JP5222503B2 - Device comprising a ceramic thin plate and a metal thin plate - Google Patents
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Description
本発明は、焼成されたセラミックスシートを含むセラミックス薄板体と、前記セラミックス薄板体を支持する金属薄板体と、を備え、例えば、固体酸化物形燃料電池等に使用されるデバイスに関する。 The present invention relates to a device including a ceramic thin plate body including a fired ceramic sheet and a metal thin plate body supporting the ceramic thin plate body, and used for, for example, a solid oxide fuel cell.
従来から、焼成されたセラミックスシートを含む薄板体(以下、「セラミックス薄板体」とも称呼する。)は、例えば、センサ、アクチュエータ及び固体酸化物形燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:SOFC)等の種々の装置に用いられて来ている。例えば、セラミックス薄板体がSOFCに適用される場合、そのセラミックス薄板体は、セラミックスである固体電解質ジルコニアと、固体電解質ジルコニアの一面に形成された燃料極層と、固体電解質ジルコニアの他面に形成された空気極層と、からなる。更に、燃料流路が燃料極層と対向する部分に形成され、空気流路が空気極層と対向する部分に形成される。このSOFC用のセラミックス薄板体は、その周囲において金属からなる保持薄板枠(以下、「金属薄板体」とも称呼する。)に接合され、金属薄板体により保持されるようになっている。金属薄板体の外周部は更に支持部材により支持されている。 Conventionally, a thin plate body including a fired ceramic sheet (hereinafter also referred to as a “ceramic thin plate body”) includes various sensors, actuators, solid oxide fuel cells (SOFC), and the like. It has been used for the device. For example, when a ceramic thin plate is applied to SOFC, the ceramic thin plate is formed on a solid electrolyte zirconia, a fuel electrode layer formed on one surface of the solid electrolyte zirconia, and on the other surface of the solid electrolyte zirconia. And an air electrode layer. Further, the fuel flow path is formed in a portion facing the fuel electrode layer, and the air flow path is formed in a portion facing the air electrode layer. The ceramic thin plate for SOFC is bonded to a holding thin plate frame (hereinafter also referred to as “metal thin plate”) made of metal around the SOFC, and is held by the thin metal plate. The outer peripheral portion of the thin metal plate is further supported by a support member.
この金属薄板体はプレス加工等により形成された湾曲部を有している。湾曲部はセラミックス薄板体の周囲を取り囲むように形成されている。換言すると、湾曲部は、その頂部が連続的に伸びることにより形成された尾根部がセラミックス薄板体(の外周)を取り囲むように金属薄板体に形成されている(例えば、特許文献1を参照。)
ところで、SOFCを、急速に発電を開始させようとするとき等において、デバイス(セラミックス薄板体及び金属薄板体)の温度は急激に変化する。その結果、セラミックス薄板体と金属薄板体との間に熱膨張量の差が発生する。この熱膨張量の差により発生した熱応力は、セラミックス薄板体と金属薄板体との接合部及び/又はセラミックス薄板体に主として加わる。上記従来の金属薄板体は湾曲部を備えているが、湾曲部の頂部(尾根部)はセラミックス薄板体を取り囲むように形成されているから、上記接合部及び/又はセラミックス薄板体に加わる熱応力を十分に緩和するように変形することができない。このため、セラミックス薄板体と金属薄板体との接合部及び/又はセラミックス薄板体が破損する場合がある。 By the way, when the SOFC tries to start power generation rapidly, the temperature of the device (ceramic thin plate and metal thin plate) changes rapidly. As a result, a difference in thermal expansion occurs between the ceramic thin plate and the metal thin plate. The thermal stress generated by the difference in the thermal expansion amount is mainly applied to the joint portion between the ceramic thin plate and the metal thin plate and / or the ceramic thin plate. Although the conventional thin metal plate body has a curved portion, the top portion (ridge portion) of the curved portion is formed so as to surround the ceramic thin plate body, and therefore, thermal stress applied to the joint portion and / or the ceramic thin plate body. It cannot be deformed so as to relax sufficiently. For this reason, the joint part of a ceramic thin plate body and a metal thin plate body and / or a ceramic thin plate body may be damaged.
更に、上記従来の湾曲部は、セラミックス薄板体を取り囲むように形成されているから、セラミックス薄板体の平面に直交する方向における金属薄板体の剛性を向上するように機能し難い。このため、その湾曲部は、熱応力を緩和するように熱膨張した際、セラミックス薄板体の平面内の方向のみならず同セラミックス薄板体の平面と直交する方向にも変形する。この結果、その湾曲部は、熱膨張した際にセラミックス薄板体をそのセラミックス薄板体の平面に直交する方向へ移動させ易い。従って、接合部及び/又はセラミックス薄板体が破損しない場合であっても、セラミックス薄板体がその平面に直交する方向に移動又は変形して燃料流路又は空気流路を閉じてしまうという問題が発生する恐れがある。加えて、セラミックス薄板体が燃料流路又は空気流路を閉じない程度に移動又は変形した場合であっても、それらの流路を燃料及び/又は空気等の流体が流れる際の圧損がセラミックス薄板体の移動又は変形によって増大するという問題がある。 Furthermore, since the conventional curved portion is formed so as to surround the ceramic thin plate, it is difficult to function to improve the rigidity of the thin metal plate in the direction perpendicular to the plane of the ceramic thin plate. For this reason, when the thermal expansion is performed so as to relieve the thermal stress, the curved portion is deformed not only in the direction in the plane of the ceramic thin plate but also in the direction orthogonal to the plane of the ceramic thin plate. As a result, the curved portion easily moves the ceramic thin plate in a direction perpendicular to the plane of the ceramic thin plate when thermally expanded. Therefore, even when the joint and / or the ceramic thin plate member is not damaged, there is a problem that the ceramic thin plate member moves or deforms in a direction orthogonal to the plane to close the fuel flow path or the air flow path. There is a fear. In addition, even when the ceramic thin plate moves or deforms to such an extent that the fuel flow path or the air flow path is not closed, the pressure loss when a fluid such as fuel and / or air flows through these flow paths is reduced. There is a problem that it increases due to movement or deformation of the body.
このように、接合部が破損し、或いは、セラミックス薄板体が変形すると、装置の性能又は信頼性は低下する。従って、本発明の目的の一つは、セラミックス薄板体を金属薄板体によって保持する構造を有するデバイスの温度が変化した場合であっても、そのデバイスを適用した装置に所期の性能を安定して発揮させることが可能なデバイスを提供することにある。 As described above, when the joint portion is damaged or the ceramic thin plate is deformed, the performance or reliability of the apparatus is lowered. Accordingly, one of the objects of the present invention is to stabilize the expected performance of the device to which the device is applied even when the temperature of the device having a structure in which the ceramic thin plate is held by the metal thin plate is changed. It is to provide a device that can be exhibited.
上記目的を達成するための本発明によるデバイスは、
焼成されたセラミックスシートを含むセラミックス薄板体と、
前記セラミックス薄板体の外形より大きい外形を有する金属からなる金属薄板体と、
を備えるデバイスにおいて、
前記セラミックス薄板体の外周部が前記金属薄板体に接合され、且つ、前記金属薄板体には前記セラミックス薄板体と同金属薄板体との接合部から同金属薄板体の外周部に向う方向に沿って頂部が連続的に伸びた尾根部を有するシワ部が複数形成されていることを特徴とする。
To achieve the above object, a device according to the present invention comprises:
A ceramic sheet including a fired ceramic sheet;
A metal thin plate made of a metal having an outer shape larger than the outer shape of the ceramic thin plate, and
In a device comprising:
The outer peripheral portion of the ceramic thin plate is joined to the metal thin plate, and the metal thin plate is along the direction from the joint between the ceramic thin plate and the metal thin plate toward the outer peripheral of the metal thin plate. A plurality of wrinkle portions having a ridge portion whose top portion continuously extends are formed.
即ち、このデバイスにおいて、金属薄板体のシワ部(ウネリ部又は湾曲部)は、そのシワ部の尾根部が平面視において略放射状に形成されている。従って、シワ部は上記熱膨張差によって上記接合部及びセラミックス薄板体に加わる熱応力を有効に緩和する。更に、複数のシワ部はセラミックス薄板体及び金属薄板体のなす平面に直交する方向についての同金属薄板体(更には、同セラミックス薄板体)の剛性を増大させるリブ(補強部)としても機能する。従って、セラミックス薄板体と金属薄板体との間の接合部の破損が回避され得るとともに、セラミックス薄板体の上述した移動又は変形が抑制され得る。この結果、そのデバイスを適用した装置は所期の性能を安定して発揮することができる。なお、接合部となる上記セラミックス薄板体の外周部は、セラミックス薄板体の外周縁を含んでいてもよく、含んでいなくてもよい。 That is, in this device, the wrinkled portion (swelled portion or curved portion) of the thin metal plate is formed so that the ridge portion of the wrinkled portion is substantially radially in plan view. Accordingly, the wrinkle portion effectively relaxes the thermal stress applied to the joint portion and the ceramic thin plate member due to the difference in thermal expansion. Furthermore, the plurality of wrinkle portions also function as ribs (reinforcing portions) that increase the rigidity of the metal thin plate body (and the ceramic thin plate body) in the direction orthogonal to the plane formed by the ceramic thin plate body and the metal thin plate body. . Therefore, breakage of the joint between the ceramic thin plate and the metal thin plate can be avoided, and the above-described movement or deformation of the ceramic thin plate can be suppressed. As a result, an apparatus to which the device is applied can stably exhibit the expected performance. In addition, the outer peripheral part of the said ceramic thin plate body used as a junction part may include the outer periphery of the ceramic thin plate body, and does not need to include it.
