JP6039463B2 - Solid oxide fuel cell - Google Patents

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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、前記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配列して設けられ、少なくとも燃料極、固体電解質、中間膜、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複数の電気的接続部とを備えるとともに、前記中間膜は電気伝導性を有するセリア系材料からなる緻密質体であり、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集電部がそれぞれ埋設され、該第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、前記電気的接続部の一部を構成する導電性緻密質体が埋設され、前記燃料極活性部に積層された固体電解質が、前記一方および他方の発電素子部の両側から延設されて前記発電素子の配列方向における前記導電性緻密質体の両端部に積層され、さらに中間膜の前記配列方向の端が、前記固体電解質を介して前記導電性緻密質体の上方に位置していることを特徴とする。 The solid oxide fuel cell according to the present invention includes a flat plate-like 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 plate-like support substrate. Provided between the plurality of power generation element portions in which at least the fuel electrode, the solid electrolyte, the intermediate film, and the air electrode are laminated, and the adjacent power generation element portion, and the fuel of one of the power generation element portions A plurality of electrical connection portions that electrically connect the electrode and the air electrode of the other power generation element portion, and the intermediate film is a dense body made of a ceria-based material having electrical conductivity , 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 current collector of the power generation element unit corresponding to each first recess is provided. Each part is buried, the first In the second recess formed in the outer surface of the fuel electrode current collector embedded in the part, a fuel electrode active part with a large content ratio of a substance having ion conductivity with respect to the fuel electrode current collector is embedded, Conductivity that constitutes a part of the electrical connection portion in the 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 conductive dense body is embedded, and the solid electrolyte laminated on the fuel electrode active portion is extended from both sides of the one and the other power generation element portions, and the conductive dense body is arranged in the arrangement direction of the power generation elements. laminated on both ends, both ends of the arrangement direction of the middle ligament Furthermore, characterized in that located above the conductive dense material through the solid electrolyte.

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、前記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配列して設けられ、少なくとも燃料極、固体電解質、中間膜、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、前記中間膜がセリア系材料からなる緻密質体であり、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集電部がそれぞれ埋設され、該第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、前記電気的接続部の一部を構成する導電性緻密質体が埋設され、該導電性緻密質体と前記第3凹部の側壁との間に絶縁性を有する緻密質のシール層が配置され、前記燃料極活性部に積層された固体電解質が、前記一方と他方の発電素子部の両側から延設されて前記発電素子の配列方向における前記シール層の両端部に積層され、さらに、前記中間膜の前記配列方向の端が、前記シール層の上方に位置するように、前記中間膜が前記固体電解質に積層さ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. A plurality of power generation element portions each provided in an array, each including at least a fuel electrode, a solid electrolyte, an intermediate film, and an air electrode, and each of the power generation element portions provided between the adjacent power generation element portions. And an electrical connection part for electrically connecting the air electrode of the other power generation element part, and the intermediate film is a dense body made of a ceria-based material, and the main surface of the support substrate Are provided with first recesses each having a bottom wall and a side wall closed in the circumferential direction, and corresponding fuel electrode current collectors of the power generation element unit are embedded in the first recesses, respectively. , The fuel embedded in the first recess In the second recess formed on the outer surface of the electrode current collector, a fuel electrode active part having a high content of a substance having ion conductivity with respect to the fuel electrode current collector is embedded, and embedded in the first recess. A conductive dense body constituting a part of the electrical connection portion is embedded in a third recess formed on an outer surface of the fuel electrode current collector that is different from the position where the second recess is formed. A dense sealing layer having an insulating property is disposed between the conductive dense body and the side wall of the third recess, and the solid electrolyte laminated on the fuel electrode active portion is formed between the one and the other. Extending from both sides of the power generation element portion and stacked on both ends of the seal layer in the arrangement direction of the power generation elements, and further, the end of the intermediate film in the arrangement direction is positioned above the seal layer The interlayer film is laminated on the solid electrolyte. .

本発明の固体酸化物形燃料電池セルは、導電性緻密質体、または導電性緻密質体およびシール層と、固体電解質および中間膜の積層体とで、ガス遮断層を形成するため、固体電解質を薄くしても中間膜を積層することでガス遮断効果を向上でき、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。   The solid oxide fuel cell according to the present invention forms a gas barrier layer with a conductive dense body, or a conductive dense body and a sealing layer, and a solid electrolyte / interlayer laminate. Even if the thickness is reduced, the gas barrier effect can be improved by laminating the intermediate film, the power generation performance can be improved, and the gas seal performance can be improved.

