專利名稱：燃料電池的結(jié)構(gòu)體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池的結(jié)構(gòu)體。
背景技術(shù)：
以往，已知有具有“內(nèi)部形成有氣體流路的不具有電子傳導性的多孔質(zhì)的支承基板”、“相互分離地分別設(shè)置在所述支承基板的表面中多處的、由燃料極、固體電解質(zhì)和空氣極層疊的多個發(fā)電元件部”和“分別設(shè)置在I組或多組的相鄰所述發(fā)電元件部之間的、電連接相鄰的所述發(fā)電元件部的一方所述發(fā)電元件部的內(nèi)側(cè)電極和另一方所述發(fā)電元件部的外側(cè)電極的具有電子傳導性的I個或多個電連接部”的固體氧化物形燃料電池的結(jié)構(gòu)體(例如，參照日本專利特開平8-106916號公報、日本專利特開2008-226789號公報)。這樣的構(gòu)成也稱為“橫條型”。以下，關(guān)注支承基板的形狀。日本專利特開平8-106916號公報記載的“橫條型”的固體氧化物形燃料電池的結(jié)構(gòu)體中，支承基板呈圓筒狀。圓筒狀的支承基板的表面(圓筒面)中，用于埋設(shè)燃料極的多個“環(huán)狀溝”在軸向的多處分別形成(參照圖3)。從而，支承基板中形成有“環(huán)狀溝”的部分的外徑變小。由此，該結(jié)構(gòu)體為，在對支承基板施加彎曲方向或扭轉(zhuǎn)方向的外力時，容易變形的結(jié)構(gòu)。又，日本專利特開2008-226789號公報記載的“橫條型”的固體氧化物形燃料電池的結(jié)構(gòu)體中，支承基板呈具有長度方向的平板狀。平板狀的支承基板的主面(平面)中，形成有用于埋設(shè)燃料極等的“沿長度方向且在長度方向開放的長溝”(參照圖3(b))。從而，支承基板中形成“長溝”的部分的厚度減小。另，“長溝”具有在與長度方向垂直的寬度方向的兩端部的沿長度方向延伸的側(cè)壁，且在長度方向的兩端部不具有沿寬度方向延伸的側(cè)壁。即，“長溝”不具有周向封閉側(cè)壁。從而，支承基板中不形成包圍“長溝”的框體。由此，該結(jié)構(gòu)體也可稱為，尤其當支承基板被施加扭轉(zhuǎn)方向的外力時容易變形的結(jié)構(gòu)。由此，希望在“橫條型”的燃料電池的結(jié)構(gòu)體中，當支承基板受到外力時，抑制支承基板的變形。進一步的，在上述的燃料電池的結(jié)構(gòu)體中，提高燃料電池的發(fā)電輸出是重要的。作為提高發(fā)電輸出的一個方法，例如，考慮有提高內(nèi)側(cè)電極和電連接部之間的電子傳導性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種“橫條型”的燃料電池的結(jié)構(gòu)體，在支承基板受到外力的時候也不容易變形，且內(nèi)側(cè)電極和電連接部之間的電子傳導性高。本發(fā)明涉及的燃料電池的結(jié)構(gòu)體包括:內(nèi)部形成氣體流路的不具有電子傳導性的平板狀的多孔質(zhì)的支承基板；在所述平板狀的支承基板的主面中相互分離的多處分別設(shè)置的“至少內(nèi)側(cè)電極、固體電解質(zhì)、和外側(cè)電極層疊形成的多個發(fā)電元件部”;分別設(shè)置在I組或多組的相鄰所述發(fā)電元件部之間的、使相鄰的所述發(fā)電元件部的一方所述發(fā)電元件部的內(nèi)側(cè)電極和另一方所述發(fā)電元件部的外側(cè)電極電連接的具有電子傳導性的I個或多個電連接部。即，該結(jié)構(gòu)體為“橫條型”的燃料電池的結(jié)構(gòu)體。本發(fā)明涉及的燃料電池的結(jié)構(gòu)體的特征為，所述各電連接部由:由致密材料構(gòu)成的第I部分；和與所述第I部分連接的且由多孔質(zhì)材料構(gòu)成的第2部分所構(gòu)成。所述平板狀的支承基板的主面的所述多處分別形成有第I凹部，其具有由所述支承基部的材料構(gòu)成的底壁和圍繞整周的由所述支承基板的材料構(gòu)成的周向封閉的側(cè)壁，所述各第I凹部中分別埋設(shè)有各對應(yīng)的所述發(fā)電元件部的內(nèi)側(cè)電極(的整體)，形成于所述被埋設(shè)的各內(nèi)側(cè)電極的外側(cè)面的第2凹部中，分別埋設(shè)有對應(yīng)的所述電連接部的所述第I部分(的整體或一部分)。所述各第2凹部具有:由所述內(nèi)側(cè)電極的材料構(gòu)成的底壁，和包括所述內(nèi)側(cè)電極材料構(gòu)成的部分的周向封閉的側(cè)壁。