CN107636876A - 电化学反应单元和燃料电池堆 - Google Patents

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Abstract

能够抑制因热循环、热冲击等而使玻璃密封部产生裂缝。电化学反应单元包括：单体单元；分隔件，其借助具有钎焊材料的接合部与单体单元的周缘部相接合；以及玻璃密封部，其与分隔件的表面和单体单元的表面这两者相接触而将空气室与燃料室之间密封。分隔件包括：第1平坦部，其与同第1方向正交的第2方向大致平行；第2平坦部，其与第2方向大致平行；以及连结部，其具有第1方向上的位置与第1平坦部和第2平坦部这两者的第1方向上的位置均不同的部分，该连结部将第1平坦部和第2平坦部连结起来。

Description

电化学反应单元和燃料电池堆
技术领域
由本说明书公开的技术涉及一种电化学反应单元。
背景技术
作为利用氢和氧之间的电化学反应来进行发电的燃料电池的一种，固体氧化物型的燃料电池(以下也称为“SOFC”)为公众所知，其包括含有固体氧化物的电解质层。作为SOFC的发电的最小单元的燃料电池发电单元(以下也简称为“发电单元”)包括燃料电池单体单元(以下也简称为“单体单元”)和分隔件。单体单元具有电解质层以及隔着电解质层在规定的方向(以下也称为“排列方向”)上彼此相对的空气极和燃料极。在分隔件上形成有沿上述排列方向贯穿该分隔件的通孔，分隔件中的作为包围通孔的部分的通孔周围部借助具有钎焊材料的接合部与单体单元的周缘部相接合，从而划分出面对空气极的空气室和面对燃料极的燃料室。
在上述结构的发电单元中，存在经由使单体单元和分隔件相接合的接合部产生空气室与燃料室之间的气体泄漏(交叉泄漏)的风险。为了抑制该交叉泄漏，公知有一种设有与分隔件的表面和单体单元的表面这两个表面相接触并将空气室与燃料室之间密封的玻璃密封部的结构(例如参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2014－49321号公报
发明内容
发明要解决的问题
在上述以往的结构中，若因热循环、热冲击等而使分隔件在与上述排列方向正交的方向(以下，也称为“面方向”)上变形，则有时在作为脆性构件的玻璃密封部产生过大的应力而使玻璃密封部产生裂缝(裂纹)。
另外，这样的课题是在电解池单元中也存在的课题，该电解池单元是利用水的电解反应来生成氢的固体氧化物型的电解池(以下也称为“SOEC”)的最小单元。另外，在本说明书中，将发电单元和电解池单元统一称为电化学反应单元。另外，这样的问题并不限于SOFC、SOEC，是在其他类型的电化学反应单元中也存在的课题。
在本说明书中，公开了能够解决上述课题的技术。
用于解决问题的方案
本说明书公开的技术例如能够作为以下的方式来实现。
(1)本说明书公开的电化学反应单元包括：单体单元，其具有电解质层以及隔着所述电解质层在第1方向上彼此相对的空气极和燃料极；分隔件，该分隔件中的作为包围沿所述第1方向贯穿该分隔件的通孔的部分的通孔周围部借助具有钎焊材料的接合部与所述单体单元的周缘部相接合，从而划分出面对所述空气极的空气室和面对所述燃料极的燃料室；以及玻璃密封部，其具有玻璃，该玻璃密封部与所述分隔件的表面和所述单体单元的表面这两者相接触而将所述空气室与所述燃料室之间密封，该电化学反应单元的特征在于，所述分隔件包括：第1平坦部，其具有所述通孔周围部，该第1平坦部与同所述第1方向正交的第2方向大致平行；第2平坦部，其与所述第2方向大致平行；以及连结部，其具有所述第1方向上的位置与所述第1平坦部和所述第2平坦部这两者的所述第1方向上的位置均不同的部分，该连结部将所述第1平坦部和所述第2平坦部连结起来。采用本电化学反应单元，分隔件的连结部在第2方向上如容易伸缩的弹簧那样发挥作用，分隔件容易在连结部的位置处沿第2方向变形，因此，当因热循环、热冲击等而作用有使分隔件沿第2方向变形的载荷时，分隔件主要在连结部的位置处沿第2方向变形，其结果，能够缓和因上述载荷而在玻璃密封部产生的应力，从而能够抑制在玻璃密封部产生裂缝。
(2)在上述电化学反应单元中，也可以构成为，其特征在于，所述接合部中的、在所述第1方向上与所述分隔件和所述单体单元这两者相重叠的有效接合部的所述第2方向上的长度L(mm)和所述连结部的所述第1方向上的高度H(mm)满足如下关系：L＞3且H·L≥0.5。采用本电化学反应单元，通过使有效接合部的长度L在某一程度上较大，能够使有效接合部的每单位长度的应力较小，从而能够更有效地缓和玻璃密封部的应力而更有效地抑制在玻璃密封部产生裂缝，另外，通过使有效接合部的长度L与连结部的高度H的积H·L在某一程度上较大，能够将连结部的高度H设为足以与有效接合部的长度L相对应地发挥所需的应力缓和功能的值。
(3)在上述电化学反应单元中，也可以构成为，其特征在于，满足如下关系：0.1≤H≤0.6。采用本电化学反应单元，通过将连结部的高度H设为上限值以下，从而使连结部与气体流路之间的干扰成为最小限度，并且通过将连结部的高度H设为下限值以上，能够确保利用连结部实现的玻璃密封部的应力缓和效果。
