JP2014143052A - Solid electrolyte fuel cell unit and method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent a power generation cell from being broken by welding distortion and residual stress.SOLUTION: A separator and a passage formation member are welded together to form a separator unit, then a seal material is provided on a cell support surface of the separator unit, a power generation cell is mounted on the seal material, and the seal material is heated together with the separator unit and the power generation cell to be fired. Thus the separator unit and the power generation cell are directly bonded.

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。   Patent Document 1 discloses a fuel cell unit including a solid electrolyte type power generation cell. The fuel cell unit includes a cell plate in which an inner peripheral side and an outer peripheral side of a ring-shaped ceramic power generation cell are supported by two annular metal substrates, and a cell plate disposed opposite to the cell plate. And a metal separator plate that forms a gas flow path therebetween.

特開2005−353421号公報JP 2005-353421 A

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.

図1は、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を示す図であり、(a)は平面図、(b)は(a)のA−A線断面図、(c)は(a)のB−B線断面図である。1A and 1B are diagrams showing a solid oxide fuel cell unit according to a first embodiment of the present invention, in which FIG. 1A is a plan view, FIG. 1B is a sectional view taken along line AA in FIG. FIG. 3 is a sectional view taken along line BB in FIG. 図2は、図1の固体電解質型燃料電池ユニットの分解斜視図である。FIG. 2 is an exploded perspective view of the solid oxide fuel cell unit of FIG. 図3は、図1の固体電解質型燃料電池ユニットを複数積層して形成した燃料電池スタックの構造を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a structure of a fuel cell stack formed by stacking a plurality of solid oxide fuel cell units of FIG. 図4は、図1の固体電解質型燃料電池ユニットの製造方法を説明するための図である。FIG. 4 is a diagram for explaining a method of manufacturing the solid oxide fuel cell unit of FIG. 図5は、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を示す断面図であり、左半分は、図1(a)のA−A線断面に相当する断面を示し、右半分は、図1(a)のB−B線断面に相当する断面を示す。FIG. 5 is a cross-sectional view showing a solid oxide fuel cell unit according to the second embodiment of the present invention. The left half shows a cross section corresponding to the cross section along line AA in FIG. These show the cross section corresponding to the BB line cross section of Fig.1 (a). 図6は、図5の固体電解質型燃料電池ユニットの製造方法を説明するための図である。FIG. 6 is a diagram for explaining a method of manufacturing the solid oxide fuel cell unit of FIG. 図7は、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を示す断面図であり、左半分は、図1(a)のA−A線断面に相当する断面を示し、右半分は、図1(a)のB−B線断面に相当する断面を示す。FIG. 7 is a cross-sectional view showing a solid oxide fuel cell unit according to the third embodiment of the present invention, in which the left half shows a cross section corresponding to the cross section along line AA in FIG. These show the cross section corresponding to the BB line cross section of Fig.1 (a). 図8は、図7の固体電解質型燃料電池ユニットの製造方法を説明するための図である。FIG. 8 is a diagram for explaining a method of manufacturing the solid oxide fuel cell unit of FIG. 図9は、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の分解斜視図である。FIG. 9 is an exploded perspective view of the solid oxide fuel cell unit according to the fourth embodiment of the present invention. 図10は、図9の固体電解質型燃料電池ユニットを示す断面図であり、左半分は、図1(a)のA−A線断面に相当する断面を示し、右半分は、図1(a)のB−B線断面に相当する断面を示す。FIG. 10 is a cross-sectional view showing the solid oxide fuel cell unit of FIG. 9, wherein the left half shows a cross section corresponding to the cross section along line AA of FIG. 1 (a), and the right half shows FIG. ) Shows a cross section corresponding to a cross section taken along line B-B. 図11は、図9の固体電解質型燃料電池ユニットの製造方法を説明するための図である。FIG. 11 is a diagram for explaining a method of manufacturing the solid oxide fuel cell unit of FIG.

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 power generation cell 1, a separator 2, and a flow path forming member 3 welded to the center of the separator 2.