前記金属薄板体は、前記セラミックス薄板体と同金属薄板体との接合部よりも内側の領域に一つの貫通穴を備えていてもよい。この一つの貫通穴は前記接合部の内周側に沿うように形成された大きな穴であってもよい。この場合、前記金属薄板体は実質的に金属薄板枠体と呼ぶこともできる。更に、この一つの貫通穴の部分に金属薄板体とは別の部材であってメッシュ構造を有する部材又は複数の貫通穴を有する部材を配置し、その部材を金属薄板体に保持させるように構成してもよい。 The metal thin plate member may include one through hole in a region inside a joint portion between the ceramic thin plate member and the metal thin plate member. The single through hole may be a large hole formed along the inner peripheral side of the joint. In this case, the thin metal plate can be substantially called a thin metal frame. Further, a member having a mesh structure or a member having a plurality of through holes, which is a member different from the metal thin plate body, is disposed in the one through hole portion, and the member is held by the metal thin plate body. May be.
また、前記金属薄板体は、前記セラミックス薄板体と同金属薄板体との接合部よりも内側の領域に複数の貫通穴を備えていてもよい。この複数の貫通穴は、金属薄板体の前記接合部よりも内側の領域に形成されたメッシュ構造体の複数の網目を含む概念である。このように複数の貫通穴を金属薄板体に備えさせることにより、複数の貫通穴を通してセラミックス薄板体に必要となる流体を十分に供給しつつ、金属薄板体の複数の貫通穴以外の部分によって電子等をより効率的に収集することが可能となる。 Moreover, the said metal thin plate body may be provided with the some through-hole in the area | region inside the junction part of the said ceramic thin plate body and the said metal thin plate body. The plurality of through holes is a concept including a plurality of meshes of a mesh structure formed in a region inside the joint portion of the thin metal plate. By providing a plurality of through holes in the metal thin plate body in this manner, the fluid required for the ceramic thin plate body is sufficiently supplied through the plurality of through holes, and electrons are generated by portions other than the plurality of through holes of the metal thin plate body. Etc. can be collected more efficiently.
更に、実験によれば、上記デバイスが以下に述べる特徴を有することにより、上述したセラミックス薄板体の移動又は変形が効果的に抑制されることが判明した。 Furthermore, according to experiments, it has been found that the above-described device has the characteristics described below, whereby the above-described movement or deformation of the ceramic thin plate is effectively suppressed.
(1)前記シワ部の尾根部は、前記セラミックス薄板体の外周縁の接線に対して45度以上且つ135度以下の角度を有する方向に伸びている。換言すると、前記シワ部の尾根部が伸びている角度は、前記セラミックス薄板体の外周縁の法線に対して±45度以内である。なお、この角度以外の角度に沿った方向のシワ部が形成されていても構わない。
(2)前記セラミックス薄板体の厚みは20μm以上且つ200μm以下であり、前記金属薄板体の厚みは20μm以上且つ80μm以下である。
(1) The ridge portion of the wrinkle portion extends in a direction having an angle of 45 degrees or more and 135 degrees or less with respect to a tangent line of the outer peripheral edge of the ceramic thin plate member. In other words, the angle at which the ridge portion of the wrinkle portion extends is within ± 45 degrees with respect to the normal line of the outer peripheral edge of the ceramic thin plate member. In addition, the wrinkle part of the direction along angles other than this angle may be formed.
(2) The thickness of the ceramic sheet is 20 μm or more and 200 μm or less, and the thickness of the metal sheet is 20 μm or more and 80 μm or less.
(3)前記シワ部の上側頂部と下側頂部との距離である同シワ部の高さは10μm以上且つ70μm以下である。
(4)前記セラミックス薄板体の端部から前記金属薄板体の外周部に向けて0.5mm離れた位置で測定した互いに隣接する二つのシワ部の頂部間の距離は1mm以上且つ4mm以下である。
(3) The height of the said wrinkle part which is the distance of the upper side top part of the said wrinkle part and a lower side top part is 10 micrometers or more and 70 micrometers or less.
(4) The distance between the tops of two adjacent wrinkle portions measured at a position 0.5 mm away from the end of the ceramic thin plate body toward the outer peripheral portion of the metal thin plate body is 1 mm or more and 4 mm or less. .
本発明によるデバイスの一態様においては、前記金属薄板体と前記セラミックス薄板体の外周部とがガラス又は金属ロウ材によって接合されていることが望ましい。 In one aspect of the device according to the present invention, it is desirable that the metal thin plate member and the outer peripheral portion of the ceramic thin plate member are joined by glass or a metal brazing material.
ガラス又は金属ロウ材を用いて金属薄板体とセラミックス薄板体とを接合する際、金属薄板体及びセラミックス薄板体は所定の高い温度にまで加熱され、それぞれの熱膨張率に応じた量だけそれぞれ伸張する。金属薄板体とセラミックス薄板体は、この伸長した状態から降温される際にガラス又は金属ロウ材が固化することによって接合される。この降温時における金属薄板体の収縮量及びセラミックス薄板体の収縮量は互いに異なるから、主として両者の接合部に熱応力が発生する。その結果、相対的に変形し易い金属薄板体がより大きく変形し、その変形により金属薄板体に上記複数のシワ部が形成される。従って、このようにして形成された複数のシワ部を有する金属薄板体とセラミックス薄板体とからなるデバイスを常温から昇温すると、その昇温に伴って発生する熱応力はシワ部の一部が伸びることにより緩和される。即ち、金属薄板体は接合前の昇温された状態へと戻るように変形する。この結果、デバイスの昇温及び降温が繰り返されても、過大な熱応力が接合部及び/又はセラミックス薄板体に繰り返し加わることがないから、デバイスの耐久性は極めて高くなる。 When joining a thin metal plate and a ceramic thin plate using glass or metal brazing material, the thin metal plate and the thin ceramic plate are heated to a predetermined high temperature and stretched by an amount corresponding to the respective coefficient of thermal expansion. To do. The metal thin plate and the ceramic thin plate are joined by solidifying the glass or metal brazing material when the temperature is lowered from this extended state. Since the amount of shrinkage of the metal thin plate and the amount of shrinkage of the ceramic thin plate during the temperature drop are different from each other, thermal stress is mainly generated at the joint between the two. As a result, the metal thin plate body that is relatively easily deformed is deformed more greatly, and the plurality of wrinkle portions are formed in the metal thin plate body by the deformation. Therefore, when a device composed of a thin metal plate body and a ceramic thin plate body having a plurality of wrinkle portions formed in this way is heated from room temperature, a part of the wrinkle portion is caused by the thermal stress generated by the temperature increase. Relaxed by stretching. That is, the thin metal plate is deformed so as to return to a heated state before joining. As a result, even if the temperature rise and fall of the device is repeated, excessive thermal stress is not repeatedly applied to the joint and / or the ceramic thin plate, so that the durability of the device becomes extremely high.
また、前記セラミックス薄板体は、単一の薄板体であってもよく、複数の薄板体を積層した積層体であってもよい。セラミックス薄板体が複数の薄板体を積層した積層体である場合、そのセラミックス薄板体は、前記セラミックスシートと同セラミックスシートとは熱膨張率が相違する材料からなるシートとの積層体であってもよい。 The ceramic thin plate member may be a single thin plate member or a laminate in which a plurality of thin plate members are stacked. When the ceramic thin plate is a laminate in which a plurality of thin plates is laminated, the ceramic thin plate may be a laminate of the ceramic sheet and a sheet made of a material having a different coefficient of thermal expansion from the ceramic sheet. Good.
更に、この場合、SOFCを構成するために、
前記セラミックス薄板体は、
前記セラミックススシートとしての固体電解質層と、
前記固体電解質層の一面に形成された前記熱膨張率が相違する材料からなるシートとしての燃料極層と、
前記固体電解質層の他面に形成された前記熱膨張率が相違する材料からなるシートとしての空気極層と、
を備えることができる。
燃料極層及び/又は空気極層は、焼成によってセラミックスシートと一体的に形成されてもよく、その他の膜形成手法によりセラミックスシート上に形成されてもよい。
Furthermore, in this case, in order to configure the SOFC,
The ceramic thin plate is
A solid electrolyte layer as the ceramic sheet;
A fuel electrode layer as a sheet made of a material having a different coefficient of thermal expansion formed on one surface of the solid electrolyte layer;
An air electrode layer as a sheet made of a material having a different coefficient of thermal expansion formed on the other surface of the solid electrolyte layer;
Can be provided.