(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し、一点鎖線で中間膜の形成領域を示した平面図である。(A) is a perspective view showing a solid oxide fuel cell, (b) is a plan view showing a state in which a fuel electrode and an interconnector are embedded in a recess, and showing a region where an intermediate film is formed by an alternate long and short dash line is there. (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. インターコネクタおよびその近傍を、空気極集電部を除去した状態で示す平面図である。It is a top view which shows an interconnector and its vicinity in the state which removed the air electrode current collection part. 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の支持基板を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the support substrate of FIG. (a)は図5の7−7線に対応する断面図、(b)は第1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. 5, (b) is sectional drawing which shows the state which formed each layer in the 1st recessed part. 第3凹部の4つの側面にシール層を形成した固体酸化物形燃料電池セルの断面図を示すももので、(a)は中間膜端が固体電解質膜端の内側に位置する状態、(b)は中間膜端と固体電解質膜端とがほぼ同じ位置にある状態、(c)は、固体電解質膜端を中間膜が被覆している状態を示す。FIG. 2 is a cross-sectional view of a solid oxide fuel cell in which seal layers are formed on four side surfaces of a third recess, where (a) shows a state in which an end of an intermediate film is located inside an end of a solid electrolyte membrane; ) Shows a state in which the end of the intermediate membrane and the end of the solid electrolyte membrane are substantially at the same position, and (c) shows a state in which the end of the solid electrolyte membrane is covered with the intermediate membrane.

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列された、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 2 have a structure called a so-called “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。   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. .

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。   FIG. 2A is a partial cross-sectional view showing a configuration (part of) each of a representative 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 generating element portions A and A in 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(x軸方向)に沿う2つの側壁と幅方向(y軸方向)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. A cuboid-shaped depression defined by a circumferentially closed side wall (two side walls along the longitudinal direction (x-axis direction) and two side walls along the width direction (y-axis direction)) made of the material of the support substrate 10 It is.

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(x軸方向)に沿う2つの側壁は支持基板10の材料からなり、幅方向(y軸方向)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 (x-axis direction) are made of the material of the support substrate 10, and the two side walls along the width direction (y-axis direction) are the anode current collector 21. Made of material.

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(y軸方向)に沿う2つの側面と底面とは、第2凹部21a内で燃料極集電部21と接触している。   The entire fuel electrode active portion 22 is embedded (filled) in each second 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. Two side surfaces and a bottom surface along the width direction (y-axis direction) of each anode active portion 22 are in contact with the anode current collecting portion 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(x軸方向)に沿う2つの側壁は支持基板10の材料からなり、幅方向(y軸方向)に沿う2つの側壁は燃料極集電部21の材料からなる。   A 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 (x-axis direction) are made of the material of the support substrate 10, and the two side walls along the width direction (y-axis direction) are the anode current collector 21. Made of material.

各第3凹部21bには、インターコネクタ(導電性緻密質体)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、第3凹部21b内で燃料極集電部21と接触している。   An interconnector (conductive dense body) 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 third recess 21b.

燃料極20(燃料極集電部21および燃料極活性部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(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(即ち、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」よりも多い。   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. More 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(発電素子部Aの配列方向)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(絶縁
性)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(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。固体電解質膜40の厚さは、3〜50μmである。
Each of the portions where the plurality of interconnectors 30 are formed on the outer peripheral surface extending in the longitudinal direction (the arrangement direction of the power generating element portions A) of the support substrate 10 in a state where the fuel electrode 20 is embedded in each of the first recesses 12. The entire surface excluding the central portion in the longitudinal direction is covered with the solid electrolyte membrane 40. The solid electrolyte membrane 40 is a fired body made of a dense material having ion conductivity and not electron conductivity (insulating property). The solid electrolyte membrane 40 can be made of, for example, YSZ (yttria stabilized zirconia). Or you may comprise from LSGM (lantern gallate). The thickness of the solid electrolyte membrane 40 is 3 to 50 μm.

固体電解質膜40の外表面のほぼ全面は中間膜50で覆われている。この中間膜50は、緻密なセリア系材料からなる焼成体であり、固体電解質膜40と空気極60との間の反応を抑制する層であり、反応防止膜ともいう。   Almost the entire outer surface of the solid electrolyte membrane 40 is covered with an intermediate film 50. The intermediate film 50 is a fired body made of a dense ceria-based material, is a layer that suppresses a reaction between the solid electrolyte film 40 and the air electrode 60, and is also referred to as a reaction prevention film.

