JP7552073B2 - 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に関する。 The present invention relates to a solid oxide fuel cell.
従来から、アノード層とカソード層との間に電解質層を挟持した単セルにサポート層を配置したサポートセルが固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell。以下、単に「SOFC」という。)に適用されている。サポート層は、セラミックスまたは金属により構成され、ガス透過性を有する。金属より構成されたサポート層を有するメタルサポートセル(MSC:Metal-Supported Cell)は、機械的強度、急速起動性等に優れている。 So far, supported cells, in which a support layer is placed on a single cell having an electrolyte layer sandwiched between an anode layer and a cathode layer, have been used in solid oxide fuel cells (SOFCs, hereafter simply referred to as "SOFCs"). The support layer is made of ceramics or metal and has gas permeability. Metal-supported cells (MSCs), which have a support layer made of metal, have excellent mechanical strength, rapid start-up properties, etc.
薄いセラミックスから形成された電解質層は、製造時や運転時にかかる応力によって破損しやすいという問題がある。また、SOFCでは、電極層の燃料極(アノード層)と酸化剤極(カソード層)とのそれぞれにアノードガスとカソードガスとを分配する必要があり、これらのガスが混合しないようなシール性が求められる。 The electrolyte layer, made of thin ceramics, is prone to damage due to stresses applied during manufacturing and operation. In addition, in SOFCs, anode gas and cathode gas must be distributed to the fuel pole (anode layer) and oxidizer pole (cathode layer) of the electrode layer, respectively, and sealing properties are required to prevent these gases from mixing.
SOFCにおけるメタルサポートセルアッセンブリーは、メタルサポートセルと、メタルサポートセルの周囲を囲曉して保持するセルフレームと、を有する。例えば、下記特許文献1には、メタルサポートセルのサポート層とセルフレームの端部とを接合したメタルサポートセルアッセンブリーが開示されている。サポート層とセルフレームとは、半田、ろう付け、あるいはガラスシールによって接合される。特許文献1のメタルサポートセルアッセンブリーは、メタルサポートセルの電解質層とセルフレームとは接触していない。 The metal support cell assembly in an SOFC has a metal support cell and a cell frame that surrounds and holds the periphery of the metal support cell. For example, the following Patent Document 1 discloses a metal support cell assembly in which the support layer of the metal support cell is joined to the end of the cell frame. The support layer and the cell frame are joined by soldering, brazing, or a glass seal. In the metal support cell assembly of Patent Document 1, the electrolyte layer of the metal support cell is not in contact with the cell frame.
特許文献1に記載されたメタルサポートセルアッセンブリーは、セルフレームの端部にサポート層が接合されている。このため、接合強度が不十分になると接合部分に剥離が生じる可能性があり、ガスリークを招く虞がある。 In the metal support cell assembly described in Patent Document 1, the support layer is bonded to the end of the cell frame. Therefore, if the bond strength is insufficient, peeling may occur at the bonded portion, which may lead to gas leaks.
また、サポートセルは、製造するときに焼成などの熱処理が行われるため、熱処理に伴って変形する恐れがある。信頼性の高いサポートセルを有する固体酸化物形燃料電池を提供するためには、熱処理時のサポートセルの収縮に伴う応力状態を考慮することが必要となる。 In addition, support cells are subject to heat treatments such as sintering during production, and there is a risk of deformation as a result of the heat treatment. In order to provide a solid oxide fuel cell with a highly reliable support cell, it is necessary to take into account the stress state associated with the shrinkage of the support cell during heat treatment.
そこで、本発明の目的は、信頼性の高いサポートセルを有する固体酸化物形燃料電池を提供することにある。 The object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell with a highly reliable support cell.
上記目的を達成するための本発明は、アノード層とカソード層との間に電解質層を挟持した単セルの両面のそれぞれにアノード側サポート層とカソード側サポート層とを配置したサポートセルを有する固体酸化物形燃料電池である。前記サポートセルは、前記電解質層の一部が露出しセルフレームを接合する接合面が形成されたセル外周部と、前記セル外周部よりも中央側のセル本体部と、を有する。そして、前記サポートセルの厚み方向の断面において、前記セル本体部は、前記セル本体部における厚みの中心線(O2)に対して対称な積層構造を有し、前記セル外周部は、前記セル外周部における厚みの中心線(O1)に対して対称な積層構造を有する。前記アノード層と前記カソード層とは材料が等しく、前記アノード側サポート層と前記カソード側サポート層とは材料が等しい、前記セル本体部において、前記アノード層と前記カソード層とは厚さ寸法が等しく、前記アノード側サポート層と前記カソード側サポート層とは厚さ寸法が等しい。前記セル外周部は、前記接合面が形成された前記電解質層と、前記アノード層または前記カソード層から形成された第1形成層と、前記アノード側サポート層または前記カソード側サポート層から形成された第2形成層と、前記アノード層および前記カソード層と同じ材料から形成された第3形成層と、前記電解質層と同じ材料から形成された第4形成層と、を積層して構成される。前記セル外周部において、前記電解質層と前記第4形成層とは厚さ寸法が等しく、前記第1形成層と前記第3形成層とは厚さ寸法が等しい。 In order to achieve the above object, the present invention provides a solid oxide fuel cell having a support cell in which an anode-side support layer and a cathode-side support layer are disposed on both sides of a unit cell having an electrolyte layer sandwiched between an anode layer and a cathode layer. The support cell has a cell outer periphery where a part of the electrolyte layer is exposed and a joining surface for joining a cell frame is formed, and a cell main body part located on the central side of the cell outer periphery. In a cross section in the thickness direction of the support cell, the cell main body part has a stacked structure symmetrical with respect to a center line (O2) of the thickness of the cell main body part, and the cell outer periphery part has a stacked structure symmetrical with respect to a center line (O1) of the thickness of the cell outer periphery part. The anode layer and the cathode layer are made of the same material, and the anode side support layer and the cathode side support layer are made of the same material. In the cell main body part, the anode layer and the cathode layer have the same thickness dimension, and the anode side support layer and the cathode side support layer have the same thickness dimension. The cell outer periphery is configured by laminating the electrolyte layer on which the bonding surface is formed, a first forming layer formed from the anode layer or the cathode layer, a second forming layer formed from the anode side support layer or the cathode side support layer, a third forming layer formed from the same material as the anode layer and the cathode layer, and a fourth forming layer formed from the same material as the electrolyte layer. In the cell outer periphery, the electrolyte layer and the fourth forming layer have the same thickness dimension, and the first forming layer and the third forming layer have the same thickness dimension .
本発明によれば、サポートセルの厚み方向の断面において、セル本体部およびセル外周部は、それぞれの厚みの中心線に対して対称な積層構造を有することから、面内方向の熱収縮が制御され、サポートセルの曲げ変形が相殺される。電解質層を露出させた接合面が平坦化されるため、セルフレームとサポートセルとの間の接合強度を向上でき、信頼性の高いサポートセルを有する固体酸化物形燃料電池を提供できる。 According to the present invention, in the cross section of the support cell in the thickness direction, the cell body and the cell outer periphery have a laminated structure that is symmetrical with respect to the center line of their respective thicknesses, so that thermal contraction in the in-plane direction is controlled and bending deformation of the support cell is offset. Since the bonding surface that exposes the electrolyte layer is flattened, the bonding strength between the cell frame and the support cell can be improved, and a solid oxide fuel cell having a highly reliable support cell can be provided.
以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明は特許請求の範囲に記載される技術的範囲や用語の意義を限定するものではない。また、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。 Below, an embodiment of the present invention will be described with reference to the attached drawings. Note that the following description does not limit the technical scope or the meaning of the terms described in the claims. Also, the dimensional ratios in the drawings have been exaggerated for the convenience of explanation and may differ from the actual ratios.
図を参照しつつ、本発明の実施形態に係る固体酸化物形燃料電池(SOFC)について説明する。以下の説明の便宜のため、XYZ直交座標系を図中に示す。X軸およびY軸は水平方向、Z軸は上下方向にそれぞれ平行な軸を示す。 A solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. For ease of explanation, an XYZ Cartesian coordinate system is shown in the drawings. The X and Y axes are parallel to the horizontal direction, and the Z axis is parallel to the vertical direction.
図1は、実施形態に係る燃料電池スタック1を示す分解斜視図である。図1に示すように、燃料電池スタック1は、複数のセルユニット1Uを上下方向に積層して構成される。以下、図中にZ軸で示す燃料電池スタック1の上下方向を「積層方向」とも称する。また、セルユニット1Uを構成する各層の面方向は、XY面方向に相当する。 Figure 1 is an exploded perspective view showing a fuel cell stack 1 according to an embodiment. As shown in Figure 1, the fuel cell stack 1 is configured by stacking a plurality of cell units 1U in the vertical direction. Hereinafter, the vertical direction of the fuel cell stack 1, indicated by the Z axis in the figure, will also be referred to as the "stacking direction." In addition, the surface direction of each layer constituting the cell unit 1U corresponds to the XY surface direction.
図2は、セルユニット1Uの分解斜視図である。図2に示すように、セルユニット1Uは、サポートセルアッセンブリー1A、ガスの流路を区画形成する流路部121を備えるセパレータ120を積層して構成される。 Figure 2 is an exploded perspective view of the cell unit 1U. As shown in Figure 2, the cell unit 1U is constructed by stacking a support cell assembly 1A and a separator 120 having a flow path portion 121 that defines a gas flow path.
図3は、サポートセルアッセンブリー1Aの分解斜視図である。図4は、燃料電池スタック1を示す断面図、図5は、図2のA-A線に沿うサポートセルアッセンブリー1Aを示す部分断面図である。図3、図4、および図5に示すように、サポートセルアッセンブリー1Aは、サポートセル10と、サポートセル10の周囲を囲曉して保持するセルフレーム70と、を有する。 Figure 3 is an exploded perspective view of the support cell assembly 1A. Figure 4 is a cross-sectional view showing the fuel cell stack 1, and Figure 5 is a partial cross-sectional view showing the support cell assembly 1A along line A-A in Figure 2. As shown in Figures 3, 4, and 5, the support cell assembly 1A has a support cell 10 and a cell frame 70 that surrounds and holds the periphery of the support cell 10.
図6Aは、サポートセル10を示す断面図、図6Bは、サポートセル10の要部を拡大して示す断面図である。図7Aは、サポートセル10の上面図、図7Bは、サポートセル10の下面図である。 Figure 6A is a cross-sectional view showing the support cell 10, and Figure 6B is a cross-sectional view showing an enlarged view of a main portion of the support cell 10. Figure 7A is a top view of the support cell 10, and Figure 7B is a bottom view of the support cell 10.
