JP2015088265A - Fuel battery unit cell with separator, fuel battery stack, and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は,セパレータ付燃料電池単セル,燃料電池スタック,およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a single cell with a separator, a fuel cell stack, and a method for manufacturing the same.
電解質に固体酸化物を用いた固体酸化物形燃料電池(以下,「SOFC」又は単に「燃料電池」とも記す場合がある)が知られている。SOFCは,例えば,板状の固体電解質層の各面に燃料極と空気極とを備えた燃料電池単セルを多数積層したスタック(燃料電池スタック)を有する。燃料極および空気極それぞれに,燃料ガス(例えば,水素)および酸化剤ガス(例えば,空気中の酸素)を供給し,固体電解質層を介して化学反応させることで,電力を発生させる。 A solid oxide fuel cell using a solid oxide as an electrolyte (hereinafter also referred to as “SOFC” or simply “fuel cell”) is known. The SOFC has, for example, a stack (fuel cell stack) in which a large number of fuel cell single cells each having a fuel electrode and an air electrode are stacked on each surface of a plate-like solid electrolyte layer. Electric power is generated by supplying a fuel gas (for example, hydrogen) and an oxidant gas (for example, oxygen in the air) to the fuel electrode and the air electrode, respectively, and causing a chemical reaction through the solid electrolyte layer.
燃料電池単セルは,燃料ガスと酸化剤ガスとが存在する区画を区分するセパレータに,接合して,用いられる。この接合に,通例,Agロウ等のロウ材から構成される接合部が用いられる。 A single fuel cell is used by being joined to a separator that divides a section where fuel gas and oxidant gas are present. For this joining, a joining portion made of a brazing material such as Ag brazing is usually used.
燃料電池単セルに合金製の保持薄板枠をロウ付けしたり,ガラス系シール剤を用いて封止したりする技術が開示されている(特許文献1参照)。
また,非酸化雰囲気でロウ付けすると,空気極の特性が変化することから,セパレータと燃料電池単セルを大気中でロウ付けする技術(大気ロウ付け)が開示されている(特許文献2参照)。
A technique of brazing an alloy holding thin plate frame to a single fuel cell or sealing with a glass-based sealant is disclosed (see Patent Document 1).
In addition, since the characteristics of the air electrode change when brazed in a non-oxidizing atmosphere, a technique for brazing the separator and the fuel cell single cell in the atmosphere (atmospheric brazing) is disclosed (see Patent Document 2). .
しかしながら,燃料電池単セルと合金製の保持薄板枠(金属製セパレータ)をロウ付けによって接合する際に,気泡を巻き込む可能性がある。この場合,接合部に空孔が形成され,接合の強度が低下し,接合が剥がれてガスリークする畏れがある。
本発明は,接合部での空孔を低減し,その強度向上を図った,セパレータ付燃料電池単セル,燃料電池スタック,およびその製造方法を提供することを目的とする。
However, when the fuel cell single cell and the alloy holding thin plate frame (metal separator) are joined by brazing, bubbles may be involved. In this case, voids are formed in the joint, the strength of the joint is reduced, and the joint may be peeled off and gas leakage may occur.
It is an object of the present invention to provide a separator-equipped fuel cell unit cell, a fuel cell stack, and a method for manufacturing the same, in which pores in a joint portion are reduced and the strength is improved.
(1)本発明に係るセパレータ付燃料電池単セルは,
空気極,燃料極,およびこれらの間に配置される固体電解質層を有する,燃料電池単セルと,
第1主面,第2主面,およびこれら第1主面および第2主面間を貫通する貫通孔を有する,板状の金属製セパレータと,
前記燃料電池単セルと,前記金属製セパレータの第1主面と,を接合し,Agを含むロウ材から成る,接合部と,
を具備するセパレータ付燃料電池単セルであって,
前記接合部が,前記金属製セパレータの前記貫通孔側に配置される内周側領域,前記内周側領域よりも外側に配置される外周側領域,および前記内周側領域と前記外周側領域の間に配置される中間領域に区分され,
前記外周側領域および前記内周側領域での前記燃料電池単セルと前記第1主面間の距離より,前記中間領域での前記燃料電池単セルと前記第1主面間の距離が小さいことを特徴とする。
(1) A separator-equipped fuel cell unit cell according to the present invention includes:
A fuel cell single cell having an air electrode, a fuel electrode, and a solid electrolyte layer disposed between them;
A plate-shaped metal separator having a first main surface, a second main surface, and a through-hole penetrating between the first main surface and the second main surface;
A joining portion made of a brazing material containing Ag, joining the single fuel cell and the first main surface of the metal separator;
A separator-equipped fuel cell unit cell comprising:
An inner peripheral region disposed on the through-hole side of the metallic separator, an outer peripheral region disposed outside the inner peripheral region, and the inner peripheral region and the outer peripheral region. Is divided into intermediate areas arranged between
The distance between the single fuel cell and the first main surface in the intermediate region is smaller than the distance between the single fuel cell and the first main surface in the outer peripheral region and the inner peripheral region. It is characterized by.
接合部の中間領域での間隔(燃料電池単セルと金属製セパレータの第1主面(下面)間の距離)が,外周側領域および内周側領域での間隔より小さい。このため,ロウ付け時(製造時)にAgロウ中に巻き込まれた気泡が,内周側領域または外周側領域を経由して,外部に抜け出し易くなる。この結果,接合部(Agロウ)中での空孔(気泡)の割合が低減することで,接合部の接合強度が確保される。 The distance in the intermediate area of the joint (the distance between the single fuel cell and the first main surface (lower surface) of the metal separator) is smaller than the distance between the outer peripheral area and the inner peripheral area. For this reason, bubbles entrained in the Ag brazing during brazing (manufacturing) can easily escape to the outside via the inner peripheral region or the outer peripheral region. As a result, the bonding strength of the bonded portion is ensured by reducing the ratio of pores (bubbles) in the bonded portion (Ag wax).
