JP2010073631A - Fuel cell power generation unit and fuel cell stack - Google Patents

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格 柴田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power generation unit capable of joining metal cases together through a soft adhesive layer and improving durability as a fuel cell stack, and a fuel cell stack consisting of such a power generation unit. <P>SOLUTION: In the power generation unit 1 including a cell inside a metal case 2 consisting of a first metal plate 3 and a second metal plate 4, fuel gas and oxidized gas are separated as well as a flat plate part of the second metal plate 4 functioning as a conductive passage is separated as an electric conductive plate 4e to electrically insulate from an outer frame part 4b being as an adhesive site between power generation units. By laminating a plurality of such power generation units 1, metal cases 2 are adhered with each other with the use of fully-soft metal wax material to make a fuel cell stack. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池を金属ケースに内包して成る燃料電池発電ユニットと、このような発電ユニットを積層した状態に接着して成る燃料電池スタックに係わり、特に、発電ユニット内の絶縁構造と、このような発電ユニット同士の接着技術に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell power generation unit formed by enclosing a solid oxide fuel cell in a metal case, and a fuel cell stack formed by adhering such power generation units in a stacked state. The present invention relates to an insulating structure and a technique for bonding such power generation units.

固体酸化物形燃料電池(SOFC)は、電解質としてイットリア安定化ジルコニアなどの酸化物イオン導電性を備えた固体電解質を用い、その両側にガス透過性を備えた電極を配置した構造を有し、1000℃近くの高温で作動する電池として知られている。
しかし、近年、電解質特性の改良などによるセル性能の向上に伴って、作動温度の低温下が進み、600〜800℃でも十分な発電出力が得られるようになってきている。
A solid oxide fuel cell (SOFC) has a structure in which a solid electrolyte having oxide ion conductivity such as yttria-stabilized zirconia is used as an electrolyte, and electrodes having gas permeability are arranged on both sides thereof. It is known as a battery that operates at a high temperature close to 1000 ° C.
However, in recent years, with the improvement in cell performance due to improvements in electrolyte characteristics, the operating temperature has been lowered, and sufficient power generation output has been obtained even at 600 to 800 ° C.

このような温度での運転ができるようになると、セパレータなどの燃料電池の周辺部材に、従来のセラミックス系材料に替えて耐熱性金属材料を使用することが一般的になりつつある。
なお、ここで言う耐熱性金属材料とは、クロムを含む合金であって、ステンレス鋼やニッケル基合金を意味し、具体的には、フェライト系ステンレス鋼やインコネル(登録商標)、ハステロイ(登録商標)などを挙げることができる。
When operation at such a temperature becomes possible, it is becoming common to use a heat-resistant metal material instead of a conventional ceramic material for the peripheral members of a fuel cell such as a separator.
The heat-resistant metal material mentioned here is an alloy containing chromium and means stainless steel or nickel-based alloy. Specifically, ferritic stainless steel, Inconel (registered trademark), Hastelloy (registered trademark) ) And the like.

このような低温作動型固体酸化物形燃料電池においては、セパレータ機能を備え、ガス流路を形成する耐熱金属製ケースに発電要素としてのセルを内包した形態の発電ユニット(カセットとも称する)とし、これを積層してスタックを構成することになる。   In such a low temperature operation type solid oxide fuel cell, a power generation unit (also referred to as a cassette) having a separator function and including a cell as a power generation element in a heat resistant metal case forming a gas flow path, These are stacked to form a stack.

このような単電池内における金属部材間や、金属部材とセラミックス部材(電解質膜)間の接合には、必要に応じてセラミックス粉や金属粉を混合したガラスから成るシール材や、必要に応じてセラミックスを含む金属ろう材から成るシール材を用いることが特許文献1及び2にそれぞれ載されている。
特開2004−39573号公報 特開2004−39574号公報
For joining between metal members in such a single cell or between a metal member and a ceramic member (electrolyte membrane), if necessary, a sealing material made of glass mixed with ceramic powder or metal powder, or if necessary Patent Documents 1 and 2 disclose the use of a sealing material made of a metal brazing material including ceramics.
JP 2004-39573 A JP 2004-39574 A

しかしながら、上記した発電ユニットの内部や、燃料電池スタックにおける発電ユニット同士の接着用材料には、部位に応じた種々の性能が要求される。例えば、電池スタックにおける発電ユニット同士の接合には、金属製ケースとセル電極が短絡することを防止するために、発電ユニット間を電気的に絶縁する必要があることから、ガスシール性に加えて電気絶縁性が要求される。
したがって、上記引用文献2に記載されたような金属ろう材を使用することはできず、このような接合には、引用文献1に記載されたガラスシール材に代表されるガラス系材料が使用されることになる。
However, various performances corresponding to the parts are required for the inside of the power generation unit described above and the material for bonding the power generation units in the fuel cell stack. For example, in order to prevent the metal case and the cell electrode from being short-circuited in the joining of the power generation units in the battery stack, it is necessary to electrically insulate the power generation units. Electrical insulation is required.
Therefore, the metal brazing material described in the above cited reference 2 cannot be used, and a glass-based material represented by the glass sealing material described in the cited reference 1 is used for such joining. Will be.

一方、電池スタックは、発電ユニットを多段に積層して成るものであるからして、各発電ユニットを構成する個々の金属ケースには高い寸法精度が求められ、剛性体となる。また、集電性を良好なものとするために、発電ユニット同士を互いに押付ける必要があることからも、金属ケースには剛性が求められる。
しかし、発電ユニット同士の接合に用いるガラス系材料は、本質的に脆弱材料であり、柔軟性に欠けることから、金属ケースが熱的あるいは機械的に変形した場合には、これに追随することができず、割れたり剥がれたりする危険性があり、剛性の高い金属ケースの場合には、この傾向が顕著になるという問題があった。
On the other hand, since the battery stack is formed by stacking power generation units in multiple stages, high dimensional accuracy is required for each metal case constituting each power generation unit, and it becomes a rigid body. In addition, the metal case is required to have rigidity because the power generation units need to be pressed against each other in order to improve the current collecting performance.
However, the glass-based material used for joining the power generation units is essentially a fragile material and lacks flexibility, so if the metal case is deformed thermally or mechanically, it can follow this. In the case of a metal case with high rigidity, there is a problem that this tendency becomes remarkable.

本発明は、セルを金属製ケース内に収納した発電ユニットを複数個積層し、金属ケース間を接着して成る燃料電池スタックにおける上記課題に鑑みてなされたものである。そして、その目的とするところは、柔軟な接着層を介して金属ケース間を接合することができ、スタックとしての耐久性を向上させることができる発電ユニットと、このような発電ユニットを積層状態に複数個接着した燃料電池スタックを提供することにある。   The present invention has been made in view of the above problems in a fuel cell stack in which a plurality of power generation units each containing cells in a metal case are stacked and the metal cases are bonded together. And the purpose is to be able to join between metal cases through a flexible adhesive layer, and to improve the durability as a stack, and such a power generation unit in a laminated state It is an object of the present invention to provide a fuel cell stack in which a plurality are adhered.

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、セル間の導通経路として機能する金属ケースのセパレータ部分と、金属ケース同士が接着される外枠部分との電気的導通を遮断することによって上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに到った。   As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have conducted electrical continuity between the separator portion of the metal case that functions as a conduction path between cells and the outer frame portion to which the metal cases are bonded. The inventors have found that the above object can be achieved by blocking, and have completed the present invention.