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 power generation cell 1 includes an electrolyte membrane 4 made of a solid electrolyte, an anode electrode layer (anode electrode) 5 provided on one surface of the electrolyte membrane 4, and the other side of the electrolyte membrane 4. It is comprised from the cathode electrode layer (cathode electrode) 6 provided in the surface. The electrolyte membrane 4 is a dense ceramic material having oxygen ion conductivity, and has electrical insulation. As a material of the electrolyte membrane 4, for example, yttria-stabilized zirconia can be used. Moreover, as a material of the anode electrode layer 5, for example, cermet of nickel and yttria stabilized zirconia can be used, and as a material of the cathode electrode layer 6, for example, lanthanum strontium cobalt iron can be used.

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 power generation cell 1 generates power by supplying a fuel gas such as hydrogen or natural gas to the anode electrode layer 5 and supplying an oxidant gas such as air to the cathode electrode layer 6. The anode electrode layer 5 and the cathode electrode layer 6 are formed to be porous in order to permeate these reaction gases (a general term for fuel gas and oxidant gas).

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 power generation cell 1 is formed in an annular plate shape having a circular hole 1 a at the center. In the present embodiment, the cathode electrode layer 6 is not provided on the entire other surface of the electrolyte membrane 4, and the outer diameter of the cathode electrode layer 6 (the diameter of the outer peripheral end) is smaller than the outer diameter of the electrolyte membrane 4. Further, the inner diameter (inner peripheral end diameter) of the cathode electrode layer 6 is larger than the inner diameter of the hole in the central portion of the electrolyte membrane 4. For this reason, the surface of the electrolyte membrane 4 on the cathode electrode layer 6 side is exposed at the outer peripheral portion and the inner peripheral portion of the power generation cell 1.

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 separator 2 is disposed facing the power generation cell 1 in the stacking direction and supports the power generation cell 1. Further, as shown in FIG. 3, the separator 2 is sandwiched between the power generation cells 1 of the cell units U1 adjacent to each other in the stacking direction, and comes into contact with the electrode layers 5 and 6 of the power generation cells 1 to This constitutes a current path between the units U1.

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 separator 2 is formed by pressing a thin plate material made of ferritic stainless steel (for example, SUS430) and is formed into an annular plate shape as a whole as shown in FIG. Is almost equal to the outer diameter of The material of the separator 2 is not particularly limited, but it is preferable to use a material that has excellent heat resistance and a thermal expansion coefficient close to that of the power generation cell 1.

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 separator 2 that faces the power generation area of the power generation cell 1 is a gas flow path portion 7 for forming gas flow paths 7 a and 7 b that extend along the power generation cell 1. The gas flow path portion 7 is provided with a wave shape, and a plurality of ridges 8 a and ridges 8 b each extending in a substantially semicircular arc shape are alternately arranged in the radial direction of the power generation cell 1. The top of each ridge 8a is in contact with the cathode electrode layer 6 of the power generation cell 1 (direct line contact), thereby extending continuously in the circumferential direction of the power generation cell 1 between the ridges 8a. A gas flow path 7a for the existing oxidant gas is formed. Further, the bottom of each concave strip 8b (the top of each convex strip 8a when the separator 2 is viewed from below) abuts (directly) the anode electrode layer 5 of the power generation cell 1 of the cell unit U1 adjacent in the stacking direction. Line contact). Thereby, the gas flow path 7b for fuel gas which extends continuously in the circumferential direction between the plurality of recesses 8b is formed.

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 separator 2, there are provided the header flow path portions 9 that are not formed with the convex stripes 8 a and the concave stripes 8 b and have a flat shape. The bottom wall 9c of the header channel portion 9 is located at a substantially intermediate position of the height of the separator 2 (distance in the stacking direction from the top of the ridge 8a to the bottom of the ridge 8b) (FIG. 1B). )reference). Header flow paths 9 a and 9 b extending in the radial direction of the separator 2 are formed above and below the header flow path portion 9. The upper header channel 9a communicates with a plurality of gas channels 7a for the oxidant gas defined between the ridges 8a. On the other hand, the lower header flow path 9b communicates with a plurality of fuel gas flow paths 7b defined between the recesses 8b, and the radially outer end thereof has a diameter of the cell unit U1. It opens toward the outside in the direction.

