JP2010287440A - Solid-oxide fuel cell and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、部材同士の間をシールして外部へのガス漏出を防止するガスシール部を有する固体酸化物型燃料電池の作製方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a solid oxide fuel cell having a gas seal portion that seals between members to prevent gas leakage to the outside.
固体酸化物型燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell、以下、燃料電池)は、800℃〜1000℃程度で作動して高発電効率を実現する燃料電池である。燃料電池は、発電を行うセル(以下、発電セル)と、ガス供給および電気的接続を行うセパレータとから構成される単セル(単電池)を備えている。 A solid oxide fuel cell (SOFC) is a fuel cell that operates at about 800 ° C. to 1000 ° C. to achieve high power generation efficiency. 2. Description of the Related Art A fuel cell includes a single cell (single cell) including a cell that generates power (hereinafter referred to as a power generation cell) and a separator that performs gas supply and electrical connection.
発電セルは、固体酸化物電解質(以下、電解質)の両側に燃料極および空気極が設けられた酸化物三層構造を有している。セパレータの構成材料としては、合金を含む金属(たとえばフェライト系ステンレス鋼)が用いられている。セパレータは、発電セルへのガス供給のための構成部品としてマニホールドを有し、燃料極側マニホールドからは燃料ガスが燃料極へ供給され、空気極側マニホールドからは空気が空気極へ供給される。 The power generation cell has an oxide three-layer structure in which a fuel electrode and an air electrode are provided on both sides of a solid oxide electrolyte (hereinafter, electrolyte). As a constituent material of the separator, a metal containing an alloy (for example, ferritic stainless steel) is used. The separator has a manifold as a component for supplying gas to the power generation cell, fuel gas is supplied from the fuel electrode side manifold to the fuel electrode, and air is supplied from the air electrode side manifold to the air electrode.
単セルでは、燃料極への燃料ガスの供給および空気極への空気の供給を行うと、電気化学反応が起こるが、この場合、得られる電圧が低いことから、実用的な電圧を得るために単セルを複数枚積層させてスタックを作製している。 In a single cell, when a fuel gas is supplied to the fuel electrode and air is supplied to the air electrode, an electrochemical reaction occurs. In this case, the obtained voltage is low, so that a practical voltage can be obtained. A stack is made by stacking a plurality of single cells.
燃料電池の単セルおよびスタックでは、作動温度が800℃〜1000℃程度であるから、そこに供給される燃料ガス、空気、燃料オフガス、および、空気オフガスは、全て気体であり、それらガスの外部への漏出防止のために、各部位間にガスシール部が設けられている。ガスシール部の気密性が不十分である場合、ガスの漏出が生じ、発電性能の劣化や電池の破壊を招くため、ガスシール部には高気密性が要求される。また、起動停止による熱サイクルが生じるため、ガスシール部には良好な耐熱サイクル性も要求される。 In the single cell and stack of the fuel cell, the operating temperature is about 800 ° C. to 1000 ° C., so the fuel gas, air, fuel off gas, and air off gas supplied thereto are all gases, and the outside of these gases In order to prevent leakage to the gas, gas seals are provided between the parts. When the gas seal part is insufficient in gas tightness, gas leakage occurs, causing deterioration of power generation performance and battery destruction. Therefore, the gas seal part is required to have high air tightness. In addition, since a heat cycle is generated by starting and stopping, the gas seal portion is also required to have good heat cycle characteristics.
単セルでは、発電セルとセパレータとの間にガスシール部が設けられ、そこに用いられるシール材としては、たとえばペースト状のガラスシール材が開示されている(たとえば特許文献1,2)。また、発電セルとセパレータとの間で金属箔をろう付して接合する技術が開示されている(たとえば特許文献3)。スタックでは、単セル間にガスシール部が設けられ、そこに用いられるシール材としては、単セルと同様、ペースト状のガラスシール材が用いられている。この場合、シール材に要求される特性としては、単セルの場合の上記特性に加えて、電気的短絡防止のための電気的絶縁性が挙げられる。 In the single cell, a gas seal portion is provided between the power generation cell and the separator, and as a seal material used there, for example, a paste-like glass seal material is disclosed (for example, Patent Documents 1 and 2). Moreover, the technique which brazes and joins metal foil between a power generation cell and a separator is disclosed (for example, patent document 3). In the stack, a gas seal portion is provided between single cells, and as a seal material used there, a paste-like glass seal material is used as in the single cell. In this case, as a characteristic required for the sealing material, in addition to the above-described characteristic in the case of a single cell, electrical insulation for preventing an electrical short circuit can be mentioned.
