JP2005174658A - Solid electrolyte fuel cell - Google Patents

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浩也 石川
Yoshihiro Funahashi
佳宏 舟橋
Masahiro Shibata
昌宏 柴田
Masaaki Hattori
昌晃 服部
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a superior solid electrolyte fuel cell in which a gas seal part that is superior in joining strength can be formed, and which is tough against thermal stress and which can be manufactured with a superior yield by suppressing sagging of a cement. <P>SOLUTION: The fuel cell is provided with a power generation layer 2, and laminating members 31, 32, 33 and laminated members 21 are joined with the cement in which metal is the main component and a gas seal part 10 is formed between both members and basin parts 311, 321, 331 on which the joining agent may be collected are installed at least at the laminating member among the laminating members and the laminated members. It is preferable that the laminating members are composed of a heat-resistant metal. Furthermore, it is preferable that the basin part is formed by a chamfer part. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、固体電解質型燃料電池に関し、さらに詳しくは、接合強度に優れたガスシール部を形成でき熱応力に対して強靭であると共に、接合剤のタレを抑制して歩留り良く製造することができる固体電解質型燃料電池に関する。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell. More specifically, the present invention is capable of forming a gas seal portion having excellent bonding strength, is strong against thermal stress, and can be manufactured with high yield by suppressing sagging of the bonding agent. The present invention relates to a solid oxide fuel cell.

従来一般に、平板型の固体電解質型燃料電池(以下、SOFCとも記載する。)は、複数の単セルを積層した構造体(以下、スタックとも記載する。)として使用される。平板型SOFCスタックの一般的な構造としては、例えば、イットリア安定化ジルコニヤ(YSZ)からなる固体電解質板に、ニッケルとYSZとからなる燃料極と、ペロブスカイト複合酸化物{例えば、ランタンマンガンナイト(LSM)等}からなる空気極とが形成された発電層を有する単セルが、ランタンクロマイト系複合酸化物もしくは耐熱金属からなるセパレータを介して積層されたものが知られている。この固体電解質板とセパレータとは、ガラス質のシール材で気密シールされている。   2. Description of the Related Art Conventionally, a flat plate type solid oxide fuel cell (hereinafter also referred to as SOFC) is used as a structure (hereinafter also referred to as a stack) in which a plurality of single cells are stacked. As a general structure of a flat plate type SOFC stack, for example, a solid electrolyte plate made of yttria-stabilized zirconia (YSZ), a fuel electrode made of nickel and YSZ, a perovskite composite oxide {for example, lanthanum manganese knight (LSM) ) Etc.} is formed by laminating a single cell having a power generation layer formed with an air electrode made of lanthanum chromite complex oxide or a separator made of a refractory metal. The solid electrolyte plate and the separator are hermetically sealed with a glassy sealing material.

また、近年はYSZなどの固体電解質板を極力薄く形成して内部抵抗を低減し、800℃以下の比較的低温でSOFCを動作させる研究が活発化しており、セパレータ材に安価な金属材料を適用することが注目されている。特に安価なステンレス材を適用できれば大幅なコストダウンが可能となるが、シール材にガラス質をしている限り、接合の信頼性の向上は望めない。   In recent years, research has been actively conducted to reduce the internal resistance by forming a solid electrolyte plate such as YSZ as much as possible to reduce the internal resistance and operate the SOFC at a relatively low temperature of 800 ° C. or lower. It is attracting attention. In particular, if an inexpensive stainless material can be applied, the cost can be greatly reduced. However, as long as the sealing material is made of glass, it is not possible to improve the bonding reliability.

そこで、本発明者らは、この問題を解決するために、例えば、AgとPdを主成分とした接合剤を用いてガスシール部を形成してなるSOFCを提案している(例えば、特許文献1及び特許文献2参照)。
しかし、上述の接合部構造では、接合強度に優れたガスシール部は達成できたものの、導電性を有する金属質の接合剤を用いたことで、接合面の形状と接合剤の塗布量とによっては、接合剤のタレが発生して短絡不良となる可能性があり、その結果、歩留りが低下する恐れがあった。
In order to solve this problem, the present inventors have proposed an SOFC in which a gas seal portion is formed using, for example, a bonding agent mainly composed of Ag and Pd (for example, Patent Documents). 1 and Patent Document 2).
However, in the above-described joint structure, although a gas seal portion having excellent joint strength has been achieved, the use of a conductive metallic joint agent, depending on the shape of the joint surface and the coating amount of the joint agent. In such a case, there is a possibility that the sagging of the bonding agent may occur, resulting in a short circuit failure. As a result, the yield may be reduced.

特願2002−377846号公報Japanese Patent Application No. 2002-377846 特願2002−377848号公報Japanese Patent Application No. 2002-377848

以上より本発明は、上記従来技術で示した問題を解決するため、接合強度に優れたガスシール部を形成でき熱応力に対して強靭であると共に、接合剤のタレを抑制して歩留り良く製造することができる固体電解質型燃料電池を提供することを目的とする。   As described above, the present invention solves the problems shown in the above prior art, and can form a gas seal portion with excellent bonding strength, is strong against thermal stress, and suppresses sagging of the bonding agent and is manufactured with high yield. An object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell that can be used.

本発明は、以下の通りである。
[1] 固体電解質体、該固体電解質体の一方の面に設けられた燃料極、及び他方の面に設けられた空気極を有する発電層を備え、積層部材と被積層部材とを金属を主成分とする接合剤で接合して両部材間にガスシール部を形成してなる固体電解質型燃料電池において、
前記積層部材及び前記被積層部材のうちの少なくとも該積層部材には、その接合縁部の少なくとも一部に、前記接合剤が溜まり得る溜まり部を設けたことを特徴とする固体電解質型燃料電池。
[2] 前記積層部材が耐熱金属からなる上記[1]記載の固体電解質型燃料電池。
[3] 前記溜まり部が面取り部で形成されている上記[2]記載の固体電解質型燃料電池。
[4] 前記被積層部材がセラミックからなり、該被積層部材に、前記積層部材の接合面からはみ出るはみ出し部を設けた上記[2]又は[3]に記載の固体電解質型燃料電池。
[5] 前記積層部材が、前記発電層と他の発電層とを隔離するための耐熱金属からなるセパレータであり、前記被積層部材が前記固体電解質体である上記[1]乃至[4]のいずれか一項に記載の固体電解質型燃料電池。
[6] 前記積層部材が、前記発電層を収容するための耐熱金属からなる金属枠体であり、前記被積層部材が、前記発電層を収容するためのセラミックからなるセラミック枠体である上記[1]乃至[4]のいずれか一項に記載の固体電解質型燃料電池。
The present invention is as follows.
[1] A power generation layer having a solid electrolyte body, a fuel electrode provided on one surface of the solid electrolyte body, and an air electrode provided on the other surface, and the laminated member and the laminated member are mainly made of metal. In a solid oxide fuel cell formed by bonding with a bonding agent as a component to form a gas seal portion between both members,
A solid oxide fuel cell characterized in that at least a part of the joining edge part of at least one of the laminated member and the laminated member is provided with a reservoir part in which the bonding agent can be accumulated.
[2] The solid oxide fuel cell according to [1], wherein the laminated member is made of a heat-resistant metal.
[3] The solid oxide fuel cell according to the above [2], wherein the pool portion is a chamfered portion.
[4] The solid oxide fuel cell according to [2] or [3], wherein the layered member is made of ceramic, and the layered member is provided with a protruding portion that protrudes from a joint surface of the layered member.
[5] The above [1] to [4], wherein the laminated member is a separator made of a heat-resistant metal for separating the power generation layer and other power generation layers, and the laminated member is the solid electrolyte body. The solid oxide fuel cell according to any one of claims.
[6] The above-mentioned laminated member is a metal frame made of a refractory metal for accommodating the power generation layer, and the laminated member is a ceramic frame made of ceramic for accommodating the power generation layer. The solid oxide fuel cell according to any one of [1] to [4].

