JP2014123498A - Fuel cell stack and method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell stack capable of improving sealability of a manifold part and electric conductivity of a collector part in a simple configuration and steps.SOLUTION: A solid oxide fuel cell 12 constituting a fuel cell stack 10 comprises a separator 22 and an electrolyte-electrode assembly 20. A first sealing member 24a is arranged between a frame member 23 and a surface 22a of the separator 22. A second sealing member 24b is arranged between the frame member 23 and a surface 22b of the separator 22. A third sealing member 24c is arranged between the frame member 23 and an electrolyte exposed part 14a. A softening point of the first sealing member 24a is set lower than each softening point of the second sealing member 24b and the third sealing member 24c.

Description

本発明は、電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体が、セパレータ間に積層される固体酸化物形燃料電池を備え、複数の前記固体酸化物形燃料電池が積層される積層体を有する燃料電池スタック及びその製造方法に関する。   The present invention includes a solid oxide fuel cell in which an electrolyte / electrode assembly constituted by sandwiching an electrolyte between an anode electrode and a cathode electrode is laminated between separators, and a plurality of the solid oxide fuel cells are provided. The present invention relates to a fuel cell stack having a stacked body and a manufacturing method thereof.

通常、固体酸化物形燃料電池(SOFC)は、電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いており、この電解質の両側にアノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体(MEA)を、セパレータ(バイポーラ板)によって挟持している。この燃料電池は、通常、電解質・電極接合体とセパレータとが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。   Usually, a solid oxide fuel cell (SOFC) uses an oxide ion conductor, for example, stabilized zirconia, as an electrolyte, and an electrolyte / electrode assembly in which an anode electrode and a cathode electrode are disposed on both sides of the electrolyte. (MEA) is sandwiched between separators (bipolar plates). This fuel cell is normally used as a fuel cell stack in which a predetermined number of electrolyte / electrode assemblies and separators are laminated.

この種の燃料電池スタックでは、効率的に出力電圧を得るために、燃料電池同士を所望の加圧状態で積層させる必要がある。さらに、反応ガス、例えば、燃料ガス及び空気の漏れを可及的に阻止するために、積層方向に加圧して反応ガスマニホールドを確実にシールする必要がある。   In this type of fuel cell stack, it is necessary to stack the fuel cells in a desired pressurized state in order to obtain an output voltage efficiently. Furthermore, in order to prevent leakage of reaction gases such as fuel gas and air as much as possible, it is necessary to pressurize in the stacking direction to securely seal the reaction gas manifold.

このため、例えば、特許文献1に開示されている固体酸化物型燃料電池セル板が知られている。この固体酸化物型燃料電池セル板は、図11に示すように、固体酸化物型燃料電池セル1aと、前記固体酸化物型燃料電池セル1aを支持するとともに、燃料ガスと空気とを分離するセル支持体2aと、前記固体酸化物型燃料電池セル1aと前記セル支持体2aとを接着するための接合部3aとを備えている。   For this reason, for example, a solid oxide fuel cell plate disclosed in Patent Document 1 is known. As shown in FIG. 11, the solid oxide fuel cell plate supports the solid oxide fuel cell 1a, the solid oxide fuel cell 1a, and separates fuel gas and air. A cell support 2a, and a joint portion 3a for bonding the solid oxide fuel cell 1a and the cell support 2a are provided.

セル支持体2aは、金属製リング4aと、前記金属製リング4aの表面をガラスにより被覆した保護被膜層5aとを備えている。接合部3aは、電解質層6aに接着された第1のガラス層7aと保護被膜層5aと前記第1のガラス層7aとの間に配置されてこれらを接着する第2のガラス層8aとを備えている。   The cell support 2a includes a metal ring 4a and a protective coating layer 5a in which the surface of the metal ring 4a is covered with glass. The joint portion 3a includes a first glass layer 7a bonded to the electrolyte layer 6a, a protective coating layer 5a, and a second glass layer 8a that is disposed between the first glass layer 7a and bonds them together. I have.

そして、第2のガラス層8aの軟化点は、保護被膜層5a及び第1のガラス層7aの軟化点よりも低く設定されている。   And the softening point of the 2nd glass layer 8a is set lower than the softening point of the protective film layer 5a and the 1st glass layer 7a.

また、特許文献2に開示されている固体電解質形燃料電池スタックは、燃料ガスに接する燃料極と空気に接する空気極とを有する固体電解質体を備えた固体電解質形燃料電池セルを複数積層して構成されている。   In addition, the solid oxide fuel cell stack disclosed in Patent Document 2 is formed by stacking a plurality of solid oxide fuel cell cells each having a solid electrolyte body having a fuel electrode in contact with fuel gas and an air electrode in contact with air. It is configured.

固体電解質形燃料電池スタックの積層方向両側には、外縁保持部材が設けられ、前記外縁保持部材は、ボルト及びナットにより締め付けられて、固体電解質形燃料電池スタックを両側から押圧している。外縁保持部材は、固体電解質形燃料電池スタックの積層方向の端面の外周縁部のみを押圧する枠体で構成されている。   Outer edge holding members are provided on both sides in the stacking direction of the solid oxide fuel cell stack, and the outer edge holding members are tightened by bolts and nuts to press the solid oxide fuel cell stack from both sides. The outer edge holding member is constituted by a frame body that presses only the outer peripheral edge portion of the end surface in the stacking direction of the solid oxide fuel cell stack.

さらにまた、特許文献3に開示されている固体電解質型燃料電池は、図12に示すように、発電用セル1bを集電板2b、3bにより挟持して構成されている。発電用セル1bは、セラミック薄膜4bの両面に負極5b及び正極6bを有している。集電板2bの外端部の凹部7bと、集電板3bの外端部の凸部8bとの間に、ガラス質の第1のシール部材9b1が挟持されている。集電板3bの凸部8bの内方には、セラミック薄膜4bの外端部との間に位置して、ガラス質の第2のシール部材9b2が配設されている。   Furthermore, as shown in FIG. 12, the solid oxide fuel cell disclosed in Patent Document 3 is configured by sandwiching a power generation cell 1b between current collector plates 2b and 3b. The power generation cell 1b has a negative electrode 5b and a positive electrode 6b on both surfaces of the ceramic thin film 4b. A vitreous first seal member 9b1 is sandwiched between the concave portion 7b at the outer end portion of the current collector plate 2b and the convex portion 8b at the outer end portion of the current collector plate 3b. A glassy second seal member 9b2 is disposed inside the convex portion 8b of the current collector plate 3b so as to be positioned between the outer end portion of the ceramic thin film 4b.

特開2007−115481号公報JP 2007-115481 A 特開2007−317490号公報JP 2007-317490 A 特開平8−7902号公報JP-A-8-7902

上記の特許文献1では、固体酸化物型燃料電池セル1aと金属製のセル支持体2aとのガスシール性を保つものであり、燃料ガスや空気のマニホールド部との高さ調整機能は、個別の調整装置(図示せず)により行わなければならない。このため、構成が複雑化するとともに、マニホールド部と集電部との積層高さを個別に調整しなければならず、作業性が低下するという問題がある。   In the above-mentioned Patent Document 1, the gas sealing property between the solid oxide fuel cell 1a and the metal cell support 2a is maintained, and the height adjustment function between the fuel gas and the air manifold is individually provided. Must be performed by an adjusting device (not shown). For this reason, there is a problem that the configuration becomes complicated and the stacking height of the manifold portion and the current collector portion must be individually adjusted, resulting in a decrease in workability.

また、上記の特許文献2では、マニホールド部は、パッキンとボルトで締め付けシールする一方、固体電解質体の外周は、前記マニホールド部の変位を吸収するための金属箔が設けられている。従って、高さ調整は、金属箔で行う一方、絶縁は、別の構成により行っている。これにより、構成が複雑化して経済的ではないという問題がある。   Moreover, in said patent document 2, while a manifold part is clamp | tightened and sealed with a packing and a volt | bolt, the outer periphery of a solid electrolyte body is provided with the metal foil for absorbing the displacement of the said manifold part. Therefore, the height adjustment is performed by the metal foil, while the insulation is performed by another configuration. Accordingly, there is a problem that the configuration is complicated and not economical.

また、上記の特許文献3では、第1のシール部材9b1により圧力Pが吸収され、発電用セル1bの破損を防止している。このため、第1のシール部材9b1で圧力を吸収することにより、第2のシール部材9b2が不安定になるという問題がある。しかも、集電部の荷重が小さくなり、性能低下やばらつきが発生するという問題がある。   Moreover, in said patent document 3, the pressure P is absorbed by the 1st sealing member 9b1, and the failure | damage of the cell 1b for electric power generation is prevented. For this reason, there is a problem that the second seal member 9b2 becomes unstable by absorbing the pressure by the first seal member 9b1. In addition, there is a problem that the load on the current collector is reduced, resulting in performance degradation and variations.

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な構成及び工程で、マニホールド部のシール性及び集電部の電気伝導性を向上させることが可能な燃料電池スタック及びその製造方法を提供することを目的とする。   The present invention solves this type of problem, and provides a fuel cell stack capable of improving the sealing performance of the manifold section and the electrical conductivity of the current collecting section with a simple configuration and process, and a method for manufacturing the same. The purpose is to provide.