這樣，本發(fā)明涉及的“橫條型”的燃料電池的結(jié)構(gòu)體中，用于埋設(shè)內(nèi)側(cè)電極的各第I凹部具有周向封閉的側(cè)壁。換言之，支承基板中分別形成有包圍各第I凹部的框體。從而，該結(jié)構(gòu)體可成為，在支承基板受到外力時，不容易變形的結(jié)構(gòu)。進一步的，電連接部的第I部分埋設(shè)于形成在內(nèi)側(cè)電極的外側(cè)面的第2凹部中。從而，相比采用在埋設(shè)于第I凹部的內(nèi)部電極的外側(cè)平面上層疊有(接觸)電連接部的第I部分的構(gòu)成的情況，內(nèi)部電極和電連接部之間的界面面積變大。從而，可提高內(nèi)部電極和電連接部之間的電子傳導性。結(jié)果，可提高燃料電池的發(fā)電輸出。此時，埋設(shè)有對應(yīng)的所述電連接部的第I部分的所述各第2凹部，具有:所述內(nèi)側(cè)電極材料構(gòu)成的底壁、圍繞整周的由所述內(nèi)側(cè)電極材料構(gòu)成的周向封閉的側(cè)壁。這樣，內(nèi)部電極和電連接部的界面面積可進一步增大。從而，內(nèi)部電極和電連接部之間的電子傳導性
可進一步提聞。此處，所述第I凹部的平面形狀(從與支承基板的主面垂直的方向看出的形狀)為，例如，長方形、正方形、圓形、橢圓形、長圓形。又，所述支承基板具有長度方向，且，所述多個第I凹部最好沿長度方向隔開規(guī)定的間隔配置。又，所述內(nèi)側(cè)電極和所述外側(cè)電極也可分別是空氣極和燃料極，也可是燃料極和空氣極。又，所述第I凹部中所述底壁的平面部和所述側(cè)壁的平面部所成的角度可以是90°，例如也可是90 135°。或者，所述第I凹部中所述底壁的平面部和所述側(cè)壁的平面部的相交部分為圓弧狀時，圓弧的半徑相對于所述第I凹部的深度的比例為，例如，0.01
I。又，從與所述支承基板的主面垂直方向看出時，所述第I凹部的周圍存在角部時，所述角部為半徑為0.05 1.0mm的圓弧狀。上述本發(fā)明涉及的燃料電池的結(jié)構(gòu)體最好為如下構(gòu)成:所述平板狀的支承基板的相互平行的兩側(cè)主面分別形成有所述多個第I凹部，所述支承基板的兩側(cè)主面的所述各第I凹部中，分別埋設(shè)有對應(yīng)的所述發(fā)電元件部的內(nèi)側(cè)電極，形成于被埋設(shè)的各內(nèi)側(cè)電極的外側(cè)面的所述第2凹部中，分別埋設(shè)有對應(yīng)的所述電連接部的所述第I部分，所述支承基板的兩側(cè)主面分別設(shè)有所述多個發(fā)電元件部。這樣，相比僅在所述支承基板的單側(cè)的主面設(shè)置所述多個發(fā)電元件部的情況，結(jié)構(gòu)體中發(fā)電元件部的個數(shù)可增多，燃料電池的發(fā)電輸出也得到提聞。又，在上述本發(fā)明涉及的燃料電池的結(jié)構(gòu)體中，所述內(nèi)側(cè)電極的所述第2凹部以外的外側(cè)面、所述致密材料構(gòu)成的所述電連接部的第I部分的外側(cè)面和所述支承基板的所述主面最好構(gòu)成為同一平面。這樣，用于對相鄰的發(fā)電元件部之間進行氣體密封的“不具有電子傳導性的致密層”被設(shè)置為覆蓋內(nèi)側(cè)電極的外側(cè)面、所述電連接部的第I部分的外側(cè)面上的一部分和支承基板的主面時，該致密層可平坦化。從而，相比該致密層形成有階差的情況，可抑制支承基板受到外力時等由于應(yīng)力集中導致的該致密層處產(chǎn)生裂紋，抑制該致密層的氣體密封功能的下降。又，上述“不具有電子傳導性的致密層”為，覆蓋相鄰發(fā)電元件部間內(nèi)側(cè)電極的外側(cè)面、所述電連接部的第I部分的外側(cè)面上的一部分和支承基板的主面的，從發(fā)電元件部內(nèi)的致密固體電解質(zhì)層延伸的層。


圖1是顯示本發(fā)明涉及的燃料電池的結(jié)構(gòu)體的立體圖。
圖2是對應(yīng)于圖1所示的燃料電池的結(jié)構(gòu)體的2-2線的截面圖。
圖3是顯示埋設(shè)于圖1所示的支承基板的凹部的燃料極和連接體的狀態(tài)的俯視圖。
圖4是用于說明圖1所示的燃料電池的結(jié)構(gòu)體的工作狀態(tài)的圖。
圖5是用于說明圖1所示的燃料電池的結(jié)構(gòu)體的工作狀態(tài)中電流的流動的圖。
圖6是顯示圖1所示的支承基板的立體圖。
圖7是圖1所示的燃料電池的結(jié)構(gòu)體的制造過程中第I階段中對應(yīng)于圖2的截面圖。
圖8是圖1所示的燃料電池的結(jié)構(gòu)體的制造過程中第2階段中對應(yīng)于圖2的截面圖。