即ち、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の全面は、インターコネクタ30と、固体電解質膜40および中間膜50の積層体とからなる緻密なガス遮断層により覆われている。このガス遮断層は、ガス遮断層の内側の空間を流れる燃料ガスとガス遮断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 first recess 12 is formed from the interconnector 30 and the laminate of the solid electrolyte membrane 40 and the intermediate membrane 50. It is covered with a dense gas barrier layer. This gas barrier layer exhibits a gas seal function that prevents mixing of the fuel gas flowing in the space inside the gas barrier layer and the air flowing in the space outside the gas barrier layer.

中間膜50は、セリア系(CeO系)材料からなる緻密質体であり、気孔率が10%以下、特に1〜5%の緻密質とされている。中間膜50は、CeとCe以外の他の希土類元素とを含有する組成にて形成することができ、例えば、(CeO1−x(REO1.5(式中、REはSm、Y、Yb、Gdの少なくとも1種であり、xは0<x≦0.3を満足する数)で表される組成を有していることが好ましい。さらには、電気抵抗を低減するという点から、REとしてSmやGdを用いることが好ましく、例えば15〜25モル%のSmO1.5またはGdO1.5が固溶したCeOからなることが好ましい。中間膜50の厚みは、剥離を防止し、高い発電性能を維持するという点から、1.5〜50μmとされている。 The intermediate film 50 is a dense body made of a ceria-based (CeO 2 -based) material and has a porosity of 10% or less, particularly 1 to 5%. The intermediate film 50 can be formed with a composition containing Ce and another rare earth element other than Ce. For example, (CeO 2 ) 1-x (REO 1.5 ) x (wherein RE is Sm , Y, Yb, and Gd, and x preferably has a composition represented by the following formula: 0 <x ≦ 0.3. Furthermore, from the viewpoint of reducing electric resistance, it is preferable to use Sm or Gd as RE, and for example, it is preferable to consist of CeO 2 in which 15 to 25 mol% of SmO 1.5 or GdO 1.5 is dissolved. . The thickness of the intermediate film 50 is set to 1.5 to 50 μm from the viewpoint of preventing peeling and maintaining high power generation performance.

固体電解質膜40と空気極60との間に中間膜50を介装することにより、セル作製時又は作動中のセル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ことができる。   By interposing the intermediate film 50 between the solid electrolyte membrane 40 and the air electrode 60, YSZ in the solid electrolyte membrane 40 and Sr in the air electrode 60 react in the cell during cell production or in operation. Thus, the occurrence of a phenomenon in which a reaction layer having a large electric resistance is formed at the interface between the solid electrolyte membrane 40 and the air electrode 60 can be suppressed.

また、中間膜50が、固体電解質膜40と空気極60との間のみならず、ガス遮断層として、固体電解質膜40に積層されるため、固体電解質膜40を薄くして、発電性能を向上させたとしても、その外表面に中間膜50が積層され、固体電解質膜40からのガス漏出を中間膜50で抑制でき、ガスシール性能を向上することができる。   In addition, since the intermediate film 50 is laminated not only between the solid electrolyte film 40 and the air electrode 60 but also as a gas barrier layer, the solid electrolyte film 40 is thinned to improve power generation performance. Even if it makes it, the intermediate film 50 is laminated | stacked on the outer surface, the gas leakage from the solid electrolyte membrane 40 can be suppressed with the intermediate film 50, and gas sealing performance can be improved.

なお、図2(a)に示すように、本形態では、固体電解質膜40および中間膜50が、燃料極20(燃料極集電部21+燃料極活性部22)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、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、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および中間膜50が平坦化されている。この結果、固体電解質膜40および中間膜50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および中間膜50でのクラックの発生が抑制され得、固体電解質膜40および中間膜50が有するガスシール機能の低下が抑制され得る。   2A, in this embodiment, the solid electrolyte membrane 40 and the intermediate membrane 50 are provided on the upper surface of the fuel electrode 20 (the fuel electrode current collector 21 + the fuel electrode active portion 22) and the upper surface of the interconnector 30. The both side ends in the longitudinal direction and the main surface of the support substrate 10 are covered. 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 and the intermediate membrane 50 are flattened. As a result, the generation of cracks in the solid electrolyte film 40 and the intermediate film 50 due to stress concentration can be suppressed as compared with the case where a step is formed in the solid electrolyte film 40 and the intermediate film 50. And the fall of the gas seal function which the intermediate film 50 has can be suppressed.

