JP2012182069A - Solid oxide fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、少なくとも燃料極層と空気極層と固体電解質層とが積層されたセル本体と、燃料ガス流路と空気流路を隔離する隔離セパレータとが一体化された構造を有する平板型の固体酸化物形燃料電池に関するものである。 The present invention is a flat plate type having a structure in which a cell body in which at least a fuel electrode layer, an air electrode layer, and a solid electrolyte layer are laminated, and a separator that separates the fuel gas flow path and the air flow path are integrated. The present invention relates to a solid oxide fuel cell.
従来から、平板型の固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)が知られている。一般に平板型のSOFCは、固体電解質層の一方の側に燃料ガスと接する燃料極層を配置し、他方の側に酸化剤ガス(空気)と接する空気極層を配置してセル本体を形成し、このセル本体を隔離セパレータに接合することで、燃料ガスの流路と酸化剤ガスの流路とを隔離する構造を有している。隔離セパレータは、例えば枠体状の金属板からなり、その開口部を取り囲んで接合する領域にロウ材等(接合部)を介してセル本体と一体的に接合されている。一般に、セル本体と隔離セパレータは方形の平面形状で形成されるが、隔離セパレータは軽量化等のため極めて薄く形成され、セル本体との接合領域で破損しやすいことから、セル本体の各角部を面取りする構造が提案されている(例えば、特許文献1参照)。隔離セパレータによる良好なガスシール性を確保するには、接合部(以下、接合領域とも称する)を介してセル本体と隔離セパレータとを十分に密着した状態に保つことが重要である。 Conventionally, a flat-type solid oxide fuel cell (SOFC) is known. In general, a flat SOFC has a cell body formed by disposing a fuel electrode layer in contact with a fuel gas on one side of a solid electrolyte layer and an air electrode layer in contact with an oxidant gas (air) on the other side. The cell main body is joined to an isolation separator to isolate the fuel gas flow path and the oxidant gas flow path. The isolation separator is made of, for example, a frame-like metal plate, and is integrally joined to the cell main body via a brazing material or the like (joining portion) in a region surrounding the opening and joining. In general, the cell body and the separator are formed in a square planar shape, but the separator is formed extremely thin for weight reduction and the like, and is easily damaged at the joint area with the cell body. The structure which chamfers is proposed (for example, refer patent document 1). In order to secure a good gas sealing property by the isolation separator, it is important to keep the cell body and the isolation separator sufficiently in close contact with each other via a junction (hereinafter also referred to as a junction region).
上述したように、セル本体と隔離セパレータとの接合領域は、セル本体の外周側と隔離セパレータの内周側(開口部)とに囲まれた方形のリング状となる。一般に、このような形状を有する接合領域においては、四辺の領域に比べて、4つの角部に応力が集中しやすい傾向がある。接合領域の各角部に応力が集中すると、その部分でセル本体と隔離セパレータの密着性が保たれなくなり、ガスリークを発生させる要因となる。特に、特許文献1に開示されるようにセル本体の各角部を面取りする場合には、接合領域の外周形状の各角部も面取りされるので、四辺の部分に比べて各角部の接合面積が減少することになり、応力集中の影響をさらに受けやすくなる。その結果、接合領域の各角部への応力集中によりセル本体と隔離セパレータの密着性が不十分となり、ガスシール性が劣化することが問題となる。一方、隔離セパレータの開口部分を小さくすれば接合領域の面積が増えるが、この場合はセル本体のうち開口部分に露出可能な領域が制約されるため、発電面積が小さくなるので好ましくない。このように、従来のSOFCでは、良好な発電性能を確保しつつ、セル本体と隔離セパレータの接合領域におけるガスシール性を向上させることが困難であった。
As described above, the joining area between the cell body and the separator is a square ring surrounded by the outer periphery of the cell body and the inner periphery (opening) of the separator. In general, in a joint region having such a shape, stress tends to concentrate on four corners as compared to a four-side region. When stress is concentrated at each corner of the joining region, the adhesion between the cell body and the separator is not maintained at that portion, which causes a gas leak. In particular, when each corner portion of the cell body is chamfered as disclosed in
本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、発電性能を維持しつつ、セル本体と隔離セパレータとの接合領域におけるガスシール性を高めることが可能な固体酸化物形燃料電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve these problems, and provides a solid oxide fuel cell capable of enhancing gas sealing performance in a joining region between a cell body and an isolation separator while maintaining power generation performance. The purpose is to provide.
