JP6267263B2 - Fuel cell - Google Patents

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Description

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

従来、絶縁性の多孔支持基板と、多孔支持基板上に配置される複数の発電部と、多孔支持基板の外表面を覆う絶縁性の緻密シール層とを備える燃料電池が知られている（例えば、特許文献１参照）。   2. Description of the Related Art Conventionally, a fuel cell is known that includes an insulating porous support substrate, a plurality of power generation units disposed on the porous support substrate, and an insulating dense seal layer that covers an outer surface of the porous support substrate (for example, , See Patent Document 1).

特開２０１５−２３０８４５号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2015-230845

多孔支持基板において、発電部が設けられた領域の温度は上昇しやすいのに対して、発電部が設けられていない領域の温度は相対的に上昇しにくい。従って、多孔支持基板内の温度差に起因して内部応力が発生するおそれがあるため、多孔支持基板内の温度差を抑制することによって燃料電池の信頼性を向上させたいという要請がある。   In the porous support substrate, the temperature of the region where the power generation unit is provided is likely to rise, while the temperature of the region where the power generation unit is not provided is relatively less likely to rise. Therefore, there is a possibility that internal stress may occur due to the temperature difference in the porous support substrate, and there is a demand for improving the reliability of the fuel cell by suppressing the temperature difference in the porous support substrate.

本発明の課題は、多孔支持基板内の温度差を抑制可能な燃料電池を提供することにある。   The subject of this invention is providing the fuel cell which can suppress the temperature difference in a porous support substrate.

本発明に係る燃料電池は、絶縁性の多孔支持基板と、少なくとも１つの発電部と、絶縁性の緻密シール層と、中間層とを備える。多孔支持基板は、内部にガス流路を有する。少なくとも１つの発電部は、多孔支持基板上に配置される。緻密シール層は、多孔支持基板の外表面の少なくとも一部を覆う。中間層は、緻密シール層と多孔支持基板との間に介挿され、少なくとも１つの発電部と電気的に接続される。中間層の導電率は、多孔質支持基板及び緻密シール層それぞれの導電率よりも高い。   The fuel cell according to the present invention includes an insulating porous support substrate, at least one power generation unit, an insulating dense seal layer, and an intermediate layer. The porous support substrate has a gas flow path inside. At least one power generation unit is disposed on the porous support substrate. The dense seal layer covers at least a part of the outer surface of the porous support substrate. The intermediate layer is interposed between the dense seal layer and the porous support substrate, and is electrically connected to at least one power generation unit. The conductivity of the intermediate layer is higher than the conductivity of each of the porous support substrate and the dense seal layer.

本発明によれば、多孔支持基板内の温度差を抑制可能な燃料電池を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell which can suppress the temperature difference in a porous support substrate can be provided.

燃料電池スタックの斜視図Perspective view of fuel cell stack 燃料電池スタックの断面図Cross section of fuel cell stack 燃料マニホールドの斜視図Perspective view of fuel manifold 燃料電池の斜視図Perspective view of fuel cell 燃料電池の断面図Cross section of fuel cell

（燃料電池スタック１００）
図１は、燃料電池スタック１００の斜視図である。図２は、燃料電池スタック１００の断面図である。図３は、マニホールド２００の斜視図である。図４は、燃料電池３０１の斜視図である。燃料電池スタック１００は、マニホールド２００と燃料電池３０１とを備える。 (Fuel cell stack 100)
FIG. 1 is a perspective view of the fuel cell stack 100. FIG. 2 is a cross-sectional view of the fuel cell stack 100. FIG. 3 is a perspective view of the manifold 200. FIG. 4 is a perspective view of the fuel cell 301. The fuel cell stack 100 includes a manifold 200 and a fuel cell 301.

（マニホールド２００）
マニホールド２００は、燃料ガスを各燃料電池３０１に供給するように構成されている。マニホールド２００は、中空状であり、内部空間を有する。燃料ガスは、導入管２０１を介してマニホールド２００の内部空間に供給される。マニホールド２００は、天板２０３と、マニホールド本体２０４とを有する。 (Manifold 200)
The manifold 200 is configured to supply fuel gas to each fuel cell 301. The manifold 200 is hollow and has an internal space. The fuel gas is supplied to the internal space of the manifold 200 through the introduction pipe 201. The manifold 200 has a top plate 203 and a manifold body 204.

天板２０３は、複数の貫通孔２０２を有する。各貫通孔２０２は、マニホールド２００の内部空間と外部空間に連通する。各貫通孔２０２には、各燃料電池３０１が挿入される。天板２０３は、例えば金属材料によって構成することができる。金属材料としては、例えばステンレス等を用いることができる。   The top plate 203 has a plurality of through holes 202. Each through hole 202 communicates with the internal space and the external space of the manifold 200. Each fuel cell 301 is inserted into each through hole 202. The top plate 203 can be made of, for example, a metal material. For example, stainless steel or the like can be used as the metal material.

マニホールド本体２０４は、上方が開口した直方体状に形成される。マニホールド本体２０４の上方は、天板２０３によって封止される。マニホールド本体２０４は、導電性を有していてもよいし、導電性を有していなくてもよい。   The manifold body 204 is formed in a rectangular parallelepiped shape having an upper opening. The upper part of the manifold body 204 is sealed with a top plate 203. The manifold body 204 may have conductivity or may not have conductivity.