スタックの作製工程は、ガスシール部に用いられるシール材の種類により概ね決定されている。シール材としては、活性金属ろう材を用いる手法およびガラスシール材のみを用いる手法が提案されている。活性金属ろう材を用いる手法では、ガラスシール材を併用している。 The manufacturing process of the stack is generally determined by the type of sealing material used for the gas seal portion. As the sealing material, a method using an active metal brazing material and a method using only a glass sealing material have been proposed. In the method using an active metal brazing material, a glass sealing material is used in combination.
活性金属ろう材を用いる手法では、図3に示す工程が行われる。図3は、活性金属ろう材を用いて接合する活性金属ろう付法の製造工程を表す側断面図である。活性金属ろう付法では、まず図3(A)に示すように、燃料極211と電解質212の共焼結体201(燃料極−電解質共焼結体201)を得た後、還元雰囲気中、800〜1200℃で燃料極−電解質共焼結体201を加熱することにより、燃料極211を還元する。
In the method using an active metal brazing material, the process shown in FIG. 3 is performed. FIG. 3 is a side sectional view showing a manufacturing process of an active metal brazing method for joining using an active metal brazing material. In the active metal brazing method, first, as shown in FIG. 3A, after obtaining a co-sintered body 201 (fuel electrode-electrolyte co-sintered body 201) of the
続いて、図3(B)に示すように、燃料極−電解質共焼結体201上面の外周部に活性金属ろう材231を塗布する。次に、図3(C)に示すように、活性金属ろう材231上に金属セルカバー221の端部を配置した後、真空または不活性雰囲気中、780〜1200℃で加熱し、燃料極−電解質共焼結体201と金属セルカバー221をろう付により接合する。この場合、活性金属ろう材231はガスシール部を構成する。次に、図3(D)に示すように、燃料極−電解質共焼結体201上面の中央部に空気極213を塗布し、大気雰囲気中、1000〜1200℃で加熱することにより、燃料極−電解質共焼結体201上で空気極213を燒結する。これにより、金属セルカバー221が接合された発電セル202が作製される。
Subsequently, as shown in FIG. 3B, an active metal brazing
次いで、図3(E)に示すように、金属セルカバー221下面の外周部にガラスシール材232を塗布するとともに、中央部が凹状をなす金属セパレータ222の上面に、金属セルカバー221が接合された発電セル202を配置する。この場合、金属セパレータ222と発電セル202との間に集電材241を介在させる。発電セル202が金属セルカバー221および金属セパレータ222に狭持される形態をなす単セル203が得られる。
Next, as shown in FIG. 3E, a
次いで、図3(F)に示すように、単セル203の金属セルカバー221上面の外周部にガラスシール材233を塗布し、ガラスシール材233により絶縁体マニホールド242を貼り付ける。続いて、絶縁体マニホールド242の上面にガラスシール材234を塗布し、ガラスシール材234により単セル204を配置する。このような工程を繰り返すことにより所定の枚数が積層された燃料電池のスタック204が得られる。
Next, as illustrated in FIG. 3F, a
次いで、大気雰囲気中、ガラス軟化点まで昇温させてスタック204を加熱することにより、ガラスシール材232〜234により部材同士が接着される。この場合、ガラスシール材232〜234はガスシール部を構成する。続いて、大気雰囲気中、800〜900℃でスタック204を加熱することにより、電池として起動することが可能となる。この場合、空気極113が酸化物で構成されているため、熱処理雰囲気は大気雰囲気に限られる。
Next, the members are bonded to each other by the
シール材としてガラスシール材のみを用いる手法では、図4に示す工程が行われる。まず、図4(A)に示すように、電解質312の両側に燃料極311および空気極313が設けられた発電セル302を準備する。次いで、図4(B)に示すように、凹状をなす金属セパレータ322の中央部に発電セル303を配置し、金属セパレータ322の外周部上面および発電セル302の外周部上面にガラスシール材332,331を塗布する。この場合、金属セパレータ322と発電セル303との間に集電材341を介在させる。次いで、図4(C)に示すように、ガラスシール材332,331により金属セルカバー321を貼り付ける。これにより、発電セル302が金属セルカバー321および金属セパレータ322に狭持された形態をなす単セル303が得られる。
In the method using only the glass sealing material as the sealing material, the process shown in FIG. 4 is performed. First, as shown in FIG. 4A, a
続いて、図4(D),4(E)に示すように、活性金属ろう材を用いる手法(図3(F),3(G)に示す工程)と同様、絶縁体マニホールド342を間にして単セル303同士をガラスシール材333,343により貼り付けることにより、燃料電池のスタック204が得られる。次いで、大気雰囲気中、ガラス軟化点まで昇温させてスタック204を加熱することにより、ガラスシール材により部材同士が接着される。次いで、大気雰囲気中、800〜900℃でスタック304を加熱することにより、電池として起動することが可能となる。