上記課題を解決するために、本発明の固体酸化物形燃料電池は、少なくとも、燃料ガスに接する燃料極層と、酸化剤ガスに接する空気極層と、一方の面側に前記燃料極が配置され他方の面側に前記空気極が配置された固体電解質層とが積層された板状のセル本体と、前記セル本体の一方の面側に配置されて、厚み方向に貫通する開口部を備え、前記セル本体の前記燃料極層または前記空気極層の少なくとも一部を前記開口部より露出させると共に、前記セル本体の前記固体電解質層と接合する接合部を有する枠体状の隔離セパレータと、を備えた固体酸化物形燃料電池であって、前記接合部は、外周及び内周を備える平面形状を有し、外周形状及び内周形状が、いずれも方形の四隅において面取りされた平面形状であることを特徴としている。 In order to solve the above problems, a solid oxide fuel cell according to the present invention includes at least a fuel electrode layer in contact with a fuel gas, an air electrode layer in contact with an oxidant gas, and the fuel electrode disposed on one surface side. And a plate-like cell body on which the solid electrolyte layer having the air electrode disposed on the other surface side is laminated, and an opening that is disposed on one surface side of the cell body and penetrates in the thickness direction. A frame-shaped isolation separator that has at least a part of the fuel electrode layer or the air electrode layer of the cell body exposed from the opening and has a joint for joining the solid electrolyte layer of the cell body; The junction has a planar shape including an outer periphery and an inner periphery, and the outer periphery shape and the inner periphery shape are both planar shapes chamfered at four corners of a rectangle. It is characterized by being
本発明の固体酸化物形燃料電池によれば、燃料極層と空気極層と固体電解質層とが積層されたセル本体を隔離セパレータに接合する際、その接合領域は、セル本体の外周側に依存する外周形状と、隔離セパレータの開口部がある内周側に依存する内周形状とに囲まれた帯状であって、外周形状の各角部と内周形状の各角部がいずれも面取りされている。よって、セル本体と隔離セパレータとを接合領域で接合したとき、角部に集中しやすい応力を緩和することができ、セル本体と隔離セパレータとの十分な密着性を保ってガスシール性を高めることができる。また、従来の構造のようにセル本体の各角部のみを面取りする場合は接合領域の各角部で接合面積が減少するが、本発明の構造では接合領域の内周形状の各角部も面取りされているので、接合面積の減少を避けることができる。さらに、接合面積が確保されるため、隔離セパレータの開口部を中央部に向けて縮小する必要がなく、十分な発電面積を確保可能となる。 According to the solid oxide fuel cell of the present invention, when the cell body in which the fuel electrode layer, the air electrode layer, and the solid electrolyte layer are laminated is joined to the isolation separator, the joining region is on the outer peripheral side of the cell body. The outer peripheral shape depends on the inner periphery and the inner peripheral shape depends on the inner peripheral side where the separator separator has an opening, and each corner of the outer peripheral shape and each corner of the inner peripheral shape are chamfered. Has been. Therefore, when the cell body and the separator separator are joined in the joining region, the stress that tends to concentrate on the corners can be relieved, and the gas sealability is improved while maintaining sufficient adhesion between the cell body and the separator separator. Can do. In addition, when chamfering only each corner of the cell body as in the conventional structure, the bonding area is reduced at each corner of the bonding region. Since it is chamfered, a reduction in the bonding area can be avoided. Furthermore, since the bonding area is ensured, it is not necessary to reduce the opening of the isolation separator toward the center, and a sufficient power generation area can be ensured.