本発明は、電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体が、セパレータ間に積層される固体酸化物形燃料電池を備え、複数の前記固体酸化物形燃料電池が積層される積層体を有する燃料電池スタックに関するものである。   The present invention includes a solid oxide fuel cell in which an electrolyte / electrode assembly constituted by sandwiching an electrolyte between an anode electrode and a cathode electrode is laminated between separators, and a plurality of the solid oxide fuel cells are provided. The present invention relates to a fuel cell stack having a stacked body to be stacked.

この燃料電池スタックでは、電解質・電極接合体は、カソード電極の平面寸法が電解質の平面寸法よりも小さく設定されることにより、該電解質の外周縁部が該カソード電極の外周部外方に露呈する電解質表出部を有している。   In this fuel cell stack, in the electrolyte / electrode assembly, the planar dimension of the cathode electrode is set smaller than the planar dimension of the electrolyte, so that the outer peripheral edge of the electrolyte is exposed outside the outer peripheral part of the cathode electrode. It has an electrolyte exposure part.

セパレータは、電解質・電極接合体を挟持するとともに、アノード電極の電極面に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス通路、及びカソード電極の電極面に沿って酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路が、表裏に個別に設けられる挟持部と、少なくとも前記燃料ガスを前記燃料ガス通路に供給するための燃料ガス供給連通孔、又は前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス通路に供給するための酸化剤ガス供給連通孔が、積層方向に形成されるマニホールド部とを備えている。   The separator sandwiches the electrolyte / electrode assembly, and includes a fuel gas passage for supplying fuel gas along the electrode surface of the anode electrode, and an oxidant gas passage for supplying oxidant gas along the electrode surface of the cathode electrode. Further, sandwiching portions provided individually on the front and back sides, at least a fuel gas supply communication hole for supplying the fuel gas to the fuel gas passage, or an oxidant gas for supplying the oxidant gas to the oxidant gas passage The supply communication hole includes a manifold portion formed in the stacking direction.

一方、セパレータ間には、電解質表出部に跨って電解質・電極接合体の外方に位置し且つ少なくとも燃料ガス供給連通孔又は酸化剤ガス供給連通孔が形成されるフレーム部材が介装されている。   On the other hand, between the separators, a frame member that is located outside the electrolyte-electrode assembly across the electrolyte exposed portion and that has at least a fuel gas supply communication hole or an oxidant gas supply communication hole is interposed. Yes.

そして、フレーム部材とセパレータの酸化剤ガス通路側の面との間には、第1シール部材が配置され、前記フレーム部材と前記セパレータの燃料ガス通路側の面との間には、第2シール部材が配置され、前記フレーム部材と電解質表出部との間には、第3シール部材が配置されている。ここで、第1シール部材の軟化点は、第2シール部材の軟化点よりも低く、且つ、前記第1シール部材の軟化点は、第3シール部材の軟化点よりも低く設定されている。   A first seal member is disposed between the frame member and the surface of the separator on the oxidant gas passage side, and a second seal is disposed between the frame member and the surface of the separator on the fuel gas passage side. A member is disposed, and a third seal member is disposed between the frame member and the electrolyte exposing portion. Here, the softening point of the first seal member is set lower than the softening point of the second seal member, and the softening point of the first seal member is set lower than the softening point of the third seal member.

また、この燃料電池スタックでは、第1シール部材、第2シール部材及び第3シール部材は、ガラス系シール部材であり、前記第1シール部材のガラス成分含有割合は、前記第2シール部材のガラス成分含有割合よりも高く、且つ、前記第1シール部材のガラス成分含有割合は、前記第3シール部材のガラス成分含有割合よりも高く設定されることが好ましい。   In this fuel cell stack, the first seal member, the second seal member, and the third seal member are glass-based seal members, and the glass component content ratio of the first seal member is the glass content of the second seal member. It is preferable that the glass component content ratio of the first seal member is set higher than the glass component content ratio of the third seal member.

このため、第1シール部材の軟化点は、第2シール部材の軟化点よりも低く、且つ、前記第1シール部材の軟化点は、第3シール部材の軟化点よりも低く設定されることになる。従って、軟化点の高い、すなわち、強度の高い第2シール部材及び第3シール部材は、アノード側のシール性を高めることができる一方、軟化点の低い、すなわち、柔軟性を有する第1シール部材は、カソード側の接触性を高めることが可能になる。これにより、マニホールド部のシール性と電解質・電極接合体の電気伝導性とを向上させることが可能になる。   For this reason, the softening point of the first seal member is set lower than the softening point of the second seal member, and the softening point of the first seal member is set lower than the softening point of the third seal member. Become. Therefore, the second sealing member and the third sealing member having a high softening point, that is, high strength, can improve the sealing performance on the anode side, while the first sealing member having a low softening point, that is, a softness. Can improve the contact property on the cathode side. Thereby, it becomes possible to improve the sealing performance of the manifold portion and the electrical conductivity of the electrolyte / electrode assembly.

さらに、この燃料電池スタックでは、第1シール部材、第2シール部材及び第3シール部材は、ガラス系シール部材であり、前記第1シール部材の非ガラス成分含有割合は、前記第2シール部材の非ガラス成分含有割合よりも低く、且つ、前記第1シール部材の非ガラス成分含有割合は、前記第3シール部材の非ガラス成分含有割合よりも低く設定されることが好ましい。   Furthermore, in this fuel cell stack, the first seal member, the second seal member, and the third seal member are glass-based seal members, and the non-glass component content ratio of the first seal member is the same as that of the second seal member. It is preferable that the non-glass component content ratio is lower than the non-glass component content ratio, and the non-glass component content ratio of the first seal member is set lower than the non-glass component content ratio of the third seal member.

このため、第1シール部材の軟化点は、第2シール部材の軟化点よりも低く、且つ、前記第1シール部材の軟化点は、第3シール部材の軟化点よりも低く設定されることになる。従って、軟化点の高い、すなわち、強度の高い第2シール部材及び第3シール部材は、アノード側のシール性を高めることができる一方、軟化点の低い、すなわち、柔軟性を有する第1シール部材は、カソード側の接触性を高めることが可能になる。これにより、マニホールド部のシール性と電解質・電極接合体の電気伝導性とを向上させることが可能になる。   For this reason, the softening point of the first seal member is set lower than the softening point of the second seal member, and the softening point of the first seal member is set lower than the softening point of the third seal member. Become. Therefore, the second sealing member and the third sealing member having a high softening point, that is, high strength, can improve the sealing performance on the anode side, while the first sealing member having a low softening point, that is, a softness. Can improve the contact property on the cathode side. Thereby, it becomes possible to improve the sealing performance of the manifold portion and the electrical conductivity of the electrolyte / electrode assembly.

さらにまた、この燃料電池スタックでは、第2シール部材と第3シール部材とは、同一材料で構成されることが好ましい。このため、第2シール部材及び第3シール部材の製造コストが良好に削減されるとともに、取り扱い作業性が有効に向上する。   Furthermore, in this fuel cell stack, it is preferable that the second seal member and the third seal member are made of the same material. For this reason, the manufacturing cost of the second seal member and the third seal member is favorably reduced, and handling workability is effectively improved.

また、この燃料電池スタックでは、第1シール部材の軟化点は、固体酸化物形燃料電池の運転温度よりも低温であり、且つ第2シール部材及び第3シール部材の軟化点は、前記運転温度よりも高温であることが好ましい。従って、燃料電池スタックの運転中に、第1シール部材が確実に軟化して所望の柔軟性を有することができ、カソード側の接触性を高めることが可能になるので、良好な発電性能が遂行可能になる。   In this fuel cell stack, the softening point of the first seal member is lower than the operating temperature of the solid oxide fuel cell, and the softening points of the second seal member and the third seal member are the operating temperatures. It is preferable that the temperature is higher than that. Therefore, during the operation of the fuel cell stack, the first sealing member can be surely softened to have the desired flexibility, and the cathode side contact can be improved, so that good power generation performance is achieved. It becomes possible.

さらに、この燃料電池スタックでは、第2シール部材は、フレーム部材の少なくとも燃料ガス供給連通孔又は酸化剤ガス供給連通孔を囲繞し、且つ、前記フレーム部材の第3シール部材に対応する部位よりも外縁に配置されることが好ましい。これにより、電解質・電極接合体のアノード側から燃料ガスが漏れることを確実に抑制することができる。   Furthermore, in this fuel cell stack, the second seal member surrounds at least the fuel gas supply communication hole or the oxidant gas supply communication hole of the frame member, and more than a portion corresponding to the third seal member of the frame member. It is preferable to arrange at the outer edge. Thereby, it can suppress reliably that fuel gas leaks from the anode side of an electrolyte electrode assembly.

さらにまた、この燃料電池スタックでは、フレーム部材は、第2シール部材が配置される部位の厚さが、第3シール部材が配置される部位の厚さよりも大きく設定されることが好ましい。このため、積層時の厚さが抑制され、燃料電池スタックの積層方向の小型化が容易に遂行される。   Furthermore, in this fuel cell stack, it is preferable that the frame member is set such that the thickness of the portion where the second seal member is disposed is larger than the thickness of the portion where the third seal member is disposed. For this reason, the thickness at the time of lamination | stacking is suppressed and size reduction of the lamination direction of a fuel cell stack is easily performed.

