箇所にそれぞれ設けられ、少なくとも燃料極、固体電解質および空気極が積層されてなる複数の発電素子部と、隣り合う前記発電素子部の間にそれぞれ設けられ、一方の前記発電素子部の燃料極と他方の前記発電素子部の空気極とを電気的に接続する電気的接続部とを備えるとともに、前記支持基板の主面における前記複数の箇所に、底壁と周方向に閉じた側壁とを有する第1凹部がそれぞれ設けられ、該各第1凹部に、対応する前記発電素子部の燃料極の集電部がそれぞれ埋設され、前記第1凹部に埋設された燃料極集電部の外側面に形成された第2凹部に、前記燃料極集電部に対してイオン伝導性を有する物質の含有割合が多い燃料極活性部が埋設され、前記第1凹部に埋設された燃料極集電部の前記第2凹部が形成された位置と異なる位置の外側面に形成された第3凹部に、前記電気的接続部が埋設され、前記第2凹部に埋設された燃料極活性部の外側面に形成された第4凹部に前記固体電解質が埋設され、前記支持基板の外側面に、前記電気的接続部の外側面と前記固体電解質の外側面とに掛け渡すようにガスシール層が設けられていることを特徴とする。 Further, the solid oxide fuel cell of the present invention includes a flat porous support substrate having a gas flow path formed therein, and a plurality of locations separated from each other on the main surface of the flat support substrate. Provided between each of the plurality of power generation element portions, each of which is formed by laminating at least a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode, and the adjacent power generation element portion, and the fuel electrode of one power generation element portion and the other An electrical connection portion that electrically connects the air electrode of the power generation element portion, and a first wall having a bottom wall and a side wall closed in the circumferential direction at the plurality of locations on the main surface of the support substrate. recesses are provided respectively on the respective first recess, is embedded collector portion of the corresponding power generating element of the fuel electrode, respectively, are formed on the outer surface of the fuel electrode current collector embedded in the first recess In the second recess, the fuel electrode current collector On the other hand, the outer surface of the fuel electrode active part with a high content ratio of the substance having ion conductivity is embedded, and the outer surface of the fuel electrode current collector embedded in the first recess is different from the position where the second recess is formed. The electrical connection portion is embedded in the third recess formed in the second recess, and the solid electrolyte is embedded in the fourth recess formed in the outer surface of the fuel electrode active portion embedded in the second recess. A gas seal layer is provided on the outer surface of the substrate so as to span the outer surface of the electrical connection portion and the outer surface of the solid electrolyte.

本発明の固体酸化物形燃料電池セルは、固体電解質を燃料極集電部の第2凹部、または燃料極活性部の第4凹部に埋設したので、固体電解質を薄く形成することができ、発電素子部の発電性能を向上できるとともに、支持基板の外側面と、固体電解質の外側面と、燃料極集電部に埋設された電気的接続部の外側面とを、段差の殆どない面とすることが可能となり、支持基板の外側面に、電気的接続部の外側面と固体電解質の外側面とに掛け渡すように設けられたガスシール層によるガスシール性能を向上できる。   In the solid oxide fuel cell according to the present invention, since the solid electrolyte is embedded in the second recess of the fuel electrode current collector or the fourth recess of the fuel electrode active part, the solid electrolyte can be formed thinly. The power generation performance of the element portion can be improved, and the outer surface of the support substrate, the outer surface of the solid electrolyte, and the outer surface of the electrical connection portion embedded in the fuel electrode current collector are made to have almost no steps. It is possible to improve the gas sealing performance of the gas sealing layer provided on the outer surface of the support substrate so as to span the outer surface of the electrical connection portion and the outer surface of the solid electrolyte.

(a)は固体酸化物形燃料電池セルを示す斜視図、(b)は凹部内に燃料極、インターコネクタが埋設された状態を示す平面図である。(A) is a perspective view which shows a solid oxide fuel cell, (b) is a top view which shows the state by which the fuel electrode and the interconnector were embed | buried in the recessed part. (a)は図1(a)に示す固体酸化物形燃料電池セルの2−2線に対応する断面図、(b)は第1凹部およびその近傍を示す断面図である。(A) is sectional drawing corresponding to the 2-2 line of the solid oxide fuel cell shown in FIG. 1 (a), (b) is sectional drawing which shows a 1st recessed part and its vicinity. 図1に示す固体酸化物形燃料電池セルの作動状態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the operating state of the solid oxide fuel cell shown in FIG. 図1に示す支持基板を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the support substrate shown in FIG. (a)は図4の7−7線に対応する断面図、(b)は凹部内に各層を形成した状態を示す断面図である。(A) is sectional drawing corresponding to the 7-7 line | wire of FIG. 4, (b) is sectional drawing which shows the state which formed each layer in the recessed part. (a)は燃料極活性部の第4凹部に固体電解質を埋設した状態を示す断面図、(b)は、固体電解質の外周部が燃料極の活性部の外周からはみ出るように、固体電解質が燃料極の活性部に積層されている状態を示す断面図である。(A) is sectional drawing which shows the state which embedded the solid electrolyte in the 4th recessed part of a fuel electrode active part, (b) is solid electrolyte so that the outer peripheral part of a solid electrolyte may protrude from the outer periphery of the active part of a fuel electrode. It is sectional drawing which shows the state laminated | stacked on the active part of the fuel electrode.