前記接合領域の面取り形状は、方形の各角部が除去されている限り多様な形状を適用することができるが、例えば、前記接合領域の各角部を円弧状に面取りしたR面取り形状とすることができる。この場合、R面取り形状の曲率半径は、前記接合領域の各角部の付近で、できるだけ接合面積が大きくなるように設定することが望ましい。例えば、前記接合領域の各角部において、外周領域のR面取りの曲率半径に比べ、内周領域のR面取りの曲率半径が小さくなるように設定してもよい。この場合の曲率半径をそれぞれ適切に設定することで、前記接合領域を一定幅の帯状の領域として配置することができ、部分的に幅が狭くなる箇所で接合信頼性が低下することを防止することができる。 Various shapes can be applied as the chamfered shape of the joint region as long as each corner portion of the square is removed. For example, an R-chamfered shape in which each corner portion of the joint region is chamfered in an arc shape. be able to. In this case, it is desirable to set the radius of curvature of the R chamfered shape so that the bonding area is as large as possible in the vicinity of each corner of the bonding region. For example, at each corner of the joint region, the radius of curvature of the R chamfer of the inner peripheral region may be set to be smaller than the radius of curvature of the R chamfer of the outer peripheral region. By appropriately setting the radii of curvature in this case, the joining region can be arranged as a band-like region having a constant width, thereby preventing the joining reliability from being lowered at a portion where the width is partially narrowed. be able to.
前記接合領域は、前記セル本体の外周形状と前記隔離セパレータの内周形状とに取り囲まれた範囲内で所望の帯状の領域に設定することができる。この場合、前記セル本体の外周側の端部を前記接合領域の前記外周形状と同一の平面形状に形成し、前記隔離セパレータの内周側の端部を前記接合領域の前記内周形状と同一の平面形状に形成すれば、前記セル本体と前記隔離セパレータとを接合可能な範囲を最大限活用することができる。 The joining region can be set to a desired belt-like region within a range surrounded by the outer peripheral shape of the cell body and the inner peripheral shape of the isolation separator. In this case, the outer peripheral end of the cell body is formed in the same planar shape as the outer peripheral shape of the joining region, and the inner peripheral end of the isolation separator is the same as the inner peripheral shape of the joining region. If the planar shape is formed, the range in which the cell body and the isolation separator can be joined can be utilized to the maximum extent.
前記接合領域における前記隔離セパレータと前記セル本体との接合は、特に制約されないが、例えば、ロウ材を用いることができる。例えば、前記隔離セパレータと前記セル本体のそれぞれの前記接合領域に相当する部分領域にロウ材を塗布した状態で、両者を位置合わせして加熱することにより、前記接合領域を介して前記セル本体を前記隔離セパレータに一体化することができる。 The joining between the isolation separator and the cell body in the joining region is not particularly limited, but, for example, a brazing material can be used. For example, in a state where brazing material is applied to partial regions corresponding to the bonding regions of the isolation separator and the cell main body, the cell body is moved through the bonding region by aligning and heating both. It can be integrated with the isolation separator.
前記セル本体及び前記隔離セパレータは、それぞれ多様な構造で形成することができる。前記セル本体は、前記燃料極層、前記空気極層、前記固体電解質に加え、他の機能層を含んでいてもよく、各層のうち支持基体とする層も特に制約されない。代表的なセル本体の構造としては、前記燃料極層を支持基体とし、前記セル本体のうち前記隔離セパレータの前記開口部に露出する部分の表面に前記空気極層を配置することができる。また、前記隔離セパレータは、例えば、可撓性を有する金属材料により形成することができる。なお、本発明は、単位セルである固体酸化物形燃料電池セルに適用する場合のほか、複数の単位セルを積層して構成された固体酸化物形燃料電池スタックに対しても適用可能である。 The cell body and the isolation separator can be formed in various structures. The cell main body may include other functional layers in addition to the fuel electrode layer, the air electrode layer, and the solid electrolyte, and a layer serving as a support base among the layers is not particularly limited. As a typical structure of the cell body, the fuel electrode layer can be used as a supporting base, and the air electrode layer can be disposed on the surface of the cell body exposed at the opening of the isolation separator. Moreover, the said isolation | separation separator can be formed with the metal material which has flexibility, for example. The present invention can be applied not only to a solid oxide fuel cell that is a unit cell, but also to a solid oxide fuel cell stack configured by stacking a plurality of unit cells. .
以上述べたように、本発明によれば、固体酸化物形燃料電池の単位セルにおいて、セル本体と隔離セパレータとを接合する接合領域を、外周形状及び内周形状の各角部を面取りした平面形状としたので、角部に集中する応力を緩和し、かつ接合面積を確保することができる。よって、セル本体と隔離セパレータとの接合信頼性を高めて接合領域でのガス漏れを確実に防ぐことで単位セルのガスシール性の向上を実現することができ、さらには固体酸化物形燃料電池の利用率向上にも効果がある。 As described above, according to the present invention, in the unit cell of the solid oxide fuel cell, the joining area for joining the cell main body and the separator separator is a plane in which each corner of the outer peripheral shape and the inner peripheral shape is chamfered. Since it has a shape, it is possible to relieve stress concentrated on the corner and to secure a bonding area. Therefore, it is possible to improve the gas sealing performance of the unit cell by improving the bonding reliability between the cell body and the isolation separator and reliably preventing gas leakage in the bonding area, and further, solid oxide fuel cell It is also effective in improving the utilization rate.
