JP2014143052A - Solid electrolyte fuel cell unit and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、固体電解質型燃料電池ユニットおよびその製造方法に関する。 The present invention relates to a solid oxide fuel cell unit and a method for manufacturing the same.
特許文献1は、固体電解質型の発電セルを備えた燃料電池ユニットを開示している。この燃料電池ユニットは、環状に形成されたセラミックス製の発電セルの内周側および外周側を2つの環状の金属基板により支持してなるセル板と、このセル板に対向配置されてセル板との間にガス流路を形成する金属製のセパレータ板とを備えている。
しかしながら、上記燃料電池ユニットでは、金属基板に発電セルを接合してセル板を形成した後、そのセル板の外周部(具体的には、発電セルの外周側を支持する金属基板の外周部)と、セパレータ板の外周部とを溶接により直接接合している。このため、セパレータ板および金属基板に生じる溶接時の熱変形や溶接後の収縮による変形(そりや歪などの溶接変形)が発電セルに作用して、発電セルが割れたり、発電セルに残留応力が生じたりする恐れがあった。 However, in the fuel cell unit, after the power generation cells are joined to the metal substrate to form the cell plate, the outer peripheral portion of the cell plate (specifically, the outer peripheral portion of the metal substrate that supports the outer peripheral side of the power generation cell) And the outer peripheral portion of the separator plate are directly joined by welding. For this reason, thermal deformation during welding and deformation due to shrinkage after welding (welding deformation such as warpage and strain) that acts on the separator plate and the metal substrate act on the power generation cell, causing the power generation cell to crack or residual stress on the power generation cell. There was a risk of occurrence.
本発明は、溶接変形や残留応力による発電セルの破損を防止することが可能な固体電解質型燃料電池ユニットおよびその製造方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell unit capable of preventing damage to a power generation cell due to welding deformation or residual stress, and a method for manufacturing the same.
本発明の一態様は、セパレータと流路形成部材と発電セルとから構成される固体電解質型燃料電池ユニットの製造方法である。この製造方法では、まず、セパレータと流路形成部材とを互いに溶接してセパレータユニットを形成する。その後、セパレータユニットのセル支持面にシール材を設け、その上に発電セルを載せ、セパレータユニットおよび発電セルとともにシール材を加熱して該シール材を焼成することで、セパレータユニットと発電セルとを直接接合する。 One aspect of the present invention is a method for manufacturing a solid oxide fuel cell unit including a separator, a flow path forming member, and a power generation cell. In this manufacturing method, first, a separator and a flow path forming member are welded together to form a separator unit. Thereafter, a separator is provided on the cell support surface of the separator unit, a power generation cell is placed thereon, the sealant is heated together with the separator unit and the power generation cell, and the sealant is baked, thereby separating the separator unit and the power generation cell. Join directly.
上記製造方法によれば、流路形成部材とセパレータとを互いに溶接してセパレータユニットを形成した後、このセパレータユニットに発電セルをシール材により直接接合している。すなわち、固体電解質型燃料電池ユニットの製造工程のうち溶接を行う工程が完了した後に、セパレータユニットに発電セルを接合しており、発電セルの接合工程の後に、固体電解質型燃料電池ユニットに対して溶接を行う必要がない。このため、溶接時の熱変形や溶接後の収縮による変形が発電セルに作用することを防止でき、これらを要因とする発電セルの破損を防止することができる。 According to the above manufacturing method, after the flow path forming member and the separator are welded to each other to form the separator unit, the power generation cell is directly joined to the separator unit by the sealing material. That is, the power generation cell is joined to the separator unit after the welding step of the manufacturing process of the solid oxide fuel cell unit is completed, and the solid oxide fuel cell unit is attached to the separator unit after the power generation cell joining step. There is no need to weld. For this reason, it can prevent that the deformation | transformation by the thermal deformation at the time of welding or the shrinkage | contraction after welding acts on a power generation cell, and can prevent the power generation cell from being damaged by these.
以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を説明する。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきであり、以下の実施形態のみに制限されない。なお、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。また、以下の説明における「上」「下」などの方向を示す用語は、各部の位置関係を説明するために便宜上定めたものであり、実際の装置の取付姿勢はこれに限定されるものではない。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The technical scope of the present invention should be determined based on the description of the scope of claims, and is not limited only to the following embodiments. In addition, the dimension ratio of drawing is exaggerated on account of description, and may differ from an actual ratio. In addition, the terms indicating directions such as “up” and “down” in the following description are defined for convenience in order to describe the positional relationship of each part, and the actual mounting posture of the device is not limited to this. Absent.
<第1実施形態>
本発明の第1実施形態にかかる固体電解質型燃料電池ユニットであるセルユニットU1について、図1乃至図3を参照して説明する。
<First Embodiment>
A cell unit U1, which is a solid oxide fuel cell unit according to the first embodiment of the present invention, will be described with reference to FIGS.