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 flange 10 formed by bending the outer peripheral portion outward is provided on the outer peripheral portion of the separator 2. The flange 10 extends so as to surround the entire periphery of the gas flow path portion 7 in a plan view, and supports the outer peripheral portion of the power generation cell 1 with its upper surface (cell support surface) 10a. Moreover, the sealing material 11 is apply | coated to the upper surface 10a of the flange 10, and the outer peripheral part whole periphery of the electric power generation cell 1 is directly joined there, and the radial direction outer side edge part of the gas flow path in a unit is sealed. .

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 power generation cell 1 and the flange 10 of the separator 2, as shown in FIG. 1, the flange 10 is directly on the electrolyte membrane 4 of the power generation cell 1 (the cathode electrode layer 6 and other sealing materials). (Without any member other than 11). The upper surface of the sealing material 11 is in contact only with the electrolyte membrane 4 of the power generation cell 1.

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 upper header channels 9a, a plurality of gas channels 7a, and two through channels 33 formed in a channel forming member 3 described later are introduced into the cell unit U1. The in-unit gas flow path for circulating the reacted gas in the cell unit U1 is configured. The cell unit U1 includes two header channels 9b formed on the lower side of the header channel 9 and a plurality of gas channels 7b defined between the recesses 8b in the stacking direction. An inter-unit gas flow path for circulating the reaction gas introduced therebetween is configured. That is, in the present embodiment, the separator 2 has a function of defining the in-unit gas flow path and the inter-unit gas flow path and separating both flow paths from each other.

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 bolt hole 12 through which a later-described through bolt 50 passes and a pair of C-shaped gas passage holes 13 disposed so as to sandwich the bolt hole 12 are provided in the central portion of the separator 2. A flow path forming member 3 is welded to the upper surface of the central portion of the separator 2. The welding used is, for example, laser welding using a YAG laser, and the flow path forming member 3 is joined by irradiating the laser from the lower surface of the central portion of the separator 2. In addition to the above laser welding, resistance heating welding, arc welding, or the like can be used for welding.

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 path forming member 3 is a member that defines the inlet and outlet of the reaction gas to the in-unit gas flow path while supporting the power generation cell 1, and is integrated with the separator 2 by welding to form the separator unit SU. Is configured. In the present embodiment, the flow path forming member 3 is a circular plate made of ferritic stainless steel (for example, SUS430) as shown in FIG. The outer diameter is smaller than the outer diameter of the separator 2 and the outer diameter of the power generation cell 1, and larger than the diameter of the circular hole 1 a provided in the central portion of the power generation cell 1.

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 path forming member 3 is set such that when the flow path forming member 3 is welded to the separator 2, the upper surface 3 a of the outer peripheral portion thereof is substantially the same height as the flange 10 of the separator 2. A sealing material 11 is applied to the outer peripheral portion upper surface 3a, and the entire inner peripheral portion of the power generation cell 1 is directly joined thereto. That is, the outer peripheral part upper surface 3 a of the flow path forming member 3 constitutes a cell support surface that supports the inner peripheral part of the power generation cell 1.

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 power generation cell 1 and the outer peripheral part upper surface 3 a of the flow path forming member 3, the outer peripheral part upper surface 3 a directly contacts the electrolyte membrane 4 of the power generation cell 1 as shown in FIG. 1. They are joined (without interposing members other than the cathode electrode layer 6 and the sealing material 11). The upper surface of the sealing material 11 is in contact only with the electrolyte membrane 4 of the power generation cell 1.

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 bolt hole 31 and a gas passage hole 32 having the same shape as the bolt hole 12 and the gas passage hole 13 provided in the separator 2 are vertically arranged at the center of the flow path forming member 3. It is provided so as to penetrate in the direction (stacking direction).