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。ただし、以下に述べる実施形態は本発明の技術思想を適用した形態の一例であって、本発明が本実施形態の内容により限定されることはない。 Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the embodiment described below is an example of a form to which the technical idea of the present invention is applied, and the present invention is not limited by the content of the present embodiment.
まず、本発明を適用した固体酸化物形燃料電池の具体的な構造について説明する。図1は、本実施形態の固体酸化物形燃料電池1の側面図を示し、図2は、図1の固体酸化物形燃料電池1の上面図を示している。なお、図1は、図2の矢印A方向から見た側面図に対応する。
First, a specific structure of a solid oxide fuel cell to which the present invention is applied will be described. FIG. 1 shows a side view of the solid
図1及び図2に示すように、本実施形態の固体酸化物形燃料電池1は、基本的な構成単位である燃料電池セル(以下、単位セルと呼ぶ)3を複数個積層した燃料電池スタック2を備えている。また、燃料電池スタック2は、複数のボルトB1〜B8及び複数のナットNによって一体的に固定されている。各ボルトB1〜B8のうち、図2の方形平面内の四隅に位置する4個のボルトB1、B3、B5、B7は、燃料電池スタック2を固定する連結部材としてのみ用いられる。一方、各ボルトB1〜B8のうち、図2の方形平面内の四辺に位置する4個のボルトB2、B4、B6、B8は、上記連結部材に加えて、積層方向に沿う貫通孔に連通し、それぞれ燃料ガスの流路(燃料ガス流路)又は酸化剤ガスの流路(空気流路)の一部として機能する。具体的には、ボルトB2は燃料ガス流路の入口側の燃料ガス導入管Finに連通し、ボルトB2の対向位置のボルトB6は燃料ガス流路の出口側の燃料ガス排出管Foutに連通する。また、ボルトB4は空気流路の入口側の空気導入管Ainに連通し、ボルトB4の対向位置のボルトB8は空気流路の出口側の空気排出管Aoutに連通する。
As shown in FIGS. 1 and 2, the solid
次に、図1の固体酸化物形燃料電池1に含まれる単位セル3の基本構造について説明する。図3は、1個の単位セル3に関し、各構成要素を分解した状態の模式的な断面構造を示している。図3に示す単位セル3には、発電機能を担うセル本体10を備えている。セル本体10は、下層側から順に、燃料極層11と、固体電解質層12と、空気極層13とが積層形成されてなる。また、単位セル3は、上下1対のインターコネクタ20、21と、下側のインターコネクタ20と燃料極層11との間に配置された燃料極側集電体22と、上側のインターコネクタ21と空気極層13との間に配置された空気極側集電体23と、燃料極層11の側面を取り囲む燃料極フレーム24と、セル本体10と一体的に接合され、燃料極層11の側の燃料ガス流路Fpと空気極層13の側の空気流路Apとを隔離する隔離セパレータ25と、燃料極フレーム24と下側のインターコネクタ20との間に配置されたガスシール部26と、隔離セパレータ25と上側のインターコネクタ21との間に配置されたガスシール部27と、を備えている。
Next, the basic structure of the
燃料極層11は、水素源となる燃料ガスに接触し、単位セル3のアノードとして機能する。燃料極層11は、セル本体10を支持する支持基体層となるので、機械的強度を確保できる程度の十分な厚みで形成することが望ましい。例えば、燃料極層11の材料としては、Ni等の金属粒子とセラミック粒子からなるサーメットを用いることができる。固体電解質層12は、イオン導電性を有する各種の固体電解質からなる。例えば、固体電解質層12の材料としては、YSZ、ScSZ、SDC、GDC、ペロブスカイト系酸化物等を用いることができる。空気極層13は、酸素源となる空気ガスに接触し、単位セル3のカソードとして機能する。例えば、空気極層13の材料としては、ペロブスカイト系酸化物、各種貴金属及び貴金属とセラミックとのサーメットを用いることができる。なお、燃料極層11、固体電解質層12、空気極層13は、いずれも方形(例えば、正方形)の平面形状を有する。
The fuel electrode layer 11 is in contact with a fuel gas serving as a hydrogen source and functions as an anode of the
以下、単位セル3内の主な構成部材の構造について、図4〜図9を参照して説明する。なお、図4〜図9は、いずれも図2と平面内で方向が一致する。まず、下側のインターコネクタ20は下層に隣接する単位セル3との電気的接続を担い、上側のインターコネクタ21は上層に隣接する単位セル3との電気的接続を担う。図4に示すように、インターコネクタ20、21は、例えばフェライト系ステンレスからなる薄型の金属板であり、その外縁部には上記ボルトB1〜B8が貫通する8つの丸孔が形成されている。また、下側のインターコネクタ20に接合された燃料極側集電体22は、例えば、通気性を有するNiフェルトからなり、上側のインターコネクタ21に接合された空気極側集電体23は、例えば、金属及び導電性セラミックからなる。
