JP7366090B2 - Method of manufacturing the composite - Google Patents
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Description
本明細書によって開示される技術は、複合体の製造方法に関する。 The technology disclosed herein relates to a method for manufacturing a composite.
水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池の種類の1つとして、固体電解質層を備える燃料電池(以下、「SOFC」という)が知られている。SOFCの最小構成単位である燃料電池単セル(以下、単に「単セル」という)は、電解質層と、電解質層を挟んで所定の方向(以下、「第1の方向」という)に互いに対向する空気極および燃料極とを含む。 A fuel cell including a solid electrolyte layer (hereinafter referred to as "SOFC") is known as one type of fuel cell that generates power using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. A fuel cell single cell (hereinafter simply referred to as a "single cell"), which is the smallest structural unit of SOFC, faces an electrolyte layer in a predetermined direction (hereinafter referred to as "first direction") with the electrolyte layer in between. It includes an air electrode and a fuel electrode.
SOFCの製造方法には、例えば電解質層に対して、スクリーン印刷を行うことにより、空気極や燃料極(以下、「電極層」という)となる印刷パターンを形成する工程が含まれる。この工程において、印刷パターンの周縁部が盛り上がる、いわゆるサドル現象が発生することがある。サドル現象が生じた印刷パターンを焼成すると、周縁部に中央部よりも盛り上がった凸部を有する電極層が形成される。このような凸部を有する電極層を備える単セルを複数用いて燃料電池スタックを構成すると、電極層の凸部が他の部材(例えば集電部材)に押圧されることにより過度に応力が集中し、その結果、例えば単セル等が損傷するおそれがある。 The SOFC manufacturing method includes a step of forming a printed pattern that will become an air electrode or a fuel electrode (hereinafter referred to as an "electrode layer") by, for example, screen printing an electrolyte layer. In this process, the so-called saddle phenomenon, in which the peripheral edge of the printed pattern swells, may occur. When the printed pattern in which the saddle phenomenon has occurred is fired, an electrode layer having convex portions on the periphery that are higher than the center portion is formed. When a fuel cell stack is constructed using a plurality of single cells each having an electrode layer having such a convex portion, stress may be excessively concentrated due to the convex portion of the electrode layer being pressed against another member (for example, a current collecting member). However, as a result, there is a risk that, for example, a single cell or the like may be damaged.
そこで、従来から、スクリーン印刷により印刷パターンを形成して焼成した後に、印刷パターンの表面をレーザ加工によって研削して上記凸部を除去する技術が知られている(例えば特許文献1参照)。 Therefore, a technique is conventionally known in which a printed pattern is formed by screen printing and fired, and then the surface of the printed pattern is ground by laser processing to remove the convex portions (for example, see Patent Document 1).
レーザ加工により凸部を切削する従来の技術では、例えば、レーザ加工に要する時間分だけSOFCの製造時間が長期化したり、レーザ加工時に発生する研削屑の付着等による単セルの品質低下を招いたりするなどの問題を生じるおそれがある、そのため、この従来の技術の代替技術、あるいは、この従来の技術と併用して使用される技術の開発など、更なる改良の余地があった。 With the conventional technology of cutting convex parts by laser processing, for example, the manufacturing time of the SOFC becomes longer due to the time required for laser processing, and the quality of the single cell deteriorates due to adhesion of grinding debris generated during laser processing. Therefore, there is room for further improvement, such as the development of an alternative technology to this conventional technique or a technique that can be used in combination with this conventional technique.
なお、このような課題は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形の電解セル(以下、「SOEC」という。)の構成単位である電解単セルにも共通の課題である。なお、本明細書では、燃料電池単セルと電解単セルとをまとめて電気化学反応単セルと呼ぶ。また、このような問題は、電極層となる印刷パターンを形成する場合に限らず、電気化学反応単セルを、少なくとも含む複合体の構成要素となる印刷パターンを形成する場合にも共通の課題である。 These issues are also common to single electrolytic cells, which are the constituent units of solid oxide electrolytic cells (hereinafter referred to as "SOEC"), which generate hydrogen using the electrolysis reaction of water. This is a challenge. Note that, in this specification, a single fuel cell cell and a single electrolytic cell are collectively referred to as an electrochemical reaction single cell. In addition, such problems are common not only when forming a printed pattern that becomes an electrode layer, but also when forming a printed pattern that becomes a component of a composite that includes at least an electrochemical reaction single cell. be.
本明細書では、上述した課題の少なくとも一部を解決することが可能な技術を開示する。 This specification discloses a technique that can solve at least part of the above-mentioned problems.
本明細書に開示される技術は、例えば、以下の形態として実現することが可能である。 The technology disclosed in this specification can be realized, for example, as the following form.
(1)本明細書に開示される複合体の製造方法は、固体電解質層と、前記固体電解質層を挟んで互いに対向する空気極および燃料極と、を備える電気化学反応単セルを、少なくとも含む複合体の製造方法において、少なくとも一部に平坦状の表面を有する下地部材を準備する工程と、前記下地部材を、前記下地部材の前記平坦状の表面における所定の印刷領域の周縁部の位置が前記印刷領域の中央部の位置より高い変形姿勢にする工程と、前記変形姿勢の前記下地部材における前記印刷領域に対して、スクリーン印刷を行うことにより、前記下地部材の前記印刷領域に前記複合体の一部を構成する所定の印刷パターンを形成する工程と、を含む。 (1) The method for manufacturing a composite disclosed herein includes at least an electrochemical reaction single cell including a solid electrolyte layer, and an air electrode and a fuel electrode facing each other with the solid electrolyte layer in between. In the method for manufacturing a composite, the step of preparing a base member having a flat surface at least in part; The step of setting the printing area in a deformed position higher than the central position of the printing area, and performing screen printing on the printing area of the base member in the deformed position, allows the composite material to be applied to the printing area of the base member. forming a predetermined printing pattern forming a part of the printing pattern.
本複合体の製造方法では、下地部材が、該下地部材における印刷領域の周縁部の位置が印刷領域の中央部の位置より高い変形姿勢にされる。そして、その変形姿勢の下地部材における印刷領域に対してスクリーン印刷が行われ、所定の印刷パターンが下地部材における印刷領域に形成される。その結果、印刷パターンの周縁部に、いわゆるサドル現象が発生し得る。しかし、印刷パターンが形成された下地部材が変形姿勢から変形前の姿勢に復帰すると、それに伴って、印刷パターンの周縁部の高さが低くなる。したがって、本複合体の製造方法によれば、サドル現象に起因する印刷パターンの周縁部の盛り上がりの影響が抑制された複合体を製造することができる。 In the present method for manufacturing a composite, the base member is brought into a deformed position in which the peripheral edge of the print area on the base member is higher than the center of the print area. Then, screen printing is performed on the printing area on the base member in the deformed position, and a predetermined printing pattern is formed on the printing area on the base member. As a result, a so-called saddle phenomenon may occur at the periphery of the printed pattern. However, when the base member on which the printed pattern is formed returns from the deformed position to the pre-deformed position, the height of the peripheral edge of the printed pattern decreases accordingly. Therefore, according to the present method for manufacturing a composite, it is possible to manufacture a composite in which the influence of the swelling of the peripheral edge of the printed pattern caused by the saddle phenomenon is suppressed.
(2)上記複合体の製造方法において、前記下地部材を、平坦状の配置面上に配置し、かつ、前記下地部材と、前記配置面との間にスペーサを挟むことにより、前記変形姿勢にする構成としてもよい。本複合体の製造方法によれば、スペーサを用いるという比較的に簡単な方法により、下地部材を変形姿勢にすることができる。 (2) In the above method for manufacturing a composite, the base member is arranged on a flat arrangement surface, and a spacer is sandwiched between the base member and the arrangement surface, so that the deformed posture is achieved. It is also possible to have a configuration in which According to the method for manufacturing the present composite body, the base member can be brought into a deformed position by a relatively simple method of using a spacer.