Subsequently, as shown in FIGS. 4D and 4E, the
しかしながら、シール材として活性金属ろう材231を用いる手法では、電池の起動用の熱処理以外に少なくとも3回の熱処理を行う必要があるため、生産性が低く、低コスト化が困難である。特に、Tiなどの活性金属を用いた接合では、真空および不活性雰囲気での加熱処理が必須となり、製造コストが増大し、多くの時間を要する。
However, in the method using the active metal brazing
また、単セル203を積層するスタックの作製で用いるガラスシール材232〜234は、燃料電池のシール材としては強度が不十分であり、軟化点以下の温度では脆い特性を有している。そのため、作動温度から降温する際にクラックあるいは剥離が生じやすい。ガラスシール材232〜234は一度破損した場合、ガスの気密性が失われ、再度作動温度まで昇温すると、同等の性能を得ることができないため、熱サイクル性が損なわれる。また、ガラスシール材232〜234の成分が電極反応を阻害する虞や、ガラスシール材とセパレータの金属成分が反応して劣化の原因になる虞などがある。このようにガラスシール材を用いると、気密性、耐久性、および、起動・運転・停止に伴う熱サイクル性が低くなる。
Further, the
一方、シール材としてガラスシール材331〜334のみを用いる手法では、電池の起動用の熱処理以外に必要な熱処理が1回であるから、スタックの作製工程の簡略化が可能であり、その結果、生産性が向上し、低コスト化を図ることができる。しかしながら、ガラスシール材331〜334を用いると、上記のガラスシール材232〜234の場合と同様、気密性、耐久性、および、起動・運転・停止に伴う熱サイクル性が低下する。
On the other hand, in the method using only the
したがって、本発明は、生産性向上および低コスト化を図ることができるのはもちろんのこと、気密性、耐久性、および、熱サイクル性の向上を図ることができる固体酸化物型燃料電池およびその製造方法を提供することを目的としている。 Therefore, the present invention can improve productivity and reduce costs, as well as a solid oxide fuel cell capable of improving airtightness, durability, and thermal cycleability, and its The object is to provide a manufacturing method.
本発明の固体酸化物型燃料電池は、部材同士の間をシールして外部へのガス漏出を防止するガスシール部を有し、ガスシール部は、大気接合用ろう材からなることを特徴としている。 The solid oxide fuel cell of the present invention has a gas seal portion that seals between members to prevent gas leakage to the outside, and the gas seal portion is made of a brazing material for atmospheric bonding. Yes.
本発明の固体酸化物型燃料電池は、次のような製造方法により製造される。すなわち、本発明の固体酸化物型燃料電池の製造方法は、上記固体酸化物型燃料電池の製造方法であって、部材同士は大気ろう付法を用いたろう付工程で接合され、ろう付工程のうちの少なくとも2以上を同時に行うことを特徴としている。 The solid oxide fuel cell of the present invention is manufactured by the following manufacturing method. That is, the method for producing a solid oxide fuel cell according to the present invention is a method for producing the above solid oxide fuel cell, wherein the members are joined in a brazing process using an air brazing method. It is characterized by performing at least two of them simultaneously.
本発明の固体酸化物型燃料電池は、種々の構成を用いることができる。本発明の固体酸化物型燃料電池は、発電セルと、発電セルを狭持する金属セパレータおよび金属セルカバーと、金属セパレータと金属セルカバーとの端部同士の間に設けられる絶縁体マニホールドとを部材として備え、発電セルと金属セルカバーとの間、金属セパレータと金属セルカバーとの間、金属セパレータと絶縁体マニホールドとの間、および、金属セルカバーと絶縁体マニホールドとの間にはガスシール部を設けることができる。 Various configurations can be used for the solid oxide fuel cell of the present invention. A solid oxide fuel cell according to the present invention includes a power generation cell, a metal separator and a metal cell cover that sandwich the power generation cell, and an insulator manifold provided between ends of the metal separator and the metal cell cover. Gas seals provided as members, between power generation cells and metal cell covers, between metal separators and metal cell covers, between metal separators and insulator manifolds, and between metal cell covers and insulator manifolds Can be provided.