Hereinafter, the structure of the main constituent members in the
下側のガスシール部26は、例えば、マイカ等の絶縁材料からなり、単位セル3における燃料ガス流路Fpをシールする役割がある。図5に示すように、ガスシール部26の中央には開口部30が形成されるとともに、外縁部には上記ボルトB1〜B8が貫通する8つの丸孔が形成されている。このうち、開口部30には、方形の対向する2辺において、外縁部に延伸される各4本の切り欠きが形成されている。後述するように、開口部30に形成される切り欠きは、燃料ガス流路Fpの一部となる。なお、上側のガスシール部27は、図5のガスシール部26を、平面内で90度回転させた平面構造を有するので、その説明は省略する。この場合、上側のガスシール部27の開口部30に形成される切り欠きは、空気流路Apの一部となる。
The lower
燃料極フレーム24は、例えばフェライト系ステンレス等の金属材料からなり、セル本体10及び隔離セパレータ25を単位セル3に固定する役割がある。図6に示すように、燃料極フレーム24の中央には開口部31が形成され、四方の各辺に沿って4つの開口部32が形成され、4つの角部には上記ボルトB1、B3、B5、B7に対応する4つの丸孔が形成されている。中央の開口部31は、ガスシール部26の開口部30(図5)の方形部分に対向しているが切り欠きは形成されていない。各辺の4つの開口部32は、インターコネクタ20及びガスシール部26の各丸孔に重なる部分から辺方向の両側に延びる溝状に形成されている。よって、入口側のボルトB2から燃料極層11の表面を経由して出口側のボルトB6に至る燃料ガス流路Fpは、インターコネクタ20及びガスシール部26の各2辺の丸孔と、燃料極フレーム24の2辺の開口部32と、ガスシール部26の開口部30の切り欠きのそれぞれを含んで構成される。
The
次に本実施形態の単位セル3の特徴的な構造として、隔離セパレータ25及びセル本体10の構造を説明する。図7は、隔離セパレータ25の平面構造を示している。隔離セパレータ25は、可撓性を有する金属材料として、例えばフェライト系ステンレス等の金属材料を用いて、厚み0.02〜0.3mm程度の枠体状の薄板に形成されている。図7に示すように、隔離セパレータ25の中央には開口部33が形成され、四方の各辺に沿って4つの開口部34が形成され、4つの角部には上記ボルトB1、B3、B5、B7に対応する4つの丸孔が形成されている。このうち、4つの開口部34及び4つの丸孔については、燃料極フレーム24と同位置及び同形状に形成されている。一方、中央の開口部33は、燃料極フレーム24の開口部31と対向する方形のうち、4つの角部を曲率半径R1の円弧状に面取りした形状(R面取り形状)を有する。
Next, the structure of the
また、図8は、セル本体10の平面構造を示している。図8に示すように、セル本体10は、方形の外周形状のうちの4つの角部を曲率半径R2の円弧状に面取りした形状(R面取り形状)を有する。一方、セル本体10の上層の空気極層13の外周形状は、セル本体10の外周形状よりも小さいサイズになっている。これは、図3の断面構造を用いて説明したように、隔離セパレータ25の開口部33に空気極層13が露出可能な構造としたものである。
FIG. 8 shows a planar structure of the
なお、入口側のボルトB4から空気極層13の表面を経由して出口側のボルトB8に至る空気流路Apは、インターコネクタ21及びガスシール部27の各2辺の丸孔と、隔離セパレータ25の2辺の開口部34と、ガスシール部27の開口部30の切り欠き(図5のガスシール部26の開口部30の切り欠きを90度回転させた位置に形成)のそれぞれを含んで構成される。
The air passage Ap extending from the inlet-side bolt B4 to the outlet-side bolt B8 via the surface of the
ここで、図9は、図7の隔離セパレータ25に図8のセル本体10を接合した状態の平面構造を示している。図9に示すように、隔離セパレータ25の内周側の裏面とセル本体10の外周側の表面が接合領域40を介して接合されている。この接合領域40は、セル本体10の外周に一致する外周形状と、隔離セパレータ25の内周(開口部33)に一致する内周形状とに囲まれた所定幅の帯状の領域である。従って、接合領域40の外周形状の各角部は図8と同様の曲率半径R2で円弧状に面取りされ、接合領域40の内周形状の各角部は図7と同様の曲率半径R1で円弧状に面取りされている。なお、接合領域40における隔離セパレータ25とセル本体10との接合は、特に制約されないが、例えばロウ材を用いて接合される。
Here, FIG. 9 shows a planar structure in a state where the
図10を参照して、本実施形態の単位セル3において図9の接合領域40の形状を採用する場合の効果を説明する。図10(A)は、図9に対応する平面構造を模式的に示した図であり、図10(B)は、本実施形態との対比のため、従来のようにセル本体10の外周側には面取りせずに隔離セパレータ25の内周側のみを面取りする場合の平面構造を比較例として模式的に示した図である。ここで、図10(A)及び図10(B)において、双方の接合領域40は、面取り部分を除いた基本の外周形状と内周形状が共通のサイズであるとする。よって、接合領域40の四辺における幅W1は、図10(A)と図10(B)とで共通であることがわかる。