図6Aおよび図6Bにも示すように、サポートセル10は、アノード層30とカソード層50との間に電解質層40を挟持した電解質電極接合体20(単セルに相当する)の両面のそれぞれにサポート層(アノード側サポート層61およびカソード側サポート層62)が配置されたサンドイッチ構造を有する。サポートセル10は、アノード側サポート層61、アノード層30、電解質層40、カソード層50、およびカソード側サポート層62を積層して構成される。アノード側サポート層61およびカソード側サポート層62は、X方向およびY方向に沿う長さを違えている。図示例では、カソード側サポート層62の長さは、アノード側サポート層61の長さに比べて短い。アノード側サポート層61およびカソード側サポート層62の長さを違えることによって、電解質層40の一部が露出した構造となる。電解質層40が露出した部分は、セルフレーム70を接合する接合面94を形成する。以下、アノード側サポート層61およびカソード側サポート層62を一対のサポート層61、62と称することもある。アノード層30およびカソード層50を総称して電極層30、50と称することもある。 6A and 6B, the support cell 10 has a sandwich structure in which support layers (anode side support layer 61 and cathode side support layer 62) are arranged on both sides of the electrolyte electrode assembly 20 (corresponding to a single cell) in which the electrolyte layer 40 is sandwiched between the anode layer 30 and the cathode layer 50. The support cell 10 is configured by laminating the anode side support layer 61, the anode layer 30, the electrolyte layer 40, the cathode layer 50, and the cathode side support layer 62. The anode side support layer 61 and the cathode side support layer 62 have different lengths along the X direction and the Y direction. In the illustrated example, the length of the cathode side support layer 62 is shorter than the length of the anode side support layer 61. By making the lengths of the anode side support layer 61 and the cathode side support layer 62 different, a structure is formed in which a part of the electrolyte layer 40 is exposed. The exposed part of the electrolyte layer 40 forms a joining surface 94 that joins the cell frame 70. Hereinafter, the anode side support layer 61 and the cathode side support layer 62 may be referred to as a pair of support layers 61, 62. The anode layer 30 and the cathode layer 50 may be collectively referred to as the electrode layers 30, 50.
電解質層40は、アノード層30を介してアノード側サポート層61に固着されている。カソード側サポート層62は、カソード層50に固着されている。サンドイッチ構造のサポートセル10は、一対のサポート層61、62が電解質電極接合体20を支持する。サポートセル10は、電解質支持型セルや電極支持型セルに比べて機械的強度、急速起動性等に優れるためSOFCに好適に使用することができる。 The electrolyte layer 40 is fixed to the anode side support layer 61 via the anode layer 30. The cathode side support layer 62 is fixed to the cathode layer 50. In the sandwich-structured support cell 10, a pair of support layers 61, 62 support the electrolyte electrode assembly 20. The support cell 10 is suitable for use in SOFCs because it has superior mechanical strength and rapid start-up performance compared to electrolyte-supported cells and electrode-supported cells.
サポートセル10は、電解質層40を露出させた個所に形成されたセルフレーム70との第1接合層81を有する。サポートセル10はさらに、セルフレーム70の端部71とカソード側サポート層62の端部63とを接合する第2接合層82を有する。セルフレーム70および電解質層40は、緻密でありガス遮蔽性を有する。このため、セルフレーム70および電解質層40を接合することによって、ガスのシール機能を確保できる。 The support cell 10 has a first bonding layer 81 with the cell frame 70 formed at the location where the electrolyte layer 40 is exposed. The support cell 10 further has a second bonding layer 82 that bonds the end 71 of the cell frame 70 to the end 63 of the cathode side support layer 62. The cell frame 70 and the electrolyte layer 40 are dense and have gas shielding properties. Therefore, by bonding the cell frame 70 and the electrolyte layer 40, a gas sealing function can be ensured.
次に、カソード層50、電解質層40、アノード層30、一対のサポート層61、62、セルフレーム70、セパレータ120、第1接合層81、第2接合層82について説明する。 Next, we will explain the cathode layer 50, electrolyte layer 40, anode layer 30, pair of support layers 61, 62, cell frame 70, separator 120, first bonding layer 81, and second bonding layer 82.
(カソード層50)
カソード層50は、酸化剤極であって、カソードガス(例えば空気に含まれる酸素)と電子を反応させて、酸素分子を酸化物イオンに変換する。カソード層50は、酸化雰囲気に耐性を有し、カソードガスを透過させるガス透過性および電気(電子およびイオン)伝導度が高い。さらに、カソード層50は、酸素分子を酸素イオンに変換する触媒機能を有する。
(Cathode Layer 50)
The cathode layer 50 is an oxidizer electrode that reacts with a cathode gas (e.g., oxygen contained in air) and electrons to convert oxygen molecules into oxide ions. The cathode layer 50 is resistant to an oxidizing atmosphere, and has high gas permeability that allows the cathode gas to pass through and high electrical (electron and ion) conductivity. Furthermore, the cathode layer 50 has a catalytic function that converts oxygen molecules into oxygen ions.
カソード層50の形成材料は、例えば、ランタン、ストロンチウム、マンガン、コバルト等からなる酸化物が挙げられる。 Examples of materials for forming the cathode layer 50 include oxides of lanthanum, strontium, manganese, cobalt, etc.
(電解質層40)
電解質層40は、アノードガスとカソードガスを分離する機能を有する。電解質層40は、カソード層50からアノード層30に向かって酸化物イオンを通過させつつ、ガスと電子を通過させない。酸素イオンが発電の伝導体である場合には、電解質層40は、酸素イオンの伝導性が高い材料から形成されることが好ましい。
(Electrolyte layer 40)
The electrolyte layer 40 has a function of separating the anode gas and the cathode gas. The electrolyte layer 40 allows oxide ions to pass from the cathode layer 50 to the anode layer 30, but does not allow gas and electrons to pass through. When oxygen ions are the conductor for power generation, the electrolyte layer 40 is preferably formed from a material that has high conductivity for oxygen ions.
電解質層40は、アノードガスやカソードガスを遮蔽し、高いイオン伝導性を発現するために、緻密に構成される。電解質層40の緻密度は、ガス遮蔽性を有する限りにおいて特に限定されないが、90%以上あることが好ましく、96%以上であることがより好ましく、98%以上であることが特に好ましい。 The electrolyte layer 40 is densely constructed to block anode gas and cathode gas and exhibit high ionic conductivity. The density of the electrolyte layer 40 is not particularly limited as long as it has gas blocking properties, but is preferably 90% or more, more preferably 96% or more, and particularly preferably 98% or more.
電解質層40の形成材料は、特に限定されないが、例えば、希土類酸化物(例えば、Y2O3、Sc2O3、Gd2O3、Sm2O3、Yb2O3、Nd2O3等から選択される1種または2種以上)をドープした安定化ジルコニア、セリア系固溶体、ペロブスカイト型酸化物(例えば、SrCeO3、BaCeO3、CaZrO3、SrZrO3等)等の固体酸化物セラミックスなどが挙げられる。 The material for forming the electrolyte layer 40 is not particularly limited, but examples thereof include solid oxide ceramics such as stabilized zirconia doped with rare earth oxides (e.g., one or more selected from Y2O3, Sc2O3, Gd2O3 , Sm2O3 , Yb2O3 , Nd2O3 , etc. ) , ceria-based solid solutions, and perovskite-type oxides (e.g., SrCeO3 , BaCeO3 , CaZrO3 , SrZrO3, etc.).
(アノード層30)
アノード層30は、燃料極であって、アノードガス(例えば水素)と酸化物イオンを反応させて、アノードガスの酸化物を生成するとともに電子を取り出す。アノード層30は、還元雰囲気に耐性を有し、アノードガスを透過させるガス透過性および電気(電子およびイオン)伝導度が高い。さらに、アノード層30は、アノードガスを酸化物イオンと反応させる触媒機能を有する。アノード層30の形成材料としては、例えば、NiやFe等の金属や、該金属と上記電解質層40の形成材料として挙げたセラミックスとのサーメットなどが挙げられる。
(Anode Layer 30)
The anode layer 30 is a fuel electrode that reacts an anode gas (e.g., hydrogen) with oxide ions to generate oxides of the anode gas and extract electrons. The anode layer 30 is resistant to a reducing atmosphere, and has high gas permeability and electrical (electron and ion) conductivity to allow the anode gas to pass through. Furthermore, the anode layer 30 has a catalytic function to cause the anode gas to react with oxide ions. Examples of materials for forming the anode layer 30 include metals such as Ni and Fe, and cermets of the metals and the ceramics listed as materials for forming the electrolyte layer 40.
アノード層30は、複数の空孔が形成された多孔体である。アノード層30内の空孔には、触媒が含浸される。アノード層30の触媒としては、例えば、NiやCu等の金属触媒を用いることができる。 The anode layer 30 is a porous body with multiple pores. The pores in the anode layer 30 are impregnated with a catalyst. The catalyst for the anode layer 30 can be, for example, a metal catalyst such as Ni or Cu.
(サポート層(アノード側サポート層61およびカソード側サポート層62))
図3、図4、図5、図6A、および図6Bに示すように、サンドイッチ構造のサポートセル10は、アノード側サポート層61が電解質電極接合体20をアノード層30の側から支持し、カソード側サポート層62が電解質電極接合体20をカソード層50の側から支持する。アノード側サポート層61およびカソード側サポート層62が電解質電極接合体20をサンドイッチ構造で支持することによって、電解質電極接合体20の機械的強度を向上させて破損を抑制することができる。
(Support Layer (Anode Side Support Layer 61 and Cathode Side Support Layer 62))
3, 4, 5, 6A, and 6B, in the support cell 10 having a sandwich structure, the anode side support layer 61 supports the electrolyte electrode assembly 20 from the side of the anode layer 30, and the cathode side support layer 62 supports the electrolyte electrode assembly 20 from the side of the cathode layer 50. By the anode side support layer 61 and the cathode side support layer 62 supporting the electrolyte electrode assembly 20 in a sandwich structure, the mechanical strength of the electrolyte electrode assembly 20 can be improved and breakage can be suppressed.
図4、図5、図6A、および図6Bに示すように、カソード側サポート層62は、図において上部外周に切り欠き部68aを有する。切り欠き部68aは、セルフレーム70を支持する支持面68bと、支持面68bの内方端部から図において上方に立ち上がる縦壁68cとによって形成される。 As shown in Figures 4, 5, 6A, and 6B, the cathode-side support layer 62 has a cutout 68a on the upper outer periphery in the figures. The cutout 68a is formed by a support surface 68b that supports the cell frame 70 and a vertical wall 68c that rises upward in the figures from the inner end of the support surface 68b.
サポート層は、金属またはセラミックスにより構成できる。要求される強度などに応じて、サポート層の材質の選択の自由度が増す。サポートセル10は、一対のサポート層61、62をともに金属により構成する形態、または、一対のサポート層61、62をともにセラミックスにより構成する形態を有することができる。実施形態のサポートセル10は、アノード側サポート層61およびカソード側サポート層62がともに金属により構成されている。 The support layer can be made of metal or ceramics. The material of the support layer can be selected with greater freedom depending on the required strength, etc. The support cell 10 can have a configuration in which the pair of support layers 61, 62 are both made of metal, or a configuration in which the pair of support layers 61, 62 are both made of ceramics. In the support cell 10 of the embodiment, the anode side support layer 61 and the cathode side support layer 62 are both made of metal.