本発明の固体酸化物型燃料電池の製造方法では、大気ろう付法を用いたろう付工程でガスシール部における部材同士を接合するので、熱処理が少なくとも3回必要な活性金属ろう付法とは異なり、必要な熱処理が1回であるから、生産性向上および低コスト化を図ることができる。また、Tiなどの活性金属を用いる活性金属ろう付法とは異なり、熱処理雰囲気を大気雰囲気に設定することができるから、真空あるいは不活性雰囲気に設定することが不要となり、その結果、製造時間の短縮化を図ることができるとともに、低コスト化をさらに図ることができる。さらに、大気接合用ろう材を用いた場合、大気雰囲気中で、金属同士の接合、セラミックス同士の接合、および、金属とセラミックスの接合をフラックスなしで簡便に行うことができるとともに、それら接合界面は、高温水素/酸素雰囲気でも良好に保持されるから、ガスシール部の気密性、耐久性、および、熱サイクル性の向上を図ることができる。なお、大気接合用ろう材は、少なくとも一つのガスシール部に用いることができ、全てのガスシール部に用いると、上記効果を効果的に得ることができるので、好適である。 In the method for producing a solid oxide fuel cell according to the present invention, the members in the gas seal portion are joined to each other in the brazing process using the atmospheric brazing method, which is different from the active metal brazing method that requires heat treatment at least three times. Since the necessary heat treatment is performed once, productivity improvement and cost reduction can be achieved. In addition, unlike the active metal brazing method using an active metal such as Ti, the heat treatment atmosphere can be set to an air atmosphere, so that it is not necessary to set a vacuum or an inert atmosphere. Shortening can be achieved and further cost reduction can be achieved. Furthermore, when the brazing material for air bonding is used, the bonding between metals, bonding between ceramics, and bonding between metal and ceramics can be easily performed without flux in the air atmosphere. Further, since it is well maintained even in a high-temperature hydrogen / oxygen atmosphere, it is possible to improve the gas tightness, durability, and thermal cycle performance of the gas seal portion. Note that the brazing filler metal for atmospheric bonding can be used for at least one gas seal portion, and when used for all gas seal portions, the above effect can be effectively obtained, which is preferable.
本発明の固体酸化物型燃料電池の製造方法は種々の構成を用いることができる。ろう付工程は、大気雰囲気中、800℃以上970℃以下の温度で行うことができる。また、ろう付工程で用いられる大気接合用ろう材は、主成分としてAgを含み、添加元素としてGe、Si、Cr、Al、Au、Pd、Sb、Bi、および、それら元素の酸化物のうちの少なくとも一種を含むことができる。さらに、大気ろう付法では、燃料電池の起動運転に用いる加熱手段を使用することができる。この態様では、燃料電池の起動運転に通常使用されている加熱手段を利用することができるので、大気接合用ろう材の接合用の加熱手段を別途用意する必要がなく、かつ熱処理工程を別途行う必要がないから、製造時間の短縮化をさらに図ることができるとともに、低コスト化をさらに図ることができる。 Various structures can be used in the method for producing a solid oxide fuel cell of the present invention. The brazing process can be performed in an air atmosphere at a temperature of 800 ° C. or higher and 970 ° C. or lower. Further, the brazing material for air bonding used in the brazing process contains Ag as a main component, Ge, Si, Cr, Al, Au, Pd, Sb, Bi, and oxides of these elements as additive elements Of at least one of the following. Furthermore, in the air brazing method, a heating means used for starting operation of the fuel cell can be used. In this aspect, since the heating means usually used for the start-up operation of the fuel cell can be used, it is not necessary to separately prepare a heating means for joining the brazing material for atmospheric joining, and the heat treatment step is separately performed. Since it is not necessary, the manufacturing time can be further shortened and the cost can be further reduced.
絶縁体マニホールドとしては、主成分としてマグネシアを含み、添加元素としてアルミナおよびイットリアを含むセラミックス材料を用いることができる。絶縁体マニホールドは、マグネシアが70wt%以上80wt%以下、アルミナが15wt%以上25wt%以下、イットリア0wt%超8wt%以下から構成されるセラミックス材料を用いることができる。この態様では、接合相手の金属セルカバーおよび金属セパレータにフェライト形ステンレス鋼を用いる場合、絶縁体マニホールドの熱膨張係数は、接合相手の上記フェライト形ステンレス鋼と同等の熱膨張係数(10.0×10−6〜14.0×10−6℃−1)に調整することができるから、絶縁体マニホールドと金属セパレータの接合および絶縁体マニホールドと金属セルカバーの接合が良好となる。 As the insulator manifold, a ceramic material containing magnesia as a main component and alumina and yttria as additive elements can be used. For the insulator manifold, a ceramic material composed of magnesia 70 wt% or more and 80 wt% or less, alumina 15 wt% or more and 25 wt% or less, and yttria more than 0 wt% and 8 wt% or less can be used. In this aspect, when ferritic stainless steel is used for the metal cell cover and metal separator of the joining partner, the thermal expansion coefficient of the insulator manifold is equal to the thermal expansion coefficient (10.0 × 10 −6 to 14.0 × 10 −6 ° C. −1 ), the bonding between the insulator manifold and the metal separator and the bonding between the insulator manifold and the metal cell cover are good.
複数の単セルを積層してスタックを組み立て、第1部材と第2部材との間でスタックを狭持する場合、第1部材および第2部材の少なくとも一方の部材とスタックとの間にセラミックス製の弾性部材を用いることができる。この態様では、電気的絶縁を確保することができるのはもちろんのこと、耐へたり性の向上を図ることができるとともに、片荷重による問題を解消することができる。 When stacking a plurality of single cells to assemble a stack and sandwiching the stack between the first member and the second member, a ceramic is formed between at least one of the first member and the second member and the stack. These elastic members can be used. In this aspect, not only can electrical insulation be ensured, but also the sag resistance can be improved, and the problem caused by a single load can be solved.