図1(a)は、本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池セル(以下、セルということがある)を示すもので、このセルは、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(本形態では、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」と呼ばれる構造を有している。   FIG. 1A shows a solid oxide fuel cell (hereinafter also referred to as a cell) according to an embodiment of the present invention. This cell has a flat plate shape having a longitudinal direction (x-axis direction). A plurality of (four in this embodiment) identical power generation element portions A electrically connected in series to the upper and lower surfaces (main surfaces (planes) on both sides parallel to each other) of the support substrate 10 in the longitudinal direction 1 have a structure called a “horizontal stripe type” arranged at a predetermined interval.

このセルを上方からみた形状は、例えば、長手方向の辺の長さが5〜50cmで、長手方向に直交する幅方向(y軸方向)の長さが1〜10cmの長方形である。このセルの厚さは、1〜5mmである。このセルは、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(a)に加えて、このセルの図1(a)に示す2−2線に対応する部分断面図である図2(a)を参照しながら、このセルの詳細について説明する。図2(a)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(a)に示す構成と同様である。
The shape of the cell viewed from above is, for example, a rectangle having a side length of 5 to 50 cm in the longitudinal direction and a length in the width direction (y-axis direction) orthogonal to the longitudinal direction of 1 to 10 cm. The thickness of this cell is 1-5 mm. This cell 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. 1A, details of this cell will be described with reference to FIG. 2A which is a partial sectional view corresponding to line 2-2 shown in FIG. 1A of this cell. . FIG. 2A 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 of the 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(絶縁性)多孔質の材料からなる平板状の焼成体である。支持基板10の内部には、長手方向に延びる複数(本形態では、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。本形態では、支持基板10の主面における複数の箇所に、それぞれ第1凹部12が形成されており、各第1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 electron conductivity (insulating). Inside the support substrate 10, a plurality (six in this embodiment) of fuel gas passages 11 (through holes) extending in the longitudinal direction are formed at predetermined intervals in the width direction. In the present embodiment, first recesses 12 are formed at a plurality of locations on the main surface of the support substrate 10, and each first recess 12 extends over the entire circumference of the bottom wall made of the material of the support substrate 10. It is a rectangular parallelepiped depression defined by circumferentially closed side walls (two side walls along the longitudinal direction and two side walls along the width direction) made of the material of the support substrate 10.

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、「MgAl(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)、Y(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)に形成された各第1凹部12内には、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、第2凹部21aが形成されている。各第2凹部21aは、図1(b)に示すように、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 FIG. 2, the entire fuel electrode current collector 21 is embedded (filled) in each first 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 second recess 21 a is formed on the upper surface (outer surface) of each fuel electrode current collector 21. As shown in FIG. 1B, each of the second recesses 21a has a bottom wall made of the material of the fuel electrode current collector 21, a side wall closed in the circumferential direction (two side walls along the longitudinal direction, and a width direction). A rectangular parallelepiped depression defined by two side walls). 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.

各第2凹部21aには、燃料極活性部22の全体が埋設(充填)され、さらに固体電解質41の全体が埋設(充填)され、燃料極活性部22の上面に固体電解質41が積層されている。従って、各燃料極活性部22、固体電解質41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、固体電解質41の幅方向に沿う2つの側面は、第2凹部21a内で燃料極集電部21と接触している。   Each of the second recesses 21 a is filled (filled) with the entire fuel electrode active portion 22, and further filled (filled) with the entire solid electrolyte 41, and the solid electrolyte 41 is laminated on the upper surface of the fuel electrode active portion 22. Yes. Therefore, each fuel electrode active part 22 and the solid electrolyte 41 have 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. Two side surfaces along the width direction of each anode active portion 22 and solid electrolyte 41 are in contact with the anode current collector 21 in the second recess 21a.

各燃料極集電部21の上面(外側面)における第2凹部21aを除いた部分には、第3凹部21bが形成されている。各第3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。なお、図1(b)では、第2凹部21a内の燃料極活性部22に固体電解質41が積層されることになる。   A third recess 21b is formed in the upper surface (outer surface) of each fuel electrode current collector 21 except for the second recess 21a. Each of the third recesses 21b is defined by a bottom wall made of the material of the anode 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 rectangular parallelepiped 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. In FIG. 1B, the solid electrolyte 41 is laminated on the anode active portion 22 in the second recess 21a.

各第3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 third 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.

固体電解質41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。すなわち、固体電解質41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。   One upper surface (outer surface) of the solid electrolyte 41, upper surface (outer surface) of the interconnector 30, and main surface of the support substrate 10, one flat surface (main surface of the support substrate 10 when the recess 12 is not formed) The same plane). That is, no step is formed between the upper surface of the solid electrolyte 41, 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(イットリア安定化ジルコニア)とから構成され得る。あるいは、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(イットリア安定化ジルコニア)とから構成され得る。あるいは、NiO(酸化ニッケル)とY(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(すなわち、第1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 (yttria stabilized zirconia). Or you may be comprised 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 (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 first 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化性イオン(酸素イオン)伝導性を有する物質とを含んで構成される。燃料極活性部22における「気孔部分を除いた全体積に対する酸化性イオン伝導性を有する物質の体積割合」は、燃料極集電部21における「気孔部分を除いた全体積に対する酸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 oxidative ion (oxygen ion) conductivity. The “volume ratio of the substance having oxidative ion conductivity relative to the total volume excluding the pore portion” in the anode active portion 22 is “the oxidative ion conductivity relative to the entire volume excluding the pore portion” in the anode current collecting portion 21. Greater than the volume fraction of the substance having