With reference to FIG. 10, the effect in the case of employ | adopting the shape of the junction area |
一方、図10(A)の接合領域40の各角部は、外側の円弧と内側の円弧に挟まれた幅W2であり、図10(B)の接合領域40の各角部は、外側の円弧と内側の直角形状とに挟まれた幅W3であり、W2>W3の関係を満たす。よって、本実施形態の図10(A)の接合領域40は、従来の構造の図10(B)の接合領域40に比べ、角部付近で内周側が面取りされている分だけ面積が大きくなる。また、従来の構造の図10(B)では、接合領域40の角部付近に、応力が集中しやすい直角の形状部分が存在するのに対し、本実施形態の図10(A)では、接合領域40の角部付近に直角や鋭角の形状部分が存在しないため応力が集中しにくくなる。このように、本実施形態の接合領域40の形状を採用することにより、従来の構造と比べると、角部付近の接合面積を大きくでき、かつ直角や鋭角の形状部分に起因する応力の集中を回避できるので、接合領域40における接合信頼性を確保して隔離セパレータ25のガスシール性の向上が可能となる。
On the other hand, each corner of the joining
なお、本実施形態の構造において、図10(A)の各辺の幅W1と角部の幅W2との関係については特に制約されないが、例えば、W1=W2の関係に設定することにより、接合領域40を一定幅の帯状の領域に形成してもよい。この場合、接合領域40では、内周側(隔離セパレータ25の開口部33)のR面取り形状の曲率半径R1と外周側(セル本体10の外周)のR面取り形状の曲率半径R2とを、R1<R2の関係に設定することが望ましい。それぞれの曲率半径R1、R2を大きくし過ぎると、単位セル3内のセル本体10等の面積制約になるので好ましくなく、逆にそれぞれの曲率半径を小さくし過ぎると、接合領域40における応力集中を緩和する効果が得られなくなる。具体的な寸法例としては、例えば、セル本体10の1辺が120mm程度のとき、R1=5μm、R2=5.5μm程度に設定することができる。
In the structure of the present embodiment, the relationship between the width W1 of each side and the width W2 of the corner in FIG. 10A is not particularly limited. For example, by setting a relationship of W1 = W2, The
また、図10(A)に示す構造例によれば、接合領域40の外周形状がセル本体10の外周形状に一致するとともに、接合領域40の内周形状が隔離セパレータ25の内周形状に一致しているが、これに限定されることなく接合領域40の形状を定めることができる。すなわち、接合領域40は、外周形状がセル本体10の外周形状の内側にあり、かつ内周形状が隔離セパレータ25の内周形状の外側にある形状としてもよい。つまり、接合領域は、セル本体10の外周形状と隔離セパレータ25の内周形状に囲まれた領域内にあって、その外周側及び内周側の各角部が面取りされている多様な形状を持たせることができる。この限りにおいて、セル本体10の外周形状及び隔離セパレータ25の内周形状の一方又は両方の各角部が面取りされていないとしても、接合領域40自体の外周形状及び内周形状の各角部が面取りされていれば、本発明の適用は可能である。
10A, the outer peripheral shape of the joining
次に、本実施形態の単位セル3の製造工程のうち、主に隔離セパレータ25とセル本体10との接合工程について説明する。まず、周知の手法で、金属の板材に対する打ち抜き加工により、図7に示す平面構造を有する隔離セパレータ25を作製する。この時点で、隔離セパレータ25の中央の開口部33は、方形の各角部が曲率半径R1で面取りされた状態になっている。
Next, of the manufacturing process of the
一方、周知の手法で、支持基体層となる燃料極グリーンシートを形成するとともに、固体電解質グリーンシートを形成し、燃料極グリーンシートの上層に固体電解質グリーンシートとの積層体を形成する。次いで、得られた積層体を所定の方形形状に加工した後に焼成し、燃料極層11と固体電解質層12からなる焼結体を得る。この時点で、セル本体の外周部は、方形の各角部が曲率半径R2で面取りされた状態になっている。続いて、得られた焼結体の上層の所定位置に空気極層13を積層形成することで、図8の平面構造を有するセル本体10を作製する。
On the other hand, a fuel electrode green sheet to be a support base layer is formed by a well-known method, a solid electrolyte green sheet is formed, and a laminate of the solid electrolyte green sheet is formed on the upper layer of the fuel electrode green sheet. Next, the obtained laminate is processed into a predetermined rectangular shape and then fired to obtain a sintered body composed of the fuel electrode layer 11 and the