本発明は上記知見に基づくものであって、本発明の燃料電池発電ユニットは、セルを支持する第1の金属板と、燃料ガスと酸化性ガスを分離する第2の金属板から構成され、これらガスの流路を備えた金属ケースに上記セルを内包して成るものであって、上記第2の金属板は、その中央部に通電経路となる電気伝導板を備え、この電気伝導板がマニホールド部を備えた外枠部から電気的に絶縁されていること特徴としている。   The present invention is based on the above knowledge, and the fuel cell power generation unit of the present invention includes a first metal plate that supports a cell and a second metal plate that separates a fuel gas and an oxidizing gas, The cell is encased in a metal case provided with these gas flow paths, and the second metal plate is provided with an electric conduction plate serving as a current-carrying path at the center thereof, and the electric conduction plate It is characterized by being electrically insulated from the outer frame portion provided with the manifold portion.

また、本発明の燃料電池スタックは、本発明の上記発電ユニットが複数個積層され、これら発電ユニット同士が金属ケースを構成する第1及び第2の金属板よりも剛性の低い接着層を介して接着されていることを特徴とする。   Further, the fuel cell stack of the present invention includes a plurality of the power generation units of the present invention stacked, and the power generation units are connected to each other through an adhesive layer having a lower rigidity than the first and second metal plates constituting the metal case. It is bonded.

そして、本発明の燃料電池スタックの製造方法においては、発電ユニットの金属ケースにおける外枠部の表面及び/又は裏面に銀系ろう材層を形成し、銀系ろう材層を備えた複数の発電ユニットを積層した状態で加熱と加圧をするようにしている。   In the fuel cell stack manufacturing method of the present invention, a silver brazing filler metal layer is formed on the front and / or back surface of the outer frame portion of the metal case of the power generation unit, and a plurality of power generation units each having the silver brazing filler metal layer are provided. Heating and pressing are performed with the units stacked.

本発明によれば、セル支持板として機能する第1の金属板と、セパレータとして機能する第2の金属板から構成される金属ケースにセルを内包して成る発電ユニットにおいて、第2の金属板がその中央部に通電経路となる電気伝導板を備え、これがその外枠部分から電気的に絶縁されている。したがって、発電ユニットの積層に際して、金属ケース同士の接着に絶縁性のガラス系材料を使用する必要がなくなり、これ以外の延性に富む材料、例えば金属ろう材を用いることによって、割れや剥離を防止することができ、スタックとしての耐久性が向上する。   According to the present invention, in a power generation unit including a cell in a metal case composed of a first metal plate functioning as a cell support plate and a second metal plate functioning as a separator, the second metal plate Is provided with an electrically conductive plate serving as an energization path at the center thereof, which is electrically insulated from the outer frame portion. Therefore, it is not necessary to use an insulating glass-based material for bonding the metal cases when laminating the power generation units, and cracking and peeling are prevented by using other ductile materials such as metal brazing materials. This can improve the durability of the stack.

以下に、本発明の燃料電池発電ユニットと、これを積層した燃料電池スタックについて、さらに具体的かつ詳細に説明する。なお、本明細書において、「%」については、特記しない限り質量百分率を意味するものとする。   Hereinafter, the fuel cell power generation unit of the present invention and the fuel cell stack in which the fuel cell power generation unit is laminated will be described more specifically and in detail. In the present specification, “%” means mass percentage unless otherwise specified.

本発明の燃料電池発電ユニットは、セルを支持する第1の金属板と、燃料ガスと酸化性ガスを分離する第2の金属板から構成され、上記燃料ガス及び酸化性ガスの流路をそれぞれ備えた金属ケースに上記セルを内包して成るものである。そして、第2の金属板は、上記したように、通電経路となり、セパレータとしても機能する電気伝導板をその中央部に備え、この電気伝導板がマニホールド部を備えた外枠部から電気的に絶縁されていることから、発電ユニット同士を接着するに際して、金属ケース間を絶縁する必要がなくなる。   The fuel cell power generation unit of the present invention includes a first metal plate that supports the cell and a second metal plate that separates the fuel gas and the oxidizing gas, and the flow paths of the fuel gas and the oxidizing gas are respectively provided. The cell is included in a metal case provided. And as above-mentioned, a 2nd metal plate becomes an electricity supply path | route, equips the center part with the electrical-conductive board which functions also as a separator, and this electrical-conductive board is electrically from the outer frame part provided with the manifold part. Since it is insulated, it is not necessary to insulate the metal cases when bonding the power generation units.

すなわち、一般の発電ユニットにおいては、セパレータとして機能する隔壁部分を集電経路としても利用していることから、連続構造の第2の金属板をセパレータとして用いた場合には、金属ケース同士を電気的に絶縁することによってセル電極の短絡を防止する必要がある。これに対して、本発明においては、ガス隔壁及び集電経路となる第2の金属板の中央部分(電気伝導板)を接着部位となる外枠部分から絶縁しているので、金属ケース同士の接着に導電性の有無が問われなくなり、脆いガラス系に代えて延性に優れた材料を用いることができるようになる。   That is, in a general power generation unit, the partition wall functioning as a separator is also used as a current collecting path. Therefore, when a continuous second metal plate is used as a separator, the metal cases are electrically connected to each other. It is necessary to prevent short circuit of the cell electrode by electrically insulating. On the other hand, in the present invention, since the central portion (electrically conductive plate) of the second metal plate serving as the gas partition wall and the current collecting path is insulated from the outer frame portion serving as the bonding site, Whether or not there is conductivity in the bonding is not questioned, and a material having excellent ductility can be used instead of the brittle glass system.

例えば、ガラス系接着材料として、BCAS(BaO−CaO−Al−SiO)ガラスのヤング率が230GPaであるのに対し、銀銅ろうのような金属ろう材のヤング率は70GPa程度と約1/3であって、金属ろう材はガラス材に較べて遙かに低剛性であり、高延性を示す。
したがって、このような延性に富む金属ろう材を発電ユニット間の接着に適用することによって、金属ケースの昇降温に伴う変形や衝撃による振動などにも接着層が追随できるようになり、割れや剥離を防止し、ガスシール性や集電性を長期間維持することができ、スタックの耐久性が向上する。
For example, as a glass-based adhesive material, the Young's modulus of BCAS (BaO—CaO—Al 2 O 3 —SiO 2 ) glass is 230 GPa, whereas the Young's modulus of a metal brazing material such as silver-copper brazing is about 70 GPa. About 1/3, the metal brazing material is much less rigid than the glass material and exhibits high ductility.
Therefore, by applying such ductile metal brazing material for bonding between power generation units, the adhesive layer can follow deformations caused by temperature rise and fall of the metal case and vibration due to impact, etc., and cracking and peeling Can be maintained, and the gas sealing property and current collecting property can be maintained for a long time, and the durability of the stack is improved.

本発明の発電ユニットにおいて、発電要素としてのセルは、基本的に固体電解質の両面に燃料極及び空気極を形成した3層構造を有し、電解質材料としては、例えば、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、SDC(サマリアドープトセリア)、SSZ(スカンジア安定化ジルコニア)、LSGM(ランタンがレート)などを挙げることができる。
また、燃料極材料としては、例えばNi−YSZ、Ni−SDC、Ni−SSZ等、空気極材料については、LSM(LaSrMnO)、SSC(SrSmCoO)、LSC(LaSrCoO)、LSCF(LaSrCoFeO)などの電子・酸素イオン導電酸化物、あるいはPt、Agのような金属材料を挙げることができるが、特にこれらに限定されるものではない。
In the power generation unit of the present invention, a cell as a power generation element basically has a three-layer structure in which a fuel electrode and an air electrode are formed on both sides of a solid electrolyte. As an electrolyte material, for example, YSZ (yttria stabilized zirconia) ), SDC (samaria doped ceria), SSZ (scandia stabilized zirconia), LSGM (lanthanum is a rate), and the like.
Further, as the fuel electrode material, for example, Ni-YSZ, Ni-SDC, Ni-SSZ, etc., and as the air electrode material, electrons such as LSM (LaSrMnO), SSC (SrSmCoO), LSC (LaSrCoO), LSCF (LaSrCoFeO), etc. An oxygen ion conductive oxide or a metal material such as Pt or Ag can be mentioned, but is not particularly limited thereto.