(3)上記複合体の製造方法において、鉛直方向視で、前記スペーサの少なくとも一部は、前記下地部材のうち前記印刷領域の前記周縁部に重なっており、前記スペーサの水平方向の幅は4mm以上、10mm以下であり、前記スペーサの鉛直方向の厚さは0.05mm以上、0.1mm以下である構成としてもよい。本複合体の製造方法によれば、変形姿勢の下地部材における印刷領域を比較的に緩やかな曲面にすることができる。このため、変形姿勢の下地部材に与える負荷が低減され、例えば下地部材の損傷等を抑制することができる。 (3) In the method for manufacturing a composite, at least a portion of the spacer overlaps with the peripheral edge of the printing area of the base member, and the width of the spacer in the horizontal direction is 4 mm when viewed in the vertical direction. The thickness may be 10 mm or less, and the vertical thickness of the spacer may be 0.05 mm or more and 0.1 mm or less. According to the method for manufacturing the present composite, the printing area on the base member in the deformed position can be made into a relatively gently curved surface. Therefore, the load applied to the base member in the deformed state is reduced, and for example, damage to the base member can be suppressed.
(4)上記複合体の製造方法において、前記変形姿勢の前記下地部材の外周側に、前記スクリーン印刷の際に用いられるスクリーン印刷板に面接触する受け面を有する補助部材を配置した状態で、前記下地部材における前記印刷領域に対して前記スクリーン印刷を行う構成としてもよい。本複合体の製造方法では、スクリーン印刷において、変形姿勢の前記下地部材の外周側に配置された補助部材の受け面が、スクリーン印刷板に面接触するため、スクリーン印刷板からの押圧力が該受け面に分散される。これにより、本複合体の製造方法によれば、スクリーン印刷板からの押圧力が変形姿勢の下地部材に集中して損傷することを抑制することができる。 (4) In the method for manufacturing the composite, an auxiliary member having a receiving surface that makes surface contact with the screen printing plate used in the screen printing is arranged on the outer peripheral side of the base member in the deformed posture, The screen printing may be performed on the printing area on the base member. In the manufacturing method of this composite, in screen printing, the receiving surface of the auxiliary member disposed on the outer peripheral side of the base member in a deformed posture comes into surface contact with the screen printing plate, so that the pressing force from the screen printing plate is applied to the screen printing plate. distributed on the receiving surface. Thereby, according to the method for manufacturing the present composite, it is possible to prevent the pressing force from the screen printing plate from concentrating on the base member in the deformed position and damaging it.
(5)上記複合体の製造方法において、前記印刷パターンが形成された前記下地部材を焼成する工程を含み、その焼成後、前記下地部材が変形前の姿勢に復帰した状態の前記印刷パターンの前記中央部と前記周縁部との高低差は±5μm以内であるとしてもよい。本複合体の製造方法によれば、焼成後、下地部材が変形前の姿勢に復帰した状態の印刷パターンの中央部と周縁部との高低差が±5μm以内でない場合に比べて、サドル現象に起因する印刷パターンの周縁部の盛り上がりの影響が、より効果的に抑制される。 (5) The method for manufacturing a composite body includes the step of firing the base member on which the printed pattern is formed, and after the firing, the base member has returned to its pre-deformation position. The height difference between the central portion and the peripheral portion may be within ±5 μm. According to the manufacturing method of the present composite, the saddle phenomenon is less likely to occur than when the difference in height between the central part and the peripheral part of the printed pattern is not within ±5 μm when the underlying member has returned to its pre-deformation position after firing. The influence of the resulting swelling of the peripheral edge of the printed pattern is more effectively suppressed.
なお、本明細書に開示される技術は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、電気化学反応単セル(燃料電池単セルまたは電解単セル)、電気化学反応単セルを有する電気化学反応単位を複数備える電気化学反応セルスタック(燃料電池スタックまたは電解セルスタック)、それらの製造方法等の形態で実現することが可能である。 Note that the technology disclosed in this specification can be realized in various forms, for example, an electrochemical reaction single cell (a fuel cell single cell or an electrolytic single cell), an electric cell having an electrochemical reaction single cell, etc. It can be realized in the form of an electrochemical reaction cell stack (fuel cell stack or electrolytic cell stack) including a plurality of chemical reaction units, a method for manufacturing them, and the like.
A.実施形態:
A-1.構成:
(燃料電池スタック100の構成)
図1は、本実施形態における燃料電池スタック100の外観構成を示す斜視図であり、図2は、図1のII-IIの位置における燃料電池スタック100のXZ断面構成を示す説明図であり、図3は、図1のIII-IIIの位置における燃料電池スタック100のYZ断面構成を示す説明図である。各図には、方向を特定するための互いに直交するXYZ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Z軸正方向を上方向と呼び、Z軸負方向を下方向と呼ぶものとするが、燃料電池スタック100は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。図4以降についても同様である。なお、上下方向は、特許請求の範囲における第1の方向の一例である。
A. Embodiment:
A-1. composition:
(Configuration of fuel cell stack 100)
FIG. 1 is a perspective view showing an external configuration of a
燃料電池スタック100は、複数の(本実施形態では7つの)発電単位102と、一対のエンドプレート104,106とを備える。7つの発電単位102は、所定の配列方向(本実施形態では上下方向)に並べて配置されている。一対のエンドプレート104,106は、7つの発電単位102から構成される集合体を上下から挟むように配置されている。
The
燃料電池スタック100を構成する各層(発電単位102、エンドプレート104,106)のZ軸方向回りの周縁部には、上下方向に貫通する複数の(本実施形態では8つの)孔が形成されており、各層に形成され互いに対応する孔同士が上下方向に連通して、一方のエンドプレート104から他方のエンドプレート106にわたって上下方向に延びる連通孔108を構成している。以下の説明では、連通孔108を構成するために燃料電池スタック100の各層に形成された孔も、連通孔108と呼ぶ場合がある。
A plurality of holes (eight in this embodiment) that penetrate in the vertical direction are formed in the peripheral edge of each layer (
各連通孔108には上下方向に延びるボルト22が挿通されており、ボルト22とボルト22の両側に嵌められたナット24とによって、燃料電池スタック100は締結されている。なお、図2および図3に示すように、ボルト22の一方の側(上側)に嵌められたナット24と燃料電池スタック100の上端を構成するエンドプレート104の上側表面との間、および、ボルト22の他方の側(下側)に嵌められたナット24と燃料電池スタック100の下端を構成するエンドプレート106の下側表面との間には、絶縁シート26が介在している。ただし、後述のガス通路部材27が設けられた箇所では、ナット24とエンドプレート106の表面との間に、ガス通路部材27とガス通路部材27の上側および下側のそれぞれに配置された絶縁シート26とが介在している。絶縁シート26は、例えばマイカシートや、セラミック繊維シート、セラミック圧粉シート、ガラスシート、ガラスセラミック複合剤等により構成される。
A