そして、本形態では、固体電解質膜40に積層された中間膜50の配列方向(x軸方向)の端が、インターコネクタ30の上方に位置しており、かつ、インターコネクタ30の両端部に積層された固体電解質膜40の配列方向の端から所定距離L1だけ内側に位置している。中間膜50の配列方向の端がインターコネクタ30の上方に位置することにより、多孔質な燃料極20、支持基板10の表面には、固体電解質膜40および中間膜50が積層されることになり、固体電解質膜40だけの部分がなくなり、さらにガスシール性能を向上できる。   In this embodiment, the end in the arrangement direction (x-axis direction) of the intermediate film 50 laminated on the solid electrolyte membrane 40 is positioned above the interconnector 30 and laminated on both ends of the interconnector 30. The solid electrolyte membrane 40 is located on the inner side by a predetermined distance L1 from the end in the arrangement direction. Since the end of the intermediate film 50 in the arrangement direction is positioned above the interconnector 30, the solid electrolyte film 40 and the intermediate film 50 are laminated on the surfaces of the porous fuel electrode 20 and the support substrate 10. In addition, the portion of only the solid electrolyte membrane 40 is eliminated, and the gas sealing performance can be further improved.

また、図3に示すように、配列方向と直交する配列直交方向(y軸方向)におけるインターコネクタ30の両端部に固体電解質膜40が積層され、中間膜50の配列直交方向の端が、インターコネクタ30の上方に位置しており、かつ、固体電解質膜40の配列直交方向の端から所定距離B1だけ内側に位置するように、中間膜50が固体電解質40に積層されている。所定距離L1、B1は、たとえば、0.01〜0.5mmとされている。   Further, as shown in FIG. 3, solid electrolyte membranes 40 are stacked on both ends of the interconnector 30 in the array orthogonal direction (y-axis direction) orthogonal to the array direction, and the end of the intermediate film 50 in the array orthogonal direction is The intermediate film 50 is laminated on the solid electrolyte 40 so as to be located above the connector 30 and to be located at a predetermined distance B1 from the end of the solid electrolyte film 40 in the direction orthogonal to the arrangement. The predetermined distances L1 and B1 are, for example, 0.01 to 0.5 mm.

すなわち、インターコネクタ30の外周部上面は、固体電解質膜40で覆われ、固体電解質膜40の上面には、固体電解質膜40が環状に露出するように中間膜50が積層されている。これにより、さらにガスシール性能および発電性能を向上できる。   That is, the upper surface of the outer peripheral portion of the interconnector 30 is covered with the solid electrolyte membrane 40, and the intermediate membrane 50 is laminated on the upper surface of the solid electrolyte membrane 40 so that the solid electrolyte membrane 40 is exposed in an annular shape. Thereby, gas seal performance and power generation performance can be further improved.

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、中間膜50を介して空気極60が形成されている。中間膜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。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 of the solid electrolyte membrane 40 that is in contact with each fuel electrode active portion 22 via an intermediate film 50. The intermediate 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 air electrode 60 viewed from above is substantially the same rectangle as the fuel electrode active part 22.

ここで、燃料極20と、固体電解質膜40と、中間膜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列されている。   Here, the laminated body formed by laminating the fuel electrode 20, the solid electrolyte membrane 40, the intermediate membrane 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.

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 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.

隣り合う発電素子部A、Aについて、一方の(図2(a)では、左側の)発電素子部Aの空気極60と、他方の(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、中間膜50、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 one power generation element portion A (left side in FIG. 2A) and the other power generation element portion A (right side in FIG. 2A). An air electrode current collector film 70 is formed on the air electrode 60, the intermediate film 50, 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、前記「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, the “air electrode current collector film 70 and the interconnector 30” having electronic conductivity correspond to the “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(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、固体電解質膜40の両側面間に生じる酸素分圧差によって起電力が発生する。更に、この構造体を外部の負荷に接続すると、下記(1)、(2)式に示す化学反応が起こり、電流が流れる(発電状態)。
(1/2)・O+2e→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。
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 and the upper and lower surfaces of the support substrate 10 ( In particular, by exposing each air electrode current collector film 70) to “a gas containing oxygen” (air or the like) (or flowing a gas containing oxygen along the upper and lower surfaces of the support substrate 10), the solid electrolyte membrane 40 An electromotive force is generated by a difference in oxygen partial pressure generated between the two side 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 2 + 2e → O 2− (where: air electrode 60) (1)
H 2 + O 2− → H 2 O + 2e (in the 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 part A on the frontmost side and the air electrode 60 of the power generating element part A on the farthest side in FIG. 4).

(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5〜図6を参照しながら簡単に説明する。図5〜図6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. 5 to 6, “g” at the end of the reference numeral of each member indicates that the member is “before firing”.

先ず、図5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)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. 5 is prepared. The support substrate molded body 10g is produced 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, NiO + MgO). .

