JP2014049321A - セパレータ付燃料電池セル,および燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】セパレータ付燃料電池セルは,固体電解質層を空気極および燃料極で挟んで構成される燃料電池セル本体と,表面と裏面とに開口する開口部を有し,Agを含む接合材で構成される接合部を介して,該裏面側が前記燃料電池セル本体に取り付けられる,板状の金属製セパレータと,を具備する,セパレータ付燃料電池セルであって,前記接合部よりも前記開口部側でかつ前記金属製セパレータの裏面と前記セル本体との間に前記開口部の全周にわたって配置され,ガラスを含む封止材を含む封止部と,前記金属製セパレータを挟んで,前記封止部と対向する位置における,前記金属製セパレータの表面上に配置され,前記封止材と同じ材料で構成される拘束部と,を備える。
【選択図】図3
Description
本発明は,接合部の長寿命化を図った,セパレータ付燃料電池セル,および燃料電池を提供することを目的とする。
封止部が開口部の全周にわたって配置されている。このため,拘束部を開口部の全周にわたって配置することで,開口部の全周にわたって,金属製セパレータの変形を抑制できる。
封止部と拘束部とが一体となることで,金属製セパレータの変形(撓み)のさらなる抑制が可能となる。
また,封止部と拘束部との一体化は,封止部の幅の実質的増大に寄与し,封止部による封止性が向上する。
金属製セパレータ,拘束部はそれぞれ,金属,ガラスから構成され,金属製セパレータよりも拘束部の熱膨張係数の方が小さいことが通例である。このような条件でも,拘束部による金属製セパレータの変形(撓み)の抑制が可能である。
接合部と封止部とが接触していなくても,金属製セパレータの変形(撓み)の抑制は可能である。また,間隙にガスが入っていても少量であり,接合部の信頼性等への影響は小さい。
この範囲の熱膨張係数において,燃料電池稼働時の金属製セパレータの変形の抑制が可能である。
上記のセパレータ付燃料電池セルを用いることで,燃料電池スタック全体としての信頼性が向上する。
図1は,本発明の第1実施形態に係る固体酸化物形燃料電池(燃料電池スタック)10を表す斜視図である。固体酸化物形燃料電池10は,燃料ガス(例えば,水素)と酸化剤ガス(例えば,空気(詳しくは空気中の酸素))との供給を受けて発電する。
固体酸化物形燃料電池10は,燃料電池セル40(1)〜40(4)を積層して構成される燃料電池スタックである。ここでは,判り易さのために,4つの燃料電池セル40(1)〜40(4)を積層しているが,一般には,20〜60個程度の燃料電池セル40を積層することが多い。
エンドプレート11,12は,積層される燃料電池セル40(1)〜40(4)を押圧,保持する保持板であり,かつ燃料電池セル40(1)〜40(4)からの電流の出力端子でもある。
本実施形態に係るセパレータ付燃料電池セル50は,接合部61,封止部62,拘束部63を有する。燃料電池セル本体44と金属製セパレータ53の間に接合部61,封止部62が配置される。開口部58に沿って,金属製セパレータ53の下面と固体電解質層56の上面が接合部61で接合され,封止部62で封止される。拘束部63は,封止部62に対応して,金属製セパレータ53の上面に配置される。
封止部62は,例えば,0.2〜4mmの幅,10〜80μmの厚さを有する。
拘束部63は,封止部62と同じ材料(熱膨張係数も同じ)で構成され,封止部62と共に,金属製セパレータ53を挟む。この結果,固体酸化物形燃料電池10の稼動時での金属製セパレータ53の変形が抑制される。
拘束部63は薄いと拘束効果が小さいので,封止部62と同等以上の厚さがあるのが好ましい。
金属製セパレータ53,拘束部63はそれぞれ,金属,ガラスから構成され,金属製セパレータ53よりも拘束部63の熱膨張係数の方が小さいことが通例である。このような条件でも,拘束部63による金属製セパレータ53の変形の抑制が可能である。
なお,ロウ材611,612の配置の手法としては,上記以外に,ディスペンサ等を用いて行ってもよい。
ロウ材611,612は,例えば,2〜6mmの幅,10〜80μmの厚さを有する。
封止材621は,例えば,0.2〜4mmの幅,10〜80μmの厚さを有する。
封止材621は,固体電解質層56の上面ではなく,金属製セパレータ53の下面に印刷してもよい。また,封止材621は,固体電解質層56の上面,金属製セパレータ53の下面の双方に配置しても良い。
拘束材631は,例えば,0.2〜4mmの幅,10〜200μmの厚さを有し,かつ封止材621よりも厚い。
例えば,SUH21からなる板材を所定の形状に打ち抜き,空気極フレーム51,燃料極フレーム54を製造した。一方,エンドプレート11,12,インターコネクタ41,45は,例えば,日立金属製ZMG232材からなる板材を所定の形状に打ち抜いて製造できる。絶縁フレーム52は,例えば,マイカよりなる板材を加工して製造できる。
第2の実施形態を説明する。図5は,第2の実施形態に係る燃料電池セル40aの断面図である。図6は,第2の実施形態に係る燃料電池セル本体44と金属製セパレータ53(セパレータ付燃料電池セル50a)を分解した状態を表す分解斜視図である。
なお,ロウ材611,612の配置の手法としては,上記以外に,ディスペンサ等を用いて行ってもよい。