各ボルト22の軸部の外径は各連通孔108の内径より小さい。そのため、各ボルト22の軸部の外周面と各連通孔108の内周面との間には、空間が確保されている。図1および図2に示すように、燃料電池スタック100のZ軸方向回りの外周における1つの辺(Y軸に平行な2つの辺の内のX軸正方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22A)と、そのボルト22Aが挿通された連通孔108とにより形成された空間は、燃料電池スタック100の外部から酸化剤ガスOGが導入され、その酸化剤ガスOGを各発電単位102に供給するガス流路である酸化剤ガス導入マニホールド161として機能し、該辺の反対側の辺(Y軸に平行な2つの辺の内のX軸負方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22B)と、そのボルト22Bが挿通された連通孔108とにより形成された空間は、各発電単位102の空気室166から排出されたガスである酸化剤オフガスOOGを燃料電池スタック100の外部へと排出する酸化剤ガス排出マニホールド162として機能する。なお、本実施形態では、酸化剤ガスOGとして、例えば空気が使用される。
The outer diameter of the shaft portion of each
また、図1および図3に示すように、燃料電池スタック100のZ軸方向回りの外周における1つの辺(X軸に平行な2つの辺の内のY軸正方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22D)と、そのボルト22Dが挿通された連通孔108とにより形成された空間は、燃料電池スタック100の外部から燃料ガスFGが導入され、その燃料ガスFGを各発電単位102に供給する燃料ガス導入マニホールド171として機能し、該辺の反対側の辺(X軸に平行な2つの辺の内のY軸負方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22E)と、そのボルト22Eが挿通された連通孔108とにより形成された空間は、各発電単位102の燃料室176から排出されたガスである燃料オフガスFOGを燃料電池スタック100の外部へと排出する燃料ガス排出マニホールド172として機能する。なお、本実施形態では、燃料ガスFGとして、例えば都市ガスを改質した水素リッチなガスが使用される。
Further, as shown in FIGS. 1 and 3, the midpoint of one side (the side in the positive Y-axis direction of the two sides parallel to the X-axis) on the outer periphery of the
燃料電池スタック100には、4つのガス通路部材27が設けられている。各ガス通路部材27は、中空筒状の本体部28と、本体部28の側面から分岐した中空筒状の分岐部29とを有している。分岐部29の孔は本体部28の孔と連通している。各ガス通路部材27の分岐部29には、ガス配管(図示せず)が接続される。また、図2に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド161を形成するボルト22Aの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、酸化剤ガス導入マニホールド161に連通しており、酸化剤ガス排出マニホールド162を形成するボルト22Bの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、酸化剤ガス排出マニホールド162に連通している。また、図3に示すように、燃料ガス導入マニホールド171を形成するボルト22Dの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、燃料ガス導入マニホールド171に連通しており、燃料ガス排出マニホールド172を形成するボルト22Eの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、燃料ガス排出マニホールド172に連通している。
The
(エンドプレート104,106の構成)
一対のエンドプレート104,106は、Z軸方向視で略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばステンレスにより形成されている。一方のエンドプレート104は、最も上に位置する発電単位102の上側に配置され、他方のエンドプレート106は、最も下に位置する発電単位102の下側に配置されている。一対のエンドプレート104,106によって複数の発電単位102が押圧された状態で挟持されている。上側のエンドプレート104は、燃料電池スタック100のプラス側の出力端子として機能し、下側のエンドプレート106は、燃料電池スタック100のマイナス側の出力端子として機能する。
(Configuration of
The pair of
(発電単位102の構成)
図4は、図2に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のXZ断面構成を示す説明図であり、図5は、図3に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のYZ断面構成を示す説明図である。
(Configuration of power generation unit 102)
FIG. 4 is an explanatory diagram showing the XZ cross-sectional structure of two
図4および図5に示すように、発電単位102は、単セル110と、セパレータ120と、空気極側フレーム130と、空気極側集電体134と、燃料極側フレーム140と、燃料極側集電体144と、発電単位102の最上層および最下層を構成する一対のインターコネクタ150とを備えている。セパレータ120、空気極側フレーム130、燃料極側フレーム140、インターコネクタ150におけるZ軸方向回りの周縁部には、上述したボルト22が挿通される連通孔108に対応する孔が形成されている。
As shown in FIGS. 4 and 5, the
インターコネクタ150は、Z軸方向視で略矩形の平板形状の導電性部材であり、Crを含む材料、例えばフェライト系ステンレスにより形成されている。インターコネクタ150は、発電単位102間の電気的導通を確保すると共に、発電単位102間での反応ガスの混合を防止する。なお、本実施形態では、2つの発電単位102が隣接して配置されている場合、1つのインターコネクタ150は、隣接する2つの発電単位102に共有されている。すなわち、ある発電単位102における上側のインターコネクタ150は、その発電単位102の上側に隣接する他の発電単位102における下側のインターコネクタ150と同一部材である。また、燃料電池スタック100は一対のエンドプレート104,106を備えているため、燃料電池スタック100において最も上に位置する発電単位102は上側のインターコネクタ150を備えておらず、最も下に位置する発電単位102は下側のインターコネクタ150を備えていない(図2および図3参照)。
The
単セル110は、電解質層112と、電解質層112に対して上側に配置された空気極(カソード)114と、電解質層112に対して下側に配置された燃料極(アノード)116と、電解質層112と空気極114との間に配置された中間層180とを備える。なお、本実施形態の単セル110は、燃料極116によって単セル110を構成する他の層(電解質層112、空気極114、中間層180)を支持する燃料極支持形の単セルである。
The
電解質層112は、Z軸方向視で略矩形の平板形状部材であり、緻密な(気孔率が低い)層である。電解質層112は、固体酸化物(例えば、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、ScSZ(スカンジア安定化ジルコニア)、CSZ(カルシア安定化ジルコニア))を含んでいる。このように、本実施形態の単セル110は、電解質として固体酸化物を用いる固体酸化物形燃料電池(SOFC)である。
The
空気極114は、Z軸方向視で電解質層112より小さい略矩形の平板形状部材であり、気孔率が電解質層112の気孔率よりも高い多孔質な層である。空気極114は、ABO3で表されるペロブスカイト型酸化物(例えば、ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物(LSCF)、ランタンストロンチウム鉄酸化物(LSF)、ランタンストロンチウムコバルト酸化物(LSC)、ランタンストロンチウムマンガン酸化物(LSM)、ランタンニッケル鉄酸化物(LNF)等)を含有している。
The
燃料極116は、Z軸方向視で電解質層112と略同一の大きさの略矩形の平板形状部材であり、気孔率が電解質層112の気孔率よりも高い多孔質な層である。なお図示しないが、本実施形態では、燃料極116は、燃料極116における下方側の表面を構成する基板層と、基板層と電解質層112との間に位置する機能層とを備える。燃料極116の機能層は、主として、電解質層112から供給される酸素イオンと燃料ガスFGに含まれる水素等とを反応させて、電子と水蒸気とを生成する機能を発揮する層であり、電子伝導性物質であるNiと、酸素イオンイオン伝導性酸化物(例えば、YSZ)とを含んでいる。また、燃料極116の基板層は、主として、機能層と電解質層112と空気極114とを支持する機能を発揮する層であり、電子伝導性物質であるNiと、酸素イオン伝導性酸化物(例えば、YSZ)とを含んでいる。
The
中間層(反応防止層)180は、Z軸方向視で略矩形の平板形状部材である。中間層180は、例えば、SDC(サマリウムドープセリア)、GDC(ガドリニウムドープセリア)、LDC(ランタンドープセリア)、YDC(イットリウムドープセリア)等のイオン伝導性を有する固体酸化物により形成されている。
The intermediate layer (reaction prevention layer) 180 is a flat plate-shaped member that is approximately rectangular when viewed in the Z-axis direction. The
セパレータ120は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔121が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。セパレータ120における孔121の周囲部分は、電解質層112における空気極114の側の表面の周縁部に対向している。セパレータ120は、その対向した部分に配置されたロウ材(例えばAgロウ)により形成された接合部124により、電解質層112(単セル110)と接合されている。セパレータ120により、空気極114に面する空気室166と燃料極116に面する燃料室176とが区画され、単セル110の周縁部における一方の電極側から他方の電極側へのガスのリークが抑制される。
The
空気極側フレーム130は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔131が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、マイカ等の絶縁体により形成されている。空気極側フレーム130の孔131は、空気極114に面する空気室166を構成する。空気極側フレーム130は、セパレータ120における電解質層112に対向する側とは反対側の表面の周縁部と、インターコネクタ150における空気極114に対向する側の表面の周縁部とに接触している。また、空気極側フレーム130によって、発電単位102に含まれる一対のインターコネクタ150間が電気的に絶縁される。また、空気極側フレーム130には、酸化剤ガス導入マニホールド161と空気室166とを連通する酸化剤ガス供給連通孔132と、空気室166と酸化剤ガス排出マニホールド162とを連通する酸化剤ガス排出連通孔133とが形成されている。
The air