（燃料電池３０１の概要）
各燃料電池３０１は、マニホールド２００の各貫通孔２０２に挿入される。燃料電池３０１の外周には空気が供給される。燃料電池３０１は、貫通孔２０２に挿入された状態で、接合材１０１によってマニホールド２００の天板２０３に固定される。 (Overview of fuel cell 301)
Each fuel cell 301 is inserted into each through hole 202 of the manifold 200. Air is supplied to the outer periphery of the fuel cell 301. The fuel cell 301 is fixed to the top plate 203 of the manifold 200 by the bonding material 101 while being inserted into the through hole 202.

接合材１０１は、例えば、結晶化ガラス、非晶質ガラス、ろう材、又はセラミックス等によって構成することができる。結晶化ガラスとしては、例えば、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系、ＳｉＯ２−ＣａＯ系、又はＳｉＯ２−ＭｇＯ系が挙げられる。 The bonding material 101 can be made of, for example, crystallized glass, amorphous glass, brazing material, ceramics, or the like. Examples of the crystallized glass include SiO 2 —B 2 O 3 system, SiO 2 —CaO system, and SiO 2 —MgO system.

各燃料電池３０１は、いわゆる横縞型の固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）である。燃料電池３０１は、図４に示すように、複数の発電部１０と、被覆層１１と、多孔支持基板２０とを有する。   Each fuel cell 301 is a so-called horizontal stripe fuel cell (SOFC: Solid Oxide Fuel Cell). As shown in FIG. 4, the fuel cell 301 includes a plurality of power generation units 10, a coating layer 11, and a porous support substrate 20.

複数の発電部１０は、多孔支持基板２０上に配置される。各発電部１０は、多孔支持基板２０の両方の主面に配置されているが、多孔支持基板２０の片方の主面のみに配置されていてもよい。各発電部１０は、燃料電池３０１の長手方向において、互いに間隔をあけて配置される。   The plurality of power generation units 10 are disposed on the porous support substrate 20. Each power generation unit 10 is disposed on both main surfaces of the porous support substrate 20, but may be disposed only on one main surface of the porous support substrate 20. The power generation units 10 are arranged at intervals in the longitudinal direction of the fuel cell 301.

図２に示すように、隣接する２つの燃料電池３０１において、一方の燃料電池３０１の発電部１０は、集電部材３０２を介して、他方の燃料電池３０１の発電部１０と電気的に接続される。また、各燃料電池３０１において、一方の主面に配置された発電部１０は、集電部材５００を介して、他方の主面に配置された発電部１０と電気的に接続される。本実施形態において、集電部材３０２はマニホールド２００に最も近い発電部１０どうしを接続し、かつ、集電部材５００はマニホールド２００から最も離れた発電部１０どうしを接続している。ただし、集電部材３０２はマニホールド２００から最も離れた発電部１０どうしを接続し、かつ、集電部材５００はマニホールド２００に最も近い発電部１０どうしを接続していてもよい。   As shown in FIG. 2, in two adjacent fuel cells 301, the power generation unit 10 of one fuel cell 301 is electrically connected to the power generation unit 10 of the other fuel cell 301 via a current collecting member 302. The In each fuel cell 301, the power generation unit 10 disposed on one main surface is electrically connected to the power generation unit 10 disposed on the other main surface via the current collecting member 500. In the present embodiment, the current collecting member 302 connects the power generation units 10 closest to the manifold 200, and the current collection member 500 connects the power generation units 10 farthest from the manifold 200. However, the current collecting member 302 may connect the power generating units 10 that are farthest from the manifold 200, and the current collecting member 500 may connect the power generating units 10 that are closest to the manifold 200.

集電部材３０２と集電部材５００は、酸化物セラミックスの焼成体、貴金属系（Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ）又は卑金属系（Ｎｉ、Ｎｉ基合金、Ｎｉとセラミックスのコンポジット）の材料によって構成することができる。酸化物セラミックスとしては、例えば、ペロブスカイト酸化物やスピネル酸化物などが挙げられる。ペロブスカイト酸化物としては、例えば、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ３や（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３等が挙げられる。スピネル酸化物としては、例えば、（Ｍｎ，Ｃｏ）３Ｏ４や（Ｍｎ，Ｆｅ）３Ｏ４等が挙げられる。 The current collecting member 302 and the current collecting member 500 may be formed of a sintered body of oxide ceramics, a noble metal (Pt, Au, Ag) or base metal (Ni, Ni-based alloy, Ni / ceramic composite). it can. Examples of oxide ceramics include perovskite oxide and spinel oxide. Examples of the perovskite oxide include (La, Sr) MnO 3 and (La, Sr) (Co, Fe) O 3 . Examples of the spinel oxide include (Mn, Co) 3 O 4 and (Mn, Fe) 3 O 4 .

図４に示すように、被覆層１１は、多孔支持基板２０の外表面を覆う。被覆層１１は、多孔支持基板２０の主面のうち複数の発電部１０が配置された領域以外の領域を覆っている。被覆層１１の詳細については後述する。   As shown in FIG. 4, the coating layer 11 covers the outer surface of the porous support substrate 20. The covering layer 11 covers a region other than the region where the plurality of power generation units 10 are arranged on the main surface of the porous support substrate 20. Details of the covering layer 11 will be described later.