金属により構成されたサポート層(「金属サポート層」ともいう)は、ガス透過性および電子伝導性を有する多孔質の金属から形成される。金属サポート層を形成する材料としては、高酸化性および高耐熱性を備える金属材料であれば特に限定されないが、例えば、フェライト系ステンレス鋼が挙げられる。フェライト系ステンレス鋼としては、SUS410、SUS420、SUS430、SUS440等のSUS400系が挙げられる。特に、Crofer(登録商標)22合金(ThyssenKrupp・VDM社製)、ZMG(登録商標)232G10(日立金属株式会社製)、ITM(Plansee社製)、SanergyHT(Sandvik社製)などが好適に用いられる。 The support layer made of metal (also called "metal support layer") is formed from a porous metal having gas permeability and electronic conductivity. The material for forming the metal support layer is not particularly limited as long as it is a metal material having high oxidation resistance and high heat resistance, but examples thereof include ferritic stainless steel. Ferritic stainless steel includes SUS400 series such as SUS410, SUS420, SUS430, and SUS440. In particular, Crofer (registered trademark) 22 alloy (manufactured by ThyssenKrupp-VDM), ZMG (registered trademark) 232G10 (manufactured by Hitachi Metals, Ltd.), ITM (manufactured by Plansee), SanergyHT (manufactured by Sandvik), etc. are preferably used.
なお、金属サポート層は、上記の材料から形成する場合に限られず、例えば、微小な通孔を有するエキスパンドメタルから形成することができる。 The metal support layer is not limited to being made from the above materials, but can be made from, for example, an expanded metal with tiny through holes.
(セルフレーム70)
セルフレーム70は、図3、図4、および図5に示すように、サポートセル10を周囲から保持するものである。図3に示すように、セルフレーム70は、開口部70Hを有する。セルフレーム70の開口部70Hに、サポートセル10が配置される。図4および図5に示すように、サポートセル10の電解質層40は、セルフレーム70の下面に第1接合層81によって面接合される。セルフレーム70の開口部70Hの内縁(セルフレーム70の端部71)は、カソード側サポート層62の端部63に第2接合層82によって接合される。
(Cell frame 70)
As shown in Figures 3, 4, and 5, the cell frame 70 supports the support cell 10 from the periphery. As shown in Figure 3, the cell frame 70 has an opening 70H. The support cell 10 is disposed in the opening 70H of the cell frame 70. As shown in Figures 4 and 5, the electrolyte layer 40 of the support cell 10 is surface-bonded to the lower surface of the cell frame 70 by a first bonding layer 81. The inner edge of the opening 70H of the cell frame 70 (the end 71 of the cell frame 70) is bonded to the end 63 of the cathode-side support layer 62 by a second bonding layer 82.
セルフレーム70は、ガスを透過させない緻密な金属材料、例えば、ステンレスから形成される。セルフレーム70の緻密度は、ガス遮蔽性を有する限りにおいて特に限定されないが、90%以上あることが好ましく、96%以上であることがより好ましく、98%以上であることが特に好ましい。セルフレーム70の表面は、絶縁処理が施されている。 The cell frame 70 is formed from a dense metal material that does not allow gas to pass through, such as stainless steel. The density of the cell frame 70 is not particularly limited as long as it has gas shielding properties, but it is preferably 90% or more, more preferably 96% or more, and particularly preferably 98% or more. The surface of the cell frame 70 is subjected to an insulating treatment.
セルフレーム70は、図3に示すように、アノードガスが流通するアノードガス流入口70aおよびアノードガス流出口70bと、カソードガスが流通するカソードガス流入口70cおよびカソードガス流出口70dと、を有している。 As shown in FIG. 3, the cell frame 70 has an anode gas inlet 70a and an anode gas outlet 70b through which the anode gas flows, and a cathode gas inlet 70c and a cathode gas outlet 70d through which the cathode gas flows.
(セパレータ120)
図2および図4に示すように、セパレータ120の流路部121は、凹凸形状が一方向(Y方向)に延在するように略直線状に形成されている。したがって、流路部121に沿って流れるガスの流れ方向は、Y方向となる。
(Separator 120)
2 and 4, the flow path portion 121 of the separator 120 is formed in a substantially linear shape such that the concave and convex shape extends in one direction (Y direction). Therefore, the flow direction of the gas flowing along the flow path portion 121 is the Y direction.
図2に示すように、セパレータ120は、アノードガスが流通するアノードガス流入口125aおよびアノードガス流出口125bと、カソードガスが流通するカソードガス流入口125cおよびカソードガス流出口125dと、を有している。 As shown in FIG. 2, the separator 120 has an anode gas inlet 125a and an anode gas outlet 125b through which the anode gas flows, and a cathode gas inlet 125c and a cathode gas outlet 125d through which the cathode gas flows.
(第1接合層81)
第1接合層81は、カソード側サポート層62の支持面68bに支持されたセルフレーム70と露出した電解質層40との間に配置されている。第1接合層81は、ガラスシールから形成される。これによって、カソード層50の端部が封止され、ガスシール性が担保される。
(First bonding layer 81)
The first bonding layer 81 is disposed between the cell frame 70 supported by the support surface 68b of the cathode-side support layer 62 and the exposed electrolyte layer 40. The first bonding layer 81 is formed of a glass seal. This seals the end of the cathode layer 50 and ensures gas sealing properties.
(第2接合層82)
第2接合層82は、セルフレーム70とカソード側サポート層62との間に配置されている。第2接合層82はさらに、セルフレーム70の表面に向けて伸びて配置される形状を有する。セルフレーム70の端部71は、カソード側サポート層62の支持面68bと第2接合層82とによって囲まれる。第2接合層82の材料は、ろう材またはガラスを使用できる。変形例4では、第2接合層82の材料は、ろう材を使用する。ろう材の主元素は、例えば、アルミニウム、銅、銀、またはニッケルである。
(Second bonding layer 82)
The second bonding layer 82 is disposed between the cell frame 70 and the cathode-side support layer 62. The second bonding layer 82 further has a shape that extends toward the surface of the cell frame 70. The end 71 of the cell frame 70 is surrounded by the support surface 68b of the cathode-side support layer 62 and the second bonding layer 82. The material of the second bonding layer 82 can be a brazing material or glass. In the fourth modification, the material of the second bonding layer 82 is a brazing material. The main element of the brazing material is, for example, aluminum, copper, silver, or nickel.
[サポートセル10の積層構造]
図6A、図6B、図7A、および図7Bに示すように、サポートセル10は、電解質層40の一部が露出しセルフレーム70を接合する接合面94が形成されたセル外周部91と、セル外周部91よりも中央側のセル本体部92と、を有する。サポートセル10の厚み方向の断面において、セル本体部92は、セル本体部92における厚みの中心線O2に対して対称な積層構造を有する。さらに、サポートセル10の厚み方向の断面において、セル外周部91は、セル外周部91における厚みの中心線O1に対して対称な積層構造を有する。
[Layer structure of support cell 10]
6A, 6B, 7A, and 7B, the support cell 10 has a cell outer periphery 91 in which a part of the electrolyte layer 40 is exposed and a joining surface 94 for joining the cell frame 70 is formed, and a cell main body 92 located toward the center of the cell outer periphery 91. In a cross section in the thickness direction of the support cell 10, the cell main body 92 has a layered structure that is symmetrical with respect to a center line O2 of the thickness of the cell main body 92. Furthermore, in a cross section in the thickness direction of the support cell 10, the cell outer periphery 91 has a layered structure that is symmetrical with respect to a center line O1 of the thickness of the cell outer periphery 91.
サポートセル10は、セル本体部92とセル外周部91との間に配置されるセル中間部93をさらに有する。セル中間部93では、接合面94が形成された側のサポート層は、セルフレーム70の端部71を接合する切り欠き部68aを有する。サポートセル10の厚み方向の断面において、セル中間部93は、セル中間部93における厚みの中心線O3に対して対称な積層構造を有する。 The support cell 10 further has a cell intermediate portion 93 disposed between the cell main body portion 92 and the cell outer peripheral portion 91. In the cell intermediate portion 93, the support layer on the side where the joining surface 94 is formed has a notch portion 68a that joins the end portion 71 of the cell frame 70. In a cross section in the thickness direction of the support cell 10, the cell intermediate portion 93 has a layered structure that is symmetrical with respect to the center line O3 of the thickness of the cell intermediate portion 93.
セル外周部91は、接合面94が形成されたアノード層30またはカソード層50とは反対極側に配置された付加層95を有する。付加層95を配置することによって、セル外周部91は、セル外周部91における厚みの中心線O1に対して対称な積層構造を有することができる。 The cell periphery 91 has an additional layer 95 arranged on the opposite electrode side to the anode layer 30 or cathode layer 50 on which the bonding surface 94 is formed. By arranging the additional layer 95, the cell periphery 91 can have a layered structure that is symmetrical with respect to the center line O1 of the thickness of the cell periphery 91.
ここで、厚みの中心線O1、O2に対して対称な積層構造を有するようにしたのは、厚みの中心線O1、O2を境界にして分離した仮想的な2層のそれぞれに応力を同じように作用させることを意図したものである。 Here, the reason for having a laminated structure that is symmetrical with respect to the center lines O1, O2 of the thickness is to cause stress to act in the same manner on each of the two imaginary layers separated by the center lines O1, O2 of the thickness.
具体的には、付加層95は、カソード層50またはアノード層30と同じ第1層95a(第3形成層に相当する)と、電解質層40と同じ第2層95b(第4形成層に相当する)とから形成することができる。セル外周部91は、アノード側サポート層61を中心とした対称な積層構造を有する。このように構成することによって、厚みの中心線O1に対して対称な積層構造を有するセル外周部91を容易に構築できる。 Specifically, the additional layer 95 can be formed from a first layer 95a (corresponding to a third forming layer) that is the same as the cathode layer 50 or the anode layer 30, and a second layer 95b (corresponding to a fourth forming layer) that is the same as the electrolyte layer 40. The cell peripheral portion 91 has a symmetrical laminated structure with respect to the anode-side support layer 61. By configuring in this manner, it is possible to easily construct the cell peripheral portion 91 having a laminated structure that is symmetrical with respect to the center line O1 of the thickness.
電解質層40の一部を露出させた接合面94は、アノード層30の側またはカソード層50の側のいずれかに配置でき、限定されない。実施形態のサポートセル10は、接合面94がカソード層50の側に配置される。したがって、付加層95は、接合面94が形成されたカソード層50とは反対極側であるアノード層30の側に配置される。 The bonding surface 94, which is an exposed portion of the electrolyte layer 40, can be disposed on either the anode layer 30 side or the cathode layer 50 side, and is not limited thereto. In the embodiment of the support cell 10, the bonding surface 94 is disposed on the cathode layer 50 side. Therefore, the additional layer 95 is disposed on the anode layer 30 side, which is the opposite polarity side to the cathode layer 50 on which the bonding surface 94 is formed.