圖9是圖1所示的燃料電池的結(jié)構(gòu)體的制造過程中第3階段中對應(yīng)于圖2的截面圖。
圖10是圖1所示的燃料電池的結(jié)構(gòu)體的制造過程中第4階段中對應(yīng)于圖2的截面圖。
圖11是圖1所示的燃料電池的結(jié)構(gòu)體的制造過程中第5階段中對應(yīng)于圖2的截面圖。
圖12是圖1所示的燃料電池的結(jié)構(gòu)體的制造過程中第6階段中對應(yīng)于圖2的截面圖。
圖13是圖1所示的燃料電池的結(jié)構(gòu)體的制造過程中第7階段中對應(yīng)于圖2的截面圖。
圖14是圖1所示的燃料電池的結(jié)構(gòu)體的制造過程中第8階段中對應(yīng)于圖2的截面圖。
圖15是本發(fā)明涉及的燃料電池的結(jié)構(gòu)體的第I變形例的對應(yīng)于圖2的截面圖。
圖16是本發(fā)明涉及的燃料電池的結(jié)構(gòu)體的第2變形例的對應(yīng)于圖2的截面圖。
圖17是本發(fā)明涉及的燃料電池的結(jié)構(gòu)體的第3變形例的對應(yīng)于圖2的截面圖。
圖18是本發(fā)明涉及的燃料電池的結(jié)構(gòu)體的第4變形例的對應(yīng)于圖3的截面圖。
具體實施例方式(構(gòu)成)
圖1示出本發(fā)明的實施方式涉及的固體氧化物形燃料電池(SOFC)的結(jié)構(gòu)體。該SOFC的結(jié)構(gòu)體，分別在有長度方向(X軸向)的平板狀的支承基板10的上下表面(相互平行的兩側(cè)主面(平面))，具有電氣的串聯(lián)連接的多個(本例中，四個)同樣形狀的發(fā)電元件部A在長度方向以規(guī)定的間隔配置的、所謂“橫條型”的構(gòu)成。該SOFC的結(jié)構(gòu)體的整體，從上方看的形狀為，例如，長度方向的邊的長度為5 50cm,與長度方向垂直相交的寬度方向(y軸向)的長度為I IOcm的長方形。該SOFC的結(jié)構(gòu)體的整體的厚度為I 5_。該SOFC的結(jié)構(gòu)體的整體具有，相對于通過厚度方向的中心且與支承基板10的主面平行的面為上下對稱的形狀。以下，參考圖1和為對應(yīng)于該SOFC的結(jié)構(gòu)體的圖1所示的2-2線部分的截面圖的圖2，對該SOFC的結(jié)構(gòu)體進行詳細的說明。圖2顯示代表性的I組相鄰發(fā)電元件部A、A的各構(gòu)成(的一部分)、和發(fā)電元件部A、A間的構(gòu)成的部分截面圖。其他組的相鄰發(fā)電元件部A、A間的構(gòu)成也與如圖2所示的構(gòu)成一樣。支承基板10為沒有電子傳導性的多孔質(zhì)的材料構(gòu)成的平板狀的燒成體。如后述的圖6所示，支承基板10的內(nèi)部中，在寬度方向隔開規(guī)定的間隔形成有沿長度方向延伸的多個(本例中，6根)燃料氣體流路11 (貫通孔)。本例中，各凹部12為，由支承基板10的材料構(gòu)成的底壁和位于整周的由支承基板10的材料構(gòu)成的周向封閉側(cè)壁(沿長度方向的兩個側(cè)壁和沿寬度方向的兩個側(cè)壁)所劃分的長方體形狀的凹陷。支承基板10由例如CSZ (氧化鈣穩(wěn)定氧化鋯)構(gòu)成?；?，也可由NiO (氧化鎳)和YSZ(8YSZ)(氧化釔穩(wěn)定氧化鋯)構(gòu)成，或由NiO(氧化鎳)和Y2O3(氧化釔)構(gòu)成，或由MgO (氧化鎂)和MgAl2O4 (鎂鋁尖晶石)構(gòu)成。支承基板10包含“過渡金屬氧化物或過渡金屬”和絕緣性陶瓷而構(gòu)成。作為“過渡金屬氧化物或過渡金屬”，最好是NiO (氧化鎳)或Ni (鎳)。過渡金屬起到促進燃料氣體的改質(zhì)反應(yīng)的催化劑(烴系的氣體的改質(zhì)催化劑)的功能。又，作為絕緣性陶瓷，最好是MgO (氧化鎂)、或、“MgAl204 (鎂鋁尖晶石)和MgO (氧化鎂)的混合物”。又，作為絕緣性陶瓷，也可以采用CSZ(氧化鈣穩(wěn)定氧化鋯)、YSZ(8YSZ)(氧化釔穩(wěn)定氧化鋯)、Y2O3 (氧化釔)。這樣，通過支承基板10包含“過渡金屬氧化物或過渡金屬”，使得在將含有改質(zhì)前的殘存氣體成分的氣體介由多孔質(zhì)的支承基板10的內(nèi)部的多個氣孔從燃料氣體流路11提供到燃料極的過程中，通過上述催化劑的作用，可促使改質(zhì)前的殘存氣體成分的改質(zhì)。另，通過支承基板10包含絕緣性陶瓷，可確保支承基板10的絕緣性。結(jié)果，可確保相鄰燃料極間中的絕緣性。支承基板10的厚度為I 5mm。