JP2009043709A - Reactor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体酸化物型燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:SOFC)等の反応装置に係わり、特に、薄板体とその薄板体を支持する支持部材とが1つずつ交互に積層されてなる(平板)スタック構造を有するものに関する。 The present invention relates to a reaction apparatus such as a solid oxide fuel cell (SOFC), and in particular, a thin plate and a supporting member that supports the thin plate are alternately stacked one by one ( Flat plate) relating to a stack structure.
従来から、上記スタック構造を有する固体酸化物型燃料電池が知られている(例えば、特許文献1を参照)。この場合、薄板体(「単セル」とも称呼される。)として、ジルコニアから構成される固体電解質層と、その固体電解質層の上面に形成された燃料極層と、その固体電解質層の下面に形成された空気極層と、が積層されてなる焼成体が使用され得る。以下、各薄板体について、薄板体の上方、下方に隣接する支持部材(「インターコネクタ」とも称呼される。)をそれぞれ、「上方支持部材」、「下方支持部材」とも称呼するものとする。
各薄板体について、薄板体の周縁部が上方支持部材の周縁部の下面と下方支持部材の周縁部の上面との間に挟持されることで、上方支持部材の周縁部よりも内側に位置する平面部の下面と薄板体の燃料極層の上面との間の空間に燃料ガスが供給される燃料流路が区画・形成されるとともに、下方支持部材の周縁部よりも内側に位置する平面部の上面と薄板体の空気極層の下面との間の空間に酸素を含むガス(空気)が供給される空気流路が区画・形成され得る。 About each thin plate body, the peripheral part of a thin plate body is pinched | interposed between the lower surface of the peripheral part of an upper supporting member, and the upper surface of the peripheral part of a lower supporting member, and is located inside the peripheral part of an upper supporting member. A fuel flow path for supplying fuel gas is defined and formed in a space between the lower surface of the planar portion and the upper surface of the fuel electrode layer of the thin plate member, and the planar portion is located on the inner side of the peripheral edge of the lower support member An air flow path to which a gas (air) containing oxygen is supplied can be defined and formed in a space between the upper surface of the thin plate member and the lower surface of the air electrode layer of the thin plate member.
係る構成にて、固体酸化物型燃料電池の作動温度(例えば、800℃、以下、単に「作動温度」と称呼する。)まで薄板体を加熱した状態で、燃料流路及び空気流路に燃料ガス及び空気がそれぞれ供給されることで、各薄板体の上面及び下面に燃料ガス及び空気がそれぞれ接触し、この結果、各薄板体にて発電反応が発生する。 With such a configuration, fuel is supplied to the fuel channel and the air channel while the thin plate member is heated to the operating temperature of the solid oxide fuel cell (for example, 800 ° C., hereinafter simply referred to as “operating temperature”). By supplying gas and air, respectively, the fuel gas and air come into contact with the upper and lower surfaces of each thin plate member, and as a result, a power generation reaction occurs in each thin plate member.
ところで、上記スタック構造を有する固体酸化物型燃料電池では、燃料流路内の燃料ガスと空気流路内の空気とが混ざらないように且つ外部に漏れないように、更には、燃料電池全体の形状を維持するため、一般に、各薄板体について、薄板体の周縁部、上方支持部材の周縁部、及び下方支持部材の周縁部がシール材により互いにシールされ且つ固定される。 By the way, in the solid oxide fuel cell having the above-described stack structure, the fuel gas in the fuel flow channel and the air in the air flow channel are not mixed and leaked to the outside. In order to maintain the shape, generally, for each thin plate member, the peripheral portion of the thin plate member, the peripheral portion of the upper support member, and the peripheral portion of the lower support member are sealed and fixed to each other by a sealing material.
支持部材は一般には金属で構成されていて、支持部材の熱膨張率は薄板体の熱膨張率よりも大きい場合が多い。例えば、支持部材の熱膨張率が薄板体の熱膨張率よりも大きい場合、常温から作動温度まで薄板体が昇温されると、平面方向に沿った方向において支持部材が薄板体よりもより伸長しようとする。しかしながら、上述のように、薄板体はシール材によりその周縁部において上方・下方支持部材の周縁部に固定されている。この結果、薄板体はその周縁部において上方・下方支持部材から平面方向に沿った方向の引っ張り力(熱応力)を受ける。また、燃料電池の急速起動時等、燃料電池内部において局所的に温度差が発生する場合も、薄板体はこの温度差に起因して上記と同様に熱応力を受け得る。 The support member is generally made of metal, and the thermal expansion coefficient of the support member is often larger than the thermal expansion coefficient of the thin plate member. For example, when the thermal expansion coefficient of the support member is larger than the thermal expansion coefficient of the thin plate body, when the thin plate body is heated from room temperature to the operating temperature, the support member extends more in the direction along the plane direction than the thin plate body. try to. However, as described above, the thin plate member is fixed to the peripheral portion of the upper and lower support members at the peripheral portion thereof by the sealing material. As a result, the thin plate body receives tensile force (thermal stress) in the direction along the plane direction from the upper and lower support members at the peripheral edge portion. Further, even when a temperature difference locally occurs inside the fuel cell, such as when the fuel cell is rapidly activated, the thin plate member can be subjected to thermal stress as described above due to this temperature difference.
ここで、上記シール材による固定が完全に相対移動不能になされている場合、薄板体が受ける上記引っ張り力(熱応力)が過大となって、薄板体に割れが発生する等の問題が発生し得る。係る問題は、薄板体の厚さが小さいほどより発生し易い。 Here, when the fixing by the sealing material is made completely impossible to move relative to each other, the tensile force (thermal stress) received by the thin plate body becomes excessive, and the thin plate body is cracked. obtain. Such a problem is more likely to occur as the thickness of the thin plate member is smaller.
以上より、本発明の目的は、薄板体と支持部材とが1つずつ交互に積層されてなる(平板)スタック構造を有する小型の反応装置において、常温から高温の作動温度まで薄板体が昇温された場合における熱応力に起因する薄板体の割れの発生を抑制し得るものを提供することにある。 In view of the above, an object of the present invention is to increase the temperature of a thin plate from a normal temperature to a high operating temperature in a small reactor having a (flat) stack structure in which thin plates and support members are alternately stacked one by one. An object of the present invention is to provide a material that can suppress the occurrence of cracks in the thin plate due to the thermal stress in the case of being applied.
上記目的を達成するための本発明による反応装置は、常温よりも高い作動温度にて化学反応がなされる1又は複数の薄板体と、前記1又は複数の薄板体を支持する複数の支持部材と、が1つずつ交互に積層されてなる。支持部材の熱膨張率は、薄板体の熱膨張率より大きくても小さくてもよい。ここで、反応装置全体を小型化する観点から、各薄板体の厚さは、20μm以上且つ500μm以下であり、且つ、薄板体全体に亘って均一であることが好ましい。 In order to achieve the above object, a reaction apparatus according to the present invention includes one or more thin plate bodies that perform a chemical reaction at an operating temperature higher than room temperature, and a plurality of support members that support the one or more thin plate bodies. Are alternately stacked one by one. The thermal expansion coefficient of the support member may be larger or smaller than the thermal expansion coefficient of the thin plate member. Here, from the viewpoint of reducing the size of the entire reaction apparatus, the thickness of each thin plate member is preferably 20 μm or more and 500 μm or less, and is preferably uniform over the entire thin plate member.
また、前記各薄板体について、前記薄板体の周縁部が前記上方支持部材の周縁部の下面と前記下方支持部材の周縁部の上面との間に挟持されるように、前記薄板体の周縁部、前記上方支持部材の周縁部、及び前記下方支持部材の周縁部がシール材により互いにシールされている。 Further, for each of the thin plate bodies, the peripheral edge portion of the thin plate body is sandwiched between the lower surface of the peripheral edge portion of the upper support member and the upper surface of the peripheral edge portion of the lower support member. The peripheral portion of the upper support member and the peripheral portion of the lower support member are sealed with each other by a sealing material.