次に、図6(b)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. 6B, the molded body 21g of the fuel electrode current collector is embedded and formed in each first recess formed in the upper and lower surfaces of the molded body 10g of the support substrate. Next, a molded body 22g of the fuel electrode active part is embedded and formed in each second recess formed on the outer surface of the molded body 21g of each fuel electrode current collector. Further, the molded body 21g of each fuel electrode current collector and each fuel electrode active part 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). Then embed and form using printing methods.

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, the interconnector is molded in each third recess formed in the “surface portion excluding the portion where the molded body 22g of the fuel electrode active portion is embedded” on the outer surface of the molded body 21g of each fuel electrode current collector. Each body 30g is embedded and formed. 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)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を除いた全面に、固体電解質膜の成形膜を形成する。固体電解質膜の成形膜は、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する。   Next, the plurality of interconnectors are formed on the outer peripheral surface extending in the longitudinal direction of the molded body 10g of the support substrate in which the plurality of molded fuel electrode bodies (21g + 22g) and the plurality of interconnector molded bodies 30g are embedded and formed. A molded membrane of a solid electrolyte membrane is formed on the entire surface excluding the central portion in the longitudinal direction of each portion where the molded body 30g is formed. The molded membrane of the solid electrolyte membrane is formed by 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), using a printing method, a dipping method, or the like.

次に、固体電解質膜の成形膜の外側面に、中間膜の成形膜を形成する。各中間膜の成形
膜は、例えば、中間膜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 an intermediate film is formed on the outer surface of the molded film of the solid electrolyte film. The formed film of each intermediate film is formed using a slurry obtained by adding a binder or the like to the powder of the material of the intermediate 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および空気極集電部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 of the state in which the air electrode 60 and the air electrode current collection part 70 are not formed in the cell shown in FIG. 1 is obtained.

次に、各中間膜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 intermediate 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について、他方の発電素子部Aの空気極の成形膜と、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、空気極の成形膜、中間膜50、および、インターコネクタ30の外側面に、空気極集電部の成形膜を形成する。   Next, for adjacent power generation element parts, the air electrode molding film, the intermediate film 50, and the air electrode molding film of the other power generation element part A and the interconnector 30 of one power generation element part A are straddled. And the molding film of an air electrode current collection part is formed in the outer surface of the interconnector 30. FIG.

各空気極集電部の成形膜は、例えば、空気極集電部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。   The forming film of each air electrode current collector is formed by using a printing method or the like using a slurry obtained by adding a binder or the like to the powder of the material of the air electrode current collector 70 (for example, LSCF), for example. 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)
以上、説明したように、上記本発明の実施形態に係る「横縞型」のセルでは、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および中間膜50の積層体とからなるガス遮断層により覆われているため、中間膜50が薄い固体電解質膜40を補強し、ガス遮断層の内側の空間を流れる燃料ガスとガス遮断層の外側の空間を流れる空気とを確実に遮断できる。また、固体電解質膜40を薄くして発電性能を向上させたとしても、固体電解質膜40の外側面に中間膜50が形成されていることから、ガスシール性能を向上できる。
(Action / Effect)
As described above, in the “horizontal stripe type” cell according to the embodiment of the present invention, the entire outer peripheral surface extending in the longitudinal direction of the support substrate 10 has the interconnector 30, the solid electrolyte membrane 40, and the intermediate membrane 50. The intermediate membrane 50 reinforces the thin solid electrolyte membrane 40 and flows through the space inside the gas barrier layer and the space outside the gas barrier layer. The air can be reliably shut off. Even if the solid electrolyte membrane 40 is thinned to improve the power generation performance, the gas sealing performance can be improved because the intermediate film 50 is formed on the outer surface of the solid electrolyte membrane 40.

さらに、セリア系材料からなる中間膜50はイオン電導性のみならず、電気伝導性も有するが、中間膜50の配列方向側の端が、インターコネクタ30の両端部に積層された固体電解質膜40の配列方向側の端から所定距離L1だけ内側に位置しているため、中間膜50とインターコネクタ30とが接触することがなく、したがって、隣接する発電素子部A間で短絡することがない。   Furthermore, although the intermediate film 50 made of a ceria-based material has not only ionic conductivity but also electrical conductivity, the solid electrolyte film 40 in which the end of the intermediate film 50 in the arrangement direction is stacked on both ends of the interconnector 30. Therefore, the intermediate film 50 and the interconnector 30 do not come into contact with each other, and therefore no short circuit occurs between the adjacent power generation element portions A.