以下,考慮到該結(jié)構(gòu)體的形狀為上下對稱,為了說明的方便，僅對支承基板10的上面?zhèn)鹊臉?gòu)成進行說明。支承基板10的下面?zhèn)鹊臉?gòu)成也一樣。如圖2和圖3所示，形成于支承基板10的上表面(上側(cè)的主面)的各凹部12中，埋設(shè)(填充)有燃料極集電部21的整體。從而，各燃料極集電部21呈長方體形狀。各燃料極集電部21的上表面(外側(cè)面)中，形成有凹部21a。各凹部21a為，由燃料極集電部21的材料構(gòu)成的底壁和周向封閉側(cè)壁(沿長度方向的兩個側(cè)壁和沿寬度方向的兩個側(cè)壁)所劃定的長方體形狀的凹陷。周向封閉側(cè)壁中，沿長度方向的兩個側(cè)壁由支承基板10的材料構(gòu)成，沿寬度方向的兩個側(cè)壁由燃料極集電部21的材料構(gòu)成的。各凹部21a中埋設(shè)有(填充)燃料極活性部22的整體。從而，各燃料極活性部22呈長方體形狀。通過燃料極集電部21和燃料極活性部22構(gòu)成燃料極20。燃料極20 (燃料極集電部21+燃料極活性部22)是具有電子傳導性的多孔質(zhì)的材料構(gòu)成的燒成體。沿各燃料極活性部22的寬度方向的兩個側(cè)面和底面在凹部21a內(nèi)與燃料極集電部21接觸。各燃料極集電部21的上表面(外側(cè)面)中除凹部21a以外的部分，形成有凹部21b。各凹部21b為燃料極集電部21的材料構(gòu)成的底壁和周向封閉側(cè)壁(沿沿長度方向的兩個側(cè)壁和沿寬度方向的兩個側(cè)壁)所劃分的長方體形狀的凹陷。周向封閉側(cè)壁中，沿長度方向的兩個側(cè)壁由支承基板10的材料構(gòu)成，沿寬度方向的兩個側(cè)壁為燃料極集電部21的材料構(gòu)成。
各凹部21b中，埋設(shè)(填充)有連接體30。從而，各連接體30呈長方體形狀。連接體30為具有電子傳導性的致密材料構(gòu)成的燒成體。沿各連接體30的寬度方向的兩個側(cè)面和底面在凹部21b內(nèi)與燃料極集電部21接觸。燃料極20 (燃料極集電部21和燃料極活性部22)的上表面(外側(cè)面)、連接體30的上表面(外側(cè)面)、和支承基板10的主面，構(gòu)成一個平面(與沒有形成凹部12時的支承基板10的主面相同的平面)。即，燃料極20的上表面和連接體30的上表面和支承基板10的主面之間不形成階差。 燃料極活性部22由例如，NiO (氧化鎳)和YSZ (8YSZ)(氧化釔穩(wěn)定氧化鋯)構(gòu)成?；?，也可由NiO(氧化鎳)和GDC(釓摻雜氧化鈰)構(gòu)成。燃料極集電部21由例如，NiO(氧化鎳)和YSZ(8YSZ)(氧化釔穩(wěn)定氧化鋯)構(gòu)成?；?，也可由NiO(氧化鎳)和Y2O3(氧化釔)，或由NiO (氧化鎳)和CSZ (氧化鈣穩(wěn)定氧化鋯)構(gòu)成。燃料極活性部22的厚度為5 30 μ m，燃料極集電部21的厚度(即，凹部12的深度)為50 500 μ m。這樣，燃料極集電部21含有具有電子傳導性的物質(zhì)而構(gòu)成。燃料極活性部22含有具有電子傳導性的物質(zhì)和具有氧化性離子(氧離子)傳導性的物質(zhì)而構(gòu)成。燃料極活性部22中“相對于除了氣孔部分的整體體積的、具有氧化性離子傳導性的物質(zhì)的體積比例”比燃料極集電部21中“相對于除了氣孔部分的整體體積的、具有氧化性離子傳導性的物質(zhì)的體積比例”大。連接體30由例如，LaCrO3 (鉻酸鑭)構(gòu)成。或，也可由(Sr，La) TiO3 (鈦酸鍶)構(gòu)成。連接體30的厚度為10 100 μ m。各凹部12埋設(shè)有燃料極20和連接體30的狀態(tài)的支承基板10中的、在長度方向延伸的外周面中，除了形成有多個連接體30的各部分的長度方向中央部，該外周面的整面都被固體電解質(zhì)膜40覆蓋。固體電解質(zhì)膜40為具有離子傳導性且不具有電子傳導性的致密材料構(gòu)成的燒成體。固體電解質(zhì)膜40由例如，YSZ(8YSZ)(氧化釔穩(wěn)定氧化鋯)構(gòu)成?；颍部捎蒐SGM (鎵酸鑭)構(gòu)成。固體電解質(zhì)膜40的厚度為3 50 μ m。S卩，燃料極20埋設(shè)于各凹部12的狀態(tài)的支承基板10中沿長度方向的外周面整體，被連接體30和固體電解質(zhì)膜40構(gòu)成的致密層覆蓋。該致密層起到，防止在致密層的內(nèi)側(cè)的空間流動的燃料氣體和在致密層的外側(cè)的空間流動的空氣的混合的氣密封功能。又，如圖2所示，本例中，固體電解質(zhì)膜40覆蓋燃料極20的上表面、連接體30的上表面中長度方向的兩側(cè)端部、和支承基板10的主面。