セルユニットU1は、図1および図2に示すように、発電セル1と、セパレータ2と、セパレータ2の中心部に溶接された流路形成部材3とから構成される。
As shown in FIGS. 1 and 2, the cell unit U <b> 1 includes a
発電セル1は、図1に示すように、固体電解質からなる電解質膜4と、電解質膜4の一側の面に設けられたアノード電極層(アノード極)5と、電解質膜4の他側の面に設けられたカソード電極層(カソード極)6とから構成されている。電解質膜4は、酸素イオン伝導性を有する緻密なセラミック材料であり、電気絶縁性を有している。電解質膜4の材質としては、例えば、イットリア安定化ジルコニアを使用することができる。また、アノード電極層5の材質としては、例えば、ニッケルとイットリア安定化ジルコニアのサーメットを使用することができ、カソード電極層6の材質としては、例えば、ランタンストロンチウムコバルト鉄を使用することができる。
As shown in FIG. 1, the
発電セル1は、水素、天然ガスなどの燃料ガスをアノード電極層5に供給するとともに、空気などの酸化剤ガスをカソード電極層6に供給することで発電する。アノード電極層5およびカソード電極層6は、これらの反応ガス(燃料ガスおよび酸化剤ガスの総称)を透過するため、多孔質に形成されている。
The
また、発電セル1は、図1および図2に示すように、中央部に円形の孔1aが設けられた円環板状に形成されている。本実施形態では、カソード電極層6は、電解質膜4の他側の面全面には設けられておらず、カソード電極層6の外径(外周端の直径)は電解質膜4の外径より小さく、また、カソード電極層6の内径(内周端の直径)は電解質膜4の中央部の孔の内径より大きい。このため、電解質膜4のカソード電極層6側の表面は、発電セル1の外周部および内周部において露出している。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
セパレータ2は、発電セル1に対して積層方向に対向して配置され、発電セル1を支持している。また、セパレータ2は、図3に示すように、積層方向に隣り合うセルユニットU1の発電セル1同士の間に挟持され、かつ、それら発電セル1の電極層5,6に当接して、セルユニットU1間の電流経路を構成している。
The
セパレータ2は、フェライト系ステンレス鋼(例えば、SUS430)からなる薄板材をプレス加工して、図2に示すように、全体として円環板状に形成されており、その外径は、発電セル1の外径とほぼ等しい。セパレータ2の材料は、特に限定されるものではないが、耐熱性に優れ、かつ、発電セル1の熱膨張係数に近い熱膨張係数を有する材料を使用することが好ましい。
The
セパレータ2のうち発電セル1の発電領域に対向する領域は、発電セル1に沿って延在するガス流路7a,7bを形成するためのガス流路部7となっている。ガス流路部7には、波形状が付与されており、各々略半円弧状に延在する複数の凸条8aおよび凹条8bが、発電セル1の径方向に交互に配列されている。各凸条8aの頂部は、発電セル1のカソード電極層6に当接(直接線接触)しており、これにより、当該凸条8a同士の間に発電セル1の周方向に連続して延在する酸化剤ガス用のガス流路7aが形成されている。また、各凹条8bの底部(セパレータ2を下側から見た場合の各凸条8aの頂部)は、積層方向に隣り合うセルユニットU1の発電セル1のアノード電極層5に当接(直接線接触)するようになっている。これにより、複数の凹条8b同士の間に周方向に連続して延在する燃料ガス用のガス流路7bが形成される。
An area of the
また、セパレータ2の周方向2箇所には、凸条8aおよび凹条8bが形成されておらず、かつ、平坦な形状を有するヘッダ流路部9が設けられている。このヘッダ流路部9の底壁9cは、セパレータ2の高さ(凸条8aの頂部から凹条8bの底部までの積層方向の距離)の略中間位置に位置している(図1(b)参照)。そして、ヘッダ流路部9の上側および下側には、セパレータ2の径方向に延在するヘッダ流路9a,9bが形成されている。上側のヘッダ流路9aは、各凸条8aの間に画成された複数の酸化剤ガス用のガス流路7aに連通している。一方、下側のヘッダ流路9bは、各凹条8bの間に画成された複数の燃料ガス用のガス流路7bに連通しており、その径方向外側端は、セルユニットU1の径方向外側に向かって開口している。
Further, at two locations in the circumferential direction of the
さらに、セパレータ2の外周部には、この外周部を外側に折り曲げて形成したフランジ10が設けられている。フランジ10は、平面視においてガス流路部7の周囲全体を囲うように延在しており、その上面(セル支持面)10aで発電セル1の外周部を支持している。また、フランジ10の上面10aにはシール材11が塗布されており、そこに発電セル1の外周部全周が直接接合されて、ユニット内ガス流路の径方向外側端部が密封されている。
Further, a
また、発電セル1の外周部とセパレータ2のフランジ10との間の接合部では、図1に示すように、フランジ10が、発電セル1の電解質膜4に直接(カソード電極層6その他シール材11以外の部材を介在させることなく)接合されている。そして、シール材11の上面は、発電セル1の電解質膜4のみに接している。
In addition, at the joint between the outer peripheral portion of the
本実施形態では、2つの上側のヘッダ流路9aと、複数のガス流路7aと、後述する流路形成部材3内に形成された2つの貫通路33とで、セルユニットU1内に導入された反応ガスをセルユニットU1内に流通させるためのユニット内ガス流路を構成している。また、ヘッダ流路部9の下側に形成される2つのヘッダ流路9bと、各凹条8bの間に画成された複数のガス流路7bとが、積層方向に隣り合うセルユニットU1間に導入された反応ガスを流通させるためのユニット間ガス流路を構成している。すなわち、本実施形態において、セパレータ2は、ユニット内ガス流路とユニット間ガス流路とを画成するとともに、両流路を互いに分離する機能を有している。
In the present embodiment, two