The fuel electrode layer and / or the air electrode layer may be formed integrally with the ceramic sheet by firing, or may be formed on the ceramic sheet by other film forming techniques.
加えて、セラミックス薄板体が固体電解質層と燃料極層と空気極層とを備える場合、デバイスは、
平面部と同平面部の周囲において同平面部の上方に向けて立設した上方枠体部と同平面部の下方に向けて立設した下方枠体部とを有する第1支持部材と、
平面部と同平面部の周囲において同平面部の上方に向けて立設した上方枠体部と同平面部の下方に向けて立設した下方枠体部とを有する第2支持部材と、
を備え、
前記第1支持部材及び前記第2支持部材は、前記第1支持部材の上方枠体部の上に前記第2支持部材の下方枠体部が対向するように互いに同軸的に配置され、
前記金属薄板体が前記第1支持部材の上方枠体部と前記第2支持部材の下方枠体部との間に挟持されることにより前記第1支持部材の平面部の上面に前記セラミックス薄板体の空気極層が対向するように配置され且つ前記第2支持部材の平面部の下面に前記セラミックス薄板体の燃料極層が対向するように配置され、
前記第1支持部材の平面部の上面と同第1支持部材の上方枠体部の内側壁面と前記薄板体の空気極層とにより酸素を含む気体が供給される空気流路が形成され、
前記第2支持部材の平面部の下面と同第2支持部材の下方枠体部の内側壁面と前記薄板体の燃料極層とにより燃料が供給される燃料流路が形成されることが望ましい。
In addition, when the ceramic thin plate body includes a solid electrolyte layer, a fuel electrode layer, and an air electrode layer, the device is
A first support member having a flat part and an upper frame part that is erected toward the upper part of the flat part and a lower frame part that is erected downward of the flat part;
A second support member having a planar part and an upper frame part erected toward the upper part of the planar part and a lower frame part erected to the lower part of the planar part around the planar part;
With
The first support member and the second support member are coaxially arranged on the upper frame portion of the first support member so that the lower frame portion of the second support member faces each other,
The metal thin plate is sandwiched between the upper frame portion of the first support member and the lower frame portion of the second support member, whereby the ceramic thin plate member is placed on the upper surface of the flat portion of the first support member. Are arranged so that the air electrode layers of the ceramic thin plate body are opposed to the lower surface of the flat portion of the second support member,
The upper surface of the flat portion of the first support member, the inner wall surface of the upper frame body portion of the first support member, and the air electrode layer of the thin plate body form an air flow path to which a gas containing oxygen is supplied,
It is desirable that a fuel flow path for supplying fuel is formed by the lower surface of the flat portion of the second support member, the inner wall surface of the lower frame portion of the second support member, and the fuel electrode layer of the thin plate member.
このようなデバイスを積み上げることにより、平板スタック型の小型化されたSOFCが提供される。このとき、セラミックス薄板体は前述した金属薄板体のシワ部の存在により移動又は変形し難いので、燃料流路及び空気流路がセラミックス薄板体の移動又は変形によって狭められることのない小型のSOFCが提供され得る。 By stacking such devices, a flat stack type miniaturized SOFC is provided. At this time, since the ceramic thin plate body is difficult to move or deform due to the presence of the wrinkled portion of the metal thin plate described above, a small SOFC in which the fuel flow path and the air flow path are not narrowed by the movement or deformation of the ceramic thin plate body is provided. Can be provided.
より具体的に説明すると、例えば、SOFCは以下に示す化学反応式(1)及び(2)に基く発電を行う。
(1/2)・O2+2e−→O2− (於:空気極層) …(1)
H2+O2−→H2O+2e− (於:燃料極層) …(2)
即ち、この反応においては、水素1モルに対して酸素0.5モルが必要である。一方、酸素の供給は空気により行われるので、空気中の酸素量を考慮すると、水素量を1とするとき発電に必要な空気量は2.5となる。つまり、燃料極層及び空気極層を備えた一枚のセラミックス薄板体に対し、発電に必要となる水素量と空気量は大きく相違する。更に、酸素分子は水素分子よりも大きいので、酸素分子が空気極層を拡散する速度(従って、反応効率)は水素分子が燃料極層を拡散する速度より小さくなる。このため、より多くの酸素(従って、空気)を空気極層側の空間(空気流路)に供給する必要が生じる。以上から、一枚のセラミックス薄板体に対する燃料極層側の空間(燃料流路又は水素流路)の圧力と空気極層側の空間(空気流路)の圧力との間には大きな差が生じる場合が多い。従って、SOFCに使用されるセラミックス薄板体はその平面に直交する方向の力を常時受けることになるから、セラミックス薄板体が移動又は変形し難い本発明によるデバイスをSOFCに適用すれば、SOFCの耐久性を格段に向上されることが可能となる。
More specifically, for example, SOFC performs power generation based on chemical reaction formulas (1) and (2) shown below.
(1/2) · O 2 +2 e− → O 2− (in the air electrode layer) (1)
H 2 + O 2− → H 2 O + 2 e− (in the fuel electrode layer) (2)
That is, in this reaction, 0.5 mol of oxygen is required for 1 mol of hydrogen. On the other hand, since oxygen is supplied by air, when the amount of oxygen in the air is taken into consideration, when the amount of hydrogen is 1, the amount of air necessary for power generation is 2.5. That is, the amount of hydrogen and the amount of air required for power generation differ greatly from each other with respect to a single ceramic sheet having a fuel electrode layer and an air electrode layer. Furthermore, since oxygen molecules are larger than hydrogen molecules, the rate at which oxygen molecules diffuse through the air electrode layer (and hence the reaction efficiency) is smaller than the rate at which hydrogen molecules diffuse through the fuel electrode layer. For this reason, it is necessary to supply more oxygen (and therefore air) to the space (air flow path) on the air electrode layer side. From the above, there is a large difference between the pressure in the space on the fuel electrode layer side (fuel flow path or hydrogen flow path) and the pressure in the space on the air electrode layer side (air flow path) with respect to a single ceramic sheet. There are many cases. Therefore, since the ceramic thin plate used in the SOFC always receives a force in a direction perpendicular to the plane, if the device according to the present invention in which the ceramic thin plate is difficult to move or deform is applied to the SOFC, the durability of the SOFC is reduced. It becomes possible to remarkably improve the nature.
なお、本発明におけるセラミックス薄板体の平面視における外周形状は、円形、楕円形、長円形、正方形や六角形等の多角形及び多角形の各角部に円弧を付与した形状等の任意の形状であってもよい。金属薄板体の平面視における外周形状は、セラミックス薄板体の外周形状がどのような形状であるかに関わらず、円形、楕円形、長円形、正方形や六角形等の多角形及び多角形の各角部に円弧を付与した形状等の任意の形状であってもよい。 The outer peripheral shape of the ceramic thin plate in the present invention in a plan view is an arbitrary shape such as a circle, an ellipse, an oval, a polygon such as a square or a hexagon, and a shape in which an arc is added to each corner of the polygon. It may be. The outer peripheral shape of the metal thin plate in plan view is a circle, an ellipse, an oval, a polygon such as a square or a hexagon, and a polygon, regardless of the shape of the outer periphery of the ceramic thin plate. Arbitrary shapes, such as the shape which gave the circular arc to the corner | angular part, may be sufficient.
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態に係るデバイスについて説明する。このデバイスは、例えば、センサ、アクチュエータ及び固体酸化物形燃料電池等の種々の装置に適用される。以下の実施例において、このデバイスは固体酸化物形燃料電池(以下、単に「燃料電池」とも称呼する。)に適用されている。 Hereinafter, a device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. This device is applied to various apparatuses such as sensors, actuators, and solid oxide fuel cells. In the following examples, this device is applied to a solid oxide fuel cell (hereinafter also simply referred to as “fuel cell”).