次に、図11(A)に示すように、隔離セパレータ25の下面において接合領域40に相当する内周領域にロウ材を塗布するとともに、セル本体10の固体電解質層12の上面において接合領域40に相当する外周領域にロウ材を塗布する。ロウ材としては、例えば、Agを主成分として若干のPdを含有するAg系ロウ材が用いられる。この状態で、図11(B)に示すように、隔離セパレータ25とセル本体10を、互いの接合領域40が重なるように位置合わせし、ロウ材を加熱することによってセル本体10が隔離セパレータ25に一体化される。以上のようにして得られた隔離セパレータ25及びセル本体10を組み込むことにより、単位セル3を得ることができる。
Next, as shown in FIG. 11A, a brazing material is applied to the inner peripheral region corresponding to the
本実施形態の単位セル3の効果を確認するため、ガスリークの試験を実施した。具体的には、図3の単位セル3において、燃料ガス流路Fpの側から接合領域40の部分に対し、赤色染料で着色した水溶液を塗布し、反対側の空気流路Apの側へ水溶液が浸透するか否かを赤く着色された部分を目視で確認して合否を判定した。そして、本実施形態の接合領域40の平面構造を適用した場合と、本実施形態の接合領域40の平面構造を適用しない場合に対し、それぞれ300個の単位セル3を用意して上記試験を行った。その結果、本実施形態の接合領域40の平面構造を適用した単位セル3の場合は合格率87%が得られたのに対し、本実施形態の接合領域40の平面構造を適用しない単位セル3の場合は合格率45%となり、本実施形態の単位セル3においてガスシール性が向上する効果を確認することができた。
In order to confirm the effect of the
以上、本実施形態に基づき本発明の内容を具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で多様な変更を施すことができる。例えば、本実施形態においては、接合領域40の各角部をR面取り形状とする場合を説明したが、接合領域40の面取り形状はR面取りに限られない。
The contents of the present invention have been specifically described above based on the present embodiment, but the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. For example, in the present embodiment, the case where each corner portion of the
図12は、接合領域40の面取り形状に関する他の実施例を示している。図12(A)は、接合領域40が、4つの角部を直線状に面取りした形状(C面取り形状)を有する実施例を示している。図12(A)の接合領域40は、図10(A)とは異なり、接合領域40の各角部の内周側と外周側が、両側の各2辺と45度で交差する直線で面取りされている。この場合、C面取り形状の直線部分が各辺となす内角が鈍角(135度)であり直角や鋭角の形状部分が存在しないため、応力の集中を避けることができる。なお、接合領域40の四辺における幅W1と、各角部の外周と内周の間の幅W4は、特に制約されないが、W1=W4又はW1<W4に設定可能である。
FIG. 12 shows another embodiment relating to the chamfered shape of the joining
一方、図12(B)は、図12(A)の接合領域40におけるC面取り部分の両端をさらに直線状に面取りした形状(3本の直線からなる面取り形状)を有する実施例を示している。図12(B)の接合領域40は、接合領域40の各角部のうち、各辺及び各直線部分が互いになす角度が図12(A)に比べても一層大きな鈍角になるので、応力の集中を避ける効果が高くなる。なお、接合領域40の四辺における幅W1と、各角部の外周と内周の間の幅W5は、特に制約されないが、W1=W5又はW1<W5に設定可能である。以上のように、接合領域40の角部において直角や鋭角の部分が除去される限り、直線や曲線を含む多様な面取り形状を採用することができる。
On the other hand, FIG. 12 (B) shows an embodiment having a shape (chamfered shape consisting of three straight lines) in which both ends of the C chamfered portion in the joining
さらに、その他の点についても上記実施形態により本発明の内容が限定されるものではなく、本発明の作用効果を得られる限り、上記実施形態に開示した内容には限定されることなく適宜に変更可能である。例えば、単位セル3内の各構成部材の構造、形状、材料、形成方法等については、本発明の作用効果を得られる限り、適宜に変更することができる。