また、セパレータ2の中央部には、後述する貫通ボルト50が貫通されるボルト孔12と、ボルト孔12を挟むようにして配置された一対のC字状のガス通路用孔13が設けられている。そして、セパレータ2の中心部上面には、流路形成部材3が溶接されている。使用される溶接は、例えば、YAGレーザを用いたレーザ溶接であり、セパレータ2の中央部下面からレーザを照射して流路形成部材3を接合している。なお、溶接には、上記レーザ溶接のほか、抵抗加熱溶接、アーク溶接などを使用することができる。
Further, a
流路形成部材3は、発電セル1を支持しつつ反応ガスのユニット内ガス流路への流入口および排出口を画成する部材であり、溶接により上記セパレータ2と一体化されてセパレータユニットSUを構成している。本実施形態では、流路形成部材3は、図2に示すように、フェライト系ステンレス鋼(例えば、SUS430)からなる円形板である。その外径は、セパレータ2の外径および発電セル1の外径よりも小さく、また、発電セル1の中央部に設けられた円形の孔1aの径よりも大きい。
The flow
流路形成部材3の厚さは、流路形成部材3がセパレータ2に溶接された場合に、その外周部上面3aがセパレータ2のフランジ10と略同じ高さになるように設定されている。外周部上面3aにはシール材11が塗布され、そこに発電セル1の内周部全周が直接接合されている。すなわち、流路形成部材3の外周部上面3aは、発電セル1の内周部を支持するセル支持面を構成している。
The thickness of the flow
また、発電セル1の内周部と流路形成部材3の外周部上面3aとの間の接合部では、図1に示すように、外周部上面3aが、発電セル1の電解質膜4に直接(カソード電極層6その他シール材11以外の部材を介在させることなく)接合されている。そして、シール材11の上面は、発電セル1の電解質膜4のみに接している。
In addition, at the joint between the inner peripheral part of the
流路形成部材3の中央部には、セパレータ2に設けられたボルト孔12およびガス通路用孔13に対応する位置に、これらと同様の形状を有するボルト孔31およびガス通路用孔32が上下方向(積層方向)に貫通するように設けられている。
A
また、流路形成部材3の周方向2箇所には、流路形成部材3内を径方向に貫通する貫通路33が設けられている。各貫通路33は、径方向内側端をガス通路用孔32の内周面に開口するとともに、径方向外側端を流路形成部材3の径方向外側側面に開口している。径方向外側端の各開口は、流路形成部材3がセパレータ2に溶接された場合に、セパレータ2の上側に形成されるヘッダ流路9aに臨む位置に設置される。なお、貫通路33の形状は、ユニット内ガス流路と後述するガス通路SUP,DISとを連通するものであれば、特に限定されず、貫通孔のほか、例えば、流路形成部材3の下面(セパレータ2に接合される面)に設けた流路溝であってもよい。流路溝は、エッチング、研削加工、レーザ加工などにより形成することができ、また、エッチング部品を積層して接合することでも形成できる。
Further, at two locations in the circumferential direction of the flow
シール材11は、図1および図3に示すように、セパレータユニットSUのセル支持面に設けられた電気絶縁性または導電性を有するペースト状接合材であり、これを加熱焼成することにより、発電セル1とセパレータユニットSUとが気密に接合される。なお、シール材11の材料は、発電セル1とセパレータユニットSUを構成するセパレータ2の熱膨張率の差などを考慮して、適宜選択することができる。電気絶縁性を有する接合材としては、例えば、アルミナを主成分とするセラミックス系接着剤や酸化ケイ素を主成分とするガラス系接合材などがある。また、導電性を有する接合材としては、例えば、金、銀、ニッケル、パラジウムなどを主成分とする金属系のろう材などがある。
As shown in FIG. 1 and FIG. 3, the sealing
燃料電池スタックSは、図3に示すように、セルユニットU1を積層方向に複数積層することで構成された積層体SBを、積層体SBの積層方向両端部に設けたエンドプレート40と、エンドプレート40および積層体SBを貫通する貫通ボルト50とによって加圧挟持することで構成される。積層体SBの各セルユニットU1間には、絶縁スペーサ60が介在されている。
As shown in FIG. 3, the fuel cell stack S includes a stack SB formed by stacking a plurality of cell units U1 in the stacking direction,
絶縁スペーサ60は、電気絶縁性を有する部材からなり、積層方向に隣り合うセルユニットU1の間に介在して、これらセルユニットU1の中央部を互いに電気的に絶縁しつつ支持している。また、絶縁スペーサ60は、径方向外側の側面においてユニット間ガス流路の径方向内側の境界を画成するとともに、その内部においてユニット内ガス流路に反応ガスを供給・排出するための2つのガス通路SUP,DISを画成している。
The insulating
絶縁スペーサ60は、図2に示すように、円形板状の形状を有しており、その外径は、発電セル1の中央部に設けられた円形の孔1aの径よりも小さい。絶縁スペーサ60の中央部には、セパレータ2および流路形成部材3に設けられたボルト孔12,31およびガス通路用孔13,32に対応する位置に、これらと同様の形状を有するボルト孔61およびガス通路用孔62が上下方向(積層方向)に貫通するように設けられている。絶縁スペーサ60に設けられたガス通路用孔62は、積層体SBを構成する各セルユニットU1のガス通路用孔13,32とともに、燃料電池スタックSの積層方向に貫通する2つのガス通路SUP,DISを構成している。本実施形態では、2つのガス通路のうち一方が、各セルユニットU1に酸化剤ガスを供給するためのガス供給用ガス通路SUPとして利用され、他方は、各セルユニットU1から発電に使用された酸化剤ガスを排出するためのガス排出用ガス通路DISとして利用される。
As shown in FIG. 2, the insulating