(4)在上述电化学反应单元中，也可以构成为，其特征在于，所述分隔件的所述第1方向上的厚度t(mm)满足如下关系：t≤0.2。采用本电化学反应单元，通过将分隔件的厚度t设为上限值以下，能够确保连结部的弹簧性而确保利用连结部实现的玻璃密封部的应力缓和效果。
(5)在上述电化学反应单元中，也可以构成为，其特征在于，所述连结部的所述第1方向上的高度H(mm)和所述分隔件的所述第1方向上的厚度t(mm)满足如下关系：H＞t。采用本电化学反应单元，通过使连结部的高度H大于分隔件的厚度t，能够确保利用连结部实现的玻璃密封部的应力缓和效果。
(6)在上述电化学反应单元中，也可以构成为，其特征在于，所述电解质层具有固体氧化物。采用本电化学反应单元，通过使分隔件具有连结部，不仅能够抑制在玻璃密封部产生裂缝，而且还能够抑制在作为脆性构件的电解质层产生裂缝。
(7)在上述电化学反应单元中，也可以构成为，其特征在于，所述第1平坦部的所述第1方向上的位置和所述第2平坦部的所述第1方向上的位置彼此大致相同。采用本电化学反应单元，能够抑制电化学反应单元的第1方向上的高度且抑制在玻璃密封部产生裂缝。
另外，本说明书公开的技术能够以各种方式实现，例如，能够以以下方式实现，即：电化学反应单元(燃料电池发电单元或电解池单元)、具有多个电化学反应单元的电化学反应池堆(燃料电池堆或电解池堆)、以及它们的制造方法等方式。
附图说明
图1是表示本实施方式中的燃料电池堆100的外观结构的立体图。
图2是表示图1的II－II的位置处的燃料电池堆100的XZ剖面结构的说明图。
图3是表示图1的III－III的位置处的燃料电池堆100的YZ剖面结构的说明图。
图4是表示与图2所示的剖面相同的位置处的彼此邻接的两个发电单元102的XZ剖面结构的说明图。
图5是表示与图3所示的剖面相同的位置处的彼此邻接的两个发电单元102的YZ剖面结构的说明图。
图6是表示分隔件120的详细结构的说明图。
图7是以表形式来表示性能评价结果的说明图。
图8是利用图表来表示性能评价结果的说明图。
图9是表示利用激光形状测量装置LS测量连结部高度H的方法的说明图。
图10是表示测量结果的校正处理的方法的说明图。
图11是表示测量结果的校正处理的方法的说明图。
具体实施方式
A.实施方式：
A－1.结构：
(燃料电池堆100的结构)
图1是表示本实施方式中的燃料电池堆100的外观结构的立体图，图2是表示图1的II－II的位置处的燃料电池堆100的XZ剖面结构的说明图，图3是表示图1的III－III的位置处的燃料电池堆100的YZ剖面结构的说明图。在各图中，表示了用于指定方向的互相正交的XYZ轴。在本说明书中，为了方便，将Z轴正方向称为上方向，将Z轴负方向称为下方向，但燃料电池堆100也可以实际上以与这样的朝向不同的朝向设置。图4及其后面的附图也是同样的。
燃料电池堆100包括多个(本实施方式中为7个)发电单元102和一对端板104、106。7个发电单元102沿规定的排列方向(本实施方式中为上下方向(Z轴方向))排列地配置。一对端板104、106以自上下夹持由7个发电单元102构成的集合体的方式配置。此外，上述排列方向(上下方向)相当于权利要求中的第1方向。
在构成燃料电池堆100的各层(发电单元102、端板104、106)的绕Z方向的周缘部形成有沿上下方向贯穿该周缘部的多个(本实施方式中为8个)孔，形成于各层且彼此相对应的孔彼此之间在上下方向上相连通，从而构成在自一个端板104到另一个端板106的范围内沿上下方向延伸的连通孔108。在以下的说明中，有时也将为了构成连通孔108而形成于燃料电池堆100的各层的孔称作连通孔108。
在各连通孔108中插入有沿上下方向延伸的螺栓22，利用螺栓22和嵌入螺栓22的两侧的螺母24来紧固燃料电池堆100。此外，如图2和图3所示，在嵌入螺栓22的一侧(上侧)的螺母24与构成燃料电池堆100的上端的端板104的上侧表面之间和嵌入螺栓22的另一侧(下侧)的螺母24与构成燃料电池堆100的下端的端板106的下侧表面之间夹设有绝缘片26。其中，在设有后述的气体通路构件27的部位处的、螺母24与端板106的表面之间设有气体通路构件27和分别配置于气体通路构件27的上侧和下侧的绝缘片26。绝缘片26由例如云母片、陶瓷纤维片、陶瓷粉末压片、玻璃片、玻璃陶瓷复合剂等构成。
各螺栓22的杆部的外径小于各连通孔108的内径。因此，在各螺栓22的杆部的外周面和各连通孔108的内周面之间确保有空间。如图1和图2所示，由位于燃料电池堆100的绕Z方向的外周中的一条边(与Y轴平行的两条边中的靠X轴正方向侧的边)的中点附近的螺栓22(螺栓22A)和插入有该螺栓22A的连通孔108形成的空间，作为用于自燃料电池堆100的外部导入氧化剂气体OG并向各发电单元102供给该氧化剂气体OG的气体流路即氧化剂气体导入歧管161发挥作用，由位于与该边相反的一侧的边(与Y轴平行的两条边中的靠X轴负方向侧的边)的中点附近的螺栓22(螺栓22B)和插入有该螺栓22B的连通孔108形成的空间，作为用于将自各发电单元102排出的未反应的氧化剂气体OG即氧化剂排气OOG向燃料电池堆100的外部排出的氧化剂气体排出歧管162发挥作用。此外，在本实施方式中，作为氧化剂气体OG，使用例如空气。