金属ケースを構成する第1及び第2の金属板の材料としては、ステンレス鋼やニッケル基合金、インコネル、ハステロイなどの耐熱金属を用いることができるが、比較的安価であることからステンレス鋼、特にセルを構成する材料に対する熱膨張率の近似性の観点からフェライト系ステンレス鋼を用いることが望ましい。具体的にはSUS430鋼やFe−22Cr鋼などを使用できる。   As the material of the first and second metal plates constituting the metal case, stainless steel, nickel-base alloy, Inconel, Hastelloy, or other heat-resistant metal can be used. It is desirable to use ferritic stainless steel from the viewpoint of the closeness of the coefficient of thermal expansion to the material constituting the cell. Specifically, SUS430 steel, Fe-22Cr steel, or the like can be used.

また、発電ユニットの積層に際して、金属ケース同士を接着する材料としては、上記したような金属ろう材を用いることができ、ガラス系材料よりも延性に富むものである限り、その種類や成分に特に限定はない。
金属ろう材としては、金属ケースを構成する第1及び第2の金属板の材料よりも剛性(例えば、フェライト系ステンレス鋼のヤング率は200GPa程度)の低い接着層が得られる材料であることが望ましく、例えば、銀系ろう材を用いることができる。銀系ろう材として具体的には、Agに2〜5%のCuを添加した銀銅ろうや、第3元素として微量にチタン、ニッケル、ジルコニウムを添加したAg合金を使用することができる。
In addition, when laminating the power generation units, the metal brazing material as described above can be used as a material for bonding the metal cases to each other, and as long as it is more ductile than the glass-based material, there are no particular limitations on the types and components thereof. Absent.
The metal brazing material may be a material that can provide an adhesive layer having lower rigidity (for example, Young's modulus of ferritic stainless steel is about 200 GPa) than the materials of the first and second metal plates constituting the metal case. Desirably, for example, a silver brazing material can be used. Specifically, a silver-copper brazing material in which 2 to 5% of Cu is added to Ag or an Ag alloy in which a small amount of titanium, nickel, or zirconium is added as a third element can be used as the silver-based brazing material.

一方、発電ユニット内部の絶縁性接着部位、すなわち第2の金属板の外枠部に金属製の電気伝導板を直接接合するのに用いる接着材としては、セルや金属板(フェライト系ステンレス鋼)との熱膨張率の差が少ないことから、先に述べたBCASガラスを用いることが望ましい。   On the other hand, as an adhesive used for directly joining a metal electric conductive plate to the insulating bonding portion inside the power generation unit, that is, the outer frame portion of the second metal plate, a cell or a metal plate (ferritic stainless steel) Therefore, it is desirable to use the BCAS glass described above.

本発明の発電ユニットにおいては、上記したように、ガス隔壁及び集電経路として機能する第2の金属板の中央部分を分離して電気伝導板とし、これを接着部位となる外枠部分から絶縁したことを特徴としている。
このとき、上記電気伝導板を絶縁するための具体的構造としては、電気伝導板が金属製の場合、第2の金属板の外枠部に、例えば上記BCASガラスのような電気絶縁性接着層を介して接着するようになすことができる。
In the power generation unit of the present invention, as described above, the central portion of the second metal plate functioning as the gas partition wall and the current collecting path is separated to be an electrically conductive plate, which is insulated from the outer frame portion serving as a bonding portion. It is characterized by that.
At this time, as a specific structure for insulating the electrical conductive plate, when the electrical conductive plate is made of metal, an electrical insulating adhesive layer such as the BCAS glass is formed on the outer frame portion of the second metal plate. It can be made to adhere via.

また、電気絶縁性を有する板材を介して第2の金属板の外枠部に接着することも可能である。このとき、上記板材の介在によって電気伝導板と外枠部分との間の絶縁性が確保されているので、板材と外枠、板材と電気伝導板との間の接着には絶縁性が必ずしも要求されない。したがって、例えば金属ろう材などの高延性材料を用いることが望ましいが、ガラス系材料を用いたとしても、さして支障はない。   Moreover, it is also possible to adhere | attach to the outer frame part of a 2nd metal plate through the board | plate material which has electrical insulation. At this time, since the insulation between the electrical conductive plate and the outer frame portion is ensured by the interposition of the plate material, the insulation between the plate material and the outer frame and the adhesion between the plate material and the electrical conductive plate is always required. Not. Accordingly, it is desirable to use a highly ductile material such as a metal brazing material, but there is no problem even if a glass-based material is used.

さらに、電気伝導板として、多数の貫通孔を備えた電気絶縁性材料から成る板材を用い、この貫通孔内に、例えば金属などの導電性材料を充填することによって板厚方向の電気伝導性を確保するようになすこともできる。このとき、当該電気伝導板の外枠部との接着には、貫通孔部分に接触しない限り、金属ろう材などの高延性材料を用いることができる。なお、貫通孔内への導電性材料の充填に際しては、ガス透過が生じないように密に充填することが必要である。   Further, as the electrical conductive plate, a plate material made of an electrically insulating material having a large number of through holes is used. By filling the through holes with a conductive material such as metal, the electrical conductivity in the plate thickness direction is improved. It can also be ensured. At this time, a high ductility material such as a metal brazing material can be used for adhesion to the outer frame portion of the electric conductive plate as long as it does not contact the through-hole portion. In addition, when filling the through hole with the conductive material, it is necessary to close the through hole so as not to cause gas permeation.

上記電気伝導板には、多孔質金属や金属メッシュ、フエルト状金属(金属ウール)など、ガス透過性を備えた金属体を電気的に接続することができる。このような金属体は、電気伝導板とセル電極の間に介在して、燃料ガスや酸化性ガスのセルへの供給を妨げることなく集電体として機能する。   A metal body having gas permeability such as a porous metal, a metal mesh, or a felt-like metal (metal wool) can be electrically connected to the electric conductive plate. Such a metal body is interposed between the electric conductive plate and the cell electrode, and functions as a current collector without hindering supply of fuel gas or oxidizing gas to the cell.

本発明の発電ユニットにおいては、第1の金属板若しくは第2の金属板、又はその両方の金属板の外枠部に切欠部を設けることができ、これによって金属ケースの剛性を低め、より柔軟な構造にすることができる。切欠は、昇降温時の熱応力やケースの変形による機械的応力の逃げとなり、接着部に加わる応力が緩和され、スタックの耐久性を向上することができる。
なお、切欠部からの燃料ガスや酸化性ガスの漏れは、必要に応じて、金属の薄板などによって塞ぐことができる。このとき、例えば酸化性ガスとして空気を用いた場合、空気の漏れについては、必ずしも塞がなくてもよい。
In the power generation unit of the present invention, a cutout portion can be provided in the outer frame portion of the first metal plate, the second metal plate, or both metal plates, thereby reducing the rigidity of the metal case and making it more flexible. Structure. The notch serves as a relief of thermal stress at the time of raising and lowering temperature and mechanical stress due to deformation of the case, the stress applied to the bonded portion is relaxed, and the durability of the stack can be improved.
Note that the leakage of the fuel gas and the oxidizing gas from the notch can be blocked by a thin metal plate or the like as necessary. At this time, for example, when air is used as the oxidizing gas, air leakage does not necessarily have to be blocked.