また、本発明は、電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体が、セパレータ間に積層される固体酸化物形燃料電池を備え、複数の前記固体酸化物形燃料電池が積層される積層体を有するとともに、前記電解質・電極接合体は、前記カソード電極の平面寸法が前記電解質の平面寸法よりも小さく設定されることにより、該電解質の外周縁部が該カソード電極の外周部外方に露呈する電解質表出部を有し、前記セパレータは、前記電解質・電極接合体を挟持するとともに、前記アノード電極の電極面に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス通路、及び前記カソード電極の電極面に沿って酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路が、表裏に個別に設けられる挟持部と、少なくとも前記燃料ガスを前記燃料ガス通路に供給するための燃料ガス供給連通孔、又は前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス通路に供給するための酸化剤ガス供給連通孔が、積層方向に形成されるマニホールド部と、を備える燃料電池スタックの製造方法に関するものである。   The present invention also includes a solid oxide fuel cell in which an electrolyte / electrode assembly formed by sandwiching an electrolyte between an anode electrode and a cathode electrode is laminated between separators, and a plurality of the solid oxide fuel cells The electrolyte / electrode assembly has a laminate in which a battery is laminated, and the cathode electrode has a planar dimension set to be smaller than a planar dimension of the electrolyte, so that the outer peripheral edge of the electrolyte is the cathode electrode. A fuel gas passage for supplying fuel gas along the electrode surface of the anode electrode, and the separator sandwiches the electrolyte-electrode assembly; and An oxidant gas passage for supplying an oxidant gas along the electrode surface of the cathode electrode is provided with a sandwiching portion provided separately on the front and back, and at least the fuel gas in the fuel gas passage A fuel gas supply communication hole for supplying or a oxidant gas supply communication hole for supplying the oxidant gas to the oxidant gas passage is formed in a stacking direction. It relates to a manufacturing method.

この製造方法は、電解質・電極接合体の前駆体を焼成して焼成体を得る第1工程と、セパレータの燃料ガス通路側の面に、該燃料ガス通路に対応して前記焼成体、前記焼成体を囲繞し且つ少なくとも燃料ガス供給連通孔又は酸化剤ガス供給連通孔に対応して第2シール部材、電解質表出部に対応して第3シール部材、及び、前記電解質表出部に跨って前記電解質・電極接合体の外方に位置し且つ少なくとも前記燃料ガス供給連通孔又は前記酸化剤ガス供給連通孔が形成されるフレーム部材が、それぞれ配置され、これらを一体に焼成して結合部材を得る第2工程と、前記結合部材同士を積層するとともに、カソード電極に対応して集電体を配置し、且つ、一方の前記結合部材を構成する前記フレーム部材と、一方の前記結合部材に隣接する他方の前記結合部材を構成する前記セパレータの前記酸化剤ガス通路側の面との間に、第1シール部材を介装し、これらを焼成する第3工程とを有している。   In this manufacturing method, a first step of firing a precursor of an electrolyte / electrode assembly to obtain a fired body, a surface of the separator on the fuel gas passage side, the fired body corresponding to the fuel gas passage, and the firing A second seal member corresponding to at least the fuel gas supply passage or the oxidant gas supply passage, a third seal member corresponding to the electrolyte exposure portion, and straddling the electrolyte exposure portion Frame members that are located outside the electrolyte-electrode assembly and at least the fuel gas supply communication hole or the oxidant gas supply communication hole are respectively disposed, and these are integrally fired to form a coupling member. And obtaining the second step, laminating the coupling members, arranging a current collector corresponding to the cathode electrode, and adjoining the frame member constituting one of the coupling members and one of the coupling members Other to do Wherein between said oxidant gas passage-side surface of the separator of the coupling member, the first seal member is interposed, and a third step of firing these.

そして、第1シール部材の軟化点は、第2シール部材の軟化点よりも低く、且つ、前記第1シール部材の軟化点は、第3シール部材の軟化点よりも低く設定されている。   The softening point of the first seal member is set lower than the softening point of the second seal member, and the softening point of the first seal member is set lower than the softening point of the third seal member.

本発明によれば、第1シール部材の軟化点は、第2シール部材の軟化点よりも低く、且つ、前記第1シール部材の軟化点は、第3シール部材の軟化点よりも低く設定されている。このため、柔軟性を有する第1シール部材と強度の高い第2シール部材及び第3シール部材とを用いることにより、燃料電池スタックの各部位に最適な荷重を付与することができる。従って、マニホールド部のシール性と電解質・電極接合体の電気伝導性とを向上させることが可能になる。これにより、特に電気抵抗の高いカソード電極と集電体又はセパレータとの接触性が向上し、電気伝導性が良好に向上する。   According to the present invention, the softening point of the first seal member is set lower than the softening point of the second seal member, and the softening point of the first seal member is set lower than the softening point of the third seal member. ing. For this reason, an optimal load can be applied to each part of the fuel cell stack by using the flexible first seal member and the high-strength second seal member and third seal member. Therefore, it is possible to improve the sealing performance of the manifold portion and the electrical conductivity of the electrolyte / electrode assembly. Thereby, the contact property between the cathode electrode having a particularly high electrical resistance and the current collector or the separator is improved, and the electrical conductivity is favorably improved.

また、本発明によれば、第2工程では、軟化点の高い第2シール部材及び第3シール部材によりアノード側のシール性を向上させることができる。さらに、第3工程では、軟化点の低い第1シール部材によりカソード側の接触性を向上させることが可能になる。このため、マニホールド部のシール性と電解質・電極接合体の電気伝導性とを良好に向上させることができる。   Further, according to the present invention, in the second step, the anode side sealability can be improved by the second seal member and the third seal member having a high softening point. Furthermore, in the third step, the contact property on the cathode side can be improved by the first sealing member having a low softening point. For this reason, the sealing performance of the manifold part and the electrical conductivity of the electrolyte / electrode assembly can be improved satisfactorily.

本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの概略斜視説明図である。1 is a schematic perspective view of a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention. 前記燃料電池スタックの一部分解斜視説明図である。It is a partially exploded perspective view of the fuel cell stack. 前記燃料電池スタックを構成する固体酸化物形燃料電池の分解斜視説明図である。FIG. 2 is an exploded perspective view of a solid oxide fuel cell constituting the fuel cell stack. 前記固体酸化物形燃料電池の、図3中、IV−IV線断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view of the solid oxide fuel cell taken along line IV-IV in FIG. 3. 前記固体酸化物形燃料電池の、図3中、V−V線断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view of the solid oxide fuel cell taken along line VV in FIG. 3. シール部材の種類の説明図である。It is explanatory drawing of the kind of sealing member. 前記シール部材の軟化点温度及び主成分の説明図である。It is explanatory drawing of the softening point temperature of the said sealing member, and a main component. 本発明に係る製造方法を説明する斜視図である。It is a perspective view explaining the manufacturing method which concerns on this invention. 前記製造方法により焼成された結合部材の斜視説明図である。It is a perspective explanatory view of the connecting member baked by the manufacturing method. 前記製造方法を説明する斜視図である。It is a perspective view explaining the said manufacturing method. 特許文献1の固体酸化物型燃料電池セル板の説明図である。2 is an explanatory diagram of a solid oxide fuel cell plate of Patent Document 1. FIG. 特許文献3の固体電解質型燃料電池の断面説明図である。FIG. 6 is a cross-sectional explanatory view of a solid oxide fuel cell of Patent Document 3.

図1及び図2に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック10は、複数の固体酸化物形燃料電池12を矢印C方向(鉛直方向)に積層して構成される。この燃料電池スタック10は、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。固体酸化物形燃料電池12は、燃料ガス(水素含有ガス、例えば、水素ガスにメタン、一酸化炭素が混合した気体)と酸化剤ガス(空気)との電気化学反応により発電する。   As shown in FIGS. 1 and 2, the fuel cell stack 10 according to the embodiment of the present invention is configured by stacking a plurality of solid oxide fuel cells 12 in the arrow C direction (vertical direction). The fuel cell stack 10 is used for various purposes such as in-vehicle use as well as stationary use. The solid oxide fuel cell 12 generates electricity by an electrochemical reaction between a fuel gas (a hydrogen-containing gas, for example, a gas in which hydrogen gas is mixed with methane and carbon monoxide) and an oxidant gas (air).