另外，如图1和图3所示，由位于燃料电池堆100的绕Z方向的外周中的一条边(与X轴平行的两条边中的靠Y轴正方向侧的边)的中点附近的螺栓22(螺栓22D)和插入有该螺栓22D的连通孔108形成的空间，作为用于自燃料电池堆100的外部导入燃料气体FG并向各发电单元102供给该燃料气体FG的燃料气体导入歧管171发挥作用，由位于与该边相反的一侧的边(与X轴平行的两条边中的靠Y轴负方向侧的边)的中点附近的螺栓22(螺栓22E)和插入有该螺栓22E的连通孔108形成的空间，作为将包含自各发电单元102排出的未反应的燃料气体FG、燃料气体FG的发电后的气体在内的燃料排气FOG向燃料电池堆100的外部排出的燃料气体排出歧管172发挥作用。此外，在本实施方式中，作为燃料气体FG，使用例如将城市燃气改性后的富氢的气体。
在燃料电池堆100中设有4个气体通路构件27。各气体通路构件27具有中空筒状的主体部28和自主体部28的侧面分支而成的中空筒状的分支部29。分支部29的孔与主体部28的孔相连通。在各气体通路构件27的分支部29连接有气体配管(未图示)。另外，如图2所示，在形成氧化剂气体导入歧管161的螺栓22A的位置配置的气体通路构件27的主体部28的孔与氧化剂气体导入歧管161相连通，在形成氧化剂气体排出歧管162的螺栓22B的位置配置的气体通路构件27的主体部28的孔与氧化剂气体排出歧管162相连通。另外，如图3所示，在形成燃料气体导入歧管171的螺栓22D的位置配置的气体通路构件27的主体部28的孔与燃料气体导入歧管171相连通，在形成燃料气体排出歧管172的螺栓22E的位置配置的气体通路构件27的主体部28的孔与燃料气体排出歧管172相连通。
(端板104、106的结构)
一对端板104、106是矩形的平板形状的导电性构件，例如由不锈钢形成。一个端板104配置于位于最上方的发电单元102的上侧，另一个端板106配置于位于最下方的发电单元102的下侧。利用一对端板104、106以按压多个发电单元102的状态夹持该多个发电单元102。上侧的端板104作为燃料电池堆100的正极侧的输出端子发挥作用，下侧的端板106作为燃料电池堆100的负极侧的输出端子发挥作用。
(发电单元102的结构)
图4是表示与图2所示的剖面相同的位置处的彼此邻接的两个发电单元102的XZ剖面结构的说明图，图5是表示与图3所示的剖面相同的位置处的彼此邻接的两个发电单元102的YZ剖面结构的说明图。
如图4和图5所示，作为发电的最小单元的发电单元102包括单体单元110、分隔件120、空气极侧框架130、空气极侧集电体134、燃料极侧框架140、燃料极侧集电体144、构成发电单元120的最上层及最下层的一对互连器150。在分隔件120、空气极侧框架130、燃料极侧框架140、互连器150的绕Z方向的周缘部，形成有与上述的供螺栓22插入的连通孔108对应的孔。
互连器150是矩形的平板形状的导电性构件，例如由铁素体类不锈钢形成。互连器150在确保发电单元102之间的电导通的同时，防止发电单元102之间的反应气体的混合。此外，在本实施方式中，在两个发电单元102邻接配置的情况下，邻接的两个发电单元102共用一个互连器150。即，一发电单元102的上侧的互连器150和在该发电单元102的上侧与该发电单元102邻接的另一发电单元102的下侧的互连器150是同一构件。另外，由于燃料电池堆100具有一对端板104、106，因此，在燃料电池堆100中，位于最上方的发电单元102不包括上侧的互连器150，位于最下方的发电单元102不包括下侧的互连器150(参照图2和图3)。
单体单元110包括电解质层112、空气极(阴极)114及燃料极(阳极)116，该空气极114和燃料极116隔着电解质层112在上下方向(发电单元102排列的排列方向)上彼此相对。另外，本实施方式的单体单元110是用燃料极116支承电解质层112及空气极114的燃料极支承型的单体单元。此外，在本实施方式中，单体单元110的外周的一条边的长度为100mm～250mm左右。
电解质层112是矩形的平板形状构件，例如，由YSZ(氧化钇稳定化氧化锆)、ScSZ(氧化钪稳定化氧化锆)、SDC(钐掺杂氧化铈)、GDC(钆掺杂氧化铈)、钙钛矿型氧化物等固体氧化物形成。空气极114是矩形的平板形状构件，例如，由钙钛矿型氧化物(例如，LSCF(镧锶钴铁氧化物)、LSM(镧锶锰氧化物)、LNF(镧镍铁))形成。燃料极116是矩形的平板形状构件，例如，由Ni(镍)、包括Ni和陶瓷粒子的金属陶瓷、Ni基合金等形成。如此，本实施方式的单体单元110(发电单元102)是将固体氧化物用作电解质的固体氧化物型燃料电池(SOFC)。
分隔件120是在中央附近形成有沿上下方向贯穿该分隔件120的矩形的孔121的框状构件，例如，由铁素体类金属形成。作为分隔件120中的包围孔121的部分的通孔周围部122(参照图6)与构成单体单元110的电解质层112的靠空气极114侧的表面的周缘部相对。分隔件120利用接合部124与电解质层112(单体单元110)接合，该接合部124具有配置于通孔周围部122的钎焊材料(例如Ag钎料)。利用分隔件120划分出面对空气极114的空气室166和面对燃料极116的燃料室176。接合有分隔件120的单体单元110也被称为带分隔件的单体单元。形成于分隔件120的孔121相当于权利要求中的通孔。此外，当分隔件120由含铝金属形成时，会在分隔件120的靠空气极114侧形成氧化覆膜，从而防止分隔件120成为导致单体单元110的性能降低的杂质的产生源，故此优选。