本発明の燃料電池スタックは、上記燃料電池発電ユニットの複数個が積層され、発電ユニット同士が金属ケースを構成する第1及び第2の金属板よりも剛性の低い接着層、例えば金属ろう材から成る接着層を介して接着されたものである。   A fuel cell stack according to the present invention includes a plurality of the fuel cell power generation units stacked, and the power generation units are made of an adhesive layer having a lower rigidity than the first and second metal plates constituting the metal case, for example, a metal brazing material. It is bonded through an adhesive layer.

なお、金属ケースの外枠部に切欠を備えた発電ユニットを用いた燃料電池スタックにおいては、ユニット同士を同様に接着した状態で、切欠を設けた第1及び第2の金属板の少なくとも一方の外枠部に、同様の接着層によって金属薄板を接着することが望ましい。これによって、切欠部から燃料ガスや酸化性ガスが漏れないようになる。
なお、金属薄板を用いるのは、この接着によって金属ケースの柔軟性が損なわれないようにするためであって、「薄板」とは金属ケースの板材よりも薄いことを意味し、金属ケース材料と同質の金属箔を用いることが望ましい。
In the fuel cell stack using the power generation unit provided with the notch in the outer frame portion of the metal case, at least one of the first and second metal plates provided with the notch in a state where the units are similarly bonded to each other. It is desirable to adhere a metal thin plate to the outer frame portion with a similar adhesive layer. This prevents fuel gas and oxidizing gas from leaking from the notch.
The metal thin plate is used so that the adhesion of the metal case is not impaired by this adhesion, and the term “thin plate” means that the metal case material is thinner than the metal case material. It is desirable to use a homogeneous metal foil.

本発明の燃料電池スタックの製造に際しては、まず、発電ユニットの接着部位となる金属ケースにおける外枠部の表面又は裏面、必要に応じてその両面に、ペースト状にした銀系ろう材を塗布したり、薄板状にした銀系ろう材を貼り付けたりすることによってろう材層を形成する。
そして、このようなろう材層を備えた発電ユニットを多数積層した状態で加熱してろう材層を溶融させ、同時に加圧して外枠同士を密着させ、この状態でろう材金属を凝固させることによって、発電ユニットの金属ケース同士を接着することができる。
In manufacturing the fuel cell stack of the present invention, first, a paste-like silver brazing material is applied to the front or back surface of the outer frame portion of the metal case that serves as an adhesion site of the power generation unit, and if necessary, both surfaces thereof. Alternatively, a brazing filler metal layer is formed by attaching a thin silver brazing filler metal.
Then, heating is performed in a state where a large number of power generation units having such a brazing material layer are laminated to melt the brazing material layer, and at the same time, the outer frames are brought into close contact with each other to solidify the brazing material metal in this state. Thus, the metal cases of the power generation unit can be bonded to each other.

以下、本発明を実施例に基づいて、具体的に説明するが、本発明はこのような実施例によって何ら限定されないことは言うまでもない。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated concretely based on an Example, it cannot be overemphasized that this invention is not limited at all by such an Example.

〔実施例1〕
図1は、本発明の燃料電池発電ユニットの第1の実施例に用いる金属ケースの一方を構成する第1の金属板の構造を示すものであって、図1(a)〜(c)は、それぞれその表面図、裏面図、縦断面図である。
図に示す第1の金属板3は、フェライト系ステンレス鋼から成る枠状をなすものであって、その中央部分にセルが取り付けられるセル設置孔3aが形成されている。その周囲の外枠部3bには、酸化性ガスである空気と燃料ガスである水素がそれぞれ給排気される空気孔3c及び水素孔3dが開口し、マニホールド部となっている。また、外枠部3bにおけるセル設置孔3aの周縁部は、後述するセルを接着するための平板部3eとなっている。
[Example 1]
FIG. 1 shows the structure of a first metal plate constituting one of the metal cases used in the first embodiment of the fuel cell power generation unit of the present invention, and FIGS. These are a front view, a back view, and a longitudinal sectional view, respectively.
The first metal plate 3 shown in the figure has a frame shape made of ferritic stainless steel, and has a cell installation hole 3a to which a cell is attached at the center. An air hole 3c and a hydrogen hole 3d through which air as an oxidizing gas and hydrogen as a fuel gas are supplied and exhausted respectively are opened in the surrounding outer frame part 3b to form a manifold part. Moreover, the peripheral part of the cell installation hole 3a in the outer frame part 3b becomes the flat plate part 3e for adhere | attaching the cell mentioned later.

図2は、上記金属ケースの他方を構成する第2の金属板の構造を示すものであって、図2(a)〜(c)は、それぞれその表面図、裏面図、縦断面図である。
図に示す第2の金属板4は、同じくフェライト系ステンレス鋼から形成され、中央部に開口部4aを有し、上記第1の金属板3と同一外形をなす外枠部4bと、同じくフェライト系ステンレス鋼製の電気伝導板4eから成るものである。
FIG. 2 shows the structure of the second metal plate constituting the other side of the metal case, and FIGS. 2A to 2C are a front view, a back view, and a longitudinal sectional view, respectively. .
The second metal plate 4 shown in the figure is also made of ferritic stainless steel, has an opening 4a in the center, and has the same outer shape as the first metal plate 3, and the same ferrite. It consists of an electrically conductive plate 4e made of a stainless steel.

また、外枠部4bには、空気孔4c及び水素孔4dが第1の金属板3に対応する位置に設けてあり、同様にマニホールド部が形成されていると共に、外枠部4bの中央部に形成された開口部4eの周縁部は平板部4fとなっている。
そして、外枠部4bの平板部4fにおいて上記電気伝導板4eの四周がBCASガラスから成る絶縁性の接着層Iによって接着され、開口部4aを完全に塞いでいる。
The outer frame portion 4b is provided with air holes 4c and hydrogen holes 4d at positions corresponding to the first metal plate 3, and is similarly formed with a manifold portion and a central portion of the outer frame portion 4b. The peripheral edge portion of the opening 4e formed in the flat plate portion 4f.
And in the flat plate part 4f of the outer frame part 4b, the four circumferences of the said electrically conductive board 4e are adhere | attached by the insulating adhesive layer I which consists of BCAS glass, and the opening part 4a is completely plugged up.

図3は、上記第1及び第2の金属板3,4から成る金属ケース2にセル5を内包した発電ユニット1の断面図である。
図において、セル5は、ニッケルとYSZ(イットリア安定化ジルコニア)のサーメットから成る多孔質燃料極5aを基板として、その上にYSZ(イットリア安定化ジルコニア)から成る電解質層5b、さらにその上にLSM(ランタン・ストロンチウム・マンガネート)から成る空気極5cを形成した構造を有している。このセル5の四周は、金属ケース2を構成する第1の金属板3の平板部3eに銀銅ろう(Ag−5%Cu)により接着されており、金属板3のセル設置孔3aを塞いだ状態に取り付けられている。
FIG. 3 is a cross-sectional view of the power generation unit 1 in which the cell 5 is included in the metal case 2 composed of the first and second metal plates 3 and 4.
In the figure, a cell 5 has a porous fuel electrode 5a made of cermet of nickel and YSZ (yttria stabilized zirconia) as a substrate, an electrolyte layer 5b made of YSZ (yttria stabilized zirconia) thereon, and further an LSM thereon. It has a structure in which an air electrode 5c made of (lanthanum, strontium, manganate) is formed. The four circumferences of the cell 5 are bonded to the flat plate portion 3e of the first metal plate 3 constituting the metal case 2 by silver-copper brazing (Ag-5% Cu), thereby closing the cell installation holes 3a of the metal plate 3. It is attached to the state.