燃料極側フレーム140は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔141が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。燃料極側フレーム140の孔141は、燃料極116に面する燃料室176を構成する。燃料極側フレーム140は、セパレータ120における電解質層112に対向する側の表面の周縁部と、インターコネクタ150における燃料極116に対向する側の表面の周縁部とに接触している。また、燃料極側フレーム140には、燃料ガス導入マニホールド171と燃料室176とを連通する燃料ガス供給連通孔142と、燃料室176と燃料ガス排出マニホールド172とを連通する燃料ガス排出連通孔143とが形成されている。
The fuel
燃料極側集電体144は、燃料室176内に配置されている。燃料極側集電体144は、インターコネクタ対向部146と、電極対向部145と、電極対向部145とインターコネクタ対向部146とをつなぐ連接部147とを備えており、例えば、ニッケルやニッケル合金、ステンレス等により形成されている。電極対向部145は、燃料極116における電解質層112に対向する側とは反対側の表面に接触しており、インターコネクタ対向部146は、インターコネクタ150における燃料極116に対向する側の表面に接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック100において最も下に位置する発電単位102は下側のインターコネクタ150を備えていないため、当該発電単位102におけるインターコネクタ対向部146は、下側のエンドプレート106に接触している。燃料極側集電体144は、このような構成であるため、燃料極116とインターコネクタ150(またはエンドプレート106)とを電気的に接続する。なお、電極対向部145とインターコネクタ対向部146との間には、例えばマイカにより形成されたスペーサ149が配置されている。そのため、燃料極側集電体144が温度サイクルや反応ガス圧力変動による発電単位102の変形に追随し、燃料極側集電体144を介した燃料極116とインターコネクタ150(またはエンドプレート106)との電気的接続が良好に維持される。
The fuel electrode side
空気極側集電体134は、空気室166内に配置されている。空気極側集電体134は、複数の略四角柱状の集電体要素135から構成されており、Crを含む材料、例えば、フェライト系ステンレスにより形成されている。空気極側集電体134は、空気極114における電解質層112に対向する側とは反対側の表面と、インターコネクタ150における空気極114に対向する側の表面とに接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック100において最も上に位置する発電単位102は上側のインターコネクタ150を備えていないため、当該発電単位102における空気極側集電体134は、上側のエンドプレート104に接触している。空気極側集電体134は、このような構成であるため、空気極114とインターコネクタ150(またはエンドプレート104)とを電気的に接続する。空気極114と空気極側集電体134との間に、両者を接合する導電性の接合層が介在していてもよい。なお、空気極側集電体134とインターコネクタ150とが一体の部材として構成されてもよい。
The air electrode side
A-2.燃料電池スタック100の動作:
図2および図4に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド161の位置に設けられたガス通路部材27の分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して酸化剤ガスOGが供給されると、酸化剤ガスOGは、ガス通路部材27の分岐部29および本体部28の孔を介して酸化剤ガス導入マニホールド161に供給され、酸化剤ガス導入マニホールド161から各発電単位102の酸化剤ガス供給連通孔132を介して、空気室166に供給される。また、図3および図5に示すように、燃料ガス導入マニホールド171の位置に設けられたガス通路部材27の分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して燃料ガスFGが供給されると、燃料ガスFGは、ガス通路部材27の分岐部29および本体部28の孔を介して燃料ガス導入マニホールド171に供給され、燃料ガス導入マニホールド171から各発電単位102の燃料ガス供給連通孔142を介して、燃料室176に供給される。
A-2. Operation of fuel cell stack 100:
As shown in FIGS. 2 and 4, the oxidizing gas OG is supplied through a gas pipe (not shown) connected to the
各発電単位102の空気室166に酸化剤ガスOGが供給され、燃料室176に燃料ガスFGが供給されると、単セル110において酸化剤ガスOGおよび燃料ガスFGの電気化学反応による発電が行われる。この発電反応は発熱反応である。各発電単位102において、単セル110の空気極114は空気極側集電体134を介して一方のインターコネクタ150に電気的に接続され、燃料極116は燃料極側集電体144を介して他方のインターコネクタ150に電気的に接続されている。また、燃料電池スタック100に含まれる複数の発電単位102は、電気的に直列に接続されている。そのため、燃料電池スタック100の出力端子として機能するエンドプレート104,106から、各発電単位102において生成された電気エネルギーが取り出される。なお、SOFCは、比較的高温(例えば700℃から1000℃)で発電が行われることから、起動後、発電により発生する熱で高温が維持できる状態になるまで、燃料電池スタック100が加熱器(図示せず)により加熱されてもよい。
When the oxidant gas OG is supplied to the
各発電単位102の空気室166から排出された酸化剤オフガスOOGは、図2および図4に示すように、酸化剤ガス排出連通孔133を介して酸化剤ガス排出マニホールド162に排出され、さらに酸化剤ガス排出マニホールド162の位置に設けられたガス通路部材27の本体部28および分岐部29の孔を経て、当該分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して燃料電池スタック100の外部に排出される。また、各発電単位102の燃料室176から排出された燃料オフガスFOGは、図3および図5に示すように、燃料ガス排出連通孔143を介して燃料ガス排出マニホールド172に排出され、さらに燃料ガス排出マニホールド172の位置に設けられたガス通路部材27の本体部28および分岐部29の孔を経て、当該分岐部29に接続されたガス配管(図示しない)を介して燃料電池スタック100の外部に排出される。
As shown in FIGS. 2 and 4, the oxidant off-gas OOG discharged from the
A-3.燃料電池スタック100の製造方法:
本実施形態の燃料電池スタック100の製造方法は、例えば以下の通りである。
A-3. Method for manufacturing fuel cell stack 100:
The method for manufacturing the
(電解質層112と燃料極116との積層体の形成)
YSZ粉末に対して、ブチラール樹脂と、可塑剤であるフタル酸ジオクチル(DOP)と、分散剤と、トルエンとエタノールとの混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調製する。得られたスラリーをドクターブレード法により薄膜化して、所定の厚さ(例えば約6μm)の電解質層用グリーンシートを得る。また、NiO粉末とYSZ粉末との混合粉末に対して、造孔材である有機ビーズと、ブチラール樹脂と、可塑剤であるDOPと、分散剤と、トルエンとエタノールとの混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調製する。得られたスラリーをドクターブレード法により薄膜化して、所定の厚さ(例えば約400μm)の燃料極基板層用グリーンシートを得る。また、NiO粉末とYSZ粉末との混合粉末に対して、ブチラール樹脂と、可塑剤であるDOPと、分散剤と、トルエンとエタノールとの混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調製する。得られたスラリーをドクターブレード法により薄膜化して、所定の厚さ(例えば約11μm)の燃料極機能層用グリーンシートを得る。各グリーンシートを貼り付けて圧着することにより、燃料極基板層用グリーンシートと燃料極機能層用グリーンシートと電解質層用グリーンシートとがこの順で積層された成形体を得る。
(Formation of laminate of
A butyral resin, a plasticizer dioctyl phthalate (DOP), a dispersant, and a mixed solvent of toluene and ethanol are added to the YSZ powder and mixed in a ball mill to prepare a slurry. The obtained slurry is made into a thin film by a doctor blade method to obtain a green sheet for an electrolyte layer having a predetermined thickness (for example, about 6 μm). In addition, organic beads as a pore-forming material, butyral resin, DOP as a plasticizer, a dispersant, and a mixed solvent of toluene and ethanol were added to the mixed powder of NiO powder and YSZ powder. Mix in a ball mill to prepare a slurry. The obtained slurry is made into a thin film by a doctor blade method to obtain a green sheet for a fuel electrode substrate layer having a predetermined thickness (for example, about 400 μm). In addition, butyral resin, DOP as a plasticizer, a dispersant, and a mixed solvent of toluene and ethanol were added to the mixed powder of NiO powder and YSZ powder, and the mixture was mixed in a ball mill to form a slurry. Prepare. The obtained slurry is made into a thin film by a doctor blade method to obtain a green sheet for a fuel electrode functional layer having a predetermined thickness (for example, about 11 μm). By pasting and press-bonding each green sheet, a molded body in which a fuel electrode substrate layer green sheet, a fuel electrode functional layer green sheet, and an electrolyte layer green sheet are laminated in this order is obtained.