在接合部124的靠空气室166侧配置有具有玻璃的玻璃密封部125。玻璃密封部125以与分隔件120的通孔周围部122的表面和单体单元110(本实施方式中为构成单体单元110的电解质层112)的表面这两者相接触的方式形成。利用玻璃密封部125，能够有效地抑制空气室166与燃料室176之间的气体泄漏(交叉泄漏)。
此外，在本实施方式中，接合部124以自分隔件120和单体单元110相对的区域向空气室166侧伸出的方式形成，玻璃密封部125以与接合部124中的上述伸出的部位相接触的方式形成。即，接合部124的一部分被玻璃密封部125覆盖。另外，在本实施方式中，玻璃密封部125覆盖分隔件120中的与同单体单元110相对的一侧相反的那一侧(上侧)的表面，玻璃密封部125和接合部124隔着分隔件120在排列方向上彼此相对。
空气极侧框架130是在中央附近形成有沿上下方向贯穿该空气极侧框架130的矩形的孔131的框状构件，例如，由云母等绝缘体形成。空气极侧框架130的孔131构成面对空气极114的空气室166。空气极侧框架130与分隔件120的同与电解质层112相对的一侧相反的那一侧的表面的周缘部、和互连器150的同空气极114相对的一侧的表面的周缘部接触。另外，利用空气极侧框架130，能够将发电单元102所包含的一对互连器150之间电绝缘。另外，在空气极侧框架130形成有连通氧化剂气体导入歧管161和空气室166的氧化剂气体供给连通孔132、以及连通空气室166和氧化剂气体排出歧管162的氧化剂气体排出连通孔133。
燃料极侧框架140是在中央附近形成有沿上下方向贯穿该燃料极侧框架140的矩形的孔141的框状构件，例如，由金属形成。燃料极侧框架140的孔141构成面对燃料极116的燃料室176。燃料极侧框架140与分隔件120的同电解质层112相对的一侧的表面的周缘部、和互连器150的与燃料极116相对的一侧的表面的周缘部接触。另外，在燃料极侧框架140形成有连通燃料气体导入歧管171和燃料室176的燃料气体供给连通孔142、以及连通燃料室176和燃料气体排出歧管172的燃料气体排出连通孔143。
燃料极侧集电体144配置于燃料室176内。燃料极侧集电体144包括互连器相对部146、电极相对部145、连接电极相对部145和互连器相对部146的连接部147，燃料极侧集电体144例如由镍、镍合金、不锈钢等形成。电极相对部145与燃料极116的同与电解质层112相对的一侧相反的那一侧的表面接触，互连器相对部146与互连器150的同燃料极116相对的一侧的表面接触。因此，燃料极侧集电体144将燃料极116和互连器150电连接。另外，在电极相对部145和互连器相对部146之间配置有例如由云母形成的间隔件149。因此，燃料极侧集电体144能够追随因温度循环、反应气体压力变动而产生的发电单元102的变形，从而良好地维持燃料极116和互连器150之间的借助燃料极侧集电体144所实现的电连接。
空气极侧集电体134配置于空气室166内。空气极侧集电体134由多个四棱柱状的集电体元件135构成，例如由铁素体类不锈钢形成。空气极侧集电体134通过与空气极114的同与电解质层112相对的一侧相反的那一侧的表面、和互连器150的同空气极114相对的一侧的表面接触，从而将空气极114和互连器150电连接。此外，空气极侧集电体134和互连器150也可以作为一体的构件而形成。
A－2.燃料电池堆100的动作：
如图2和图4所示，当经由与在氧化剂气体导入歧管161的位置设置的气体通路构件27的分支部29相连接的气体配管(未图示)供给氧化剂气体OG时，氧化剂气体OG经由气体通路构件27的分支部29和主体部28的孔向氧化剂气体导入歧管161供给，并自氧化剂气体导入歧管161经由各发电单元102的氧化剂气体供给连通孔132向空气室166供给。另外，如图3和图5所示，当经由与在燃料气体导入歧管171的位置设置的气体通路构件27的分支部29相连接的气体配管(未图示)供给燃料气体FG时，燃料气体FG经由气体通路构件27的分支部29和主体部28的孔向燃料气体导入歧管171供给，并自燃料气体导入歧管171经由各发电单元102的燃料气体供给连通孔142向燃料室176供给。
当氧化剂气体OG被供给至各发电单元102的空气室166，且燃料气体FG被供给至燃料室176时，在单体单元110中通过氧化剂气体OG及燃料气体FG的电化学反应进行发电。该发电反应是发热反应。在各发电单元102中，单体单元110的空气极114借助空气极侧集电体134与一个互连器150电连接，燃料极116借助燃料极侧集电体144与另一个互连器150电连接。另外，燃料电池堆100所包含的多个发电单元102是串联地电连接的。因此，能够自作为燃料电池堆100的输出端子发挥作用的端板104、106取出在各发电单元102产生的电能。另外，需要说明的是，SOFC是在较高的温度(例如自700℃～1000℃)下进行发电的，因此，也可以在启动后利用加热器(未图示)加热燃料电池堆100，直到成为能够利用由发电产生的热来维持高温的状态。