(2)前記中間領域に対応する箇所において,前記金属製セパレータの前記第2主面側に凹みを有しても良い。
例えば,金属製セパレータの板厚が均一な場合,中間領域での間隔が小さいことに対応して,金属製セパレータの第2主面側に凹みを有することとなる。即ち,板厚が均一な金属製セパレータを用いて,接合部(Agロウ)中の空孔(気泡)を低減できる。
(2) You may have a dent in the said 2nd main surface side of the said metal separator in the location corresponding to the said intermediate | middle area | region.
For example, when the plate thickness of the metal separator is uniform, the metal separator has a dent on the second main surface side corresponding to the small interval in the intermediate region. That is, the use of a metal separator having a uniform plate thickness can reduce pores (bubbles) in the joint (Ag brazing).
(3)前記中間領域が,前記貫通孔に沿って全周にわたって存在することが好ましい。
貫通孔の全周にわたって,接合部(Agロウ)中の空孔が低減され,接合強度が向上する。
(3) It is preferable that the said intermediate | middle area | region exists over the perimeter along the said through-hole.
Over the entire circumference of the through hole, holes in the joint (Ag brazing) are reduced, and the joint strength is improved.
(4)前記接合部よりも前記貫通孔側の,前記燃料電池単セルと前記第1主面との間に,前記貫通孔に沿って全周にわたって配置され,ガラスを含む封止材を有する,封止部をさらに具備することが好ましい。 (4) Between the fuel cell single cell and the first main surface on the side of the through hole with respect to the joint, the seal member is disposed over the entire circumference along the through hole and includes glass. It is preferable to further include a sealing part.
封止部が無い場合,接合部(Agロウ)は酸化剤ガスと燃料ガスの双方に曝される。この場合,Agロウ中で酸素と水素が拡散し,反応することで,事後的にボイドが発生し,ガスリークする畏れがある。貫通孔側の燃料電池単セルと第1主面との間に,貫通孔に沿って全周にわたって封止部を配置することで,接合部(Agロウ)が曝されるのを酸化剤ガス又は燃料ガスの一方のみにできる。その結果,接合部(Agロウ)中での酸素と水素の反応を抑制し,Agロウ中でのボイドの発生を低減できる。 In the absence of a seal, the joint (Ag wax) is exposed to both oxidant gas and fuel gas. In this case, oxygen and hydrogen diffuse and react in the Ag wax, so that voids are generated afterward and gas leakage may occur. Between the through-hole side fuel cell unit cell and the first main surface, the sealing portion is disposed over the entire circumference along the through-hole so that the joining portion (Ag wax) is exposed to the oxidant gas. Or only one of the fuel gases can be used. As a result, the reaction between oxygen and hydrogen in the joint (Ag wax) can be suppressed, and the generation of voids in the Ag wax can be reduced.
また,既述のように,接合部(Agロウ)中での空孔(気泡)の割合が低減することで,金属製セパレータと接合部(Agロウ)の接合強度が大きくなっている。このため,セパレータ付燃料電池単セルに応力が印加されても,接合部が封止部に印加される応力を緩和し,封止部(ガラスを含む)の割れを防止できる。そのため,接合部でのガスリークをより確実に防止できる。 Further, as described above, the bonding strength between the metal separator and the bonding portion (Ag brazing) is increased by reducing the ratio of the voids (bubbles) in the bonding portion (Ag brazing). For this reason, even if stress is applied to the separator-equipped fuel cell unit cell, the stress applied to the sealing portion by the bonding portion can be relaxed, and cracking of the sealing portion (including glass) can be prevented. Therefore, it is possible to prevent gas leakage at the joint more reliably.
(5)本発明に係る燃料電池スタックは,(1)〜(4)記載のセパレータ付燃料電池単セル,を複数個具備することを特徴とする。
接合部でのガスリークが防止された燃料電池スタックを提供できる。
(5) A fuel cell stack according to the present invention comprises a plurality of separator-attached fuel cell single cells according to (1) to (4).
It is possible to provide a fuel cell stack in which gas leakage at the joint is prevented.
(6)本発明に係るセパレータ付燃料電池単セルの製造方法は,
空気極,燃料極,およびこれらの間に配置される固体電解質層を有する,燃料電池単セルと,第1主面,第2主面,およびこれら第1主面および第2主面間を貫通する貫通孔を有する,板状の金属製セパレータと,を準備する工程と,
前記燃料電池単セルおよび前記金属製セパレータの一方または双方にAgを含むロウ材を配置する工程と,
前記燃料電池単セルと,前記第1主面とを対向して配置する工程と,
荷重を印加しながら,前記ロウ材を溶融することで,前記燃料電池単セルと前記第1主面とを接合する工程と,を具備し,
前記ロウ材を配置する工程において,前記燃料電池単セルと前記第1主面とで互いに対向する領域の少なくとも一部である,ロウ付け領域に前記ロウ材を配置し,
前記接合する工程において,前記金属製セパレータの第2主面上から,前記ロウ付け領域の幅よりも狭い幅で,前記荷重を印加する,ことを特徴とする。
(6) A method for producing a separator-equipped fuel cell unit cell according to the present invention includes:
A fuel cell single cell having an air electrode, a fuel electrode, and a solid electrolyte layer disposed between them, and the first main surface, the second main surface, and between the first main surface and the second main surface Preparing a plate-like metal separator having a through-hole,
Disposing a brazing material containing Ag on one or both of the single fuel cell and the metal separator;
Arranging the single fuel cell and the first main surface to face each other;
Joining the fuel cell single cell and the first main surface by melting the brazing material while applying a load,
In the step of disposing the brazing material, the brazing material is disposed in a brazing region, which is at least a part of a region facing the fuel cell single cell and the first main surface,
In the joining step, the load is applied from the second main surface of the metallic separator with a width narrower than the width of the brazing region.
接合する工程において,金属製セパレータの第2主面(上面)上から,ロウ付け領域の幅よりも狭い幅で,前記荷重を印加することで,金属製セパレータが凹む。その結果,Agロウが流動し,Agロウ中に巻き込まれた気泡を外に追い出し易くなる。また,金属製セパレータが凹むことで,金属製セパレータにスロープができることで,気泡を外に追い出し易くなる。 In the joining step, the metal separator is recessed by applying the load from the second main surface (upper surface) of the metal separator to a width narrower than the width of the brazing region. As a result, the Ag wax flows and it becomes easy to drive out the bubbles entrained in the Ag wax. In addition, since the metal separator is recessed, a slope is formed in the metal separator, so that the bubbles can be easily driven out.