此處，如上所述，燃料極20的上表面和連接體30的上表面和支承基板10的主面之間沒有形成階差。從而，固體電解質(zhì)膜40平坦化。結(jié)果，相比固體電解質(zhì)膜40形成有階差的情況，也抑制應(yīng)力集中所造成的固體電解質(zhì)膜40處的裂紋的發(fā)生，并抑制固體電解質(zhì)膜40的氣密封功能的下降。固體電解質(zhì)膜40中與各燃料極活性部22相接處的上表面中，隔著反應(yīng)防止膜50形成空氣極60。反應(yīng)防止膜50為致密材料構(gòu)成的燒成體，空氣極60為具有電子傳導性的多孔質(zhì)的材料構(gòu)成的燒成體。反應(yīng)防止膜50和空氣極60從上方看到的形狀為，與燃料極活性部22大致相同的長方形。反應(yīng)防止膜50為例如，⑶C= (Ce，Gd) O2 (釓摻雜氧化鈰)構(gòu)成。反應(yīng)防止膜50的厚度為3 50 μ m?？諝鈽O60為例如，LSCF= (La, Sr) (Co, Fe) O3 (鍶、鐵摻雜的鈷酸鑭)構(gòu)成?；颍部捎?LSF= (La，Sr) FeO3 (鑭鍶鐵酸鹽)、LNF=La (Ni，F(xiàn)e) O3 (鑭鎳鐵酸鹽),LSC= (La，Sr) CoO3(鑭鍶鈷酸鹽)等構(gòu)成。又，空氣極60由LSCF構(gòu)成的第I層(內(nèi)側(cè)層)和LSC構(gòu)成的第2層(外側(cè)層)兩層構(gòu)成?？諝鈽O60的厚度為10 100 μ m。又，隔著反應(yīng)防止膜50是為了抑制，SOFC制作時或工作中的SOFC中固體電解質(zhì)膜40內(nèi)的YSZ和空氣極60內(nèi)的Sr反應(yīng)而在固體電解質(zhì)膜40和空氣極60的界面形成電阻較大的反應(yīng)層的現(xiàn)象的發(fā)生。此處，由燃料極20、固體電解質(zhì)膜40、反應(yīng)防止膜50、空氣極60層疊構(gòu)成的層疊體對應(yīng)于“發(fā)電元件部A”(參照圖2)。即，支承基板10的上表面中，多個(本例中，四個)發(fā)電元件部A在長度方向相隔規(guī)定的間隔配置。對于各組的相鄰發(fā)電元件部A、A，以橫跨一方的(圖2中左側(cè)的)發(fā)電元件部A的空氣極60和另一方的(圖2中右側(cè))發(fā)電元件部A的連接體30的方式，在空氣極60、固體電解質(zhì)膜40、和連接體30的上表面形成空氣極集電膜70?？諝鈽O集電膜70是由具有電子傳導性的多孔質(zhì)的材料構(gòu)成的燒成體?？諝鈽O集電膜70從上方看的形狀為長方形?？諝鈽O集電膜70由例如，LSCF= (La，Sr) (Co，F(xiàn)e) O3 (鑭鍶鈷鐵酸鹽)構(gòu)成。或，也可由LSC= (La，Sr) CoO3 (鑭鍶鈷酸鹽)構(gòu)成?；?，可由Ag (銀),Ag-Pd (銀鈀合金)構(gòu)成。空氣極集電膜70的厚度為50 500 μ m。這樣通過各空氣極集電膜70，對于各組的相鄰發(fā)電元件部A、A，一方的(圖2中，左側(cè)的)發(fā)電元件部A的空氣極60和另一方的(圖2中，右側(cè)的)發(fā)電元件部A的燃料極20 (尤其是，燃料極集電部21)介由具有電子傳導性的“空氣極集電膜70和連接體30”電連接。結(jié)果，設(shè)置在支承基板10的上表面的多個(本例中，四個)發(fā)電元件部A電氣串聯(lián)連接。此處，具有電子傳導性的“空氣極集電膜70和連接體30”對應(yīng)于所述“電連接部”。又，連接體30對應(yīng)于所述“電連接部”中所述“致密材料所構(gòu)成的第I部分”，氣孔率為10%以下?？諝鈽O集電膜70對應(yīng)于所述“電連接部”中所述“多孔質(zhì)的材料所構(gòu)成的第2部分”，氣孔率為20 60%。相對于以上說明的“橫條型”的SOFC的結(jié)構(gòu)體，如圖4所示，在支承基板10的燃料氣體流路11內(nèi)流過燃料氣體(氫!氣等)的同時，支承基板10的上下表面(尤其是各空氣極集電膜70)暴露于“含氧氣體”(空氣等)(或，沿著支承基板10的上下表面，流過含氧氣體)，這樣，由于固體電解質(zhì)膜40的兩側(cè)面間所產(chǎn)生的氧分壓差而產(chǎn)生電動勢。進一步的，該結(jié)構(gòu)體與外部負載連接的話，產(chǎn)生下述(I)、(2)式所示的化學反應(yīng)，流過電流(發(fā)電狀態(tài))。
(1/2).02+2e —02 (于空氣極 60)...(]_)