如图2和图4所示，自各发电单元102的空气室166排出的氧化剂排气OOG经由氧化剂气体排出连通孔133被排出至氧化剂气体排出歧管162，进一步经过在氧化剂气体排出歧管162的位置设置的气体通路构件27的主体部28和分支部29的孔，经由与该分支部29相连接的气体配管(未图示)被排出至燃料电池堆100的外部。另外，如图3和图5所示，自各发电单元102的燃料室176排出的燃料排气FOG经由燃料气体排出连通孔143被排出至燃料气体排出歧管172，进一步经过在燃料气体排出歧管172的位置设置的气体通路构件27的主体部28和分支部29的孔，经由与该分支部29相连接的气体配管(未图示)被排出至燃料电池堆100的外部。
A－3.分隔件120的详细结构：
图6是表示分隔件120的详细结构的说明图。在图6中放大地示出了图4的Px部的结构。如图6所示，分隔件120包括：第1平坦部126，其具有通孔周围部122且与同排列方向(上下方向)正交的方向(面方向)大致平行；以及第2平坦部127，其位于比第1平坦部126靠外周侧的位置且与面方向大致平行。第1平坦部126的排列方向上的位置和第2平坦部127的排列方向上的位置彼此大致相同。
分隔件120还包括将第1平坦部126的端部和第2平坦部127的端部连结起来的连结部128。在本实施方式中，连结部128具有以自第1平坦部126和第2平坦部127的位置向燃料室176侧(下侧)突出的方式弯曲的形状。即，连结部128的靠燃料室176侧(下侧)的部分成为凸部，连结部128的靠空气室166侧(上侧)的部分成为凹部。如此，连结部128包含在排列方向上的位置与第1平坦部126和第2平坦部127这两者的排列方向上的位置均不同的部分。此外，连结部128以沿排列方向观察时包围孔121的方式形成。另外，分隔件120中的连结部128通过例如冲压加工而形成。
连结部128由于为上述结构，因此在面方向上如容易伸缩的弹簧那样发挥作用。因此，与不包括连结部128的结构相比，本实施方式的分隔件120容易在连结部128的位置处沿面方向变形。因此，当因发电引起的热循环、制造时的焊接工序等引起的热冲击等而作用有使分隔件120沿面方向变形的载荷时，分隔件120主要在连结部128的位置处沿面方向变形，其结果，能够缓和因上述载荷而在玻璃密封部125、接合部124、单体单元110的电解质层112产生的应力。由于玻璃密封部125、电解质层112由玻璃、陶瓷这样的脆性构件形成，因此，当上述应力变得过大时，存在产生裂缝的风险，但在本实施方式中，因分隔件120的连结部128的存在而使在玻璃密封部125、电解质层112中产生的应力得到缓和，因此能够抑制在玻璃密封部125、电解质层112产生裂缝。
A－4.性能评价：
如以下那样，对利用上述分隔件120的连结部128实现的裂缝产生抑制效果进行了性能评价。图7和图8是表示性能评价结果的说明图。在性能评价中，在对分隔件120和单体单元110借助接合部124相接合，且设有玻璃密封部125的带分隔件的单体单元施加面方向上的拉伸载荷的情况下，判断是否在玻璃密封部125和电解质层112中的至少一者中产生裂缝。此外，在性能评价中，将分隔件120的排列方向上的厚度(板厚)t设为0.1(mm)，将面方向上的拉伸载荷设为400kgf，以不在接合部124产生滑动的方式附加有约束条件。
如图7所示，在性能评价中，使用了连结部高度H(mm)与有效接合部长度L(mm)之间的组合互不相同的15种带分隔件的单体单元。在此，连结部高度H是连结部128的排列方向上的高度，更详细而言是分隔件120的靠空气室166侧的表面中的、自位于连结部128的最上方的部分起到位于连结部128的最下方的部分为止的距离(深度)(参照图6)。另外，有效接合部长度L是接合部124中的、在排列方向上与分隔件120和单体单元110这两者相重叠的部分(有效接合部)的面方向上的长度。此外，利用实验对15种带分隔件的单体单元(例1～例15)中的例7、8进行了判断，利用模拟对其他例子进行了判断。在实验时，利用目视或渗透探伤检查(红液渗透探伤法)来判断有无产生裂缝，在模拟时，根据玻璃密封部125的面内应力σ来判断有无产生裂缝。
在图7中，对于带分隔件的单体单元的各例子，示出了有效接合部长度L、连结部高度H、有效接合部长度L与连结部高度H的积(指标值H·L)、有无裂缝判断结果之间的关系。在图7中，用〇来表示判断为未产生裂缝的例子，用×来表示判断为产生裂缝的例子。另外，在图8中，对于带分隔件的单体单元的各例子，示出了指标值H·L与玻璃密封部125的面内应力σ之间的关系。在图8中，对各标记标注了图7所示的各例子的编号，用涂黑了的标记〇来表示判断为未产生裂缝的例子，用空心的标记来表示判断为产生裂缝的例子。
带分隔件的单体单元的例1、6、11是连结部高度H为0(mm)、即在分隔件120未设有连结部128的例子。在这些例子中均判断为产生裂缝。考虑其原因在于，由于在分隔件120未设有连结部128，因此，当作用有使分隔件120沿面方向变形的载荷时，会在玻璃密封部125、电解质层112产生过大的应力。