このように,ロウ付け領域の幅よりも狭い幅で荷重を印加することで,金属製セパレータが凹み,Agロウ中の気泡が追い出されることで,接合強度を向上できる。 Thus, by applying a load with a width narrower than the width of the brazing region, the metallic separator is recessed, and the bubbles in the Ag braze are driven out, so that the bonding strength can be improved.
(7)前記荷重を印加する領域が,前記金属製セパレータの前記貫通孔に沿って全周にわたって存在することが好ましい。
貫通孔の全周にわたって,Agロウ中の気泡が低減され,接合強度が向上する。
(7) It is preferable that the area | region which applies the said load exists over the perimeter along the said through-hole of the said metal separator.
Bubbles in the Ag solder are reduced over the entire circumference of the through hole, and the bonding strength is improved.
(8)前記接合する工程において,前記ロウ材が大気下で溶融されることが好ましい。
ロウ材を大気下で溶融することで,空気極の特性の変化を防止できる。
(8) In the bonding step, the brazing material is preferably melted in the atmosphere.
By melting the brazing material in the atmosphere, changes in the characteristics of the air electrode can be prevented.
本発明によれば,接合部での空孔を低減し,その強度向上を図った,セパレータ付燃料電池単セル,燃料電池スタック,およびその製造方法を提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell single cell with a separator, the fuel cell stack, and its manufacturing method which reduced the void | hole in a junction part and aimed at the strength improvement can be provided.
以下,本発明に係る固体酸化物形燃料電池について図面を用いて説明する。 Hereinafter, a solid oxide fuel cell according to the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1の実施の形態)
図1は,本発明の第1実施形態に係る固体酸化物形燃料電池(燃料電池スタック)10を表す斜視図である。固体酸化物形燃料電池10は,燃料ガス(例えば,水素)と酸化剤ガス(例えば,空気(詳しくは空気中の酸素))との供給を受けて発電する。
(First embodiment)
FIG. 1 is a perspective view showing a solid oxide fuel cell (fuel cell stack) 10 according to a first embodiment of the present invention. The solid
固体酸化物形燃料電池10では,エンドプレート11,12,燃料電池セル40(1)〜40(4)が積層され,ボルト21,22(22a,22b),23(23a,23b)およびナット35で固定される。
In the solid
ボルト22(22a,22b),23(23a,23b)は,燃料ガスまたは酸化剤ガス(供給ガス)の流路として機能する空洞をその内部または外部に有する。ここでは,ボルト22,23の内部に供給ガスの流路として機能する空洞が配置されている。これに対して,ボルト22,23の外周と貫通孔32,33の間を供給ガスの流路としても良い。
The bolts 22 (22a, 22b) and 23 (23a, 23b) have a cavity functioning as a flow path for fuel gas or oxidant gas (supply gas) inside or outside. Here, cavities functioning as flow paths for the supply gas are arranged inside the bolts 22 and 23. On the other hand, it is good also as a flow path of supply gas between the outer periphery of the volt | bolts 22 and 23 and the through-
ボルト22a,22bがそれぞれ,酸化剤ガスを燃料電池セル40に供給,排出する。また,ボルト23a,23bがそれぞれ,燃料ガスを燃料電池セル40に供給,排出する。
図2は,固体酸化物形燃料電池10の模式断面図である。
固体酸化物形燃料電池10は,燃料電池セル40(1)〜40(4)を積層して構成される燃料電池スタックである。ここでは,判り易さのために,4つの燃料電池セル40(1)〜40(4)を積層しているが,一般には,20〜60個程度の燃料電池セル40を積層することが多い。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the solid
The solid
エンドプレート11,12,燃料電池セル40(1)〜40(4)は,ボルト21,22(22a,22b),23(23a,23b)に対応する貫通孔31,32(32a,32b),33(33a,33b)を有する。
エンドプレート11,12は,積層される燃料電池セル40(1)〜40(4)を押圧,保持する保持板であり,かつ燃料電池セル40(1)〜40(4)からの電流の出力端子でもある。
The
The
図3は,燃料電池セル40の断面図である。図4は,燃料電池単セル44と金属製セパレータ53(セパレータ付燃料電池単セル)の上面図である。図5は,セパレータ付燃料電池単セル50の枠A内の拡大断面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view of the
図3に示すように,燃料電池セル40は,いわゆる燃料極支持膜形タイプの燃料電池単セル44,インターコネクタ41,45,集電体42a,42b,枠部43を備える。
As shown in FIG. 3, the
燃料電池単セル44は,固体電解質層56を空気極(カソード,空気極層ともいう)55,および,燃料極(アノード,燃料極層ともいう)57で挟んで構成される。固体電解質層56の酸化剤ガス流路47側に空気極55,燃料ガス流路48側に燃料極57が配置される。
The fuel cell
燃料ガスは,ボルト23aの燃料ガス流路(ボルト23aの内部または外部に配置される空洞)を通って,燃料ガス流路48に流入し,ボルト23bの燃料ガス流路に流出する。
The fuel gas flows into the
酸化剤ガスは,ボルト22aの酸化剤ガス流路(ボルト22aの内部または外部に配置される空洞)を通って,酸化剤ガス流路47に流入し,ボルト22bの酸化剤ガス流路に流出する。
The oxidant gas flows into the oxidant
空気極55としては,ペロブスカイト系酸化物(例えば,LSCF(ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物),LSM(ランタンストロンチウムマンガン酸化物)が使用できる。
As the
固体電解質層56としては,YSZ(イットリア安定化ジルコニア),ScSZ(スカンジア安定化ジルコニア),SDC(サマリウムドープセリア),GDC(ガドリニウムドープセリア),ペロブスカイト系酸化物等の材料が使用できる。
For the
燃料極57としては,金属が好ましく,Ni及びNiとセラミックとのサーメットやNi基合金が使用できる。
The
インターコネクタ41,45は,燃料電池単セル44間の導通を確保し,かつ燃料電池単セル44間でのガスの混合を防止し得る,導電性(例えば,ステンレス鋼等の金属)を有する板状の部材である。
The