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 path forming member 3, there are provided through passages 33 that penetrate the flow path forming member 3 in the radial direction. Each through passage 33 has a radially inner end opened on the inner peripheral surface of the gas passage hole 32 and a radially outer end opened on the radially outer side surface of the flow path forming member 3. Each opening at the radially outer end is disposed at a position facing the header flow path 9 a formed on the upper side of the separator 2 when the flow path forming member 3 is welded to the separator 2. The shape of the through passage 33 is not particularly limited as long as it communicates the in-unit gas flow path and gas passages SUP and DIS described later. In addition to the through hole, for example, the lower surface of the flow path forming member 3 It may be a channel groove provided on the (surface joined to the separator 2). The channel groove can be formed by etching, grinding, laser processing, or the like, or can be formed by stacking and joining etched parts.

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 material 11 is an electrically insulating or conductive paste-like bonding material provided on the cell support surface of the separator unit SU. The cell 1 and the separator unit SU are joined in an airtight manner. In addition, the material of the sealing material 11 can be appropriately selected in consideration of the difference in thermal expansion coefficient between the power generation cell 1 and the separator 2 constituting the separator unit SU. Examples of the bonding material having electrical insulation include a ceramic-based adhesive mainly composed of alumina and a glass-based bonding material mainly composed of silicon oxide. Examples of the conductive bonding material include a metal brazing material mainly composed of gold, silver, nickel, palladium, and the like.

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, end plates 40 provided at both ends of the stack SB in the stacking direction, The plate 40 and the laminated body SB are configured to be pressed and clamped by the through bolts 50 penetrating the stacked body SB. An insulating spacer 60 is interposed between the cell units U1 of the stacked body SB.

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 spacer 60 is made of an electrically insulating member, and is interposed between the cell units U1 adjacent in the stacking direction, and supports the central portions of the cell units U1 while being electrically insulated from each other. The insulating spacer 60 defines a radially inner boundary of the inter-unit gas flow path on the radially outer side surface, and supplies and discharges reaction gas to and from the unit gas flow path inside the insulating spacer 60. Gas passages SUP and DIS are defined.

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 spacer 60 has a circular plate shape, and the outer diameter thereof is smaller than the diameter of the circular hole 1 a provided in the central portion of the power generation cell 1. In the central portion of the insulating spacer 60, bolt holes 61 having the same shape as those at positions corresponding to the bolt holes 12, 31 and the gas passage holes 13, 32 provided in the separator 2 and the flow path forming member 3. The gas passage hole 62 is provided so as to penetrate in the vertical direction (stacking direction). The gas passage hole 62 provided in the insulating spacer 60, together with the gas passage holes 13 and 32 of each cell unit U1 constituting the stacked body SB, has two gas passages SUP, penetrating in the stacking direction of the fuel cell stack S. It constitutes DIS. In the present embodiment, one of the two gas passages is used as a gas supply gas passage SUP for supplying an oxidant gas to each cell unit U1, and the other is used for power generation from each cell unit U1. It is used as a gas discharge gas passage DIS for discharging the oxidant gas.

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 end plate 40 is attached to both ends of the stacked body SB in the stacking direction, and pressurizes and holds the stacked body SB together with the through bolts 50. The upper end plate 40 is provided with a gas supply port 42 for supplying an oxidant gas to the gas supply gas passage SUP, in addition to a bolt hole 41 through which the through bolt 50 is inserted. Further, an oxidant gas supply path 44 for supplying an oxidant gas to the gas supply port 42 is connected to the upper end plate 40. On the other hand, the lower end plate 40 is provided with a gas discharge port 43 for discharging the oxidant gas from the gas discharge gas passage DIS. The lower end plate 40 is connected to an oxidant gas discharge path 45 for discharging the oxidant gas from the gas discharge port 43.