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

燃料極20がそれぞれの第1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と、固体電解質41の長手方向中央部とを除いた全面は、ガスシール層40により覆われている。固体電解質41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41は、例えば、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)から構成され得る。あるいは、LSGM(ランタンガレート)から構成されてもよい。固体電解質41の厚さは、3〜50μmである。   On the 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 of the first recesses 12, the central portion in the longitudinal direction of each portion where the plurality of interconnectors 30 are formed, and the solid electrolyte 41 The entire surface excluding the central portion in the longitudinal direction is covered with a gas seal layer 40. The solid electrolyte 41 is a fired body made of a dense material having ionic conductivity and no electronic conductivity. The solid electrolyte 41 can be composed of, for example, YSZ (yttria stabilized zirconia). Or you may comprise from LSGM (lantern gallate). The thickness of the solid electrolyte 41 is 3 to 50 μm.

ガスシール層40は、電気絶縁性の緻密な材料からなる焼成体である。ガスシール層40は、例えば、絶縁性セラミックスを主体としておりMgO(酸化マグネシウム)、MgAl(マグネシアスピネル)が好適である。またCSZ、3YSZ、Y(イ
ットリア)、TiOなどが使用されてもよい。厚さは、20〜100μmが望ましく、
固体電解質41の厚さよりも厚く形成されている。
The gas seal layer 40 is a fired body made of an electrically insulating dense material. For example, the gas seal layer 40 is mainly made of insulating ceramics, and MgO (magnesium oxide) and MgAl 2 O 4 (magnesia spinel) are suitable. Also, CSZ, 3YSZ, Y 2 O 3 (yttria), TiO 2 or the like may be used. The thickness is desirably 20 to 100 μm,
It is formed thicker than the thickness of the solid electrolyte 41.

すなわち、燃料極20がそれぞれの凹部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41と、ガスシール層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 is covered with a dense layer composed of the interconnector 30, the solid electrolyte 41, and the gas seal layer 40. It has been broken. 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、本形態では、ガスシール層40が、固体電解質41の上面における長手方向の両側端部、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、および支持基板10の主面を覆っている。ここで、上述したように、固体電解質41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、ガスシール層40が平坦化されている。この結果、ガスシール層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ガスシール層40でのクラックの発生が抑制され得、ガスシール層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 embodiment, the gas seal layer 40 includes both longitudinal end portions on the upper surface of the solid electrolyte 41, both longitudinal end portions on the upper surface of the interconnector 30, and the support substrate 10. Covers the main surface. Here, as described above, no step is formed between the upper surface of the solid electrolyte 41, the upper surface of the interconnector 30, and the main surface of the support substrate 10. Therefore, the gas seal layer 40 is flattened. As a result, compared with the case where a step is formed in the gas seal layer 40, the generation of cracks in the gas seal layer 40 due to stress concentration can be suppressed, and the gas seal function of the gas seal layer 40 can be reduced. Can be suppressed.

また、固体電解質41とは別個にガスシール層40を設けたので、固体電解質41、ガスシール層40の厚みをそれぞれ別個に制御することができ、固体電解質41の厚みを薄く、ガスシール層40の厚みを厚くでき、発電性能を向上できるとともに、ガスシール層40によるガスシール性を向上できる。   Further, since the gas seal layer 40 is provided separately from the solid electrolyte 41, the thickness of the solid electrolyte 41 and the gas seal layer 40 can be controlled separately, and the thickness of the solid electrolyte 41 is reduced, and the gas seal layer 40 is reduced. As a result, the power generation performance can be improved and the gas sealing performance by the gas sealing layer 40 can be improved.

固体電解質41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および空気極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 the solid electrolyte 41 through 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)O(ガドリニウムドープセリア)から構成され得る。反応防止膜50の厚さは、3〜50μmである。空気極60は、例えば、LSCF=(La,Sr)(Co,Fe)O(ランタンストロンチウムコバルトフェライト)から構成され得る。あるいは、LSF=(La,Sr)FeO(ランタンストロンチウムフェライト)、LNF=La(Ni,Fe)O(ランタンニッケルフェライト)、LSC=(La,Sr)CoO(ランタンストロンチウムコバルタイト)等から構成されてもよい。また、空気極60は、LSCFからなる第1層(内側層)とLSCからなる第2層(外側層)との2層によって構成されてもよい。空気極60の厚さは、10〜100μmである。 The reaction preventing film 50 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、セル作製時又は作動中のセル内において固体電解質41内のYSZと空気極60内のSrとが反応して固体電解質41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 41 reacts with the Sr in the air electrode 60 in the cell at the time of manufacturing the cell or in operation, and the solid electrolyte 41 and the air electrode 60 This is to suppress the occurrence of a phenomenon in which a reaction layer having a large electric resistance is formed at the interface.

ここで、燃料極20と、固体電解質41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)。すなわち、支持基板10の上面には、複数(本形態では、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 41, the reaction preventing film 50, and the air electrode 60 corresponds to the “power generation element portion A” (see FIG. 2). That is, on the upper surface of the support substrate 10, a plurality (four in this embodiment) of power generation element portions A are arranged at predetermined intervals in the longitudinal direction.