(燃料電池の構成)
図1は、本発明の一実施形態に係るデバイスを適用した固体酸化物形燃料電池(燃料電池)10の部分分解斜視図である。燃料電池10は、複数の支持部材11、複数の金属薄板体12及び複数のセラミックス薄板体13を備えている。燃料電池10は、図1及び部分断面図である図2に示したように、支持部材11と、セラミックス薄板体13をその上面側に保持する金属薄板体12と、が交互に積層されることにより形成されている。即ち、燃料電池10はスタック構造を備えている。
(Configuration of fuel cell)
FIG. 1 is a partially exploded perspective view of a solid oxide fuel cell (fuel cell) 10 to which a device according to an embodiment of the present invention is applied. The
支持部材11は、フェライト系SUS(ステンレス)又はNi系耐熱合金(例えば、インコネル600及びハステロイ等)からなっている。支持部材11は「インターコネクタ」とも称呼される。支持部材11は、平面図である図3、図3の4−4線、5−5線及び6−6線のそれぞれに沿った平面にて切断した断面図である図4乃至図6に示したように、平面部11aと、上方枠体部11bと、下方枠体部11cと、を備えている。
The
平面部11aは、Z軸方向に厚み方向を有する薄い平板体である。平面部11aの平面形状は、互いに直交するX軸及びY軸方向に沿う辺を有する正方形である。Z軸はX軸及びY軸を含む面に直交している。
The
上方枠体部11bは、平面部11aの周囲(4つの辺の近傍領域、即ち、外周近傍領域)において平面部11aの上方に向けて立設された枠体である。上方枠体部11bの平面部11aの上面からの高さは図4に示したようにH1である。
The upper
図3及び図5に示したように、上方枠体部11bのX軸に沿って伸びる部分の断面形状は、Y軸及びZ軸のそれぞれに平行な辺を有する長方形である。この上方枠体部11bのX軸に沿って伸びる部分には、X軸に沿って伸びるスリット11b1(長手方向がX軸方向であるスリット11b1)が形成されている。
As shown in FIGS. 3 and 5, the cross-sectional shape of the portion extending along the X axis of the
図3及び図6に示したように、上方枠体部11bのY軸に沿って伸びる部分の断面形状は、X軸及びZ軸のそれぞれに平行な辺を有する長方形である。この上方枠体部11bのY軸に沿って伸びる部分は、上方枠体部11bのX軸に沿って伸びる部分のうちスリット11b1を形成している内周側の縦壁を削除した部分と同一の形状を有している。
As shown in FIGS. 3 and 6, the cross-sectional shape of the portion extending along the Y axis of the upper
下方枠体部11cは、平面部11aの周囲(4つの辺の近傍領域、即ち、外周近傍領域)において平面部11aの下方に向けて立設された枠体である。下方枠体部11cの平面部11aの下面からの高さは図4に示したようにH2である。高さH2は高さH1より高い。
The lower
図3及び図6に示したように、下方枠体部11cのY軸に沿って伸びる部分の断面形状は、X軸及びZ軸のそれぞれに平行な辺を有する長方形である。下方枠体部11cのY軸に沿って伸びる部分には、Y軸に沿って伸びるスリット11c1(長手方向がY軸方向であるスリット11c1)が形成されている。スリット11c1の平面視における形状は、長手方向の向きを除き、スリット11b1の平面視における形状と同一である。
As shown in FIGS. 3 and 6, the cross-sectional shape of the portion extending along the Y axis of the lower
図3及び図5に示したように、下方枠体部11cのX軸に沿って伸びる部分の断面形状は、Y軸及びZ軸のそれぞれに平行な辺を有する長方形である。この下方枠体部11cのX軸に沿って伸びる部分は、下方枠体部11cのY軸に沿って伸びる部分のうちスリット11c1を形成している内周側の縦壁を削除した部分と同一の形状を有している。
As shown in FIGS. 3 and 5, the cross-sectional shape of the portion of the
この結果、スリット11b1と平面部11aの下方の空間とは連通している。スリット11c1と平面部11aの上方の空間とは連通している。
As a result, the slit 11b1 communicates with the space below the
支持部材11は、平面視において支持部材11の重心G(図3を参照。)を中心に時計回り又は反時計回りに90度回転すると、その回転前に上方枠体部11bのY軸に沿って伸びる部分が、その回転前に上方枠体部11bのX軸に沿って伸びる部分のスリット11b1を構成する外側縦壁が存在していた部分と一致するようになっている。更に、支持部材11は、平面視において支持部材11の重心Gを中心に時計回り又は反時計回りに90度回転すると、その回転前に上方枠体部11bのX軸に沿って伸びる部分のうちのスリット11b1を構成する外側縦壁が、その回転前に上方枠体部11bのY軸に沿って伸びる部分が存在していた部分と一致するようになっている。
When the
同様に、支持部材11は、平面視において支持部材11の重心Gを中心に時計回り又は反時計回りに90度回転すると、その回転前に下方枠体部11cのY軸に沿って伸びる部分のうちのスリット11c1を構成する外側縦壁が、その回転前に下方枠体部11cのX軸に沿って伸びる部分が存在していた部分と一致するようになっている。更に、支持部材11は、平面視において支持部材11の重心Gを中心に時計回り又は反時計回りに90度回転すると、その回転前に下方枠体部11cのX軸に沿って伸びる部分が、その回転前に下方枠体部11cのY軸に沿って伸びる部分のスリット11c1を構成する外側縦壁が存在していた部分と一致するようになっている。
Similarly, when the
金属薄板体12はステンレス(例えば、SUS430)からなっている。金属薄板体12は「金属支持板」とも称呼される。金属薄板体12の平面視における外形形状は、平面図である図7に示したように、X軸及びY軸方向のそれぞれに沿う辺を有する正方形である。金属薄板体12の平面視における大きさは支持部材11の平面視における大きさと同じである。即ち、金属薄板体12の平面視における外形形状は支持部材11の平面視における外形形状と同一である。金属薄板体12の厚み方向はZ軸方向である。金属薄板体12の厚みは20μm以上且つ80μm以下である。
The
金属薄板体12には、支持部材11のスリット11b1に対応する位置(平面視において一致する位置)にスリット11b1と同形のスリット12aが形成されている。また、金属薄板体12には、支持部材11のスリット11c1に対応する位置(平面視において一致する位置)にスリット11c1と同形のスリット12bが形成されている。金属薄板体12には、中央部に複数の貫通穴12cがマトリクス状に形成されている。金属薄板体12は、平面視において金属薄板体12の重心を中心に90度、180度及び270度回転すると、それら夫々の回転前の状態と一致する形状を備えている。
In the
セラミックス薄板体13は、金属薄板体12及びセラミックス薄板体13の断面図である図8の円Aにて囲まれた部分を拡大した図9に示したように、電解質層(固体電解質層)13aと、電解質層13aの上(上面、一面)に形成された燃料極層13bと、電解質層13a上の燃料極層13bとは反対の面(下面、他面)に形成された空気極層13cと、を有している。セラミックス薄板体13は燃料電池10の「単セル」とも称呼される。セラミックス薄板体13の平面視における形状は、図7に示したように、X軸及びY軸方向のそれぞれに沿う辺を有する正方形である。セラミックス薄板体13の平面視における大きさは金属薄板体12の平面視における大きさより僅かに小さい(即ち、セラミックス薄板体13の平面視における形状は、スリット12a,12bの内側の辺により画定される正方形よりも僅かに小さい正方形である。)。セラミックス薄板体13の厚み方向はZ軸方向である。セラミックス薄板体13の厚みは20μm以上且つ200μm以下である。
The ceramic
セラミックス薄板体13の外周部の下面は、ガラス又は金属ロウ材により金属薄板体12の上面と接合されている。その接合部の幅は図7に示したように一定幅Wである。セラミックス薄板体13が金属薄板体12と接合された状態において、金属薄板体12の複数の貫通穴12cの総てはセラミックス薄板体13の下方に位置するようになっている。
The lower surface of the outer peripheral portion of the ceramic
本例において、電解質層13aはセラミックスシートとしてのYSZ(イットリア安定化ジルコニア)の緻密な焼成体である。燃料極層13bは、Ni−YSZからなる焼成体であり、多孔質電極層である。空気極層13cはLSM(La(Sr)MnO3:ランタンストロンチウムマンガナイト)−YSZからなる焼成体であり、多孔質電極層である。電解質層13aと燃料極層13bと空気極層13cとは互いに熱膨張率が相違している。また、セラミックス薄板体13の熱膨張率は金属薄板体12の熱膨張率と相違している。なお、具体的な熱膨張率は以下の通りである。電解質(YSZ):10.8ppm/K、燃料極(Ni−YSZ):11.4ppm/K、空気極(LSM−YSZ):10.6ppm/K、金属薄板体(SUS430):12.1ppm/K。
In this example, the