一方、第2の金属板4の電気伝導板4eの図中上面には、多孔質金属から成り、ガス透過性を備えた金属体4gがスポット溶接され、セル5の燃料極5aとの間の電気的導通が確保されるようになっている。
他方、上記電気伝導板4eの図中下面側には、同様の多孔質金属から成る金属体4hがスポット溶接されており、当該発電ユニット1の積層状態において、隣接するユニットの空気極5cと電気的に接続されるようになっている。
On the other hand, a metal body 4g made of porous metal and having gas permeability is spot-welded on the upper surface of the electric conductive plate 4e of the second metal plate 4 between the fuel electrode 5a of the cell 5 and the gas electrode 5a. Electrical continuity is ensured.
On the other hand, a metal body 4h made of the same porous metal is spot-welded to the lower surface side of the electric conductive plate 4e in the drawing, and in the laminated state of the power generation unit 1, the air electrode 5c of the adjacent unit is electrically connected. Connected.

なお、上記発電ユニット1において、第1の金属板3と第2の金属板4とは、レーザ溶接やTIG溶接などによってこれらの外枠部3b、4bにおいて接合され、金属ケース2となっている。   In the power generation unit 1, the first metal plate 3 and the second metal plate 4 are joined at the outer frame portions 3 b and 4 b by laser welding, TIG welding, or the like to form the metal case 2. .

図4は、上記発電ユニット1を5段に積層して成る燃料電池スタック10の構造を示す断面図である。
図に示すように、各発電ユニット1同士は、その金属ケース2(第1及び第2の金属板3、4)の外枠部3b、4bにおいて、金属ケース2の材料であるフェライト系ステンレス鋼(ヤング率:約200GPa)よりも剛性の低い銀銅ろう(Ag−5%Cu、ヤング率:約70GPa)から成る厚さ50μmの接着層Dにより互いに接着されている。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing the structure of a fuel cell stack 10 in which the power generation units 1 are stacked in five stages.
As shown in the figure, each power generation unit 1 is composed of a ferritic stainless steel that is a material of the metal case 2 in the outer frame portions 3b and 4b of the metal case 2 (first and second metal plates 3 and 4). They are bonded to each other by an adhesive layer D having a thickness of 50 μm made of silver-copper brazing (Ag-5% Cu, Young's modulus: about 70 GPa) having a lower rigidity than (Young's modulus: about 200 GPa).

なお、上記燃料電池スタック10の上下位置には、各発電ユニット1に酸化性ガス(空気)及び燃料ガス(水素)を給排気し、当該スタック10の外部に電力を取り出すための正極6a及び負極7aをそれぞれ備えたエンドプレート6及び7がそれぞれ配置されている。
また、接着に際しては、接着部位となる金属ケース2の外枠部3b、4bの表面及び裏面側に上記銀銅ろう材を含むペーストを塗布した状態で積層し、全体を950℃まで加熱しながら加圧し、室温まで空冷することによって各発電ユニット同士とエンドプレートとを接合するようにしている。
At the upper and lower positions of the fuel cell stack 10, a positive electrode 6 a and a negative electrode for supplying / exhausting oxidizing gas (air) and fuel gas (hydrogen) to each power generation unit 1 and taking out electric power outside the stack 10. End plates 6 and 7 each having 7a are arranged.
Further, when bonding, the paste including the silver-copper brazing material is applied on the front and back surfaces of the outer frame portions 3b and 4b of the metal case 2 to be bonded portions, and the whole is heated to 950 ° C. Each power generation unit and the end plate are joined by pressurization and air cooling to room temperature.

そして、上記燃料電池スタック10について、50℃/分の昇温速度で700℃まで昇温した後、室温まで降温する熱サイクル試験を実施し、当該スタック10の耐久性を調査した。
すなわち、上記昇降温を50サイクル繰り返した後の内部抵抗を測定して集電性能を評価すると共に、100サイクル試験後の接着層Dにおける割れや剥離の有無を調査した。
And about the said fuel cell stack 10, after heating up to 700 degreeC with the temperature increase rate of 50 degreeC / min, the thermal cycle test which cools to room temperature was implemented, and durability of the said stack 10 was investigated.
That is, the internal resistance after 50 cycles of the above temperature increase / decrease was measured to evaluate the current collecting performance, and the presence or absence of cracks or peeling in the adhesive layer D after the 100 cycle test was investigated.

その結果、表1に示すように、スタック10の内部抵抗は50サイクルの試験後でも80mΩcmと小さく、優れた集電性能を示した。また、100サイクルの試験後も、接着層Dに割れや剥離は認められず、良好な耐久シール性を備えていることが確認された。 As a result, as shown in Table 1, the internal resistance of the stack 10 was as small as 80 mΩcm 2 even after 50 cycles of the test, indicating excellent current collecting performance. Further, even after 100 cycles of the test, no cracking or peeling was observed in the adhesive layer D, and it was confirmed that the adhesive layer D had good durability sealability.

〔実施例2〕
図5は、本発明の燃料電池発電ユニットの第2の実施例を示すものであって、図5(a)は、その断面図である。
この実施例に係わる発電ユニット1において、セル5は、上記実施例と同様の構造をなし、金属ケース2を構成する第1の金属板3のセル設置孔3aに銀銅ろうによって同様に接着されている。
[Example 2]
FIG. 5 shows a second embodiment of the fuel cell power generation unit of the present invention, and FIG. 5 (a) is a sectional view thereof.
In the power generation unit 1 according to this embodiment, the cell 5 has the same structure as that of the above embodiment, and is similarly bonded to the cell installation hole 3a of the first metal plate 3 constituting the metal case 2 by means of a silver and copper solder. ing.

一方、第2の金属板4における電気伝導板4eは、図5(b)に示すように、複数枚のフィン4iをその上下面に並設して成るフェライト系ステンレス鋼製のものであって、これらフィン5iの間にガス流路が形成され、圧力損失なくガス流れを形成することができる。
このような電気伝導板4eは、絶縁性セラミックスから成る枠形の板材8を介して、第2の金属板4の平板部4fに、上記同様の銀銅ろうから成る接着層Dを介して接着され、各フィン5iの先端がセル5の電極にそれぞれ電気的に接触するように取り付けられる。なお、電気伝導板4eは、絶縁性の板材8によって外枠部4bから絶縁されているので、その接着には上記のような金属ろうを用いることが強度上望ましいが、ガラス系の材料を用いることもできる。
On the other hand, the electric conductive plate 4e in the second metal plate 4 is made of a ferritic stainless steel having a plurality of fins 4i arranged in parallel on the upper and lower surfaces, as shown in FIG. 5 (b). A gas flow path is formed between these fins 5i, and a gas flow can be formed without pressure loss.
Such an electric conductive plate 4e is bonded to the flat plate portion 4f of the second metal plate 4 via the adhesive layer D made of the same silver-copper brazing through the frame-shaped plate material 8 made of insulating ceramics. The tips of the fins 5i are attached so as to be in electrical contact with the electrodes of the cell 5, respectively. In addition, since the electrical conductive plate 4e is insulated from the outer frame portion 4b by the insulating plate material 8, it is desirable in terms of strength to use the above-mentioned metal brazing for bonding, but a glass-based material is used. You can also

次に、上記した発電ユニット1を5段積層し、エンドプレート6及び7と共に、各ユニット1の金属ケース同士を銀銅ろう(Ag−5%Cu)を用いて接着することによって、図4と同様の燃料電池スタックが得られる。
そして、熱サイクル負荷による同様の耐久試験を行った結果、表1に併せて示すように、スタックの内部抵抗は、50サイクル試験後で150mΩcm、また、100サイクルの試験後でも接着層Dに割れや剥離は認められず、優れた耐久性が確認された。
Next, the above-described power generation unit 1 is stacked in five stages, and the metal cases of each unit 1 together with the end plates 6 and 7 are bonded using silver-copper brazing (Ag-5% Cu), so that FIG. A similar fuel cell stack is obtained.
As a result of performing the same durability test with a thermal cycle load, as shown in Table 1, the internal resistance of the stack was 150 mΩcm 2 after the 50 cycle test, and the adhesive layer D even after the 100 cycle test. No cracking or peeling was observed, and excellent durability was confirmed.