また、支持基板10の上下面に形成されている、燃料極20(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。   In addition, 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 (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の各第1凹部12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 is filled and embedded with the members such as the fuel electrode 20 (the fuel electrode current collector 21 + the fuel electrode active portion 22) and the interconnector 30 in the first recesses 12 of the support substrate 10 without any gaps. And the embedded member are co-sintered. Therefore, a sintered body having high bondability between members and high reliability can be obtained.

また、インターコネクタ30が、燃料極集電部21の外側面に形成された第3凹部21bに埋設され、この結果、直方体状のインターコネクタ30の幅方向(y軸方向)に沿う
2つの側面と底面とが凹部21b内で燃料極集電部21と接触している。従って、燃料極集電部21の外側平面上に直方体状のインターコネクタ30が積層される(接触する)構成が採用される場合に比べて、燃料極20(集電部21)とインターコネクタ30との界面の面積を大きくできる。従って、燃料極20とインターコネクタ30との間における電子伝導性を高めることができ、この結果、燃料電池の発電出力を高めることができる。
Further, the interconnector 30 is embedded in a third recess 21b formed on the outer surface of the fuel electrode current collector 21, and as a result, two side surfaces along the width direction (y-axis direction) of the rectangular interconnector 30 are formed. And the bottom surface are in contact with the anode current collector 21 in the recess 21b. Therefore, the fuel electrode 20 (the current collector 21) and the interconnector 30 are compared to the case where a configuration in which the rectangular parallelepiped interconnector 30 is laminated (contacted) on the outer plane of the fuel electrode current collector 21 is employed. The area of the interface with can be increased. Therefore, the electronic conductivity between the fuel electrode 20 and the interconnector 30 can be increased, and as a result, the power generation output of the fuel cell can be increased.

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5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. 5 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.

また、上記実施形態においては、燃料極20が燃料極集電部21と燃料極活性部22との2層で構成されているが、燃料極20が燃料極活性部22に相当する1層で構成されてもよい。   Further, in the above embodiment, the fuel electrode 20 is composed of two layers of the fuel electrode current collector 21 and the fuel electrode active portion 22, but the fuel electrode 20 is a single layer corresponding to the fuel electrode active portion 22. It may be configured.

また、図7は他の形態を示すもので、第3凹部21bの側壁とインターコネクタ30との間には、絶縁性を有する緻密質のシール層75が形成されている。シール層75は、インターコネクタ30の周囲を取り囲んでおり、上面は、支持基板10、燃料極20、インターコネクタ30の上面と段差のない平面を構成している。固体電解質膜40および中間膜50は、シール層75の発電素子部Aの配列方向の両端部にまで延設されて積層されており、インターコネクタ30には積層されていない。言い換えれば、中間膜50の発電素子部Aの配列方向の端は、シール層75の上方に位置しており、インターコネクタ30の上方には存在していない。   FIG. 7 shows another embodiment, and a dense sealing layer 75 having insulating properties is formed between the side wall of the third recess 21 b and the interconnector 30. The seal layer 75 surrounds the periphery of the interconnector 30, and the upper surface constitutes a flat surface having no step from the upper surface of the support substrate 10, the fuel electrode 20, and the interconnector 30. The solid electrolyte membrane 40 and the intermediate membrane 50 are laminated so as to extend to both ends of the sealing layer 75 in the arrangement direction of the power generating element portion A, and are not laminated on the interconnector 30. In other words, the end of the intermediate film 50 in the arrangement direction of the power generation element portion A is located above the seal layer 75 and does not exist above the interconnector 30.