固体酸化物形燃料電池12は、図3〜図5に示すように、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される電解質(電解質板)14の両面に、カソード電極16及びアノード電極18が設けられた電解質・電極接合体(MEA)20を備える。カソード電極16は、アノード電極18及び電解質14よりも小さな平面寸法に設定され、前記電解質14の外周縁部には、前記カソード電極16の外周部外方に露呈する電解質表出部14aが形成される。   As shown in FIGS. 3 to 5, the solid oxide fuel cell 12 includes, for example, a cathode electrode 16 and an anode on both surfaces of an electrolyte (electrolyte plate) 14 made of an oxide ion conductor such as stabilized zirconia. An electrolyte-electrode assembly (MEA) 20 provided with an electrode 18 is provided. The cathode electrode 16 is set to have a smaller plane size than the anode electrode 18 and the electrolyte 14, and an electrolyte exposed portion 14 a that is exposed outside the outer peripheral portion of the cathode electrode 16 is formed on the outer peripheral edge portion of the electrolyte 14. The

カソード電極16には、集電体19が積層される。集電体19は、カソード電極16と略同一の寸法に設定されるとともに、比較的肉厚に形成され、例えば、ニッケル等の金属からなる発泡金属や金属メッシュ等により構成される。   A current collector 19 is laminated on the cathode electrode 16. The current collector 19 is set to have substantially the same dimensions as the cathode electrode 16 and is formed with a relatively large thickness. For example, the current collector 19 is made of a foam metal or a metal mesh made of a metal such as nickel.

電解質・電極接合体20は、矩形状(長方形状又は正方形状)に形成されるとともに、少なくとも外周端面部には、酸化剤ガス及び燃料ガスの進入や排出を阻止するためにバリアー層(図示せず)が設けられている。   The electrolyte / electrode assembly 20 is formed in a rectangular shape (rectangular shape or square shape), and a barrier layer (not shown) is provided at least on the outer peripheral end surface portion to prevent entry and discharge of the oxidant gas and the fuel gas. Z).

固体酸化物形燃料電池12は、長方形状(又は正方形状)を有する一対のセパレータ(インターコネクタ)22間に、金属製フレーム部材23と第1シール部材24a、第2シール部材24b及び第3シール部材24cとを介装した状態で、単一の電解質・電極接合体20を挟んで構成される。   The solid oxide fuel cell 12 includes a metal frame member 23, a first seal member 24a, a second seal member 24b, and a third seal between a pair of separators (interconnectors) 22 having a rectangular shape (or a square shape). A single electrolyte / electrode assembly 20 is sandwiched between the member 24c and the member 24c.

固体酸化物形燃料電池12は、図3に示すように、長方形状(又は正方形状)を有しており、長辺方向(矢印A方向)一端側には、複数、例えば、3つの酸化剤ガス供給連通孔26aが短辺方向(矢印B方向)に配列して形成される。固体酸化物形燃料電池12の長辺方向他端側には、矢印B方向に配列して、例えば、3つの酸化剤ガス排出連通孔26bが形成される。   As shown in FIG. 3, the solid oxide fuel cell 12 has a rectangular shape (or a square shape), and a plurality of, for example, three oxidizers are provided on one end side in the long side direction (arrow A direction). The gas supply communication holes 26a are formed so as to be arranged in the short side direction (arrow B direction). For example, three oxidant gas discharge communication holes 26b are formed on the other end side in the long side direction of the solid oxide fuel cell 12 in the direction of arrow B.

固体酸化物形燃料電池12の短辺方向(矢印B方向)一端側には、例えば、1つの燃料ガス供給連通孔28aが形成される。固体酸化物形燃料電池12の短辺方向他端側には、例えば、1つの燃料ガス排出連通孔28bが形成される。   On one end side of the solid oxide fuel cell 12 in the short side direction (arrow B direction), for example, one fuel gas supply communication hole 28a is formed. For example, one fuel gas discharge communication hole 28 b is formed on the other end side in the short side direction of the solid oxide fuel cell 12.

セパレータ22は、例えば、ステンレス合金等の板金で構成される。セパレータ22において、電解質・電極接合体20のカソード電極16に対向する面22aに、前記カソード電極16の電極面に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス通路30が形成される。酸化剤ガス通路30は、矢印A方向に延在する複数本の流路溝により構成されるとともに、両端が酸化剤ガス供給連通孔26a及び酸化剤ガス排出連通孔26bの近傍で終端する。   The separator 22 is made of a sheet metal such as a stainless alloy. In the separator 22, an oxidant gas passage 30 for supplying an oxidant gas along the electrode surface of the cathode electrode 16 is formed on a surface 22 a of the electrolyte / electrode assembly 20 facing the cathode electrode 16. The oxidant gas passage 30 is composed of a plurality of flow channel grooves extending in the direction of arrow A, and both ends terminate in the vicinity of the oxidant gas supply communication hole 26a and the oxidant gas discharge communication hole 26b.

セパレータ22において、電解質・電極接合体20を構成するアノード電極18に対向する面22bには、前記アノード電極18の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス通路32が形成される。燃料ガス通路32は、矢印B方向に延在する複数の流路溝により構成されるとともに、両端が、燃料ガス供給連通孔28a及び燃料ガス排出連通孔28bの近傍で終端する。   In the separator 22, a fuel gas passage 32 for supplying fuel gas along the electrode surface of the anode electrode 18 is formed on a surface 22 b facing the anode electrode 18 constituting the electrolyte / electrode assembly 20. The fuel gas passage 32 is constituted by a plurality of flow channel grooves extending in the direction of arrow B, and both ends terminate in the vicinity of the fuel gas supply communication hole 28a and the fuel gas discharge communication hole 28b.

セパレータ22は、酸化剤ガス通路30及び燃料ガス通路32が個別に表裏である両方の面22a、22bに設けられ、電解質・電極接合体20を挟持する挟持部34と、酸化剤ガス供給連通孔26a及び酸化剤ガス排出連通孔26bが積層方向に形成される酸化剤ガスマニホールド部36、及び燃料ガス供給連通孔28a及び燃料ガス排出連通孔28bが積層方向に形成される燃料ガスマニホールド部38とを備える。   The separator 22 is provided on both surfaces 22a and 22b of which the oxidant gas passage 30 and the fuel gas passage 32 are individually front and back, a sandwiching portion 34 for sandwiching the electrolyte / electrode assembly 20, and an oxidant gas supply communication hole. 26a and an oxidant gas discharge communication hole 26b formed in the stacking direction, an oxidant gas manifold portion 36 formed in the stacking direction, a fuel gas supply communication hole 28a and a fuel gas discharge communication hole 28b formed in the stacking direction Is provided.

図3〜図5に示すように、フレーム部材23は、セパレータ22の外形寸法と同一の寸法に設定され、内部に開口部23aが形成される。開口部23aは、カソード電極16の外形寸法よりも大きく且つ電解質14の外形寸法よりも小さい寸法に設定される(図4参照)。フレーム部材23は、開口部23aの周壁部に電解質14の外形寸法に対応して厚さ方向に切り欠いた薄肉部23bが設けられる。図4に示すように、薄肉部23bの厚さt1は、フレーム部材23の他の部位の厚さt2よりも小さく設定される。   As shown in FIGS. 3 to 5, the frame member 23 is set to the same dimension as the outer dimension of the separator 22, and an opening 23 a is formed inside. The opening 23a is set to be larger than the outer dimension of the cathode electrode 16 and smaller than the outer dimension of the electrolyte 14 (see FIG. 4). The frame member 23 is provided with a thin portion 23b cut out in the thickness direction corresponding to the outer dimension of the electrolyte 14 on the peripheral wall portion of the opening 23a. As shown in FIG. 4, the thickness t1 of the thin portion 23b is set to be smaller than the thickness t2 of other portions of the frame member 23.

図3及び図5に示すように、フレーム部材23の酸化剤ガス通路30に対向する面側には、酸化剤ガス供給連通孔26aと開口部23aとを連通する溝部40aが形成されるとともに、酸化剤ガス排出連通孔26bと前記開口部23aとを連通する溝部40bが形成される。   As shown in FIG. 3 and FIG. 5, a groove 40 a that connects the oxidant gas supply communication hole 26 a and the opening 23 a is formed on the surface side of the frame member 23 that faces the oxidant gas passage 30. A groove 40b is formed to communicate the oxidant gas discharge communication hole 26b and the opening 23a.

第1シール部材24aは、略額縁形状を有し、各酸化剤ガス供給連通孔26aと酸化剤ガス通路30とを連通するための入口連結路42aと、各酸化剤ガス排出連通孔26bと前記酸化剤ガス通路30とを連通する出口連結路42bとを有する。   The first seal member 24a has a substantially frame shape, and includes an inlet connection passage 42a for communicating each of the oxidant gas supply communication holes 26a and the oxidant gas passage 30, and each of the oxidant gas discharge communication holes 26b. And an outlet connecting passage 42 b communicating with the oxidant gas passage 30.

第1シール部材24aは、フレーム部材23と同一の外形寸法及び同一の開口寸法に設定される。第2シール部材24bは、額縁状を有し、フレーム部材23と、すなわち、セパレータ22と同一の外形寸法に設定される。   The first seal member 24 a is set to have the same external dimensions and the same opening dimensions as the frame member 23. The second seal member 24 b has a frame shape and is set to the same outer dimensions as the frame member 23, that is, the separator 22.

第2シール部材24bには、燃料ガス供給連通孔28aと燃料ガス通路32とを連通するための入口連結路44aと、燃料ガス排出連通孔28bと前記燃料ガス通路32とを連通する出口連結路44bとが形成される。第2シール部材24bの開口寸法は、電解質14の外形寸法と同一寸法に設定される。   The second seal member 24b has an inlet connection passage 44a for communicating the fuel gas supply passage 28a and the fuel gas passage 32, and an outlet connection passage for connecting the fuel gas discharge passage 28b and the fuel gas passage 32. 44b is formed. The opening dimension of the second seal member 24 b is set to the same dimension as the outer dimension of the electrolyte 14.