エンドプレート40は、図3に示すように、積層体SBの積層方向両端に装着され、貫通ボルト50とともに積層体SBを加圧挟持している。上側のエンドプレート40には、貫通ボルト50が挿通されるボルト孔41のほか、ガス供給用ガス通路SUPに酸化剤ガスを供給するためのガス供給口42が設けられている。また、上側のエンドプレート40には、ガス供給口42に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路44が接続されている。一方、下側のエンドプレート40には、ガス排出用ガス通路DISから酸化剤ガスを排出するためのガス排出口43が設けられている。また、下側のエンドプレート40には、ガス排出口43から酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出路45が接続されている。
As shown in FIG. 3, the
酸化剤ガスは、図3に示すように、酸化剤ガス供給路44からガス供給口42を介してガス供給用ガス通路SUP内に供給される。ガス通路SUP内の酸化剤ガスは、各セルユニットU1の流路形成部材3に設けられた貫通路33の一方を通ってユニット内ガス流路に流入する。貫通路33を通過した酸化剤ガスは、セパレータ2に設けられたヘッダ流路9aの一方に流れ込み、複数のガス流路7aに分岐して流れた後、他方のヘッダ流路9aで合流し、流路形成部材3に設けられた他方の貫通路33を通って、ガス排出用ガス通路DIS内に排出される。そして、酸化剤ガスは、一方のヘッダ流路9aから複数のガス流路7aを経て他方のヘッダ流路9aまで流れる間において、発電セル1のカソード電極層6に接触し、発電に利用される。
As shown in FIG. 3, the oxidant gas is supplied from the oxidant
一方、燃料ガスは、図3に示すように、積層体SBの径方向外側の側面から各ユニット間ガス流路に供給されるようになっている。そして、燃料ガスは、積層体SBの径方向外側の側面に開口する一方のヘッダ流路9bに流入した後、複数のガス流路7bに分岐して流れ、その後、他方のヘッダ流路9bで合流し、その径方向外側の開口から排出される。燃料ガスは、一方のヘッダ流路9bから複数のガス流路7bを経て他方のヘッダ流路9bまで流れる間において、発電セル1のアノード電極層5に接触し、発電に利用される。
On the other hand, as shown in FIG. 3, the fuel gas is supplied to each inter-unit gas flow path from the radially outer side surface of the stacked body SB. Then, the fuel gas flows into one
また、積層体SBにおける各発電セル1は、図3に示すように、各発電セル1同士の間に挟持されたセパレータ2によって電気的に直列に接続されており、そこで発電された電流は、図示しない集電部材を介して積層方向両端の発電セル1から取り出せるようになっている。
Moreover, each
以下、本実施形態にかかるセルユニットU1の製造方法について、図4を参照して説明する。 Hereinafter, the manufacturing method of the cell unit U1 according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
まず、図4(a)に示すように、セパレータ2の中心部上面に流路形成部材3を溶接する。具体的には、図中矢印で示す溶接箇所(周方向に連続する溶接線)において、セパレータ2と流路形成部材3とを溶接する。これにより、セパレータ2と流路形成部材3とが一体化したセパレータユニットSUを形成する。
First, as shown in FIG. 4A, the flow
次に、図4(b)に示すように、セパレータユニットSUのセル支持面、すなわち、流路形成部材3の外周部上面3aおよびセパレータ2のフランジ10の上面10aに、シール材11を塗布する。
Next, as shown in FIG. 4B, the sealing
次に、図4(c)に示すように、塗布したシール材11の上に発電セル1を載せる。これにより発電セル1とセパレータユニットSUとを直接(シール材11以外の他の部材を介在させることなく)接合し、セルユニットU1を形成する。本実施形態では、カソード電極層6を図中下向きにし、セパレータ2の凸条8aの頂部をカソード電極層6に当接させつつ、発電セル1の電解質膜4を、セパレータ2のフランジ10の上面10aおよび流路形成部材3の外周部上面3aに直接接合させる。
Next, as shown in FIG. 4C, the
次に、図4(d)に示すように、セルユニットU1を加熱し、シール材11を焼成する。焼成温度および焼成時間は、使用するシール材11の種類により異なるため特に限定されないが、焼成温度は、例えば、ガラス系接合剤などでは800〜900℃程度に設定され、焼成時間は、例えば、20〜60分程度に設定される。
Next, as shown in FIG. 4D, the cell unit U1 is heated and the sealing
なお、燃料電池スタックSを組み立てる際は、まず、上記のようにして形成されたセルユニットU1を、絶縁スペーサ60を介在させつつ同じ向きに所定の数だけ積層して積層体SBを構成し、積層体SBの積層方向両端にエンドプレート40を装着する。そして、積層体SBを構成する各セルユニットU1のセパレータ2および流路形成部材3、絶縁スペーサ60、並びにエンドプレート40に設けられたボルト孔12,31,61,41に貫通ボルト50を挿通し、その先端にナット51を螺合させることで、複数のセルユニットU1を加圧締結する。
When assembling the fuel cell stack S, first, a predetermined number of the cell units U1 formed as described above are stacked in the same direction with the insulating
<効果>
本実施形態にかかるセルユニットU1によれば、流路形成部材3とセパレータ2とを互いに溶接してセパレータユニットSUを形成した後に、このセパレータユニットSUに発電セル1をシール材11により直接接合している。すなわち、セルユニットU1の製造工程のうち溶接を行う工程が完了した後に、セパレータユニットSUに発電セル1を接合しており、発電セル1の接合工程の後に、そのセルユニットU1に対して金属部品の溶接を行う必要がない。このため、溶接時の熱変形や溶接後の収縮による変形が発電セル1に作用することを防止でき、これらの要因によって発電セル1が割れたり、発電セル1に残留応力が生じたりすることを防止できる。なお、シール材11の焼成温度は、上述のとおり、溶接温度に比して非常に低く、そのため発電セル1への影響も十分に小さい。