なお,燃料電池単セル44間には,1個のインターコネクタ(41若しくは45)が配置される(直列に接続される二つの燃料電池単セル44の間に一つのインターコネクタを共有しているため)。また,最上層および最下層の燃料電池単セル44それぞれでは,インターコネクタ41,45に替えて,導電性を有するエンドプレート11,12が配置される。
One interconnector (41 or 45) is arranged between the fuel cell single cells 44 (one interconnector is shared between two fuel cell
集電体42aは,燃料電池単セル44の空気極55とインターコネクタ41との間の導通を確保するためのものであり,例えば,インターコネクタ41に形成された凸部である。集電体42bは,燃料電池単セル44の燃料極57とインターコネクタ41との間の導通を確保するためのものであり,例えば,通気性を有するニッケルフェルトやニッケルメッシュ等を用いることができる。
The
枠部43は,酸化剤ガス,燃料ガスが流れる開口46を有する。この開口46内は,気密に保持され,かつ酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路47,燃料ガスが流れる燃料ガス流路48に区分される。また,本実施形態の枠部43は,空気極フレーム51,絶縁フレーム52,金属製セパレータ53,燃料極フレーム54で構成される。
The
空気極フレーム51は,空気極55側に配置される金属製の枠体で,中央部には開口46を有する。該開口46によって,酸化剤ガス流路47を区画する。
The
絶縁フレーム52は,インターコネクタ41,45間を電気的に絶縁する枠体で,例えば,Al2O3などのセラミックスやマイカ,バーミキュライトなどが使用でき,中央部には開口46を有する。該開口46によって,酸化剤ガス流路47を区画する。具体的には,絶縁フレーム52は,インターコネクタ41,45の間において,一方の面が空気極フレーム51に,他方の面が金属製セパレータ53に接触して配置されている。この結果,絶縁フレーム52により,インターコネクタ41,45間が電気的に絶縁されている。
The insulating
金属製セパレータ53は,貫通孔58を有する枠状の金属製の薄板(例えば,厚さ:0.1mm)であり,燃料電池単セル44の固体電解質層56に取り付けられ,かつ酸化剤ガスと燃料ガスとの混合を防止する金属製の枠体である。金属製セパレータ53によって,枠部43の開口46内の間隙が,酸化剤ガス流路47と燃料ガス流路48に区切られ,酸化剤ガスと燃料ガスとの混合が防止される。
The
金属製セパレータ53には,金属製セパレータ53の上面(第2主面)と下面(第1主面)の間を貫通する貫通孔によって貫通孔58が形成される。この貫通孔58内に,燃料電池単セル44の空気極55が配置される。また,この貫通孔58の周囲に燃料電池単セル44が接合,封止される。金属製セパレータ53が接合された燃料電池単セル44を「セパレータ付燃料電池単セル」という。なお,この詳細は後述する。
A through-
燃料極フレーム54は,絶縁フレーム52と同様に,燃料極57側に配置される絶縁フレームであり,中央部には開口46を有する。該開口46によって,燃料ガス流路48を区画する。
Like the insulating
空気極フレーム51,絶縁フレーム52,金属製セパレータ53,燃料極フレーム54は,ボルト21,22(22a,22b),23(23a,23b)が挿入されるか,もしくは酸化剤ガスか燃料ガスが流通する貫通孔31,32(32a,32b),33(33a,33b)をそれぞれの周辺部に有する。
(セパレータ付燃料電池単セル50の詳細)
本実施形態に係るセパレータ付燃料電池単セル50は,接合部61を有する。燃料電池単セル44と金属製セパレータ53の間に接合部61が配置される。貫通孔58に沿って,金属製セパレータ53の下面(第1面)と固体電解質層56の上面が接合部61で接合される。
(Details of
The separator-equipped fuel
接合部61は,Agを含むロウ材から成り,貫通孔58に沿って,全周にわたって,燃料電池単セル44と金属製セパレータ53の下面(第1主面)とを接合する。
The joining
接合部61の材質として,Agを主成分とする各種のロウ材を採用できる。例えば,ロウ材として,Agと酸化物の混合体,例えば,Ag−Al2O3(AgとAl2O3(アルミナ)の混合体)を利用できる。Agと酸化物の混合体としては,Ag−CuO,Ag−TiO2,Ag−Cr2O3,Ag−SiO2も挙げることができる。また,ロウ材として,Agと他の金属の合金(例えば,Ag−Ge−Cr,Ag−Ti,Ag−Alのいずれか)も利用できる。
As the material of the joining
Agを含むロウ材(Agロウ)は,大気雰囲気でもロウ付け温度で酸化し難い。このため,Agロウを用いて,燃料電池単セル44と金属製セパレータ53とを大気雰囲気で接合でき,工程の効率上,好ましい。非酸化雰囲気でロウ付けすると,空気極55の特性が変化する可能性がある。
The brazing material containing Ag (Ag brazing) is not easily oxidized at the brazing temperature even in an air atmosphere. For this reason, the fuel cell
図4,図5に示すように,この接合部61は,内周側領域A1,外周側領域A2,および中間領域A3に区分される。内周側領域A1は,金属製セパレータ53の貫通孔58側に配置される領域である。外周側領域A2は,内周側領域A1よりも外側に配置される領域である。中間領域A3は,内周側領域A1と外周側領域A2の間に配置される領域である。
As shown in FIGS. 4 and 5, the joint 61 is divided into an inner peripheral area A1, an outer peripheral area A2, and an intermediate area A3. The inner peripheral region A1 is a region disposed on the through
内周側領域A1,外周側領域A2,中間領域A3それぞれでの燃料電池単セル44と金属製セパレータ53の下面(第1主面間)の距離(間隔)を間隔G1,G2,G3とする。
The distances (intervals) between the fuel cell
図5に示すように,中間領域A3での間隔G3は,内周側領域A1,外周側領域A2,での間隔G1,G2より小さい。このため,後述の製造時(ロウ付け時)にAgロウ中に巻き込まれた気泡が,内周側領域A1または外周側領域A2を経由して,外部に抜け出し易くなる。この結果,接合部61(Agロウ)中での空孔(気泡)Haの割合が低減することで,接合部61の接合強度が確保される。
As shown in FIG. 5, the gap G3 in the intermediate area A3 is smaller than the gaps G1 and G2 in the inner peripheral area A1 and the outer peripheral area A2. For this reason, bubbles entrained in Ag brazing at the time of manufacturing described later (at the time of brazing) can easily escape to the outside via the inner peripheral area A1 or the outer peripheral area A2. As a result, the bonding strength of the
接合部61(ロウ付け領域)の幅D0は,例えば,1.5〜6mmであり,内周側領域A1,外周側領域A2それぞれの幅D1,D2は,例えば,0.5mm以上である。即ち,中間領域A3の幅D3は例えば,0.5〜5mmである。 The width D0 of the joining portion 61 (brazing region) is, for example, 1.5 to 6 mm, and the widths D1, D2 of the inner peripheral side region A1 and the outer peripheral side region A2 are, for example, 0.5 mm or more. That is, the width D3 of the intermediate area A3 is, for example, 0.5 to 5 mm.