本発明の固体電解質型燃料電池によると、積層部材と被積層部材とが金属を主成分とする接合剤で接合され、余剰な接合剤は積層部材に設けた溜まり部に溜められる。従って、接合強度に優れたガスシール部を形成でき、熱応力に対して強靭なものとすることができる。また、接合剤のタレの発生を抑制して短絡不良の発生を効果的に抑制でき、歩留り良く製造することができる。
また、前記積層部材が耐熱金属からなる場合は、溜まり部の加工性を向上させることができる。
また、前記溜まり部が面取り部で形成されている場合は、溜まり部の加工性をより向上させ得ると共に、接合面積の減少を極力抑えながら余剰な接合剤をより効率良く溜められる。
また、前記被積層部材がセラミックからなり、該被積層部材に、前記積層部材の接合面からはみ出るはみ出し部を設けた場合は、接合剤のタレの発生を極力抑えて短絡不良の発生をより効果的に抑制できる。
また、前記積層部材が、前記発電層と他の発電層とを隔離するための耐熱金属からなるセパレータであり、前記被積層部材が前記固体電解質体である場合は、いわゆる自立膜タイプの固体電解質型燃料電池を、熱応力に対して強靭な構造とすることができると共に、歩留り良く製造することができる。
さらに、前記積層部材が、前記発電層を収容するための耐熱金属からなる第1枠部材であり、前記被積層部材が、前記発電層を収容するためのセラミックからなる第2枠部材である場合は、いわゆる支持膜タイプの固体電解質型燃料電池を、熱応力に対して強靭な構造とすることができると共に、歩留り良く製造することができる。
According to the solid oxide fuel cell of the present invention, the laminated member and the member to be laminated are joined by the joining agent mainly composed of metal, and the excess joining agent is stored in the reservoir provided in the laminated member. Therefore, a gas seal portion with excellent bonding strength can be formed, and it can be tough against thermal stress. Moreover, generation | occurrence | production of the dripping of a bonding agent can be suppressed, generation | occurrence | production of a short circuit defect can be suppressed effectively, and it can manufacture with a yield.
Moreover, when the said laminated member consists of a heat-resistant metal, the workability of a reservoir part can be improved.
Moreover, when the said reservoir part is formed by the chamfered part, while being able to improve the workability of a reservoir part, the excess joining agent can be more efficiently stored, suppressing the reduction | decrease of a joining area as much as possible.
In addition, when the laminated member is made of ceramic and the laminated member is provided with a protruding portion that protrudes from the bonding surface of the laminated member, the occurrence of short-circuit failure is further suppressed by suppressing the occurrence of dripping of the bonding agent as much as possible. Can be suppressed.
Further, when the laminated member is a separator made of a heat-resistant metal for separating the power generation layer and other power generation layers, and the laminated member is the solid electrolyte body, a so-called self-supporting membrane type solid electrolyte is used. The fuel cell can have a structure that is strong against thermal stress, and can be manufactured with high yield.
Further, the laminated member is a first frame member made of a heat-resistant metal for accommodating the power generation layer, and the laminated member is a second frame member made of ceramic for accommodating the power generation layer. The so-called support membrane type solid oxide fuel cell can have a structure strong against thermal stress and can be manufactured with high yield.

1.固体電解質型燃料電池
本実施形態に係る固体電解質型燃料電池は、以下に述べる1又は2以上の発電層を備えている。この固体電解質型燃料電池は、後述する積層部材及び被積層部材を接合剤で接合して両部材間にガスシール部を形成してなる。
1. Solid oxide fuel cell The solid oxide fuel cell according to this embodiment includes one or more power generation layers described below. This solid oxide fuel cell is formed by joining a later-described laminated member and a laminated member with a bonding agent to form a gas seal portion between the two members.

上記「発電層」は、固体電解質体、この固体電解質体の一方の面に設けられた燃料極、及び他方の面に設けられた空気極を有している。この固体電解質体は、電池の動作時に燃料極に導入される燃料ガス又は空気極に導入される支燃性ガスのうち一方の少なくとも一部をイオンとして移動させることができるイオン伝導性を有する。どのようなイオンを伝導することができるかは特に限定されないが、イオンとしては、例えば、酸素イオン及び水素イオン等が挙げられる。また、上記燃料極は、水素源となる燃料ガスと接触し、平板型SOFCにおける負電極として機能する。さらに、上記空気極は、酸素源となる支燃性ガスと接触し、平板型SOFCにおける正電極として機能する。   The “power generation layer” includes a solid electrolyte body, a fuel electrode provided on one surface of the solid electrolyte body, and an air electrode provided on the other surface. This solid electrolyte body has ion conductivity capable of moving at least a part of one of the fuel gas introduced into the fuel electrode or the combustion-supporting gas introduced into the air electrode during the operation of the battery as ions. Although what kind of ion can be conducted is not particularly limited, examples of the ion include oxygen ion and hydrogen ion. The fuel electrode is in contact with a fuel gas serving as a hydrogen source and functions as a negative electrode in a flat plate SOFC. Further, the air electrode is in contact with a combustion-supporting gas serving as an oxygen source and functions as a positive electrode in a flat plate type SOFC.

上記「積層部材」は、その接合縁部の少なくとも一部に後述の溜まり部が設けられている限り、その材質、用途、形状等は特に問わない。この積層部材の材質としては、例えば、耐熱金属、セラミック等を挙げることができる。後述の溜まり部の加工性といった観点から、この積層部材が耐熱金属からなることが好ましい。この耐熱金属の具体例としては、例えば、Fe基合金、ステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金等が挙げられる。このFe基合金としては、例えば、日立金属(株)製の実用Fe−Cr系合金ZMG232等が挙げられる。また、ステンレス鋼としては、フェライト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼が挙げられる。また、ニッケル基合金としては、インコネル600(登録商標)、インコネル718(登録商標)、インコロイ802(登録商標)等が挙げられる。また、クロム基合金としては、Ducrlloy CRF(94Cr5Fe1Y)等が挙げられる。 The “laminate member” is not particularly limited in material, application, shape, etc., as long as a later-described reservoir is provided at least at a part of the joining edge. Examples of the material of the laminated member include refractory metals and ceramics. This laminated member is preferably made of a heat-resistant metal from the viewpoint of the workability of the pool portion described later. Specific examples of the refractory metal include, for example, an Fe-based alloy, stainless steel, a nickel-based alloy, a chromium-based alloy, and the like. Examples of the Fe-based alloy include a practical Fe—Cr alloy ZMG232 manufactured by Hitachi Metals, Ltd. Examples of the stainless steel include ferritic stainless steel, martensitic stainless steel, and austenitic stainless steel. Examples of the nickel-based alloy include Inconel 600 (registered trademark), Inconel 718 (registered trademark), Incoloy 802 (registered trademark), and the like. Further, examples of the chromium-based alloy include Ducrloy CRF (94Cr5Fe1Y 2 O 3 ).

上記セラミックの具体例としては、例えば、酸化物系セラミック、窒化物系セラミック、炭化物系セラミック、ケイ化物系セラミックなどが挙げられる。酸化物系セラミックとしては、ジルコニア、マグネシア、スピネル、アルミナ、チタニア等が挙げられる。また、2種以上の元素を含有する複合酸化物からなるセラミックが挙げられる。窒化物系セラミックとしては、窒化ケイ素、窒化チタン、窒化ホウ素等が挙げられる。炭化物系セラミックとしては、炭化ケイ素、炭化タングステン等が挙げられる。ケイ化物系セラミックとしては、ケイ化モリブデン等が挙げられる。これらのセラミックは、積層部材の用途等によって選択することができる。   Specific examples of the ceramic include oxide ceramics, nitride ceramics, carbide ceramics, silicide ceramics, and the like. Examples of the oxide ceramic include zirconia, magnesia, spinel, alumina, and titania. Moreover, the ceramic which consists of complex oxide containing 2 or more types of elements is mentioned. Examples of the nitride ceramic include silicon nitride, titanium nitride, and boron nitride. Examples of the carbide ceramic include silicon carbide and tungsten carbide. Examples of the silicide ceramic include molybdenum silicide. These ceramics can be selected depending on the use of the laminated member.

この積層部材の用途としては、平板型SOFCの構造にもよるが、例えば、(1)上記発電層とこの発電層に積層される他の発電層とを隔離するためのセパレータ、(2)上記発電層における燃料ガスの流路と支燃性ガスの流路とを隔離するためのセパレータ、(3)上記発電層を収容するための枠体、(4)上記固体電解質体等を挙げることができる。この積層部材の形状は、その用途等に応じて適宜選択することができる。   For example, (1) a separator for isolating the power generation layer from other power generation layers stacked on the power generation layer, and (2) the above, depending on the structure of the flat plate SOFC. Examples include a separator for separating the flow path of the fuel gas and the flow path of the combustion-supporting gas in the power generation layer, (3) a frame body for housing the power generation layer, and (4) the solid electrolyte body. it can. The shape of this laminated member can be selected as appropriate according to its use.