セル本体部92は、カソード側サポート層62、カソード層50、電解質層40、アノード層30、およびアノード側サポート層61が積層されている。カソード層50およびアノード層30の厚さ寸法はほぼ等しい。セル本体部92におけるカソード側サポート層62およびアノード側サポート層61の厚さ寸法はほぼ等しい。セル本体部92における厚みの中心線O2は、電解質層40の中心線となる。 The cell body 92 is a laminate of a cathode side support layer 62, a cathode layer 50, an electrolyte layer 40, an anode layer 30, and an anode side support layer 61. The thickness dimensions of the cathode layer 50 and the anode layer 30 are approximately equal. The thickness dimensions of the cathode side support layer 62 and the anode side support layer 61 in the cell body 92 are approximately equal. The center line O2 of the thickness in the cell body 92 is the center line of the electrolyte layer 40.
セル中間部93は、セル本体部92と同様に、カソード側サポート層62、カソード層50、電解質層40、アノード層30、およびアノード側サポート層61が積層されている。ただし、セル中間部93は切り欠き部68aを有するため、セル中間部93におけるカソード側サポート層62の厚さは、セル本体部92におけるカソード側サポート層62の厚さよりも小さい。セル中間部93におけるカソード側サポート層62およびセル中間部93およびセル外周部91におけるアノード側サポート層61の厚さ寸法はほぼ等しい。セル中間部93における厚みの中心線O3は、電解質層40の中心線となる。 The cell intermediate portion 93, like the cell main body portion 92, is a laminate of the cathode side support layer 62, the cathode layer 50, the electrolyte layer 40, the anode layer 30, and the anode side support layer 61. However, since the cell intermediate portion 93 has a cutout portion 68a, the thickness of the cathode side support layer 62 in the cell intermediate portion 93 is smaller than the thickness of the cathode side support layer 62 in the cell main body portion 92. The thickness dimensions of the cathode side support layer 62 in the cell intermediate portion 93 and the anode side support layer 61 in the cell intermediate portion 93 and the cell outer peripheral portion 91 are approximately equal. The center line O3 of the thickness in the cell intermediate portion 93 is the center line of the electrolyte layer 40.
セル外周部91は、露出させた電解質層40、アノード層30(第1形成層に相当する)、アノード側サポート層61(第2形成層に相当する)、および付加層95が積層されている。付加層95は、アノード側サポート層61の側から、アノード層30と同じ第1層95a(第3形成層に相当する)、および電解質層40と同じ第2層95b(第4形成層に相当する)が積層されている。セル外周部91における厚みの中心線O1は、アノード側サポート層61の中心線となる。 The cell outer periphery 91 is formed by laminating the exposed electrolyte layer 40, the anode layer 30 (corresponding to the first forming layer) , the anode side support layer 61 (corresponding to the second forming layer) , and an additional layer 95. The additional layer 95 is formed by laminating, from the anode side support layer 61 side, a first layer 95a (corresponding to the third forming layer) which is the same as the anode layer 30, and a second layer 95b (corresponding to the fourth forming layer) which is the same as the electrolyte layer 40. The center line O1 of the thickness of the cell outer periphery 91 is the center line of the anode side support layer 61.
サポートセル10の製造においては、まず、グリーンシートを準備する。グリーンシートは、ラミネートフィルムに各層のインクを塗工後、貼り合わせを行った状態のシートである。グリーンシートにおける各層は、バインダーおよび溶媒によってつながれているだけである。 In manufacturing the support cell 10, a green sheet is first prepared. The green sheet is a sheet in which the ink for each layer is applied to a laminate film and then the laminate film is laminated. Each layer in the green sheet is only connected by a binder and a solvent.
次に、グリーンシートを脱脂する。焼成前に大気雰囲気で昇温(例えば、600℃)することによって、各層に含まれる、バインダーおよび溶媒を飛ばす。脱脂工程においては、化学収縮が大きく生じる。 Next, the green sheet is degreased. Before firing, the temperature is raised in the air (e.g., to 600°C) to remove the binder and solvent contained in each layer. During the degreasing process, significant chemical shrinkage occurs.
次に、還元焼成する。脱脂後、還元雰囲気中で加熱し(例えば、1250℃)、焼結を行う。還元焼成工程においては、熱収縮が大きく生じる。還元焼成後、アノード層30へ触媒溶液を含浸させる。 Next, reduction firing is performed. After degreasing, the product is heated in a reducing atmosphere (e.g., 1250°C) and sintered. During the reduction firing process, significant thermal shrinkage occurs. After reduction firing, the anode layer 30 is impregnated with a catalyst solution.
図8は、実施形態のサポートセル10に作用する曲げが相殺される様子を示す模式図である。図9Aは、対比例のサポートセル200の要部を拡大して示す断面図、図9Bは、対比例のサポートセル200に曲げ変形が生じた状態を示す模式図である。 Figure 8 is a schematic diagram showing how bending acting on the support cell 10 of the embodiment is offset. Figure 9A is an enlarged cross-sectional view showing a main part of the support cell 200 of the comparative example, and Figure 9B is a schematic diagram showing a state in which bending deformation occurs in the support cell 200 of the comparative example.
図9Aに示すように、対比例のサポートセル200は、サポートセル200の厚み方向の断面において、セル本体部292は、セル本体部292における厚みの中心線O2に対して対称な積層構造を有する。セル外周部291は、電解質層40、アノード層30、およびアノード側サポート層61を積層した構造を有する。したがって、サポートセル200の厚み方向の断面において、セル外周部291は、セル外周部291における厚みの中心線O1に対して非対称な積層構造を有する。 As shown in FIG. 9A, in the cross section of the thickness direction of the support cell 200, the cell main body 292 of the comparative support cell 200 has a stacked structure that is symmetrical with respect to the center line O2 of the thickness of the cell main body 292. The cell peripheral portion 291 has a structure in which the electrolyte layer 40, the anode layer 30, and the anode side support layer 61 are stacked. Therefore, in the cross section of the thickness direction of the support cell 200, the cell peripheral portion 291 has an asymmetric stacked structure with respect to the center line O1 of the thickness of the cell peripheral portion 291.
図9Bに示すように、対比例のサポートセル200は、焼成などの熱処理に伴って、非対称な積層構造のセル外周部291に曲げ(矢印201)が発生する。このため、符号202によって示される部位において電解質層40に曲げ応力が集中する。その結果、電解質層40を露出させた接合面294が平坦面にならず、セルフレーム70とサポートセル200との間の接合強度が低下し、ガスシール性が低下する恐れがある。 As shown in FIG. 9B, in the comparative support cell 200, bending (arrow 201) occurs in the cell outer periphery 291 of the asymmetric laminated structure as a result of heat treatment such as sintering. For this reason, bending stress is concentrated in the electrolyte layer 40 at the portion indicated by the reference symbol 202. As a result, the bonding surface 294 where the electrolyte layer 40 is exposed does not become flat, and the bonding strength between the cell frame 70 and the support cell 200 decreases, which may lead to a decrease in gas sealing performance.
一方、図8に示すように、実施形態のサポートセル10においては、サポートセル10の厚み方向の断面において、セル本体部92、セル中間部93およびセル外周部91は、それぞれの厚みの中心線O2、O3、O1に対して対称な積層構造を有する。セル本体部92、セル中間部93およびセル外周部91のそれぞれにおいて、面内方向の熱収縮が制御され、サポートセル10の曲げ変形(矢印96、97)が相殺される。その結果、電解質層40を露出させた接合面94が平坦化されるため、セルフレーム70とサポートセル10との間の接合強度が向上し、ガスシール性が向上する。これによって、信頼性の高いサポートセル10を有する固体酸化物形燃料電池を提供できる。 On the other hand, as shown in FIG. 8, in the support cell 10 of the embodiment, in the cross section in the thickness direction of the support cell 10, the cell main body 92, the cell intermediate part 93, and the cell outer peripheral part 91 have a stacked structure that is symmetrical with respect to the center lines O2, O3, and O1 of the thickness of the support cell 10. In each of the cell main body 92, the cell intermediate part 93, and the cell outer peripheral part 91, the thermal contraction in the in-plane direction is controlled, and the bending deformation (arrows 96, 97) of the support cell 10 is offset. As a result, the joint surface 94 exposing the electrolyte layer 40 is flattened, improving the joint strength between the cell frame 70 and the support cell 10 and improving the gas sealing performance. This makes it possible to provide a solid oxide fuel cell having a highly reliable support cell 10.
次に、厚みの中心線に対して非対称な積層構造を有するワークに曲げが発生する現象を、模式的な図を参照しつつ説明する。図10Aは、異種材料からなる2層301、302を積層したワーク300を焼結するときに生じる応力を説明するために用いる説明図、図10Bは、ワーク300の厚み方向の断面において、ワーク300における厚みの中心線に対して非対称な積層構造を有する状態を示す模式図、図10Cは、図10Bに示すワーク300に曲げ変形が生じた状態を示す模式図である。 Next, the phenomenon of bending occurring in a workpiece having a layered structure asymmetric with respect to the center line of the thickness will be explained with reference to schematic diagrams. Figure 10A is an explanatory diagram used to explain the stress that occurs when sintering workpiece 300, which is made of two layers 301 and 302 made of different materials, Figure 10B is a schematic diagram showing a state in which workpiece 300 has a layered structure asymmetric with respect to the center line of the thickness in a cross section in the thickness direction of workpiece 300, and Figure 10C is a schematic diagram showing a state in which bending deformation occurs in workpiece 300 shown in Figure 10B.
図10Aに示すように、ワーク300は、第1の材料から形成されたA層301と、第2の材料から形成されたB層302とが積層されている。ここで、第1の材料の収縮量よりも、第2の材料の収縮量が大きいとする。収縮量は、焼成時の化学変化による収縮や、温度変化による熱収縮などの総和である。第1の材料は第2の材料からの強い収縮を受けるため、A層301には圧縮応力(矢印303)が作用する。一方、第2の材料には第1の材料からの反力を受けるため、B層302には引張応力(矢印304)が作用する。 As shown in FIG. 10A, the workpiece 300 is made up of a laminate of an A layer 301 made of a first material and a B layer 302 made of a second material. Here, the amount of shrinkage of the second material is assumed to be greater than the amount of shrinkage of the first material. The amount of shrinkage is the sum of shrinkage due to chemical changes during firing and thermal shrinkage due to temperature changes. Since the first material is subject to strong shrinkage from the second material, a compressive stress (arrow 303) acts on the A layer 301. On the other hand, since the second material is subject to a reaction force from the first material, a tensile stress (arrow 304) acts on the B layer 302.
図10Bおよび図10Cに示すように、2層301、302の応力状態が厚さ方向で対称でない場合には、それぞれの応力(A層301には圧縮応力(矢印303)、B層302には引張応力(矢印304))を緩和する方向に変形(曲げ)が生じる(図10Cの矢印305)。 As shown in Figures 10B and 10C, when the stress state of the two layers 301 and 302 is not symmetrical in the thickness direction, deformation (bending) occurs in a direction that relieves each stress (compressive stress (arrow 303) in layer A 301, and tensile stress (arrow 304) in layer B 302) (arrow 305 in Figure 10C).