ここでは,中間領域A3に対応する箇所において,金属製セパレータ53の上面(第2主面)側に凹みを有する。即ち,金属製セパレータ53の板厚が略均一なため,中間領域A3での間隔G3が小さいことに対応して,金属製セパレータ53の上面(第2主面)側に凹みを有する。
Here, the
これに対して,中間領域A3での板厚が内周側領域A1,外周側領域A2,での板厚より大きい金属製セパレータ53を用いた場合,金属製セパレータ53の上面(第2主面)側に凹みを有しないこともあり得る。
On the other hand, when the
図4に示すように,中間領域A3が,貫通孔58に沿って全周にわたって存在する。このため,貫通孔58の全周にわたって,接合部(Agロウ)61中の空孔Haが低減され,接合強度が向上する。
As shown in FIG. 4, the intermediate region A <b> 3 exists along the entire circumference along the through
(比較例)
図6は,図5に対応し,比較例に係るセパレータ付燃料電池単セル50xの拡大断面図である。
セパレータ付燃料電池単セル50xでは,接合部61での間隔Gが均一である。即ち,セパレータ付燃料電池単セル50と異なり,内周側領域A1,外周側領域A2,および中間領域A3での間隔G1,G2,G3に差が無い。この結果,製造時(ロウ付け時)にAgロウ中に巻き込まれた気泡が,外部に抜け出し難くなる。この結果,接合部61(Agロウ)中の空孔(気泡)Haが保持されることで,接合部61の接合強度が低下する。
(Comparative example)
FIG. 6 corresponds to FIG. 5 and is an enlarged cross-sectional view of a separator-equipped fuel cell
In the separator-equipped fuel cell
図7,図8はそれぞれ,実施例,比較例に係るセパレータ付燃料電池単セル50の断面写真である。実施例に比べて,比較例では,接合部61(Agロウ)中に空孔(気泡)Haが占める割合が多いことが判る。これにより,接合強度が低下する。なお,図7,図8は,見易さのため,縦方向を横方向より2倍に拡大している。
7 and 8 are cross-sectional photographs of the separator-equipped fuel
(第2の実施形態)
第2の実施形態を説明する。図9は,第2の実施形態に係る燃料電池セル40aの断面図である。図10は,セパレータ付燃料電池単セル50aの枠A内の拡大断面図である。
(Second Embodiment)
A second embodiment will be described. FIG. 9 is a cross-sectional view of a
セパレータ付燃料電池単セル50aは,接合部61に加えて,封止部62を有する。
封止部62は,貫通孔58に沿って,その全周にわたって,接合部61よりも貫通孔58側(内周側)に配置され,燃料電池単セル44と金属製セパレータ53の下面(第1主面)間を封止する。封止部62が接合部61よりも貫通孔58側に配置されることから,接合部61が酸化剤ガスに接触することが無くなり,酸化剤ガス流路47側から接合部61への酸素の移動が阻止される。この結果,水素と酸素の反応によって接合部61にボイドが発生してガスリークすることを防止できるため,接合部61の信頼性をより高めることができる。
The separator-attached fuel cell
The sealing
封止部62が無い場合,接合部61(Agロウ)は酸化剤ガスと燃料ガスの双方に曝される。この場合,接合部61中で酸素と水素が拡散し,反応することで,事後的にボイドが発生し,ガスリークする畏れがある。貫通孔58側の燃料電池単セル44と第1主面との間に,貫通孔58に沿って全周にわたって封止部62を配置することで,接合部61(Agロウ)が曝されるのを酸化剤ガス又は燃料ガスの一方のみにできる。その結果,接合部61(Agロウ)中での酸素と水素の反応を抑制し,Agロウ中でのボイドの発生を低減できる。また,封止部62は,金属製セパレータ53の上面(第2主面)の一部を覆う形で接合部61を封止していても良い。
When there is no sealing
封止部62は,例えば,0.2〜4mmの幅,10〜80μmの厚さを有する。
封止部62は,具体的には,ガラス,ガラスセラミックス(結晶化ガラス),ガラスとセラミックスの複合物等の封止材料から構成できる。
The sealing
Specifically, the sealing
また,既述のように,接合部61(Agロウ)中での空孔(気泡)の割合が低減することで,金属製セパレータ53と接合部(Agロウ)61の接合強度が大きくなっている。このため,セパレータ付燃料電池単セル50に応力が印加されても,接合部61が封止部62に印加される応力を緩和し,封止部(ガラスを含む)62の割れを防止できる。そのため,接合部61が酸化剤ガス又は燃料ガス
に曝されるのを防止でき,ガスリークをより確実に防止できる。
Further, as described above, the bonding strength between the
また,燃料電池単セル44と金属製セパレータ53の熱膨張係数の差や燃料電池スタック内の熱応力等に起因して,図10の位置Pにおいて,金属製セパレータ53と封止部62(ガラス)の界面に引っ張り応力が印加されるが,接合部61の接合強度が向上することで,引っ張り応力が吸収されるため,封止部62(ガラス)が割れにくくなる
Further, due to the difference in the thermal expansion coefficient between the
(実施形態に係るセパレータ付燃料電池単セル50,50aの製造方法)
セパレータ付燃料電池単セル50aは,次の製法1,2によって製造できる。
A.製法1
図11〜図13は,製法1に係るセパレータ付燃料電池単セル50,50aの製造工程を表す図である。
(Manufacturing method of separator-equipped fuel