金属薄板体12には、シワ部12dが複数形成されている。シワ部12dは、セラミックス薄板体13と金属薄板体12との接合部と、金属薄板体12の外周部(より具体的には、スリット12a又は12b、更には、スリット12a又は12bから内方に所定距離だけ離れた位置)と、の間に形成されている(図2の楕円により囲まれた領域Bを参照。)。シワ部12dは、セラミックス薄板体13と金属薄板体12との接合部から金属薄板体12の外周部に向う方向に沿って連続的に伸びる頂部(尾根部)を有している。即ち、シワ部12dの尾根部は、セラミックス薄板体13の外周縁の接線(本例においては、X軸又はY軸に沿う直線)に対して45度以上且つ135度以下の角度を有する方向に伸びている。セラミックス薄板体13の端部から金属薄板体12の外周部に向けて0.5mm離れた位置において測定した「互いに隣接する二つのシワ部の頂部間の距離L(隣接する上側尾根部12d1間の距離L、図10を参照)」は、1mm以上且つ4mm以下である。更に、図10に示したシワ部の上側頂部(上側尾根部)12d1と下側頂部(下側尾根部)12d2との距離である同シワ部12dの高さHdは10μm以上且つ70μm以下である。なお、図10は、金属薄板体12とセラミックス薄板体13との接合部のうちX軸方向に伸びている部分と、その接合部に隣接した金属薄板体12のスリット12aと、の間において金属薄板体12をX−Z平面に沿った平面にて切断した部分断面図である。
A plurality of
ここで、複数のシワ部12dの形成方法について述べる。複数のシワ部12dは、金属薄板体12とセラミックス薄板体13とをガラス又は金属ロウ材を用いて接合する際に形成される。より具体的に述べると、先ず、ガラス(又は金属ロウ材)を金属薄板体12とセラミックス薄板体13との間の上記接合部に配置し、金属薄板体12、セラミックス薄板体13及びガラス(又は金属ロウ材)を所定の高い温度(例えば、ガラスの融点よりも高い温度である980℃)にまで加熱する。このとき、金属薄板体12とセラミックス薄板体13は、それぞれの熱膨張率に応じた量だけそれぞれ伸張する。
Here, a method of forming the plurality of
金属薄板体12とセラミックス薄板体13は、この伸長した状態から降温される際にガラス(又は金属ロウ材)が固化することによって接合される。この降温時における金属薄板体12の収縮量及びセラミックス薄板体13の収縮量は互いに異なるから、主として両者の接合部に熱応力が発生する。その結果、相対的に変形し易い金属薄板体12がより大きく変形し、その変形により金属薄板体12に上記複数のシワ部12dが形成される。金属薄板体12(例えば、SUS430)がセラミックス薄板体13(例えば、ジルコニア)よりも高温領域において変形し易いことは、図11に示したヤング率の変化からも明らかである。
The metal
従って、このようにして形成された複数のシワ部12dを有する金属薄板体12とセラミックス薄板体13とからなるデバイスを常温から昇温すると、その昇温に伴って発生する熱応力はシワ部12dの一部が伸びることにより緩和される。即ち、金属薄板体12は接合前の昇温された状態へと戻るように変形する。この結果、デバイスの昇温及び降温が繰り返されても、過大な熱応力が接合部及び/又はセラミックス薄板体13に繰り返し加わることがないから、デバイスの耐久性は極めて高くなる。なお、図11から明らかなように、金属薄板体12は、金属薄板体12とセラミックス薄板体13とを含むデバイスが400℃以上にまで昇温されたとき、金属薄板体12が実質的に変形する(シワ部12dの一部が伸びる)ようになっている。
Therefore, when a device composed of the
前述したように、支持部材11と、セラミックス薄板体13を接合した(保持した)金属薄板体12と、は交互に積層されるようになっている(図1及び図2を参照。)。より具体的に述べると、金属薄板体12の外周部(スリット12a及び12bを含む外周部)は、一つの支持部材11(便宜上、これを「第1支持部材」と称呼する。)の上方枠体部11bの上面と、他の一つの支持部材11(第1支持部材と同形状を有し第1支持部材の上方に配置された別の支持部材であって、便宜上、これを「第2支持部材」と称呼する。)の下方枠体部11c下面と、の間に、挟持される。このとき、金属薄板体12は、ガラスを介して支持部材11(第1支持部材及び第2支持部材)に固定される。従って、金属薄板体12と支持部材11との間は絶縁状態に維持されるようになっている。代替として、金属薄板体12の表面にシリカ膜及びアルミナ膜等の絶縁膜を例えばスパッタリングにより形成した後、金属薄板体12と支持部材11とを金属ロウ材で接合しても良い。
As described above, the
以上のように構成された燃料電池10において、一つのセラミックス薄板体13の燃料極層13bは第2支持部材の平面部11aの下面に対向するように配置され、そのセラミックス薄板体13の空気極層13cは金属薄板体12(貫通穴12c)を介して第1支持部材の平面部11aの上面に対向するように配置される。金属薄板体12に貫通穴12cを設けたのは、空気極層13cへの空気(酸素)の供給を金属薄板体12が阻害しないようにし、且つ、金属薄板体12の貫通穴12c以外の部分により電子をより効率的に収集するためである。即ち、金属薄板体12の中央部は集電手段を構成している。
In the
図1及び図2の実線の矢印により示したように、空気は各支持部材11のスリット11c1を経由してその支持部材の平面部11aの上方に流れ込む。従って、各支持部材の平面部11aの上面と金属薄板体12の下面との間に空気流路CAirが形成される。この結果、空気極層13cは常に新鮮な空気(酸素)に貫通穴12cを介して曝される。一方、燃料は各支持部材11のスリット11b1を経由してその支持部材の平面部11aの下方に流れ込む。従って、各支持部材の平面部11aの下面とセラミックス薄板体13の上面との間に燃料流路CFuelが形成される。この結果、燃料極層13bには新たな燃料が供給される。そして、燃料電池10は、上述した反応式(1)及び反応式(2)に従って発電を行う。
As shown by the solid line arrows in FIGS. 1 and 2, the air flows through the
(セラミックス薄板体に変形を発生させないための検討)
次に、金属薄板体12の外周部近傍にシワ部12dを適切に形成するために行った種々の実験結果(第1の実験及び第2の実験の結果)について説明する。これらの実験には、平面形状が正方形である支持部材11、図12に示した平面形状が何れも正方形である金属薄板体12及びセラミックス薄板体13を用いた。金属薄板体12とセラミックス薄板体13との接合部の幅Wは1mmとした。また、金属薄板体12が変形可能な領域の幅aは2mmとした。金属薄板体12とセラミックス薄板体13との接合にはガラスを用いた。このとき、金属薄板体12とセラミックス薄板体13と接合用のガラスとを大気雰囲気中において980℃にまで昇温し、その状態で30分放置し、その後、それらを降温させて金属薄板体12とセラミックス薄板体13とを接合した。接合に使用したガラスは、Li2O、SiO2及びAl2O3を主成分とする材料であり、そのガラス転移温度は560℃であり、熱膨張係数は10.5ppm/Kである。
(Examination to prevent deformation of ceramic thin plate)
Next, various experimental results (results of the first experiment and the second experiment) performed in order to appropriately form the
セラミックス薄板体13の厚み(板厚)の最適値について検討するための第1の実験結果についてに示す。
この第1の実験から、以下の結論が導き出された。
(1)セラミックス薄板体13の単体は、そのセラミックス薄板体13の単体と同一の厚みを有する「固体電解質層13aに燃料極層13b及び空気極層13cを設けた積層体からなるセラミックス薄板体」よりもヤング率が高く(剛性が高く)、変形し難い。具体的にはセラミックスであるジルコニアのヤング率は約200GPaであるのに対し、燃料極層及び空気極層のヤング率は50−100GPaである。従って、積層体全体のヤング率は、ジルコニア単体のヤング率よりも各層の厚みに応じて低下すると考えられる。その結果、セラミックス薄板体13の単体を金属薄板体12に接合したデバイスにおける同金属薄板体12の変形量は、上記積層体を金属薄板体12に接合したデバイスにおける金属薄板体12の変形量よりも大きくなっている。しかしながら、セラミックス薄板体13単体の厚みが10μmよりも小さいと、セラミックス薄板体13にクラックが発生した。これはセラミックス薄板体13がセラミックスの単体であっても、その厚みが過度に薄いために強度が低下し、上述した熱応力に耐えられなくなった結果であると推定される。
(2)セラミックス薄板体13の厚みが20μm以上且つ200μm以下であれば、セラミックス薄板体13は正常な形状を維持し、シワ部12dも適切に形成された。
(3)セラミックス薄板体13の厚みが250μm以上となると、金属薄板体12が大きく変形し、金属薄板体12に過大なシワ部(高さが過大なシワ部)が形成された。
From this first experiment, the following conclusions were drawn.
(1) A single ceramic
(2) When the thickness of the ceramic
(3) When the thickness of the ceramic
次に、金属薄板体12の厚み(板厚)の最適値について検討するための第2の実験結果について表2に示す。なお、セラミックス薄板体13の厚みは一定(30μm)とした。
この第2の実験から、以下の結論が導き出された。
(3)金属薄板体12の厚みが20μm以上であると、金属薄板体12とセラミックス薄板体13とが良好に接合され、金属薄板体12の形状も好ましいものとなった。表2には示していないが、金属薄板体12の厚みが10μmの場合、製作時において金属薄板体12の取り扱いが困難であり、金属薄板体12にセラミックス薄板体13を接合することができなかった。更に、それらを接合できたものの中には、接合不良が発生し、金属薄板体12とセラミックス薄板体13との間のシール性が良好でなかった。これは、10μm以下の厚みの金属薄板体12は自立が困難なほどその強度が低下するために、金属薄板体12のセラミックス薄板体13との接合面が平滑に保たれず、その結果、シール不良が発生したものと推定される。
From this second experiment, the following conclusions were drawn.