隣り合う発電素子部A、Aについて、他方の(図2(a)では、左側の)発電素子部Aの空気極60と、一方の(図2(a)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、ガスシール層40およ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。   Regarding the adjacent power generation element portions A and A, the air electrode 60 of the other power generation element portion A (on the left side in FIG. 2A) and one power generation element portion A (on the right side in FIG. 2A). An air electrode current collecting film 70 is formed on the air electrode 60, the gas seal layer 40, and the upper surface of the interconnector 30 so as to straddle the interconnector 30. The air electrode current collector film 70 is a fired body made of a porous material having electron conductivity. The shape of the air electrode current collector film 70 as viewed from above is a rectangle.

空気極集電膜70は、例えば、LSCF=(La,Sr)(Co,Fe)O(ランタンストロンチウムコバルトフェライト)から構成され得る。あるいは、LSC=(La,Sr)CoO(ランタンストロンチウムコバルタイト)から構成されてもよい。あるいは、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, it may be composed of LSC = (La, Sr) CoO 3 (lanthanum strontium cobaltite). 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、隣り合う発電素子部A、Aについて、他方の(図2(a)では、左側の)発電素子部Aの空気極60と、一方の(図2(a)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およびインターコネクタ30」を介して電気的に接続される。   By forming each air electrode current collecting film 70 in this way, the air electrode 60 of the other power generation element part A (on the left side in FIG. 2A) for the adjacent power generation element parts A and A, One (on the right side in FIG. 2 (a)) the fuel electrode 20 (particularly the fuel electrode current collector 21) of the power generating element part A is electronically conductive. ”Is electrically connected.

この結果、支持基板10の上面に配置されている複数(本形態では、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およびインターコネクタ30」が、「電気的接続部」に対応する。   As a result, a plurality (four in this embodiment) of power generating element portions A arranged on the upper surface of the support substrate 10 are electrically connected in series. Here, “air electrode current collector film 70 and interconnector 30” having electronic conductivity corresponds to “electrical connection portion”.

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

以上、説明した「横縞型」のセルに対して、図3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(あるいは、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41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)。   As described above, as shown in FIG. 3, the fuel gas (hydrogen gas or the like) flows through the fuel gas passage 11 of the support substrate 10 and the upper and lower surfaces of the support substrate 10 ( In particular, by exposing each air electrode current collector 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), both sides of the solid electrolyte 41 are provided. An electromotive force is generated by an oxygen partial pressure difference generated between the surfaces. 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+2e→O2−(於:空気極60) …(1)
+O2−→HO+2e
(於:燃料極20) …(2)
発電状態においては、図2(a)に示すように、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、セル全体から(具体的には、図3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。
(1/2) · O 2 + 2e → O 2− (where: air electrode 60) (1)
H 2 + O 2− → H 2 O + 2e
(At: Fuel electrode 20) (2)
In the power generation state, as shown in FIG. 2A, the current flows as indicated by the arrows in the adjacent power generation element portions A and A. As a result, electric power is extracted from the entire cell (specifically, via the interconnector 30 of the power generating element portion A on the frontmost side and the air electrode 60 of the power generating element portion A on the farthest side in FIG. 3).

(製造方法)
次に、図1に示した「横縞型」のセルの製造方法の一例について図4〜図5を参照しながら簡単に説明する。図4〜図5において、各部材の符号の末尾の「g」は、その部材が「焼成前」であることを表す。
(Production method)
Next, an example of a manufacturing method of the “horizontal stripe type” cell shown in FIG. 1 will be briefly described with reference to FIGS. 4 to 5, “g” at the end of the reference numeral of each member indicates that the member is “before firing”.

先ず、図4に示す形状を有する支持基板の成形体10gを作製する。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、NiO+MgO+MgAl)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する。 First, a support substrate molded body 10g having the shape shown in FIG. 4 is prepared. This support substrate molded body 10g uses, for example, a method such as extrusion molding or cutting using a slurry obtained by adding a binder or the like to the powder of the material of the support substrate 10 (for example, NiO + MgO + MgAl 2 O 4 ). To make.

次に、図5に示すように、各第1凹部内に、燃料極集電部の成形体21gをそれぞれ埋設・形成する。次いで、各燃料極集電部の成形体21gの外側面に形成された各第2凹部に、燃料極活性部の成形体22g、固体電解質41の成形膜41gをそれぞれ埋設・形成
する。また、各燃料極集電部の成形体21g、および各燃料極活性部の成形体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・形成する。
Next, as shown in FIG. 5, a molded body 21 g of the fuel electrode current collector is embedded and formed in each first recess. Next, a molded body 22g of the fuel electrode active part and a molded film 41g of the solid electrolyte 41 are embedded and formed in each second recess formed on 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 the molded body 22g of each fuel electrode active part are obtained, for example, by adding a binder or the like to the powder of the material of the fuel electrode 20 (for example, Ni and YSZ). The slurry is embedded and formed using a printing method or the like.

固体電解質の成形膜41gは、例えば、固体電解質41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する。   The solid electrolyte molding film 41g is formed by using a slurry obtained by adding a binder or the like to a powder of the material of the solid electrolyte 41 (for example, YSZ), using a printing method, a dipping method, or the like.