本発明の固体酸化物型燃料電池あるいはその製造方法によれば、必要な熱処理が1回であり、しかも、熱処理雰囲気を真空あるいは不活性雰囲気に設定することが不要となるから、製造の容易化および製造時間の短縮化を図ることができるとともに、低コスト化を図ることができる。また、ガスシール部の気密性、耐久性、および、熱サイクル性の向上を図ることができる。 According to the solid oxide fuel cell of the present invention or the manufacturing method thereof, the required heat treatment is performed once, and it is not necessary to set the heat treatment atmosphere to a vacuum or an inert atmosphere. In addition, the manufacturing time can be shortened and the cost can be reduced. Further, it is possible to improve the gas tightness, durability, and thermal cycle performance of the gas seal portion.
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図1(A)〜(E)は、本発明の一実施形態に係る固体酸化物型燃料電池の製造方法の各工程を表す側断面図である。図2は、図1に続く固体酸化物型燃料電池の製造方法の工程を表す側断面図である。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. 1A to 1E are side cross-sectional views showing respective steps of a method for manufacturing a solid oxide fuel cell according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a side sectional view showing a process of the method for manufacturing a solid oxide fuel cell following FIG.
符号102は発電セル(図1(A))、符号103は単セル(図1(C))、符号104はスタック((図1(E)))を示している。本実施形態の固体酸化物型燃料電池(以下、燃料電池)では、金属セルカバー121上面中央部の凹部に発電セル102が配置され、発電セル102が金属セルカバー121および金属セパレータ122に狭持される形態をなしている。このような構成を有する複数の単セル104が絶縁体マニホールド142を間にして積層されることによりスタック104が構成されている。
スタック104では、発電セル102と金属セルカバー121との間、金属セルカバー121と金属セパレータ122との間、金属セパレータ122と絶縁体マニホールド142との間、および、金属セルカバー121と絶縁体マニホールド142との間には、大気接合用ろう材131〜134からなるガスシール部が形成されている。
In the
本実施形態の固体酸化物型燃料電池(以下、燃料電池)の製造方法は、発電セルの準備工程(図1(A))、大気接合用ろう材の塗布工程、スタックの組立工程(図1(B)〜1(E)、図2)、および、大気雰囲気中熱処理工程からなる。 A manufacturing method of a solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as a fuel cell) according to this embodiment includes a power generation cell preparation step (FIG. 1A), an air bonding brazing material coating step, and a stack assembly step (FIG. 1). (B) to 1 (E), FIG. 2) and a heat treatment step in the air atmosphere.
まず、発電セルの準備工程において、図1(A)に示すように、固体酸化物電解質112(以下、電解質)の両側に燃料極111および空気極113を有する発電セル102を準備する。次いで、大気接合用ろう材の塗布工程において、ガスシール部形成予定部に大気接合用ろう材131〜134を塗布する。具体的には、発電セル102の電解質112における空気極113側の一面の外周部に大気接合用ろう材131を塗布し、金属セパレータ122上面の外周部に大気接合用ろう材132を塗布し、絶縁体マニホールド142の上面に大気接合用ろう材133を塗布し、金属セルカバー121上面の外周部に大気接合用ろう材134を塗布する。
First, in a power generation cell preparation step, as shown in FIG. 1A, a
大気接合用ろう材の材質は、主成分としてAgを含み、添加元素としてGe、Si、Cr、Al、Au、Pd、Sb、Bi、および、それら元素の酸化物のうちの少なくとも一種を含むものである。大気接合用ろう材の形態は、特に限定されるものではなく、ペーストや、箔、ワイヤー、スラリー、ゾル、粉末などが挙げられる。大気接合用ろう材の塗布方法は、特に限定されるものではなく、ディスペンス塗布やスクリーン印刷などが挙げられる。集電材は、Ni、Ag、あるいは、それら金属を含む合金の多孔質体が好適であり、その形状としては、細線形状や、メッシュ形状、格子形状、マット形状、発泡金属体形状が挙げられる。 The material of the air bonding brazing material contains Ag as a main component, and contains at least one of Ge, Si, Cr, Al, Au, Pd, Sb, Bi, and oxides of these elements as additive elements. . The form of the brazing material for air bonding is not particularly limited, and examples thereof include paste, foil, wire, slurry, sol, and powder. The method for applying the air bonding brazing material is not particularly limited, and examples thereof include dispensing application and screen printing. The current collector is preferably a porous body of Ni, Ag, or an alloy containing these metals, and examples of the shape include a fine wire shape, a mesh shape, a lattice shape, a mat shape, and a foam metal body shape.