すなわち、シール層75は、電気絶縁性を有する緻密な材料からなる焼成体である。シール層75は、例えば、金属酸化物を含有し、好ましくは金属酸化物を主成分とする。具体的には、上記金属酸化物として、(AE)ZrO、MgO、MgAl、及びCeLn1−xからなる群より選択される少なくとも1種類の酸化物を含有してもよい。ここで、AEは、アルカリ土類金属であり、Lnは、Y及びランタノイドからなる群より選択される少なくとも1種類の元素であり、xは0<x≦0.3を満たす。AEに該当する元素としては、Mg、Ca、Sr、及びBaが挙げられる。また、微量成分として、遷移金属酸化物(例えば、NiO、Mn、Fe、Cr、CoO)が含まれても良い。これらの成分は、酸化物として存在していても良いし、上記「(AE)ZrO、MgO、MgAl、及びCeLn1−xからなる群より選択される少なくとも1種類の酸化物」に固溶する形で存在していても良い。金属酸化物の平均粒径は0.1〜5.0μmが好ましく、さらに好ましくは0.3〜4.0μmである。シール層75の厚さは、10〜100μmである。 That is, the seal layer 75 is a fired body made of a dense material having electrical insulation. The seal layer 75 contains, for example, a metal oxide, and preferably contains a metal oxide as a main component. Specifically, the metal oxide contains at least one oxide selected from the group consisting of (AE) ZrO 3 , MgO, MgAl 2 O 4 , and Ce x Ln 1-x O 2. Also good. Here, AE is an alkaline earth metal, Ln is at least one element selected from the group consisting of Y and a lanthanoid, and x satisfies 0 <x ≦ 0.3. Examples of elements corresponding to AE include Mg, Ca, Sr, and Ba. Moreover, transition metal oxides (for example, NiO, Mn 3 O 4 , Fe 2 O 3 , Cr 2 O 3 , CoO) may be included as a trace component. These components may exist as an oxide, or at least one selected from the group consisting of “(AE) ZrO 3 , MgO, MgAl 2 O 4 , and Ce x Ln 1-x O 2. It may be present in the form of a solid solution in the oxide. The average particle size of the metal oxide is preferably from 0.1 to 5.0 μm, more preferably from 0.3 to 4.0 μm. The thickness of the seal layer 75 is 10 to 100 μm.

そして、図7(a)は、固体電解質膜40に積層された中間膜50の配列方向(x軸方
向)の端が、インターコネクタ30から所定距離L2だけ離間している場合、図7(b)は、配列方向(x軸方向)における、中間膜50の端と固体電解質膜40の端とがほぼ同じ位置にあり、中間膜50の配列方向の端が、インターコネクタ30から所定距離L2だけ離間している場合、図7(c)は、固体電解質膜40の端を中間膜50が被覆しており、中間膜50の配列方向の端が、インターコネクタ30から所定距離L2だけ離間している場合を示している。なお、空気極集電部70は、隣り合う発電素子部A間で、一方の中間膜50とは離間して形成されている。
FIG. 7A shows the case where the end in the arrangement direction (x-axis direction) of the intermediate film 50 laminated on the solid electrolyte membrane 40 is separated from the interconnector 30 by a predetermined distance L2. ) In the arrangement direction (x-axis direction), the end of the intermediate film 50 and the end of the solid electrolyte membrane 40 are substantially at the same position, and the end of the intermediate film 50 in the arrangement direction is a predetermined distance L2 from the interconnector 30. 7C, the end of the solid electrolyte membrane 40 is covered with the intermediate film 50, and the end of the intermediate film 50 in the arrangement direction is separated from the interconnector 30 by a predetermined distance L2. Shows the case. The air electrode current collector 70 is formed between the adjacent power generation element portions A and separated from the one intermediate film 50.

このようなセルであっても、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、さらに、中間膜50とインターコネクタ30とが接触することがなく、したがって、隣接する発電素子部A間における短絡を確実に防止できる。   Even in such a cell, the power generation performance can be improved, the gas seal performance can be improved, and the intermediate film 50 and the interconnector 30 are not in contact with each other. Short circuit can be surely prevented.

なお、この場合であっても、配列方向と直交する配列直交方向におけるシール層75の両端部に固体電解質膜40が積層され、中間膜50の配列直交方向の端が、インターコネクタ30から所定距離Bだけ離間するように、中間膜50が固体電解質膜40に積層されていることが望ましい。   Even in this case, the solid electrolyte membrane 40 is laminated on both ends of the seal layer 75 in the arrangement orthogonal direction orthogonal to the arrangement direction, and the end of the intermediate film 50 in the arrangement orthogonal direction is a predetermined distance from the interconnector 30. The intermediate film 50 is desirably laminated on the solid electrolyte film 40 so as to be separated by B.

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(導電性緻密質体)
40・・・固体電解質膜
50・・・中間膜
60・・・空気極
70・・・空気極集電部
75・・・シール層
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 (conductive dense body)
40 ... Solid electrolyte membrane 50 ... Intermediate membrane 60 ... Air electrode 70 ... Air electrode current collector 75 ... Seal layer A ... Power generation element

Claims (5)