〔実施例3〕
図6は、本発明の燃料電池発電ユニットの第3の実施例を示すものであって、図6(a)は、その断面図である。
この実施例に係わる発電ユニット1において、第1の金属板3は、その形状、構造及びセル5の接着構造において、上記実施例1、2と変わるところはなく、説明を省略する。
Example 3
FIG. 6 shows a third embodiment of the fuel cell power generation unit of the present invention, and FIG. 6 (a) is a sectional view thereof.
In the power generation unit 1 according to this embodiment, the first metal plate 3 is not different from the first and second embodiments in the shape, structure, and bonding structure of the cells 5, and the description thereof is omitted.

一方、第2の金属板4における電気伝導板4eは、電気絶縁性の平板に0.5mm径の貫通孔4jを1cm当たり12個の密度で形成し、この貫通孔4j内に導電性材料4kを埋め込んだ構造のものである。
なお、ここでは、電気絶縁性として0.3mm厚さの3molイットリア安定化ジルコニアを用い、導電性材料4kとしてはニッケルを用いているが、これらに限らず種々の材料を用いることができる。
On the other hand, the electrically conductive plate 4e in the second metal plate 4 is formed by forming a through hole 4j having a diameter of 0.5 mm on an electrically insulating flat plate with a density of 12 per cm 2 , and a conductive material in the through hole 4j. 4k embedded structure.
Here, 3 mol yttria-stabilized zirconia having a thickness of 0.3 mm is used as the electrical insulating property, and nickel is used as the conductive material 4k. However, the present invention is not limited thereto, and various materials can be used.

このような構造を備えた電気伝導板4eは、電気絶縁性の平板の周縁部において、第2の金属板4の平板部4fに、上記同様の銀銅ろうから成る接着層Dを介して接着されている。   The electric conductive plate 4e having such a structure is bonded to the flat plate portion 4f of the second metal plate 4 at the peripheral edge portion of the electric insulating flat plate through the adhesive layer D made of the same silver-copper brazing as described above. Has been.

そして、上記した発電ユニット1を同様に5段積層し、エンドプレート6、7と共に、各ユニット1の金属ケース同士を銀銅ろう(Ag−5%Cu)を用いて接着することによって、図4に示したような燃料電池スタックを得、これを用いて、同様の耐久試験を行った。
その結果、表1に併せて示すように、スタックの内部抵抗は、50サイクル試験後で110mΩcmであると共に、100サイクルの試験後においても接着層Dに割れや剥離は認められず、優れた耐久性が確認された。
Then, the above-described power generation unit 1 is similarly laminated in five stages, and the metal cases of each unit 1 are bonded together with the end plates 6 and 7 using silver-copper brazing (Ag-5% Cu). A fuel cell stack as shown in Fig. 1 was obtained, and the same durability test was performed using this fuel cell stack.
As a result, as shown in Table 1, the internal resistance of the stack was 110 mΩcm 2 after the 50 cycle test, and no cracking or peeling was observed in the adhesive layer D even after the 100 cycle test. Durability was confirmed.

〔実施例4〕
図7は、本発明の燃料電池発電ユニットの第4の実施例を示す断面図である。
この実施例に係わる発電ユニット1において、第1の金属板3は、その形状、構造及びセル5の接着構造において、上記実施例1〜3と変わるところはない。
Example 4
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a fourth embodiment of the fuel cell power generation unit of the present invention.
In the power generation unit 1 according to this embodiment, the first metal plate 3 is not different from the first to third embodiments in the shape, structure, and bonding structure of the cells 5.

他方、第2の金属板4は、上記した実施例1と同様の材料から成り、同様の構造を有するものであって、その開口部4eには、電気伝導板4eが同様に取り付けられ、外枠部4bの平板部4fにおいてBCASガラスから成る絶縁性の接着層Iによって接着されている。
上記電気伝導板4eの図中上面には、ガス透過性を備えたニッケルメッシュから成る金属体4gがスポット溶接され、セル5の燃料極との間の電気的導通が確保されるようになっている。また、電気伝導板4eの図中下面側には、ステンレス鋼メッシュから成り、同様にガス透過性を有する金属体4hがスポット溶接されており、当該発電ユニット1の積層状態において、隣接するユニットの空気極と電気的に接続されるようになっている。
On the other hand, the second metal plate 4 is made of the same material as that of the first embodiment and has the same structure, and the electrically conductive plate 4e is similarly attached to the opening 4e. The flat plate portion 4f of the frame portion 4b is bonded by an insulating adhesive layer I made of BCAS glass.
A metal body 4g made of a nickel mesh having gas permeability is spot-welded on the upper surface of the electric conductive plate 4e in the drawing so as to ensure electrical continuity with the fuel electrode of the cell 5. Yes. Further, a metal body 4h made of a stainless steel mesh and similarly gas permeable is spot-welded on the lower surface side of the electric conduction plate 4e in the figure, and in the stacked state of the power generation unit 1, the adjacent unit It is electrically connected to the air electrode.

そして、上記構造の発電ユニット1を同様に5段積層し、エンドプレート6、7と共に、各ユニット1の金属ケース同士を銀銅ろう(Ag−5%Cu)を用いて接着することによって、図4に示したような燃料電池スタックを得、これを用いて、同様の耐久試験を行った。
その結果、表1に併せて示すように、スタックの内部抵抗は、50サイクル試験後で100mΩcm、また、100サイクルの試験後においても接着層Dに割れや剥離は認められず、同様に優れた耐久性が確認された。
Then, the power generation unit 1 having the above structure is similarly laminated in five stages, and the metal cases of each unit 1 are bonded together with the end plates 6 and 7 using silver copper brazing (Ag-5% Cu). A fuel cell stack as shown in FIG. 4 was obtained, and the same durability test was performed using this fuel cell stack.
As a result, as shown in Table 1, the internal resistance of the stack was 100 mΩcm 2 after the 50-cycle test, and no cracks or delamination was observed in the adhesive layer D even after the 100-cycle test. Durability was confirmed.

〔実施例5〕
図8(a)及び(b)は、本発明の燃料電池発電ユニットの第5の実施例に用いる金属ケース2を構成する第1及び第2の金属板3及び4の裏面形状を示すそれぞれ背面図である。
Example 5
8 (a) and 8 (b) are rear views showing the back surface shapes of the first and second metal plates 3 and 4 constituting the metal case 2 used in the fifth embodiment of the fuel cell power generation unit of the present invention. FIG.

図8(a)に示す第1の金属板3は、外枠部3bの4箇所に切欠3mが設けてあることを除いて、先に示した実施例1の金属板3と同一材料から成り、同様の構造を備えている(図1参照)。
一方、図8(b)に示す第2の金属板4についても、外枠部4bに切欠4mを2箇所に設けたこと以外は、実施例1に用いた金属板4と同様の構造を有し、同じフェライト系ステンレス鋼から成るものである(図2参照)。
The first metal plate 3 shown in FIG. 8 (a) is made of the same material as the metal plate 3 of the first embodiment shown above except that the notches 3m are provided at four locations on the outer frame portion 3b. Have the same structure (see FIG. 1).
On the other hand, the second metal plate 4 shown in FIG. 8B also has the same structure as the metal plate 4 used in Example 1 except that the outer frame portion 4b is provided with two notches 4m. And made of the same ferritic stainless steel (see FIG. 2).