尚、上記「接合縁部」とは、通常、積層部材の接合面部における外周側及び/又は内周側の縁部を意味する。但し、内部マニホールド型の平板型SOFCでは、この接合縁部が、積層部材の接合面部におけるマニホールドの周囲側の縁部であることができる。このようにマニホールドの周縁部に後述の溜まり部を形成する場合であっても、ガスシール部の接合強度の向上及び接合剤のタレ抑制等を十分効果的に発揮できる。   The “joining edge portion” usually means an outer peripheral side and / or an inner peripheral side edge portion of the joining surface portion of the laminated member. However, in the internal manifold type flat plate type SOFC, the joint edge portion can be an edge portion on the peripheral side of the manifold in the joint surface portion of the laminated member. Thus, even when a later-described pool portion is formed on the peripheral edge of the manifold, it is possible to sufficiently effectively improve the bonding strength of the gas seal portion and suppress the sagging of the bonding agent.

上記「溜まり部」は、後述する接合剤を溜め得る限り、その形状、配設位置、加工方法等は特に問わない。ガスシール部の接合強度及び接合剤の収容性といった観点から、この溜まり部材が、接合面積の減少を極力抑えながら余剰な接合剤を効果的に収容できる空間形状を有することが好ましい。この空間形状としては、例えば、面取り部、R部(フィレット部)、少なくとも2方向に開口する切り欠き部、1方向にのみ開口する溝部等を挙げることができる。また、この溜まり部は、例えば、上記接合縁部に沿って連続的に設けられたり、接合縁部に沿って間欠的に設けられたりできる。   The “reservoir portion” is not particularly limited in its shape, arrangement position, processing method, and the like as long as it can retain the bonding agent described later. From the viewpoints of the bonding strength of the gas seal portion and the capacity of the bonding agent, it is preferable that the pool member has a space shape that can effectively accommodate the excess bonding agent while suppressing the reduction of the bonding area as much as possible. Examples of the space shape include a chamfered portion, an R portion (fillet portion), a cutout portion that opens in at least two directions, and a groove portion that opens only in one direction. Moreover, this pool part can be provided continuously along the joining edge part, for example, or can be provided intermittently along the joining edge part.

上記「被積層部材」は、上記積層部材に積層される限り、その材質、用途、形状等は特に問わない。この被積層部材の材質としては、例えば、耐熱金属、セラミック等を挙げることができる。この耐熱金属及びセラミックとしては、例えば、上記積層部材で例示したもの等を適用することができる。また、この被積層部材の用途及び形状としては、例えば、上記積層部材で例示したもの等を適用することができる。また、この被積層部材は、例えば、上記積層部材と同様にして、その接合縁部の少なくとも一部に上述の溜まり部が設けられていることができるが、加工性といった観点から、この被積層部材には、上述の溜まり部が設けられていないことが好ましい。   As long as the “layered member” is stacked on the layered member, the material, application, shape and the like are not particularly limited. Examples of the material of the laminated member include refractory metals and ceramics. As this heat-resistant metal and ceramic, for example, those exemplified for the laminated member can be applied. Moreover, as a use and shape of this to-be-laminated member, what was illustrated by the said laminated member etc. can be applied, for example. In addition, for example, in the same manner as the above-described laminated member, the laminated member may be provided with the above-described reservoir portion at least at a part of the joining edge portion. It is preferable that the member is not provided with the aforementioned reservoir.

ここで、上記積層部材及び上記被積層部材としては、例えば、(1)積層部材が耐熱金属であり且つ被積層部材がセラミックである形態、(2)積層部材及び被積層部材が耐熱金属である形態、(3)積層部材がセラミックであり且つ被積層部材が耐熱金属である形態等を挙げることができる。
積層部材に対する溜まり部の加工性といった観点から、上記(1)(2)形態が好ましい。特に、上記(1)形態では、金属とセラミックとの接合面は、金属質の接合剤の濡れ性が悪いことがあり、余剰な接合剤が、局所的に集まって接触角の小さな球形状になりやすく、比較的薄く形成された被積層部材(セラミック)を超えて短絡不良を発生させる可能性があるため、上記溜まり部の形成が効果的である。
Here, as the laminated member and the laminated member, for example, (1) the laminated member is a refractory metal and the laminated member is ceramic, and (2) the laminated member and the laminated member are refractory metal. (3) The laminated member is a ceramic and the laminated member is a refractory metal.
From the viewpoint of the workability of the pool portion with respect to the laminated member, the above-mentioned forms (1) and (2) are preferable. In particular, in the above (1) form, the metal-ceramic bonding surface may have poor wettability of the metallic bonding agent, and the excess bonding agent gathers locally into a spherical shape with a small contact angle. Since the short circuit failure may occur beyond the laminated member (ceramic) formed relatively thin, the formation of the pool portion is effective.

上記(1)形態の場合、被積層部材が、積層部材の接合面から側方にはみ出るはみ出し部を有することが好ましい。この「はみ出し部」は、接合剤のタレを抑制する機能を発揮し得る限り、その形状、はみ出し量、配設位置等は特に問わない。このはみ出し部は、例えば、接合後に研削等により除去することができる。これにより、セラミック部材のカケ発生を防止することができる。また、内部マニホールド型の平板型SOFC等では、はみ出し部がガス流の抵抗となる場合があるが、これを解消することができ、しかも除去工程を備えた方が歩留り的に有利な場合もある。   In the case of the above (1) form, it is preferable that the member to be laminated has a protruding portion that protrudes laterally from the joint surface of the laminated member. As long as this "extrusion part" can exhibit the function of suppressing the sagging of the bonding agent, the shape, the amount of protrusion, the arrangement position, etc. are not particularly limited. The protruding portion can be removed by grinding or the like after joining, for example. Thereby, chipping of the ceramic member can be prevented. Further, in an internal manifold type flat plate type SOFC or the like, the protruding portion may become a gas flow resistance, but this can be solved, and it may be advantageous in terms of yield to be provided with a removal step. .

上記(1)形態の具体例としては、例えば、後述の実施例1に示すように、自立膜タイプの平板型SOFCにおいて、上記積層部材が、上記発電層とこの発電層に積層される他の発電層とを隔離するための耐熱金属からなるセパレータ31,32,33であり、上記被積層部材が上記発電層を構成する固体電解質体21である形態等を挙げることができる(図1参照)。
また、上記(1)形態の具体例としては、例えば、後述の実施例2に示すように、支持膜タイプの平板型SOFCにおいて、上記積層部材が、上記発電層を収容するための耐熱金属からなる第1金属枠体71であり、上記被積層部材が、上記発電層を収容するためのセラミックからなるセラミック枠体8である形態を挙げることができる(図6参照)。
また、上記(2)形態の具体例としては、例えば、後述の実施例2に示すように、支持膜タイプの平板型SOFCにおいて、(a)上記積層部材が、上記発電層を収容するための耐熱金属からなる第1及び第2金属枠体71,72であり、上記被積層部材が、上記発電層とこの発電層に積層される他の発電層とを隔離するための耐熱金属からなるセパレータ31,32,33である形態、(b)上記積層部材が、上記発電層を収容するための耐熱金属からなる第2金属枠体72であり、上記被積層部材が、上記発電層における燃料ガスの流路と支燃性ガスの流路とを隔離するためのセパレータ9である形態等を挙げることができる(図6参照)。
As a specific example of the form (1), for example, as shown in Example 1 described later, in the self-supporting membrane type flat plate SOFC, the laminated member is laminated with the power generation layer and other power generation layers. Examples include separators 31, 32, and 33 made of a heat-resistant metal for isolating the power generation layer, and the laminated member is a solid electrolyte body 21 that constitutes the power generation layer (see FIG. 1). .
Further, as a specific example of the form (1), for example, as shown in Example 2 to be described later, in the support membrane type flat SOFC, the laminated member is made of a refractory metal for housing the power generation layer. It can be mentioned that the first metal frame body 71 is a ceramic frame body 8 made of ceramic for housing the power generation layer (see FIG. 6).
Further, as a specific example of the form (2), for example, as shown in Example 2 to be described later, in a support membrane type flat SOFC, (a) the laminated member accommodates the power generation layer 1st and 2nd metal frame 71,72 which consists of a heat-resistant metal, and the said to-be-laminated member is a separator which consists of a heat-resistant metal for isolating the said electric power generation layer and the other electric power generation layer laminated | stacked on this electric power generation layer (B) The laminated member is a second metal frame 72 made of a heat-resistant metal for accommodating the power generation layer, and the laminated member is a fuel gas in the power generation layer. The form which is the separator 9 for isolating the flow path and the flow path of the combustion-supporting gas can be exemplified (see FIG. 6).