次に、厚みの中心線に対して対称な積層構造を有するワークが曲げ変形を抑えるメカニズムを、模式的な図を参照しつつ説明する。図11A、図11B、図11C、および図11Dは、ワーク310の厚み方向の断面において、ワーク310における厚みの中心線O4に対して対称な積層構造を有する場合に曲げ変形が抑えられるメカニズムを説明するために用いる説明図である。 Next, the mechanism by which a workpiece having a layered structure symmetrical with respect to the center line of the thickness suppresses bending deformation will be described with reference to schematic diagrams. Figures 11A, 11B, 11C, and 11D are explanatory diagrams used to explain the mechanism by which bending deformation is suppressed when the workpiece 310 has a layered structure symmetrical with respect to the center line O4 of the thickness in a cross section in the thickness direction of the workpiece 310.
図11Aに示すように、第1の材料、第2の材料の収縮に伴う応力状態は対称でないとする。図11Bに示すように、上下2層に分割して考えると、上述したようにそれぞれ曲げ変形が起きる(矢印311、312)。図11Cに示すように、実際は接合されているため、お互いの変形を打ち消し合う。ワーク310の右側に矢印311、312によって示した変形が互いに相殺され、左側に矢印311、312によって示した変形が互いに相殺される。図11Dに示すように、面内方向の収縮のみが現れ、曲げ変形が生じることがない。 As shown in Fig. 11A, the stress state accompanying the shrinkage of the first material and the second material is not symmetrical. As shown in Fig. 11B, when the material is divided into two layers, upper and lower, bending deformation occurs in each layer as described above (arrows 311, 312). As shown in Fig. 11C, since the material is actually joined, the deformations cancel each other out. The deformations indicated by the arrows 311, 312 on the right side of the workpiece 310 cancel each other out, and the deformations indicated by the arrows 311, 312 on the left side cancel each other out. As shown in Fig. 11D, only shrinkage in the in-plane direction occurs, and no bending deformation occurs.
以上説明したように、実施形態の固体酸化物形燃料電池は、アノード層30とカソード層50との間に電解質層40を挟持した電解質電極接合体20(単セル)の両面のそれぞれにサポート層61、62を配置したサポートセル10を有する。サポートセル10は、電解質層40の一部が露出しセルフレーム70を接合する接合面94が形成されたセル外周部91と、セル外周部91よりも中央側のセル本体部92と、を有する。サポートセル10の厚み方向の断面において、セル本体部92は、セル本体部92における厚みの中心線O2に対して対称な積層構造を有し、セル外周部91は、セル外周部91における厚みの中心線O1に対して対称な積層構造を有する。 As described above, the solid oxide fuel cell of the embodiment has a support cell 10 in which support layers 61, 62 are arranged on both sides of an electrolyte electrode assembly 20 (single cell) in which an electrolyte layer 40 is sandwiched between an anode layer 30 and a cathode layer 50. The support cell 10 has a cell outer periphery 91 in which a part of the electrolyte layer 40 is exposed and a joining surface 94 for joining the cell frame 70 is formed, and a cell main body 92 located on the central side of the cell outer periphery 91. In a cross section in the thickness direction of the support cell 10, the cell main body 92 has a stacked structure symmetrical with respect to a center line O2 of the thickness of the cell main body 92, and the cell outer periphery 91 has a stacked structure symmetrical with respect to a center line O1 of the thickness of the cell outer periphery 91.
このように構成することによって、セル本体部92およびセル外周部91のそれぞれにおいて、面内方向の熱収縮が制御され、サポートセル10の曲げ変形が相殺される。その結果、電解質層40を露出させた接合面94が平坦化されるため、セルフレーム70とサポートセル10との間の接合強度が向上し、ガスシール性が向上する。これによって、信頼性の高いサポートセル10を有する固体酸化物形燃料電池を提供できる。 By configuring in this manner, the thermal contraction in the in-plane direction is controlled in each of the cell main body 92 and the cell outer periphery 91, and the bending deformation of the support cell 10 is offset. As a result, the joint surface 94 exposing the electrolyte layer 40 is flattened, improving the joint strength between the cell frame 70 and the support cell 10 and improving the gas sealing performance. This makes it possible to provide a solid oxide fuel cell having a highly reliable support cell 10.
サポートセル10は、セル本体部92とセル外周部91との間に配置されるセル中間部93をさらに有する。セル中間部93は、接合面94が形成された側のサポート層62がセルフレーム70の端部71を接合する切り欠き部68aを有する。サポートセル10の厚み方向の断面において、セル中間部93は、セル中間部93における厚みの中心線O3に対して対称な積層構造を有する。このように構成することによって、セル中間部93においても面内方向の熱収縮が制御され、サポートセル10の曲げ変形が相殺される。その結果、接合面94の平坦化が維持され、信頼性の高いサポートセル10を有する固体酸化物形燃料電池を提供できる。 The support cell 10 further has a cell intermediate portion 93 disposed between the cell main body portion 92 and the cell outer peripheral portion 91. The cell intermediate portion 93 has a notch portion 68a where the support layer 62 on the side where the joining surface 94 is formed joins the end portion 71 of the cell frame 70. In a cross section in the thickness direction of the support cell 10, the cell intermediate portion 93 has a laminated structure that is symmetrical with respect to the center line O3 of the thickness of the cell intermediate portion 93. By configuring in this manner, the thermal contraction in the in-plane direction is also controlled in the cell intermediate portion 93, and the bending deformation of the support cell 10 is offset. As a result, the flatness of the joining surface 94 is maintained, and a solid oxide fuel cell having a highly reliable support cell 10 can be provided.
セル外周部91は、接合面94が形成されたアノード層30またはカソード層50とは反対極側に配置された付加層95を有する。このように付加層95を配置することによって、セル外周部91は、セル外周部91における厚みの中心線O1に対して対称な積層構造を有することができる。 The cell periphery 91 has an additional layer 95 arranged on the opposite electrode side to the anode layer 30 or cathode layer 50 on which the bonding surface 94 is formed. By arranging the additional layer 95 in this manner, the cell periphery 91 can have a layered structure that is symmetrical with respect to the center line O1 of the thickness of the cell periphery 91.
付加層95は、電解質電極接合体20(単セル)を構成する層(アノード層30、電解質層40、カソード層50)と同じ層から形成することができる。このように構成することによって、厚みの中心線O1に対して対称な積層構造を有するセル外周部91を容易に構築できる。 The additional layer 95 can be formed from the same layers (anode layer 30, electrolyte layer 40, cathode layer 50) that make up the electrolyte electrode assembly 20 (single cell). By configuring it in this way, it is easy to construct a cell outer periphery 91 that has a stacked structure that is symmetrical with respect to the center line O1 of the thickness.
付加層95は、カソード層50またはアノード層30と同じ第1層95aと、電解質層40と同じ第2層95bとから形成され、セル外周部91は、アノード側サポート層61を中心とした対称な積層構造を有する。このように構成することによって、厚みの中心線O1に対して対称な積層構造を有するセル外周部91を容易に構築できる。 The additional layer 95 is formed from a first layer 95a that is the same as the cathode layer 50 or the anode layer 30, and a second layer 95b that is the same as the electrolyte layer 40, and the cell peripheral portion 91 has a symmetrical laminate structure with the anode side support layer 61 at the center. By configuring it in this way, it is easy to construct a cell peripheral portion 91 that has a symmetrical laminate structure with respect to the center line O1 of the thickness.
接合面94はカソード層50の側に配置され、付加層95はアノード層30の側に配置される。このように構成することによって、セルフレーム70をカソード層50の側に接合した信頼性の高いサポートセル10を有する固体酸化物形燃料電池を提供できる。 The bonding surface 94 is disposed on the cathode layer 50 side, and the additional layer 95 is disposed on the anode layer 30 side. By configuring it in this way, it is possible to provide a solid oxide fuel cell having a highly reliable support cell 10 in which the cell frame 70 is bonded to the cathode layer 50 side.
(変形例1)
図12は、変形例1に係る燃料電池スタック1を示す断面図、図13は、サポートセルアッセンブリー1Aを示す部分断面図である。図14Aは、サポートセル11を示す断面図、図14Bは、サポートセル11の要部を拡大して示す断面図である。図15Aは、サポートセル11の上面図、図15Bは、サポートセル11の下面図である。図16Aは、変形例1のサポートセル11に曲げが作用する様子を示す模式図、図16Bは、変形例1のサポートセル11を適用したサポートセルアッセンブリー1Aにおける作用を説明する模式図である。なお、上述した実施形態と共通する部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。
(Variation 1)
FIG. 12 is a cross-sectional view showing a fuel cell stack 1 according to the first modification, and FIG. 13 is a partial cross-sectional view showing a support cell assembly 1A. FIG. 14A is a cross-sectional view showing a support cell 11, and FIG. 14B is a cross-sectional view showing an enlarged main part of the support cell 11. FIG. 15A is a top view of the support cell 11, and FIG. 15B is a bottom view of the support cell 11. FIG. 16A is a schematic diagram showing a state in which bending acts on the support cell 11 of the first modification, and FIG. 16B is a schematic diagram for explaining the operation of the support cell assembly 1A to which the support cell 11 of the first modification is applied. Note that the same reference numerals are used to designate members common to the above-mentioned embodiment, and explanations thereof will be omitted.
変形例1は、図14Bに示されるように、サポートセル11の厚み方向の断面において、セル中間部103が、セル中間部103における厚みの中心線O3に対して非対称な積層構造を有する点において、上述した実施形態のサポートセル10と相違する。 As shown in FIG. 14B, variant 1 differs from the support cell 10 of the above-described embodiment in that, in a cross section in the thickness direction of the support cell 11, the cell middle portion 103 has an asymmetric layered structure with respect to the center line O3 of the thickness of the cell middle portion 103.
図12に示すように、変形例1に係る燃料電池スタック1は、サポートセルアッセンブリー1Aとセパレータ120との間に集電補助層130が積層される。集電補助層130は、ガスを通す空間を形成しつつ面圧を均等にして、サポートセル11とセパレータ120との電気的な接触を補助する。集電補助層130は、例えば、金網状のエキスパンドメタル等によって形成することができる。 As shown in FIG. 12, in the fuel cell stack 1 according to the first modification, a current collection auxiliary layer 130 is laminated between the support cell assembly 1A and the separator 120. The current collection auxiliary layer 130 forms a space through which gas can pass while equalizing the surface pressure, thereby assisting in electrical contact between the support cell 11 and the separator 120. The current collection auxiliary layer 130 can be formed, for example, from a wire mesh-like expanded metal.
図13、図14A、図14B、図15A、および図15Bに示すように、変形例1に係るサポートセル11は、実施形態に係るサポートセル10と同様に、電解質層40の一部が露出しセルフレーム70を接合する接合面94が形成されたセル外周部91と、セル外周部91よりも中央側のセル本体部92と、を有する。サポートセル11の厚み方向の断面において、セル本体部92は、セル本体部92における厚みの中心線O2に対して対称な積層構造を有する。さらに、サポートセル11の厚み方向の断面において、セル外周部91は、セル外周部91における厚みの中心線O1に対して対称な積層構造を有する。 As shown in Figures 13, 14A, 14B, 15A, and 15B, the support cell 11 according to the first modification has a cell outer periphery 91 in which a portion of the electrolyte layer 40 is exposed and a joining surface 94 for joining the cell frame 70 is formed, and a cell main body 92 located toward the center of the cell outer periphery 91, similar to the support cell 10 according to the embodiment. In a cross section of the support cell 11 in the thickness direction, the cell main body 92 has a layered structure that is symmetrical with respect to a center line O2 of the thickness of the cell main body 92. Furthermore, in a cross section of the support cell 11 in the thickness direction, the cell outer periphery 91 has a layered structure that is symmetrical with respect to a center line O1 of the thickness of the cell outer periphery 91.