次いで、上記第1の金属板3のセル設置孔3aに実施例1と同様のセル5を取り付けると共に、第2の金属板4の電気伝導板4eの両面に、実施例1と同様に、ガス透過性の金属体4g及び金属体4hをスポット溶接する。
そして、両金属板3、4を外枠部3b、4bにおいて溶接することによって、図9(a)に示すように、発電ユニット1が形成される。
Next, the same cell 5 as in the first embodiment is attached to the cell installation hole 3a of the first metal plate 3, and the gas is applied to both surfaces of the electric conductive plate 4e of the second metal plate 4 in the same manner as in the first embodiment. The transparent metal body 4g and the metal body 4h are spot-welded.
Then, by welding the two metal plates 3 and 4 at the outer frame portions 3b and 4b, the power generation unit 1 is formed as shown in FIG. 9A.

次に、上記発電ユニット1を実施例1と同様に、5段積層すると共に、外枠部3b、4bを銀銅ろう(Ag−5%Cu)を用いて接着することによって燃料電池スタック10が得られる(図4参照)。   Next, as in the first embodiment, the power generation unit 1 is stacked in five stages, and the outer frame portions 3b and 4b are bonded using silver-copper brazing (Ag-5% Cu), whereby the fuel cell stack 10 is formed. Is obtained (see FIG. 4).

得られた燃料電池スタック10においては、各発電ユニット1の外枠部3b、4bに切欠3m、4mが設けてあり、柔軟なユニットとなっているが、これら切欠3m、4mから燃料ガス(水素)や酸化性ガス(空気)が漏れることになる。
そこで、図9(b)に示すように、燃料電池スタック10の周囲に、金属薄板として、厚さ50μmの金属箔8を銀銅ろうを貼り付け、これによってガス漏れを防止するようにしている。
In the obtained fuel cell stack 10, the outer frame portions 3b and 4b of each power generation unit 1 are provided with notches 3m and 4m, which are flexible units. From these notches 3m and 4m, fuel gas (hydrogen ) And oxidizing gas (air) will leak.
Therefore, as shown in FIG. 9 (b), a metal foil 8 having a thickness of 50 μm is pasted around the fuel cell stack 10 as a metal thin plate with a silver-copper brazing, thereby preventing gas leakage. .

図9(c)は、当該実施例による燃料電池スタック10の全体図である。なお、燃料電池スタックの上下位置には、図4に示したように、本来エンドプレート6、7が配置されるが、図9(b)及び(c)においては、これらの図示を省略している。   FIG. 9C is an overall view of the fuel cell stack 10 according to this embodiment. As shown in FIG. 4, the end plates 6 and 7 are originally arranged at the upper and lower positions of the fuel cell stack, but these are not shown in FIGS. 9 (b) and 9 (c). Yes.

そして、上記燃料電池スタック10について、上記各実施例と同様の耐久試験を行った結果、表1に併せて示すように、スタックの内部抵抗は、50サイクル試験後で80mΩcmであった。また、100サイクルの試験後においても接着層Dに割れや剥離は認められず、実施例1と同様の優れた耐久性を示すことが確認された。 The fuel cell stack 10 was subjected to the same durability test as that of each of the above examples. As shown in Table 1, the internal resistance of the stack was 80 mΩcm 2 after the 50-cycle test. Further, even after 100 cycles of the test, no cracking or peeling was observed in the adhesive layer D, and it was confirmed that the same excellent durability as in Example 1 was exhibited.

〔比較例〕
図10(a)は、本発明に対する比較例として用いた従来タイプの発電ユニットの構造を示す断面図であって、図に示す発電ユニット20において、第1の金属板3は、基本的に上記各実施例と同様の構造を有し、そのセル設置孔3aにセル5が同様に取り付けてある。
一方、第2の金属板40は一体構造をなし、ガス隔壁及び集電経路として機能する平面部40eが積層時の接着部位となる外枠部から連続していること以外は、実施例1に用いた金属板4と基本的に同様の構造となっている。そして、上記平面部40eの上下両面には、集電体として機能するガス透過性金属体40g、40hが同様にスポット溶接されている。
[Comparative Example]
FIG. 10A is a cross-sectional view showing the structure of a conventional power generation unit used as a comparative example for the present invention. In the power generation unit 20 shown in the figure, the first metal plate 3 is basically the above-described structure. It has the same structure as each example, and the cell 5 is similarly attached to the cell installation hole 3a.
On the other hand, the second metal plate 40 has an integral structure, and the first embodiment is the same as the first embodiment except that the flat portion 40e functioning as a gas partition and a current collecting path is continuous from the outer frame portion serving as an adhesion portion at the time of lamination. The structure is basically the same as that of the metal plate 4 used. And the gas-permeable metal bodies 40g and 40h which function as a collector are spot-welded similarly to the upper and lower surfaces of the said plane part 40e.

図10(b)は、上記発電ユニット20を5段積層した燃料電池スタックの構造を示すものであって、これらユニットの上下位置にエンドプレート6、7が配置された状態において、BCASガラスから成る絶縁性の接着層Iによって各ユニット20の外枠部同士が接着されている。   FIG. 10B shows the structure of a fuel cell stack in which the power generation units 20 are stacked in five stages, and is made of BCAS glass in a state where the end plates 6 and 7 are arranged at the upper and lower positions of these units. The outer frame portions of the units 20 are bonded to each other by the insulating adhesive layer I.

このようにして得られた燃料電池スタックについて、上記各実施例と同様の耐久試験を行った結果、表1に併せて示すように、スタックの内部抵抗は、50サイクル試験後で350mΩcmもの高い値を示し、集電性能が劣ることが判明した。また、20サイクルの早い段階において接着層Iに割れが認められ、耐久性にも劣ることが確認された。 The fuel cell stack thus obtained was subjected to the same durability test as in the above examples. As shown in Table 1, the internal resistance of the stack was as high as 350 mΩcm 2 after the 50-cycle test. It was found that the current collection performance was inferior. Moreover, the crack was recognized by the contact bonding layer I in the early stage of 20 cycles, and it was confirmed that it is inferior to durability.