第3シール部材24cは、額縁状を有し、電解質14の外形寸法と同一の外形寸法を有するとともに、開口寸法は、カソード電極16の外形寸法よりも大きく設定される。   The third seal member 24 c has a frame shape, has the same outer dimension as the outer dimension of the electrolyte 14, and the opening dimension is set larger than the outer dimension of the cathode electrode 16.

図4及び図5に示すように、第1シール部材24aは、フレーム部材23とセパレータ22の面22a(酸化剤ガス通路30側の面)との間に配置され、第2シール部材24bは、前記フレーム部材23と前記セパレータ22の面22b(燃料ガス通路32側の面)との間に配置される。第3シール部材24cは、フレーム部材23と電解質14の電解質表出部14aとの間に、すなわち、薄肉部23bと前記電解質表出部14aとの間に配置される。   As shown in FIGS. 4 and 5, the first seal member 24a is disposed between the frame member 23 and the surface 22a of the separator 22 (surface on the oxidant gas passage 30 side), and the second seal member 24b is It is arranged between the frame member 23 and the surface 22b of the separator 22 (surface on the fuel gas passage 32 side). The third seal member 24c is disposed between the frame member 23 and the electrolyte exposed portion 14a of the electrolyte 14, that is, between the thin portion 23b and the electrolyte exposed portion 14a.

第1シール部材24aの軟化点は、第2シール部材24bの軟化点よりも低く、且つ前記第1シール部材24aの軟化点は、第3シール部材24cの軟化点よりも低く設定される。本実施形態では、第1シール部材24a、第2シール部材24b及び第3シール部材24cは、ガラス系シール部材で構成される。   The softening point of the first seal member 24a is set lower than the softening point of the second seal member 24b, and the softening point of the first seal member 24a is set lower than the softening point of the third seal member 24c. In the present embodiment, the first seal member 24a, the second seal member 24b, and the third seal member 24c are made of glass-based seal members.

図6に示すように、第1シール部材24aには、シール種β(実施例1)又はシール種γ(実施例2)が使用される一方、第2シール部材24b及び第3シール部材24cには、同一のシール種αが使用される。シール種α、β及びγの軟化点温度及び主成分は、図7に示される。ガラス成分は、例えば、SiO2(二酸化ケイ素)を主成分とするとともに、非ガラス成分としてセラミックス成分、例えば、Al23(アルミナ)が含まれる。 As shown in FIG. 6, the first seal member 24a uses the seal type β (Example 1) or the seal type γ (Example 2), while the second seal member 24b and the third seal member 24c Are the same seal type α. The softening point temperatures and main components of the seal types α, β and γ are shown in FIG. The glass component includes, for example, SiO 2 (silicon dioxide) as a main component and a ceramic component such as Al 2 O 3 (alumina) as a non-glass component.

第1シール部材24aのガラス成分含有割合(モル%又は重量%)は、第2シール部材24bのガラス成分含有割合よりも高く、且つ前記第1シール部材24aのガラス成分含有割合は、第3シール部材24cのガラス成分含有割合よりも高く設定される。また、第1シール部材24aの非ガラス成分含有割合(モル%又は重量%)は、第2シール部材24bの非ガラス成分含有割合よりも低く、且つ前記第1シール部材24aの非ガラス成分含有割合は、第3シール部材24cの非ガラス成分含有割合よりも低く設定される。   The glass component content ratio (mol% or weight%) of the first seal member 24a is higher than the glass component content ratio of the second seal member 24b, and the glass component content ratio of the first seal member 24a is the third seal. It is set higher than the glass component content ratio of the member 24c. Further, the non-glass component content ratio (mol% or wt%) of the first seal member 24a is lower than the non-glass component content ratio of the second seal member 24b, and the non-glass component content ratio of the first seal member 24a. Is set lower than the non-glass component content ratio of the third seal member 24c.

固体酸化物形燃料電池12の運転温度は、700℃〜750℃前後であり、第1シール部材24aの軟化点は、前記運転温度よりも低温に設定され、且つ第2シール部材24b及び第3シール部材24cの軟化点は、前記運転温度よりも高温に設定される。   The operating temperature of the solid oxide fuel cell 12 is around 700 ° C. to 750 ° C., the softening point of the first seal member 24a is set to be lower than the operating temperature, and the second seal member 24b and the third seal member 24a. The softening point of the seal member 24c is set to be higher than the operating temperature.

図1及び図2に示すように、複数の固体酸化物形燃料電池12は、矢印C方向に積層されることにより、積層体46が構成される。積層体46は、電極シート49a及び絶縁プレート48aを介装して下部エンドプレート(基台部)50上に載置される。   As shown in FIGS. 1 and 2, the plurality of solid oxide fuel cells 12 are stacked in the direction of arrow C to form a stacked body 46. The laminated body 46 is placed on the lower end plate (base part) 50 with the electrode sheet 49a and the insulating plate 48a interposed therebetween.

下部エンドプレート50は、矢印A方向及び矢印B方向の寸法が、積層体46の各寸法よりも大きな寸法に設定されるとともに、酸化剤ガス供給連通孔26a、酸化剤ガス排出連通孔26b、燃料ガス供給連通孔28a及び燃料ガス排出連通孔28bが形成される(図2参照)。   The lower end plate 50 has dimensions in the directions of the arrows A and B set to be larger than the dimensions of the laminated body 46, and the oxidant gas supply communication hole 26a, the oxidant gas discharge communication hole 26b, the fuel A gas supply communication hole 28a and a fuel gas discharge communication hole 28b are formed (see FIG. 2).

下部エンドプレート50には、周辺部に沿って複数のねじ孔52が形成される。ねじ孔52は、例えば、下部エンドプレート50の四隅近傍及び各辺の略中央部に形成される。なお、下部エンドプレート50には、図示しないが、酸化剤ガス及び燃料ガスの供給及び排出を行うためのマニホールドが装着される。   A plurality of screw holes 52 are formed in the lower end plate 50 along the periphery. The screw holes 52 are formed, for example, in the vicinity of the four corners of the lower end plate 50 and in the approximate center of each side. Although not shown, the lower end plate 50 is provided with a manifold for supplying and discharging oxidant gas and fuel gas.

積層体46の積層方向上端(他端)には、電極シート49b及び絶縁プレート48bを介装して上部エンドプレート54が配置される。上部エンドプレート54の矢印A方向及び矢印B方向の寸法は、積層体46の各寸法と同寸法に設定されるとともに、前記上部エンドプレート54は、長方形状(又は正方形状)の平板で構成される。   An upper end plate 54 is disposed at the upper end (the other end) in the stacking direction of the stacked body 46 with an electrode sheet 49b and an insulating plate 48b interposed therebetween. The dimensions of the upper end plate 54 in the direction of arrow A and arrow B are set to the same dimensions as the dimensions of the laminated body 46, and the upper end plate 54 is formed of a rectangular (or square) flat plate. The

上部エンドプレート54上には、荷重プレート(架台部)56が積層される。荷重プレート56の周縁部に孔部58が形成され、前記孔部58にボルト60が挿入されるとともに、前記ボルト60は、下部エンドプレート50のねじ孔52にねじ込まれる。   On the upper end plate 54, a load plate (mounting part) 56 is laminated. A hole 58 is formed at the peripheral edge of the load plate 56, and a bolt 60 is inserted into the hole 58, and the bolt 60 is screwed into the screw hole 52 of the lower end plate 50.

次に、燃料電池スタック10を製造する方法について、以下に説明する。   Next, a method for manufacturing the fuel cell stack 10 will be described below.

先ず、電解質14の両面にカソード電極16及びアノード電極18が設けられた電解質・電極接合体20の前駆体が用意される。この前駆体が焼成されることにより、焼成体が得られる(第1工程)。   First, a precursor of an electrolyte / electrode assembly 20 in which the cathode electrode 16 and the anode electrode 18 are provided on both surfaces of the electrolyte 14 is prepared. A fired body is obtained by firing this precursor (first step).

そこで、図8に示すように、セパレータ22の面22b上には、焼成体である電解質・電極接合体20、前記電解質・電極接合体20を囲繞して第2シール部材24b、該電解質・電極接合体20の電解質表出部14aに対応して第3シール部材24c、及び前記電解質表出部14aに跨って前記電解質・電極接合体20の外方に位置してフレーム部材23が、それぞれ配置される。これらは、一体に焼成されることにより、図9に示すように、結合部材70が得られる(第2工程)。   Therefore, as shown in FIG. 8, on the surface 22b of the separator 22, an electrolyte / electrode assembly 20 that is a fired body, the second seal member 24b surrounding the electrolyte / electrode assembly 20, and the electrolyte / electrode A frame member 23 is disposed on the outer side of the electrolyte / electrode assembly 20 across the third seal member 24c and the electrolyte exposed portion 14a corresponding to the electrolyte exposed portion 14a of the joined body 20. Is done. These are fired integrally to obtain a coupling member 70 as shown in FIG. 9 (second step).