変形例1のサポートセル11は、セル本体部92とセル外周部91との間に配置されるセル中間部103をさらに有する。セル中間部103は、接合面94が形成された側のサポート層がセルフレーム70の端部71を接合する切り欠き部68aを有する。そして、サポートセル11の厚み方向の断面において、セル中間部103は、セル中間部103における厚みの中心線O3に対して非対称な積層構造を有する。 The support cell 11 of the first modification further has a cell intermediate portion 103 disposed between the cell main body portion 92 and the cell outer peripheral portion 91. The cell intermediate portion 103 has a cutout portion 68a where the support layer on the side where the joining surface 94 is formed joins the end portion 71 of the cell frame 70. In the cross section in the thickness direction of the support cell 11, the cell intermediate portion 103 has an asymmetric layered structure with respect to the center line O3 of the thickness of the cell intermediate portion 103.
セル外周部91およびセル中間部103は、接合面94が形成されたアノード層30またはカソード層50とは反対極側に配置された付加層95を有する。変形例1のサポートセル11は、実施形態のサポートセル10と同様に、接合面94はカソード層50の側に配置され、付加層95はアノード層30の側に配置される。 The cell outer periphery 91 and the cell middle portion 103 have an additional layer 95 arranged on the opposite electrode side to the anode layer 30 or cathode layer 50 on which the bonding surface 94 is formed. In the support cell 11 of the first modified example, the bonding surface 94 is arranged on the cathode layer 50 side, and the additional layer 95 is arranged on the anode layer 30 side, similar to the support cell 10 of the embodiment.
セル本体部92は、カソード側サポート層62、カソード層50、電解質層40、アノード層30、およびアノード側サポート層61が積層されている。カソード層50およびアノード層30の厚さ寸法はほぼ等しい。セル本体部92におけるカソード側サポート層62およびアノード側サポート層61の厚さ寸法はほぼ等しい。セル本体部92における厚みの中心線O2は、電解質層40の中心線となる。 The cell body 92 is a laminate of a cathode side support layer 62, a cathode layer 50, an electrolyte layer 40, an anode layer 30, and an anode side support layer 61. The thickness dimensions of the cathode layer 50 and the anode layer 30 are approximately equal. The thickness dimensions of the cathode side support layer 62 and the anode side support layer 61 in the cell body 92 are approximately equal. The center line O2 of the thickness in the cell body 92 is the center line of the electrolyte layer 40.
セル中間部103は、カソード側サポート層62、カソード層50、電解質層40、アノード層30、アノード側サポート層61、および付加層95が積層されている。付加層95は、アノード側サポート層61の側から、アノード層30と同じ第1層95a、および電解質層40と同じ第2層95bが積層されている。セル中間部103は切り欠き部68aを有するため、セル中間部103におけるカソード側サポート層62の厚さは、セル本体部92におけるカソード側サポート層62の厚さよりも小さい。アノード側サポート層61の厚さ寸法は、セル本体部92、セル中間部103、およびセル外周部91のすべての領域においてほぼ等しい。このように、サポートセル11の厚み方向の断面において、セル中間部103は、セル中間部103における厚みの中心線O3に対して非対称な積層構造を有する。セル中間部103における厚みの中心線O3は、図示例にあっては、アノード層30とアノード側サポート層61との界面近傍となる。 The cell intermediate portion 103 is formed by stacking the cathode side support layer 62, the cathode layer 50, the electrolyte layer 40, the anode layer 30, the anode side support layer 61, and the additional layer 95. The additional layer 95 is formed by stacking the first layer 95a, which is the same as the anode layer 30, and the second layer 95b, which is the same as the electrolyte layer 40, from the anode side support layer 61 side. Since the cell intermediate portion 103 has a cutout portion 68a, the thickness of the cathode side support layer 62 in the cell intermediate portion 103 is smaller than the thickness of the cathode side support layer 62 in the cell main body portion 92. The thickness dimension of the anode side support layer 61 is approximately equal in all regions of the cell main body portion 92, the cell intermediate portion 103, and the cell outer periphery portion 91. Thus, in the cross section in the thickness direction of the support cell 11, the cell intermediate portion 103 has an asymmetric stacking structure with respect to the center line O3 of the thickness in the cell intermediate portion 103. In the illustrated example, the center line O3 of the thickness of the cell middle portion 103 is near the interface between the anode layer 30 and the anode side support layer 61.
セル外周部91は、露出させた電解質層40、アノード層30、アノード側サポート層61、および付加層95が積層されている。付加層95は、アノード側サポート層61の側から、アノード層30と同じ第1層95a、および電解質層40と同じ第2層95bが積層されている。セル外周部91における厚みの中心線O1は、アノード側サポート層61の中心線となる。 The cell outer periphery 91 is formed by laminating the exposed electrolyte layer 40, the anode layer 30, the anode side support layer 61, and the additional layer 95. The additional layer 95 is formed by laminating, from the anode side support layer 61 side, a first layer 95a identical to the anode layer 30, and a second layer 95b identical to the electrolyte layer 40. The center line O1 of the thickness of the cell outer periphery 91 is the center line of the anode side support layer 61.
変形例1のサポートセル11は、セル中間部103において、アノード側サポート層61の厚さを薄くしていない。このため、変形例1のサポートセル11は、実施形態のサポートセル10に比べて、セル中間部103の機械的強度を向上させることができる。 In the support cell 11 of the first modified example, the thickness of the anode side support layer 61 is not reduced in the cell middle portion 103. Therefore, the support cell 11 of the first modified example can improve the mechanical strength of the cell middle portion 103 compared to the support cell 10 of the embodiment.
図14A、図14B、および図16Aに示すように、セル中間部103は、セル外周部91の積層構造を、カソード側の外周端からサポートセル11の中心に向かってカソード側サポート層62の切り欠き部68aにおける縦壁68cまでオフセットした構造を有する。図14Aに示される矢印104はカソード側の外周長さ(アクティブエリア)を表し、図14Aおよび図14Bに示される矢印105はオフセット長を表している。 As shown in Figures 14A, 14B, and 16A, the cell middle portion 103 has a structure in which the laminated structure of the cell outer periphery portion 91 is offset from the outer periphery end on the cathode side toward the center of the support cell 11 to the vertical wall 68c in the cutout portion 68a of the cathode side support layer 62. Arrow 104 shown in Figure 14A represents the outer periphery length (active area) on the cathode side, and arrow 105 shown in Figures 14A and 14B represents the offset length.
セル中間部103は、全体として見れば非対称な積層構造を有するが(図14B)、対称な積層構造を有する部位106と、非対称な積層構造を有する部位107とを積層した構造と見ることができる(図16A)。対称な積層構造を有する部位106は、セル外周部91の積層構造をオフセットしていることから、セル外周部91と同様に、電解質層40、アノード層30、アノード側サポート層61、付加層95の第1層95a(アノード層30と同じ)、および付加層95の第2層95b(電解質層40と同じ)が積層されている。非対称な積層構造を有する部位107は、カソード側サポート層62およびカソード層50が積層されている。非対称な積層構造を有する部位107は、対称な積層構造を有する部位106に対して、収縮が相対的に大きくなる。収縮が大きい部位は引張応力が作用し、収縮が小さい部位は圧縮応力が作用する。 The cell middle part 103 has an asymmetric stacked structure as a whole (FIG. 14B), but can be seen as a structure in which a part 106 having a symmetric stacked structure and a part 107 having an asymmetric stacked structure are stacked (FIG. 16A). The part 106 having a symmetric stacked structure offsets the stacked structure of the cell outer peripheral part 91, so that, like the cell outer peripheral part 91, the electrolyte layer 40, the anode layer 30, the anode side support layer 61, the first layer 95a (same as the anode layer 30) of the additional layer 95, and the second layer 95b (same as the electrolyte layer 40) of the additional layer 95 are stacked. The part 107 having an asymmetric stacked structure has a cathode side support layer 62 and a cathode layer 50 stacked. The part 107 having an asymmetric stacked structure shrinks relatively more than the part 106 having a symmetric stacked structure. Tensile stress acts on the part with large shrinkage, and compressive stress acts on the part with small shrinkage.
図16Aに示すように、変形例1のサポートセル11においては、サポートセル11の厚み方向の断面において、セル中間部103は、セル中間部103における厚みの中心線O3に対して非対称な積層構造を有する。このため、図中矢印108によって示される方向の曲げモーメントが発生する。サポートセル11の厚み方向の断面において、セル本体部92およびセル外周部91は、それぞれの厚みの中心線O2、O1に対して対称な積層構造を有する。セル本体部92およびセル外周部91のそれぞれにおいて、面内方向の熱収縮が制御され、曲げ変形が相殺される。その結果、電解質層40を露出させた接合面94が平坦化されるため、セルフレーム70とサポートセル11との間の接合強度が向上し、ガスシール性が向上する。 As shown in FIG. 16A, in the support cell 11 of the first modified example, in the cross section of the thickness direction of the support cell 11, the cell middle part 103 has a laminated structure that is asymmetric with respect to the center line O3 of the thickness of the cell middle part 103. Therefore, a bending moment occurs in the direction indicated by the arrow 108 in the figure. In the cross section of the thickness direction of the support cell 11, the cell main body part 92 and the cell outer peripheral part 91 have laminated structures that are symmetric with respect to the center lines O2 and O1 of the thickness, respectively. In each of the cell main body part 92 and the cell outer peripheral part 91, the thermal contraction in the in-plane direction is controlled, and the bending deformation is offset. As a result, the joint surface 94 that exposes the electrolyte layer 40 is flattened, improving the joint strength between the cell frame 70 and the support cell 11 and improving the gas sealability.
図16Bに示すように、変形例1のサポートセル11においては、非対称な積層構造を有するセル中間部103によって曲げモーメント(矢印108)が発生する。この曲げモーメントは、セル外周部91をセルフレーム70に向けて締め付ける方向(矢印109)に作用する。したがって、電解質層40を露出させた接合面94の平坦化を維持しつつ、セル外周部91をセルフレーム70に圧縮させることができる。これによって、より信頼性の高いサポートセル11を有する固体酸化物形燃料電池を提供できる。 As shown in FIG. 16B, in the support cell 11 of the first modified example, a bending moment (arrow 108) is generated by the cell middle portion 103 having an asymmetric stacked structure. This bending moment acts in a direction (arrow 109) that tightens the cell outer periphery 91 toward the cell frame 70. Therefore, the cell outer periphery 91 can be compressed against the cell frame 70 while maintaining the flatness of the joint surface 94 that exposes the electrolyte layer 40. This makes it possible to provide a solid oxide fuel cell having a support cell 11 with higher reliability.