上記本発明による反応装置の特徴は、前記シール材が占める領域内における位置によってシール材の材質が異なる点にある。即ち、前記シール材は、前記薄板体の周縁部の上面と前記上方支持部材の周縁部の下面、及び前記薄板体の周縁部の下面と前記下方支持部材の周縁部の上面をそれぞれシールする第1シール部と、前記上方支持部材の周縁部の下側端と前記下方支持部材の周縁部の上側端をシールする第2シール部とを有し、前記第1シール部において少なくとも前記薄板体の周縁部の上面及び下面と接触する部分は、前記作動温度よりも低い第1軟化点を有するガラスからなり、前記第2シール部において少なくとも前記上方支持部材の周縁部の下側端と前記下方支持部材の周縁部の上側端の間の部分は、前記第1軟化点よりも高い第2軟化点を有するガラス、又はセラミックスからなる。 The characteristic of the reactor according to the present invention is that the material of the sealing material differs depending on the position in the region occupied by the sealing material. That is, the sealing material seals the upper surface of the peripheral portion of the thin plate member and the lower surface of the peripheral portion of the upper support member, and the lower surface of the peripheral portion of the thin plate member and the upper surface of the peripheral portion of the lower support member. 1 seal part, and the 2nd seal part which seals the lower end of the peripheral part of the above-mentioned upper support member, and the upper end of the peripheral part of the above-mentioned lower support member, and at least the above-mentioned thin board object in the above-mentioned 1st seal part The portions contacting the upper and lower surfaces of the peripheral portion are made of glass having a first softening point lower than the operating temperature, and at least the lower end of the peripheral portion of the upper support member and the lower support in the second seal portion The part between the upper end of the peripheral part of a member consists of glass or ceramics which has a 2nd softening point higher than the said 1st softening point.
具体的には、例えば、前記シール材は以下のように構成され得る。即ち、前記第1シール部と前記第2シール部とが分離していて、前記第1シール部の全体が前記第1軟化点を有するガラスからなり、前記第2シール部の全体が前記第2軟化点を有するガラス、又はセラミックスからなる。前記第2シール部は、前記上側支持部材の周縁部の下面と前記下側支持部材の周縁部の上面の間の空間内に進入する進入部と、前記進入部と繋がっていて前記上側支持部材の周縁部の側面と前記下側支持部材の周縁部の側面とを覆う被覆部とを有する。或いは、前記第1シール部の全体が前記第1軟化点を有するガラスからなり、前記第2シール部の全体が前記第2軟化点を有するガラス、又はセラミックスからなっていて、前記第2シール部は、前記上側支持部材の周縁部の下面と前記下側支持部材の周縁部の上面の間の空間内に進入する進入部と、前記進入部と繋がっていて前記上側支持部材の周縁部の側面と前記下側支持部材の周縁部の側面とを覆う被覆部とを有し、前記第1シール部は、前記第2シール部の前記進入部と接触している。 Specifically, for example, the sealing material can be configured as follows. That is, the first seal portion and the second seal portion are separated, and the entire first seal portion is made of glass having the first softening point, and the entire second seal portion is the second seal portion. It consists of glass or ceramics having a softening point. The second seal part is connected to the entry part entering the space between the lower surface of the peripheral part of the upper support member and the upper surface of the peripheral part of the lower support member, and the upper support member. A covering portion that covers a side surface of the peripheral edge portion and a side surface of the peripheral edge portion of the lower support member. Alternatively, the entirety of the first seal portion is made of glass having the first softening point, and the entirety of the second seal portion is made of glass or ceramic having the second softening point, and the second seal portion. Is an entry portion that enters a space between the lower surface of the peripheral portion of the upper support member and the upper surface of the peripheral portion of the lower support member, and the side surface of the peripheral portion of the upper support member that is connected to the entry portion. And a covering portion that covers a side surface of the peripheral edge portion of the lower support member, and the first seal portion is in contact with the entry portion of the second seal portion.
これによれば、第1軟化点を有するガラスからなる第1シール部は、薄板体の周縁部上面と上方支持部材の周縁部下面(の間の空間、境界部分)、及び薄板体の周縁部下面と下方支持部材の周縁部上面(の間の空間、境界部分)をそれぞれシールする機能を発揮する。また、第1シール部は、その温度が第1軟化点未満の場合、薄板体の周縁部と上方・下方支持部材の周縁部とを完全に相対移動不能に固定し得る。一方、第1シール部は、その温度が第1軟化点以上の場合、第1シール部が軟化することで薄板体の周縁部が上方・下方支持部材の周縁部に対して相対移動することを許容する。加えて、第1軟化点は薄板体の作動温度よりも低い。 According to this, the 1st seal part which consists of glass which has the 1st softening point, the peripheral part upper surface of a thin plate body, and the peripheral part lower surface (space between and a boundary part) of an upper support member, and the peripheral part of a thin plate body The function of sealing the lower surface and the upper surface of the peripheral portion of the lower support member (the space between and the boundary portion) is exhibited. Further, when the temperature of the first seal portion is lower than the first softening point, the peripheral portion of the thin plate member and the peripheral portions of the upper and lower support members can be completely fixed so as not to be relatively movable. On the other hand, when the temperature of the first seal portion is equal to or higher than the first softening point, the peripheral portion of the thin plate member moves relative to the peripheral portion of the upper and lower support members by softening the first seal portion. Allow. In addition, the first softening point is lower than the operating temperature of the thin plate member.
従って、薄板体(従って、第1シール部)が常温から作動温度まで昇温する途中の段階で薄板体の周縁部が上方・下方支持部材の周縁部に対して相対移動可能となる。これにより、作動温度まで薄板体が昇温された場合において、薄板体が上方・下方支持部材から受ける上記引っ張り力(熱応力)が過大となることが抑制され得、薄板体に割れが発生する等の問題の発生が抑制され得る。 Therefore, the peripheral portion of the thin plate member can be moved relative to the peripheral portion of the upper and lower support members at a stage where the thin plate member (and hence the first seal portion) is heated from room temperature to the operating temperature. As a result, when the thin plate member is heated to the operating temperature, it is possible to prevent the tensile force (thermal stress) received by the thin plate member from the upper and lower support members from being excessive, and the thin plate member is cracked. The occurrence of such problems can be suppressed.
他方、第2軟化点を有するガラス、又はセラミックからなる第2シール部は、上方支持部材の周縁部の下側端と下方支持部材の周縁部の上側端(の間の空間、隙間)をシールする機能を発揮する。また、第2軟化点は第1軟化点より高く、例えば、第2軟化点は作動温度よりも高い。この場合、作動温度まで薄板体が昇温されてもなお、第2シール部は上方・下方支持部材の周縁部同士を完全に相対移動不能に固定し得る。 On the other hand, the second seal portion made of glass or ceramic having the second softening point seals the lower end of the peripheral portion of the upper support member and the upper end (the space, gap) of the peripheral portion of the lower support member. Demonstrate the function to do. The second softening point is higher than the first softening point, for example, the second softening point is higher than the operating temperature. In this case, even when the temperature of the thin plate member is raised to the operating temperature, the second seal portion can completely fix the peripheral portions of the upper and lower support members so that they cannot move relative to each other.
また、第2シール部を構成するガラスが結晶化温度(>第2軟化点)を有する場合、第2軟化点が作動温度より低い場合であっても、反応装置の製造過程での熱処理工程や反応装置の作動状態等において第2シール部が結晶化温度より高い温度まで少なくとも1回昇温された後では、第2シール部の一部又は全部が結晶化する。この結果、第2シール部は上方・下方支持部材の周縁部同士を完全に相対移動不能に固定し得る。以上より、反応装置全体の形状が維持され得る。 Further, when the glass constituting the second seal portion has a crystallization temperature (> second softening point), even if the second softening point is lower than the operating temperature, After the second seal part is heated at least once to a temperature higher than the crystallization temperature in the operating state of the reaction apparatus or the like, a part or all of the second seal part is crystallized. As a result, the second seal portion can completely fix the peripheral portions of the upper and lower support members so that they cannot move relative to each other. From the above, the overall shape of the reaction apparatus can be maintained.
以上のように、本発明に係るシール材では、第1シール部は、シール機能に加えて、薄板体の周縁部の上方・下方支持部材の周縁部に対する相対移動を許容する機能を有する。第2シール部は、シール機能に加えて、反応装置全体の形状を維持する機能を有する。このように、シール材が占める領域内における位置によってシール材の材質を異ならせることで、シール機能と反応装置全体の形状を維持する機能とが安定して発揮されつつ、作動温度まで薄板体が昇温された場合における薄板体の割れの発生が抑制され得る。 As described above, in the sealing material according to the present invention, the first seal portion has a function of allowing relative movement of the peripheral portion of the thin plate member relative to the peripheral portion of the upper and lower support members in addition to the sealing function. In addition to the sealing function, the second seal part has a function of maintaining the shape of the entire reaction apparatus. Thus, by making the material of the sealing material different depending on the position in the region occupied by the sealing material, the sealing function and the function of maintaining the overall shape of the reaction apparatus are stably exhibited, and the thin plate body is brought to the operating temperature. Generation of cracks in the thin plate member when the temperature is raised can be suppressed.