<Effect>
According to the cell unit U1 according to the present embodiment, the flow
また、本実施形態では、溶接によりセパレータユニットSUを形成した後に、セパレータユニットSUに設けたシール材11の上に発電セル1を載せ、これらセパレータユニットSUおよび発電セル1とともにシール材11を加熱してシール材11を焼成している。このため、この加熱焼成工程において、シール材11の焼成を行うと同時に、溶接構造物であるセパレータユニットSUの残留応力を除去することができる。
In this embodiment, after the separator unit SU is formed by welding, the
さらに、本実施形態では、発電セル1をセパレータユニットSUに直接接合しているので、従来、発電セル1の内周側および外周側を支持するために設けていた環状の金属基板を省略できる。これにより、セルユニットU1の部品点数が減少し、セルユニットU1の製造工程が簡略化されるとともに、セルユニットU1を軽量化・低熱容量化することができる。
Furthermore, in this embodiment, since the
また、本実施形態では、発電セル1とセパレータユニットSUとを接合する際、緻密な層である電解質膜4を、セパレータユニットSUのセル支持面(セパレータ2のフランジ10の上面10aおよび流路形成部材3の外周部上面3a)に直接接合させている。このため、当該接合部からユニット内ガス流路内の反応ガス(本実施形態では、酸化剤ガス)が漏れだすことを確実に防止できる。
Further, in the present embodiment, when the
さらに、本実施形態では、セパレータユニットSUのセル支持面に設けられたシール材11は、その発電セル1側の面が電気絶縁性を有する電解質膜4のみに接するように設けられている。このため、シール材11として導電性を有する接合材を使用しても、アノード電極層5とカソード電極層6との間の絶縁を確保することができる。すなわち、本実施形態の構成を採用することにより、シール材11の選択の自由度を向上させることができる。
Furthermore, in this embodiment, the sealing
<第2実施形態>
本発明の第2実施形態にかかる固体電解質型燃料電池ユニットであるセルユニットU2について、図5を参照して説明する。
Second Embodiment
A cell unit U2 that is a solid oxide fuel cell unit according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
本実施形態にかかるセルユニットU2は、第1実施形態にかかるセルユニットU1と同様に、発電セル1と、セパレータ2と、セパレータ2に溶接された流路形成部材3とから構成される。セルユニットU2は、図5に示すように、発電セル1の径方向外側の側面1bおよび径方向内側の側面1cにもシール材11が塗布されている点で、第1実施形態にかかるセルユニットU1と異なる。なお、他の構成に関しては、第1実施形態のものと同様であるので、ここでは同様の部材に同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
Similar to the cell unit U1 according to the first embodiment, the cell unit U2 according to the present embodiment includes a
以下、本実施形態にかかるセルユニットU2の製造方法について、図6を参照して説明する。 Hereinafter, the manufacturing method of the cell unit U2 according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
図6(a)〜(c)に示す工程は、第1実施形態における図4(a)〜(c)に示す工程とそれぞれ同様であるので、ここでは説明を省略する。 The steps shown in FIGS. 6A to 6C are the same as the steps shown in FIGS. 4A to 4C in the first embodiment, and thus the description thereof is omitted here.
本実施形態では、図6(c)に続く図6(d)の工程において、発電セル1の径方向外側の側面1bおよび径方向内側の側面1cにもシール材11を塗布する。ここで、発電セル1の各側面1b,1cに塗布するシール材11は、アノード側とカソード側とに跨るため(カソード電極層6と同電位にある流路形成部材3とアノード電極層5とに跨るため)、電気絶縁性を有するシール材11とする。
In the present embodiment, the sealing
次に、図6(e)に示すように、セルユニットU2を加熱し、シール材11を焼成する。焼成温度等の条件は、第1実施形態のそれと同様であるため、ここでは説明を省略する。
Next, as shown in FIG.6 (e), the cell unit U2 is heated and the sealing
<効果>
本実施形態にかかるセルユニットU2によれば、第1実施形態にかかるセルユニットU1と同様の構成を備えているため、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
<Effect>
According to cell unit U2 concerning this embodiment, since it has the same composition as cell unit U1 concerning a 1st embodiment, the same effect as a 1st embodiment can be acquired.