続いて、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、固体電解質の成形膜41gが埋設された部分を除いた部分」に形成された各第3凹部に、インターコネクタの成形体30gをそれぞれ埋設・形成する。各インターコネクタの成形体30gは、例えば、インターコネクタ30の材料(例えば、LaCrO)の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して埋設・形成する。 Subsequently, each third electrode formed on the outer surface of the molded body 21g of each fuel electrode current collector section “excluding the section where the molded body 22g of the fuel electrode active section and the solid electrolyte molded film 41g are embedded”. The interconnector molded bodies 30g are respectively embedded and formed in the recesses. The molded body 30g of each interconnector is embedded and formed 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、複数の燃料極の成形体(21g+22g)、固体電解質の成形膜41gおよ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、および固体電解質の成形体41gの長手方向中央部を除いた全面に、ガスシール層の成形膜を形成する。   Next, the outer circumference extending in the longitudinal direction of the molded body 10g of the support substrate in a state where the molded body of the plurality of fuel electrodes (21g + 22g), the molded film 41g of the solid electrolyte, and the molded body 30g of the plurality of interconnectors are respectively embedded and formed. On the surface, a molded film of the gas seal layer 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 and the central portion in the longitudinal direction of the solid electrolyte molded body 41g. .

ガスシール層の成形膜は、例えば、ガスシール層40の材料(例えば、NiO+MgO+MgAl)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する。 The molded film of the gas seal layer is obtained by using a slurry obtained by adding a binder or the like to the powder of the material of the gas seal layer 40 (for example, NiO + MgO + MgAl 2 O 4 ), using a printing method, a dipping method, or the like. Form.

次に、固体電解質の成形体41gの外側面に、反応防止膜の成形膜を形成する。各反応防止膜の成形膜は、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する。   Next, a molded film of a reaction preventing film is formed on the outer surface of the solid electrolyte molded body 41g. The molded film of each reaction prevention film is formed using a slurry obtained by adding a binder or the like to the powder of the material of the reaction prevention film 50 (for example, GDC), 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を、例えば、空気中にて1500℃で3時間焼成する。これにより、図1に示したセルにおいて空気極60および空気極集電膜70が形成されていない状態の構造体を得る。   Then, 10 g of the support substrate molded body in which various molded films are thus formed is fired at 1500 ° C. for 3 hours in air, for example. Thereby, the structure in a state where the air electrode 60 and the air electrode current collector film 70 are not formed in the cell shown in FIG. 1 is obtained.

次に、各反応防止膜50の外側面に、空気極の成形膜を形成する。各空気極の成形膜は、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する。   Next, an air electrode forming film is formed on the outer surface of each reaction preventing film 50. The molded film 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、隣り合う発電素子部Aについて、他方の発電素子部Aの空気極60の成形膜と、一方の発電素子部Aのインターコネクタ30とを跨ぐように、空気極集電膜の成形膜を形成する。各空気極集電膜の成形膜は、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する。   Next, with respect to the adjacent power generation element part A, the molded film of the air electrode current collector film so as to straddle the molding film of the air electrode 60 of the other power generation element part A and the interconnector 30 of the one power generation element part A. Form. The molded film of each air electrode current collector film is formed 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. To do.

そして、このように成形膜が形成された状態の支持基板10を、例えば、空気中にて1050℃で3時間焼成する。これにより、図1に示したセルを得る。   And the support substrate 10 in the state in which the molded film is formed in this way is baked, for example, in air at 1050 ° C. for 3 hours. As a result, the cell shown in FIG. 1 is obtained.

(作用・効果)
上記形態のセルでは、ガスシール層40が、固体電解質41の外側面における長手方向の両側端部、インターコネクタ30の外側面における長手方向の両側端部、および支持基板10の主面を覆っている。ここで、固体電解質41の外側面とインターコネクタ30の
外側面と支持基板10の主面との間で段差が形成されていない。従って、ガスシール層40が平坦化されている。この結果、ガスシール層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ガスシール層40でのクラックの発生が抑制され得、ガスシール層40が有するガスシール機能の低下が抑制され得る。さらに、固体電解質41とは別個にガスシール層40を設けたため、固体電解質41の厚みを薄くすると同時に、ガスシール層40の厚みを厚くすることができ、発電性能を向上できるとともに、ガスシール性能を向上できる。
(Action / Effect)
In the cell of the above form, the gas seal layer 40 covers both longitudinal end portions of the outer surface of the solid electrolyte 41, both longitudinal end portions of the outer surface of the interconnector 30, and the main surface of the support substrate 10. Yes. Here, no step is formed between the outer surface of the solid electrolyte 41, the outer surface of the interconnector 30, and the main surface of the support substrate 10. Therefore, the gas seal layer 40 is flattened. As a result, compared with the case where a step is formed in the gas seal layer 40, the generation of cracks in the gas seal layer 40 due to stress concentration can be suppressed, and the gas seal function of the gas seal layer 40 can be reduced. Can be suppressed. Furthermore, since the gas seal layer 40 is provided separately from the solid electrolyte 41, the thickness of the solid electrolyte 41 can be reduced, and at the same time the thickness of the gas seal layer 40 can be increased, and the power generation performance can be improved and the gas seal performance can be improved. Can be improved.