加えて、本発明による反応装置が有する(平板)スタック構造では、例えば、反応装置(例えば、固体酸化物型燃料電池等)の急速起動時等において、装置内部において積層方向(各薄板体の厚さ方向)にて一時的に大きな温度分布が生じ得る。この場合であっても、複数の薄板体のうちで温度が第1軟化点に達したものから順に対応する第1シール部の軟化により上記熱応力が開放されていく。換言すれば、薄板体毎に個別に熱応力が開放され得る構造となっている。従って、スタック構造において積層方向における熱応力の累積が発生し得ないから、熱応力に対する良好な耐久性を得ることができる。 In addition, in the (flat plate) stack structure of the reaction apparatus according to the present invention, for example, when the reaction apparatus (for example, a solid oxide fuel cell) is rapidly started, the stacking direction (the thickness of each thin plate body) is set inside the apparatus. A large temperature distribution can occur temporarily in the vertical direction). Even in this case, the thermal stress is released by the softening of the corresponding first seal portion in order from the one where the temperature has reached the first softening point among the plurality of thin plate members. In other words, the thermal stress can be released individually for each thin plate member. Therefore, since accumulation of thermal stress in the stacking direction cannot occur in the stack structure, good durability against thermal stress can be obtained.
上記本発明に係る反応装置は、例えば、固体酸化物型燃料電池であることが好適である。即ち、この場合、前記各薄板体は、固体電解質層と、前記固体電解質層の上面に形成された燃料極層と、前記固体電解質層の下面に形成された空気極層と、が積層・焼成されてなり、前記各薄板体について、前記上方支持部材の周縁部よりも内側に位置する平面部の下面と前記薄板体の燃料極層の上面との間の空間に燃料ガスが供給される燃料流路が区画・形成されるとともに、前記下方支持部材の周縁部よりも内側に位置する平面部の上面と前記薄板体の空気極層の下面との間の空間に酸素を含むガスが供給される空気流路が区画・形成される。 The reaction apparatus according to the present invention is preferably, for example, a solid oxide fuel cell. That is, in this case, each thin plate member is formed by laminating and firing a solid electrolyte layer, a fuel electrode layer formed on the upper surface of the solid electrolyte layer, and an air electrode layer formed on the lower surface of the solid electrolyte layer. In each of the thin plate bodies, the fuel gas is supplied to the space between the lower surface of the flat portion located inside the peripheral edge portion of the upper support member and the upper surface of the fuel electrode layer of the thin plate body. A flow path is defined and formed, and a gas containing oxygen is supplied to a space between the upper surface of the flat portion located inside the peripheral edge portion of the lower support member and the lower surface of the air electrode layer of the thin plate member. An air flow path is defined and formed.
固体酸化物型燃料電池の場合、一般に、前記作動温度は600℃以上900℃以下である。この場合、前記第1軟化点は400℃以上700℃以下であり、前記第2軟化点は600℃以上900℃以下であることが好ましい。これによれば、反応装置全体の形状を維持する機能が安定して発揮されつつ、作動温度まで薄板体が昇温された場合における薄板体の割れの発生が効果的に抑制され得ることが判明した。 In the case of a solid oxide fuel cell, the operating temperature is generally 600 ° C. or higher and 900 ° C. or lower. In this case, it is preferable that the first softening point is 400 ° C. or higher and 700 ° C. or lower, and the second softening point is 600 ° C. or higher and 900 ° C. or lower. According to this, it has been found that the occurrence of cracking of the thin plate can be effectively suppressed when the temperature of the thin plate is raised to the operating temperature while the function of maintaining the shape of the entire reactor is stably exerted. did.
また、上記本発明に係る反応装置においては、前記各薄板体について、前記上方支持部材の周縁部よりも内側に位置する平面部の下面と前記薄板体の上面との間の空間、及び、前記下方支持部材の周縁部よりも内側に位置する平面部の上面と前記薄板体の下面との間の空間のそれぞれにおいて、前記支持部材と前記薄板体との間の電気的接続を確保する集電部材が内装されていて、前記各集電部材は、積層方向において弾性を有するとともに、前記支持部材と前記薄板体とを前記積層方向において互いに引き離す方向の弾性力が発生するように内装されることが好適である。 In the reaction apparatus according to the present invention, for each of the thin plate bodies, a space between the lower surface of the flat portion located inside the peripheral edge portion of the upper support member and the upper surface of the thin plate body, and Current collecting that secures electrical connection between the support member and the thin plate member in each of the spaces between the upper surface of the flat portion located on the inner side of the peripheral portion of the lower support member and the lower surface of the thin plate member Each of the current collecting members has elasticity in the stacking direction, and is mounted so as to generate an elastic force in a direction that separates the support member and the thin plate member from each other in the stacking direction. Is preferred.
係る集電部材の内装により、隣接する支持部材と薄板体との間の電気的接続が確保され得る。更には、上述した第1シール部の軟化の作用に加えて、各薄板体が上下の集電部材からそれぞれ受ける弾性力の作用により、反応装置(例えば、固体酸化物型燃料電池等)の急速起動時等において、薄板体の割れがより一層発生し難くなることが判明した。 The electrical connection between the adjacent supporting member and the thin plate member can be ensured by the interior of the current collecting member. Further, in addition to the softening action of the first seal portion described above, the action of the elastic force that each thin plate member receives from the upper and lower current collecting members respectively causes the rapid reaction of the reaction apparatus (eg, solid oxide fuel cell). It has been found that cracking of the thin plate member is less likely to occur at the time of start-up and the like.
この場合(特に、上述した固体酸化物型燃料電池の場合であって各薄板体の厚さが20μm以上且つ500μm以下の場合)、前記各集電部材の前記弾性に関する弾性係数は、0.1〜8N/μmであることが好ましい。 In this case (particularly, in the case of the above-described solid oxide fuel cell and the thickness of each thin plate member is not less than 20 μm and not more than 500 μm), the elastic coefficient relating to the elasticity of each current collecting member is 0.1 It is preferably ˜8 N / μm.
検討によれば、各集電部材の弾性係数が8N/μmよりも大きい場合、反応装置(例えば、固体酸化物型燃料電池等)の急速起動時等において、薄板体の割れが却って発生し易くなることが判明した(詳細は後述する)。一方、各集電部材の弾性係数が0.1N/μmよりも小さい場合、集電部材と、支持部材又は薄板体との接点において接触不良が発生し易くなることが判明した(詳細は後述する)。 According to the study, when the elastic coefficient of each current collecting member is larger than 8 N / μm, the thin plate body is easily cracked at the time of rapid start-up of the reaction apparatus (for example, solid oxide fuel cell). (It will be described later in detail). On the other hand, when the elastic coefficient of each current collecting member is smaller than 0.1 N / μm, it has been found that poor contact is likely to occur at the contact point between the current collecting member and the support member or thin plate (details will be described later). ).
以上より、各集電部材の弾性係数が0.1〜8N/μmであると、隣接する支持部材と薄板体との間の電気的接続が確実に確保され得るとともに、反応装置(例えば、固体酸化物型燃料電池等)の急速起動時等において、薄板体の割れを発生し難くすることができる。 As described above, when the elastic coefficient of each current collecting member is 0.1 to 8 N / μm, electrical connection between the adjacent support member and the thin plate member can be reliably ensured, and the reaction apparatus (for example, a solid member) When the oxide fuel cell or the like is rapidly started, it is possible to make it difficult for the thin plate to crack.