ロウ材611,612は,例えば,2〜6mmの幅,10〜80μmの厚さを有する。
拘束材631は,例えば,0.2〜4mmの幅,10〜200μmの厚さを有する。
なお,このときの気泡の排出には,封止材621の粘度がある程度低いことが好ましい。例えば,封止材621の温度を室温よりも上げて,粘度を低下させることが考えられる。
第2の実施形態の変形例を説明する。図9は,第2の実施形態の変形例に係る燃料電池セル40bの断面図である。図10は,第2の実施形態の変形例に係る燃料電池セル本体44と金属製セパレータ53(セパレータ付燃料電池セル50b)を分解した状態を表す分解斜視図である。
また,燃料電池セル40のように,連結部64を有しない状態において,接合部61と封止部62の間に間隙(空間)を有しても良い。
以下,固体酸化物形燃料電池10の耐久試験につき説明する。ここでは,第2の実施形態に対応する形状の固体酸化物形燃料電池10を作成,試験した。
作成した試料(固体酸化物形燃料電池10)を説明する。境界部長さLを変化させて,次の試料を作成した。境界部長さLは,封止材621の酸化剤ガス雰囲気界面と燃料ガス雰囲気界面間の直線距離である。
金属製セパレータ53の構成材料:フェライト系SUS(SUH21)
・接合部61
接合部61の構成材料(ロウ材):Agロウ
接合部61の厚さ:10〜80μm
接合部61の幅:4mm
接合部61の形成方法: ロウ材を含むペーストを印刷し,大気中で溶融
・封止部62,拘束部63,連結部64
封止部62,拘束部63,連結部64の構成材料: 熱膨張係数10ppm/Kのガラス
燃料ガスとして水素,酸化剤ガスとして大気を用い,金属製セパレータ53が750℃の状態で,500時間,固体酸化物形燃料電池10として,動作させた。
本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張,変更可能であり,拡張,変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
上記実施形態では,アノード支持タイプの燃料電池セルに適用するために,固体電解質層56の上面(空気極55側)に金属製セパレータ53が接合されている。これに対して,例えば,固体電解質支持タイプやカソード支持タイプなどでは,固体電解質層56の下面(燃料極57側)に金属製セパレータ53を接合しても良い。この場合,燃料極57は,固体電解質層56より小さく形成され,かつ開口部58内に配置され,酸化性ガスに晒されないようにされる。
10 燃料電池スタック
11,12 エンドプレート
21-23 ボルト
31,32 貫通孔
35 ナット
40 燃料電池セル
41,45 インターコネクタ
42 集電体
43 枠部
44 燃料電池セル本体
45 インターコネクタ
46 開口
47 酸化剤ガス流路
48 燃料ガス流路
50 セパレータ付燃料電池セル
51 空気極フレーム
52 絶縁フレーム
53 金属製セパレータ
54 燃料極フレーム
55 空気極
56 固体電解質層
57 燃料極
58 開口部
61 接合部
611,612 ロウ材
62 封止部
621 封止材
63 拘束部
631 拘束材
64 連結部
Claims (7)
- 固体電解質層を空気極および燃料極で挟んで構成される燃料電池セル本体と,
表面と裏面とに開口する開口部を有し,Agを含む接合材で構成される接合部を介して,該裏面側が前記燃料電池セル本体に取り付けられる,板状の金属製セパレータと,
を具備する,セパレータ付燃料電池セルであって,
前記接合部よりも前記開口部側でかつ前記金属製セパレータの裏面と前記セル本体との間に前記開口部の全周にわたって配置され,ガラスを含む封止材を含む封止部と,
前記金属製セパレータを挟んで,前記封止部と対向する位置における,前記金属製セパレータの表面上に配置され,前記封止材と同じ材料で構成される拘束部と,
を備えることを特徴とするセパレータ付燃料電池セル。 - 前記拘束部が,前記開口部の全周にわたって配置される,
ことを特徴とする請求項1記載のセパレータ付燃料電池セル。 - 前記金属製セパレータの開口部側面に配置された連結部によって,前記封止部と前記拘束部とが一体に形成されている,
ことを特徴とする請求項1または2に記載のセパレータ付燃料電池セル。 - 金属製セパレータの熱膨張係数よりも,拘束部を構成する材料の熱膨張係数の方が小さい,
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のセパレータ付燃料電池セル。 - 前記封止部と前記接合部との間に,間隙を有する,
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のセパレータ付燃料電池セル本体。 - 前記封止材の熱膨張係数が,常温から300℃の温度範囲内において,8ppm/K以上12ppm/K以下である,
ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載のセパレータ付燃料電池セル本体。 - 請求項1乃至6のいずれか1項に記載のセパレータ付燃料電池セル本体,
を具備することを特徴とする燃料電池。
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