Figure 2010073631
Figure 2010073631

本発明の第1の実施例に用いる金属ケースの一方を構成する第1の金属板の構造を示す表面図(a)、裏面図(b)及び縦断面図(c)である。It is the front view (a), back view (b), and longitudinal cross-sectional view (c) which show the structure of the 1st metal plate which comprises one side of the metal case used for the 1st Example of this invention. 本発明の第1の実施例に用いる金属ケースの他方を構成する第2の金属板の構造を示す表面図(a)、裏面図(b)及び縦断面図(c)である。It is the front view (a), back view (b), and longitudinal cross-sectional view (c) which show the structure of the 2nd metal plate which comprises the other of the metal case used for the 1st Example of this invention. 本発明の第1の実施例により形成された燃料電池発電ユニットの構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the fuel cell power generation unit formed by the 1st Example of this invention. 図3に示した発電ユニットを5段に積層してなる燃料電池スタックの構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the fuel cell stack formed by laminating | stacking the electric power generation unit shown in FIG. 3 in five steps. (a)本発明の第2の実施例により形成された燃料電池発電ユニットの構造を示す断面図である。(b)図5(a)に示した発電ユニットに用いられる電気伝導板の構造を示す斜視図である。(A) It is sectional drawing which shows the structure of the fuel cell power generation unit formed by the 2nd Example of this invention. (B) It is a perspective view which shows the structure of the electrical-conduction board used for the electric power generation unit shown to Fig.5 (a). (a)本発明の第3の実施例により形成された燃料電池発電ユニットの構造を示す断面図である。(b)図6(a)に示した発電ユニットに用いられる電気伝導板の構造を示す平面図である。(A) It is sectional drawing which shows the structure of the fuel cell power generation unit formed by the 3rd Example of this invention. (B) It is a top view which shows the structure of the electrical-conduction board used for the electric power generation unit shown to Fig.6 (a). 本発明の第4の実施例により形成された燃料電池スタックの構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the fuel cell stack formed by the 4th Example of this invention. (a)及び(b)は本発明の第5の実施例に用いる金属ケースを構成する第1及び第2の金属板の構造をそれぞれ示す裏面図である。(A) And (b) is a back view which shows the structure of the 1st and 2nd metal plate which comprises the metal case used for the 5th Example of this invention, respectively. (a)本発明の第5の実施例により形成された燃料電池発電ユニットの構造を示す斜視図である。(b)図9(a)に示した発電ユニットを5段積層してなる燃料電池スタックに金属箔を貼り付ける要領の説明図である。(c)図9(a)に示した発電ユニットを5段積層してなる燃料電池スタックの構造を示す斜視図である。(A) It is a perspective view which shows the structure of the fuel cell power generation unit formed by the 5th Example of this invention. (B) It is explanatory drawing of the point which affixes metal foil on the fuel cell stack formed by laminating | stacking five steps | paragraphs of the electric power generation units shown to Fig.9 (a). (C) It is a perspective view which shows the structure of the fuel cell stack formed by laminating | stacking 5 steps | paragraphs of the electric power generation unit shown to Fig.9 (a). (a)本発明の比較例として従来タイプの燃料電池発電ユニットの構造を示す断面図である。(b)図10(a)に示した発電ユニットを積層した従来タイプの燃料電池スタック構造を示す断面図である。(A) It is sectional drawing which shows the structure of the conventional type fuel cell power generation unit as a comparative example of this invention. (B) It is sectional drawing which shows the conventional type fuel cell stack structure which laminated | stacked the electric power generation unit shown to Fig.10 (a).

符号の説明Explanation of symbols

1 燃料電池発電ユニット
2 金属ケース
3 第1の金属板
3b 外枠部
3c 空気孔(酸化性ガス流路)
3d 水素孔(燃料ガス流路)
3m 切欠
4 第2の金属板
4b 外枠部
4c 空気孔(酸化性ガス流路)
4d 水素孔(燃料ガス流路)
4e 電気電導板
4g、4h (ガス透過性)金属体
4j 貫通孔
4k ニッケル(導電性材料)
4m 切欠
8 金属箔(金属薄板)
10 燃料電池スタック
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell power generation unit 2 Metal case 3 1st metal plate 3b Outer frame part 3c Air hole (oxidizing gas flow path)
3d Hydrogen hole (fuel gas flow path)
3m Notch 4 Second metal plate 4b Outer frame 4c Air hole (oxidizing gas flow path)
4d Hydrogen hole (fuel gas flow path)
4e Electric conductive plate 4g, 4h (gas permeable) metal body 4j Through-hole 4k Nickel (conductive material)
4m notch 8 metal foil (metal thin plate)
10 Fuel cell stack

Claims (10)

セルを支持する第1の金属板と、燃料ガスと酸化性ガスを分離する第2の金属板から構成され、上記燃料ガス及び酸化性ガスの流路を備えた金属ケースに上記セルを内包して成る発電ユニットであって、
上記第2の金属板は、通電経路となる電気伝導板を中央部に備え、当該電気伝導板がマニホールド部を備えた外枠部から電気的に絶縁されていること特徴とする燃料電池発電ユニット。
A first metal plate that supports the cell and a second metal plate that separates the fuel gas and the oxidizing gas, and the cell is included in a metal case having flow paths for the fuel gas and the oxidizing gas. A power generation unit comprising:
The second metal plate includes an electric conductive plate serving as an energization path in a central portion, and the electric conductive plate is electrically insulated from an outer frame portion provided with a manifold portion. .
上記電気伝導板が金属製であって、第2の金属板の外枠部分に電気絶縁性接着層を介して接着されていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池発電ユニット。   2. The fuel cell power generation unit according to claim 1, wherein the electric conductive plate is made of metal and is bonded to an outer frame portion of the second metal plate via an electrically insulating adhesive layer. 上記電気伝導板が金属製であって、第2の金属板の外枠部分に電気絶縁性を有する板材を介して接着されていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池発電ユニット。   2. The fuel cell power generation unit according to claim 1, wherein the electric conductive plate is made of metal, and is bonded to an outer frame portion of the second metal plate via a plate material having electrical insulation. 上記電気伝導板が多数の貫通孔を備えた電気絶縁性材料から成り、第2の金属板の外枠部分に接着されていると共に、上記貫通孔が導電性材料により充填されていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池発電ユニット。   The electrical conductive plate is made of an electrically insulating material having a large number of through holes, is bonded to the outer frame portion of the second metal plate, and the through holes are filled with a conductive material. The fuel cell power generation unit according to claim 1. 上記電気伝導板にガス透過性を備えた金属体が電気的に接続してあることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つの項に記載の燃料電池発電ユニット。   The fuel cell power generation unit according to any one of claims 1 to 4, wherein a metal body having gas permeability is electrically connected to the electric conductive plate. 第1及び又は第2の金属板の少なくとも一方の外枠部に切欠部が設けてあることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つの項に記載の燃料電池発電ユニット。   The fuel cell power generation unit according to any one of claims 1 to 5, wherein a cutout portion is provided in at least one outer frame portion of the first and / or second metal plate. 請求項1〜6のいずれか1つの項に記載の燃料電池発電ユニットが複数個積層され、当該発電ユニット同士が第1及び第2の金属板よりも剛性の低い接着層を介して接着されていることを特徴とする燃料電池スタック。   A plurality of the fuel cell power generation units according to any one of claims 1 to 6 are stacked, and the power generation units are bonded to each other via an adhesive layer having rigidity lower than that of the first and second metal plates. A fuel cell stack characterized by comprising: 請求項6に記載の燃料電池発電ユニットが複数個積層され、当該発電ユニット同士が第1及び第2の金属板よりも剛性の低い接着層を介して接着されていると共に、切欠を設けた第1及び第2の金属板の少なくとも一方の外枠部に、上記第1及び第2の金属板よりも剛性の低い接着層を介して金属薄板が接着されていることを特徴とする燃料電池スタック。   A plurality of fuel cell power generation units according to claim 6 are stacked, the power generation units are bonded to each other via an adhesive layer having a rigidity lower than that of the first and second metal plates, and a notch is provided. A fuel cell stack, characterized in that a thin metal plate is bonded to an outer frame portion of at least one of the first and second metal plates via an adhesive layer having rigidity lower than that of the first and second metal plates. . 第1及び第2の金属板がフェライト系ステンレス鋼から成り、発電ユニットの金属ケース同士が銀系ろう材により接着されていることを特徴とする請求項7又は8に記載の燃料電池スタック。   9. The fuel cell stack according to claim 7, wherein the first and second metal plates are made of ferritic stainless steel, and the metal cases of the power generation unit are bonded to each other with a silver brazing material. 発電ユニットにおける金属ケースの外枠部の表面及び/又は裏面に銀系ろう材層を形成し、複数の発電ユニットを積層した状態で加熱及び加圧することを特徴とする請求項7〜9のいずれか1つの項に記載の燃料電池スタックの製造方法。   The silver brazing material layer is formed on the front surface and / or the back surface of the outer frame portion of the metal case in the power generation unit, and heating and pressurization are performed in a state where a plurality of power generation units are stacked. A method for producing a fuel cell stack according to any one of the above items.
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