また、支持基板10の上下面に形成されている、燃料極20(燃料極集電部21)を埋設するための複数の第1凹部12のそれぞれが、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を有している。換言すれば、支持基板10において各第1凹部12を囲む枠体がそれぞれ形成されている。従って、この構造体は、支持基板10が外力を受けた場合に変形し難い。   Further, each of the plurality of first recesses 12 embedded in the upper and lower surfaces of the support substrate 10 for embedding the fuel electrode 20 (fuel electrode current collector 21) is made of the material of the support substrate 10 over the entire circumference. It has a side wall closed in the circumferential direction. In other words, a frame surrounding each first recess 12 is formed on the support substrate 10. Therefore, this structure is not easily deformed when the support substrate 10 receives an external force.

また、支持基板10の各凹部内に燃料極20(燃料極集電部21+燃料極活性部22)およびインターコネクタ30等の部材が隙間なく充填・埋設された状態で、支持基板10と前記埋設された部材とが共焼結される。従って、部材間の接合性が高く且つ信頼性の高い焼結体が得られる。   Further, the support substrate 10 and the embedded structure are filled and embedded in the respective recesses of the support substrate 10 such as the fuel electrode 20 (the fuel electrode current collector 21 + the fuel electrode active part 22) and the interconnector 30 without any gaps. The formed member is co-sintered. Therefore, a sintered body having high bondability between members and high reliability can be obtained.

また、上記実施形態では、平板状の支持基板10の上下面のそれぞれに、複数の発電素子部Aが設けられている。これにより、支持基板の片側面のみに複数の発電素子部が設けられる場合に比して、構造体中における発電素子部の数を多くでき、燃料電池の発電出力を高めることができる。   Further, in the above-described embodiment, a plurality of power generation element portions A are provided on each of the upper and lower surfaces of the flat support substrate 10. Thereby, compared with the case where a plurality of power generation element portions are provided only on one side surface of the support substrate, the number of power generation element portions in the structure can be increased, and the power generation output of the fuel cell can be increased.

なお、本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記実施形態では、図4等に示すように、支持基板10に形成された第1凹部12の平面形状(支持基板10の主面に垂直の方向からみた場合の形状)が、長方形になっているが、例えば、正方形、円形、楕円形、長穴形状等であってもよい。   In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various modification can be employ | adopted within the scope of the present invention. For example, in the above embodiment, as shown in FIG. 4 and the like, the planar shape of the first recess 12 formed in the support substrate 10 (the shape when viewed from the direction perpendicular to the main surface of the support substrate 10) is rectangular. However, it may be, for example, a square, a circle, an ellipse, or a long hole shape.

また、上記実施形態においては、平板状の支持基板10の上下面のそれぞれに複数の第1凹部12が形成され且つ複数の発電素子部Aが設けられているが、支持基板10の片側面のみに複数の第1凹部12が形成され且つ複数の発電素子部Aが設けられていてもよい。   Further, in the above embodiment, a plurality of first recesses 12 are formed on each of the upper and lower surfaces of the flat support substrate 10 and a plurality of power generating element portions A are provided, but only one side of the support substrate 10 is provided. A plurality of first recesses 12 may be formed and a plurality of power generation element portions A may be provided.

さらに、上記形態では、第2凹部21a内に燃料極集電部21と固体電解質41を埋設したが、第2凹部21a内に燃料極集電部21、固体電解質41および反応防止層50を埋設しても良い。この場合には、さらにガスシール層40が平坦化され、ガスシール層40が有するガスシール性能を向上できる。   Further, in the above embodiment, the fuel electrode current collector 21 and the solid electrolyte 41 are embedded in the second recess 21a. However, the fuel electrode current collector 21, the solid electrolyte 41, and the reaction preventing layer 50 are embedded in the second recess 21a. You may do it. In this case, the gas seal layer 40 is further flattened, and the gas seal performance of the gas seal layer 40 can be improved.

図6(a)は、他の形態を示すもので、この形態では、第2凹部21aに埋設された燃料極活性部22の外側面に形成された第4凹部45に、固体電解質41が埋設され、支持基板10の外側面に、インターコネクタ30の一部外側面と固体電解質41の一部外側面とに掛け渡すようにガスシール層40が設けられている。   FIG. 6A shows another embodiment. In this embodiment, the solid electrolyte 41 is embedded in the fourth recess 45 formed on the outer surface of the anode active portion 22 embedded in the second recess 21a. A gas seal layer 40 is provided on the outer surface of the support substrate 10 so as to span the partial outer surface of the interconnector 30 and the partial outer surface of the solid electrolyte 41.

このようなセルでは、固体電解質41の下面および側面を燃料極活性部22が覆うため、発電面積が増加し、発電性能を向上できる。なお、この場合についても、第4凹部45に固体電解質41と反応防止層50を埋設しても良いことは勿論である。   In such a cell, since the fuel electrode active part 22 covers the lower surface and the side surface of the solid electrolyte 41, the power generation area increases and the power generation performance can be improved. Also in this case, it goes without saying that the solid electrolyte 41 and the reaction preventing layer 50 may be embedded in the fourth recess 45.