The separator-equipped fuel
11-13 is a figure showing the manufacturing process of the fuel cell
(1)燃料電池単セル44,金属製セパレータ53の準備
燃料電池単セル44,金属製セパレータ53を準備する。既述のように,燃料電池単セル44は,固体電解質層56を空気極55,および,燃料極57で挟んで構成される。ここでは,製法2と異なり,当初の金属製セパレータ53は凹みを有しない。
(1) Preparation of
(2)ロウ材の配置(図11参照)
燃料電池単セル44および金属製セパレータ53の一方または双方にAgを含むロウ材を配置する。ここでは,燃料電池単セル44および金属製セパレータ53の双方にロウ材611を配置するが,いずれか一方のみへの配置も可能である。
(2) Arrangement of brazing material (see FIG. 11)
A brazing material containing Ag is disposed on one or both of the
ここで,燃料電池単セル44と金属製セパレータ53の下面(第1主面)とで互いに対向する領域の少なくとも一部である,ロウ付け領域(幅D0の領域)にロウ材611を配置する。
Here, the
(3)荷重の印加(図11参照)
燃料電池単セル44と,金属製セパレータ53の第1主面とを対向して配置し荷重を印加する。ここでは,ロウ材611の溶融(加熱)に先立って,荷重を印加しているが,加熱後,ロウ材が硬化する前に,荷重を印加しても良い。
(3) Load application (see Fig. 11)
The fuel cell
図14は,荷重を印加するための接合治具(重石)TpのXY平面内での断面形状を表す断面図である。接合治具Tpは,筒形状を有し,中間領域A3に荷重を印加する。即ち,金属製セパレータ53の上面(第2主面)上から,ロウ付け領域の幅D0よりも狭い幅D3で,荷重を印加する。なお,幅D0,D1〜D3は,金属製セパレータ53の貫通孔58から金属製セパレータ53の外周Cに向かう方向での長さを意味する。即ち,図3,図5に示されるX方向の長さである。
ここでは,接合治具Tpが,筒形状を有することから,金属製セパレータ53の貫通孔58に沿って全周にわたって荷重が印加される。
FIG. 14 is a cross-sectional view showing a cross-sectional shape in the XY plane of a joining jig (heavy stone) Tp for applying a load. The joining jig Tp has a cylindrical shape and applies a load to the intermediate region A3. That is, a load is applied from the upper surface (second main surface) of the
Here, since the joining jig Tp has a cylindrical shape, a load is applied over the entire circumference along the through
(4)接合(図12参照)
荷重を印加しながら,ロウ材611を溶融することで,接合部61が形成され,燃料電池単セル44と金属製セパレータ53の第1主面とを接合される。
(4) Joining (see Fig. 12)
The joining
ここでは,ロウ材が大気下で溶融される(大気ロウ付け)。空気極55の特性の変化を防止するためである。大気ロウ付けでは,ロウ付けの界面に酸化被膜が形成されるため,真空や還元雰囲気下でのロウ付けと比べて,ロウ付け部の接触角が大きくなる。このため,ロウ付け部が気泡を巻き込み易くなり,空孔Ha(気泡)によって,接合部61(ロウ付け)の強度が低下し,接合が剥がれてガスリークする畏れがある。
Here, the brazing material is melted in the atmosphere (atmospheric brazing). This is to prevent a change in the characteristics of the
ロウ付け領域の幅D0よりも狭い幅D3で荷重を印加することで,接合部61内に巻き込まれた空孔Haが留まることを防止する。即ち,金属製セパレータ53の上面(第2主面)上から,ロウ付け領域の幅D3よりも狭い幅で,荷重を印加することで,金属製セパレータ53が凹む。このため,Agロウが流動し,Agロウ中に巻き込まれた空孔Haを外に追い出し易くなる。即ち,Agロウの流動に合わせて,気泡Haが中央から端部に移動し,外に押し出される(図12参照)。
また,金属製セパレータ53が凹むことで,金属製セパレータ53にスロープができることで,気泡Haを端部から外に追い出し易くなる(図12参照)。
By applying a load with a width D3 that is narrower than the width D0 of the brazing region, it is possible to prevent the holes Ha caught in the joint 61 from staying. That is, the
Further, since the
ロウ付け領域の幅D0は,例えば,1.5〜6mmであり,荷重を印加する領域の幅D3は,ロウ付け領域の幅より,幅D1,D2(0.5mm以上)の分だけ狭い,0.5〜5mmである。 The width D0 of the brazing region is, for example, 1.5 to 6 mm, and the width D3 of the region to which the load is applied is narrower by the widths D1 and D2 (0.5 mm or more) than the width of the brazing region. 0.5-5 mm.