另一方面，带分隔件的单体单元的例2～例5是有效接合部长度L为5(mm)且连结部高度H处于0.1(mm)以上、0.6(mm)以下的范围内的例子。在这些例子中均判断为未产生裂缝。考虑其原因在于，由于在分隔件120设有连结部128，因此，当作用有使分隔件120沿面方向变形的载荷时，分隔件120主要在连结部128的位置沿面方向变形，能够抑制在玻璃密封部125、电解质层112产生过大的应力。
另外，带分隔件的单体单元的例7～例10是有效接合部长度L为4(mm)且连结部高度H处于0.1(mm)以上、0.6(mm)以下的范围内的例子。在这些例子之中，对于连结部高度H为0.25、0.4、0.6(mm)的例子(例子8～例子10)，判断为未产生裂缝，而对于连结部高度H为0.1(mm)的例子(例子7)，判断为产生裂缝。考虑其原因在于，若连结部高度H较低，则连结部128不易沿面方向变形，在施加有使分隔件120沿面方向变形的载荷时，使在玻璃密封部125、电解质层112产生的应力得到缓和的效果变得较差。
此外，带分隔件的单体单元的例2也与例7同样地是连结部高度H为0.1(mm)的例子，但判断为未产生裂缝。考虑其原因在于，在例2中，由于有效接合部长度L比例7的有效接合部长度L长，因此，接合部124(有效接合部)的每单位长度的应力变得较小，其结果，玻璃密封部125、电解质层112的应力也变得较小。即，优选的是，有效接合部长度L越短，将连结部高度H设定得越高。具体而言，根据图7和图8所示的性能评价结果，指标值H·L优选为0.5以上。此外，如图8所示，在指标值H·L在某一程度上较大的区域中，随着指标值H·L的增加而面内应力σ的降低量变小。另外，为了使指标值H·L较大，需要使带分隔件的单体单元的尺寸较大。从这些观点考虑，可以说，指标值H·L优选为3.0以下。
另外，带分隔件的单体单元的例12～例15是有效接合部长度L为3(mm)且连结部高度H处于0.1(mm)以上、0.6(mm)以下的范围内的例子。在这些例子中均判断为产生裂缝。考虑其原因在于，若有效接合部长度L非常短，则接合部124(有效接合部)的每单位长度的应力变得非常大，因此，即使在分隔件120设置连结部128，也无法将玻璃密封部125、电解质层112的应力缓和到不产生裂缝的程度。根据图7和图8所示的性能评价结果，可以说，有效接合部长度L优选比3(mm)长。
根据以上说明的性能评价结果，可以说，优选的是，有效接合部长度L大于3(mm)且指标值H·L为0.5以上。若满足该条件，则能够使接合部124(有效接合部)的每单位长度的应力较小，能够更有效地缓和玻璃密封部125、电解质层112的应力，从而更有效地抑制在玻璃密封部125、电解质层112产生裂缝，另外，能够将连结部128的高度H设为足以与接合部124的有效接合部的长度(L)相对应地发挥所需的应力缓和功能的值。
另外，可以说，连结部高度H进一步优选为0.1(mm)以上、0.6(mm)以下。通过使连结部高度H为0.1(mm)以上，能够确保由连结部128实现的裂缝产生抑制效果。另外，当连结部高度H大于0.6(mm)时，气体的流动会被连结部128阻碍，存在发电性能降低的风险，故此不优选，但通过将连结部高度H设为0.6(mm)以下，能够抑制气体的流动被连结部128阻碍而使发电性能降低的情况。
此外，分隔件120的排列方向上的厚度(板厚)t只要为0.01(mm)以上即可，从抑制耐氧化性的降低的观点考虑，优选为0.03(mm)以上，更优选为0.05(mm)以上，且优选为0.2(mm)以下。通过使分隔件120的厚度t为0.03(mm)以上，能够抑制分隔件120的耐氧化性的降低，通过使分隔件120的厚度t为0.2(mm)以下，能够确保连结部128弹簧性为一定程度以上，从而能够确保由连结部128实现的裂缝产生抑制效果。
另外，连结部高度H优选大于分隔件120的厚度t。通过使连结部高度H大于分隔件120的厚度t，能够确保由连结部128实现的裂缝产生抑制效果。
另外，与第1平坦部126的排列方向上的位置和第2平坦部127的排列方向上的位置互不相同的结构相比，当第1平坦部126的排列方向上的位置和第2平坦部127的排列方向上的位置彼此大致相同时，能够抑制带分隔件的单体单元的排列方向上的高度，进而能够抑制发电单元102、燃料电池堆100的排列方向上的高度，故此优选。
A－5.测量方法：
上述有效接合部长度L的值通过例如剖面观察、利用X射线显微镜或计算机断层摄影装置(CT)的方法进行测量。另外，上述连结部高度H的值通过例如剖面观察、利用激光形状测量装置的方法进行测量。以下，说明利用激光形状测量装置的连结部高度H的测量方法。
图9～图11是表示利用激光形状测量装置LS的连结部高度H的测量方法的说明图。在图9中，示出利用激光形状测量装置LS来测量带分隔件的单体单元的连结部高度H的情形，在图10和图11中示出了测量结果的校正处理的方法。
如图9所示，在测量时，将工件(带分隔件的单体单元)载置在能够沿XY方向移动的载物台ST上，将带分隔件的单体单元上的任意的点设为测量时零点PO，一边通过使载物台ST移动来使位于固定位置的激光形状测量装置LS与带分隔件的单体单元之间的相对位置变化，一边测量带分隔件的单体单元与激光形状测量装置LS之间的距离。在图10中示出表示此时的测量结果的曲线(变换前曲线RC)的一个例子。