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 gas supply path 44 into the gas supply gas passage SUP through the gas supply port 42. The oxidant gas in the gas passage SUP flows into the in-unit gas flow path through one of the through paths 33 provided in the flow path forming member 3 of each cell unit U1. The oxidant gas that has passed through the through passage 33 flows into one of the header channels 9 a provided in the separator 2, branches and flows into the plurality of gas channels 7 a, and then merges with the other header channel 9 a, The gas passes through the other through passage 33 provided in the flow passage forming member 3 and is discharged into the gas discharge gas passage DIS. The oxidant gas contacts the cathode electrode layer 6 of the power generation cell 1 and is used for power generation while it flows from one header flow path 9a to the other header flow path 9a through the plurality of gas flow paths 7a. .

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 header flow path 9b that opens on the radially outer side surface of the stacked body SB, and then flows into a plurality of gas flow paths 7b, and then flows through the other header flow path 9b. It merges and is discharged from the opening outside in the radial direction. While the fuel gas flows from one header channel 9b to the other header channel 9b through the plurality of gas channels 7b, the fuel gas contacts the anode electrode layer 5 of the power generation cell 1 and is used for power generation.

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 power generation cell 1 in the stacked body SB is electrically connected in series by a separator 2 sandwiched between the power generation cells 1 as shown in FIG. It can be taken out from the power generation cells 1 at both ends in the stacking direction through current collecting members (not shown).

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 path forming member 3 is welded to the upper surface of the central portion of the separator 2. Specifically, the separator 2 and the flow path forming member 3 are welded at a welding location indicated by an arrow in the drawing (a welding line continuous in the circumferential direction). Thereby, the separator unit SU in which the separator 2 and the flow path forming member 3 are integrated is formed.

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 material 11 is applied to the cell support surface of the separator unit SU, that is, the outer peripheral surface 3a of the flow path forming member 3 and the upper surface 10a of the flange 10 of the separator 2. .

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 power generation cell 1 is placed on the applied sealing material 11. Thereby, the power generation cell 1 and the separator unit SU are directly joined (without interposing other members other than the sealing material 11) to form the cell unit U1. In the present embodiment, the electrolyte membrane 4 of the power generation cell 1 is placed on the upper surface of the flange 10 of the separator 2 while the cathode electrode layer 6 faces downward in the figure and the top of the protrusion 8 a of the separator 2 is in contact with the cathode electrode layer 6. 10a and the flow path forming member 3 are directly joined to the outer peripheral surface 3a.

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 material 11 is fired. The firing temperature and firing time are not particularly limited because they differ depending on the type of the sealing material 11 to be used. However, the firing temperature is set to about 800 to 900 ° C. for a glass-based bonding agent, for example, and the firing time is, for example, 20 It is set to about 60 minutes.

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 spacers 60 interposed therebetween to form a stacked body SB. End plates 40 are attached to both ends of the stacked body SB in the stacking direction. And the penetration bolt 50 is inserted in the bolt hole 12, 31, 61, 41 provided in the separator 2 and the flow path forming member 3, the insulating spacer 60, and the end plate 40 of each cell unit U1 constituting the stacked body SB. The plurality of cell units U1 are fastened and fastened by screwing the nuts 51 to their tips.

<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 path forming member 3 and the separator 2 are welded to each other to form the separator unit SU, and then the power generation cell 1 is directly joined to the separator unit SU by the sealing material 11. ing. That is, the power generation cell 1 is joined to the separator unit SU after completion of the welding step in the manufacturing process of the cell unit U1, and after the joining step of the power generation cell 1, the metal part is attached to the cell unit U1. There is no need to perform welding. For this reason, it can prevent that the deformation | transformation by the thermal deformation at the time of welding and the shrinkage | contraction after welding acts on the power generation cell 1, and the power generation cell 1 is cracked by these factors, or residual stress arises in the power generation cell 1. Can be prevented. As described above, the firing temperature of the sealing material 11 is very low as compared with the welding temperature, and therefore the influence on the power generation cell 1 is sufficiently small.