上記「接合剤」は、金属を主成分とする限り、その材質、接合方法等は特に問わない。この金属としては、例えば、Ag、Au、Pd、Pt等のうちの1種又は2種以上の組み合わせ等を挙げることができる。なお、上記「主成分とする」とは、接合剤を100質量%とした場合に、主成分となる金属の合計が50質量%以上であることを意味し、その主成分は70〜98質量%、特に90〜98質量%、更には93〜97質量%含有されていることが特に好ましい。   The “bonding agent” is not particularly limited in its material, bonding method and the like as long as it contains a metal as a main component. Examples of the metal include one or a combination of two or more of Ag, Au, Pd, Pt, and the like. The above “main component” means that the total amount of metals as main components is 50% by mass or more when the bonding agent is 100% by mass, and the main component is 70 to 98% by mass. %, Particularly 90 to 98% by mass, and more preferably 93 to 97% by mass.

この接合剤は、例えば、AgとPdとを含有することができる。これにより、後述するガスシール部の接合強度を向上させることができる。この場合、上記Ag及びPdの各々の含有量は特に限定されないが、AgとPdとの合計を100質量%とした場合に、Agの含有量は90〜98質量%、特に93〜97質量%、Pdの含有量は2〜10質量%、特に3〜7質量%であることが好ましい。Agの含有量が98質量%を越えると、即ち、Pdの含有量が2質量%未満であると、接合剤の耐酸化性等が低下し、十分な耐久性を有する接合部を形成することができない場合がある。一方、Agの含有量が90質量%未満であると、即ち、Pdの含有量が10質量%を越えると、接合時に接合剤が十分に流動せず、接合部のシール性が低下する傾向にある。   This bonding agent can contain, for example, Ag and Pd. Thereby, the joint strength of the gas seal part mentioned later can be raised. In this case, the content of each of Ag and Pd is not particularly limited. However, when the total of Ag and Pd is 100% by mass, the content of Ag is 90 to 98% by mass, particularly 93 to 97% by mass. , Pd content is preferably 2 to 10% by mass, particularly 3 to 7% by mass. When the Ag content exceeds 98% by mass, that is, when the Pd content is less than 2% by mass, the oxidation resistance of the bonding agent is lowered, and a bonded portion having sufficient durability is formed. May not be possible. On the other hand, if the Ag content is less than 90% by mass, that is, if the Pd content exceeds 10% by mass, the bonding agent does not flow sufficiently during bonding, and the sealing performance of the bonded portion tends to decrease. is there.

この接合剤は、例えば、上記Ag及びPdの他に、更にCu及び/又はTiを含有していることができる。Cuが含有されている場合、Cuが含有されていない接合剤に比べてより多量のPdを含有していても、十分な流動性を有し、優れたシール性が維持される。このCuが含有されている場合のAg、Pd及びCuの各々の含有量は特に限定されないが、Ag、Pd及びCuの合計を100質量%とした場合に、Agの含有量は45〜65質量%、特に50〜60質量%、Pdの含有量は15〜35質量%、特に20〜30質量%、Cuの含有量は10〜30質量%、特に15〜25質量%であることが好ましい。
また適量のTiを含有することにより、接合温度が比較的低い場合でも、特に大きな接合強度が得られる。このTiの含有量は、Ag、Pd及びTiの合計を100質量%とした場合に、又はCuが含有されているときは、Ag、Pd、Cu及びTiの合計を100質量%とした場合に、0.05〜10質量%であることが好ましく、特に0.05〜8質量%、更には0.05〜6質量%であることがより好ましい。
For example, this bonding agent may further contain Cu and / or Ti in addition to the above Ag and Pd. When Cu is contained, even if it contains a larger amount of Pd than a bonding agent that does not contain Cu, it has sufficient fluidity and maintains excellent sealing performance. The contents of Ag, Pd and Cu when Cu is contained are not particularly limited, but the Ag content is 45 to 65 masses when the total of Ag, Pd and Cu is 100 mass%. %, Particularly 50 to 60% by mass, Pd content is preferably 15 to 35% by mass, especially 20 to 30% by mass, and Cu content is preferably 10 to 30% by mass, particularly preferably 15 to 25% by mass.
Further, by containing an appropriate amount of Ti, particularly high bonding strength can be obtained even when the bonding temperature is relatively low. The content of Ti is when the total of Ag, Pd and Ti is 100% by mass, or when Cu is contained, the total of Ag, Pd, Cu and Ti is 100% by mass. , 0.05 to 10% by mass, preferably 0.05 to 8% by mass, and more preferably 0.05 to 6% by mass.

この接合剤の接合温度は特に限定されないが、接合剤の流動性及び接合強度といった観点から、流動性を接合剤の固相点温度以上で、且つ液相点温度を50℃越える温度以下とすることが好ましい。また、この接合剤の接合雰囲気は、不活性雰囲気であれば特に限定されず、真空、及びアルゴン、窒素等の不活性ガス雰囲気とすることができる。接合雰囲気は特に真空であることが好ましく、真空雰囲気であれば接合強度を大きく向上させることができる。尚、真空の程度は10Pa以下、特に1×10−2〜1Paとすることが好ましい。 The bonding temperature of the bonding agent is not particularly limited, but from the viewpoint of the flowability and bonding strength of the bonding agent, the flowability is set to be equal to or higher than the solidus temperature of the bonding agent and not higher than the temperature exceeding the liquidus temperature of 50 ° C. It is preferable. In addition, the bonding atmosphere of the bonding agent is not particularly limited as long as it is an inert atmosphere, and can be a vacuum and an inert gas atmosphere such as argon or nitrogen. The bonding atmosphere is particularly preferably a vacuum, and the bonding strength can be greatly improved in a vacuum atmosphere. The degree of vacuum is preferably 10 Pa or less, particularly 1 × 10 −2 to 1 Pa.

以下、図面を用いて実施例1により本発明を具体的に説明する。
(1)燃料電池の構造
本実施例1に係る自立膜タイプの平板型SOFCスタック1では、2個の単セルが、耐熱金属からなるセル間セパレータ31(本発明に係る「積層部材」として例示する。)を介して積層された構造を備える。各々の単セルの備える発電層2は、Scにより安定化されたジルコニア(ScSZ)からなり、厚さが200μmの固体電解質体21(本発明に係る「被積層部材」として例示する。)と、その下面に設けられ、NiとScSZとからなる厚さが30μmの燃料極22と、上面に設けられ、La1−xSrMnO系複合酸化物からなる厚さが30μmの空気極23とを有する。この固体電解質体21、燃料極22及び空気極23は、いずれも平面形状が正方形であり、固体電解質体21は燃料極22及び空気極23より面積が大きく、燃料極22と空気極23は同じ大きさであって、対向した位置に設けられている。
Hereinafter, the present invention will be described in detail by way of Example 1 with reference to the drawings.
(1) Structure of fuel cell In the self-supporting membrane type flat plate SOFC stack 1 according to the first embodiment, two single cells are illustrated as inter-cell separators 31 made of a heat-resistant metal (illustrated as “laminated members” according to the present invention). To have a laminated structure. The power generation layer 2 provided in each single cell is made of zirconia (ScSZ) stabilized by Sc, and has a thickness of 200 μm and is exemplified by a solid electrolyte body 21 (exemplified as a “layered member” according to the present invention). A fuel electrode 22 having a thickness of 30 μm made of Ni and ScSZ provided on the lower surface thereof, and an air electrode 23 having a thickness of 30 μm made of La 1-x Sr x MnO 3 composite oxide provided on the upper surface, Have The solid electrolyte body 21, the fuel electrode 22, and the air electrode 23 are all square in shape, and the solid electrolyte body 21 has a larger area than the fuel electrode 22 and the air electrode 23, and the fuel electrode 22 and the air electrode 23 are the same. It is a magnitude | size and is provided in the position which opposes.

上層の発電層2の上側には、耐熱金属からなる上部セパレータ32(本発明に係る「積層部材」として例示する。)が配設されている。さらに、下層の発電層2の下側には、耐熱金属からなる下部セパレータ33(本発明に係る「積層部材」として例示する。)が配設されている。また、このセル間セパレータ31の上面には燃料ガスの流路41が、下面には支燃性ガスの流路42が形成されている。また、上部セパレータ32の下面には支燃性ガスの流路42が形成されている。また。下部セパレータ33の上面には燃料ガスの流路41が形成されている。   An upper separator 32 (illustrated as a “laminated member” according to the present invention) made of a heat-resistant metal is disposed on the upper power generation layer 2. Further, a lower separator 33 (illustrated as a “laminated member” according to the present invention) made of a heat-resistant metal is disposed below the lower power generation layer 2. A fuel gas channel 41 is formed on the upper surface of the inter-cell separator 31, and a combustion-supporting gas channel 42 is formed on the lower surface. In addition, a flow path 42 for a combustion-supporting gas is formed on the lower surface of the upper separator 32. Also. A fuel gas channel 41 is formed on the upper surface of the lower separator 33.