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態に係る固体酸化物型燃料電池(反応装置)について説明する。 Hereinafter, a solid oxide fuel cell (reactor) according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
(燃料電池の全体構造)
図1は、本発明の一実施形態に係るデバイスである固体酸化物型燃料電池(以下、単に「燃料電池」と称呼する。)10の破断斜視図である。図2は、燃料電池10の部分分解斜視図である。燃料電池10は、薄板体11と支持部材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、平板スタック構造を備えている。薄板体11は、燃料電池10の「単セル」とも称呼される。支持部材12は、「インターコネクタ」とも称呼される。
(Overall structure of fuel cell)
FIG. 1 is a cutaway perspective view of a solid oxide fuel cell (hereinafter simply referred to as “fuel cell”) 10 which is a device according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a partially exploded perspective view of the
図2の円A内に拡大して示したように、薄板体11は、電解質層(固体電解質層)11aと、電解質層11aの上(上面)に形成された燃料極層11bと、電解質層11a上の燃料極層11bとは反対の面(下面)に形成された空気極層11cと、を有している。薄板体11の平面形状は、互いに直交するx軸及びy軸の方向に沿う辺を有する正方形(1辺の長さ=A’)である。薄板体11は、x軸及びy軸に直交するz軸方向に厚み方向を有する板体である。
As shown in an enlarged circle A in FIG. 2, the
本例において、電解質層11aは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11b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11c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11a、燃料極層11b、及び空気極層11cの常温から1000℃での平均熱膨張率はそれぞれ、およそ、10.8ppm/K、12.5ppm/K、及び11(10.8)ppm/Kである。また、空気極層11cは、LSCF(ランタンストロンチウムコバルトフェライト)からなる焼成体であってもよい。この場合、空気極層11cの常温から1000℃での平均熱膨張率は、12ppm/Kである。
In this example, the
薄板体11は、一対のセル貫通孔11d,11dを備えている。それぞれのセル貫通孔11dは、電解質層11a、燃料極層11b及び空気極層11cを貫通している。一対のセル貫通孔11d,11dは、薄板体11の一つの辺の近傍であってその辺の両端部近傍領域に形成されている。
The
図3は、図2においてx軸と平行な1−1線を含むとともにx−z平面と平行な平面に沿って支持部材12を切断した支持部材12の断面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view of the
図2及び図3に示したように、支持部材12は、平面部12aと、上方枠体部12bと、下方枠体部12cと、を備えている。支持部材12の平面形状は、互いに直交するx軸及びy軸の方向に沿う辺を有する正方形(1辺の長さ=A、AはA’より若干大きい)である。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
支持部材12は、Ni系耐熱合金(例えば、フェライト系SUS、インコネル600及びハステロイ等)から構成されている。支持部材12の常温から1000℃での平均熱膨張率は、例えばフェライト系SUSであるSUS430の場合、およそ12.5ppm/Kである。従って、支持部材12の熱膨張率は、薄板体11の平均熱膨張率よりも大きい。従って、燃料電池10の温度が変化したとき、薄板体11と支持部材12との間にて伸縮量差が生じる。
The
平面部12a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12aの平面形状は、x軸及びy軸方向に沿う辺を有する正方形(1辺の長さ=L(<A))である。
The
上方枠体部12bは、平面部12aの周囲(4つの辺の近傍領域、即ち、外周近傍領域)において上方に向けて立設された枠体である。上方枠体部12bは、外周枠部12b1と段差形成部12b2とからなっている。
The upper
外周枠部12b1は、支持部材12の最外周側に位置している。外周枠部12b1の縦断面(例えば、y軸方向に長手方向を有する外周枠部12b1をx−z平面に平行な平面に沿って切断した断面)の形状は長方形(又は正方形)である。
The outer
段差形成部12b2は、平面部12aの四つの角部のうちの一つの角部において、外周枠部12b1の内周面から支持部材12の中央に向けて延設された部分である。段差形成部12b2の下面は平面部12aと連接している。段差形成部12b2の平面視における形状は略正方形である。段差形成部12b2の上面(平面)は、外周枠部12b1の上面(平面)と連続している。段差形成部12b2には、貫通孔THが形成されている。貫通孔THは、段差形成部12b2の下方に位置する平面部12aにも貫通している。
The step forming portion 12b2 is a portion that extends from the inner peripheral surface of the outer peripheral frame portion 12b1 toward the center of the
下方枠体部12cは、平面部12aの周囲(4つの辺の近傍領域、即ち、外周近傍領域)において下方に向けて立設された枠体である。下方枠体部12cは、平面部12aの厚さ方向の中心線CLに対して上方枠体部12bと対称形状を有している。従って、下方枠体部12cは、外周枠部12b1、及び段差形成部12b2とそれぞれ同一形状の外周枠部12c1、及び段差形成部12c2を備えている。但し、段差形成部12c2は、平面部12aの四つの角部のうち段差形成部12b2が形成されている角部と隣り合う2つの角部のうちの一方の角部に配置・形成されている。
The lower
図4は、薄板体11及び薄板体11を支持(挟持)した状態における一対の支持部材12を、図2においてy軸と平行な2−2線を含むとともにy−z平面と平行な平面に沿って切断した縦断面図である。上述したように、燃料電池10は、薄板体11と支持部材12とが交互に積層されることにより形成されている。
4 shows the
ここで、この一対の支持部材12のうち、薄板体11に対してその下方・上方に隣接するものをそれぞれ、便宜上、下方支持部材121及び上方支持部材122と称呼する。図4に示したように、下方支持部材121及び上方支持部材122は、下方支持部材121の上方枠体部12bの上に上方支持部材122の下方枠体部12cが対向するように互いに同軸的に配置される。
Here, of the pair of
薄板体11は、その周縁部全周が、下方支持部材121の上方枠体部12b(周縁部)の上面と上方支持部材122の下方枠体部12c(周縁部)の下面との間に挟持される。このとき、薄板体11は、下方支持部材121の平面部12aの上面に空気極層11cが対向するように配置され、上方支持部材122の平面部12aの下面に燃料極層11bが対向するように配置される。
The entire periphery of the
薄板体11の周縁部全周と、下方支持部材121の上方枠体部12bと、上方支持部材122の下方枠体部12cとは、シール材13により互いにシールされている。このシール材13については後述する。
The entire periphery of the
支持部材12の平面形状(=正方形)の1辺の長さAは、本例では、5mm以上且つ200mm以下である。支持部材12の平面部12aの平面形状(=正方形)の1辺の長さLは、本例では、4mm以上且つ190mm以下である。薄板体11の厚さtは、全体に渡って均一であり、本例では、20μm以上且つ500μm以下である。なお、電解質層11a、燃料極層11b、及び空気極層11cの厚さはそれぞれ、例えば、1μm以上且つ50μm以下、5μm以上且つ500μm以下、及び、5μm以上且つ200μm以下である。
The length A of one side of the planar shape (= square) of the
以上により、図4に示したように、下方支持部材121の平面部12aの上面と、下方支持部材121の上方枠体部12b(外周枠部12b1及び段差形成部12b2)の内側壁面と、薄板体11の空気極層11cの下面と、により酸素を含む気体が供給される空気流路21が形成される。酸素を含む気体は、図4の破線の矢印により示したように、上方支持部材122の貫通孔THと薄板体11のセル貫通孔11dとを通して空気流路21に流入する。
As described above, as shown in FIG. 4, the upper surface of the
また、上方支持部材122の平面部12aの下面と、上方支持部材122の下方枠体部12c(外周枠部12c1及び段差形成部12c2)の内側壁面と、薄板体11の燃料極層11bの上面と、により水素を含む燃料が供給される燃料流路22が形成される。燃料は、図4の実線の矢印により示したように、下方支持部材121の貫通孔THと薄板体11のセル貫通孔11dとを通して燃料流路22に流入する。
Further, the lower surface of the
また、図4に示すように、空気流路21及び燃料流路22中において、集電用の金属メッシュ(例えば、エンボス構造の金属メッシュ)が内装されている。各金属メッシュは、積層方向において弾性を有する。加えて、各金属メッシュは、対応する支持部材12と薄板体11とを積層方向において互いに引き離す方向の弾性力が発生するように(即ち、プレ荷重が発生するように)内装されている。
As shown in FIG. 4, a current collecting metal mesh (for example, a metal mesh having an embossed structure) is internally provided in the