第2工程における焼成処理では、焼成温度として、例えば、770℃〜900℃に設定され、1℃/min〜5℃/minの昇温速度で昇温するとともに、120min〜250minだけ維持される。さらに、焼成荷重としては、100N〜500Nが付与される。   In the firing process in the second step, the firing temperature is set to, for example, 770 ° C. to 900 ° C., the temperature is raised at a rate of temperature rise of 1 ° C./min to 5 ° C./min, and is maintained for 120 min to 250 min. Further, 100N to 500N is given as the firing load.

さらに、図10に示すように、結合部材70同士が積層されるとともに、カソード電極16に対応して集電体19を配置し、且つ一方の前記結合部材70を構成するフレーム部材23と、隣接する他方の結合部材70を構成するセパレータ22の面22aとの間に、第1シール部材24aが介装される。これらは、焼成処理により一体化される(第3工程)。   Further, as shown in FIG. 10, the coupling members 70 are laminated with each other, the current collector 19 is disposed corresponding to the cathode electrode 16, and the frame member 23 constituting one of the coupling members 70 is adjacent to The first seal member 24a is interposed between the surface 22a of the separator 22 constituting the other coupling member 70. These are integrated by a baking process (third step).

この焼成処理では、焼成温度が650℃〜850℃に設定され、1℃/min〜10℃/minの昇温速度で昇温させた後、30min〜250minだけ維持される。また、焼成荷重は、100N〜500Nの後、100N〜1000Nが付与される。その際、焼成温度は、第2シール部材24b及び第3シール部材24cの軟化点(770℃)を超過する領域が存在しているが、ガラス成分は、軟化点を通過しても、即座に固体から液体に変化するものではない。   In this baking treatment, the baking temperature is set to 650 ° C. to 850 ° C., and the temperature is increased at a temperature increase rate of 1 ° C./min to 10 ° C./min, and then maintained for 30 min to 250 min. Moreover, 100N-1000N is provided to a baking load after 100N-500N. At that time, there is a region where the firing temperature exceeds the softening point (770 ° C.) of the second seal member 24b and the third seal member 24c, but the glass component immediately passes through the softening point. It does not change from solid to liquid.

さらに、第2シール部材24b及び第3シール部材24cは、結合部材70を得るための焼成段階でバインダが揮発している。従って、第2シール部材24b及び第3シール部材24cは、2回目の焼成処理では潰れがほとんどなく、第1シール部材24aのバインダの揮発及び低軟化点による潰れが主となり、問題となることはない。これにより、燃料電池スタック10が一体化される。   Further, the binder of the second seal member 24b and the third seal member 24c is volatilized at the firing stage for obtaining the coupling member 70. Therefore, the second seal member 24b and the third seal member 24c are hardly crushed in the second firing process, and are mainly caused by the volatilization of the binder and the low softening point of the first seal member 24a. Absent. Thereby, the fuel cell stack 10 is integrated.

このように製造された燃料電池スタック10の動作について、以下に説明する。   The operation of the fuel cell stack 10 manufactured in this way will be described below.

図2に示すように、燃料電池スタック10を構成する下部エンドプレート50には、図示しないマニホールドを介して燃料ガス(例えば、水素ガス)と酸化剤ガスである、例えば、空気とが供給される。空気は、酸化剤ガス供給連通孔26aに沿って鉛直上方向に移動する。   As shown in FIG. 2, the lower end plate 50 constituting the fuel cell stack 10 is supplied with fuel gas (for example, hydrogen gas) and oxidant gas, for example, air through a manifold (not shown). . The air moves vertically upward along the oxidant gas supply communication hole 26a.

各固体酸化物形燃料電池12では、図3及び図5に示すように、第1シール部材24aの酸化剤ガス供給連通孔26aに連通する入口連結路42aを通って、セパレータ22の酸化剤ガス通路30に供給される。空気は、酸化剤ガス通路30を矢印A方向に移動しながら、電解質・電極接合体20のカソード電極16に供給された後、第1シール部材24aの出口連結路42bから酸化剤ガス排出連通孔26bに排出される。   In each solid oxide fuel cell 12, as shown in FIGS. 3 and 5, the oxidant gas of the separator 22 passes through the inlet connection passage 42a that communicates with the oxidant gas supply communication hole 26a of the first seal member 24a. It is supplied to the passage 30. The air is supplied to the cathode electrode 16 of the electrolyte / electrode assembly 20 while moving in the direction of arrow A through the oxidant gas passage 30 and then the oxidant gas discharge communication hole from the outlet connection path 42b of the first seal member 24a. It is discharged to 26b.

一方、燃料ガスは、図3及び図4に示すように、燃料ガス供給連通孔28aに沿って鉛直上方向に移動し、第2シール部材24bの入口連結路44aを通って、各固体酸化物形燃料電池12を構成するセパレータ22の燃料ガス通路32に供給される。燃料ガスは、燃料ガス通路32に沿って矢印B方向に移動しながら、電解質・電極接合体20のアノード電極18に供給された後、第2シール部材24bの出口連結路44bから燃料ガス排出連通孔28bに排出される。   On the other hand, as shown in FIGS. 3 and 4, the fuel gas moves vertically upward along the fuel gas supply communication hole 28a, passes through the inlet connection path 44a of the second seal member 24b, and passes through each solid oxide. Supplied to the fuel gas passage 32 of the separator 22 constituting the fuel cell 12. The fuel gas is supplied to the anode electrode 18 of the electrolyte / electrode assembly 20 while moving in the arrow B direction along the fuel gas passage 32, and then the fuel gas discharge communication from the outlet connection path 44b of the second seal member 24b. It is discharged into the hole 28b.

従って、電解質・電極接合体20では、アノード電極18に燃料ガスが供給されるとともに、カソード電極16に空気が供給される。これにより、酸化物イオンが、電解質14を通ってアノード電極18に移動し、化学反応により発電が行われる。   Therefore, in the electrolyte / electrode assembly 20, fuel gas is supplied to the anode electrode 18 and air is supplied to the cathode electrode 16. As a result, oxide ions move to the anode electrode 18 through the electrolyte 14, and power generation is performed by a chemical reaction.

この場合、本実施形態では、図4及び図5に示すように、フレーム部材23とセパレータ22の面22aとの間には、第1シール部材24aが配置され、前記フレーム部材23と前記セパレータ22の面22bとの間には、第2シール部材24bが配置され、前記フレーム部材23と電解質表出部14aとの間には、第3シール部材24cが配置されている。   In this case, in this embodiment, as shown in FIGS. 4 and 5, a first seal member 24 a is disposed between the frame member 23 and the surface 22 a of the separator 22, and the frame member 23 and the separator 22 are disposed. A second seal member 24b is disposed between the surface 22b and a third seal member 24c is disposed between the frame member 23 and the electrolyte exposing portion 14a.

そして、第1シール部材24aの軟化点は、第2シール部材24bの軟化点よりも低く、且つ、前記第1シール部材24aの軟化点は、第3シール部材24cの軟化点よりも低く設定されている。このため、柔軟性を有する第1シール部材24aと強度の高い第2シール部材24b及び第3シール部材24cとを用いることにより、燃料電池スタック10の各部位に最適な荷重を付与することができる。   The softening point of the first seal member 24a is set lower than the softening point of the second seal member 24b, and the softening point of the first seal member 24a is set lower than the softening point of the third seal member 24c. ing. For this reason, the optimal load can be applied to each part of the fuel cell stack 10 by using the first seal member 24a having flexibility and the second seal member 24b and the third seal member 24c having high strength. .

従って、酸化剤ガスマニホールド部36及び燃料ガスマニホールド部38のシール性と、電解質・電極接合体20の電気伝導性とを、向上させることが可能になる。これにより、特に電気抵抗の高いカソード電極16と集電体19(又はセパレータ22)との接触性が向上し、電気伝導性が良好に向上するという効果が得られる。   Therefore, the sealing performance of the oxidant gas manifold portion 36 and the fuel gas manifold portion 38 and the electrical conductivity of the electrolyte / electrode assembly 20 can be improved. Thereby, the contact property between the cathode electrode 16 having a particularly high electrical resistance and the current collector 19 (or the separator 22) is improved, and the effect of improving the electrical conductivity is obtained.

また、本実施形態によれば、第2工程では、軟化点の高い第2シール部材24b及び第3シール部材24cにより、アノード側のシール性を向上させることができる。さらに、第3工程では、軟化点の低い第1シール部材24aにより、カソード側の接触性を向上させることが可能になる。このため、酸化剤ガスマニホールド部36及び燃料ガスマニホールド部38のシール性と、電解質・電極接合体20の電気伝導性とを、向上させることが可能になる。   Further, according to the present embodiment, in the second step, the second seal member 24b and the third seal member 24c having a high softening point can improve the sealing performance on the anode side. Furthermore, in the third step, the contact property on the cathode side can be improved by the first seal member 24a having a low softening point. For this reason, it becomes possible to improve the sealing performance of the oxidant gas manifold portion 36 and the fuel gas manifold portion 38 and the electrical conductivity of the electrolyte / electrode assembly 20.