なお、上記セル間セパレータ31、上部セパレータ32、及び下部セパレータ33は、日立金属(株)製の実用Fe−Cr系合金ZMG232により形成されている。また、上層の発電層2の上面に更に他の発電層が積層された場合、上部セパレータ32がセル間セパレータとして機能することになる。更に、下層の発電層2の下面に更に他の発電層が積層された場合、下部セパレータ33がセル間セパレータとして機能することになる。   The inter-cell separator 31, the upper separator 32, and the lower separator 33 are made of a practical Fe—Cr alloy ZMG232 manufactured by Hitachi Metals, Ltd. When another power generation layer is further laminated on the upper surface of the upper power generation layer 2, the upper separator 32 functions as an inter-cell separator. Further, when another power generation layer is further laminated on the lower surface of the lower power generation layer 2, the lower separator 33 functions as an inter-cell separator.

また、上層の発電層2において、上部セパレータ32の下面周縁と固体電解質体21の上面周縁、固体電解質体21の下面周縁とセル間セパレータ31の上面縁側、はTiとPdを含有するAgを主成分とした接合剤でそれぞれ接合され、ガスシール部10が形成されている。
また、下層の発電層2において、セル間セパレータ31の下面周縁と固体電解質体21の上面周縁、固体電解質体21の下面周縁と下部セパレータ33の上面周縁、はTiとPdを含有するAgを主成分とした接合剤でそれぞれ接合され、ガスシール部10が形成されている。
In the upper power generation layer 2, the lower peripheral edge of the upper separator 32 and the upper peripheral edge of the solid electrolyte body 21, the lower peripheral edge of the solid electrolyte body 21 and the upper peripheral edge of the inter-cell separator 31 are mainly composed of Ag containing Ti and Pd. The gas seal part 10 is formed by bonding with a bonding agent as a component.
In the lower power generation layer 2, the lower surface periphery of the inter-cell separator 31 and the upper surface periphery of the solid electrolyte body 21, the lower surface periphery of the solid electrolyte body 21 and the upper surface periphery of the lower separator 33 are mainly composed of Ag containing Ti and Pd. The gas seal part 10 is formed by bonding with a bonding agent as a component.

また、図2に示すように、セル間セパレータ31及び下部セパレータ33のそれぞれの接合面部での外周側及び内周側の周縁部(接合縁部)には、接合剤の溜まり部として機能する面取り部311,331が形成されている。これらの面取り部311,331は、45度の面取り面を有している。なお、図示は省略するが、上部セパレータ32の接合面部での外周側及び内周側の周縁部にも、上記面取り部311,331と同様な面取り部321が形成されている。   In addition, as shown in FIG. 2, chamfers functioning as reservoirs for the bonding agent are formed on the outer peripheral side and inner peripheral side peripheral edge portions (bonding edge portions) at the bonding surface portions of the inter-cell separator 31 and the lower separator 33. Portions 311 and 331 are formed. These chamfered portions 311 and 331 have a 45 ° chamfered surface. Although not shown, chamfered portions 321 similar to the chamfered portions 311 and 331 are also formed on the outer peripheral side and inner peripheral side peripheral portions of the joint surface portion of the upper separator 32.

(2)燃料電池の作用・効果
この固体電解質型燃料電池1においては、上記固体電解質体21及び燃料極22として、イオン導電率がYSZより2倍程度高いScSZ材料を使用しているため、750℃程度の作動温度でも安定した電流を取り出すことができる。そのため、セラミックではなく耐熱金属(ZMG232)からなる各セパレータ31,32,33を使用することができる。また、Ag、Pd及び少量のTiを含有する特定の接合剤を用いたので、固体電解質体21と各セパレータ31,32,33とを強固に接合することができる。また、各セパレータ31,32,33の接合縁部に沿って面取り部311,321,331をそれぞれ設けたので、接合時の余剰な接合剤が溜まり部311,321,331に溜められ、接合剤のタレの発生を抑制して短絡不良の発生を効果的に防止できる。その結果、熱応力に対して強靭な構造の燃料電池を、歩留り良く製造することができる。これに対して、図3に示すように、各セパレータ31A,33Aの接合縁部に面取り部が設けられていない比較例1では、接合剤のタレにより短絡不良Sが発生する場合がある。
(2) Action / Effect of Fuel Cell In this solid oxide fuel cell 1, since the ionic conductivity is about twice as high as that of YSZ as the solid electrolyte body 21 and the fuel electrode 22, 750 is used. A stable current can be taken out even at an operating temperature of about ℃. Therefore, it is possible to use the separators 31, 32 and 33 made of a heat-resistant metal (ZMG232) instead of ceramic. Moreover, since the specific bonding agent containing Ag, Pd, and a small amount of Ti is used, the solid electrolyte body 21 and each separator 31, 32, 33 can be firmly bonded. Further, since the chamfered portions 311, 321, and 331 are provided along the bonding edge portions of the separators 31, 32, and 33, excess bonding agent at the time of bonding is stored in the collecting portions 311, 321, and 331, and the bonding agent It is possible to effectively prevent the occurrence of short circuit by suppressing the occurrence of sagging. As a result, a fuel cell having a structure strong against thermal stress can be manufactured with high yield. On the other hand, as shown in FIG. 3, in Comparative Example 1 in which the chamfered portion is not provided at the joining edge portion of each separator 31 </ b> A, 33 </ b> A, a short circuit failure S may occur due to sagging of the bonding agent.

なお、上記実施例1の燃料電池1では、固体電解質体21の外周端位置と各セパレータ31,32,33の外周端位置とが略同じとなるようにしたが、これに限定されず、例えば、図4に示すように、固体電解質体21に、各セパレータ31,32,33の接合面から横側方にはみ出るはみ出し部211を設けるようにしてもよい。これにより、接合剤のタレ、即ち短絡不良をより確実に防止することができる。なお、このはみ出し部211は、セラミック部材のカケの原因となることもあるため、接合後に研削除去することが好ましい。   In the fuel cell 1 of the first embodiment, the outer peripheral end position of the solid electrolyte body 21 and the outer peripheral end positions of the separators 31, 32, and 33 are substantially the same. As shown in FIG. 4, the solid electrolyte body 21 may be provided with a protruding portion 211 that protrudes laterally from the joint surfaces of the separators 31, 32, and 33. Thereby, sagging of the bonding agent, that is, short circuit failure can be prevented more reliably. In addition, since this protrusion part 211 may cause the chip of a ceramic member, it is preferable to grind and remove after joining.

以下、図面を用いて実施例2により本発明を具体的に説明する。
(1)燃料電池の構造
本実施例2に係る支持膜タイプの平板型SOFCスタック1’では、図5及び図6に示すように、3個の単セルが、耐熱金属からなる2個のセル間セパレータ31(本発明に係る「被積層部材」として例示する。)を介して積層されている。各々の単セルが備える発電層2は、NiとYSZのサーメットからなり、厚さが1000μmの燃料極22を基板としている。この燃料極22の表面には、YSZのサーメットからなり、厚さが30μmの固体電解質体21が形成されている。この燃料極22及び固体電解質体21は、その平面形状が正方形であり、同じ面積となっている。更に、この固体電解質体21の表面には、La1−xSrMnO系複合酸化物からなり、厚さが30μmの空気極23が形成されている。この空気極23は、その平面形状が正方形であり、固体電解質体21より小さな面積となっている。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings by Example 2.
(1) Structure of Fuel Cell In the support membrane type flat SOFC stack 1 ′ according to the second embodiment, as shown in FIGS. 5 and 6, three single cells are two cells made of a refractory metal. It is laminated via the inter-layer separator 31 (illustrated as “a member to be laminated” according to the present invention). The power generation layer 2 provided in each single cell is made of a cermet of Ni and YSZ, and a fuel electrode 22 having a thickness of 1000 μm is used as a substrate. A solid electrolyte body 21 made of YSZ cermet and having a thickness of 30 μm is formed on the surface of the fuel electrode 22. The fuel electrode 22 and the solid electrolyte body 21 have a square planar shape and the same area. Furthermore, an air electrode 23 made of La 1-x Sr x MnO 3 -based composite oxide and having a thickness of 30 μm is formed on the surface of the solid electrolyte body 21. The air electrode 23 has a square planar shape and a smaller area than the solid electrolyte body 21.