既述のように,荷重を印加する領域が,金属製セパレータ53の貫通孔58に沿って全周にわたって存在する。このため,貫通孔58の全周にわたって,接合部61(Agロウ)中の空孔Haが低減され,接合強度が向上する。
As described above, a region to which a load is applied exists along the entire circumference along the through
(5)封止(図13参照)
ガラスを含む封止材を用いて,封止部62を形成し,燃料電池単セル44と金属製セパレータ53の第1主面間を封止する。貫通孔58に沿って,その全周にわたって,接合部61よりも貫通孔58側(内周側)に配置され,燃料電池単セル44と金属製セパレータ53の下面(第1主面)間を封止する。
なお,セパレータ付燃料電池単セル50の場合は,この封止工程は省略される。
(5) Sealing (see FIG. 13)
The sealing
In the case of the separator-equipped fuel
以上のようにして,図4,図5,図7,図10等に示すセパレータ付燃料電池単セル50,50aが作成される。これらセパレータ付燃料電池単セル50等は,ロウ付け領域の幅D0よりも狭い幅D3で荷重を印加することで,接合部61が内周側領域A1,外周側領域A2,および中間領域A3に区分される。即ち,基本的には,荷重が印加される領域が,中間領域A3に対応する。
As described above, the separator-attached fuel cell
但し,この対応関係は,必ずしも,荷重が印加される領域と中間領域A3それぞれの境界が完全に一致することまで意味するものではない。印加する荷重の大きさ,金属製セパレータ53の材質(剛性等)により,金属製セパレータ53のスロープの形状が異なるためである。即ち,対応関係の判り易さのために,荷重が印加される領域と中間領域A3の幅に同一の記号G3等を用いているが,その値自体は必ずしも一致しない。
However, this correspondence does not necessarily mean that the boundary between the region to which the load is applied and the intermediate region A3 completely coincide. This is because the slope shape of the
以上では,大気ロウ付けする場合を例に説明している。大気ロウ付けでは,ロウ付けの界面に酸化被膜が形成されるため,真空や還元雰囲気下でのロウ付けと比べて,ロウ付け部の接触角が大きく,気泡を巻き込み易い。即ち,大気ロウ付けでは,ロウ付け領域の幅D0よりも狭い幅D3で荷重を印加する等により,空孔Haの発生を防止する意義が大きい。
一方,真空や還元雰囲気下等でのロウ付けであっても,空孔Haが発生する可能性は少なからずある。雰囲気ガス(あるいはセパレータ付燃料電池単セル50の構成材料から発生したガス)が接合部61(ロウ付け)内に巻き込まれることがあり得る。即ち,真空や還元雰囲気下でのロウ付け等でも,ロウ付け領域の幅D0よりも狭い幅D3で荷重を印加する等により,接合部61内での空孔Haの発生を防止する意義がある。
In the above description, the case of air brazing is described as an example. In air brazing, an oxide film is formed at the brazing interface. Therefore, compared to brazing in a vacuum or reducing atmosphere, the contact angle of the brazing part is large, and bubbles are easily involved. That is, in atmospheric brazing, it is significant to prevent the generation of holes Ha by applying a load with a width D3 narrower than the width D0 of the brazing region.
On the other hand, even when brazing is performed in a vacuum or a reducing atmosphere, there is a considerable possibility that holes Ha are generated. Atmospheric gas (or gas generated from the constituent material of the separator-equipped fuel cell unit cell 50) may be caught in the joint 61 (brazing). That is, even in brazing in a vacuum or a reducing atmosphere, it is meaningful to prevent the generation of voids Ha in the joint 61 by applying a load with a width D3 narrower than the width D0 of the brazing region. .
B.製法2
図15は,製法2に係るセパレータ付燃料電池単セル50aの製造工程を表す図である。
FIG. 15 is a diagram showing a manufacturing process of the separator-equipped fuel
(1)燃料電池単セル44,金属製セパレータ53の準備(図15参照)
燃料電池単セル44,金属製セパレータ53を準備する。ここでは,製法1と異なり,凹みRを有する金属製セパレータ53を用いる。
(1) Preparation of
A
(2)ロウ材の配置(図15参照)
(3)荷重の印加(図15参照)
(4)接合
その後,製法1と同様の工程で,ロウ材の配置,荷重の印加,接合を行う。凹みRに対応する,金属製セパレータ53のスロープにより,気泡を外に追い出し易くなり,接合部61内での空孔Haの発生が防止され,接合強度が向上する。
なお,この場合でも,ロウ付け領域の幅D0よりも狭い幅D3で荷重を印加することが好ましい。また,凹みRの形状と荷重を印加する領域が対応することが好ましい。
(2) Arrangement of brazing material (see FIG. 15)
(3) Load application (see Fig. 15)
(4) Joining Thereafter, the brazing material is arranged, a load is applied, and joining is performed in the same process as in
Even in this case, it is preferable to apply the load with a width D3 narrower than the width D0 of the brazing region. Moreover, it is preferable that the shape of the dent R corresponds to the area to which the load is applied.
以上のようにして,製法1の場合と同様,図4,図5,図7,図10等に示すセパレータ付燃料電池単セル50,50aを作成できる。
As described above, the separator-attached fuel cell
(比較例に係るセパレータ付燃料電池単セル50xの製造方法)
図16は,図11に対応し,比較例に係るセパレータ付燃料電池単セル50xの製造工程を表す図である。ここでは,接合治具(重石)Tpxを用いて,金属製セパレータ53の上面(第2主面)上から,ロウ付け領域の幅よりも広い幅D3xで,荷重を印加する。
(Manufacturing method of separator-equipped fuel
FIG. 16 corresponds to FIG. 11 and is a diagram illustrating a manufacturing process of the separator-equipped fuel
この場合,図6に示すように,セパレータ付燃料電池単セル50xの金属製セパレータ53は凹みを有しない。即ち,接合部61の間隔Gが均一となる。この結果,製造時(ロウ付け時)にAgロウ中に巻き込まれた気泡が,外部に抜け出し難くなり,接合部61(Agロウ)中の気泡が保持されることで,接合部61の接合強度が低下する。
In this case, as shown in FIG. 6, the
図17は,実施例と比較例に係るセパレータ付燃料電池単セル50のピール試験結果を比較して表すグラフである。
図18は,ピール試験を説明するための図である。金属製セパレータ53に切り込みLcを入れ,そこから金属製セパレータ53を引っ張ることで,接合部61において,燃料電池単セル44から引き剥がす。
FIG. 17 is a graph comparing the peel test results of the separator-equipped fuel
FIG. 18 is a diagram for explaining the peel test. A cut Lc is made in the
図17に示すように,実施例と比較例はそれぞれ,変位量Ms(=4.5mm)において,応力F1(=49N),F0(=29N)で,接合部61での引きはがしが開始された。このように,実施例の方が比較例よりも接合部61での接合強度が大きいことが判る。
As shown in FIG. 17, in the example and the comparative example, at the displacement amount Ms (= 4.5 mm), the stresses F1 (= 49 N) and F0 (= 29 N) are started, and the peeling at the
(その他の実施形態)
本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張,変更可能であり,拡張,変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
(Other embodiments)
Embodiments of the present invention are not limited to the above-described embodiments, and can be expanded and modified. The expanded and modified embodiments are also included in the technical scope of the present invention.