また、本実施形態では、発電セル1の径方向外側の側面1bおよび径方向内側の側面1cにもシール材11を塗布しているので、アノード電極層5と、カソード電極層6およびこれと同電位にある流路形成部材3との間の絶縁を一層確実に確保することができる。
In the present embodiment, since the sealing
また、本実施形態では、絶縁スペーサ60の径方向外側の側面と発電セル1の径方向内側の側面1cとの間に電気絶縁性を有するシール材11が介在することになるので、例えば、導電性部材と絶縁性部材との複合材を絶縁スペーサ60として採用した場合でも、確実に絶縁を確保することができる。
Further, in the present embodiment, since the sealing
なお、シール材11のうち発電セル1の各側面1b,1cに塗布されるシール材11は、流路形成部材3の外周部上面3aおよびセパレータ2のフランジ10の上面10aに塗布されるシール材11と異なるものであってもよい。例えば、前者は、アノード側とカソード側とに跨ることになるため、電気絶縁性を有することが条件となるが、後者は、アノード側とカソード側とに跨らないため導電性を有していてもよい。また、シール材11の表面張力や塗布範囲の大きさ等を考慮して、塗布する場所に応じて粘度の異なるシール材11を採用することができる。
Of the sealing
<第3実施形態>
本発明の第3実施形態にかかる固体電解質型燃料電池ユニットであるセルユニットU3について、図7を参照して説明する。
<Third Embodiment>
A cell unit U3 that is a solid oxide fuel cell unit according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
本実施形態にかかるセルユニットU3は、第2実施形態にかかるセルユニットU2と同様に、発電セル1と、セパレータ2と、セパレータ2に溶接された流路形成部材3とから構成されている。また、発電セル1の側面1b,1cにはシール材11が設けられている。本実施形態にかかるセルユニットU3は、図7に示すように、発電セル1の上下の向きが逆になっている点で、第2実施形態にかかるセルユニットU2と異なる。すなわち、セルユニットU3では、発電セル1のアノード電極層5がセパレータ2の上面に対向するように配置されている。そして、発電セル1のアノード電極層5を、セパレータ2のフランジ10の上面10aおよび流路形成部材3の外周部上面3aに直接接合させている。また、発電セル1の側面1b,1cに設けられたシール材11は、アノード電極層5の下面から電解質膜4の側面まで延びて、アノード電極層5の側面を覆っている。他の構成に関しては、上記実施形態のものと同様であるので、ここでは同様の部材に同一の符号を付して詳細な説明を省略する。なお、本実施形態において発電を行う際は、燃料ガスをユニット内ガス流路に流すとともに酸化剤ガスをユニット間ガス流路に流すようにすることは勿論である。
Similar to the cell unit U2 according to the second embodiment, the cell unit U3 according to the present embodiment includes a
以下、本実施形態にかかるセルユニットU3の製造方法について、図8を参照して説明する。 Hereinafter, the manufacturing method of the cell unit U3 concerning this embodiment is demonstrated with reference to FIG.
図8(a)〜(b)に示す工程は、第1実施形態における図4(a)〜(b)および第2実施形態における図6(a)〜(b)に示す工程とそれぞれ同様であるので、ここでは説明を省略する。 The steps shown in FIGS. 8A to 8B are the same as the steps shown in FIGS. 4A to 4B in the first embodiment and FIGS. 6A to 6B in the second embodiment. Since there is, explanation is omitted here.
本実施形態では、図8(b)に続く図8(c)の工程において、シール材11の上に発電セル1を載せ、発電セル1とセパレータユニットSUとを直接(シール材11以外の他の部材を介在させることなく)接合し、セルユニットU3を形成する。本実施形態では、ここで、アノード電極層5を図中下向きにし、アノード電極層5がセパレータ2の上面に対向するように配置する。そして、セパレータ2の凸条8aの頂部をアノード電極層5に当接させつつ、発電セル1のアノード電極層5を、セパレータ2のフランジ10の上面10aおよび流路形成部材3の外周部上面3aに直接接合させる。
In the present embodiment, in the step of FIG. 8C following FIG. 8B, the
次に、図8(d)の工程では、発電セル1の径方向外側の側面1bおよび径方向内側の側面1cにもシール材11を塗布する。この工程で塗布するシール材11は、アノード電極層5の側面と電解質膜4の側面とを覆うだけで、アノード側とカソード側とに跨ることにはならないため、導電性を有するシール材11を使用することができる。
Next, in the process of FIG. 8D, the sealing
次に、図8(e)に示すように、セルユニットU3を加熱し、シール材11を焼成する。焼成温度等の条件は、第1および第2実施形態のそれと同様であるため、ここでは説明を省略する。
Next, as shown in FIG.8 (e), the cell unit U3 is heated and the sealing
<効果>
本実施形態にかかるセルユニットU3によれば、第1および第2実施形態にかかるセルユニットU1,U2と同様の構成を備えているため、これらと同様の効果を得ることができる。
<Effect>
According to cell unit U3 concerning this embodiment, since it has the same composition as cell units U1 and U2 concerning the 1st and 2nd embodiments, the same effect as these can be acquired.