上部の単セルは、セル間セパレータ31の上面に配設されたニッケルフェルト層5、基板となる燃料極22、固体電解質体21、空気極23、及びインコネル繊維メッシュ層6をこの順に備えている。このインコネル繊維メッシュ層6の上側には、耐熱金属からなる上部セパレータ32(本発明に係る「被積層部材」として例示する。)が配設されている。また、上部の単セルは、発電層2を収容するための耐熱金属からなる第1金属枠体71及び第2金属枠体72(本発明に係る「積層部材」として例示する。)を備えている。また、上部の単セルは、発電層2を収容するための絶縁性セラミックであるMgO−MgAl焼結体からなるセラミック枠体8(本発明に係る「被積層部材」として例示する。)を備えている。さらに、上部の単セルは、発電層2における燃料ガスの流路41と支燃性ガスの流路42とを隔離するための耐熱金属からなる隔離セパレータ8を備えている。 The upper unit cell includes a nickel felt layer 5 disposed on the upper surface of the inter-cell separator 31, a fuel electrode 22 serving as a substrate, a solid electrolyte body 21, an air electrode 23, and an Inconel fiber mesh layer 6 in this order. . On the upper side of the Inconel fiber mesh layer 6, an upper separator 32 (illustrated as a “layered member” according to the present invention) made of a heat-resistant metal is disposed. The upper unit cell includes a first metal frame 71 and a second metal frame 72 (illustrated as “laminated members” according to the present invention) made of a heat-resistant metal for housing the power generation layer 2. Yes. The upper unit cell is exemplified as a ceramic frame body 8 (a “layered member” according to the present invention) made of an MgO—MgAl 2 O 4 sintered body that is an insulating ceramic for housing the power generation layer 2. ). Further, the upper unit cell includes an isolation separator 8 made of a heat-resistant metal for isolating the fuel gas channel 41 and the combustion-supporting gas channel 42 in the power generation layer 2.

また、中間部の単セルは、下側のセル間セパレータ31の上面に配設されたニッケルフェルト層5、基板となる燃料極22、固体電解質体21、空気極23、及びインコネル繊維メッシュ層6をこの順に備える。また、この中間部の単セルは、上部の単セルと同様にして、第1金属枠体71、第2金属枠体72、セラミック枠体8、及び隔離セパレータ9を備えている。
さらに、下部の単セルは、下部セパレータ33の上面に配設されたニッケルフェルト層5、基板となる燃料極22、固体電解質体21、空気極23及びインコネル繊維メッシュ層6をこの順に備える。また、この下部の単セルは、上部単セル及び中間部単セルと同様にして、第1金属枠体71、第2金属枠体72、セラミック枠体8、及び隔離セパレータ9を備えている。
なお、上記各セパレータ31,32,33、第1及び第2金属枠体71,72、及び隔離セパレータ9は、日立金属(株)製の実用Fe−Cr系合金ZMG232により形成されている。また、上部単セルの上面に更に他の単セルが積層された場合、上部セパレータ32がセル間セパレータとして機能することになる。更に、下部単セルの下面に更に他の単セルが積層された場合、下部セパレータ33がセル間セパレータとして機能することになる。
The middle unit cell is composed of a nickel felt layer 5 disposed on the upper surface of the lower inter-cell separator 31, a fuel electrode 22 serving as a substrate, a solid electrolyte body 21, an air electrode 23, and an Inconel fiber mesh layer 6. Are provided in this order. The middle unit cell includes a first metal frame 71, a second metal frame 72, a ceramic frame 8, and an isolation separator 9 in the same manner as the upper unit cell.
Further, the lower unit cell includes a nickel felt layer 5 disposed on the upper surface of the lower separator 33, a fuel electrode 22 serving as a substrate, a solid electrolyte body 21, an air electrode 23, and an Inconel fiber mesh layer 6 in this order. The lower unit cell includes a first metal frame 71, a second metal frame 72, a ceramic frame 8, and an isolation separator 9 in the same manner as the upper unit cell and the intermediate unit cell.
The separators 31, 32, 33, the first and second metal frames 71, 72, and the separator 9 are made of a practical Fe—Cr alloy ZMG232 manufactured by Hitachi Metals, Ltd. When another unit cell is further stacked on the upper surface of the upper unit cell, the upper separator 32 functions as an inter-cell separator. Furthermore, when another unit cell is further laminated on the lower surface of the lower unit cell, the lower separator 33 functions as an inter-cell separator.

上部の単セルにおいて、上部セパレータ32の下面周縁と第1金属枠体71の上面、第1金属枠体71の下面とセラミック枠体8の上面、セラミック枠体8の下面と隔離セパレータ9の上面、隔離セパレータ9の下面と固体電解質体21の上面周縁、隔離セパレータ9の下面と第2金属枠体72の上面、第2金属枠体72の下面とセル間セパレータ31の上面周縁、はそれぞれTiとPdを含有するAgを主成分とした接合剤で接合され、それぞれの部材間にガスシール部10が形成されている。
また、上記中間部の単セルにおいて、セル間セパレータ31の下面周縁と第1金属枠体71の上面、第1金属枠体71の下面とセラミック枠体8の上面、セラミック枠体8の下面と隔離セパレータ9の上面、隔離セパレータ9の下面と固体電解質体21の上面周縁、隔離セパレータ9の下面と第2金属枠体72の上面、第2金属枠体72の下面とセル間セパレータ31の上面周縁、はそれぞれTiとPdを含有するAgを主成分とした接合剤で接合され、それぞれの部材間にガスシール部10が形成されている。
さらに、下部の単セルにおいて、セル間セパレータ31の下面周縁と第1金属枠体71の上面、第1金属枠体71の下面とセラミック枠体8の上面、セラミック枠体8の下面と隔離セパレータ9の上面、隔離セパレータ9の下面と固体電解質体21の上面周縁、隔離セパレータ9の下面と第2金属枠体72の上面、第2金属枠体72の下面と下部セパレータ33の上面周縁、はそれぞれTiとPdを含有するAgを主成分とした接合剤で接合され、それぞれの部材間にガスシール部10が形成されている。
In the upper unit cell, the lower peripheral edge of the upper separator 32 and the upper surface of the first metal frame 71, the lower surface of the first metal frame 71 and the upper surface of the ceramic frame 8, the lower surface of the ceramic frame 8, and the upper surface of the isolation separator 9 The lower surface of the separator 9 and the upper peripheral edge of the solid electrolyte body 21, the lower surface of the separator 9 and the upper surface of the second metal frame 72, the lower surface of the second metal frame 72 and the upper peripheral edge of the inter-cell separator 31 are Ti. And Pd-containing Ag as a main component, and a gas seal portion 10 is formed between the respective members.
Further, in the single cell in the intermediate portion, the lower surface periphery of the inter-cell separator 31 and the upper surface of the first metal frame 71, the lower surface of the first metal frame 71 and the upper surface of the ceramic frame 8, and the lower surface of the ceramic frame 8 The upper surface of the separator 9, the lower surface of the separator 9 and the peripheral edge of the solid electrolyte body 21, the lower surface of the separator 9 and the upper surface of the second metal frame 72, the lower surface of the second metal frame 72, and the upper surface of the inter-cell separator 31. The peripheral edges are bonded with a bonding agent mainly composed of Ag containing Ti and Pd, and a gas seal portion 10 is formed between the respective members.
Furthermore, in the lower single cell, the lower surface periphery of the inter-cell separator 31 and the upper surface of the first metal frame 71, the lower surface of the first metal frame 71 and the upper surface of the ceramic frame 8, the lower surface of the ceramic frame 8 and the isolation separator 9, the lower surface of the separator 9 and the upper peripheral edge of the solid electrolyte body 21, the lower surface of the separator 9 and the upper surface of the second metal frame 72, the lower surface of the second metal frame 72 and the upper peripheral edge of the lower separator 33, Each is bonded with a bonding agent mainly composed of Ag containing Ti and Pd, and a gas seal portion 10 is formed between the respective members.

上部単セル及び中間部単セルにおける第1金属枠体71、第2金属枠体72、セラミック枠体8、隔離セパレータ9、下部単セルにおける第1金属枠体71、上部セパレータ32、及びセル間セパレータ31には、支燃性ガス導入管421及び支燃性ガス排出管422が貫通形成されている。これらの支燃性ガス導入管421及び支燃性ガス排出管422は、各々の単セルの空気極23に対応するガス流路42に開口している。
また、下部単セル及び中間部単セルにおける第1金属枠体71、第2金属枠体72、セラミック枠体8、隔離セパレータ9、上部単セルにおける第2金属枠体72、下部セパレータ33、及びセル間セパレータ31には、燃料ガス導入管及び燃料ガス排出管(図示せず)が貫通形成されている。これらの燃料ガス導入管及び燃料ガス排出管は、各々の単セルの燃料極22に対応するガス流路41に開口している。
First metal frame 71, second metal frame 72, ceramic frame 8, isolation separator 9 in upper unit cell and middle unit cell, first metal frame 71 in upper unit cell, upper separator 32, and between cells The separator 31 has a combustion-supporting gas introduction pipe 421 and a combustion-supporting gas discharge pipe 422 formed therethrough. The combustion-supporting gas introduction pipe 421 and the combustion-supporting gas discharge pipe 422 open to the gas flow path 42 corresponding to the air electrode 23 of each single cell.
In addition, the first metal frame 71, the second metal frame 72, the ceramic frame 8, the isolation separator 9 in the lower unit cell and the intermediate unit cell, the second metal frame 72 in the upper unit cell, the lower separator 33, and A fuel gas introduction pipe and a fuel gas discharge pipe (not shown) are formed through the inter-cell separator 31 so as to penetrate therethrough. These fuel gas introduction pipes and fuel gas discharge pipes open to gas flow paths 41 corresponding to the fuel electrodes 22 of each single cell.