之后，通过自图10所示的变换前曲线RC中的与分隔件120的位置相对应的部分抽取两个拐点IP并套用规定的校正计算式，从而得到图11所示的两个拐点IP变换成距离为零的点之后的曲线(变换后曲线TC)。自变换后曲线TC中的被两个拐点IP夹持的部分抽取Z方向上的距离(即高度)最大的点XP，将点XP处的高度设为连结部高度H。
B.变形例：
本说明书公开的技术不限于上述的实施方式，能够在不脱离其主旨的范围内变形为各种方式，例如还能够进行如下变形。
在上述实施方式中，第1平坦部126的排列方向上的位置和第2平坦部127的排列方向上的位置彼此大致相同，但第1平坦部126的排列方向上的位置和第2平坦部127的排列方向上的位置也可以互不相同。
另外，在上述实施方式中，连结部128为具有以自第1平坦部126和第2平坦部127的位置向燃料室176侧(下侧)突出的方式弯曲的剖面形状的结构，但若连结部128为包含排列方向上的位置与第1平坦部126和第2平坦部127这两者的排列方向上的位置均不同的部分的结构，则并不限于上述结构。例如，连结部128也可以为具有以自第1平坦部126和第2平坦部127的位置向空气室166侧(上侧)突出的方式弯曲的剖面形状的结构。另外，第1平坦部126和第2平坦部127均与面方向大致平行，但排列方向上的位置互不相同，连结部128也可以为将第1平坦部126和第2平坦部127直线或曲线地连结起来那样的结构。
另外，在上述实施方式中，利用冲压加工在分隔件120上形成连结部128，但也可以利用其他方法(例如切削)来形成连结部128。
另外，在上述实施方式中，接合部124以自分隔件120和单体单元110相对的区域向空气室166侧伸出的方式形成，玻璃密封部125以接触于接合部124的上述伸出的部位且覆盖分隔件120的与同单体单元110相对的一侧相反的那一侧(上侧)的表面的方式形成，玻璃密封部125和接合部124隔着分隔件120在排列方向上彼此相对，但未必必须是这样的结构。例如，玻璃密封部125不必接触于接合部124。另外，玻璃密封部125也可以不覆盖分隔件120的与同单体单元110相对的一侧相反的那一侧(上侧)的表面。另外，接合部124也可以仅形成于分隔件120和单体单元110相对的区域中的一部分。在这样的结构中，玻璃密封部125也可以进入到分隔件120和单体单元110相对的区域内。
另外，在上述实施方式中，燃料电池堆100包括的发电单元102的个数只是一个例子，发电单元102的个数能够与燃料电池堆100所要求的输出电压等相应地适当设定。
另外，在上述实施方式中，将各螺栓22的杆部的外周面和各连通孔108的内周面之间的空间作为各歧管进行了利用，但取而代之，也可以在各螺栓22的杆部形成轴线方向上的孔，并将该孔作为各歧管进行利用。另外，也可以相对于供各螺栓22插入的各连通孔108独立地设置各歧管。
另外，在上述实施方式中，在两个发电单元102邻接配置的情况下，邻接的两个发电单元102共用一个互连器150，但在这样的情况下，两个发电单元102也可以具有各自的互连器150。另外，在上述实施方式的燃料电池堆100中，省略了位于最上方的发电单元102的上侧的互连器150、位于最下方的发电单元102的下侧的互连器150，但也可以设置这些互连器150而不将其省略。
另外，在上述实施方式中，燃料极侧集电体144可以是与空气极侧集电体134同样的结构，燃料极侧集电体144和与其邻接的互连器150可以是一体的构件。另外，也可以是，不是空气极侧框架130为绝缘体，而是燃料极侧框架140为绝缘体。另外，空气极侧框架130、燃料极侧框架140可以是多层结构。
另外，上述实施方式中形成各构件的材料只是例示，各构件也可以由其他材料形成。
另外，在上述实施方式中，对城市燃气进行改性而得到富氢的燃料气体FG，但既可以自LP气体、灯油、甲醇、汽油等其他原料得到燃料气体FG，也可以将纯氢作为燃料气体FG进行利用。
在本说明书中，构件B和构件C隔着构件(或构件的一部分、以下相同)A彼此相对，不限定于构件A和构件B或构件A和构件C邻接的形态，包含在构件A与构件B之间或构件A与构件C之间夹设有其他构成要件的形态。例如，即使是在电解质层112与空气极114之间设有其他层的结构，也可以说，空气极114和燃料极116隔着电解质层112彼此相对。
另外，在上述实施方式(或变形例、以下相同)中，对于燃料电池堆100包括的所有的发电单元102，分隔件120为包括与面方向大致平行的第1平坦部126、第2平坦部127以及连结部128的结构，其中该连结部128包含排列方向上的位置与第1平坦部126和第2平坦部127这两者的排列方向上的位置均不同的部分，并且该连结部128将第1平坦部126和第2平坦部127连结起来，但若燃料电池堆100包括的至少一个发电单元102为这样的结构，就能够抑制该发电单元102中的玻璃密封部125、电解质层112产生裂缝。