図４に示すように、多孔支持基板２０は、平板状に形成される。多孔支持基板２０は、燃料ガスを流すための６本のガス流路２１を内部に有する。各ガス流路２１は、燃料電池３０１の長手方向に沿って延びる。ガス流路２１の本数及びサイズは適宜変更可能である。   As shown in FIG. 4, the porous support substrate 20 is formed in a flat plate shape. The porous support substrate 20 has six gas passages 21 for flowing fuel gas inside. Each gas flow path 21 extends along the longitudinal direction of the fuel cell 301. The number and size of the gas flow paths 21 can be changed as appropriate.

（燃料電池３０１の詳細）
図５は、図２の部分拡大図である。 (Details of fuel cell 301)
FIG. 5 is a partially enlarged view of FIG.

多孔支持基板２０は、複数の第１凹部２２を有する。複数の第１凹部２２は、多孔支持基板２０の両方の主面に形成される。   The porous support substrate 20 has a plurality of first recesses 22. The plurality of first recesses 22 are formed on both main surfaces of the porous support substrate 20.

多孔支持基板２０は、電子伝導性を有さない絶縁性の多孔質材料によって構成される。多孔支持基板２０は、例えば、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）の複合材料、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹ２Ｏ３（イットリア）の複合材料、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）とＭｇＡｌ２Ｏ４（マグネシアアルミナスピネル）の複合材料などによって構成することができる。多孔支持基板２０の導電率は特に制限されないが、１０−４［Ｓ／ｍ］以下が好ましく、１０−５［Ｓ／ｍ］以下がより好ましい。多孔支持基板２０の気孔率は、２０％以上６０％以下とすることができる。 The porous support substrate 20 is made of an insulating porous material that does not have electronic conductivity. The porous support substrate 20 includes, for example, CSZ (calcia stabilized zirconia), a composite material of NiO (nickel oxide) and YSZ (yttria stabilized zirconia), a composite material of NiO (nickel oxide) and Y 2 O 3 (yttria), A composite material of MgO (magnesium oxide) and MgAl 2 O 4 (magnesia alumina spinel) can be used. The conductivity of the porous support substrate 20 is not particularly limited, but is preferably 10 −4 [S / m] or less, and more preferably 10 −5 [S / m] or less. The porosity of the porous support substrate 20 can be 20% or more and 60% or less.

各発電部１０は、燃料極４と電解質層５と空気極６と反応防止層７とインターコネクタ３１を有する。燃料極４は、電子伝導性を有する多孔質材料によって構成することができる。燃料極４は、燃料極集電層４１と燃料極活性層４２とを有する。燃料極集電層４１は、第１凹部２２内に配置される。各燃料極集電層４１は、第２凹部４１ａ及び第３凹部４１ｂを有する。燃料極活性層４２は、第２凹部４１ａ内に配置される。   Each power generation unit 10 includes a fuel electrode 4, an electrolyte layer 5, an air electrode 6, a reaction preventing layer 7, and an interconnector 31. The fuel electrode 4 can be made of a porous material having electron conductivity. The anode 4 includes an anode current collecting layer 41 and an anode active layer 42. The anode current collecting layer 41 is disposed in the first recess 22. Each anode current collecting layer 41 has a second recess 41a and a third recess 41b. The anode active layer 42 is disposed in the second recess 41a.

燃料極集電層４１は、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）の複合材料、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹ２Ｏ３（イットリア）の複合材料、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）の複合材料などによって構成することができる。燃料極集電層４１の厚さは、例えば、５０〜５００μｍ程度とすることができる。 The anode current collecting layer 41 includes, for example, a composite material of NiO (nickel oxide) and YSZ (8YSZ) (yttria stabilized zirconia), a composite material of NiO (nickel oxide) and Y 2 O 3 (yttria), NiO (oxidation). (Nickel) and CSZ (calcia stabilized zirconia). The thickness of the anode current collecting layer 41 can be, for example, about 50 to 500 μm.

燃料極活性層４２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）の複合材料、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）の複合材料などによって構成することができる。燃料極活性層４２の厚さは、例えば、５〜３０μｍとすることができる。   The anode active layer 42 can be made of, for example, a composite material of NiO (nickel oxide) and YSZ (yttria stabilized zirconia), a composite material of NiO (nickel oxide) and GDC (gadolinium-doped ceria), or the like. The thickness of the anode active layer 42 can be set to 5 to 30 μm, for example.

電解質層５は、燃料極４上に配置される。電解質層５は、あるインターコネクタ３１から他のインターコネクタ３１まで長手方向に延びる。従って、燃料電池３０１の長手方向において、電解質層５とインターコネクタ３１とが交互に配置される。電解質層５とインターコネクタ３１は、多孔支持基板２０側の燃料ガスと空気極６側の空気との混合を防止するガスバリア性を発揮する。   The electrolyte layer 5 is disposed on the fuel electrode 4. The electrolyte layer 5 extends in the longitudinal direction from one interconnector 31 to another interconnector 31. Accordingly, the electrolyte layers 5 and the interconnectors 31 are alternately arranged in the longitudinal direction of the fuel cell 301. The electrolyte layer 5 and the interconnector 31 exhibit gas barrier properties that prevent mixing of the fuel gas on the porous support substrate 20 side and the air on the air electrode 6 side.