(3) When the thickness of the metal
(4)金属薄板体12の厚みが100μm以上であると、金属薄板体12のシワ部高さが過小となり、セラミックス薄板体13の熱応力に伴う変形を抑制することが困難となった。これは、金属薄板体12の厚みが厚いために、金属薄板体12の剛性が過大となったことによるものと考えられる。
(4) If the thickness of the metal
更に、上記第1及び第2の実験等を通して以下の知見が得られた。
(5)良好なシワ部12d(セラミックス薄板体13の熱応力に伴う変形を抑制することが可能なシワ部12d)が形成された金属薄板体12において、そのシワ部12dの高さは70μm(より好ましくは65μm)以下であった。更に、シワ部12dの高さが10μm以下である場合、上述したセラミックス薄板体13の変形を抑制する効果が確認できなかった。
(6)良好なシワ部12dが形成された金属薄板体12において、セラミックス薄板体13の端部から金属薄板体12の外周部に向けて0.5mm離れた位置(即ち、セラミックス薄板体13又は接合部の外周縁の法線方向に沿って同外周縁から0.5mm離れた位置)で測定した「互いに隣接する二つのシワ部の頂部12d1,12d1間の距離L(図10を参照。)」は、1mm以上且つ4mm以下であった。
(7)良好なシワ部12dが形成された金属薄板体12において、シワ部12dの頂部が伸びる方向(尾根部の方向)は、セラミックス薄板体13の辺(前記セラミックス薄板体の外周縁の接線)に対して45度以上且つ135度以下の角度を有していた(但し、接合部、セラミックス薄板体13及び金属薄板体12の角部近傍領域を除く。)。
Furthermore, the following knowledge was obtained through the first and second experiments.
(5) In the metal
(6) In the metal
(7) In the
(効果確認)
発明者は、上記実施形態の効果について確認するために、以下に述べる試験を更に行った。
<効果確認試験1>
セラミックス薄板体として表面及び裏面に燃料極層及び空気極層をそれぞれ形成したジルコニア(燃料極層の厚み=5μm、ジルコニアの厚み=20μm、空気極層の厚み=5μm)をSUS430からなる支持部材11(インターコネクタ)に金属薄板体12を用いることなく直接挟持させた燃料電池を比較例として製作した。その結果、セラミックス薄板体は製作時に種々の応力を受け、その中央部が凸状に変形した。その変形量は350μm乃至400μmであった。なお、セラミックスの薄板体の平面形状は正方形であり、支持部材の形状は後述する図16に示した支持部材11の如くの形状(平面形状は正方形)とした。
(Effect confirmation)
The inventor further performed the following test in order to confirm the effect of the embodiment.
<
Zirconia (fuel electrode layer thickness = 5 μm, zirconia thickness = 20 μm, air electrode layer thickness = 5 μm) in which a fuel electrode layer and an air electrode layer are respectively formed on the front and back surfaces of a ceramic thin plate body is a
これに対し、本発明を適用したデバイス(金属薄板体が上述したシワ部を有するもの)を用いて燃料電池10を作成した。この作成例における金属薄板体12の平面形状は図13に示したように上述した正方形とした。セラミックス薄板体としては、厚みが30μmのジルコニアからなり、且つ、図13に示した平面形状が円形のセラミックス薄板体13−1を使用した。支持部材は上述した比較例と同一のものを用いた。このように製作された燃料電池において、セラミックス薄板体13−1は略平坦形状を維持していることが確認された。以上から、本発明が適用されたデバイスにおいては、セラミックス薄板体13に変形が発生し難いことが確認された。
On the other hand, the
<効果確認試験2>
上記比較例の燃料電池を、赤外線ランプにより1分間で常温から800℃まで加熱して昇温させ、その後、1分間で常温まで降温させた。その結果、セラミックス薄板体にクラックが発生した。
<Effect confirmation test 2>
The fuel cell of the above comparative example was heated from room temperature to 800 ° C. for 1 minute with an infrared lamp and then heated to room temperature for 1 minute. As a result, cracks occurred in the ceramic thin plate.
これに対し、上述した実施形態(正方形金属薄板体12及び正方形セラミックス薄板体13)のデバイスを比較例と同様の支持部材に支持させたものを準備し、これを上記比較例と同じ条件にて昇温及び降温させた。この結果、昇温及び降温を10サイクル行った後においても、セラミックス薄板体13にクラックの発生は見られなかった。即ち、セラミックス薄板体13は破損せず正常形状を維持していた。更に、図13に示したような平面形状が正方形の金属薄板体12と平面形状が円形のセラミックス薄板体13−1を用いたデバイスについても同様な昇温/降温試験を行った。その結果、昇温及び降温を10サイクル行った後においても、セラミックス薄板体13−1にクラックの発生は見られなかった。このことから、本発明を適用したデバイスは、昇温及び降温を繰り返す燃料電池10のような使用環境下にて使用された場合においても、優れた耐久性を有していることが確認された。
On the other hand, what prepared the device of embodiment mentioned above (the square metal
以上、本発明の実施形態に係るデバイスについて説明してきた。これによれば、セラミックス薄板体13及び/接合部に熱応力が発生しても、その応力は金属薄板体12のシワ部12dによって緩和される。更に、シワ部12dは、セラミックス薄板体13dがその平面部に直交する方向に移動又は変形(湾曲)することを防止するリブとしても機能する。これらの結果、セラミックス薄板体13の平面に直交する方向への変形が抑制されるので、所期の性能を安定して発揮することができる燃料電池10が提供される。
The device according to the embodiment of the present invention has been described above. According to this, even if a thermal stress is generated in the ceramic
なお、本発明は上記各実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、セラミックス薄板体の平面視における外周形状は、上述した正方形及び円形の他、楕円形、長円形、正方形や六角形等の多角形及び多角形の各角部に円弧を付与した形状等の任意の形状であってもよい。 In addition, this invention is not limited to said each embodiment, A various modification can be employ | adopted within the scope of the present invention. For example, the outer peripheral shape in a plan view of the ceramic thin plate body may be an ellipse, an oval, a polygon such as a square or a hexagon, and a shape obtained by adding an arc to each corner of the polygon, in addition to the above-described square and circle. Any shape may be used.