另外，在上述实施方式中，将利用燃料气体所含的氢和氧化剂气体所含的氧之间的电化学反应进行发电的SOFC作为对象，但本发明也能够同样适用于利用水的电解反应生成氢的固体氧化物型的电解池(SOEC)的最小单元即电解池单元、具有多个电解池单元的电解池堆。另外，电解池堆的结构例如如日本特开2014－207120号记载的那样是众所周知的，在这里不再详述，概略地说，是与上述实施方式的燃料电池堆100同样的结构。即，将上述实施方式的燃料电池堆100替换为电解池堆，将发电单元102替换为电解池单元即可。其中，在电解池堆运转时，以空气极114为正极(阳极)、燃料极116为负极(阴极)的方式向两电极间施加电压，并且经由连通孔108供给作为原料气体的水蒸气。由此，各电解池单元中发生水的电解反应，在燃料室176产生氢气，并经由连通孔108将氢取出至电解池堆的外部。若在这样结构的电解池单元及电解池堆中，也与上述实施方式同样，采用分隔件120包括与面方向大致平行的第1平坦部126、第2平坦部127以及连结部128的结构，其中该连结部128包含排列方向上的位置与第1平坦部126和第2平坦部127这两者的排列方向上的位置均不同的部分，并且该连结部128将第1平坦部126和第2平坦部127连结起来，则能够抑制在玻璃密封部125、电解质层112产生裂缝。
另外，在上述实施方式中，以固体氧化物型燃料电池(SOFC)为例进行了说明，但本申请发明也能够适用于固体高分子型燃料电池(PEFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)这样的其他类型的燃料电池(或电解池)。
附图标记说明
22、螺栓；24、螺母；26、绝缘片；27、气体通路构件；28、主体部；29、分支部；100、燃料电池堆；102、发电单元；104、端板；106、端板；108、连通孔；110、单体单元；112、电解质层；114、空气极；116、燃料极；120、分隔件；121、孔；122、通孔周围部；124、接合部；125、玻璃密封部；126、第1平坦部；127、第2平坦部；128、连结部；130、空气极侧框架；131、孔；132、氧化剂气体供给连通孔；133、氧化剂气体排出连通孔；134、空气极侧集电体；135、集电体元件；140、燃料极侧框架；141、孔；142、燃料气体供给连通孔；143、燃料气体排出连通孔；144、燃料极侧集电体；145、电极相对部；146、互连器相对部；147、连接部；149、间隔件；150、互连器；161、氧化剂气体导入歧管；162、氧化剂气体排出歧管；166、空气室；171、燃料气体导入歧管；172、燃料气体排出歧管；176、燃料室。

Claims (8)

1.一种电化学反应单元，其包括：
单体单元，其具有电解质层以及隔着所述电解质层在第1方向上彼此相对的空气极和燃料极；
分隔件，该分隔件中的作为包围沿所述第1方向贯穿该分隔件的通孔的部分的通孔周围部借助具有钎焊材料的接合部与所述单体单元的周缘部相接合，从而划分出面对所述空气极的空气室和面对所述燃料极的燃料室；以及
玻璃密封部，其具有玻璃，该玻璃密封部与所述分隔件的表面和所述单体单元的表面这两者相接触而将所述空气室与所述燃料室之间密封，
该电化学反应单元的特征在于，
所述分隔件包括：
第1平坦部，其具有所述通孔周围部，该第1平坦部与同所述第1方向正交的第2方向大致平行；
第2平坦部，其与所述第2方向大致平行；以及
连结部，其具有所述第1方向上的位置与所述第1平坦部和所述第2平坦部这两者的所述第1方向上的位置均不同的部分，该连结部将所述第1平坦部和所述第2平坦部连结起来。
2.根据权利要求1所述的电化学反应单元，其特征在于，
所述接合部中的、在所述第1方向上与所述分隔件和所述单体单元这两者相重叠的有效接合部的所述第2方向上的长度L(mm)和所述连结部的所述第1方向上的高度H(mm)满足如下关系：
L＞3且H·L≥0.5。
3.根据权利要求2所述的电化学反应单元，其特征在于，
满足如下关系：
0.1≤H≤0.6。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的电化学反应单元，其特征在于，
所述分隔件的所述第1方向上的厚度t(mm)满足如下关系：
t≤0.2。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的电化学反应单元，其特征在于，
所述连结部的所述第1方向上的高度H(mm)和所述分隔件的所述第1方向上的厚度t(mm)满足如下关系：
H＞t。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的电化学反应单元，其特征在于，
所述电解质层具有固体氧化物。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的电化学反应单元，其特征在于，
所述第1平坦部的所述第1方向上的位置和所述第2平坦部的所述第1方向上的位置彼此大致相同。
8.一种燃料电池堆，其具有多个燃料电池发电单元，其特征在于，
所述多个燃料电池发电单元的至少一个燃料电池发电单元是权利要求1至7中任一项所述的电化学反应单元。
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