10 固体酸化物形燃料電池
11,12 エンドプレート
21,22(22a,22b),23(23a,23b) ボルト
31,32,33 貫通孔
35 ナット
40 燃料電池セル
41,45 インターコネクタ
42a,42b, 集電体
43 枠部
44 燃料電池単セル
46 開口
47 酸化剤ガス流路
48 燃料ガス流路
50 セパレータ付燃料電池単セル
51 空気極フレーム
52 絶縁フレーム
53 金属製セパレータ
54 燃料極フレーム
55 空気極
56 固体電解質層
57 燃料極
58 貫通孔
61 接合部
62 封止部
611 ロウ材
A1 内周側領域
A2 外周側領域
A3 中間領域
Ha 空孔(気泡)
Tp 接合治具
10 Solid
Tp joining jig
Claims (8)
第1主面,第2主面,およびこれら第1主面および第2主面間を貫通する貫通孔を有する,板状の金属製セパレータと,
前記燃料電池単セルと,前記金属製セパレータの第1主面と,を接合し,Agを含むロウ材から成る,接合部と,
を具備するセパレータ付燃料電池単セルであって,
前記接合部が,前記金属製セパレータの前記貫通孔側に配置される内周側領域,前記内周側領域よりも外側に配置される外周側領域,および前記内周側領域と前記外周側領域の間に配置される中間領域に区分され,
前記外周側領域および前記内周側領域での前記燃料電池単セルと前記第1主面間の距離より,前記中間領域での前記燃料電池単セルと前記第1主面間の距離が小さい
ことを特徴とするセパレータ付燃料電池単セル。 A fuel cell single cell having an air electrode, a fuel electrode, and a solid electrolyte layer disposed between them;
A plate-shaped metal separator having a first main surface, a second main surface, and a through-hole penetrating between the first main surface and the second main surface;
A joining portion made of a brazing material containing Ag, joining the single fuel cell and the first main surface of the metal separator;
A separator-equipped fuel cell unit cell comprising:
An inner peripheral region disposed on the through-hole side of the metallic separator, an outer peripheral region disposed outside the inner peripheral region, and the inner peripheral region and the outer peripheral region. Is divided into intermediate areas arranged between
The distance between the single fuel cell and the first main surface in the intermediate region is smaller than the distance between the single fuel cell and the first main surface in the outer peripheral region and the inner peripheral region. A separator-equipped fuel cell single cell.
ことを特徴とする請求項1記載のセパレータ付燃料電池単セル。 The separator-equipped fuel cell unit cell according to claim 1, wherein a recess corresponding to the second main surface side of the metallic separator is provided at a location corresponding to the intermediate region.
ことを特徴とする請求項1または2に記載のセパレータ付燃料電池単セル。 The separator-equipped fuel cell unit cell according to claim 1, wherein the intermediate region exists along the entire circumference along the through hole.
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のセパレータ付燃料電池単セル。 A sealing member that is disposed over the entire circumference along the through hole between the single unit cell of the fuel cell and the first main surface on the side of the through hole with respect to the joint, and has a sealing material including glass The fuel cell single cell with a separator according to any one of claims 1 to 3, further comprising a section.
を複数個具備することを特徴とする燃料電池スタック。 A fuel cell single cell with a separator according to any one of claims 1 to 4,
A fuel cell stack comprising a plurality of the fuel cell stacks.
空気極,燃料極,およびこれらの間に配置される固体電解質層を有する,燃料電池単セルと,第1主面,第2主面,およびこれら第1主面および第2主面間を貫通する貫通孔を有する,板状の金属製セパレータと,を準備する工程と,
前記燃料電池単セルおよび前記金属製セパレータの一方または双方にAgを含むロウ材を配置する工程と,
前記燃料電池単セルと,前記第1主面とを対向して配置する工程と,
荷重を印加しながら,前記ロウ材を溶融することで,前記燃料電池単セルと前記第1主面とを接合する工程と,を具備し,
前記ロウ材を配置する工程において,前記燃料電池単セルと前記第1主面とで互いに対向する領域の少なくとも一部である,ロウ付け領域に前記ロウ材を配置し,
前記接合する工程において,前記金属製セパレータの第2主面上から,前記ロウ付け領域の幅よりも狭い幅で,前記荷重を印加する,
ことを特徴とするセパレータ付燃料電池単セルの製造方法。 A method of manufacturing a separator-equipped fuel cell unit cell,
A fuel cell single cell having an air electrode, a fuel electrode, and a solid electrolyte layer disposed between them, and the first main surface, the second main surface, and between the first main surface and the second main surface Preparing a plate-like metal separator having a through-hole,
Disposing a brazing material containing Ag on one or both of the single fuel cell and the metal separator;
Arranging the single fuel cell and the first main surface to face each other;
Joining the fuel cell single cell and the first main surface by melting the brazing material while applying a load,
In the step of disposing the brazing material, the brazing material is disposed in a brazing region, which is at least a part of a region facing the fuel cell single cell and the first main surface,
In the bonding step, the load is applied with a width narrower than the width of the brazing region from the second main surface of the metallic separator.
A method for producing a separator-equipped fuel cell unit cell.
ことを特徴とする請求項6に記載のセパレータ付燃料電池単セルの製造方法。 The region to which the load is applied exists over the entire circumference along the through hole of the metal separator.
The manufacturing method of the fuel cell single cell with a separator of Claim 6 characterized by the above-mentioned.
ことを特徴とする請求項6または7に記載のセパレータ付燃料電池単セルの製造方法。 In the joining step, the brazing material is melted in the atmosphere.
A method for producing a separator-equipped fuel cell unit cell according to claim 6 or 7.
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