次に、上記成形体を、所定の温度(例えば約280℃)で脱脂した後、所定の温度(例えば約1350℃)で所定の時間(例えば約1時間)焼成を行う。これにより、電解質層112と燃料極116との積層体を得る。
Next, the molded body is degreased at a predetermined temperature (for example, about 280° C.), and then fired at a predetermined temperature (for example, about 1350° C.) for a predetermined time (for example, about 1 hour). As a result, a laminate of the
(中間層180の形成)
GDC粉末に、有機バインダとしてのポリビニルアルコールと、有機溶媒としてのブチルカルビトールとを加えて混合し、粘度を調整して中間層用ペーストを調製する。得られた中間層用ペーストを、上述した積層体における電解質層112の表面に、例えばスクリーン印刷によって塗布し、所定の温度(例えば1200℃)で焼成を行う。これにより、中間層180が形成され、中間層180と電解質層112と燃料極116との積層体を得る。以下、この積層体を「ハーフセル110P」という。ハーフセル110Pは、特許請求の範囲における「下地部材」の一例であり、上記「電解質層112と燃料極116との積層体の形成」および「中間層180の形成」は、特許請求の範囲における「下地部材を準備する工程」の一例である。
(Formation of intermediate layer 180)
Polyvinyl alcohol as an organic binder and butyl carbitol as an organic solvent are added and mixed to the GDC powder, and the viscosity is adjusted to prepare a paste for the intermediate layer. The obtained intermediate layer paste is applied to the surface of the
(空気極114の形成)
ペロブスカイト型酸化物(例えばLSCF)の粉末と硫酸塩(例えばSrSO4)の粉末との混合粉末を準備し、該混合粉末に対し、有機バインダとしてのポリビニルアルコールと、有機溶媒としてのブチルカルビトールとを加えて混合し、粘度を調整することにより、空気極用ペーストを調製する。得られた空気極用ペーストを、ハーフセル110Pにおける中間層180の表面に、スクリーン印刷によって塗布して印刷パターン114Pを形成する。
(Formation of air electrode 114)
A mixed powder of a perovskite oxide (for example, LSCF) powder and a sulfate (for example, SrSO 4 ) powder is prepared, and polyvinyl alcohol as an organic binder and butyl carbitol as an organic solvent are added to the mixed powder. A paste for the air electrode is prepared by adding and mixing and adjusting the viscosity. The obtained air electrode paste is applied to the surface of the
以下、印刷パターン114Pをハーフセル110Pに形成するための工程について詳しく説明する。図6は、本実施形態におけるスクリーン印刷で使用される支持部材200とスペーサ300と補助部材400とを示す説明図である。図6(B)には、支持部材200の上面構成が示されており、図6(A)には、図6(B)におけるA-Aの位置における支持部材200のXZ断面構成が示されている。
Hereinafter, the process for forming the
まず、図6に示すように、支持部材200は、周壁部210と配置部220とを備えている。配置部220は、矩形平板状の部分であり、平坦状の配置面222を有している。周壁部210は、配置部220の周囲を囲むように配置された矩形枠状の部分である。周壁部210の上端部は、配置部220の配置面222よりも上方に突出している。なお、本実施形態では、配置部220の外周面が周壁部210の内周面212に接触するように配置されている。
First, as shown in FIG. 6, the
配置部220の配置面222上には、スペーサ300が配置されている。スペーサ300の上下方向視での形状は、矩形の枠状である(図6(B)参照)。スペーサ300の外形のサイズは、支持部材200の周壁部210内に収容可能なサイズである。スペーサ300の上下方向の厚さD1は、スペーサ300の水平方向の幅D2よりも小さい。すなわち、スペーサ300は、上下方向に薄い扁平状である(図6(A)参照)。本実施形態では、スペーサ300の外周面が支持部材200の周壁部210の内周面212に接触するように配置されている。なお、スペーサ300は、上下方向視で、配置面222における周縁部寄りの位置に配置されていることが好ましい。また、上下方向視で、スペーサ300の幅D2は、配置面222の中心から配置面222の周縁部までの最短距離の1/2以下であることが好ましく、最短距離の1/4以下であることが好ましく、最短距離の1/8以下であることが好ましい。
A
配置部220の周壁部210の上面214には、補助部材400が配置されている。補助部材400の上下方向視での形状は、矩形の枠状である(図6(B)参照)。補助部材400の内周側のサイズは、周壁部210の上面214の内周縁のサイズ以上であり、かつ、周壁部210の上面214の外周縁のサイズ以下である。補助部材400の上下方向の厚さD3は、補助部材400の水平方向の幅D4よりも小さい。すなわち、補助部材400は、上下方向に薄い扁平状である(図6(A)参照)。
An
図7は、ハーフセル110Pに印刷パターン114Pを形成するための工程を示す説明図である。図7(A)には、支持部材200に支持されたハーフセル110Pとスクリーン印刷板230とスキージ240とが示されている。スクリーン印刷板230は、版枠232と、スクリーンメッシュ234とを有している。版枠232は、開口部を有する枠状体であり、その開口部を塞ぐようにスクリーンメッシュ234が張られている。
FIG. 7 is an explanatory diagram showing a process for forming a
まず、図7(A)に示すように、ハーフセル110Pを、支持部材200の配置面222上に配置する。ここで、上述したように、支持部材200の配置面222上にスペーサ300が配置されているため、ハーフセル110Pの周縁部と配置面222との間にスペーサ300が介在することになる。その結果、ハーフセル110Pは、変形姿勢になる。変形姿勢は、ハーフセル110Pの上面における印刷領域Eの周縁部の位置H2が印刷領域Eの中央部の位置H1よりも高くなるように変形した姿勢である。印刷領域Eは、スクリーン印刷によって空気極用ペーストが印刷される領域(印刷パターン114Pの形成領域)である。本実施形態では、ハーフセル110Pの中央部は配置面222に接触し、ハーフセル110Pの周縁部はスペーサ300によって上方に押し上げられるように湾曲しており、その結果、ハーフセル110Pが上記変形姿勢になっている。変形姿勢のハーフセル110Pの周縁部は、ハーフセル110Pの中央部側に向かって下方に傾斜している。
First, as shown in FIG. 7(A), the