電解質層５は、イオン伝導性を有し且つ電子伝導性を有さない緻密材料によって構成される。電解質層５は、例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）やＬＳＧＭ（ランタンガレート）などによって構成することができる。電解質層５の気孔率は、２０％未満が好ましく、１０％以下がより好ましく、８％以下がさらに好ましい。電解質層５の厚さは、例えば、３〜５０μｍ程度とすることができる。   The electrolyte layer 5 is made of a dense material that has ionic conductivity and does not have electronic conductivity. The electrolyte layer 5 can be composed of, for example, YSZ (yttria stabilized zirconia) or LSGM (lanthanum gallate). The porosity of the electrolyte layer 5 is preferably less than 20%, more preferably 10% or less, and even more preferably 8% or less. The thickness of the electrolyte layer 5 can be set to about 3 to 50 μm, for example.

反応防止層７は、電解質層５と空気極６の間に介挿される。反応防止層７は、電解質層５内のＹＳＺと空気極６内のＳｒとが反応して電解質層５と空気極６との界面に電気抵抗の大きい反応層が形成されることを抑制する。反応防止層７は、緻密材料によって構成される。反応防止層７は、例えば、ＧＤＣ＝（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ２（ガドリニウムドープセリア）によって構成することができる。反応防止層７の厚さは、例えば、３〜５０μｍ程度とすることができる。反応防止層７は、電解質層５とともに上述のガスバリア性を発揮する。 The reaction preventing layer 7 is interposed between the electrolyte layer 5 and the air electrode 6. The reaction preventing layer 7 prevents YSZ in the electrolyte layer 5 and Sr in the air electrode 6 from reacting to form a reaction layer having a large electric resistance at the interface between the electrolyte layer 5 and the air electrode 6. The reaction preventing layer 7 is made of a dense material. The reaction preventing layer 7 can be composed of, for example, GDC = (Ce, Gd) O 2 (gadolinium-doped ceria). The thickness of the reaction preventing layer 7 can be set to about 3 to 50 μm, for example. The reaction preventing layer 7 exhibits the above gas barrier properties together with the electrolyte layer 5.

空気極６は、反応防止層７上に配置される。空気極６は、電子伝導性を有する多孔質材料によって構成される。空気極６は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３（ランタンストロンチウムコバルトフェライト）、ＬＳＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＦｅＯ３（ランタンストロンチウムフェライト）、ＬＮＦ＝Ｌａ（Ｎｉ，Ｆｅ）Ｏ３（ランタンニッケルフェライト）、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３（ランタンストロンチウムコバルタイト）などによって構成することができる。空気極６の厚さは、例えば、１０〜１００μｍとすることができる。 The air electrode 6 is disposed on the reaction preventing layer 7. The air electrode 6 is made of a porous material having electronic conductivity. The air electrode 6 has, for example, LSCF = (La, Sr) (Co, Fe) O 3 (lanthanum strontium cobalt ferrite), 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), and the like. The thickness of the air electrode 6 can be 10-100 micrometers, for example.

電気的接続部３０は、隣り合う２つの発電部１０同士を電気的に接続する。本実施形態において、電気的接続部３０は、隣り合う発電部１０同士を直列に接続しているが、並列に接続していてもよい。   The electrical connection unit 30 electrically connects two adjacent power generation units 10. In this embodiment, although the electrical connection part 30 has connected the adjacent electric power generation parts 10 in series, you may connect in parallel.

電気的接続部３０は、インターコネクタ３１及び空気極集電層３２を有する。インターコネクタ３１は、第３凹部４１ｂ内に配置される。インターコネクタ３１は、電子伝導性を有する緻密材料によって構成される。インターコネクタ３１は、例えば、ＬａＣｒＯ３（ランタンクロマイト）や（Ｓｒ，Ｌａ）ＴｉＯ３（ストロンチウムチタネート）によって構成することができる。インターコネクタ３１の厚さは、例えば、１０〜１００μｍとすることができる。 The electrical connection unit 30 includes an interconnector 31 and an air electrode current collecting layer 32. The interconnector 31 is disposed in the third recess 41b. The interconnector 31 is made of a dense material having electronic conductivity. The interconnector 31 can be composed of, for example, LaCrO 3 (lanthanum chromite) or (Sr, La) TiO 3 (strontium titanate). The thickness of the interconnector 31 can be set to 10 to 100 μm, for example.

空気極集電層３２は、隣り合う発電部１０のインターコネクタ３１と空気極６との間を延びるように配置される。空気極集電層３２は、電子伝導性を有する多孔質材料によって構成される。空気極集電層３２は、例えば、ＬＳＣＦ、ＬＳＣ、Ａｇ（銀）、Ａｇ−Ｐｄ（銀パラジウム合金）などによって構成することができる。空気極集電層３２の厚さは、例えば、５０〜５００μｍ程度とすることができる。   The air electrode current collecting layer 32 is disposed so as to extend between the interconnector 31 and the air electrode 6 of the adjacent power generation units 10. The air electrode current collecting layer 32 is made of a porous material having electronic conductivity. The air electrode current collecting layer 32 can be made of, for example, LSCF, LSC, Ag (silver), Ag—Pd (silver palladium alloy), or the like. The thickness of the air electrode current collecting layer 32 can be, for example, about 50 to 500 μm.