Η2+02_ — H20+2e(于燃料極20)…(2)發(fā)電狀態(tài)下，如圖5所示，對于各組的相鄰發(fā)電元件部A、A，電流如箭頭所示地流動。結(jié)果，如圖4所示，從該SOFC的結(jié)構(gòu)體整體(具體來說介由在圖4中最靠近側(cè)的發(fā)電元件部A的連接體30和最內(nèi)側(cè)的發(fā)電元件部A的空氣極60)取出電力。(制造方法)
接著，對于如圖1所示的“橫條型”的SOFC的結(jié)構(gòu)體的制造方法的一例，參照圖6 圖14進行簡單說明。圖6 圖14中，各部件的符號的末尾的“g”表示該部件為“燒成前”。首先，制作具有如圖6所示的形狀的支承基板的成形體10g。該支承基板的成形體10g，例如，采用向支承基板10的材料(例如，CSZ)的粉末添加了粘結(jié)劑等而得到的漿料，利用壓出成形、切削等的方法制作得到。以下，參照表示對應(yīng)于如圖6所示的7-7線的部分截面的圖7 圖14繼續(xù)說明。如圖7所示，制成支承基板的成形體IOg后，接著，如圖8所示，在形成于支承基板的成形體IOg的上下表面的各凹部中分別埋設(shè) 形成燃料極集電部的成形體21g。接下來，如圖9所示，在形成于各燃料極集電部的成形體21g的外側(cè)面的各凹部中分別埋設(shè).形成燃料極活性部的成形體22g。各燃料極集電部的成形體21g和各燃料極活性部22g，采用例如對燃料極20的材料(例如，Ni和YSZ)的粉末添加粘結(jié)劑等得到的漿料，利用印刷法等埋設(shè).形成。接著，如圖10所示，各燃料極集電部的成形體21g的外側(cè)面中“除去了埋設(shè)有燃料極活性部的成形體22g部分的部分”所形成的各凹部中，分別埋設(shè).形成連接體的成形體30g。各連接體的成形體30g，采用例如對連接體30的材料(例如，LaCrO3)的粉末添加粘結(jié)劑等得到的漿料，利用印刷法等埋設(shè).形成。接著，如圖11所示，對分別埋設(shè).形成有多個燃料極的成形體(21g+22g)和多個連接體的成形體30g狀態(tài)的支承基板的成形體IOg中，在沿長度方向外周面中除了形成有多個連接體的成形體30g的各部分的長度方向中央部的整體面上，形成有固體電解質(zhì)膜的成形膜40g。固體電解質(zhì)膜的成形膜40g，采用例如在固體電解質(zhì)膜40的材料(例如，YSZ)的粉末中添加粘結(jié)劑等得到的漿料，利用印刷法、浸潰法等形成。接著，如圖12所示，固體電解質(zhì)膜的成形體40g中與各燃料極的成形體22g相接之處的外側(cè)面形成有反應(yīng)防止膜的成形膜50g。各反應(yīng)防止膜的成形膜50g采用例如在反應(yīng)防止膜50的材料(例如，GDC)的粉末中添加粘結(jié)劑等得到的漿料，利用印刷法等形成。然后，將這樣形成有各種成形膜的狀態(tài)的支承基板的成形體IOg在空氣中以1500°C燒成3小時。這樣，得到如圖1所示的SOFC的結(jié)構(gòu)體中沒有形成空氣極60和空氣極集電膜70的狀態(tài)的結(jié)構(gòu)體。`接著，如圖13所示，在各反應(yīng)防止膜50的外側(cè)面形成空氣極的成形膜60g。各空氣極的成形膜60g采用例如在空氣極60的材料(例如，LSCF)的粉末中添加粘結(jié)劑等得到的漿料，利用印刷法等形成。接著，如圖14所示，對于各組的相鄰發(fā)電元件部，在空氣極的成形膜60g、固體電解質(zhì)膜40、和連接體30的外側(cè)面形成空氣極集電膜的成形膜70g，以橫跨一方的發(fā)電元件部的空氣極的成形膜60g和另一方的發(fā)電元件部的連接體30。各空氣極集電膜的成形膜70g采用例如在空氣極集電膜70的材料(例如，LSCF)的粉末中添加粘結(jié)劑等得到的漿料，利用印刷法等形成。然后，這樣形成有成形膜60g、70g的狀態(tài)的支承基板10在空氣中以1050°C下燒成3小時。這樣，得到如圖1所示的SOFC的結(jié)構(gòu)體。以上，對如圖1所示的SOFC的結(jié)構(gòu)體的制造方法的一例進行了說明。(作用.效果)
如上所說明的，上述本發(fā)明的實施方式涉及的“橫條型”的SOFC的結(jié)構(gòu)體中，支承基板10的上下表面所形成的用于埋設(shè)燃料極20的多個凹部12，分別具有環(huán)繞整周的、由支承基板10的材料構(gòu)成的周向封閉側(cè)壁。換言之，在支承基板10分別形成圍繞各凹部12的框體。從而，該結(jié)構(gòu)體在支承基板10受到外力時不容易變形。又，在支承基板10的各凹部12內(nèi)無空隙地填充.埋設(shè)有燃料極20和連接體30等部件的狀態(tài)下，支承基板10和所述埋設(shè)了的部件共同被燒結(jié)。從而，可獲得部件間的接合性高且可靠性高的燒結(jié)體。