本実施形態では、上下方向視で、スペーサ300の少なくとも一部は、ハーフセル110Pの印刷領域Eの周縁部に重なっている。スペーサ300の水平方向の幅D2は、4mm以上、10mm以下であり、スペーサ300の上下方向の厚さD1は0.05mm以上、0.1mm以下である。
In this embodiment, at least a portion of the
本実施形態では、支持部材200における配置面222に対する周壁部210の突出長さ(支持部材200の凹所の深さ)は、ハーフセル110Pの厚さよりも短い。このため、変形姿勢のハーフセル110Pの周縁部の位置H2は、支持部材200の周壁部210の上面よりも上側になる。補助部材400は、変形姿勢のハーフセル110Pの周縁部と周壁部210の上面との高さのギャップを埋めるために用いられる。
In this embodiment, the protruding length of the
補助部材400は、上下方向視で、変形姿勢のハーフセル110Pの周囲に配置されている。補助部材400の上面である受け面410の高さは、変形姿勢のハーフセル110Pの周縁部の位置H2と略同じである。スクリーン印刷の際には、補助部材400の受け面410が、スクリーン印刷板230(版枠232)に面接触する。上下方向視で、補助部材400の全体がスクリーン印刷板230の版枠232に重なるように、スクリーン印刷板230を補助部材400の上面の上に配置し、スキージ240により空気極用ペーストを、スクリーン印刷板230のスクリーンメッシュ234に充填する。これにより、空気極用ペーストが、変形姿勢のハーフセル110Pの印刷領域Eに転写され、その結果、印刷領域Eに印刷パターン114Pが形成される。
The
次に、印刷パターン114Pからスクリーン印刷板230を引き離す際に、サドル現象が発生する。サドル現象は、印刷パターン114Pからスクリーン印刷板230を引き離す際に、版枠232における開口部を形成する内周面に接触していた空気極用ペーストが伸張し、印刷パターン114Pの周縁部が盛り上がる現象である。図7(B)に示すように、サドル現象の発生により、印刷パターン114Pの周縁部に上方に突出する凸部115Pが形成され、その凸部115Pの位置H4が、印刷パターン114Pの中央部の位置H3よりも高くなる。また、凸部115Pと中央部との間には、下方に凹んだ凹み部117Pが形成されている。
Next, when the
しかし、図7(C)に示すように、印刷パターン114Pが形成されたハーフセル110Pを、変形姿勢から、変形前の非変形姿勢(ハーフセル110Pが平坦状になっている姿勢)に復帰させると、それに伴って、印刷パターンの周縁部の凸部115Pの位置が低くなる。図7(C)では、印刷パターンの周縁部の凸部115Pの位置が印刷パターン114Pの中央部の位置H3と略同じになっている。次に、印刷パターン114Pが形成されたハーフセル110Pを、非変形姿勢の状態で乾燥させて所定の温度(例えば約1100℃)で焼成する。これにより、空気極114が形成され、燃料極116と電解質層112と中間層180と空気極114とを備える単セル110が作製される。この単セル110では、空気極114の周縁部が中央部に対して大きく盛り上がることが抑制されている。焼成後、ハーフセル110Pが変形前の姿勢に復帰した状態の空気極114の中央部と周縁部との高低差は±5μm以内であることが好ましい。
However, as shown in FIG. 7C, when the
上述した方法に従い複数の単セル110を作製した後、組み立て工程(例えば、各単セル110にセパレータ120等の他の部材を取り付ける工程、複数の単セル110を積層する工程、ボルト22により締結する工程等)を行う。以上により、燃料電池スタック100の製造が完了する。
After producing a plurality of
A-4.本実施形態の効果:
以上説明したように、本実施形態では、ハーフセル110Pが、該ハーフセル110Pにおける印刷領域Eの周縁部の位置H2が印刷領域Eの中央部の位置H1より高い変形姿勢にされる(図7(A)参照)。そして、その変形姿勢のハーフセル110Pにおける印刷領域Eに対してスクリーン印刷が行われ、所定の印刷パターン114Pがハーフセル110Pにおける印刷領域Eに形成される。その結果、印刷パターン114Pの周縁部に、いわゆるサドル現象が発生し得る(図7(B)参照)。しかし、印刷パターン114Pが形成されたハーフセル110Pが変形姿勢から変形前の姿勢に復帰すると、それに伴って、印刷パターン114Pの周縁部の高さが低くなる(図7(C)参照)。したがって、本実施形態の製造方法によれば、サドル現象に起因する印刷パターン114Pの周縁部の盛り上がりの影響が抑制された単セル110(燃料電池スタック100)を製造することができる。
A-4. Effects of this embodiment:
As described above, in this embodiment, the
また、本実施形態では、変形姿勢のハーフセル110Pの印刷領域Eの周縁部は、印刷領域Eの中央部に向かって下方に傾斜している。このため、スクリーン印刷において、印刷領域Eの周縁部に塗布されるペーストの量は、印刷領域Eの中央部に塗布されるペーストの量に比べて少ない。このため、スクリーン印刷板230を引き上げる前においては、印刷パターン114Pの周縁部の厚さは、印刷パターン114Pの中央部の厚さよりも薄い。その結果、印刷パターン114Pからスクリーン印刷板230を引き上げる際に、サドル現象による印刷パターン114Pの周縁部の盛り上がりは生じるものの、変形姿勢のハーフセル110Pが変形前の姿勢に復帰することで、印刷パターン114Pの中央部に対する周縁部の盛り上がりを抑制できる。
Further, in this embodiment, the peripheral edge of the printing area E of the
本実施形態では、ハーフセル110Pを平坦状の配置面222上に配置し、かつ、ハーフセル110Pと配置面222との間にスペーサ300を挟むことにより、ハーフセル110Pを変形姿勢にする(図7(A)参照)。これにより、スペーサ300を用いるという比較的に簡単な方法により、印刷パターン114Pを変形姿勢にすることができる。
In this embodiment, the
本実施形態では、上下方向視で、スペーサ300の少なくとも一部は、ハーフセル110Pの印刷領域Eの周縁部に重なっている(図7(A)(B)参照)。スペーサ300の水平方向の幅D2は4mm以上、10mm以下であり、スペーサ300の厚さD1は0.05mm以上、0.1mm以下である。これにより、変形姿勢のハーフセル110Pにおける印刷領域Eを比較的に緩やかな曲面にすることができる。このため、変形姿勢のハーフセル110Pに与える負荷が低減され、例えばハーフセル110Pの損傷等を抑制することができる。特に、ハーフセル110Pの各層の厚さ関係が次の条件を満たす場合に、より効果的である。
電解質層112(焼成体)の厚さは、5μm以上、10μm以下である。
燃料極116の機能層(焼成体)の厚さは、10μm以上、20μm以下である。
燃料極116の基板層(焼成体)の厚さは、300μm以上、800μm以下である。
中間層180の(焼成体)の厚さは、1μm以上、9μm以下である。
In this embodiment, at least a portion of the
The thickness of the electrolyte layer 112 (fired body) is 5 μm or more and 10 μm or less.
The thickness of the functional layer (fired body) of the
The thickness of the substrate layer (fired body) of the
The thickness of the intermediate layer 180 (fired body) is 1 μm or more and 9 μm or less.