各々の単セルでは、図7に示すように、第1金属枠体71の接合面部における、外周側及び内周側の周縁部とマニホールド(上記各種ガス導入管、排出管)の周縁部とに、接合剤の溜まり部としての機能を発揮する面取り部711が形成されている。この面取り部711は、45度の面取り面を有している。
また、各々の単セルでは、第2金属枠体72の接合面部における、外周側及び内周側の周縁部とマニホールド(上記各種ガス導入管、排出管)の周縁部とに、上記面取り部711と同様の面取り部721が形成されている。
In each single cell, as shown in FIG. 7, the outer peripheral side and the inner peripheral side of the joint surface of the first metal frame 71 and the peripheral part of the manifold (the above-described various gas introduction pipes and exhaust pipes). A chamfered portion 711 that functions as a reservoir for the bonding agent is formed. The chamfered portion 711 has a 45 ° chamfered surface.
Further, in each single cell, the chamfered portion 711 is formed on the outer peripheral side and the inner peripheral side peripheral portion and the peripheral portion of the manifold (the various gas introduction pipes and the exhaust pipe) in the joint surface portion of the second metal frame 72. A chamfered portion 721 is formed.

(2)燃料電池からの電力の取り出し
この平板型SOFCスタック1’では、上部単セルの燃料極22は、ニッケルフェルト層5を介してセル間セパレータ31と電気的に接続されている。このセル間セパレータ31は、インコネル繊維メッシュ層6を介して中間部単セルの空気極23と電気的に接続されている。また、中間部単セルの燃料極22は、ニッケルフェルト層5を介してセル間セパレータ31と電気的に接続されている。このセル間セパレータ31は、インコネル繊維メッシュ層6を介して下部単セルの空気極23と電気的に接続されている。このように上部単セル、中間部単セル及び下部単セルは各々直列に接続されている。また、スタックを所定の作動温度に昇温させ、燃料ガス導入管に水素等の燃料ガスを導入して燃料極22と接触させ、支燃性ガス導入管421に空気等の支燃性ガスを導入して空気極23と接触させることにより、燃料極22と空気極23との間に起電力が生じ、この電力を外部に取り出すことにより発電装置として機能させることができる。電力は、燃料極側においては下部単セルの下面に配設されたニッケルフェルト層5を介して下部セパレータ33に取り出され、空気極側においては上部単セルの上面に配設されたインコネル繊維メッシュ層6を介して上部セパレータ32に取り出され、上部セパレータ32と下部セパレータ33との間でスタック全体の電力を取り出すことができる。
(2) Extraction of Electric Power from Fuel Cell In this flat plate type SOFC stack 1 ′, the fuel electrode 22 of the upper single cell is electrically connected to the inter-cell separator 31 through the nickel felt layer 5. The inter-cell separator 31 is electrically connected to the air electrode 23 of the intermediate single cell via the Inconel fiber mesh layer 6. The intermediate unit single-cell fuel electrode 22 is electrically connected to the inter-cell separator 31 via the nickel felt layer 5. The inter-cell separator 31 is electrically connected to the air electrode 23 of the lower single cell via the Inconel fiber mesh layer 6. In this way, the upper unit cell, the middle unit cell, and the lower unit cell are each connected in series. Further, the stack is heated to a predetermined operating temperature, a fuel gas such as hydrogen is introduced into the fuel gas introduction pipe and brought into contact with the fuel electrode 22, and a combustion supporting gas such as air is supplied to the combustion supporting gas introduction pipe 421. When it is introduced and brought into contact with the air electrode 23, an electromotive force is generated between the fuel electrode 22 and the air electrode 23, and this power can be taken out to function as a power generator. Electric power is taken out to the lower separator 33 via the nickel felt layer 5 disposed on the lower surface of the lower unit cell on the fuel electrode side, and the Inconel fiber mesh disposed on the upper surface of the upper unit cell on the air electrode side. It is taken out by the upper separator 32 through the layer 6, and the electric power of the entire stack can be taken out between the upper separator 32 and the lower separator 33.

(3)燃料電池の作用・効果
この固体電解質型燃料電池1’では、3個の発電層がそれぞれ燃料極支持型であり、この構造の場合、700℃程度の作動温度でも電流を取り出すことができる。そのため、各セパレータ31,32,33、第1及び第2金属枠体71,72を、セラミックではなく耐熱金属(ZMG232)により形成することができる。また、Ag、Pd及び少量のTiを含有する特定の接合剤を用いたので、部材同士を強固に接合することができる。また、第1及び第2金属枠体71,72の接合縁部に沿って面取り部711,721をそれぞれ設けたので、接合時の余剰な接合剤が溜まり部711,721に溜められ、接合剤のタレの発生を抑制して、短絡不良の発生やマニホールド内部の閉塞を効果的に防止できる。その結果、熱応力に対して強靭な構造の燃料電池を、歩留り良く製造することができる。これに対して、図8に示すように、第1及び第2金属枠体71A,72Aの接合縁部に面取り部が設けられていない比較例2では、接合剤のタレにより短絡不良Sが発生する場合がある。
(3) Operation and effect of fuel cell In this solid oxide fuel cell 1 ′, the three power generation layers are each of the fuel electrode support type, and in this structure, current can be taken out even at an operating temperature of about 700 ° C. it can. Therefore, each separator 31, 32, 33, the 1st and 2nd metal frame 71, 72 can be formed with a heat-resistant metal (ZMG232) instead of a ceramic. Moreover, since the specific joining agent containing Ag, Pd, and a small amount of Ti was used, members can be joined firmly. Further, since the chamfered portions 711 and 721 are provided along the joining edge portions of the first and second metal frame bodies 71 and 72, excess joining agent at the time of joining is accumulated in the collecting portions 711 and 721, and the joining agent The occurrence of this sagging can be suppressed, and the occurrence of short circuit failure and the blockage inside the manifold can be effectively prevented. As a result, a fuel cell having a structure strong against thermal stress can be manufactured with high yield. On the other hand, as shown in FIG. 8, in the comparative example 2 in which the chamfered portion is not provided at the joint edge portion of the first and second metal frame bodies 71A and 72A, the short circuit defect S occurs due to the sagging of the bonding agent. There is a case.

なお、上記実施例2の燃料電池1’では、セラミック枠体8の外周及び内周端位置と第1及び第2金属枠体71,72の外周及び内周端位置とが略同じとなるようにしたが、これに限定されず、例えば、図9に示すように、セラミック枠体8に、第1及び第2金属枠体71,72の接合面から外側にはみ出るはみ出し部81を設けるようにしてもよい。これにより、接合剤のタレ、即ち短絡不良をより確実に防止することができる。なお、このはみ出し部81は、セラミック部材のカケの原因やマニホールド内でのガス通過の抵抗となることもあるため、接合後に研削除去することが好ましい。   In the fuel cell 1 ′ of the second embodiment, the outer peripheral and inner peripheral end positions of the ceramic frame 8 and the outer peripheral and inner peripheral end positions of the first and second metal frame 71 and 72 are substantially the same. However, the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIG. 9, the ceramic frame 8 is provided with a protruding portion 81 that protrudes outward from the joint surface of the first and second metal frames 71 and 72. May be. Thereby, sagging of the bonding agent, that is, short circuit failure can be prevented more reliably. In addition, since this protrusion part 81 may become the cause of the ceramic member's chipping and the resistance of the gas passage in a manifold, it is preferable to grind and remove after joining.