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、
前記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配列して設けられ、少なくとも燃料極、固体電解質、中間膜、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複数の電気的接続部とを備えるとともに、
前記中間膜は電気伝導性を有するセリア系材料からなる緻密質体であり、
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集電部がそれぞれ埋設され、
該第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、前記電気的接続部の一部を構成する導電性緻密質体が埋設され、
前記燃料極活性部に積層された固体電解質が、前記一方および他方の発電素子部の両側から延設されて前記発電素子の配列方向における前記導電性緻密質体の両端部に積層され、さらに中間膜の前記配列方向の端が、前記固体電解質を介して前記導電性緻密質体の上方に位置し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 in a plurality of locations separated from each other on the main surface of the plate-like support substrate, wherein at least a fuel electrode, a solid electrolyte, an intermediate film, and an air electrode are laminated;
A plurality of electrical connection portions that are provided between the adjacent power generation element portions and electrically connect the fuel electrode of one of the power generation element portions and the air electrode of the other power generation element portion;
The intermediate film is a dense body made of a ceria-based material having electrical conductivity ,
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 assembly of the corresponding power generation element unit is provided in each first recess. Each electrical part is 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. A portion of the electrical connection portion is embedded in a third recess formed on the outer surface of the fuel electrode current collector that is embedded and embedded in the first recess, the position being different from the position where the second recess is formed. The conductive dense body that constitutes it is embedded,
The solid electrolyte laminated on the anode active portion is laminated on both end portions of the conductive dense body in the arrangement direction of the power generating element and said one and extends from both sides of the other of the power generating element, the further both ends of the arrangement direction of the middle ligament is, the solid solid oxide fuel cell, wherein the electrolyte through the positioned above the conductive dense material.
前記中間膜の前記配列方向の端は、前記導電性緻密質体の両端部に積層された前記固体電解質の前記配列方向の端から所定距離L1だけ内側に位置し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。 Both ends of the arrangement direction of the intermediate membrane, and being located inwardly from both ends of the arrangement direction of the solid electrolyte laminated on both end portions of the conductive dense material by a predetermined distance L1 The solid oxide fuel cell according to claim 1. 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、
前記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配列して設けられ、少なくとも燃料極、固体電解質、中間膜、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複数の電気的接続部とを備えるとともに、
前記中間膜は電気伝導性を有するセリア系材料からなる緻密質体であり、
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集電部がそれぞれ埋設され、
該第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、前記電気的接続部の一部を構成する導電性緻密質体が埋設され、該導電性緻密質体と前記第3凹部の側壁との間に絶縁性を有する緻密質のシール層が配置され、
前記燃料極活性部に積層された固体電解質が、前記一方と他方の発電素子部の両側から延設されて前記発電素子の配列方向における前記シール層の両端部に積層され、さらに、前記中間膜の前記配列方向の端が前記固体電解質を介して前記シール層の上方に位置するように、前記中間膜が前記固体電解質に積層さ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 in a plurality of locations separated from each other on the main surface of the plate-like support substrate, wherein at least a fuel electrode, a solid electrolyte, an intermediate film, and an air electrode are laminated;
A plurality of electrical connection portions that are provided between the adjacent power generation element portions and electrically connect the fuel electrode of one of the power generation element portions and the air electrode of the other power generation element portion;
The intermediate film is a dense body made of a ceria-based material having electrical conductivity ,
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 assembly of the corresponding power generation element unit is provided in each first recess. Each electrical part is 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. A portion of the electrical connection portion is embedded in a third recess formed on the outer surface of the fuel electrode current collector that is embedded and embedded in the first recess, the position being different from the position where the second recess is formed. A conductive dense body is embedded, and a dense sealing layer having insulating properties is disposed between the conductive dense body and the side wall of the third recess,
The solid electrolyte laminated on the fuel electrode active part is extended from both sides of the one and the other power generation element part and laminated on both end parts of the seal layer in the arrangement direction of the power generation element, and the intermediate film the so that both ends in the array direction is located above the sealing layer through the solid electrolyte, the solid oxide fuel cell, wherein an intermediate layer is laminated on the solid electrolyte.
前記中間膜の前記配列方向の端は、前記導電性緻密質体から所定距離L2だけ離間していることを特徴とする請求項3に記載の固体酸化物形燃料電池セル。 Wherein both ends of the arrangement direction of the intermediate membrane, solid oxide fuel cell according to claim 3, characterized in that spaced apart by a predetermined distance L2 from the conductive dense material. 前記配列方向と直交する配列直交方向におけるシール層の両端部に前記固体電解質が積層され、前記中間膜の前記配列直交方向の端が、前記導電性緻密質体から所定距離B2だけ離間していることを特徴とする請求項3または4に記載の固体酸化物形燃料電池セル。 The solid electrolyte is laminated on both end portions of the sealing layer in the array direction orthogonal to the array direction, both ends of the arrangement direction perpendicular to the intermediate film, spaced apart from said conductive dense material by a predetermined distance B2 The solid oxide fuel cell according to claim 3 or 4, wherein
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