本実施形態では、変形姿勢のハーフセル110Pの外周側に、スクリーン印刷の際に用いられるスクリーン印刷板230に面接触する受け面410を有する補助部材400を配置した状態で、ハーフセル110Pにおける印刷領域Eに対してスクリーン印刷を行う(図7(A)参照)。ここで、図8は、補助部材400の有無によるハーフセル110Pへの負荷の大きさの違いを説明するための模式図である。なお、図8では、スクリーンメッシュ234は省略されている。
In this embodiment, the printing area E in the
図8(A)には、補助部材400を用いない場合におけるハーフセル110Pへの負荷状態が示されている。この状態では、変形姿勢のハーフセル110Pだけがスクリーン印刷板230(版枠232)に接触する。このため、スキージ240に押し付けられたスクリーン印刷板230からの押圧力Fがハーフセル110Pの周縁部に集中し、ハーフセル110Pが損傷するおそれがある。一方、図8(B)には、補助部材400を用いた場合におけるハーフセル110Pへの負荷状態が示されている。この状態では、変形姿勢のハーフセル110Pに加えて、補助部材400がスクリーン印刷板230に面接触する。このため、スクリーン印刷板230からの押圧力Fが分散され、ハーフセル110Pの周縁部に付与される力fが低減される。これにより、スクリーン印刷板230からの押圧力Fが変形姿勢のハーフセル110Pに集中して損傷することを抑制することができる。また、スクリーン印刷板230からハーフセル110P上に充填された空気極用ペーストに付与される力も低減されるため、空気極用ペーストへの過度な力の付与に起因して、ハーフセル110Pの周縁部が大きく盛り上がることを抑制することができる。
FIG. 8A shows the load state on the
本実施形態では、焼成後、ハーフセル110Pが変形前の姿勢に復帰した状態の印刷パターン114P(空気極114)の中央部と周縁部との高低差は±5μm以内であることが好ましい。これにより、変形前の姿勢に復帰した状態の印刷パターン114Pの中央部と周縁部との高低差が±5μm以内でない場合に比べて、サドル現象に起因する印刷パターンの周縁部の盛り上がりの影響が、より効果的に抑制される。
In this embodiment, after firing, it is preferable that the difference in height between the central part and the peripheral part of the printed
A-5.性能評価:
複数の単セル110のサンプルを用いて行った性能評価について、以下説明する。図9は、性能評価結果を示す説明図である。図9に示すように、各サンプルS1~S12は、上述した印刷パターン114Pをハーフセル110Pに形成するための工程において、スペーサ300の使用の有無とスペーサ300のサイズと補助部材400の使用の有無との少なくとも約1つが互いに異なる。それぞれの条件で製造された単セル110について、空気極114におけるサドル高さを測定した。サドル高さは、「空気極114の周縁部における単セル110の厚さ」から「空気極114の中央部における単セル110の厚さ」を減算した値である。サドル高さの値が大きいほど、空気極114における中央部に対する周縁部の盛り上がりが大きいことを意味する。単セル110における各部位の厚さは、レーザ変位計を備えた公知の厚さ計測器を用いて、0.1mm間隔で測定した。
A-5. Performance evaluation:
Performance evaluation performed using samples of a plurality of
具体的には、サンプルS1では、スペーサ300が使用されておらず、ハーフセル110Pが非変形姿勢で支持部材200の配置面222に配置されている。この結果、サンプルS1のサドル高さは、22μmであり、最も大きい値であった。
Specifically, in the sample S1, the
サンプルS2~S6では、幅D2が2mm以上、12mm以下、厚さD1が0.03mm以上、0.15mm以下のスペーサ300が使用され、かつ、サンプルS6を除いて補助部材400が使用された。その結果、サンプルS2~S6のサドル高さは、-9μm以上、14μm以下であり、サンプルS1に比べて低減した。これらの結果から、スペーサ300を使用することにより、サドル高さを低減できることが分かる。なお、サンプルS4において、サドル高さは、サンプルS1に比べて低減したものの、空気極114の周縁部における表面の傾斜が急峻となり、サンプルS7~S12と比べたときの空気極側集電体134との接続性の低下が確認された。
In samples S2 to S6, a
サンプルS7~S12では、幅D2が4mm以上、10mm以下、厚さD1が0.05mm以上、0.1mm以下のスペーサ300が使用され、かつ、補助部材400が使用された。その結果、サンプルS7~S12のサドル高さは、-5μm以上、5μm以下であり、サンプルS1に比べて低減した。さらに、サンプルS7~S11では、幅D2が4mm以上、6mm以下、厚さD1が0.05mm以上、0.08mm以下のスペーサ300が使用され、かつ、補助部材400が使用された。その結果、サンプルS7~S11のサドル高さは、-1μm以上、5μm以下であり、サンプルS2~S6に比べてさらに低減した。
In samples S7 to S12, a
また、サンプルS6,S11は、補助部材400の有無のみが異なる。これらのサンプルS6,S11の評価結果から、補助部材400を用いることで、サドル高さを、より効果的に低減できることが分かる。
Further, samples S6 and S11 differ only in the presence or absence of the
また、サンプルS8~S11については、スペーサ300および補助部材400に関する製造条件が互いに同一であるにも関わらず、サドル高さが互いに異なっている。この理由は、サンプルS8~S11について、スクリーン印刷に用いられる空気極用ペーストの粘度が互いに異なっていることにある。具体的には、サンプルS1~S8、S12については、空気極用ペーストの粘度は互いに同一であり、サンプルS9については、空気極用ペーストの粘度が、サンプルS1~S8、S12に比べて、高めであり、サンプルS10,S11については、空気極用ペーストの粘度が、サンプルS1~S8、S12に比べて、低めである。空気極用ペーストの粘度が高いほど、サドル高さは低くなる傾向にある。ただし、本評価結果によれば、空気極用ペーストの粘度が変わったとしても、スペーサ300の寸法を、本発明の範囲に設定することでサドル高さを十分抑えることができることが分かる。
Further, samples S8 to S11 have different saddle heights even though the manufacturing conditions regarding the
B.変形例:
本明細書で開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。
B. Variant:
The technology disclosed in this specification is not limited to the above-described embodiments, and can be modified into various forms without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are also possible.
上記実施形態における単セル110または燃料電池スタック100の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、上記実施形態では、単セル110が中間層180を含んでいるが、単セル110が中間層180を含んでいなくてもよい。
The configurations of the
上記実施形態において、燃料電池スタック100に含まれる単セル110の個数は、あくまで一例であり、単セル110の個数は燃料電池スタック100に要求される出力電圧等に応じて適宜決められる。
In the embodiment described above, the number of
また、上記実施形態では、各ボルト22の軸部の外周面と各連通孔108の内周面との間の空間を各マニホールドとして利用しているが、これに代えて、各ボルト22の軸部に軸方向の孔を形成し、その孔を各マニホールドとして利用してもよい。また、各マニホールドを各ボルト22が挿入される各連通孔108とは別に設けてもよい。
Further, in the above embodiment, the space between the outer peripheral surface of the shaft of each
また、上記実施形態における各部材を構成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により構成されていてもよい。 Further, the materials constituting each member in the above embodiment are merely examples, and each member may be composed of other materials.
また、上記実施形態では、平板形の単セル110を対象としているが、本明細書に開示される技術は、平板形以外の他の単セルにも同様に適用可能である。
Furthermore, although the above embodiments are directed to the
また、上記実施形態では、燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応を利用して発電を行うSOFCを対象としているが、本明細書に開示される技術は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形電解セル(SOEC)の構成単位である電解単セルや、複数の電解単セルを備える電解セルスタックにも同様に適用可能である。なお、電解セルスタックの構成は、例えば特開2016-81813号に記載されているように公知であるためここでは詳述しないが、概略的には上述した実施形態における燃料電池スタック100と同様の構成である。すなわち、上述した実施形態における燃料電池スタック100を電解セルスタックと読み替え、発電単位102を電解セル単位と読み替え、単セル110を電解単セルと読み替えればよい。ただし、電解セルスタックの運転の際には、空気極114がプラス(陽極)で燃料極116がマイナス(陰極)となるように両電極間に電圧が印加されると共に、連通孔108を介して原料ガスとしての水蒸気が供給される。これにより、各電解セル単位において水の電気分解反応が起こり、燃料室176で水素ガスが発生し、連通孔108を介して電解セルスタックの外部に水素が取り出される。このような構成の電解単セルおよび電解セルスタックの製造方法においても、サドル現象に起因する印刷パターンの周縁部の盛り上がりの影響が抑制された複合体を製造することができる。
Further, in the above embodiment, the target is a SOFC that generates power using an electrochemical reaction between hydrogen contained in the fuel gas and oxygen contained in the oxidant gas, but the technology disclosed in this specification It can be similarly applied to electrolytic single cells, which are the constituent units of solid oxide electrolytic cells (SOEC) that generate hydrogen using the electrolysis reaction of water, and electrolytic cell stacks that include multiple electrolytic single cells. be. Note that the configuration of the electrolytic cell stack is not described in detail here because it is publicly known as described in, for example, Japanese Patent Application Laid-open No. 2016-81813, but it is generally similar to the
上記実施形態における燃料電池スタック100の製造方法は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、上記実施形態では、「複合体」は、単セル110であったが、単セル110に加えて集電体要素135やインターコネクタ150を含んだものでもよい。
The method for manufacturing the