これにより、下方支持部材121と薄板体11との電気的接続、及び上方支持部材122と薄板体11との電気的接続が確保される。加えて、係る金属メッシュの内装により、ガスの流通経路が規制される。この結果、空気流路21及び燃料流路22中において、平面視にてガスの流通により発電反応が実質的に発生し得る領域の面積(流通面積)が拡大され得、薄板体11にて発電反応が効果的に発生し得る。
Thereby, the electrical connection between the
以上のように構成された燃料電池10は、例えば、図5に示したように、薄板体11の燃料極層11bと支持部材12の平面部12aの下面との間に形成された燃料流路22に燃料が供給され、且つ、薄板体11の空気極層11cと支持部材12の平面部12aの上面との間に形成された空気流路21に空気が供給されることにより、以下に示す化学反応式(1)及び(2)に基づく発電を行う。
(1/2)・O2+2e−→O2− (於:空気極層11c) …(1)
H2+O2−→H2O+2e− (於:燃料極層11b) …(2)
The
(1/2) · O 2 +2 e- → O 2- ( at
H 2 + O 2− → H 2 O + 2 e− (in the
燃料電池(SOFC)10は、固体電解質層11aの酸素伝導度を利用して発電するので、燃料電池10としての作動温度は最低600℃以上であることが一般的である。このため、燃料電池10は、常温から作動温度(例えば800℃)まで外部の加熱機構(例えば、抵抗加熱ヒータ方式の加熱機構、或いは、燃料ガスを燃焼して得られる熱を利用する加熱機構等)により昇温された状態で使用される。
Since the fuel cell (SOFC) 10 generates power using the oxygen conductivity of the
(シール材13)
次に、シール材13について説明する。図6は、常温時において薄板体11及び薄板体11を支持(挟持)した状態における一対の支持部材12を、図2においてx軸と平行な3−3線を含むとともにx−z平面と平行な平面に沿って切断した縦断面の模式図である。3−3線は、支持部材12の平面形状(=正方形)の中心(=薄板体11の平面形状(=正方形)の中心)を通る線である。図6では、シール材13の形状を見やすくするため、シール材13の形状(特に、厚さ等)が誇張して描かれている。また、図6では、上述の金属メッシュの記載が省略されている。
(Sealing material 13)
Next, the sealing
図6に示すように、シール材13は、薄板体11の周縁部の上面と上方支持部材122の下方枠体部12cの下面との間の空間(境界部分)、及び、薄板体11の周縁部の下面と下方支持部材121の上方枠体部12bの上面との間の空間(境界部分)をそれぞれシールする第1シール部13aを有する。以下、これらの空間を「第1空間」とも称呼する。
As shown in FIG. 6, the sealing
また、シール材13は、上方支持部材122の下方枠体部12cの下側端(側面の下端)と下方支持部材121の上方枠体部12bの上側端(側面の上端)との間の空間(隙間)をシールする、第1シール部13aとは分離した第2シール部13bを有する。以下、この空間を「第2空間」とも称呼する。具体的には、第2シール部13bは、上側支持部材122の下方枠体部12cの下面と下側支持部材121の上方枠体部12bの上面の間の空間内に進入する進入部13b1と、進入部13b1と繋がっていて上側支持部材122の下方枠体部12cの(外)側面と下側支持部材121の上方枠体部12bの(外)側面とを覆う被覆部13b2とを有する。この被覆部13b2は、スタック構造を有する燃料電池10の側面全域に亘って連続している。
The sealing
第1シール部13aは、その全体が上記作動温度よりも低い第1軟化点を有するガラスからなる。第2シール部13bは、その全体が第1軟化点よりも高い軟化点(=第2軟化点)を有するガラス、又はセラミックス(具体的には、結晶化ガラス、ガラスセラミックス等、結晶質を含む材料、非晶質と結晶質とが混在していてもよい)からなる。第1、第2軟化点については後述する。
The 1st seal |
以上より、第1シール部13aは、上記第1空間をシールする機能を発揮する。加えて、第1シール部13aは、燃料電池10の温度(具体的には、第1シール部13aの温度)が第1軟化点未満の場合、薄板体11の周縁部と、上方支持部材122の下方枠体部12c及び下方支持部材121の上方枠体部12b(以下、「一対の枠体部」とも称呼する。)とを完全に相対移動不能に固定する。
As described above, the
一方、第1シール部13aは、燃料電池10の温度(具体的には、第1シール部13aの温度)が第1軟化点以上の場合、第1シール部13aが軟化することに起因して、薄板体11の周縁部が「一対の枠体部」に対して相対移動することを許容する。即ち、燃料電池10(従って、第1シール部13a)が常温から作動温度まで昇温する途中の段階で薄板体11の周縁部が「一対の枠体部」に対して相対移動可能となる。
On the other hand, when the temperature of the fuel cell 10 (specifically, the temperature of the
上述したように、支持部材12の熱膨張率は、薄板体11の平均熱膨張率よりも大きい。従って、燃料電池10が常温から作動温度まで昇温されていくと、平面方向に沿った方向において支持部材12が薄板体11よりもより伸長しようとする。ここで、薄板体11の周縁部が「一対の枠体部」と完全に相対移動不能に固定され続けるものとすると、薄板体11はその周縁部において「一対の枠体部」から平面方向に沿った方向の過大な引っ張り力(熱応力)を受ける可能性がある。また、燃料電池10の急速起動時等、燃料電池10内部において局所的に温度差が発生する場合も、薄板体11はこの温度差に起因して上記と同様の熱応力を受け得る。
As described above, the thermal expansion coefficient of the
これに対し、本例では、燃料電池10の温度が作動温度に達するまでの途中の段階で薄板体11の周縁部が「一対の枠体部」に対して中央に向けて相対移動可能となる(図6中の黒矢印を参照)。従って、作動温度まで燃料電池10が昇温された場合において、薄板体11が「一対の枠体部」から受ける上記引っ張り力(熱応力)が過大となることが抑制され得る。この結果、薄板体11に熱応力に起因する割れが発生する等の問題の発生が抑制され得る。
On the other hand, in this example, the peripheral portion of the
他方、第2シール部13bは、上記第2空間をシールする機能を発揮する。また、第2軟化点が作動温度よりも高い場合、第2シール部13bは、常温から作動温度の間に亘って軟化しない。また、第2シール部13bを構成するガラスが結晶化温度(>第2軟化点)を有する場合、第2軟化点が作動温度より低い場合であっても、第2シール部13bが結晶化温度より高い温度まで少なくとも1回昇温された後では、第2シール部13bの一部又は全部が結晶化する。従って、燃料電池10の温度が作動温度に達しても、第2シール部13bは「一対の枠体部」同士を完全に相対移動不能に固定し得る。即ち、燃料電池10全体の形状(スタック構造を有する形状)が維持され得る。
On the other hand, the 2nd seal |
以上のように、シール材13では、第1シール部13aは、上記第1空間のシール機能に加えて、薄板体の周縁部の「一対の枠体部」に対する相対移動を許容する機能を有する。第2シール部13bは、上記第2空間のシール機能に加えて、燃料電池10全体の形状を維持する機能を有する。
As described above, in the sealing
このように、ガラスからなるシール材13が占める領域内における位置によってガラスの材質が異なっている。これにより、シール機能(具体的には、燃料流路22内の燃料ガスと空気流路21内の空気との混合及び外部への漏出を防止する機能)と、燃料電池10全体の形状を維持する機能とが安定して発揮されつつ、作動温度まで燃料電池10が昇温された場合における薄板体11の割れの発生が抑制され得る。
Thus, the material of glass changes with the position in the area | region which the sealing
次に、燃料電池10の作動温度と、第1軟化点と、第2軟化点との好ましい関係について説明する。燃料電池10の作動温度が600℃以上900℃以下である場合、第1軟化点は400℃以上700℃以下であり、第2軟化点は600℃以上900℃以下であることが好ましい。これによれば、燃料電池10全体の形状を維持する機能が安定して発揮されつつ、作動温度まで燃料電池10が昇温された場合における薄板体11の割れの発生が効果的に抑制され得ることが判明した。
Next, a preferable relationship among the operating temperature of the
以下、これらを確認した試験の結果を表1、表2に示す。これらの試験では、薄板体として、平面視にて1辺の長さが30mmの正方形を呈していて、8YSZからなる電解質層(厚さ:3μm)、NiO−8YSZからなる燃料極層(厚さ:150μm)、及びLSCFからなる空気極層(厚さ:15μm)が積層された燃料極支持型(支持基板が燃料極層)のものが使用された。そして、この薄板体を使用して3層のスタックが作製され、この3層のスタックを用いて試験が行われた。 Tables 1 and 2 show the results of tests confirming these. In these tests, the thin plate has a square shape with a side length of 30 mm in plan view, an electrolyte layer made of 8YSZ (thickness: 3 μm), and a fuel electrode layer made of NiO-8YSZ (thickness). : 150 μm), and a fuel electrode support type (support substrate is the fuel electrode layer) in which an air electrode layer (thickness: 15 μm) made of LSCF was laminated. Then, a three-layer stack was prepared using this thin plate, and a test was performed using this three-layer stack.