図12および図13に示すように、変形例1に係るサポートセルアッセンブリー1Aは、第1接合層81、電解質層40、アノード層30、アノード側サポート層61、付加層95の側面をまたいで覆うように、絶縁層140が配置されている。絶縁層140は、例えば、アルミナ、ジルコニア、あるいはシリカのいずれかを主材料とし、コーティングによって形成される。絶縁層140は、付加層95における緻密な電解質層40と同じ第2層95bに接続されるため、アノード側の端部とカソード側の端部との間の絶縁距離が長くなる。これによって、絶縁信頼性を高めることができる。 As shown in Figures 12 and 13, in the support cell assembly 1A according to the first modification, an insulating layer 140 is arranged so as to straddle and cover the sides of the first bonding layer 81, the electrolyte layer 40, the anode layer 30, the anode-side support layer 61, and the additional layer 95. The insulating layer 140 is formed by coating, for example, with alumina, zirconia, or silica as the main material. The insulating layer 140 is connected to the same second layer 95b as the dense electrolyte layer 40 in the additional layer 95, so that the insulation distance between the anode side end and the cathode side end is longer. This can improve the insulation reliability.
以上説明したように、変形例1の固体酸化物形燃料電池のサポートセル11は、セル本体部92とセル外周部91との間に配置されるセル中間部103をさらに有する。セル中間部103は、接合面94が形成された側のサポート層62がセルフレーム70の端部71を接合する切り欠き部68aを有する。サポートセル11の厚み方向の断面において、セル中間部103は、セル中間部103における厚みの中心線O3に対して非対称な積層構造を有する。 As described above, the support cell 11 of the solid oxide fuel cell of the first modified example further has a cell intermediate portion 103 disposed between the cell main body portion 92 and the cell outer peripheral portion 91. The cell intermediate portion 103 has a cutout portion 68a where the support layer 62 on the side where the joining surface 94 is formed joins the end portion 71 of the cell frame 70. In a cross section in the thickness direction of the support cell 11, the cell intermediate portion 103 has an asymmetric stacked structure with respect to the center line O3 of the thickness of the cell intermediate portion 103.
このように構成することによって、セル中間部93をセル中間部93における厚みの中心線O3に対して対称な積層構造を有するようにする場合に比べて、セル中間部103の機械的強度を向上させることができる。サポートセル11の厚み方向の断面において、セル本体部92およびセル外周部91は、それぞれの厚みの中心線O2、O1に対して対称な積層構造を有する。セル本体部92およびセル外周部91のそれぞれにおいて、面内方向の熱収縮が制御され、曲げ変形が相殺される。その結果、電解質層40を露出させた接合面94が平坦化されるため、セルフレーム70とサポートセル11との間の接合強度が向上し、ガスシール性が向上する。これによって、信頼性の高いサポートセル11を有する固体酸化物形燃料電池を提供できる。 By configuring in this way, the mechanical strength of the cell intermediate portion 103 can be improved compared to a case where the cell intermediate portion 93 has a stacked structure symmetrical with respect to the center line O3 of the thickness of the cell intermediate portion 93. In the cross section in the thickness direction of the support cell 11, the cell main body portion 92 and the cell outer peripheral portion 91 have stacked structures symmetrical with respect to the center lines O2 and O1 of the thickness, respectively. In each of the cell main body portion 92 and the cell outer peripheral portion 91, the thermal contraction in the in-plane direction is controlled, and bending deformation is offset. As a result, the joint surface 94 exposing the electrolyte layer 40 is flattened, improving the joint strength between the cell frame 70 and the support cell 11 and improving the gas sealing performance. This makes it possible to provide a solid oxide fuel cell having a highly reliable support cell 11.
セル外周部91およびセル中間部103は、接合面94が形成されたアノード層30またはカソード層50とは反対極側に配置された付加層95を有する。このように構成することによって、セル中間部103には、セル外周部91の積層構造がオフセットされた対称な積層構造を有する部位106が形成される。非対称な積層構造を有するセル中間部103によって曲げモーメントが発生するが、この曲げモーメントによって、セル外周部91をセルフレーム70に向けて締め付ける方向に作用させることができる。したがって、電解質層40を露出させた接合面94の平坦化を維持しつつ、セル外周部91をセルフレーム70に圧縮させることができる。これによって、より信頼性の高いサポートセル11を有する固体酸化物形燃料電池を提供できる。 The cell outer periphery 91 and the cell middle part 103 have an additional layer 95 arranged on the opposite pole side to the anode layer 30 or the cathode layer 50 on which the joint surface 94 is formed. By configuring in this way, a portion 106 having a symmetrical stack structure in which the stack structure of the cell outer periphery 91 is offset is formed in the cell middle part 103. A bending moment is generated by the cell middle part 103 having an asymmetric stack structure, but this bending moment can act in a direction that tightens the cell outer periphery 91 toward the cell frame 70. Therefore, the cell outer periphery 91 can be compressed to the cell frame 70 while maintaining the flatness of the joint surface 94 that exposes the electrolyte layer 40. This makes it possible to provide a solid oxide fuel cell having a support cell 11 with higher reliability.
(変形例2)
図17Aは、変形例2のサポートセル12に曲げが作用する様子を示す模式図、図17Bは、変形例2のサポートセル12を適用したサポートセルアッセンブリー1Aにおける作用を説明する模式図である。なお、上述した実施形態および変形例1と共通する部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。
(Variation 2)
Fig. 17A is a schematic diagram showing how bending acts on the support cell 12 of Modification 2, and Fig. 17B is a schematic diagram for explaining the operation of the support cell assembly 1A to which the support cell 12 of Modification 2 is applied. Note that the same reference numerals are used to designate members common to the above-described embodiment and Modification 1, and explanations thereof will be omitted.
変形例2は、変形例1と同様に、サポートセル12の厚み方向の断面において、セル中間部113が、セル中間部113における厚みの中心線O3に対して非対称な積層構造を有する。変形例2は、セル中間部113に、セル外周部91の積層構造をオフセットさせた対称な積層構造が形成されていない点において、上述した変形例1のサポートセル11と相違する。 In the second modification, similar to the first modification, in the cross section of the thickness direction of the support cell 12, the cell middle portion 113 has an asymmetric stacking structure with respect to the center line O3 of the thickness of the cell middle portion 113. The second modification differs from the support cell 11 of the first modification described above in that the cell middle portion 113 does not have a symmetric stacking structure in which the stacking structure of the cell outer periphery portion 91 is offset.
変形例2のサポートセル12は、変形例1と同様に、セル中間部113において、アノード側サポート層61の厚さを薄くしていない。このため、変形例2のサポートセル12も、実施形態のサポートセル10に比べて、セル中間部113の機械的強度を向上させることができる。 In the support cell 12 of the modified example 2, as in the modified example 1, the thickness of the anode side support layer 61 is not reduced in the cell middle portion 113. Therefore, the support cell 12 of the modified example 2 can also improve the mechanical strength of the cell middle portion 113 compared to the support cell 10 of the embodiment.
セル中間部113は、全体として見れば非対称な積層構造を有するが、対称な積層構造を有する部位116と、非対称な積層構造を有する部位117とを積層した構造とみることができる(図17A)。対称な積層構造を有する部位116は、実施形態のセル中間部93と同様に、接合面94が形成された薄いカソード側サポート層62、カソード層50、電解質層40、アノード層30、アノード側サポート層61のうち切り欠き部68aの深さに相当する部位が積層されている。非対称な積層構造を有する部位117は、アノード側サポート層61のうち切り欠き部68aの深さに相当する部位を除いた残余の部位である。非対称な積層構造を有する部位117は、対称な積層構造を有する部位116に対して、収縮が相対的に大きくなる。収縮が大きい部位は引張応力が作用し、収縮が小さい部位は圧縮応力が作用する。 The cell intermediate portion 113 has an asymmetric stacked structure as a whole, but can be considered to have a structure in which a portion 116 having a symmetric stacked structure and a portion 117 having an asymmetric stacked structure are stacked (FIG. 17A). The portion 116 having a symmetric stacked structure is a stack of the thin cathode side support layer 62 on which the joint surface 94 is formed, the cathode layer 50, the electrolyte layer 40, the anode layer 30, and the portion of the anode side support layer 61 corresponding to the depth of the notch portion 68a, as in the cell intermediate portion 93 of the embodiment. The portion 117 having an asymmetric stacked structure is the remaining portion of the anode side support layer 61 excluding the portion corresponding to the depth of the notch portion 68a. The portion 117 having an asymmetric stacked structure shrinks relatively more than the portion 116 having a symmetric stacked structure. Tensile stress acts on the portion with large shrinkage, and compressive stress acts on the portion with small shrinkage.
図17Aに示すように、変形例2のサポートセル12においても、サポートセル12の厚み方向の断面において、セル中間部113は、セル中間部113における厚みの中心線O3に対して非対称な積層構造を有する。このため、図中矢印118によって示される方向の曲げモーメントが発生する。サポートセル12の厚み方向の断面において、セル本体部92およびセル外周部91は、それぞれの厚みの中心線O2、O1に対して対称な積層構造を有する。セル本体部92およびセル外周部91のそれぞれにおいて、面内方向の熱収縮が制御され、曲げ変形が相殺される。その結果、電解質層40を露出させた接合面94が平坦化されるため、セルフレーム70とサポートセル11との間の接合強度が向上し、ガスシール性が向上する。これによって、信頼性の高いサポートセル11を有する固体酸化物形燃料電池を提供できる。 As shown in FIG. 17A, in the support cell 12 of the second modified example, in the cross section of the thickness direction of the support cell 12, the cell middle part 113 has a stacked structure that is asymmetric with respect to the center line O3 of the thickness of the cell middle part 113. Therefore, a bending moment occurs in the direction indicated by the arrow 118 in the figure. In the cross section of the thickness direction of the support cell 12, the cell main body part 92 and the cell outer peripheral part 91 have stacked structures that are symmetric with respect to the center lines O2 and O1 of the thickness, respectively. In each of the cell main body part 92 and the cell outer peripheral part 91, the thermal contraction in the in-plane direction is controlled, and the bending deformation is offset. As a result, the joint surface 94 that exposes the electrolyte layer 40 is flattened, improving the joint strength between the cell frame 70 and the support cell 11 and improving the gas sealing property. This makes it possible to provide a solid oxide fuel cell having a highly reliable support cell 11.
図17Bに示すように、変形例2のサポートセル12においては、非対称な積層構造を有するセル中間部113によって曲げモーメント(矢印118)が発生する。この曲げモーメントは、セル外周部91をセルフレーム70から離す方向(矢印119)に作用する。したがって、変形例1に比べると、セル外周部91の電解質層40の損傷を抑制する効果は若干低下する。 As shown in FIG. 17B, in the support cell 12 of the second modification, a bending moment (arrow 118) is generated by the cell middle portion 113, which has an asymmetric stacked structure. This bending moment acts in a direction (arrow 119) that moves the cell outer periphery 91 away from the cell frame 70. Therefore, compared to the first modification, the effect of suppressing damage to the electrolyte layer 40 of the cell outer periphery 91 is slightly reduced.