上記実施形態では、「下地部材」はハーフセル110Pであり、「複合体の一部」は空気極114であった。しかし、「下地部材」は、電気化学反応単セルを少なくとも含む複合体の構成要素であって、かつ、平板に限らず、少なくとも一部に平坦状の表面を有する構成要素であればよい。「複合体の一部」は、下地部材にスクリーン印刷される部分であればよい。例えば、「下地部材」は電解質層112と燃料極116との積層体であり、「複合体の一部」は中間層180でもよい。また、「下地部材」は単セル110であり、「複合体の一部」は空気極側集電体134や、単セル110と空気極側集電体134とを接合する接合部などでもよい。また、「下地部材」は導電性の支持体であり、「複合体の一部」は電解質層でもよい。また、「複合体の一部」は、複合体の構成要素でなくてもよく、例えば、キャリアフィルム等でもよい。また、下地部材は、焼成後のものに限らず、焼成(例えば二次焼成)前のものでもよい。
In the embodiment described above, the "underlying member" was the
上記実施形態において、支持部材200は、周壁部210を有してない構成でもよい。スペーサ300は、扁平形状に限られず、断面矩形状でもよい。また、上記実施形態では、スペーサ300は、ハーフセル110Pの全周にわたって配置された枠状であったが、円形の枠状でもよいし、ハーフセル110Pの周方向において部分的に配置されるもの(例えば複数のパーツから構成されたもの)や、上方に開口した凹所を有する有底の部材などでもよい。また、スペーサ300の外周面が支持部材200の周壁部210の内周面212から離間するように配置されてもよい。要するに、スペーサは、平坦状の配置面に配置された下地部材を上述の変形姿勢にする構成を有していればよい。また、スペーサ300を用いずに、支持部材200の配置面222に凹所が形成されており、この凹所にハーフセル110Pを配置することにより、ハーフセル110Pを変形姿勢にするようにしてもよい。
In the embodiment described above, the
上記実施形態において、補助部材400は、扁平形状に限られず、断面矩形状でもよい。また、上記実施形態において、ハーフセル110Pが変形姿勢になれば、上下方向視で、スペーサ300はハーフセル110Pの印刷領域Eの周縁部よりも外側に配置されていてもよい。
In the above embodiment, the
22:ボルト 24:ナット 26:絶縁シート 27:ガス通路部材 28:本体部 29:分岐部 100:燃料電池スタック 102:発電単位 104,106:エンドプレート 108:連通孔 110:単セル 110P:ハーフセル 112:電解質層 114:空気極 114P:印刷パターン 115P:凸部 116:燃料極 117P:凹み部 120:セパレータ 124:接合部 130:空気極側フレーム 132:酸化剤ガス供給連通孔 133:酸化剤ガス排出連通孔 134:空気極側集電体 135:集電体要素 140:燃料極側フレーム 142:燃料ガス供給連通孔 143:燃料ガス排出連通孔 144:燃料極側集電体 145:電極対向部 146:インターコネクタ対向部 147:連接部 150:インターコネクタ 161:酸化剤ガス導入マニホールド 162:酸化剤ガス排出マニホールド 166:空気室 171:燃料ガス導入マニホールド 172:燃料ガス排出マニホールド 176:燃料室 180:中間層 200:支持部材 210:周壁部 212:内周面 214:上面 220:配置部 222:配置面 230:スクリーン印刷板 232:版枠 234:スクリーンメッシュ 240:スキージ 300:スペーサ 400:補助部材 410:受け面 E:印刷領域 FG:燃料ガス FOG:燃料オフガス OG:酸化剤ガス OOG:酸化剤オフガス 22: Bolt 24: Nut 26: Insulating sheet 27: Gas passage member 28: Main body 29: Branch 100: Fuel cell stack 102: Power generation unit 104, 106: End plate 108: Communication hole 110: Single cell 110P: Half cell 112 : Electrolyte layer 114: Air electrode 114P: Print pattern 115P: Convex portion 116: Fuel electrode 117P: Recessed portion 120: Separator 124: Joint portion 130: Air electrode side frame 132: Oxidizing gas supply communication hole 133: Oxidizing gas discharge Communication hole 134: Air electrode side current collector 135: Current collector element 140: Fuel electrode side frame 142: Fuel gas supply communication hole 143: Fuel gas discharge communication hole 144: Fuel electrode side current collector 145: Electrode opposing part 146 : Interconnector opposing part 147: Connection part 150: Interconnector 161: Oxidizing gas introduction manifold 162: Oxidizing gas exhaust manifold 166: Air chamber 171: Fuel gas introduction manifold 172: Fuel gas exhaust manifold 176: Fuel chamber 180: Intermediate Layer 200: Support member 210: Peripheral wall portion 212: Inner peripheral surface 214: Upper surface 220: Arrangement portion 222: Arrangement surface 230: Screen printing board 232: Plate frame 234: Screen mesh 240: Squeegee 300: Spacer 400: Auxiliary member 410: Receiving surface E: Printing area FG: Fuel gas FOG: Fuel off-gas OG: Oxidizing gas OOG: Oxidizing off-gas
Claims (5)
少なくとも一部に平坦状の表面を有する下地部材を準備する工程と、
前記下地部材を、前記下地部材の前記平坦状の表面における所定の印刷領域の周縁部の位置が前記印刷領域の中央部の位置より高い変形姿勢にする工程と、
前記変形姿勢の前記下地部材における前記印刷領域に対して、スクリーン印刷を行うことにより、前記下地部材の前記印刷領域に前記複合体の一部を構成する所定の印刷パターンを形成する工程と、
前記印刷パターンが形成された前記下地部材を、変形前の姿勢に復帰させた状態で焼成する工程と、
を含む、ことを特徴とする複合体の製造方法。 In a method for producing a composite including at least an electrochemical reaction unit cell comprising a solid electrolyte layer, and an air electrode and a fuel electrode facing each other with the solid electrolyte layer in between,
preparing a base member having at least a partially flat surface;
placing the base member in a deformed position in which the peripheral edge of the predetermined printing area on the flat surface of the base member is higher than the center of the printing area;
forming a predetermined printing pattern constituting a part of the composite in the printing area of the base member by performing screen printing on the print area of the base member in the deformed posture;
firing the base member with the printed pattern formed thereon in a state where it has returned to its pre-deformation position;
A method for producing a composite, comprising:
前記下地部材を、平坦状の配置面上に配置し、かつ、前記下地部材と、前記配置面との間にスペーサを挟むことにより、前記変形姿勢にする、ことを特徴とする複合体の製造方法。 In the method for producing a composite according to claim 1,
Production of a composite body, characterized in that the base member is placed on a flat placement surface, and a spacer is sandwiched between the base member and the placement surface to take the deformed posture. Method.
鉛直方向視で、前記スペーサの少なくとも一部は、前記下地部材のうち前記印刷領域の前記周縁部に重なっており、
前記スペーサの水平方向の幅は4mm以上、10mm以下であり、前記スペーサの鉛直方向の厚さは0.05mm以上、0.1mm以下である、ことを特徴とする複合体の製造方法。 In the method for producing a composite according to claim 2,
When viewed in a vertical direction, at least a portion of the spacer overlaps the peripheral edge of the printing area of the base member,
A method for manufacturing a composite body, characterized in that the width of the spacer in the horizontal direction is 4 mm or more and 10 mm or less, and the thickness of the spacer in the vertical direction is 0.05 mm or more and 0.1 mm or less.
前記変形姿勢の前記下地部材の外周側に、前記スクリーン印刷の際に用いられるスクリーン印刷板に面接触する受け面を有する補助部材を配置した状態で、前記下地部材における前記印刷領域に対して前記スクリーン印刷を行う、ことを特徴とする複合体の製造方法。 In the method for producing a composite according to any one of claims 1 to 3,
With an auxiliary member having a receiving surface in surface contact with the screen printing plate used in the screen printing being placed on the outer peripheral side of the base member in the deformed posture, the printing area of the base member is A method for producing a composite, characterized by carrying out screen printing.
前記印刷パターンが形成された前記下地部材の焼成後、前記下地部材が変形前の姿勢に復帰した状態の前記印刷パターンの前記中央部と前記周縁部との高低差は±5μm以内である、ことを特徴とする複合体の製造方法。 In the method for producing a composite according to any one of claims 1 to 4,
After firing the base member on which the printed pattern is formed, the height difference between the central part and the peripheral part of the printed pattern in a state where the base member has returned to its pre-deformation posture is within ±5 μm. A method for producing a composite body characterized by:
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