図6(b)は、さらに他の形態を示すもので、この形態では、第2凹部21aが、燃料
極活性部用の凹部21a1と、固体電解質用の凹部21a2とから構成されており、平面視した時に、固体電解質用の凹部21a2は、燃料極活性部用の凹部21a1の面積よりも広く形成され、それぞれの凹部21a1、21a2に、燃料極活性部22、固体電解質41が埋設された場合には、固体電解質41の外周部が燃料極活性部22の外周からはみ出るように、固体電解質41が燃料極活性部22に積層されている。
FIG. 6B shows still another embodiment. In this embodiment, the second recess 21a is composed of a recess 21a1 for the fuel electrode active portion and a recess 21a2 for the solid electrolyte. When viewed, the solid electrolyte recess 21a2 is formed larger than the area of the fuel electrode active portion recess 21a1, and the fuel electrode active portion 22 and the solid electrolyte 41 are embedded in the respective recesses 21a1 and 21a2. The solid electrolyte 41 is laminated on the fuel electrode active part 22 so that the outer peripheral part of the solid electrolyte 41 protrudes from the outer periphery of the fuel electrode active part 22.

このようなセルでは、燃料極活性部22−燃料極集電部21界面と、固体電解質41−燃料極集電部21界面とが重ならないため、焼成収縮等による界面剥離を生じることを防ぐことができ、かつ、ガスシール層40が封止する界面は増加しないため、ガスシール性を向上でき、燃料利用率等を向上させることができる。   In such a cell, the interface between the fuel electrode active part 22 and the fuel electrode current collector 21 and the interface between the solid electrolyte 41 and the fuel electrode current collector 21 do not overlap with each other, thereby preventing the occurrence of interface peeling due to firing shrinkage or the like. In addition, since the interface sealed by the gas seal layer 40 does not increase, the gas sealability can be improved, and the fuel utilization rate and the like can be improved.

10・・・支持基板
11・・・燃料ガス流路
12・・・第1凹部
20・・・燃料極
21・・・燃料極集電部
21a・・・第2凹部
21b・・・第3凹部
22・・・燃料極活性部
30・・・インターコネクタ
40・・・ガスシール層
41・・・固体電解質
45・・・第4凹部
A・・・発電素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Support substrate 11 ... Fuel gas flow path 12 ... 1st recessed part 20 ... Fuel electrode 21 ... Fuel electrode current collection part 21a ... 2nd recessed part 21b ... 3rd recessed part 22 ... Fuel electrode active part 30 ... Interconnector 40 ... Gas seal layer 41 ... Solid electrolyte 45 ... Fourth recess A ... Power generation element

Claims (4)

ガス流路が内部に形成された平板状の多孔質の支持基板と、
該平板状の支持基板の主面における互いに離れた複数の箇所にそれぞれ設けられ、少なくとも燃料極、固体電解質および空気極が積層されてなる複数の発電素子部と、
隣り合う前記発電素子部の間にそれぞれ設けられ、一方の前記発電素子部の燃料極と他方の前記発電素子部の空気極とを電気的に接続する電気的接続部とを備えるとともに、
前記支持基板の主面における前記複数の箇所に、底壁と周方向に閉じた側壁とを有する第1凹部がそれぞれ設けられ、該各第1凹部に、対応する前記発電素子部の燃料極の集電部がそれぞれ埋設され、
前記第1凹部に埋設された燃料極集電部の外側面に形成された第2凹部に、前記燃料極集電部に対してイオン伝導性を有する物質の含有割合が多い燃料極活性部の上面に前記固体電解質が積層されて埋設され、
前記第1凹部に埋設された燃料極集電部の前記第2凹部が形成された位置と異なる位置の外側面に形成された第3凹部に、前記電気的接続部が埋設され、
前記支持基板の外側面に、前記電気的接続部の外側面と前記固体電解質の外側面とに掛け渡すようにガスシール層が設けられていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池セル。
A flat porous support substrate having a gas flow path formed therein;
A plurality of power generating element portions each provided at a plurality of locations separated from each other on the main surface of the flat support substrate, and at least a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode;
Each provided between the adjacent power generation element parts, and having an electrical connection part for electrically connecting the fuel electrode of one of the power generation element parts and the air electrode of the other power generation element part,
A first recess having a bottom wall and a side wall closed in the circumferential direction is provided at each of the plurality of locations on the main surface of the support substrate, and the fuel electrode of the power generation element unit corresponding to each first recess is provided. Current collectors are buried,
In the second recess formed on the outer surface of the anode current collector embedded in the first recess, the anode active portion having a high content ratio of a substance having ion conductivity with respect to the anode current collector . The solid electrolyte is laminated and embedded on the upper surface ,
The electrical connection portion is embedded in a third recess formed on the outer surface of the fuel electrode current collector embedded in the first recess at a position different from the position where the second recess is formed,
A solid oxide fuel cell, wherein a gas seal layer is provided on an outer surface of the support substrate so as to span between an outer surface of the electrical connection portion and an outer surface of the solid electrolyte.
前記固体電解質の外周部が前記燃料極活性部の外周からはみ出るように、前記固体電解質が前記燃料極活性部に積層されていることを特徴とする請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池セル。 2. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the solid electrolyte is stacked on the fuel electrode active part such that the outer peripheral part of the solid electrolyte protrudes from the outer periphery of the fuel electrode active part. 3. cell. ガス流路が内部に形成された平板状の多孔質の支持基板と、
該平板状の支持基板の主面における互いに離れた複数の箇所にそれぞれ設けられ、少なくとも燃料極、固体電解質および空気極が積層されてなる複数の発電素子部と、
隣り合う前記発電素子部の間にそれぞれ設けられ、一方の前記発電素子部の燃料極と他方の前記発電素子部の空気極とを電気的に接続する電気的接続部とを備えるとともに、
前記支持基板の主面における前記複数の箇所に、底壁と周方向に閉じた側壁とを有する第1凹部がそれぞれ設けられ、該各第1凹部に、対応する前記発電素子部の燃料極の集電部がそれぞれ埋設され、
前記第1凹部に埋設された燃料極集電部の外側面に形成された第2凹部に、前記燃料極集電部に対してイオン伝導性を有する物質の含有割合が多い燃料極活性部が埋設され、
前記第1凹部に埋設された燃料極集電部の前記第2凹部が形成された位置と異なる位置の外側面に形成された第3凹部に、前記電気的接続部が埋設され、
前記第2凹部に埋設された燃料極活性部の外側面に形成された第4凹部に前記固体電解質
が埋設され、
前記支持基板の外側面に、前記電気的接続部の外側面と前記固体電解質の外側面とに掛け渡すようにガスシール層が設けられていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池セル。
A flat porous support substrate having a gas flow path formed therein;
A plurality of power generating element portions each provided at a plurality of locations separated from each other on the main surface of the flat support substrate, and at least a fuel electrode, a solid electrolyte, and an air electrode;
Each provided between the adjacent power generation element parts, and having an electrical connection part for electrically connecting the fuel electrode of one of the power generation element parts and the air electrode of the other power generation element part,
A first recess having a bottom wall and a side wall closed in the circumferential direction is provided at each of the plurality of locations on the main surface of the support substrate, and the fuel electrode of the power generation element unit corresponding to each first recess is provided. Current collectors are buried,
In the second recess formed on the outer surface of the fuel electrode current collector embedded in the first recess, a fuel electrode active part having a high content ratio of a substance having ion conductivity with respect to the fuel electrode current collector is provided. Buried,
The electrical connection portion is embedded in a third recess formed on the outer surface of the fuel electrode current collector embedded in the first recess at a position different from the position where the second recess is formed,
The solid electrolyte is embedded in a fourth recess formed on the outer surface of the fuel electrode active portion embedded in the second recess;
A solid oxide fuel cell, wherein a gas seal layer is provided on an outer surface of the support substrate so as to span between an outer surface of the electrical connection portion and an outer surface of the solid electrolyte.
前記ガスシール層は、前記固体電解質の厚みよりも厚いことを特徴とする請求項1乃至3のうち何れかに記載の固体酸化物形燃料電池セル。 The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the gas seal layer is thicker than a thickness of the solid electrolyte.
JP2013036037A 2013-02-26 2013-02-26 Solid oxide fuel cell Active JP6039459B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013036037A JP6039459B2 (en) 2013-02-26 2013-02-26 Solid oxide fuel cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013036037A JP6039459B2 (en) 2013-02-26 2013-02-26 Solid oxide fuel cell