続いて、スタックの組立工程において、図1(B)に示すように、凹状をなす金属セパレータ122上面の中央部に、集電材141を間にして発電セル102を配置する。この場合、集電材141を配置する代わりに、上記大気接合用ろう材を用い、集電層として塗布してもよい。
Subsequently, in the stack assembling step, as shown in FIG. 1B, the
次いで、図1(C)に示すように、発電セル102上面の外周部および金属セパレータ122上面の外周部に塗布された大気接合用ろう材131,132上に、金属セルカバー121を配置する。 これにより、発電セル102が金属セルカバー121および金属セパレータ122に狭持された形態をなす単セル103が得られる。次いで、図1(D)に示すように、金属セルカバー121の大気接合用ろう材134上に、大気接合用ろう材133が上面に塗布された絶縁体マニホールド142を配置する。
Next, as shown in FIG. 1C, the
絶縁体マニホールド142は、単セル103間の短絡を防止する電気絶縁部材である。絶縁体マニホールド142としては、MgO系セラミックス材料を用いる。具体的には、絶縁体マニホールド142としては、主成分としてマグネシアを含み、添加元素としてアルミナおよびイットリアを含むセラミックス材料を用いる。より具体的には、絶縁体マニホールドは、マグネシアを70wt%以上80wt%以下、アルミナを15wt%以上25wt%以下、イットリアを0wt%超8wt%以下含有するセラミックス材料を用いる。この態様では、接合相手の金属セルカバー121および金属セパレータ122にフェライト形ステンレス鋼を用いる場合、絶縁体マニホールド142の熱膨張係数は、接合相手の上記フェライト形ステンレス鋼と同等の熱膨張係数(10.0×10−6〜14.0×10−6℃−1)に調整することができるから、絶縁体マニホールドと金属セパレータの接合および絶縁体マニホールドと金属セルカバーの接合が良好となる。
The
続いて、図1(E)に示すように、絶縁体マニホールド142上に単セル103を積層する。この場合、下側の単セル103の空気極113と上側の単セル103の金属セパレータ122との間に集電材142を配置する。これにより、燃料電池のスタック104が得られる。本実施形態では、スタック104を2個の単セル103から構成した例を示したが、図1(B)〜1(E)に示す工程を繰り返すことにより所定の枚数が積層された燃料電池スタックが得られる。
Subsequently, as illustrated in FIG. 1E, the
次に、図2に示すように、板材である第1部材151および第2部材152によりスタック104を狭持し、ボルト153により部材同士を締結する。この場合、たとえば第1部材151と上側の単セル103の金属セルカバー121との間にセラミックス製の弾性部材154(たとえば巻ばね)を配置する。この態様では、電気的絶縁を確保することができるのはもちろんのこと、耐へたり性の向上を図ることができるとともに、片荷重による問題を解消することができる。
Next, as shown in FIG. 2, the
次いで、大気雰囲気中熱処理工程において、燃料電池のスタック104を大気炉に投入し、大気雰囲気中、800〜970℃、所定時間(たとえば5分〜60分間)加熱する。これにより、ガスシール部の大気接合用ろう材131〜134が溶融し、ガスシール部で良好な気密性を得ることができる。このような熱処理では、大気炉の代わりに、燃料電池の起動・運転を行う加熱手段を用いることができる。この場合、たとえば燃料電池の運転温度が800℃、大気接合用ろう材131〜134の接合温度が970℃であるときには、まず大気雰囲気中で、大気接合用ろう材131〜134の接合温度である970℃まで昇温させ、この状態を5分〜60分間保持した後、燃料電池の運転温度である800℃まで降温させ、電池として起動することができる。
Next, in the atmospheric heat treatment step, the
以上のような製造方法により製造された燃料電池の実験例のガスシール部の全体断面二次電子像を図5〜7に示す。実験例では、大気接合用ろう材の形態としては、本出願人が提案している特願2009−056805号に記載のペーストを用い、大気接合用ろう材の塗布方法としてはスクリーン印刷法を用いた。 The whole cross-section secondary electron image of the gas seal part of the experimental example of the fuel cell manufactured by the above manufacturing method is shown in FIGS. In the experimental example, the paste described in Japanese Patent Application No. 2009-056805 proposed by the present applicant is used as the form of the brazing material for air bonding, and the screen printing method is used as the coating method of the brazing material for air bonding. It was.