被覆層１１は、多孔支持基板２０の外表面を覆う。図５では、被覆層１１が、多孔支持基板２０の両方の主面それぞれのうちマニホールド２００側の端部を覆っている様子が図示されているが、被覆層１１は、多孔支持基板２０のうち電解質層５、反応防止層７及びインターコネクタ３１が配置されていない領域全体を覆っている。被覆層１１は、多孔支持基板２０側の燃料ガスと被覆層１１の外周の空気との混合を防止するガスバリア性を発揮する。本実施形態において、被覆層１１は、電解質層５、反応防止層７及びインターコネクタ３１とともにガスバリア層として機能する。   The covering layer 11 covers the outer surface of the porous support substrate 20. In FIG. 5, a state in which the coating layer 11 covers the end portions on the manifold 200 side of both main surfaces of the porous support substrate 20 is illustrated. The entire region where the electrolyte layer 5, the reaction preventing layer 7 and the interconnector 31 are not disposed is covered. The coating layer 11 exhibits a gas barrier property that prevents mixing of the fuel gas on the porous support substrate 20 side and the air on the outer periphery of the coating layer 11. In the present embodiment, the coating layer 11 functions as a gas barrier layer together with the electrolyte layer 5, the reaction preventing layer 7 and the interconnector 31.

被覆層１１は、緻密シール層１１Ａと中間層１１Ｂとを有する。   The covering layer 11 has a dense seal layer 11A and an intermediate layer 11B.

緻密シール層１１Ａは、中間層１１Ｂ上に配置される。本実施形態において、緻密シール層１１Ａは、電解質層５に連結される。   The dense seal layer 11A is disposed on the intermediate layer 11B. In the present embodiment, the dense seal layer 11 </ b> A is connected to the electrolyte layer 5.

緻密シール層１１Ａは、電子伝導性を有さない絶縁性の緻密材料によって構成される。緻密シール層１１Ａは、結晶化ガラス、非晶質ガラス、ろう材、セラミックス、及びこれらのうち２以上の複合材料などによって構成することができる。セラミックスとしては、例えば、緻密化した多孔支持基板２０と同一材料などが挙げられる。   The dense seal layer 11A is made of an insulating dense material that does not have electronic conductivity. The dense seal layer 11A can be made of crystallized glass, amorphous glass, brazing material, ceramics, and a composite material of two or more of these. Examples of the ceramic include the same material as the densified porous support substrate 20.

緻密シール層１１Ａの厚みは特に制限されないが、十分なガスバリア性を発揮させることを考慮すると３μｍ以上が好ましい。   The thickness of the dense seal layer 11A is not particularly limited, but is preferably 3 μm or more in view of exhibiting sufficient gas barrier properties.

中間層１１Ｂは、緻密シール層１１Ａと多孔支持基板２０との間に介挿される。中間層１１Ｂは、多孔支持基板２０と直接的に接触する。中間層１１Ｂは、発電部１０と電気的に接続される。本実施形態において、中間層１１Ｂは、電解質層５を介して発電部１０と電気的に連結される。   The intermediate layer 11B is interposed between the dense seal layer 11A and the porous support substrate 20. The intermediate layer 11B is in direct contact with the porous support substrate 20. The intermediate layer 11B is electrically connected to the power generation unit 10. In the present embodiment, the intermediate layer 11 </ b> B is electrically connected to the power generation unit 10 through the electrolyte layer 5.

中間層１１Ｂは、微弱電流を流す程度の微導電性を有する。中間層１１Ｂの導電率は、多孔質支持基板２０及び緻密シール層１１Ａそれぞれの導電率よりも高い。そのため、中間層１１Ｂは、接合材１０１を介して、マニホールド２００と発電部１０を電気的に繋ぐ導電パスとして機能する。中間層１１Ｂに微弱電流が流れるとジュール効果によって発熱するので、中間層１１Ｂによって多孔支持基板２０を加熱（又は予熱）することができる。また、中間層１１Ｂは、緻密シール層１１Ａと多孔支持基板２０との間に介挿されているため、中間層１１Ｂの表面からの放熱を抑制して多孔支持基板２０をより効率的に加熱することができる。従って、多孔支持基板２０のうち発電部１０が設けられた領域と発電部１０が設けられていない領域との温度差が低減されるため、多孔支持基板２０に内部応力が発生することを抑制できる。その結果、燃料電池３０１の信頼性を向上させることができる。   The intermediate layer 11B has a microconductivity that allows a weak current to flow. The conductivity of the intermediate layer 11B is higher than the conductivity of each of the porous support substrate 20 and the dense seal layer 11A. Therefore, the intermediate layer 11 </ b> B functions as a conductive path that electrically connects the manifold 200 and the power generation unit 10 via the bonding material 101. When a weak current flows through the intermediate layer 11B, heat is generated by the Joule effect, so that the porous support substrate 20 can be heated (or preheated) by the intermediate layer 11B. Further, since the intermediate layer 11B is interposed between the dense seal layer 11A and the porous support substrate 20, heat dissipation from the surface of the intermediate layer 11B is suppressed and the porous support substrate 20 is heated more efficiently. be able to. Accordingly, since the temperature difference between the region where the power generation unit 10 is provided and the region where the power generation unit 10 is not provided in the porous support substrate 20 is reduced, the generation of internal stress in the porous support substrate 20 can be suppressed. . As a result, the reliability of the fuel cell 301 can be improved.