加えて、図14に示したように、支持部材11に代えて平面視における形状が円形の支持部材11−1を用いてもよい。更に、金属薄板体の平面視における外周形状は、セラミックス薄板体の外周形状がどのような形状であるかに関わらず、正方形、円形、楕円形、長円形、六角形や八角形等の多角形及び多角形の各角部に円弧を付与した形状等の任意の形状であってもよい。支持部材11は、その金属薄板体の平面形状に応じた平面形状を有していればよい。
In addition, as shown in FIG. 14, a support member 11-1 having a circular shape in plan view may be used instead of the
また、金属薄板体12は、セラミックス薄板体13と金属薄板体12との接合部よりも内側の領域に一つの大きな貫通穴を備えていてもよい。この場合、金属薄板体12は実質的に金属薄板枠体と呼ぶこともできる。更に、この一つの貫通穴の部分に金属薄板体12とは別の部材(好ましくは、金属等の導電性部材)であってメッシュ構造を有する部材又は複数の貫通穴を有する部材を配置し、その部材を金属薄板体12に保持させるように構成してもよい。
Moreover, the metal
更に、図15に示したように、支持部材11の平面部11aの上面及び/又は下面に突起部11dを複数形成してもよい。突起部11dは、平面部11aから上方に向けて立設させて金属薄板体12の下面に当接するように構成しておく。或いは、突起部11dは、平面部11aから下方に向けて立設させてセラミックス薄板体13の上面に当接するように構成しておく。この突起部11dは、電子を集める集電端子(集電手段)として機能する。
Furthermore, as shown in FIG. 15, a plurality of
また、図15に示したように、金属メッシュ20を、平面部11aの下面とセラミックス薄板体13の上面との間に挿入してもよく、平面部11aの上面と金属薄板体12の下面との間に挿入してもよい。この金属メッシュ20も、集電機能を発揮する集電手段である。更に、支持部材11、金属薄板体12及びセラミックス薄板体13を、図16に示したように変形したものにも、本発明を適用することができる。加えて、セラミックス薄板体13は、その燃料極層13bが金属薄板体12の面上に接合されていてもよく、空気極層13cが金属薄板体12の面上に接合されていてもよい。
Further, as shown in FIG. 15, the
また、燃料極層13bは、白金、白金−ジルコニアサーメット、白金−酸化セリウムサーメット、ルテニウム、ルテニウム−ジルコニアサーメット等から構成することができる。
The
更に、空気極層13cは、例えば、ランタンを含有するペロブスカイト型複合酸化物(例えば、上述のランタンマンガナイトのほか、ランタンコバルタイト)から構成することができる。ランタンコバルタイト及びランタンマンガナイトは、ストロンチウム、カルシウム、クロム、コバルト(ランタンマンガナイトの場合)、鉄、ニッケル、アルミニウム等をドープしたものであってよい。また、パラジウム、白金、ルテニウム、白金−ジルコニアサーメット、パラジウム−ジルコニアサーメット、ルテニウム−ジルコニアサーメット、白金−酸化セリウムサーメット、パラジウム−酸化セリウムサーメット、ルテニウム−酸化セリウムサーメットであってもよい。更に、セラミックス薄板体13は、3層の積層体であったが、セラミックスの単層体からなっていてもよく、2層又は4層以上の積層体(例えば、4層〜7層)であってもよい。
Furthermore, the
加えて、上記実施形態のデバイスは燃料電池10に適用されていたが、センサやアクチュエータ等に適用されてもよい。即ち、例えば、本発明によるデバイスは、以下に述べる熱電式ガスセンサに使用されてもよい。
In addition, the device of the above embodiment is applied to the
図17に縦断面図を示した熱電式ガスセンサ50は、金属基台部51、金属薄板体52、ガラス53、セラミックス薄板体54、熱電膜55、第1電極56a、第2電極56b、保護膜57及び触媒58を備えている。
The
金属基台部51は特に限定されないがステンレス(例えば、SUS430)からなっている。金属基台部51は所定の厚みt1を有する枠体である。金属基台部51の平面視における外形形状は長方形である。換言すると、金属基台部51の中央には、平面視において金属基台部51の外形形状よりも一定距離だけ小さい長方形の貫通穴51aが形成されている。なお、金属基台部51及び貫通孔51aの平面視における外形形状は、正方形及び円形等の他の形状であってもよい。
Although the
金属薄板体52は特に限定されないがステンレス(例えば、SUS430)からなっている。金属薄板体52は接着剤(ガラス及び金属ロウ材等でもよい。)により金属基台部51の上面に固定されている。金属薄板体52は所定の厚みt2を有する薄板体である。厚みt2は厚みt1より小さい。金属薄板体52の平面視における外形形状は金属基台部51と同一の長方形である。金属薄板体52の中央には、平面視において金属薄板体52の外形形状よりも一定距離だけ小さい長方形の貫通穴52aが形成されている。貫通穴52aは貫通穴51aよりも小さい。従って、金属薄板体52は、その外周側において金属基台部51によって支持・固定され、その内周側において自由となっている。なお、金属薄板体52及び貫通穴52aの平面視における外形形状は、金属基台部51及び貫通孔51aの平面視における外形形状に応じた正方形及び円形等の他の形状であってもよい。金属薄板体52には、図7に示した複数のシワ部12dと同様のシワ部52bが複数形成されている。シワ部52bの尾根部は金属薄板体52の重心からその外方に向かう方向の成分を有するように放射状に形成されている。
Although the metal
セラミックス薄板体54は特に限定されないがジルコニアからなる平板体(ジルコニア基板)である。セラミックス薄板体54は金属薄板体52と同等の厚みを有している。セラミックス薄板体54の外形形状は金属基台部51及び金属薄板体52の外形形状の長方形と相似形の長方形である。セラミックス薄板体54の外形を成す各辺は、平面視において、貫通穴51aを画定する辺と、貫通穴52aを画定する辺と、の間に位置している。換言すると、平面視において、セラミックス薄板体54の外周部は、その外縁から内方に向かって一定距離Wだけ金属薄板体52の内周部と重なりあっている。この重なりあった部分を接合部と称呼する。セラミックス薄板体54は、その接合部において、金属薄板体52の上面とセラミックス薄板体54の下面との間に配設されたガラス53により接合されている。従って、金属薄板体52のシワ部52bの尾根部は、セラミックス薄板体54の外縁の接線に対して45度以上且つ135度以下の角度を有する方向に(放射状に)伸びている。なお、セラミックス薄板体54の平面視における外形形状は、金属基台部51及び金属薄板体52の外形形状等に応じた正方形及び円形等の他の形状であってもよい。
The ceramic
熱電膜55は、熱電膜55に伝達される熱により熱電膜55内に生じる温度差を「熱電変換効果」により電圧信号に変換する機能を有する薄膜である。熱電膜55は、特に限定されないが、例えばコバルト酸化物(NaCO2O4)である。熱電膜55は、このように熱電変換効果を発揮する酸化物であることが望ましい。熱電膜55はSiGe、Bi2Te3及びFeSi等から構成することもできる。また、熱電膜55は結晶配向されることにより高機能化されていても良い。
The
第1電極56aは、セラミックス薄板体54の上面及び熱電膜55の一方の端部近傍領域の上面に形成されている。第1電極56aは、白金(又は、白金とチタンの合金)からなる薄膜である。第1電極56aは熱電膜55と電気的に接続されている。
第2電極56bは、セラミックス薄板体54の上面及び熱電膜55の他方の端部近傍領域の上面に形成されている。第2電極56bは、白金(又は、白金とチタンの合金)からなる薄膜である。第2電極56bは熱電膜55と電気的に接続されている。即ち、第1電極56a及び第2電極56bは、熱電膜55に生じる電圧を取得することができるように熱電膜55の対向する両端部近傍にそれぞれ形成されている。
The
The
保護膜57は、特に限定されないがシリコンの酸化膜(SiO2)からなっている。保護膜57は熱電膜55の上面であって、「第1電極56a及び第2電極56b」により覆われていない部分を覆っている。
The
触媒58は、可燃性ガスとの接触により触媒反応を発生し、その触媒反応によって発熱する触媒材からなる膜である。本例においては、水素を検知する熱電式ガスセンサ50を構成するために、触媒58には水素との触媒反応を発生する貴金属系多孔質材料(例えば白金)を用いた。触媒58の材質は濃度検出対象の可燃性ガスに応じて適宜選択される。触媒58は熱電膜55の直上の所定箇所に形成されている。より具体的には、触媒58は平面視において熱電膜55の中央部以外の部分の一箇所であって、第2電極56bよりも第1電極56aに近い位置に形成されている。
The
このように構成された熱電式ガスセンサ50においては、触媒58と可燃性ガス(本例では、水素)との触媒反応によって発生した熱が熱電膜55に伝達される。その結果、第1電極56aの温度が第2電極56bの温度よりも高くなるような「温度差(温度分布)」が、熱電膜55内に生じる。触媒58により発生する熱の量は、触媒58に接触する可燃性ガスの濃度が高いほど多くなるから、前記「温度差」も可燃性ガスの濃度が高くなるほど大きくなる。この温度差は、熱電膜55の熱電圧変換効果により電圧に変換される。熱電膜55の熱電圧変換効果により変換される電圧は、熱電膜55の温度差が大きいほど大きくなる。その結果、可燃性ガスの濃度が大きくなるほど、熱電膜55は大きな電圧を発生する。この電圧は、熱電式ガスセンサ50の検出出力として、第1電極56a及び第2電極56bから取り出される。
In the
上述したように、熱電式ガスセンサ50においては、熱電膜55がセラミックス薄板体54の上面に形成されている。セラミックス薄板体54の下面は貫通穴52a及び貫通穴51aを介して開放されている。従って、セラミックス薄板体54の下面における放熱性は良好であり、且つ、セラミックス薄板体54は熱電式ガスセンサ50の他の部分から熱を受けない。更に、セラミックス薄板体54はジルコニア(ZrO2)基板からなっている。ジルコニア基板は、例えばMEMSプロセスで作製する場合に適用される窒化珪素(Si3N4)に比べ、熱伝導率が非常に小さい。即ち、Si3N4の熱伝導率は29.3W/mKであるのに対し、ZrO2の熱伝導率は1.7W/mKである。以上のことから、熱電膜55内部に「可燃性ガスの濃度に応じた大きな温度差(可燃性ガス濃度に敏感に変化する温度差)を発生させることができる。従って、熱電式ガスセンサ50の感度を格段に向上することができる。
As described above, in the
また、熱電膜55が上述したコバルト酸化物等の酸化物材料から構成されている場合、セラミックス薄板体54となる焼成前の板体の上に、熱電膜55となる焼成前の膜、第1電極56a及び第2電極56b等を形成しておき、これらを同時に焼成することも可能である。従って、熱電式ガスセンサ50の信頼性を向上することができる。
Further, when the
このように、本発明によるデバイスは熱電式ガスセンサ50に対しても好適に使用され得る。なお、接合部材として用いたガラス53の代替として、金属ロウ材を用いても良い。この場合、金属薄板体52の表面にシリカ膜及びアルミナ膜等の絶縁膜を例えばスパッタリングにより形成した後、金属薄板体52とセラミックス薄板体54とを金属ロウ材で接合することが望ましい。また、金属薄板体52はシワ部52bを有していたが、熱電式ガスセンサ50に要求される性能によっては、シワ部52bを設けなくてもよい場合がある。更に、触媒58の下面に、第1電極56a及び第2電極56b等との絶縁が確保されたヒータ(例えば、白金ヒータ)を形成し、触媒58の温度を適切な活性温度に維持することも望ましい。
Thus, the device according to the present invention can be suitably used for the
10…燃料電池、11…支持部材、11a…平面部、11b…上方枠体部、11b1…スリット、11c…下方枠体部、11c1…スリット、11d…突起部、12…金属薄板体、12a…スリット、12b…スリット、12c…貫通穴、12d…シワ部、12d1…上側尾根部、12d2…下側尾根部、13…セラミックス薄板体、13a…固体電解質層、13b…燃料極層、13c…空気極層、20…金属メッシュ、CAir…空気流路、CFuel…燃料流路、50…熱電式ガスセンサ、51…金属基台部、51a…貫通穴、52…金属薄板体、52a…貫通穴、53…ガラス、54…セラミックス薄板体、55…熱電膜、56a…第1電極、56b…第2電極、57…保護膜、58…触媒。
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記セラミックス薄板体の外形より大きい外形を有する金属からなる金属薄板体と、
を備えるデバイスにおいて、
前記セラミックス薄板体の外周部が前記金属薄板体に接合され、且つ、前記金属薄板体には前記セラミックス薄板体と同金属薄板体との接合部から同金属薄板体の外周部に向う方向に沿って頂部が連続的に伸びた尾根部を有するシワ部が複数形成されてなるデバイス。 A ceramic sheet including a fired ceramic sheet;
A metal thin plate made of a metal having an outer shape larger than the outer shape of the ceramic thin plate, and
In a device comprising:
The outer peripheral portion of the ceramic thin plate is joined to the metal thin plate, and the metal thin plate is along the direction from the joint between the ceramic thin plate and the metal thin plate toward the outer peripheral of the metal thin plate. A device in which a plurality of wrinkle portions having a ridge portion having a continuously extending top portion are formed.