また、本実施形態によれば、シール材11が、金属からなる流路形成部材3やセパレータ2から緻密なセラミック材料からなる層である電解質膜4まで跨って、アノード電極層5の側面を覆っている。このため、ユニット内ガス流路内の反応ガスが多孔質であるアノード電極層5を介してユニット間ガス流路内に漏れだすことを確実に防止できる。すなわち、本実施形態の構成を採用することにより、発電セル1のセパレータユニットSUとの接合面(セパレータ2のフランジ10の上面10aおよび流路形成部材3の外周部上面3aに対向してこれらに直接接合する面)が多孔質である場合でも、ガスシール性を確保することができる。これにより、発電セル1の選択の自由度が向上する。
Further, according to the present embodiment, the sealing
<第4実施形態>
本発明の第4実施形態にかかる固体電解質型燃料電池ユニットであるセルユニットU4について、図9および図10を参照して説明する。
<Fourth embodiment>
A cell unit U4 which is a solid oxide fuel cell unit according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
本実施形態にかかるセルユニットU4は、第1実施形態にかかるセルユニットU1と同様に、発電セル1と、セパレータ2と、セパレータ2に溶接された流路形成部材3とを備えている。セルユニットU4は、図9および図10に示すように、セパレータ2のガス流路部7と発電セル1の発電領域との間に介在する集電補助部材70を更に備えた点で、第1実施形態にかかるセルユニットU1と異なる。本実施形態では、集電補助部材70は、セパレータ2のガス流路部7と発電セル1との間に挟持されており、集電補助部材70の上面が、カソード電極層6の下面に直接面接触している。他の構成に関しては、上記実施形態のものと同様であるので、ここでは同様の部材に同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
Similar to the cell unit U1 according to the first embodiment, the cell unit U4 according to the present embodiment includes the
集電補助部材70は、導電性かつガス透過性を有する多孔体からなり、中央部に円形の孔70aが設けられた円環板状に形成されている。その外径は、電解質膜4の外径より小さく、発電セル1のカソード電極層6の外径と略等しい。一方、内径は、電解質膜4の中央部の孔の内径より大きく、発電セル1のカソード電極層6の内径と略等しい。集電補助部材70の材質としては、耐熱性に優れるフェライト系ステンレス鋼やインコネル(登録商標)などを使用することが望ましい。また、採用可能な多孔体の形態としては、例えば、金属メッシュ、発泡金属体、金属や電極材料からなる繊維の織物やフェルト等がある。
The current collection
以下、本実施形態にかかるセルユニットU4の製造方法について、図11を参照して説明する。 Hereinafter, the manufacturing method of the cell unit U4 according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
図11(a)に示す工程は、第1実施形態における図4(a)および第2実施形態における図6(a)に示す工程と同様であるので、ここでは説明を省略する。 Since the process shown in FIG. 11A is the same as the process shown in FIG. 4A in the first embodiment and the process shown in FIG. 6A in the second embodiment, description thereof is omitted here.
本実施形態では、図11(a)に続く図11(b)の工程において、セパレータユニットSUのセル支持面(流路形成部材3の外周部上面3aおよびセパレータ2のフランジ10の上面10a)に、シール材11を塗布するとともに、セパレータ2のガス流路部7の上に集電補助部材70を載置する。
In this embodiment, in the step of FIG. 11B following FIG. 11A, the cell support surface of the separator unit SU (the
次に、図11(c)に示すように、塗布したシール材11の上に発電セル1を載せ、発電セル1とセパレータユニットSUとを直接(シール材11以外の他の部材を介在させることなく)接合し、セルユニットU4を形成する。本実施形態では、カソード電極層6を図中下向きにし、セパレータ2のガス流路部7の上に載置した集電補助部材70をカソード電極層6に当接(直接面接触)させつつ、発電セル1の電解質膜4を、セパレータ2のフランジ10の上面10aおよび流路形成部材3の外周部上面3aに直接接合させる。
Next, as shown in FIG. 11 (c), the
次に、図11(d)に示すように、セルユニットU4を加熱し、シール材11を焼成する。焼成温度等の条件は、上記実施形態のそれと同様であるため、ここでは説明を省略する。
Next, as shown in FIG.11 (d), the cell unit U4 is heated and the sealing
<効果>
本実施形態にかかるセルユニットU4によれば、第1実施形態にかかるセルユニットU1と同様の構成を備えているため、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
<Effect>
According to cell unit U4 concerning this embodiment, since it has the same composition as cell unit U1 concerning a 1st embodiment, the same effect as a 1st embodiment can be acquired.