中間層１１Ｂの導電率は特に制限されないが、多孔支持基板２０を十分に加熱することを考慮すると１０−３［Ｓ／ｍ］以上が好ましく、１０−２［Ｓ／ｍ］以上がより好ましい。また、中間層１１Ｂの導電率は、発電効率を考慮すると100［Ｓ／ｍ］以下が好ましく、10［Ｓ／ｍ］以下がより好ましい。 The conductivity of the intermediate layer 11B is not particularly limited, but is preferably 10 −3 [S / m] or more and more preferably 10 −2 [S / m] or more in consideration of sufficiently heating the porous support substrate 20. Further, the electrical conductivity of the intermediate layer 11B is preferably 100 [S / m] or less, more preferably 10 [S / m] or less in consideration of power generation efficiency.

中間層１１Ｂは、微導電性材料によって構成される。中間層１１Ｂは、結晶化ガラス、非晶質ガラス、ろう材、又はセラミックスやその複合材料などによって構成することができる。中間層１１Ｂの厚みは特に制限されないが、多孔支持基板２０を効率的に加熱することを考慮すると３μｍ以上が好ましい。   The intermediate layer 11B is made of a slightly conductive material. The intermediate layer 11B can be made of crystallized glass, amorphous glass, brazing material, ceramics or a composite material thereof. The thickness of the intermediate layer 11B is not particularly limited, but is preferably 3 μm or more in view of efficiently heating the porous support substrate 20.

（燃料電池スタック１００の製造方法）
次に、燃料電池スタック１００の製造方法について説明する。 (Manufacturing method of fuel cell stack 100)
Next, a method for manufacturing the fuel cell stack 100 will be described.

多孔支持基板２０の材料粉末に造孔材とバインダーを添加して調製した坏土を押出成形することによって、６本のガス流路２１と複数の第１凹部２２を有する多孔支持基板２０の成形体を形成する。   Forming porous support substrate 20 having six gas flow paths 21 and a plurality of first recesses 22 by extruding a clay prepared by adding a pore former and a binder to the material powder of porous support substrate 20. Form the body.

次に、燃料極集電層４１の材料をペースト化して、多孔支持基板２０の成形体の各第１凹部２２に充填することによって、第２凹部４１ａ及び第３凹部４１ｂを有する燃料極集電層４１の成形体を形成する。   Next, the material for the fuel electrode current collecting layer 41 is made into a paste and filled in each first concave portion 22 of the molded body of the porous support substrate 20, thereby collecting the fuel electrode current collector having the second concave portion 41 a and the third concave portion 41 b. A formed body of the layer 41 is formed.

次に、インターコネクタ３１の材料をペースト化して、燃料極集電層４１の成形体の第３凹部４１ｂに充填することによって、インターコネクタ３１の成形体を形成する。   Next, the material of the interconnector 31 is made into a paste and filled in the third recess 41 b of the molded body of the fuel electrode current collecting layer 41, thereby forming the interconnector 31 molded body.

次に、燃料極活性層４２の材料をペースト化して、燃料極集電層４１の成形体の第２凹部４１ａに充填することによって、燃料極活性層４２の成形体を形成する。   Next, the material for the anode active layer 42 is formed into a paste and filled in the second recess 41 a of the anode current collector layer 41 to form the anode active layer 42 molded body.

次に、電解質層５の材料をペースト化して、燃料極活性層４２の成形体上に印刷することによって、電解質層５の成形体を形成する。   Next, the material of the electrolyte layer 5 is made into a paste and printed on the molded body of the fuel electrode active layer 42 to form the molded body of the electrolyte layer 5.

次に、電解質層５の成形体上に反応防止層７の材料をディップ成形することによって、反応防止層７の成形体を形成する。   Next, the molded body of the reaction preventing layer 7 is formed by dip molding the material of the reaction preventing layer 7 on the molded body of the electrolyte layer 5.

次に、中間層１１Ｂの材料をペースト化して、多孔支持基板２０の外表面のうち露出している領域に印刷することによって、中間層１１Ｂの成形体を形成する。   Next, the intermediate layer 11 </ b> B is formed into a paste and printed on the exposed region of the outer surface of the porous support substrate 20, thereby forming a molded body of the intermediate layer 11 </ b> B.

次に、緻密シール層１１Ａの材料をペースト化して、中間層１１Ｂの成形体上に印刷することによって、緻密シール層１１Ａの成形体を形成する。   Next, the material of the dense seal layer 11A is made into a paste and printed on the formed body of the intermediate layer 11B, thereby forming the formed body of the dense seal layer 11A.

次に、多孔支持基板２０、燃料極４、インターコネクタ３１、電解質層５、反応防止層７、中間層１１Ｂ及び緻密シール層１１Ａの成形体を共焼成（１３００〜１６００℃、２〜２０時間）する。   Next, the sintered compact of the porous support substrate 20, the fuel electrode 4, the interconnector 31, the electrolyte layer 5, the reaction prevention layer 7, the intermediate layer 11B, and the dense seal layer 11A is co-fired (1300 to 1600 ° C., 2 to 20 hours). To do.