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 power generation cell 1 is placed on the sealing material 11 provided in the separator unit SU, and the sealing material 11 is heated together with the separator unit SU and the power generation cell 1. The sealing material 11 is fired. For this reason, in this heating and firing step, the residual stress of the separator unit SU, which is a welded structure, can be removed simultaneously with firing of the sealing material 11.

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 power generation cell 1 is directly joined to the separator unit SU, the annular metal substrate that has been conventionally provided to support the inner peripheral side and the outer peripheral side of the power generation cell 1 can be omitted. Thereby, the number of parts of the cell unit U1 is reduced, the manufacturing process of the cell unit U1 is simplified, and the cell unit U1 can be reduced in weight and reduced in heat capacity.

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 power generation cell 1 and the separator unit SU are joined, the electrolyte membrane 4 which is a dense layer is attached to the cell support surface of the separator unit SU (the upper surface 10a of the flange 10 of the separator 2 and the flow path formation). The member 3 is directly joined to the outer peripheral surface 3a). For this reason, it can prevent reliably that the reaction gas (in this embodiment, oxidant gas) in the gas flow path in a unit leaks from the said junction part.

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 material 11 provided on the cell support surface of the separator unit SU is provided such that the surface on the power generation cell 1 side is in contact with only the electrolyte membrane 4 having electrical insulation. For this reason, even when a conductive bonding material is used as the sealing material 11, it is possible to ensure insulation between the anode electrode layer 5 and the cathode electrode layer 6. That is, by adopting the configuration of the present embodiment, the degree of freedom in selecting the sealing material 11 can be improved.

<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 power generation cell 1, a separator 2, and a flow path forming member 3 welded to the separator 2. As shown in FIG. 5, the cell unit U2 is a cell unit according to the first embodiment in that the sealing material 11 is also applied to the radially outer side surface 1b and the radially inner side surface 1c of the power generation cell 1. Different from U1. Since other configurations are the same as those in the first embodiment, the same members are denoted by the same reference numerals and detailed description thereof is omitted.

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 material 11 is also applied to the radially outer side surface 1b and the radially inner side surface 1c of the power generation cell 1 in the step of FIG. 6D following FIG. 6C. Here, the sealing material 11 applied to the side surfaces 1b and 1c of the power generation cell 1 extends over the anode side and the cathode side (the flow path forming member 3 and the anode electrode layer 5 having the same potential as the cathode electrode layer 6). Therefore, the sealing material 11 has electrical insulation.

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 material 11 is baked. Since the conditions such as the firing temperature are the same as those of the first embodiment, the description thereof is omitted here.

<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 material 11 is also applied to the radially outer side surface 1b and the radially inner side surface 1c of the power generation cell 1, the anode electrode layer 5, the cathode electrode layer 6, and the same Insulation with the flow path forming member 3 at an electric potential can be further ensured.

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 material 11 having electrical insulating properties is interposed between the radially outer side surface of the insulating spacer 60 and the radially inner side surface 1c of the power generation cell 1, for example, conductive Even when the composite material of the insulating member and the insulating member is adopted as the insulating spacer 60, the insulation can be surely ensured.

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 material 11, the sealing material 11 applied to the side surfaces 1 b and 1 c of the power generation cell 1 is applied to the outer peripheral surface 3 a of the flow path forming member 3 and the upper surface 10 a of the flange 10 of the separator 2. 11 may be different. For example, since the former spans the anode side and the cathode side, it is necessary to have electrical insulation. However, the latter does not span the anode side and the cathode side and therefore has conductivity. May be. Further, in consideration of the surface tension of the sealing material 11, the size of the application range, and the like, it is possible to employ the sealing material 11 having a different viscosity depending on the place to be applied.