さらにまた、第1シール部材24a、第2シール部材24b及び第3シール部材24cは、ガラス系シール部材である。そして、第1シール部材24aのガラス成分(SiO2)含有割合は、第2シール部材24bのガラス成分含有割合よりも高く、且つ、前記第1シール部材24aのガラス成分含有割合は、第3シール部材24cのガラス成分含有割合よりも高く設定されている。 Furthermore, the first seal member 24a, the second seal member 24b, and the third seal member 24c are glass-based seal members. The glass component (SiO 2) content of the first seal member 24a is higher than the glass component content ratio of the second seal member 24b, and a glass component content of the first seal member 24a, the third seal It is set higher than the glass component content ratio of the member 24c.

従って、第1シール部材24aの軟化点は、第2シール部材24bの軟化点よりも低く、且つ、前記第1シール部材24aの軟化点は、第3シール部材24cの軟化点よりも低く設定されることになる。   Accordingly, the softening point of the first seal member 24a is set lower than the softening point of the second seal member 24b, and the softening point of the first seal member 24a is set lower than the softening point of the third seal member 24c. Will be.

これにより、軟化点の高い、すなわち、強度の高い第2シール部材24b及び第3シール部材24cは、アノード側のシール性を高めることができる一方、軟化点の低い、すなわち、柔軟性を有する第1シール部材24aは、カソード側の接触性を高めることが可能になる。このため、酸化剤ガスマニホールド部36及び燃料ガスマニホールド部38のシール性と、電解質・電極接合体20の電気伝導性とを、向上させることが可能になる。   Thereby, the second seal member 24b and the third seal member 24c having a high softening point, that is, high strength, can improve the sealing performance on the anode side, while the softening point is low, that is, the second seal member 24c has flexibility. The one seal member 24a can improve the contact property on the cathode side. For this reason, it becomes possible to improve the sealing performance of the oxidant gas manifold portion 36 and the fuel gas manifold portion 38 and the electrical conductivity of the electrolyte / electrode assembly 20.

また、第1シール部材24a、第2シール部材24b及び第3シール部材24cは、ガラス系シール部材である。そして、第1シール部材24aの非ガラス成分(Al23)含有割合は、第2シール部材24bの非ガラス成分含有割合よりも低く、且つ、前記第1シール部材24aの非ガラス成分含有割合は、第3シール部材24cの非ガラス成分含有割合よりも低く設定されている。 The first seal member 24a, the second seal member 24b, and the third seal member 24c are glass-based seal members. The non-glass components (Al 2 O 3) content ratio of the first seal member 24a is lower than the non-glass components content of the second seal member 24b, and a non-glass component content of the first seal member 24a Is set lower than the non-glass component content ratio of the third seal member 24c.

従って、第1シール部材24aの軟化点は、第2シール部材24bの軟化点よりも低く、且つ、前記第1シール部材24aの軟化点は、第3シール部材24cの軟化点よりも低く設定されることになる。   Accordingly, the softening point of the first seal member 24a is set lower than the softening point of the second seal member 24b, and the softening point of the first seal member 24a is set lower than the softening point of the third seal member 24c. Will be.

これにより、軟化点の高い、すなわち、強度の高い第2シール部材24b及び第3シール部材24cは、アノード側のシール性を高めることができる一方、軟化点の低い、すなわち、柔軟性を有する第1シール部材24aは、カソード側の接触性を高めることが可能になる。このため、酸化剤ガスマニホールド部36及び燃料ガスマニホールド部38のシール性と、電解質・電極接合体20の電気伝導性とを、向上させることが可能になる。   Thereby, the second seal member 24b and the third seal member 24c having a high softening point, that is, high strength, can improve the sealing performance on the anode side, while the softening point is low, that is, the second seal member 24c has flexibility. The one seal member 24a can improve the contact property on the cathode side. For this reason, it becomes possible to improve the sealing performance of the oxidant gas manifold portion 36 and the fuel gas manifold portion 38 and the electrical conductivity of the electrolyte / electrode assembly 20.

さらに、第2シール部材24bと第3シール部材24cとは、同一材料で構成されている。従って、第2シール部材24b及び第3シール部材24cの製造コストが良好に削減されるとともに、取り扱い作業性が有効に向上する。   Further, the second seal member 24b and the third seal member 24c are made of the same material. Therefore, the manufacturing cost of the second seal member 24b and the third seal member 24c is reduced well, and the handling workability is effectively improved.

さらにまた、第1シール部材24aの軟化点は、固体酸化物形燃料電池12の運転温度よりも低温であり、且つ第2シール部材24b及び第3シール部材24cの軟化点は、前記運転温度よりも高温である。これにより、燃料電池スタック10の運転中に、第1シール部材24aが確実に軟化して所望の柔軟性を有することができ、カソード側の接触性を高めることが可能になるので、良好な発電性能が遂行可能になる。   Furthermore, the softening point of the first seal member 24a is lower than the operating temperature of the solid oxide fuel cell 12, and the softening points of the second seal member 24b and the third seal member 24c are higher than the operating temperature. Is also hot. Thereby, during the operation of the fuel cell stack 10, the first seal member 24a can be surely softened to have a desired flexibility, and the contact property on the cathode side can be improved. Performance becomes feasible.

また、第2シール部材24bは、フレーム部材23の少なくとも燃料ガス供給連通孔28a又は酸化剤ガス供給連通孔26aを囲繞し、且つ、前記フレーム部材23の第3シール部材24cに対応する部位よりも外縁に配置されている。このため、電解質・電極接合体20のアノード側から燃料ガスが漏れることを確実に抑制することができる。   Further, the second seal member 24b surrounds at least the fuel gas supply communication hole 28a or the oxidant gas supply communication hole 26a of the frame member 23, and more than a portion corresponding to the third seal member 24c of the frame member 23. Located on the outer edge. For this reason, it is possible to reliably suppress the fuel gas from leaking from the anode side of the electrolyte / electrode assembly 20.

さらに、フレーム部材23は、第2シール部材24bが配置される部位(薄肉部23b)の厚さが、第3シール部材24cが配置される部位の厚さよりも大きく設定されている。従って、積層時の厚さが抑制され、燃料電池スタック10の積層方向の小型化が容易に遂行される。   Further, in the frame member 23, the thickness of the portion where the second seal member 24b is disposed (thin wall portion 23b) is set larger than the thickness of the portion where the third seal member 24c is disposed. Therefore, the thickness at the time of stacking is suppressed, and miniaturization in the stacking direction of the fuel cell stack 10 is easily performed.

10…燃料電池スタック 12…固体酸化物形燃料電池
14…電解質 16…カソード電極
18…アノード電極 19…集電体
20…電解質・電極接合体 22…セパレータ
24a〜24c…シール部材 26a…酸化剤ガス供給連通孔
26b…酸化剤ガス排出連通孔 28a…燃料ガス供給連通孔
28b…燃料ガス排出連通孔 30…酸化剤ガス通路
32…燃料ガス通路 34…挟持部
36…酸化剤ガスマニホールド部 38…燃料ガスマニホールド部
46…積層体 70…結合部材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell stack 12 ... Solid oxide fuel cell 14 ... Electrolyte 16 ... Cathode electrode 18 ... Anode electrode 19 ... Current collector 20 ... Electrolyte / electrode assembly 22 ... Separator 24a-24c ... Seal member 26a ... Oxidant gas Supply communication hole 26b ... Oxidant gas discharge communication hole 28a ... Fuel gas supply communication hole 28b ... Fuel gas discharge communication hole 30 ... Oxidant gas passage 32 ... Fuel gas passage 34 ... Nipping part 36 ... Oxidant gas manifold part 38 ... Fuel Gas manifold section 46 ... Laminated body 70 ... Coupling member

Claims (8)