次に、空気極６の材料をペースト化して、電解質層５上に印刷することによって、空気極６の成形体を形成する。続いて、空気極集電層３２の材料をペースト化して空気極６の成形体上に印刷することによって、空気極集電層３２の成形体を形成する。   Next, the air electrode 6 is formed into a paste and printed on the electrolyte layer 5 to form a molded body of the air electrode 6. Subsequently, the material for the air electrode current collecting layer 32 is formed into a paste and printed on the formed object for the air electrode 6, thereby forming the formed object for the air electrode current collecting layer 32.

次に、空気極７及び空気極集電層８の成形体を焼成（９００〜１１００℃、１〜２０時間）する。   Next, the molded object of the air electrode 7 and the air electrode current collection layer 8 is baked (900-1100 degreeC, 1 to 20 hours).

次に、マニホールド２００を準備する。そして、集電部材３０２及び第２接合材１０２によって各燃料電池３０１を互いに接続する。この段階において第２接合材１０２は焼成されておらず、各燃料電池３０１は互いに仮止めされた状態である。   Next, the manifold 200 is prepared. Then, the fuel cells 301 are connected to each other by the current collecting member 302 and the second bonding material 102. At this stage, the second bonding material 102 is not fired, and the fuel cells 301 are temporarily fixed to each other.

次に、各燃料電池３０１の下端部をマニホールド２００の各貫通孔２０２に挿入して、燃料電池３０１と貫通孔２０２の隙間に第１接合材１０１を充填する。続いて、第１接合材１０１及び第２接合材１０２を熱処理することによって固化させる。   Next, the lower end portion of each fuel cell 301 is inserted into each through hole 202 of the manifold 200, and the gap between the fuel cell 301 and the through hole 202 is filled with the first bonding material 101. Subsequently, the first bonding material 101 and the second bonding material 102 are solidified by heat treatment.

（変形例）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。 (Modification)
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to these, A various change is possible unless it deviates from the meaning of this invention.

上記実施形態において、被覆層１１は、多孔支持基板２０の主面のうち一部のみを覆っていてもよい。この場合、多孔支持基板２０の主面のうち被覆層１１から露出する領域は、電解質層５を延長することによって被覆してもよいし、被覆層１１のうち緻密シール層１１Ａだけを延長することによって被覆してもよい。   In the above embodiment, the coating layer 11 may cover only a part of the main surface of the porous support substrate 20. In this case, the region exposed from the coating layer 11 in the main surface of the porous support substrate 20 may be covered by extending the electrolyte layer 5, or only the dense seal layer 11 </ b> A in the coating layer 11 may be extended. May be coated.

上記実施形態において、多孔支持基板２０は、平板状に形成されることとしたが、これに限られるものではない。例えば、多孔支持基板２０は、円筒状に形成されていてもよい。この場合、円筒状の多孔支持基板２０の内部がガス流路として機能する。   In the said embodiment, although the porous support substrate 20 was formed in flat form, it is not restricted to this. For example, the porous support substrate 20 may be formed in a cylindrical shape. In this case, the inside of the cylindrical porous support substrate 20 functions as a gas flow path.

上記実施形態において、緻密シール層１１Ａ及び中間層１１Ｂは、多孔支持基板２０、燃料極４、インターコネクタ３１、電解質層５及び反応防止層７とともに共焼成することによって形成されることとしたが、これに限られるものではない。緻密シール層１１Ａ及び中間層１１Ｂは、多孔支持基板２０、燃料極４、インターコネクタ３１、電解質層５及び反応防止層７の成形体を共焼成した後であって、空気極７及び空気極集電層８の成形体の焼成の前に、緻密シール層１１Ａ及び中間層１１Ｂの成形体を焼成することによって形成できる。また、緻密シール層１１Ａ及び中間層１１Ｂは、多孔支持基板２０、燃料極４、インターコネクタ３１、電解質層５及び反応防止層７の成形体を共焼成した後に、空気極７及び空気極集電層８の成形体とともに緻密シール層１１Ａ及び中間層１１Ｂの成形体を焼成することによっても形成できる。   In the above embodiment, the dense seal layer 11A and the intermediate layer 11B are formed by co-firing together with the porous support substrate 20, the fuel electrode 4, the interconnector 31, the electrolyte layer 5, and the reaction preventing layer 7, It is not limited to this. The dense seal layer 11A and the intermediate layer 11B are formed after co-firing the molded body of the porous support substrate 20, the fuel electrode 4, the interconnector 31, the electrolyte layer 5, and the reaction prevention layer 7, and the air electrode 7 and the air electrode collection Before the molded body of the electric layer 8 is fired, the molded body of the dense seal layer 11A and the intermediate layer 11B can be fired. The dense seal layer 11A and the intermediate layer 11B are formed by co-firing the porous support substrate 20, the fuel electrode 4, the interconnector 31, the electrolyte layer 5, and the reaction prevention layer 7, and then the air electrode 7 and the air electrode current collector. It can also be formed by firing the compact body of the dense seal layer 11A and the intermediate layer 11B together with the compact body of the layer 8.