表1は、燃料電池10の温度を常温からその作動温度である800℃まで10分間で急速に昇温させる試験を、第1シール部13aを構成するガラスの成分を順次変えて第1軟化点を変更しながら繰り返し行った場合の結果を示している。スタックの出力の低下は、電流を所定値で一定に維持した状態にて各薄板体の起電力を測定することで評価し、薄板体の破損の有無は、スタックへのガス流量の収支を測定することで評価した。
Table 1 shows a test in which the temperature of the
表1に示すように、第1軟化点が400℃未満では、第1シール部13aを構成するガラス成分の薄板体11への飛散(被毒)が顕著となった。この結果、薄板体11の表面において反応に寄与し得る面積が低下することで、燃料電池10の出力が大きく低下した。本実験では、第1軟化点を下げるために第1シール部13aの材質中において低融点を有するPbOの配合割合が大きくされている。この結果、PbOによる薄板体11の被毒が顕著となったものと考えられる。
As shown in Table 1, when the first softening point was less than 400 ° C., scattering (poisoning) of the glass component constituting the
一方、第1軟化点が700℃を超えると、昇温過程において薄板体11に熱応力による破損(クラック)が生じた。これは、第1シール部13aの軟化開始時期が遅れることで応力開放の開始が遅れたことに起因すると考えられる。
On the other hand, when the first softening point exceeded 700 ° C., damage (crack) due to thermal stress occurred in the
他方、第1軟化点が400℃以上700℃以下である場合、薄板体11の被毒も顕著でなく、且つ薄板体11の応力開放が適切になされ得ることで薄板体11に破損が生じない。以上より、燃料電池10の作動温度が800℃である場合、第1軟化点は400℃以上700℃以下であることが好適である。
On the other hand, when the first softening point is 400 ° C. or more and 700 ° C. or less, the poisoning of the
表2は、上述のものと同じ3層のスタックを用いて燃料電池10の温度を常温から作動温度である800℃まで急速昇温させる試験を、第2シール部13bを構成する材質を順次変えて(第2軟化点及び結晶化温度を変更しながら)繰り返し行った場合の結果を示している。第2シール部13bを構成する材質としては、第1軟化点よりも高い軟化点を有する結晶化ガラス(ガラス相の一部が結晶化したもの。結晶質と非晶質とが混在するが、広義にはセラミックスといえる。)が使用されている。
Table 2 shows a test in which the temperature of the
表2に示すように、第2軟化点が600℃未満では、第2シール部13bのシール性が不十分であった。即ち、作動温度800℃において、燃料電池10に供給されるガスの流量を増大させてガス流路内部と外部との圧力差を増大させると、第2シール部13bのシール部(具体的には、支持部材12の側面と被覆部13b2との境界部分)からガス漏れが発生した。なお、本例では、この第2シール部13bのシール部からのガス漏れは、第1シール部13aのシール部からガス漏れが発生していることが前提で発生し得る。
As shown in Table 2, when the second softening point was less than 600 ° C., the sealing performance of the
一方、第2軟化点が900℃を超えると、燃料電池10の温度を常温と作動温度(=800℃)との間で繰り返し往復させた場合において第2シール部13bの被覆部13b2に破損(クラック)が発生した。これにより、第2軟化点が600℃未満の場合と同様、第2シール部13bのシール性が不十分となった。
On the other hand, when the second softening point exceeds 900 ° C., the cover portion 13b2 of the
他方、第2軟化点が600℃以上900℃以下である場合、第2シール部13bのシール性が不十分となる事態も発生せず、且つスタック形状が良好に維持されていた。以上より、燃料電池10の作動温度が800℃である場合、(第1軟化点よりも高い)第2軟化点は600℃以上900℃以下であることが好適である。
On the other hand, when the second softening point is 600 ° C. or higher and 900 ° C. or lower, the situation in which the sealing performance of the
なお、上述の2つの試験結果では、燃料電池10の作動温度が800℃である場合のみが示されているが、燃料電池10の作動温度が600℃、700℃、900℃の場合であっても、上述と同様の理由により「第1軟化点は400℃以上700℃以下であり、第2軟化点は600℃以上900℃以下であることが好ましい」ことが確認できている。以上のことから、燃料電池10の作動温度が600℃以上900℃以下である場合において、第1軟化点は400℃以上700℃以下であり、第2軟化点は600℃以上900℃以下であることが好ましいということができる。
The above two test results show only the case where the operating temperature of the
以下、上述した金属メッシュについて付言する。ここまでは、薄板体11が変形していない場合について説明した。しかしながら、薄板体11が極めて薄いこと、並びに、薄板体11を構成する上記3層の熱膨張率が相違すること等に起因して、実際には、図7に示すように、常温にて、薄板体11の中央部が下方向に(即ち、燃料極層11b側の表面が凹形状となる方向に)反る傾向がある。この反りの量(反り高さ)は、燃料電池10を常温から昇温させるにつれて減少していく(図7中の黒矢印を参照)。
Hereinafter, it adds about the metal mesh mentioned above. So far, the case where the
即ち、常温からの昇温過程において(即ち、上記反り量が減少していく過程において)、薄板体11の上下に内装された金属メッシュの積層方向の高さが薄板体11の反り量の減少に追随してそれぞれ変化していく。このことに起因して、薄板体11が上下の金属メッシュとの接触部から受ける荷重(図7中の白矢印を参照)の大きさがそれぞれ変化していく。このような状況において、金属メッシュを内装しない場合に比して、上述のように金属メッシュを内装した場合の方が、燃料電池10の急速起動時等において、薄板体11の割れがより一層発生し難くなることが判明した。これは、上述した第1シール部13aの軟化の作用と、各薄板体11が上下の金属メッシュからそれぞれ受ける弾性力の変化の作用との相乗効果によるものと考えられる。
That is, in the process of raising the temperature from room temperature (that is, in the process of decreasing the amount of warpage), the height in the stacking direction of the metal meshes mounted on the upper and lower sides of the
次に、上述した金属メッシュの積層方向についての弾性係数(弾性領域内における、積層方向における金属メッシュの高さの変化に対する弾性力の変化割合)の好ましい範囲について説明する。上述した燃料電池10(薄板体11の厚さが20μm以上且つ500μm以下の場合)では、金属メッシュの弾性係数は、0.1〜8N/μmであることが好ましい。これによれば、隣接する支持部材12と薄板体11との間の電気的接続が確実に確保され得るとともに、燃料電池10の急速起動時において、薄板体11の割れが発生し難くなることが判明した。
Next, a preferable range of the elastic coefficient in the stacking direction of the metal mesh described above (the rate of change in elastic force with respect to the change in the height of the metal mesh in the stacking direction in the elastic region) will be described. In the
以下、これらを確認した試験の結果を表3に示す。この試験も、上述のものと同じ3層のスタックを用いて行われた。なお、金属メッシュの弾性係数は、メッシュの仕様(例えば、メッシュ材の線径、エンボス部の形状、エンボス部の配置ピッチ等)により任意に調整可能である。上述の3層のスタックの組み立ては、形状が付与された金属メッシュを支持部材側に(拡散接合、スポット溶接等により)接合した状態で実施された。 The results of tests that confirmed these are shown in Table 3. This test was also performed using the same three-layer stack as described above. The elastic modulus of the metal mesh can be arbitrarily adjusted according to the mesh specifications (for example, the wire diameter of the mesh material, the shape of the embossed portion, the arrangement pitch of the embossed portion, etc.). The assembly of the three-layer stack described above was performed in a state where the metal mesh provided with the shape was joined to the support member side (by diffusion bonding, spot welding, or the like).