<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 power generation cell 1, a separator 2, and a flow path forming member 3 welded to the separator 2. In addition, a sealing material 11 is provided on the side surfaces 1 b and 1 c of the power generation cell 1. As shown in FIG. 7, the cell unit U3 according to the present embodiment is different from the cell unit U2 according to the second embodiment in that the vertical direction of the power generation cell 1 is reversed. That is, in the cell unit U <b> 3, the anode electrode layer 5 of the power generation cell 1 is disposed so as to face the upper surface of the separator 2. The anode electrode layer 5 of the power generation cell 1 is directly joined to the upper surface 10 a of the flange 10 of the separator 2 and the outer peripheral surface 3 a of the flow path forming member 3. The sealing material 11 provided on the side surfaces 1 b and 1 c of the power generation cell 1 extends from the lower surface of the anode electrode layer 5 to the side surface of the electrolyte membrane 4 and covers the side surface of the anode electrode layer 5. Since other configurations are the same as those of the above-described embodiment, the same members are denoted by the same reference numerals and detailed description thereof is omitted. In this embodiment, when power generation is performed, it is a matter of course that the fuel gas is allowed to flow through the intra-unit gas flow path and the oxidant gas is allowed to flow through the inter-unit gas flow path.

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 power generation cell 1 is placed on the sealing material 11, and the power generation cell 1 and the separator unit SU are directly connected (other than the sealing material 11). The cell unit U3 is formed by joining (without interposing any member). In the present embodiment, here, the anode electrode layer 5 is directed downward in the figure, and the anode electrode layer 5 is disposed so as to face the upper surface of the separator 2. Then, the anode electrode layer 5 of the power generation cell 1 is brought into contact with the top surface 10a of the flange 10 of the separator 2 and the top surface 3a of the outer peripheral portion of the flow path forming member 3 while the top of the protrusion 8a of the separator 2 is brought into contact with the anode electrode layer 5. Join directly to.

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 material 11 is also applied to the radially outer side surface 1 b and the radially inner side surface 1 c of the power generation cell 1. The sealing material 11 applied in this step only covers the side surface of the anode electrode layer 5 and the side surface of the electrolyte membrane 4 and does not extend over the anode side and the cathode side. Can be used.

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 material 11 is baked. Since the conditions such as the firing temperature are the same as those of the first and second embodiments, the description thereof is omitted here.

<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 material 11 covers the side surface of the anode electrode layer 5 across the flow path forming member 3 made of metal or the separator 2 to the electrolyte membrane 4 that is a layer made of a dense ceramic material. ing. For this reason, it is possible to reliably prevent the reaction gas in the in-unit gas flow path from leaking into the inter-unit gas flow path through the porous anode electrode layer 5. That is, by adopting the configuration of the present embodiment, the joint surface of the power generation cell 1 with the separator unit SU (the upper surface 10a of the flange 10 of the separator 2 and the upper surface 3a of the outer peripheral portion of the flow path forming member 3 are opposed to these. Even when the surface to be directly joined) is porous, gas sealing properties can be ensured. Thereby, the freedom degree of selection of the power generation cell 1 improves.

<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 power generation cell 1, the separator 2, and the flow path forming member 3 welded to the separator 2. As shown in FIGS. 9 and 10, the cell unit U4 is further provided with a current collecting auxiliary member 70 interposed between the gas flow path portion 7 of the separator 2 and the power generation region of the power generation cell 1. Different from the cell unit U1 according to the embodiment. In the present embodiment, the current collection auxiliary member 70 is sandwiched between the gas flow path portion 7 of the separator 2 and the power generation cell 1, and the upper surface of the current collection auxiliary member 70 is directly on the lower surface of the cathode electrode layer 6. Surface contact. Since other configurations are the same as those of the above-described embodiment, the same members are denoted by the same reference numerals and detailed description thereof is omitted.

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 auxiliary member 70 is made of a porous body having conductivity and gas permeability, and is formed in an annular plate shape with a circular hole 70a provided in the center. The outer diameter is smaller than the outer diameter of the electrolyte membrane 4 and is substantially equal to the outer diameter of the cathode electrode layer 6 of the power generation cell 1. On the other hand, the inner diameter is larger than the inner diameter of the hole at the center of the electrolyte membrane 4 and is substantially equal to the inner diameter of the cathode electrode layer 6 of the power generation cell 1. As a material for the current collecting auxiliary member 70, it is desirable to use ferritic stainless steel, Inconel (registered trademark), etc., which are excellent in heat resistance. Examples of the porous body that can be used include metal mesh, metal foam, textile fabric made of metal or electrode material, felt, and the like.