Further, the contents of the present invention are not limited by the above-described embodiment with respect to other points, and the contents disclosed in the above-described embodiment are not limited to the contents disclosed in the above-described embodiments as long as the effects of the present invention can be obtained. Is possible. For example, the structure, shape, material, formation method and the like of each constituent member in the
1…固体酸化物形燃料電池
2…燃料電池スタック
3…単位セル(燃料電池セル)
10…セル本体
11…燃料極層
12…固体電解質層
13…空気極層
20、21…インターコネクタ
22…燃料極側集電体
23…空気極側集電体
24…燃料極フレーム
25…隔離セパレータ
26、27…ガスシール部
B1〜B8…ボルト
N…ナット
Ain…空気導入管
Aout…空気排出管
Ap…空気流路
Fin…燃料ガス導入管
Fout…燃料ガス排出管
Fp…燃料ガス流路
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記セル本体の一方の面側に配置されて、厚み方向に貫通する開口部を備え、前記セル本体の前記燃料極層または前記空気極層の少なくとも一部を前記開口部より露出させると共に、前記セル本体の前記固体電解質層と接合する接合部を有する枠体状の隔離セパレータと、
を備えた固体酸化物形燃料電池であって、
前記接合部は、外周及び内周を備える平面形状を有し、外周形状及び内周形状が、いずれも方形の四隅において面取りされた平面形状であることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。 At least a fuel electrode layer in contact with the fuel gas, an air electrode layer in contact with the oxidant gas, and a solid electrolyte layer in which the fuel electrode is disposed on one surface side and the air electrode is disposed on the other surface side are laminated. A plate-shaped cell main body,
The cell body is provided with an opening that is disposed on one surface side and penetrates in the thickness direction, and at least a part of the fuel electrode layer or the air electrode layer of the cell body is exposed from the opening, and A frame-shaped isolation separator having a joint for joining with the solid electrolyte layer of the cell body;
A solid oxide fuel cell comprising:
The joining portion has a planar shape having an outer periphery and an inner periphery, and both the outer periphery shape and the inner periphery shape are planar shapes chamfered at four corners of a square.
前記隔離セパレータの内周側の端部は、前記接合部の前記内周形状と同一の平面形状に形成される、
ことを特徴とする請求項1に記載の固体酸化物形燃料電池。 The outer peripheral end of the cell body is formed in the same planar shape as the outer peripheral shape of the joint,
An end portion on the inner peripheral side of the isolation separator is formed in the same planar shape as the inner peripheral shape of the joint portion.
The solid oxide fuel cell according to claim 1.
The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 8, wherein the isolation separator is made of a flexible metal material.
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