図5は、発電セル(セル)と金属セルカバー間のガスシール部(大気接合用ろう材層)の断面構成を表し、図6は、金属セパレータと金属セルカバーとの間のガスシール部(大気接合用ろう材層)の断面構成を表し、図7は、金属セパレータと絶縁体マニホールドとの間のガスシール部(大気接合用ろう材層)の断面構成を表している。図5〜7では、(A)が全体断面二次電子像(×40)、(B)が拡大断面二次電子像(×500)である。図5〜7から判るように、各ガスシール部では、相手部材への密着性が高い大気接合用ろう材層が形成されていることを確認した。これにより、ガスシール部において大気ろう付法を用いて部材同士を接合することにより、ガスシール部の気密性の向上を図ることができることを確認した。 FIG. 5 shows a cross-sectional configuration of a gas seal part (atmospheric bonding brazing filler metal layer) between the power generation cell (cell) and the metal cell cover, and FIG. 6 shows a gas seal part between the metal separator and the metal cell cover ( FIG. 7 shows a cross-sectional configuration of the gas seal portion (atmospheric bonding brazing material layer) between the metal separator and the insulator manifold. 5-7, (A) is a whole cross-section secondary electron image (x40), and (B) is an enlarged cross-section secondary electron image (x500). As can be seen from FIGS. 5 to 7, it was confirmed that in each gas seal portion, a brazing filler metal layer having high adhesion to the mating member was formed. Thereby, it was confirmed that the gas tightness of the gas seal portion can be improved by joining the members using the atmospheric brazing method in the gas seal portion.
以上のように本実施形態では、大気ろう付法を用いたろう付工程でガスシール部を接合するので、熱処理が少なくとも3回必要な活性金属ろう付法とは異なり、必要な熱処理が1回であるから、生産性向上および低コスト化を図ることができる。また、Tiなどの活性金属を用いる活性金属ろう付法とは異なり、熱処理雰囲気を大気雰囲気に設定することができるから、真空あるいは不活性雰囲気に設定することが不要となり、その結果、製造時間の短縮化を図ることができるとともに、低コスト化をさらに図ることができる。さらに、大気接合用ろう材131〜134を用いた場合、大気雰囲気中で、金属同士の接合、セラミックス同士の接合、および、金属とセラミックスの接合をフラックスなしで簡便に行うことができるとともに、それら接合界面は、高温水素/酸素雰囲気でも良好に保持されるから、ガスシール部の気密性、耐久性、および、熱サイクル性の向上を図ることができる。
As described above, in the present embodiment, since the gas seal portion is joined in the brazing process using the atmospheric brazing method, unlike the active metal brazing method in which the heat treatment is required at least three times, the necessary heat treatment is performed once. Therefore, productivity can be improved and costs can be reduced. In addition, unlike the active metal brazing method using an active metal such as Ti, the heat treatment atmosphere can be set to an air atmosphere, so that it is not necessary to set a vacuum or an inert atmosphere. Shortening can be achieved and further cost reduction can be achieved. Furthermore, when air
特に、燃料電池の起動運転に通常使用されている加熱手段を利用することができるので、大気接合用ろう材131〜134の接合用の加熱手段を別途用意する必要がなく、かつ熱処理工程を別途行う必要がないから、製造時間の短縮化を図ることができるとともに、低コスト化をさらに図ることができる。
In particular, since the heating means usually used for the start-up operation of the fuel cell can be used, it is not necessary to separately prepare a heating means for joining the
以上、上記実施形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。たとえば、本実施形態の燃料電池の製造方法は、本発明の固体酸化物型燃料電池の製造方法の一例であって、本発明の範囲内で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。たとえば上記実施形態では、大気接合用ろう材の塗布工程において、各ガスシール部形成予定部に大気接合用ろう材を塗布したが、各部材の設置時に適宜大気接合用ろう材を塗布してもよい。また、大気雰囲気中熱処理工程において、全てのガスシール部における部材同士を同時に接合したが、少なくとも2以上のガスシール部における部材同士を同時に接合してもよい。 While the present invention has been described with reference to the above embodiment, the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made. For example, the fuel cell manufacturing method of the present embodiment is an example of the solid oxide fuel cell manufacturing method of the present invention, and it goes without saying that various modifications are possible within the scope of the present invention. For example, in the above-described embodiment, the air bonding brazing material is applied to each gas seal portion formation scheduled portion in the air bonding brazing material applying step, but the air bonding brazing material may be appropriately applied when each member is installed. Good. Moreover, in the air atmosphere heat treatment step, the members in all the gas seal portions are joined at the same time, but the members in at least two gas seal portions may be joined at the same time.
102…発電セル、103…単セル、104…スタック、121…金属セルカバー、122…金属セパレータ、131〜134…大気接合用ろう材(ガスシール部)、142…絶縁体マニホールド、154…弾性部材
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記ガスシール部は、大気接合用ろう材からなることを特徴とする固体酸化物型燃料電池。 It has a gas seal part that seals between members and prevents gas leakage to the outside,
The gas seal portion is made of a brazing material for air bonding, and is a solid oxide fuel cell.