又，連接體30埋設(shè)于燃料極集電部21的外側(cè)面所形成的凹部21b，結(jié)果，沿著長方體形狀的連接體30的寬度方向(y軸向)的兩個側(cè)面和底面在凹部21b內(nèi)與燃料極集電部21相接觸。從而，相比采用在燃料極集電部21的外側(cè)平面上層疊(接觸)長方體形狀的連接體30的結(jié)構(gòu)的情況，燃料極20(集電部21)和連接體30的界面的面積可增大。從而，可提高燃料極20和連接體30之間的電子傳導性，結(jié)果，可提高燃料電池的發(fā)電輸出。又，上述實施方式中，平板狀的支承基板10的上下表面上各設(shè)有多個發(fā)電元件部A。這樣，相比僅在支承基板的單側(cè)面設(shè)置多個發(fā)電元件部的情況，結(jié)構(gòu)體中發(fā)電元件部的個數(shù)可得到增大，可提高燃料電池的發(fā)電輸出。又，上述實施方式中，固體電解質(zhì)膜40覆蓋燃料極20的外側(cè)面、連接體30的外側(cè)面中長度方向的兩側(cè)端部和支承基板10的主面。此處，燃料極20的外側(cè)面和連接體30的外側(cè)面和支承基板10的主面之間沒有形成階差。從而，固體電解質(zhì)膜40為平坦化。結(jié)果，相比固體電解質(zhì)膜40形成有階差的情況，抑制應(yīng)力集中導致的固體電解質(zhì)膜40處的裂紋的發(fā)生，抑制固體電解質(zhì)膜40具有的氣密封功能的下降。又，本發(fā)明不限于上述實施方式，在本發(fā)明的范圍內(nèi)可采用各種變形例。例如，上述實施方式中，如圖6等所示，形成于支承基板10的凹部12的平面形狀(從垂直于支承基板10的主面方向看去的形狀)為長方形，但也可為例如，正方形、圓形、橢圓形、長孔形狀
坐寸ο同樣的，如圖3等所示，形成于燃料極20 (集電部21)的凹部21b的平面形狀(從垂直于支承基板10的主面的方向看出的形狀)為長方形，但也可為例如，正方形、圓形、橢圓形、長孔形狀等。但，凹部21b的側(cè)壁的一部分與凹部12的側(cè)壁的一部分共通。即，凹部21b的(周向封閉)側(cè)壁包括由燃料極20 (集電部21)的材料構(gòu)成的部分和由支承基板10的材料構(gòu)成的部分。又，上述實施方式中，各凹部12中埋設(shè)有連接體30的整體，但也可是僅連接體30的一部分埋設(shè)于各凹部12，連接體30的剩余部分突出于凹部12之外(即，從支承基板10的主面突出)。又，上述實施方式中，凹部12中底壁和側(cè)壁構(gòu)成的角度Θ為90°，但如圖15所示，角度Θ也可為90 135°。又，上述實施方式中，如圖16所示，凹部12中底壁和側(cè)壁相交的部分為半徑R的圓弧狀，半徑R相對于凹部12的深度的比例可為0.01 I。又，上述實施方式中，平板狀的支承基板10的上下表面各形成多個凹部12，且設(shè)有多個發(fā)電元件部A，但如圖17所示，也可僅在支承基板10的單側(cè)面形成多個凹部12并設(shè)置多個發(fā)電元件部A。又，上述實施方式中，燃料極20由燃料極集電部21和燃料極活性部22這兩層構(gòu)成，燃料極20也可由相當于燃料極活性部22的一層構(gòu)成。另，上述實施方式中，“內(nèi)側(cè)電極”和“外側(cè)電極”分別為燃料極和空氣極，但也可相反。另，上述實施方式中，如圖3所示，燃料極集電部21的外側(cè)面所形成的凹部21b為，由燃料極集電部21的材料構(gòu)成的底壁和周向封閉側(cè)壁(支承基板10的材料構(gòu)成的沿長度方向的兩個側(cè)壁和燃料極集電部21的材料構(gòu)成的沿寬度方向的兩個側(cè)壁)所劃分的長方體形狀的凹陷。結(jié)果，埋設(shè)于凹部21b的連接體30的沿寬度方向的兩個側(cè)面和底面在凹部21b內(nèi)與燃料極集電部21接觸。與之相對的，如圖18所示，燃料極集電部21的外側(cè)面所形成的凹部21b也可是，由燃料極集電部21的材料構(gòu)成的底壁和燃料極集電部21的材料構(gòu)成的環(huán)繞整周的周向封閉側(cè)壁(沿長度方向的兩個側(cè)壁和沿寬度方向的兩個側(cè)壁)所劃分的長方體形狀的凹陷。這樣，埋設(shè)于凹部21b的連接體30的所有四個側(cè)面和底面在凹部21b內(nèi)與燃料極集電部21接觸。從而，燃料極集電部21和連接體30的界面的面積可進一步變大。從而，燃料極集電部21和連接體30之間的電子傳導性可進一步提高，結(jié)果，燃料電池的發(fā)電輸出可進一步提聞。