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2014165067A JP2014165067A (en) 2014-09-08
JP6039459B2 true JP6039459B2 (en) 2016-12-07

Family

ID=51615494

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2013036037A Active JP6039459B2 (en) 2013-02-26 2013-02-26 Solid oxide fuel cell

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6039459B2 (en)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6169932B2 (en) * 2013-09-26 2017-07-26 京セラ株式会社 Solid oxide fuel cell
JP6301790B2 (en) * 2014-09-12 2018-03-28 京セラ株式会社 Horizontally striped solid oxide fuel cell
JP6244052B1 (en) * 2016-08-26 2017-12-06 日本碍子株式会社 Fuel cell stack
JP6282323B1 (en) * 2016-09-05 2018-02-21 日本碍子株式会社 Fuel cell

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4718772B2 (en) * 2003-12-10 2011-07-06 三菱重工業株式会社 Solid oxide fuel cell, water electrolysis cell, and method for producing solid oxide fuel cell
JP4800439B1 (en) * 2010-07-15 2011-10-26 日本碍子株式会社 Fuel cell structure
JP4872027B1 (en) * 2010-11-01 2012-02-08 日本碍子株式会社 Solid oxide fuel cell

Also Published As

Publication number Publication date
JP2014165067A (en) 2014-09-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4850980B1 (en) Fuel cell structure
JP5116184B1 (en) Fuel cell structure
JP6169930B2 (en) Solid oxide fuel cell
JP5646779B2 (en) Fuel cell
JP5117600B2 (en) Fuel cell structure
JP4883733B1 (en) Fuel cell structure
JP6039459B2 (en) Solid oxide fuel cell
JP6158659B2 (en) Solid oxide fuel cell
JP5443648B1 (en) Fuel cell structure
JP5116182B1 (en) Fuel cell structure
JP4846061B1 (en) Fuel cell structure
JP5075268B1 (en) Fuel cell structure
JP6169932B2 (en) Solid oxide fuel cell
JP2014165000A (en) Solid oxide fuel cell
JP5050124B1 (en) Fuel cell structure
JP2016058359A (en) Horizontal stripe type solid oxide fuel battery cell
JP5417548B2 (en) Fuel cell structure
JP5062786B1 (en) Fuel cell structure
JP7270703B2 (en) cell
JP6039461B2 (en) Solid oxide fuel cell
JP6039463B2 (en) Solid oxide fuel cell

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20151015

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20160615

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20160621

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20160802

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

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20161004

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20161104

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6039459

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150