前記発電セルと前記金属セルカバーとの間、前記金属セパレータと前記金属セルカバーとの間、前記金属セパレータと前記絶縁体マニホールドとの間、および、前記金属セルカバーと前記絶縁体マニホールドとの間には前記ガスシール部が設けられていることを特徴とする請求項1に記載の固体酸化物型燃料電池。 A power generation cell, a metal separator and a metal cell cover that sandwich the power generation cell, and an insulator manifold provided between ends of the metal separator and the metal cell cover as the member,
Between the power generation cell and the metal cell cover, between the metal separator and the metal cell cover, between the metal separator and the insulator manifold, and between the metal cell cover and the insulator manifold. The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the gas seal portion is provided in the fuel cell.
前記部材同士は、大気ろう付法を用いたろう付工程で接合され、
前記ろう付工程のうちの少なくとも2以上を同時に行うことを特徴とする固体酸化物型燃料電池の製造方法。 In the manufacturing method of the solid oxide fuel cell according to claim 1 or 2,
The members are joined in a brazing process using an atmospheric brazing method,
A method for producing a solid oxide fuel cell, wherein at least two of the brazing steps are simultaneously performed.
前記第1部材および第2部材の少なくとも一方の部材と前記スタックとの間にセラミックス製の弾性部材を用いることを特徴とする請求項3〜8のいずれかに記載の固体酸化物型燃料電池の製造方法。 When stacking a plurality of single cells to assemble a stack and sandwiching the stack between the first member and the second member,
9. The solid oxide fuel cell according to claim 3, wherein a ceramic elastic member is used between at least one member of the first member and the second member and the stack. Production method.
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Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2013235651A (en) * | 2012-05-02 | 2013-11-21 | Ngk Spark Plug Co Ltd | Assembly and solid oxide fuel battery with the same |
WO2014210494A1 (en) * | 2013-06-29 | 2014-12-31 | Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc. | Solid oxide fuel cell having a dense barrier layer |
JP2016186902A (en) * | 2015-03-27 | 2016-10-27 | 東邦瓦斯株式会社 | Solid oxide type fuel battery |
EP3327841A4 (en) * | 2015-07-13 | 2018-05-30 | Nissan Motor Co., Ltd. | Seal structure for fuel cell |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2000331692A (en) * | 1999-05-20 | 2000-11-30 | Tokyo Gas Co Ltd | Plate type cell with retaining thin plate frame and fuel cell using same |
JP2003317743A (en) * | 2002-02-22 | 2003-11-07 | Ngk Spark Plug Co Ltd | Solid electrolyte fuel cell |
JP2004319286A (en) * | 2003-04-16 | 2004-11-11 | Tokyo Gas Co Ltd | Manufacturing method of solid oxide fuel cell |
JP2007331026A (en) * | 2006-06-19 | 2007-12-27 | Nhk Spring Co Ltd | Joined body, and joining brazing filler metal |
JP2009009802A (en) * | 2007-06-27 | 2009-01-15 | Ngk Spark Plug Co Ltd | Solid electrolyte fuel cell and its manufacturing method |
JP2010207863A (en) * | 2009-03-10 | 2010-09-24 | Nhk Spring Co Ltd | Brazing filler metal for atmospheric joining, and joined body |
-
2009
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Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2000331692A (en) * | 1999-05-20 | 2000-11-30 | Tokyo Gas Co Ltd | Plate type cell with retaining thin plate frame and fuel cell using same |
JP2003317743A (en) * | 2002-02-22 | 2003-11-07 | Ngk Spark Plug Co Ltd | Solid electrolyte fuel cell |
JP2004319286A (en) * | 2003-04-16 | 2004-11-11 | Tokyo Gas Co Ltd | Manufacturing method of solid oxide fuel cell |
JP2007331026A (en) * | 2006-06-19 | 2007-12-27 | Nhk Spring Co Ltd | Joined body, and joining brazing filler metal |
JP2009009802A (en) * | 2007-06-27 | 2009-01-15 | Ngk Spark Plug Co Ltd | Solid electrolyte fuel cell and its manufacturing method |
JP2010207863A (en) * | 2009-03-10 | 2010-09-24 | Nhk Spring Co Ltd | Brazing filler metal for atmospheric joining, and joined body |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2013235651A (en) * | 2012-05-02 | 2013-11-21 | Ngk Spark Plug Co Ltd | Assembly and solid oxide fuel battery with the same |
WO2014210494A1 (en) * | 2013-06-29 | 2014-12-31 | Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc. | Solid oxide fuel cell having a dense barrier layer |
US10297853B2 (en) | 2013-06-29 | 2019-05-21 | Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc. | Solid oxide fuel cell having a dense barrier layer |
JP2016186902A (en) * | 2015-03-27 | 2016-10-27 | 東邦瓦斯株式会社 | Solid oxide type fuel battery |
EP3327841A4 (en) * | 2015-07-13 | 2018-05-30 | Nissan Motor Co., Ltd. | Seal structure for fuel cell |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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