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 upper surface 3a of the outer peripheral portion of the flow path forming member 3 and the upper surface 10a of the flange 10 of the separator 2). Then, the sealing material 11 is applied, and the current collecting auxiliary member 70 is placed on the gas flow path portion 7 of the separator 2.

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 power generation cell 1 is placed on the applied sealing material 11, and the power generation cell 1 and the separator unit SU are directly interposed (other members other than the sealing material 11 are interposed). Not) to form the cell unit U4. In the present embodiment, the cathode electrode layer 6 is directed downward in the figure, and the current collecting auxiliary member 70 placed on the gas flow path portion 7 of the separator 2 is brought into contact with the cathode electrode layer 6 (direct surface contact). The electrolyte membrane 4 of the power generation cell 1 is directly bonded to the upper surface 10 a of the flange 10 of the separator 2 and the outer peripheral surface 3 a of the flow path forming member 3.

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 material 11 is baked. Since the conditions such as the firing temperature are the same as those in the above embodiment, the description thereof is omitted here.

<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 auxiliary member 70 is interposed between the gas flow path portion 7 of the separator 2 and the power generation region of the power generation cell 1, the surface direction at the interface between the power generation cell 1 and the separator 2 , And the current density distribution in the cathode electrode layer 6 is leveled. Thereby, the electrical resistance between the power generation cell 1 and the separator 2 can be reduced.

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 auxiliary member 70. By doing in this way, the contact area of the separator 2 and the electric power generation cell 1 can further be increased, and electrical resistance can be reduced further.

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 auxiliary member 70 can also be applied to the cell unit U2 according to the second embodiment and the cell unit U3 according to the third embodiment. In this case as well, in the same manner as described above, The effect of reducing the electrical resistance in between can be exhibited.

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 power generation cell 1 has an annular plate shape, but the shape of the power generation cell 1 is not limited thereto, and may be, for example, an elliptical plate shape or a polygonal plate shape. Further, the power generation cell 1 may be a small-diameter disk or a fan shape, and a plurality of power generation cells 1 may be joined to one separator unit SU.

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 passages 33 of the flow path forming member 3 and the separator 2 It can be set freely by changing the waveform pattern formed in the gas flow path section 7. For example, in the gas channel portion of the separator, two header channel portions extending in the circumferential direction at the inner peripheral portion and the outer peripheral portion, and a plurality of ridges and recesses extending radially in the radial direction are formed, and the circumferential direction A flow path may be configured from two header flow paths that extend in the direction and a plurality of gas flow paths that connect them in the radial direction.

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 path forming member 3 may be any member that is welded to the separator 2 to form the in-unit gas flow path or the inter-unit gas flow path, and its shape, arrangement, and number are not limited to those of the above embodiment. . For example, the flow path forming member 3 may be composed of a plurality of members (including those in which a plurality of members are integrally combined and those separated from each other on the separator).

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-form sealing material 11 was used for joining between the electric power generation cell 1 and the cell support surface of separator unit SU, a sealing material is not limited to this, A fibrous form, a thin plate form, a ring A molded sealing material molded into a gasket shape or the like may be used.

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 Power generation cell 4 Electrolyte membrane 5 Anode electrode layer (anode electrode)
6 Cathode electrode layer (cathode electrode)
SU Separator unit 2 Separator 10 Flange 10a Flange upper surface (cell support surface)
3 Flow path forming member 3a Upper surface of outer peripheral portion (cell support surface)
11 Sealing material 70 Current collecting auxiliary member

Claims (2)

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って、
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 .
セパレータと流路形成部材とを互いに溶接して形成したセパレータユニットと、
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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