尚、本発明においては、上記実施例1及び実施例2に限られず、目的、用途に応じて本発明の範囲内で種々変更した実施例とすることができる。即ち、上記実施例1及び2では、接合剤の溜まり部として面取り部311,321,331,711,721を例示したが、これに限定されず、例えば、図10に示すように、接合剤の溜まり部を、外側方及び上方(又は下方)を開放してなる切欠き部aやスリット状の溝部bなどにより構成してもよい。さらに、曲面を有するR部(フィレット部)や多数の穴部等としてもよい。
また、上記実施例1及び2では、各部材の接合縁部に沿って連続的に形成される溜まり部を例示したが、これに限定されず、例えば、各部材の接合縁部に沿って間欠的に形成される溜まり部としてもよい。
In addition, in this invention, it can be set as the Example variously changed within the range of this invention according to the objective and use, without being restricted to the said Example 1 and Example 2. FIG. That is, in Examples 1 and 2 described above, the chamfered portions 311, 321, 331, 711, and 721 are exemplified as the bonding agent reservoir, but the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIG. The reservoir portion may be constituted by a notch portion a or a slit-shaped groove portion b formed by opening the outer side and the upper side (or the lower side). Furthermore, it is good also as R part (fillet part) which has a curved surface, many holes, etc.
Moreover, in the said Example 1 and 2, although the pool part formed continuously along the joining edge part of each member was illustrated, it is not limited to this, For example, intermittently along the joining edge part of each member It is good also as the reservoir part formed automatically.

また、上記実施例1では、各セパレータ31,32,33の外周側及び内周側の接合縁部に溜まり部を形成するようにしたが、これに限定されず、例えば、各セパレータ31,32,33の外周側の接合縁部にのみ溜まり部を形成するようにしてもよい。
また、上記実施例1では、各セパレータ31,32,33に溜まり部を形成するようにしたが、これに限定されず、各セパレータ31,32,33と共に固体電解質体21にも溜まり部を形成したり、各セパレータ31,32,33に溜まり部を形成せずに固体電解質体21のみに溜まり部を形成したりしてもよい。また、各セパレータ31,32,33のうちの少なくとも1つのセパレータに溜まり部を形成するようにしてもよい。
Moreover, in the said Example 1, although the pool part was formed in the joint edge part of the outer peripheral side of each separator 31, 32, 33, and an inner peripheral side, it is not limited to this, For example, each separator 31, 32 , 33 may be formed only at the joining edge on the outer peripheral side.
In the first embodiment, the reservoirs are formed in the separators 31, 32, 33. However, the present invention is not limited to this, and the reservoirs are formed in the solid electrolyte body 21 together with the separators 31, 32, 33. Alternatively, the reservoir portion may be formed only in the solid electrolyte body 21 without forming the reservoir portion in each of the separators 31, 32, 33. Further, a pool portion may be formed in at least one of the separators 31, 32, and 33.

また、上記実施例2では、各金属枠体71,72の外周側、内周側、及びマニホールド周囲側に溜まり部を形成するようにしたが、これに限定されず、例えば、各金属枠体71,72の外周側及び内周側にのみ溜まり部を形成したり、各金属枠体71,72の外周側にのみ溜まり部を形成したりしてもよい。
また、上記実施例2では、各金属枠体71,72に溜まり部を形成するようにしたが、これに限定されず、各金属枠体71,72と共にセラミック枠体8にも溜まり部を形成したり、各金属枠体71,72に溜まり部を形成せずにセラミック枠体8のみに溜まり部を形成したりしてもよい。また、各金属枠体71,72のうちの一方の金属枠体にのみ溜まり部を形成するようにしてもよい。
In the second embodiment, the reservoirs are formed on the outer peripheral side, the inner peripheral side, and the manifold peripheral side of each metal frame 71, 72. However, the present invention is not limited thereto. The reservoir portions may be formed only on the outer peripheral side and the inner peripheral side of 71 and 72, or the reservoir portions may be formed only on the outer peripheral side of each metal frame 71 and 72.
In the second embodiment, the reservoirs are formed in the metal frames 71 and 72. However, the present invention is not limited to this, and the reservoirs are formed in the ceramic frame 8 together with the metal frames 71 and 72. Alternatively, the reservoirs may be formed only in the ceramic frame 8 without forming the reservoirs in the metal frames 71 and 72. In addition, the reservoir portion may be formed only in one of the metal frames 71 and 72.

車両用、コジェネレーション用、分散電源用、火力発電代替用等の燃料電池の用途として好適に使用される。   It is suitably used as a fuel cell application for vehicles, cogeneration, distributed power sources, thermal power generation alternatives, and the like.

実施例1に係る燃料電池の縦断面を示す模式図である。1 is a schematic view showing a longitudinal section of a fuel cell according to Example 1. FIG. 図1のA矢視部の拡大模式図である。It is an expansion schematic diagram of the A arrow view part of FIG. 比較例1(溜まり部なし)を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the comparative example 1 (there is no accumulation part). 接合部構造のその他の形態を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the other form of junction part structure. 実施例2に係る燃料電池の外観斜視図である。6 is an external perspective view of a fuel cell according to Example 2. FIG. 図5のB−B線断面を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the BB line cross section of FIG. 図6のB矢視部の拡大模式図である。It is an expansion schematic diagram of the B arrow part of FIG. 比較例2(溜まり部なし)を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the comparative example 2 (there is no reservoir part). 接合部構造のその他の形態を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the other form of junction part structure. 溜まり部のその他の形態を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the other form of a reservoir part.

符号の説明Explanation of symbols

1,1’;固体電解質型燃料電池、2;発電層、21;固体電解質体、211;はみ出し部、22;燃料極、23;空気極、31;セル間セパレータ、32;上部セパレータ、33;下部セパレータ、311,321,331;面取り部、71;第1金属枠体、72;第2金属枠体、711,721;面取り部、8;セラミック枠体、81;はみ出し部、10;ガスシール部。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,1 '; Solid electrolyte type fuel cell, 2; Power generation layer, 21; Solid electrolyte body, 211; Overhang part, 22; Fuel electrode, 23; Air electrode, 31; Inter-cell separator, 32; Lower separator, 311, 321, 331; chamfered portion, 71; first metal frame, 72; second metal frame, 711, 721; chamfered portion, 8; ceramic frame, 81; Department.

Claims (6)

固体電解質体(21)、該固体電解質体の一方の面に設けられた燃料極(22)、及び他方の面に設けられた空気極(23)を有する発電層(2)を備え、積層部材(31,32,33、71)と被積層部材(21、8)とを金属を主成分とする接合剤で接合して両部材間にガスシール部(10)を形成してなる固体電解質型燃料電池(1、1’)において、
前記積層部材及び前記被積層部材のうちの少なくとも該積層部材には、その接合縁部の少なくとも一部に、前記接合剤が溜まり得る溜まり部(311,321,331、711,721)を設けたことを特徴とする固体電解質型燃料電池。
A power generation layer (2) having a solid electrolyte body (21), a fuel electrode (22) provided on one surface of the solid electrolyte body, and an air electrode (23) provided on the other surface, and a laminated member (31, 32, 33, 71) and the laminated member (21, 8) are joined with a joining agent mainly composed of metal to form a gas seal portion (10) between the members. In the fuel cell (1, 1 ′),
At least the laminated member of the laminated member and the laminated member is provided with a reservoir portion (311, 321, 331, 711, 721) in which at least a part of the joining edge portion can accumulate the bonding agent. A solid oxide fuel cell.
前記積層部材が耐熱金属からなる請求項1記載の固体電解質型燃料電池。   The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the laminated member is made of a heat-resistant metal. 前記溜まり部が面取り部(311,321,331、711,721)で形成されている請求項2記載の固体電解質型燃料電池。   3. The solid oxide fuel cell according to claim 2, wherein the pool portion is formed of a chamfered portion (311, 321, 331, 711, 721). 前記被積層部材がセラミックからなり、該被積層部材に、前記積層部材の接合面からはみ出るはみ出し部(211、81)を設けた請求項2又は3に記載の固体電解質型燃料電池。   4. The solid oxide fuel cell according to claim 2, wherein the laminated member is made of ceramic, and the protruding member is provided with a protruding portion (211, 81) that protrudes from a joint surface of the laminated member. 前記積層部材が、前記発電層と他の発電層とを隔離するための耐熱金属からなるセパレータ(31,32,33)であり、前記被積層部材が前記固体電解質体(21)である請求項1乃至4のいずれか一項に記載の固体電解質型燃料電池。   The laminated member is a separator (31, 32, 33) made of a refractory metal for separating the power generation layer and another power generation layer, and the laminated member is the solid electrolyte body (21). The solid oxide fuel cell according to any one of 1 to 4. 前記積層部材が、前記発電層を収容するための耐熱金属からなる金属枠体(71)であり、前記被積層部材が、前記発電層を収容するためのセラミックからなるセラミック枠体(8)である請求項1乃至4のいずれか一項に記載の固体電解質型燃料電池。   The laminated member is a metal frame (71) made of a refractory metal for housing the power generation layer, and the laminated member is a ceramic frame (8) made of ceramic for housing the power generation layer. The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 4.
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