前記デバイスは、同デバイスが昇温されたとき、前記シワ部の一部が伸びることにより、前記金属薄板体が前記セラミックス薄板体と接合される前の昇温された状態へと戻るように変形することを特徴とするデバイス。 The device of claim 1, wherein
The device is deformed so that when the temperature of the device is increased, a part of the wrinkle portion extends so that the metal thin plate is returned to a heated state before being joined to the ceramic thin plate. A device characterized by that.
前記デバイスは、同デバイスが400℃以上にまで昇温されたとき、前記金属薄板体が前記変形を起こすように構成されたデバイス。 The device of claim 2, wherein
The device is configured such that when the temperature of the device is raised to 400 ° C. or higher, the metal thin plate body causes the deformation.
前記金属薄板体は、前記セラミックス薄板体と同金属薄板体との接合部よりも内側の領域に一つ又は複数の貫通穴を備えることを特徴とするデバイス。 The device according to any one of claims 1 to 3,
The said metal thin plate body is equipped with one or several through-holes in the area | region inside the junction part of the said ceramic thin plate body and the said metal thin plate body.
前記シワ部の尾根部は、前記セラミックス薄板体の外周縁の接線に対して45度以上且つ135度以下の角度を有する方向に伸びているデバイス。 The device according to any one of claims 1 to 3,
The ridge portion of the wrinkle portion is a device extending in a direction having an angle of 45 degrees or more and 135 degrees or less with respect to a tangent to the outer peripheral edge of the ceramic thin plate member.
前記セラミックス薄板体の厚みは20μm以上且つ200μm以下であり、
前記金属薄板体の厚みは20μm以上且つ80μm以下である、デバイス。 The device of claim 5, wherein
The ceramic thin plate has a thickness of 20 μm or more and 200 μm or less,
The thickness of the said metal thin plate body is 20 micrometers or more and 80 micrometers or less.
前記シワ部の上側頂部と下側頂部との距離である同シワ部の高さは10μm以上且つ70μm以下であるデバイス。 The device of claim 6, wherein
A device in which the height of the wrinkle portion, which is the distance between the upper top portion and the lower top portion of the wrinkle portion, is 10 μm or more and 70 μm or less.
前記セラミックス薄板体の端部から前記金属薄板体の外周部に向けて0.5mm離れた位置で測定した互いに隣接する二つのシワ部の頂部間の距離は1mm以上且つ4mm以下であるデバイス。 The device of claim 7, wherein
A device in which the distance between the tops of two adjacent wrinkle portions measured at a position 0.5 mm away from the end of the ceramic thin plate body toward the outer peripheral portion of the metal thin plate body is 1 mm or more and 4 mm or less.
前記金属薄板体と前記セラミックス薄板体の外周部とがガラス又は金属ロウ材によって接合されているデバイス。 The device according to any one of claims 1 to 8,
A device in which the metal thin plate member and the outer peripheral portion of the ceramic thin plate member are joined together by glass or a metal brazing material.
前記セラミックス薄板体は、単一の薄板体、又は、複数の薄板体を積層した積層体であるデバイス。 The device according to any one of claims 1 to 8,
The ceramic thin plate body is a device that is a single thin plate body or a laminated body in which a plurality of thin plate bodies are laminated.
前記セラミックス薄板体は、前記セラミックスシートと同セラミックスシートとは熱膨張率が相違する材料からなるシートとの積層体であることを特徴とするデバイス。 The device according to any one of claims 1 to 8,
The ceramic thin plate is a laminated body of the ceramic sheet and a sheet made of a material having a coefficient of thermal expansion different from that of the ceramic sheet.
前記セラミックス薄板体は、
前記セラミックススシートとしての固体電解質層と、
前記固体電解質層の一面に形成された前記熱膨張率が相違する材料からなるシートとしての燃料極層と、
前記固体電解質層の他面に形成された前記熱膨張率が相違する材料からなるシートとしての空気極層と、
を備えるデバイス。 The device of claim 11, wherein
The ceramic thin plate is
A solid electrolyte layer as the ceramic sheet;
A fuel electrode layer as a sheet made of a material having a different coefficient of thermal expansion formed on one surface of the solid electrolyte layer;
An air electrode layer as a sheet made of a material having a different coefficient of thermal expansion formed on the other surface of the solid electrolyte layer;
A device comprising:
平面部と同平面部の周囲において同平面部の上方に向けて立設した上方枠体部と同平面部の下方に向けて立設した下方枠体部とを有する第1支持部材と、
平面部と同平面部の周囲において同平面部の上方に向けて立設した上方枠体部と同平面部の下方に向けて立設した下方枠体部とを有する第2支持部材と、
を備え、
前記第1支持部材及び前記第2支持部材は、前記第1支持部材の上方枠体部の上に前記第2支持部材の下方枠体部が対向するように互いに同軸的に配置され、
前記金属薄板体が前記第1支持部材の上方枠体部と前記第2支持部材の下方枠体部との間に挟持されることにより前記第1支持部材の平面部の上面に前記セラミックス薄板体の空気極層が対向するように配置され且つ前記第2支持部材の平面部の下面に前記セラミックス薄板体の燃料極層が対向するように配置され、
前記第1支持部材の平面部の上面と同第1支持部材の上方枠体部の内側壁面と前記薄板体の空気極層とにより酸素を含む気体が供給される空気流路が形成され、
前記第2支持部材の平面部の下面と同第2支持部材の下方枠体部の内側壁面と前記薄板体の燃料極層とにより燃料が供給される燃料流路が形成されたデバイス。 A device according to claim 12, comprising:
A first support member having a flat part and an upper frame part that is erected toward the upper part of the flat part and a lower frame part that is erected downward of the flat part;
A second support member having a planar part and an upper frame part erected toward the upper part of the planar part and a lower frame part erected to the lower part of the planar part around the planar part;
With
The first support member and the second support member are coaxially arranged on the upper frame portion of the first support member so that the lower frame portion of the second support member faces each other,
The metal thin plate is sandwiched between the upper frame portion of the first support member and the lower frame portion of the second support member, whereby the ceramic thin plate member is placed on the upper surface of the flat portion of the first support member. Are arranged so that the air electrode layers of the ceramic thin plate body are opposed to the lower surface of the flat portion of the second support member,
The upper surface of the flat portion of the first support member, the inner wall surface of the upper frame body portion of the first support member, and the air electrode layer of the thin plate body form an air flow path to which a gas containing oxygen is supplied,
A device in which a fuel flow path for supplying fuel is formed by the lower surface of the flat portion of the second support member, the inner wall surface of the lower frame portion of the second support member, and the fuel electrode layer of the thin plate member.
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