変形例1および変形例2はともに、セル中間部103、113は、セル中間部103、113における厚みの中心線O3に対して非対称な積層構造を有する。ただし、セル外周部91の積層構造をオフセットさせるか(変形例1、図16A)、あるいはセル外周部91の積層構造をオフセットさせないか(変形例2、図17A)によって、発生する曲げモーメントの方向を逆方向にすることができる。すなわち、セル本体部92とセル外周部91との間に、非対称な積層構造を有するセル中間部103、113であって、特定の方向の曲げモーメントを発生させることができるセル中間部103、113を介装できる。曲げモーメントをどのように適用するかによって、セル外周部91の積層構造をオフセットさせる、あるいはオフセットさせないかを選択すればよい。 In both Modification 1 and Modification 2, the cell intermediate portions 103, 113 have an asymmetric stacked structure with respect to the center line O3 of the thickness of the cell intermediate portions 103, 113. However, the direction of the generated bending moment can be reversed by offsetting the stacked structure of the cell peripheral portion 91 (Modification 1, FIG. 16A) or not offsetting the stacked structure of the cell peripheral portion 91 (Modification 2, FIG. 17A). In other words, the cell intermediate portions 103, 113 having an asymmetric stacked structure and capable of generating a bending moment in a specific direction can be interposed between the cell main body portion 92 and the cell peripheral portion 91. Depending on how the bending moment is applied, it is possible to select whether or not to offset the stacked structure of the cell peripheral portion 91.
以上説明したように、変形例2の固体酸化物形燃料電池のサポートセル12は、変形例1と同様に、サポートセル12の厚み方向の断面において、切り欠き部68aを有するセル中間部113は、セル中間部113における厚みの中心線O3に対して非対称な積層構造を有する。このように構成することによって、セル中間部93をセル中間部93における厚みの中心線O3に対して対称な積層構造を有するようにする場合に比べて、セル中間部113の機械的強度を向上させることができる。サポートセル12の厚み方向の断面において、セル本体部92およびセル外周部91は、それぞれの厚みの中心線に対して対称な積層構造を有する。セル本体部92およびセル外周部91のそれぞれにおいて、面内方向の熱収縮が制御され、曲げ変形が相殺される。その結果、電解質層40を露出させた接合面94が平坦化されるため、セルフレーム70とサポートセル11との間の接合強度が向上し、ガスシール性が向上する。これによって、信頼性の高いサポートセル11を有する固体酸化物形燃料電池を提供できる。 As described above, in the support cell 12 of the solid oxide fuel cell of the second modification, as in the first modification, in the cross section in the thickness direction of the support cell 12, the cell intermediate portion 113 having the notch portion 68a has an asymmetric stack structure with respect to the center line O3 of the thickness of the cell intermediate portion 113. By configuring in this way, the mechanical strength of the cell intermediate portion 113 can be improved compared to the case where the cell intermediate portion 93 has a stack structure symmetric with respect to the center line O3 of the thickness of the cell intermediate portion 93. In the cross section in the thickness direction of the support cell 12, the cell main body portion 92 and the cell outer peripheral portion 91 have stack structures symmetric with respect to the center line of their respective thicknesses. In each of the cell main body portion 92 and the cell outer peripheral portion 91, the thermal contraction in the in-plane direction is controlled, and the bending deformation is offset. As a result, the joint surface 94 exposing the electrolyte layer 40 is flattened, so that the joint strength between the cell frame 70 and the support cell 11 is improved, and the gas sealing property is improved. This makes it possible to provide a solid oxide fuel cell having a highly reliable support cell 11.
また、変形例1および変形例2から明らかなように、セル本体部92とセル外周部91との間に、非対称な積層構造を有するセル中間部103、113であって、特定の方向の曲げモーメントを発生させることができるセル中間部103、113を介装できる。 In addition, as is clear from variants 1 and 2, a cell intermediate portion 103, 113 having an asymmetric laminated structure and capable of generating a bending moment in a specific direction can be interposed between the cell main body portion 92 and the cell outer peripheral portion 91.
1 燃料電池スタック、
1A サポートセルアッセンブリー、
1U セルユニット、
10、11、12 サポートセル、
20 電解質電極接合体(単セル)、
30 アノード層、
40 電解質層、
50 カソード層、
61 アノード側サポート層、
62 カソード側サポート層、
68a 切り欠き部、
68b 支持面、
68c 縦壁、
70 セルフレーム、
81 第1接合層、
82 第2接合層、
91 セル外周部、
92 セル本体部、
93 セル中間部、
94 接合面、
95 付加層、
95a 第1層、
95b 第2層、
103 セル中間部、
106 セル中間部において対称な積層構造を有する部位、
107 セル中間部において非対称な積層構造を有する部位、
113 セル中間部、
116 セル中間部において対称な積層構造を有する部位、
117 セル中間部において非対称な積層構造を有する部位、
120 セパレータ、
140 絶縁層、
O1 セル外周部における厚みの中心線、
O2 セル本体部における厚みの中心線、
O3 セル中間部における厚みの中心線。
1 fuel cell stack,
1A Support cell assembly,
1U cell unit,
10, 11, 12 Support cell,
20 Electrolyte electrode assembly (single cell),
30 anode layer,
40 electrolyte layer,
50 cathode layer,
61 anode side support layer,
62 cathode side support layer,
68a notch portion,
68b support surface;
68c vertical wall,
70 cell frames,
81 First bonding layer,
82 second bonding layer,
91 Cell outer periphery,
92 Cell body portion,
93 Cell middle part,
94 Joint surface,
95 additional layer,
95a first layer,
95b second layer,
103 cell middle part,
106 A portion having a symmetrical laminate structure in the middle of the cell;
107 A portion having an asymmetric laminated structure in a middle part of the cell;
113 Cell middle part,
116 A portion having a symmetrical laminate structure in the middle of the cell;
117 A portion having an asymmetric laminated structure in the middle part of the cell;
120 Separator,
140 insulating layer,
O1: center line of thickness at the outer periphery of the cell;
O2: Center line of thickness in cell body;
O3: Centerline of thickness at mid-cell.
Claims (5)
前記サポートセルは、前記電解質層の一部が露出しセルフレームを接合する接合面が形成されたセル外周部と、前記セル外周部よりも中央側のセル本体部と、を有し、
前記サポートセルの厚み方向の断面において、前記セル本体部は、前記セル本体部における厚みの中心線(O2)に対して対称な積層構造を有し、前記セル外周部は、前記セル外周部における厚みの中心線(O1)に対して対称な積層構造を有し、
前記アノード層と前記カソード層とは材料が等しく、前記アノード側サポート層と前記カソード側サポート層とは材料が等しく、
前記セル本体部において、前記アノード層と前記カソード層とは厚さ寸法が等しく、前記アノード側サポート層と前記カソード側サポート層とは厚さ寸法が等しく、
前記セル外周部は、前記接合面が形成された前記電解質層と、前記アノード層または前記カソード層から形成された第1形成層と、前記アノード側サポート層または前記カソード側サポート層から形成された第2形成層と、前記アノード層および前記カソード層と同じ材料から形成された第3形成層と、前記電解質層と同じ材料から形成された第4形成層と、を積層して構成され、
前記セル外周部において、前記電解質層と前記第4形成層とは厚さ寸法が等しく、前記第1形成層と前記第3形成層とは厚さ寸法が等しい、固体酸化物形燃料電池。 A solid oxide fuel cell having a support cell in which an anode-side support layer and a cathode-side support layer are disposed on both sides of a single cell having an electrolyte layer sandwiched between an anode layer and a cathode layer,
the support cell has a cell outer periphery where a part of the electrolyte layer is exposed and a joining surface for joining a cell frame is formed, and a cell main body part located closer to the center than the cell outer periphery ,
In a cross section in the thickness direction of the support cell, the cell main body has a laminated structure symmetrical with respect to a center line (O2) of the thickness of the cell main body, and the cell outer periphery has a laminated structure symmetrical with respect to a center line (O1) of the thickness of the cell outer periphery ,
the anode layer and the cathode layer are made of the same material, the anode side support layer and the cathode side support layer are made of the same material,
In the cell main body, the anode layer and the cathode layer have the same thickness dimension, and the anode side support layer and the cathode side support layer have the same thickness dimension,
the cell outer periphery is configured by laminating the electrolyte layer on which the bonding surface is formed, a first forming layer formed from the anode layer or the cathode layer, a second forming layer formed from the anode side support layer or the cathode side support layer, a third forming layer formed from the same material as the anode layer and the cathode layer, and a fourth forming layer formed from the same material as the electrolyte layer;
A solid oxide fuel cell , wherein, at the outer periphery of the cell, the electrolyte layer and the fourth formation layer have the same thickness dimension, and the first formation layer and the third formation layer have the same thickness dimension .
前記セル中間部は、前記接合面が形成された側の前記アノード側サポート層または前記カソード側サポート層が前記セルフレームの端部を接合する切り欠き部を有し、
前記サポートセルの厚み方向の断面において、前記セル中間部は、前記セル中間部における厚みの中心線(O3)に対して対称な積層構造を有し、
前記セル中間部において、前記アノード層と前記カソード層とは厚さ寸法が等しく、前記接合面が形成された側の前記アノード側サポート層または前記カソード側サポート層と反対側の前記カソード側サポート層または前記アノード側サポート層とは厚さ寸法が等しい、請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池。 The support cell further includes a cell intermediate portion disposed between the cell main body portion and the cell outer periphery portion,
the cell intermediate portion has a cutout portion where the anode side support layer or the cathode side support layer on the side where the joining surface is formed is joined to an end portion of the cell frame,
In a cross section of the support cell in the thickness direction, the cell intermediate portion has a laminated structure that is symmetrical with respect to a center line (O3) of the thickness of the cell intermediate portion ,
2. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein, in the cell intermediate portion, the anode layer and the cathode layer have the same thickness dimension, and the anode side support layer or the cathode side support layer on the side where the joining surface is formed and the cathode side support layer or the anode side support layer on the opposite side have the same thickness dimension .
前記セル中間部は、前記接合面が形成された側の前記アノード側サポート層または前記カソード側サポート層が前記セルフレームの端部を接合する切り欠き部を有し、
前記サポートセルの厚み方向の断面において、前記セル中間部は、前記セル中間部における厚みの中心線(O3)に対して非対称な積層構造を有し、
前記セル中間部において、前記アノード層と前記カソード層とは厚さ寸法が等しく、前記接合面が形成された側とは反対側の前記カソード側サポート層または前記アノード側サポート層と前記セル本体部における前記カソード側サポート層または前記アノード側サポート層とは厚さ寸法が等しい、請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池。 The support cell further includes a cell intermediate portion disposed between the cell main body portion and the cell outer periphery portion,
the cell intermediate portion has a cutout portion where the anode side support layer or the cathode side support layer on the side where the joining surface is formed is joined to an end portion of the cell frame,
In a cross section of the support cell in the thickness direction, the cell intermediate portion has an asymmetric laminate structure with respect to a center line (O3) of the thickness of the cell intermediate portion ,
2. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein in the cell intermediate portion, the anode layer and the cathode layer have the same thickness dimension, and the cathode side support layer or the anode side support layer on the side opposite to the side on which the joining surface is formed and the cathode side support layer or the anode side support layer in the cell main body portion have the same thickness dimension .
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