また、本実施形態では、セパレータ2のガス流路部7と発電セル1の発電領域との間に集電補助部材70を介在させているので、発電セル1とセパレータ2との界面における面方向の電気抵抗が低減され、カソード電極層6内の電流密度の分布が平準化する。これにより、発電セル1とセパレータ2との間の電気抵抗を減少させることができる。
Further, in this embodiment, since the current collection
集電補助部材70の両面には、金属系ペーストを塗布してもよい。このようにすることで、セパレータ2と発電セル1との接触面積をさらに増加させることができ、電気抵抗をより一層低減することができる。
Metal paste may be applied to both surfaces of the current collection
また、集電補助部材70は、第2実施形態にかかるセルユニットU2や第3実施形態にかかるセルユニットU3にも適用でき、その場合においても上記と同様に、発電セル1とセパレータ2との間の電気抵抗を低減する効果を発揮することができる。
The current collecting
以上、本発明の実施形態について説明したが、これらの実施形態は本発明の理解を容易にするために記載された単なる例示に過ぎず、本発明は当該実施形態に限定されるものではない。本発明の技術的範囲は、上記実施形態で開示した具体的な技術事項に限らず、そこから容易に導きうる様々な変形、変更、代替技術なども含むものである。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, these embodiment is only the illustration described in order to make an understanding of this invention easy, and this invention is not limited to the said embodiment. The technical scope of the present invention is not limited to the specific technical matters disclosed in the above embodiment, but includes various modifications, changes, alternative techniques, and the like that can be easily derived therefrom.
例えば、上記実施形態では、発電セル1は円環板状であったが、発電セル1の形状はこれに限らず、例えば、楕円板状、多角形板状であってもよい。また、発電セル1を小径円板または扇形とし、一つのセパレータユニットSUに複数の発電セル1を接合するようにしてもよい。
For example, in the above embodiment, the
また、ユニット内ガス流路やユニット間ガス流路のパターンは、上記実施形態のものに限定されず、流路形成部材3のガス通路用孔32や貫通路33の数・配置や、セパレータ2のガス流路部7に形成した波形状のパターンを変更することで自由に設定することができる。例えば、セパレータのガス流路部に、内周部および外周部において周方向に延びる2つのヘッダ流路部と、径方向に放射線状に延びる複数の凸条および凹条とを形成し、周方向に延びる2つのヘッダ流路とそれらを径方向に接続する複数のガス流路とから流路を構成してもよい。
Further, the pattern of the gas flow path in the unit and the gas flow path between the units is not limited to those in the above embodiment, and the number and arrangement of the gas passage holes 32 and the through
さらに、流路形成部材3は、セパレータ2に溶接されてユニット内ガス流路またはユニット間ガス流路を形成する部材であればよく、その形状・配置・個数は上記実施形態のものに限定されない。例えば、流路形成部材3は、複数の部材(複数の部材を一体的に組み合わせたものやセパレータ上に互いに離間して配置したものを含む)から構成してもよい。
Furthermore, the flow
また、上記実施形態では、発電セル1とセパレータユニットSUのセル支持面との間の接合にペースト状シール材11を用いたが、シール材はこれに限定されず、繊維状、薄板状、リングガスケット状などに成形された成形シール材を用いてもよい。
Moreover, in the said embodiment, although the paste-
U1,U2,U3,U4 セルユニット(固体電解質型燃料電池ユニット)
1 発電セル
4 電解質膜
5 アノード電極層(アノード極)
6 カソード電極層(カソード極)
SU セパレータユニット
2 セパレータ
10 フランジ
10a フランジ上面(セル支持面)
3 流路形成部材
3a 外周部上面(セル支持面)
11 シール材
70 集電補助部材
U1, U2, U3, U4 Cell unit (solid oxide fuel cell unit)
1
6 Cathode electrode layer (cathode electrode)
3 Flow
11
Claims (2)
前記セパレータと流路形成部材とを互いに溶接してセパレータユニットを形成した後、
前記セパレータユニットのセル支持面にシール材を設け、
前記シール材の上に発電セルを載せ、
前記セパレータユニットおよび前記発電セルとともに前記シール材を加熱して該シール材を焼成することで、前記セパレータユニットと前記発電セルとを直接接合する
ことを特徴とする固体電解質型燃料電池ユニットの製造方法。 A method for producing a solid oxide fuel cell unit comprising a separator, a flow path forming member, and a power generation cell,
After forming the separator unit by welding the separator and the flow path forming member to each other,
A sealing material is provided on the cell support surface of the separator unit,
A power generation cell is placed on the sealing material,
The separator unit and the power generation cell are directly bonded by heating the sealing material together with the separator unit and the power generation cell and firing the sealing material, thereby producing a solid oxide fuel cell unit .
前記セパレータユニットのセル支持面に設けられたシール材と、
前記シール材を介して前記セパレータユニットに支持された発電セルと、を備え、
前記セパレータユニットおよび前記発電セルとともに前記シール材を加熱して該シール材を焼成することで、前記セパレータユニットと前記発電セルとを直接接合した
ことを特徴とする固体電解質型燃料電池ユニット。
A separator unit formed by welding the separator and the flow path forming member to each other;
A sealing material provided on a cell support surface of the separator unit;
A power generation cell supported by the separator unit via the sealing material,
The solid oxide fuel cell unit, wherein the separator unit and the power generation cell are directly joined by heating the sealing material together with the separator unit and the power generation cell and firing the sealing material.
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JP2020518986A (en) * | 2017-05-04 | 2020-06-25 | ヴァーサ パワー システムズ リミテッドVersa Power Systems Ltd. | Compact high temperature electrochemical cell stack architecture |
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- 2013-01-23 JP JP2013010113A patent/JP2014143052A/en active Pending
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