上記実施形態では、発電部１０→被覆層１１（中間層１１Ｂ）→接合材１０１→マニホールド２００の導電経路によって多孔支持基板２０を加熱する構成について説明したが、多孔支持基板２０を加熱する導電経路はこれに限られるものではない。
例えば、多孔支持基板２０の一方の主面上の発電部１０と他方の主面上の発電部１０とを電気的に接続するように、多孔支持基板２０の両主面及び側面に被覆層１１を形成してもよい。この場合、多孔支持基板２０の両主面に跨がるように、発電部１０→被覆層１１（中間層１１Ｂ）→発電部１０の導電経路が形成されるため、中間層１１Ｂによって多孔支持基板２０を加熱することができる。なお、被覆層１１は、表裏の発電部１０どうしを電気的に接続していればよいため、多孔支持基板２０の両主面及び側面それぞれの一部のみを覆っていてもよい。 In the above embodiment, the configuration in which the porous support substrate 20 is heated by the conductive path of the power generation unit 10 → the covering layer 11 (intermediate layer 11B) → the bonding material 101 → the manifold 200 has been described. Is not limited to this.
For example, the coating layer 11 is formed on both main surfaces and side surfaces of the porous support substrate 20 so as to electrically connect the power generation unit 10 on one main surface of the porous support substrate 20 and the power generation unit 10 on the other main surface. May be formed. In this case, since the conductive path of the power generation unit 10 → the covering layer 11 (intermediate layer 11B) → the power generation unit 10 is formed so as to straddle both main surfaces of the porous support substrate 20, the porous support substrate is formed by the intermediate layer 11B. 20 can be heated. In addition, since the coating layer 11 should just electrically connect the electric power generation parts 10 of the front and back, it may cover only a part of each of both the main surfaces and side surfaces of the porous support substrate 20.

また、多孔支持基板２０の一方の主面上の２以上の発電部１０どうしを電気的に繋ぐように、多孔支持基板２０の一方の主面に被覆層１１を形成してもよい。この場合、多孔支持基板２０の一方の主面上において、発電部１０→被覆層１１（中間層１１Ｂ）→発電部１０の導電経路が形成されるため、中間層１１Ｂによって多孔支持基板２０を加熱することができる。なお、被覆層１１は、発電部１０どうしを電気的に接続していればよいため、多孔支持基板２０の一方の主面の一部のみを覆っていてもよく、多孔支持基板２０の側面を覆っていなくてもよい。   Further, the coating layer 11 may be formed on one main surface of the porous support substrate 20 so as to electrically connect two or more power generation units 10 on one main surface of the porous support substrate 20. In this case, on one main surface of the porous support substrate 20, the conductive path of the power generation unit 10 → the coating layer 11 (intermediate layer 11 </ b> B) → the power generation unit 10 is formed. can do. In addition, since the coating layer 11 should just electrically connect the electric power generation parts 10, it may cover only one main surface of the porous support substrate 20, and the side surface of the porous support substrate 20 may be covered. It does not have to be covered.

１０ 発電部
１１ 被覆層
１１Ａ 緻密シール層
１１Ｂ 中間層
２０ 多孔支持基板
１００ ：燃料電池スタック
１０１ ：第１接合材
２００ ：マニホールド
３０１ ：燃料電池 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Power generation part 11 Cover layer 11A Dense sealing layer 11B Intermediate layer 20 Porous support substrate 100: Fuel cell stack 101: First bonding material 200: Manifold 301: Fuel cell

Claims (1)

金属材料によって構成され、貫通孔を有するマニホールドと、
接合材を介して前記貫通孔に基端部が固定される横縞型の固体酸化物型燃料電池と、
を備え、
前記燃料電池は、
内部にガス流路を有する絶縁性の多孔支持基板と、
前記多孔支持基板上に配置される少なくとも１つの発電部と、
前記多孔支持基板の外表面の少なくとも一部を覆う絶縁性の緻密シール層と、
前記緻密シール層と前記多孔支持基板との間に介挿され、前記発電部と電気的に接続されて導電経路を形成する中間層と、
前記発電部と電気的に接続される集電部材と、
を有し、
前記中間層の導電率は、前記多孔支持基板及び前記緻密シール層それぞれの導電率よりも高く、
前記中間層は、微弱電流が流れるとジュール効果によって発熱して前記多孔支持基板を加熱し、
前記集電部材は、前記マニホールドの前記発電部側に配置され、
前記接合材は、前記マニホールドと前記緻密シール層とを接合する、
燃料電池スタック。 A manifold made of a metal material and having a through hole;
A horizontally-striped solid oxide fuel cell having a base end fixed to the through-hole via a bonding material;
With
The fuel cell
An insulating porous support substrate having a gas flow path therein;
At least one power generation unit disposed on the porous support substrate;
An insulating dense seal layer covering at least part of the outer surface of the porous support substrate;
Wherein interposed between the dense sealing layer and the porous supporting substrate, an intermediate layer that to form the power generation unit electrically connected to a conductive path,
A current collecting member electrically connected to the power generation unit;
Have
The conductivity of the intermediate layer is higher than the conductivity of each of the porous support substrate and the dense seal layer,
The intermediate layer generates heat by the Joule effect when a weak current flows to heat the porous support substrate,
The current collecting member is disposed on the power generation unit side of the manifold,
The bonding material bonds the manifold and the dense seal layer,
Fuel cell stack.
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