表3は、燃料電池10の温度を常温からその作動温度である800℃まで5分間で急速に昇温させる試験を、金属メッシュの弾性係数を変更しながら繰り返し行った場合の結果を示している。なお、金属メッシュの弾性係数は、燃料極側と空気極側とで同じとした。なお、金属メッシュの弾性係数は、燃料側、空気側のそれぞれに対して個別に適正化が可能である。
Table 3 shows the results when the test of rapidly raising the temperature of the
表3に示すように、金属メッシュの弾性係数が8N/μmよりも大きい場合、薄板体11の割れが却って発生し易くなることが判明した。これは、弾性係数が大きいと、上記反り量が減少していく過程における金属メッシュの弾性力の変化量が大きくなり、この結果、薄板体11の内部で局所的に応力が過大となる部分が発生し易くなることに起因するものと考えられる。
As shown in Table 3, it was found that when the elastic modulus of the metal mesh is larger than 8 N / μm, the
一方、金属メッシュの弾性係数が0.1N/μmよりも小さい場合、燃料電池10の出力密度が低下することが判明した。これは、弾性係数が小さいと、金属メッシュのプレ荷重が小さくなり、この結果、金属メッシュと、支持部材12又は薄板体11との接触部(接点)において接触不良が発生し易くなること起因するものと考えられる。
On the other hand, when the elastic modulus of the metal mesh is smaller than 0.1 N / μm, it has been found that the output density of the
他方、金属メッシュの弾性係数が0.1〜8N/μmである場合、燃料電池10の出力密度の低下が発生せず、且つ、薄板体11の割れが発生しない。以上より、上述した燃料電池10(薄板体11の厚さが20μm以上且つ500μm以下の場合)では、金属メッシュの弾性係数は、0.1〜8N/μmであることが好適である。
On the other hand, when the elastic modulus of the metal mesh is 0.1 to 8 N / μm, the output density of the
次に、燃料電池10の製造方法の一例について簡単に説明する。先ず、薄板体11は、例えば、電解質支持型(支持基板が電解質層)の場合、グリーンシート法により作成したセラミックスシート(YSZのテープ)の上面にシート(燃料極層11bとなる層)を印刷法により形成してから1400℃・1時間にて焼成し、更に、その焼成体の下面にシート(空気極層11cとなる層)を同じく印刷法により形成してから1200℃・1時間にて焼成することにより形成される。
Next, an example of a method for manufacturing the
また、燃料極支持型(支持基板が燃料極層)の場合、薄板体11は、シート(燃料極層11bとなる層)の下面にグリーンシート法により作成したセラミックスシート(YSZのテープ)を積層してから1400℃・1時間にて焼成し、更に、その焼成体の下面にシート(空気極層11cとなる層)を印刷法により形成してから850℃・1時間にて焼成することにより形成される。この場合、薄板体11は、シート(燃料極層11bとなる層)の下面にセラミックスシートを印刷法により形成してから1400℃・1時間にて焼成し、更に、その焼成体の下面にシート(空気極層11cとなる層)を印刷法により形成してから850℃・1時間にて焼成することにより形成されてもよい。
In the case of the fuel electrode support type (support substrate is the fuel electrode layer), the
支持部材12は、エッチング、切削等により形成され得る。
The
次に、各支持部材12の外周部において薄板体11を挟持する部分(即ち、下方枠体部12cの下面、及び上方枠体部12bの上面)に第1シール部13aを構成するガラス材料(ホウ酸珪ガラス)を印刷法によりそれぞれ塗布する。次いで、支持部材12と薄板体11とを交互に積層し、熱処理(800℃/1hr)を施してスタック構造を一体化する。その後、スタックの外周部に対し、第2シール部13bを構成する材料(ホウ酸珪系結晶化ガラス等)を塗布して熱処理(例えば850℃/1hr)して補強する。これにより、燃料電池10が完成する。
Next, a glass material that constitutes the
以上、説明したように、本発明の実施形態に係るスタック構造を有する固体酸化物型燃料電池10では、各薄板体11について、薄板体10の周縁部全周と「一対の枠体部」とがガラスからなるシール材13により互いにシールされている。このシール材13では、第1シール部13aの軟化点が燃料電池10の作動温度よりも低く、第2シール部13bの軟化点が燃料電池10の作動温度よりも高く設定されている。これにより、シール機能(具体的には、燃料流路22内の燃料ガスと空気流路21内の空気との混合及び外部への漏出を防止する機能)と、燃料電池10全体の形状を維持する機能とが安定して発揮されつつ、作動温度まで燃料電池10が昇温された場合における薄板体11の割れの発生が抑制され得る。
As described above, in the solid
加えて、空気流路21及び燃料流路22中において、金属メッシュが、対応する支持部材12と薄板体11とを積層方向において互いに引き離す方向の弾性力が発生するように(即ち、プレ荷重が発生するように)内装されている。この金属メッシュの積層方向の弾性係数は、0.1〜8N/μmに設定される。これにより、隣接する支持部材12と薄板体11との間の電気的接続が確実に確保され得るとともに、燃料電池10の急速起動時において、薄板体11の割れが発生し難くなる。
In addition, in the
なお、本発明は上記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、上記実施形態では、第2シール部13bは、第2軟化点及び結晶化温度を有するガラス等から形成されているが、(作動温度以下では軟化しない)無機物質(即ち、セラミックス)等から構成されていてもよい。
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various modification can be employ | adopted within the scope of the present invention. For example, in the above-described embodiment, the
また、上記実施形態においては、第1、第2シール部13a,13bが分離されているが、図8に示すように、第1、第2シール部13a,13bが繋がっていてもよい。図8では、上記「第1空間」をシールする第1シール部13aにおいて、薄板体11の周縁部の上面及び下面と接触する部分が第1軟化点を有するガラスからなり、上方支持部材122の下方枠体部12cの下面及び下方支持部材121の上方枠体部12bの上面と接触する部分が第2軟化点を有するガラスからなっている。また、第2軟化点を有するガラスからなる第2シール部13bの進入部13b1は、第1シール部13aにおいて第2軟化点を有するガラスからなる部分と繋がっている。
Moreover, in the said embodiment, although 1st,
また、上記実施形態においては、第2シール部13bの被覆部13b2がスタック構造を有する燃料電池10の側面全域に亘って連続しているが、図9に示すように、被覆部13b2が薄板体11毎に分離していてもよい。
Moreover, in the said embodiment, although the coating | coated part 13b2 of the 2nd seal |
また、上記実施形態においては、第1、第2シール部13a,13bの材料として異なる組成のものが使用されているが、同一組成系の材料を使用することもできる。具体的には、同一組成系においてガラスの粒径に差を設けたり、同一組成系において微量添加物等に差を設けることで、結晶化の進行度を異ならせて両シール部13a,13bの機能を異ならせる。
Moreover, in the said embodiment, although the thing of a different composition is used as a material of 1st,
例えば、第1シール部13aの材料として粒径の大きいガラス材料(例えば1μm程度)を使用し、第2シール部13bの材料として粒径の小さいガラス材料(例えば0.3μm以下)を使用する。これにより、スタック組立時におけるガラス接合のための熱処理温度時(例えば850℃)における結晶化の進行度に差を持たせることができる。即ち、粒径の大きい第1シール部13aでは結晶化が完全に進行せずに一部非晶質層が残留した半結晶状態が保持され、粒径の小さい第2シール部13bでは結晶化を完了させることができる。これにより、半結晶状態にある第1シール部13aには熱応力の緩衝機能を持たせ、結晶化が完了した第2シール部13bにはガスシール機能を持たせることができる。
For example, a glass material having a large particle size (for example, about 1 μm) is used as the material for the
このように、第1、第2シール部13a,13bの材料として同一組成系のものが使用される場合、組成系の異なる材料を使用した場合においてSOFC作動時にて熱履歴に起因して第1、第2シール部13a,13bが互いに接触して発生する接触部でのシール材の変質を抑制することができる。この結果、図10に示すように、第1シール部13aと第2シール部13bの進入部13b1とを予め接触させることも可能である。
As described above, when materials of the same composition system are used as the materials of the first and
また、上記実施形態において、燃料極層11b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。
In the above embodiment, the
また、空気極層11c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。
The
また、上記実施形態においては、薄板体11及び支持部材12の平面形状は正方形であるが、長方形、円形、楕円形等であってもよい。
Moreover, in the said embodiment, although the planar shape of the
また、上記実施形態においては、反応装置として固体酸化物型燃料電池(SOFC)が採用されているが、セラミックリアクタ、例えば、排ガス浄化リアクタが採用されてもよい。 In the above embodiment, a solid oxide fuel cell (SOFC) is employed as the reaction device, but a ceramic reactor, for example, an exhaust gas purification reactor, may be employed.