電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体が、セパレータ間に積層される固体酸化物形燃料電池を備え、複数の前記固体酸化物形燃料電池が積層される積層体を有する燃料電池スタックであって、
前記電解質・電極接合体は、前記カソード電極の平面寸法が前記電解質の平面寸法よりも小さく設定されることにより、該電解質の外周縁部が該カソード電極の外周部外方に露呈する電解質表出部を有し、
前記セパレータは、前記電解質・電極接合体を挟持するとともに、前記アノード電極の電極面に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス通路、及び前記カソード電極の電極面に沿って酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路が、表裏に個別に設けられる挟持部と、
少なくとも前記燃料ガスを前記燃料ガス通路に供給するための燃料ガス供給連通孔、又は前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス通路に供給するための酸化剤ガス供給連通孔が、積層方向に形成されるマニホールド部と、
を備える一方、
前記セパレータ間には、前記電解質表出部に跨って前記電解質・電極接合体の外方に位置し且つ少なくとも前記燃料ガス供給連通孔又は前記酸化剤ガス供給連通孔が形成されるフレーム部材が介装され、
前記フレーム部材と前記セパレータの前記酸化剤ガス通路側の面との間には、第1シール部材が配置され、前記フレーム部材と前記セパレータの前記燃料ガス通路側の面との間には、第2シール部材が配置され、前記フレーム部材と前記電解質表出部との間には、第3シール部材が配置されるとともに、
前記第1シール部材の軟化点は、前記第2シール部材の軟化点よりも低く、且つ、前記第1シール部材の軟化点は、前記第3シール部材の軟化点よりも低く設定されることを特徴とする燃料電池スタック。
A laminate in which an electrolyte / electrode assembly configured by sandwiching an electrolyte between an anode electrode and a cathode electrode includes a solid oxide fuel cell laminated between separators, and a plurality of the solid oxide fuel cells are laminated. A fuel cell stack having a body,
The electrolyte-electrode assembly is configured such that the outer peripheral edge of the electrolyte is exposed outside the outer periphery of the cathode electrode by setting the planar dimension of the cathode electrode to be smaller than the planar dimension of the electrolyte. Part
The separator sandwiches the electrolyte / electrode assembly and supplies a fuel gas along the electrode surface of the anode electrode, and an oxidant gas supplies an oxidant gas along the electrode surface of the cathode electrode. A sandwiching portion in which the agent gas passage is individually provided on the front and back sides;
A fuel gas supply communication hole for supplying at least the fuel gas to the fuel gas passage or an oxidant gas supply communication hole for supplying the oxidant gas to the oxidant gas passage is formed in the stacking direction. Manifold section,
While comprising
Between the separators, there is interposed a frame member that is located outside the electrolyte-electrode assembly across the electrolyte exposed portion and at least the fuel gas supply communication hole or the oxidant gas supply communication hole is formed. Dressed,
A first seal member is disposed between the frame member and the surface of the separator on the oxidant gas passage side, and a first seal member is disposed between the frame member and the surface of the separator on the fuel gas passage side. 2 seal members are disposed, and a third seal member is disposed between the frame member and the electrolyte exposing portion,
The softening point of the first seal member is lower than the softening point of the second seal member, and the softening point of the first seal member is set lower than the softening point of the third seal member. A fuel cell stack.
請求項1記載の燃料電池スタックにおいて、前記第1シール部材、前記第2シール部材及び前記第3シール部材は、ガラス系シール部材であり、
前記第1シール部材のガラス成分含有割合は、前記第2シール部材のガラス成分含有割合よりも高く、且つ、前記第1シール部材のガラス成分含有割合は、前記第3シール部材のガラス成分含有割合よりも高く設定されることを特徴とする燃料電池スタック。
The fuel cell stack according to claim 1, wherein the first seal member, the second seal member, and the third seal member are glass-based seal members,
The glass component content ratio of the first seal member is higher than the glass component content ratio of the second seal member, and the glass component content ratio of the first seal member is a glass component content ratio of the third seal member. A fuel cell stack characterized by being set higher than the above.
請求項1記載の燃料電池スタックにおいて、前記第1シール部材、前記第2シール部材及び前記第3シール部材は、ガラス系シール部材であり、
前記第1シール部材の非ガラス成分含有割合は、前記第2シール部材の非ガラス成分含有割合よりも低く、且つ、前記第1シール部材の非ガラス成分含有割合は、前記第3シール部材の非ガラス成分含有割合よりも低く設定されることを特徴とする燃料電池スタック。
The fuel cell stack according to claim 1, wherein the first seal member, the second seal member, and the third seal member are glass-based seal members,
The non-glass component content ratio of the first seal member is lower than the non-glass component content ratio of the second seal member, and the non-glass component content ratio of the first seal member is the non-glass component content ratio of the third seal member. A fuel cell stack, wherein the fuel cell stack is set lower than the glass component content ratio.
請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記第2シール部材と前記第3シール部材とは、同一材料で構成されることを特徴とする燃料電池スタック。   4. The fuel cell stack according to claim 1, wherein the second seal member and the third seal member are made of the same material. 5. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記第1シール部材の軟化点は、前記固体酸化物形燃料電池の運転温度よりも低温であり、且つ第2シール部材及び前記第3シール部材の軟化点は、前記運転温度よりも高温であることを特徴とする燃料電池スタック。   5. The fuel cell stack according to claim 1, wherein a softening point of the first seal member is lower than an operating temperature of the solid oxide fuel cell, and the second seal member and The fuel cell stack, wherein the softening point of the third seal member is higher than the operating temperature. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記第2シール部材は、前記フレーム部材の少なくとも前記燃料ガス供給連通孔又は前記酸化剤ガス供給連通孔を囲繞し、且つ、前記フレーム部材の前記第3シール部材に対応する部位よりも外縁に配置されることを特徴とする燃料電池スタック。   The fuel cell stack according to any one of claims 1 to 5, wherein the second seal member surrounds at least the fuel gas supply communication hole or the oxidant gas supply communication hole of the frame member, and The fuel cell stack, wherein the fuel cell stack is disposed on an outer edge of a portion of the frame member corresponding to the third seal member. 請求項1〜6のいずれか1項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記フレーム部材は、前記第2シール部材が配置される部位の厚さが、前記第3シール部材が配置される部位の厚さよりも大きく設定されることを特徴とする燃料電池スタック。   The fuel cell stack according to any one of claims 1 to 6, wherein the frame member has a thickness of a portion where the second seal member is disposed, and a thickness of a portion where the third seal member is disposed. A fuel cell stack characterized in that the fuel cell stack is set larger than the above. 電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体が、セパレータ間に積層される固体酸化物形燃料電池を備え、複数の前記固体酸化物形燃料電池が積層される積層体を有するとともに、
前記電解質・電極接合体は、前記カソード電極の平面寸法が前記電解質の平面寸法よりも小さく設定されることにより、該電解質の外周縁部が該カソード電極の外周部外方に露呈する電解質表出部を有し、
前記セパレータは、前記電解質・電極接合体を挟持するとともに、前記アノード電極の電極面に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス通路、及び前記カソード電極の電極面に沿って酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路が、表裏に個別に設けられる挟持部と、
少なくとも前記燃料ガスを前記燃料ガス通路に供給するための燃料ガス供給連通孔、又は前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス通路に供給するための酸化剤ガス供給連通孔が、積層方向に形成されるマニホールド部と、
を備える燃料電池スタックの製造方法であって、
前記電解質・電極接合体の前駆体を焼成して焼成体を得る第1工程と、
前記セパレータの前記燃料ガス通路側の面に、該燃料ガス通路に対応して前記焼成体、前記焼成体を囲繞し且つ少なくとも前記燃料ガス供給連通孔又は前記酸化剤ガス供給連通孔に対応して第2シール部材、前記電解質表出部に対応して第3シール部材、及び、前記電解質表出部に跨って前記電解質・電極接合体の外方に位置し且つ少なくとも前記燃料ガス供給連通孔又は前記酸化剤ガス供給連通孔が形成されるフレーム部材が、それぞれ配置され、これらを一体に焼成して結合部材を得る第2工程と、
前記結合部材同士を積層するとともに、前記カソード電極に対応して集電体を配置し、且つ、一方の前記結合部材を構成する前記フレーム部材と、一方の前記結合部材に隣接する他方の前記結合部材を構成する前記セパレータの前記酸化剤ガス通路側の面との間に、第1シール部材を介装し、これらを焼成する第3工程と、
を有し、
前記第1シール部材の軟化点は、前記第2シール部材の軟化点よりも低く、且つ、前記第1シール部材の軟化点は、前記第3シール部材の軟化点よりも低く設定されることを特徴とする燃料電池スタックの製造方法。
A laminate in which an electrolyte / electrode assembly configured by sandwiching an electrolyte between an anode electrode and a cathode electrode includes a solid oxide fuel cell laminated between separators, and a plurality of the solid oxide fuel cells are laminated. Having a body,
The electrolyte-electrode assembly is configured such that the outer peripheral edge of the electrolyte is exposed outside the outer periphery of the cathode electrode by setting the planar dimension of the cathode electrode to be smaller than the planar dimension of the electrolyte. Part
The separator sandwiches the electrolyte / electrode assembly and supplies a fuel gas along the electrode surface of the anode electrode, and an oxidant gas supplies an oxidant gas along the electrode surface of the cathode electrode. A sandwiching portion in which the agent gas passage is individually provided on the front and back sides;
A fuel gas supply communication hole for supplying at least the fuel gas to the fuel gas passage or an oxidant gas supply communication hole for supplying the oxidant gas to the oxidant gas passage is formed in the stacking direction. Manifold section,
A method of manufacturing a fuel cell stack comprising:
A first step of firing a precursor of the electrolyte / electrode assembly to obtain a fired body;
A surface of the separator on the fuel gas passage side corresponding to the fuel gas passage surrounds the fired body, the fired body, and corresponds to at least the fuel gas supply communication hole or the oxidant gas supply communication hole. A second seal member, a third seal member corresponding to the electrolyte exposed portion, and an outer side of the electrolyte / electrode assembly across the electrolyte exposed portion and at least the fuel gas supply communication hole or A second step in which the frame members in which the oxidant gas supply communication holes are formed are disposed, and these are integrally fired to obtain a coupling member;
The coupling members are stacked, a current collector is disposed corresponding to the cathode electrode, and the frame member constituting one of the coupling members and the other coupling adjacent to the one coupling member A third step of interposing a first seal member between the surface of the separator constituting the member on the side of the oxidant gas passage side and firing them;
Have
The softening point of the first seal member is lower than the softening point of the second seal member, and the softening point of the first seal member is set lower than the softening point of the third seal member. A method for manufacturing a fuel cell stack.
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