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池的結(jié)構(gòu)體，其特征在于，包括: 內(nèi)部形成有氣體流路的平板狀的多孔質(zhì)的支承基板； 多個發(fā)電元件部，其分別設(shè)置在所述平板狀的支承基板的主面中相互分離的多處，每個所述發(fā)電元件部至少由內(nèi)側(cè)電極、固體電解質(zhì)和外側(cè)電極層疊構(gòu)成；和 I個或多個電連接部，其分別設(shè)置在I組或多組相鄰的所述發(fā)電元件部之間，使相鄰的所述發(fā)電元件部的一方所述發(fā)電元件部的內(nèi)側(cè)電極和另一方所述發(fā)電元件部的外側(cè)電極電連接， 所述各電連接部由:由致密材料構(gòu)成的第I部分、和與所述第I部分連接且由多孔質(zhì)材料構(gòu)成的第2部分構(gòu)成， 所述平板狀的支承基板的主面的所述多處分別形成有第I凹部，該第I凹部具有:由所述支承基板的材料構(gòu)成的底壁，和遍及整周的、由所述支承基板的材料構(gòu)成的周向封閉的側(cè)壁， 所述各第I凹部中分別埋設(shè)有對應(yīng)的所述發(fā)電元件部的內(nèi)側(cè)電極， 所述被埋設(shè)的各內(nèi)側(cè)電極的外側(cè)面分別形成有第2凹部，該第2凹部具有:由所述內(nèi)側(cè)電極的材料構(gòu)成的底壁、和包括所述內(nèi)側(cè)電極材料構(gòu)成部分的周向封閉的側(cè)壁， 所述各第2凹部分別埋設(shè)有對應(yīng)的所述電連接部的所述第I部分。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池的結(jié)構(gòu)體，其特征在于， 所述各第2凹部的周向封閉的側(cè)壁遍及整周、由所述內(nèi)側(cè)電極的材料構(gòu)成。
3.如權(quán)利要求1或2所述的燃料電池的結(jié)構(gòu)體，其特征在于， 所述內(nèi)側(cè)電極的所述第2凹部以外的外側(cè)面、所述電連接部的第I部分的外側(cè)面、和所述支承基板的所述主面構(gòu)成一個平面。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項所述的燃料電池的結(jié)構(gòu)體，其特征在于， 所述第I凹部中所述底壁的平面部和所述側(cè)壁的平面部所構(gòu)成的角度為90 135°。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項所述的燃料電池的結(jié)構(gòu)體，其特征在于， 所述第I凹部中所述底壁的平面部和所述側(cè)壁的平面部相交的部分為圓弧狀，圓弧的半徑相對于所述第I凹部的深度的比例為0.01 I。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項所述的燃料電池的結(jié)構(gòu)體，其特征在于， 所述平板狀的支承基板的相互平行的兩側(cè)的主面分別形成有所述多個第I凹部， 所述支承基板的兩側(cè)的主面的所述各第I凹部中分別埋設(shè)有對應(yīng)的所述發(fā)電元件部的內(nèi)側(cè)電極， 形成于所述被埋設(shè)的各內(nèi)側(cè)電極的外側(cè)面的所述第2凹部中，分別埋設(shè)有對應(yīng)的所述電連接部的所述第I部分， 所述支承基板的兩側(cè)的主面分別設(shè)置有所述多個發(fā)電元件部。
全文摘要
內(nèi)部形成有燃料氣體流路(11)的、具有長度方向的平板狀的支承基板(10)的上下表面，分別在長度方向、相距規(guī)定的間隔設(shè)置電氣串聯(lián)連接的多個發(fā)電元件部(A)。支承基板(10)的上下表面，在長度方向相距規(guī)定的間隔分別形成多個凹部(12)。各凹部(12)為周向封閉的四個側(cè)壁和底壁所劃分的長方體狀凹陷。即，支承基板(10)中分別形成包圍各凹部(12)的框體。在各凹部(12)埋設(shè)有對應(yīng)的發(fā)電元件部(A)的燃料極(20)，在各燃料極(20)的外側(cè)面所形成的凹部(21b)埋設(shè)有對應(yīng)的連接體(30)這樣，提供一種“橫條型”的燃料電池的結(jié)構(gòu)體，當支承基板受到外力時支承基板不容易變形、且燃料極和電連接部之間的電子傳導性較高。
文檔編號H01M8/12GK103081199SQ20118000468
公開日2013年5月1日 申請日期2011年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月15日
發(fā)明者大森誠, 吉岡邦彥, 龍崇, 鈴木憲次 申請人:日本礙子株式會社