10…燃料電池、11…薄板体、11a…ジルコニア固体電解質層、11b…燃料極層、11c…空気極層、12…支持部材、12a…平面部、12b…上方枠体部、12c…下方枠体部、13…シール材、13a…第1シール部、13b…第2シール部、13b1…進入部、13b2…被覆部、21…空気流路、22…燃料流路、121…下方支持部材、122…上方支持部材
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記1又は複数の薄板体を支持する複数の支持部材と、
を備え、前記薄板体と前記支持部材とが1つずつ交互に積層されてなる反応装置において、
前記各薄板体について、前記薄板体の周縁部が前記薄板体の上方に隣接する前記支持部材である上方支持部材の周縁部の下面と前記薄板体の下方に隣接する前記支持部材である下方支持部材の周縁部の上面との間に挟持されるように、前記薄板体の周縁部、前記上方支持部材の周縁部、及び前記下方支持部材の周縁部がシール材により互いにシールされていて、
前記シール材は、前記薄板体の周縁部の上面と前記上方支持部材の周縁部の下面、及び前記薄板体の周縁部の下面と前記下方支持部材の周縁部の上面をそれぞれシールする第1シール部と、前記上方支持部材の周縁部の下側端と前記下方支持部材の周縁部の上側端をシールする第2シール部とを有し、
前記第1シール部において少なくとも前記薄板体の周縁部の上面及び下面と接触する部分は、前記作動温度よりも低い第1軟化点を有するガラスからなり、前記第2シール部において少なくとも前記上方支持部材の周縁部の下側端と前記下方支持部材の周縁部の上側端の間の部分は、前記第1軟化点よりも高い第2軟化点を有するガラス、又はセラミックスからなる反応装置。 One or more thin plates that undergo a chemical reaction at an operating temperature higher than room temperature;
A plurality of support members that support the one or more thin plate members;
In the reaction apparatus in which the thin plate member and the support member are alternately stacked one by one,
For each of the thin plate bodies, the peripheral portion of the thin plate member is the lower support of the upper support member that is the support member adjacent to the upper portion of the thin plate member, and the lower support that is the support member adjacent to the lower portion of the thin plate member. The peripheral portion of the thin plate member, the peripheral portion of the upper support member, and the peripheral portion of the lower support member are sealed with each other by a sealing material so as to be sandwiched between the upper surface of the peripheral portion of the member,
The seal material seals the upper surface of the peripheral portion of the thin plate member and the lower surface of the peripheral portion of the upper support member, and the lower surface of the peripheral portion of the thin plate member and the upper surface of the peripheral portion of the lower support member. A second seal portion that seals the lower end of the peripheral portion of the upper support member and the upper end of the peripheral portion of the lower support member,
In the first seal portion, at least portions that contact the upper and lower surfaces of the peripheral edge of the thin plate member are made of glass having a first softening point lower than the operating temperature, and at least the upper support member in the second seal portion. The reaction apparatus which consists of the glass or ceramics which has the 2nd softening point higher than the said 1st softening point in the part between the lower end of the peripheral part of this, and the upper end of the peripheral part of the said lower support member.
前記各薄板体の厚さは、20μm以上且つ500μm以下である反応装置。 The reactor according to claim 1,
The thickness of each said thin-plate body is a reactor which is 20 micrometers or more and 500 micrometers or less.
前記各薄板体は、固体電解質層と、前記固体電解質層の上面に形成された燃料極層と、前記固体電解質層の下面に形成された空気極層と、が積層・焼成されてなり、
前記各薄板体について、前記上方支持部材の周縁部よりも内側に位置する平面部の下面と前記薄板体の燃料極層の上面との間の空間に燃料ガスが供給される燃料流路が区画・形成されるとともに、前記下方支持部材の周縁部よりも内側に位置する平面部の上面と前記薄板体の空気極層の下面との間の空間に酸素を含むガスが供給される空気流路が区画・形成されていて、固体酸化物型燃料電池として機能する反応装置。 In the reaction apparatus according to claim 1 or 2,
Each thin plate body is formed by laminating and firing a solid electrolyte layer, a fuel electrode layer formed on the upper surface of the solid electrolyte layer, and an air electrode layer formed on the lower surface of the solid electrolyte layer,
For each of the thin plate bodies, a fuel flow path for supplying fuel gas is defined in a space between the lower surface of the flat portion located inside the peripheral edge portion of the upper support member and the upper surface of the fuel electrode layer of the thin plate body. An air flow path in which oxygen-containing gas is supplied to a space formed between the upper surface of the flat portion located inside the peripheral edge portion of the lower support member and the lower surface of the air electrode layer of the thin plate member Is a reactor that functions as a solid oxide fuel cell.
前記作動温度は600℃以上900℃以下であり、前記第1軟化点は400℃以上700℃以下であり、前記第2軟化点は600℃以上900℃以下である反応装置。 The reactor according to claim 3,
The reactor in which the operating temperature is 600 ° C. or higher and 900 ° C. or lower, the first softening point is 400 ° C. or higher and 700 ° C. or lower, and the second softening point is 600 ° C. or higher and 900 ° C. or lower.
前記第1シール部と前記第2シール部とは分離していて、前記第1シール部の全体が前記第1軟化点を有するガラスからなり、前記第2シール部の全体が前記第2軟化点を有するガラス、又はセラミックスからなり、
前記第2シール部は、前記上側支持部材の周縁部の下面と前記下側支持部材の周縁部の上面の間の空間内に進入する進入部と、前記進入部と繋がっていて前記上側支持部材の周縁部の側面と前記下側支持部材の周縁部の側面とを覆う被覆部とを有する反応装置。 In the reaction apparatus according to any one of claims 1 to 4,
The first seal portion and the second seal portion are separated from each other, and the entire first seal portion is made of glass having the first softening point, and the entire second seal portion is the second softening point. Made of glass or ceramics having
The second seal part is connected to the entry part entering the space between the lower surface of the peripheral part of the upper support member and the upper surface of the peripheral part of the lower support member, and the upper support member. The reaction apparatus which has a coating | coated part which covers the side surface of the peripheral part of this, and the side surface of the peripheral part of the said lower side support member.
前記第1シール部の全体が前記第1軟化点を有するガラスからなり、前記第2シール部の全体が前記第2軟化点を有するガラス、又はセラミックスからなっていて、
前記第2シール部は、前記上側支持部材の周縁部の下面と前記下側支持部材の周縁部の上面の間の空間内に進入する進入部と、前記進入部と繋がっていて前記上側支持部材の周縁部の側面と前記下側支持部材の周縁部の側面とを覆う被覆部とを有し、
前記第1シール部は、前記第2シール部の前記進入部と接触している反応装置。 In the reaction apparatus according to any one of claims 1 to 4,
The entire first seal portion is made of glass having the first softening point, and the entire second seal portion is made of glass having the second softening point, or ceramics,
The second seal part is connected to the entry part entering the space between the lower surface of the peripheral part of the upper support member and the upper surface of the peripheral part of the lower support member, and the upper support member. A covering portion that covers a side surface of the peripheral edge portion and a side surface of the peripheral edge portion of the lower support member,
The reaction device in which the first seal portion is in contact with the entry portion of the second seal portion.
前記各薄板体について、前記上方支持部材の周縁部よりも内側に位置する平面部の下面と前記薄板体の上面との間の空間、及び、前記下方支持部材の周縁部よりも内側に位置する平面部の上面と前記薄板体の下面との間の空間のそれぞれにおいて、前記支持部材と前記薄板体との間の電気的接続を確保する集電部材が内装されていて、
前記各集電部材は、積層方向において弾性を有するとともに、前記支持部材と前記薄板体とを前記積層方向において互いに引き離す方向の弾性力が発生するように内装されていて、
前記各集電部材の前記弾性に関する弾性係数は、0.1〜8N/μmである反応装置。 The reaction apparatus according to any one of claims 1 to 6,
About each said thin-plate body, it is located inside the space between the lower surface of the plane part located inside the peripheral part of the said upper support member, and the upper surface of the said thin plate body, and the peripheral part of the said lower support member. In each of the spaces between the upper surface of the flat portion and the lower surface of the thin plate body, a current collecting member that secures electrical connection between the support member and the thin plate body is provided,
Each of the current collecting members has elasticity in the stacking direction, and is provided so as to generate an elastic force in a direction of separating the support member and the thin plate member from each other in the stacking direction,
A reactor having an elasticity coefficient relating to the elasticity of each of the current collecting members is 0.1 to 8 N / μm.
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