JP2017037838A - Stack structure of fuel battery - Google Patents

Stack structure of fuel battery Download PDF

Info

Publication number
JP2017037838A
JP2017037838A JP2016154309A JP2016154309A JP2017037838A JP 2017037838 A JP2017037838 A JP 2017037838A JP 2016154309 A JP2016154309 A JP 2016154309A JP 2016154309 A JP2016154309 A JP 2016154309A JP 2017037838 A JP2017037838 A JP 2017037838A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
cell
manifold
contact length
bonding material
length
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2016154309A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP6043456B1 (en
Inventor
稔久 平岩
Toshihisa Hiraiwa
稔久 平岩
中村 俊之
Toshiyuki Nakamura
俊之 中村
崇 龍
Takashi Ryu
崇 龍
誠 大森
Makoto Omori
誠 大森
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NGK Insulators Ltd
Original Assignee
NGK Insulators Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NGK Insulators Ltd filed Critical NGK Insulators Ltd
Application granted granted Critical
Publication of JP6043456B1 publication Critical patent/JP6043456B1/en
Publication of JP2017037838A publication Critical patent/JP2017037838A/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a stack structure 1 in which gas leak occurs hardly.SOLUTION: A stack structure 1 includes a cell 100, a manifold 200, and a bonding material 300. The manifold 200 has a cell support hole 221 into which the cell 100 is inserted. The bonding material 300 bonds the cell 100 and the manifold 200. The bonding material 300 has a filling portion 301 arranged in a gap between the cell 100 and the cell support hole 221, and a pool portion 302 arranged outside the filling portion 301. In the cross section perpendicular to the outer surface of the cell 100, the rate of the second contact length C2 between the pool portion 302 and the cell 100 to the first contact length C1 between the filling portion 301 and the cell 100 ranges from not less than 0.25 to not more than 29.80.SELECTED DRAWING: Figure 6

Description

本発明は、燃料電池のスタック構造体に関する。   The present invention relates to a fuel cell stack structure.

従来の燃料電池のスタック構造体は、燃料電池セルと、マニホールドと、接合材(シール材)とを備える(特許文献1を参照)。マニホールドは、燃料電池セルが挿入されるセル支持孔(貫通孔)を有する。接合材は、支持基板とセル支持孔とを接合する。   A conventional stack structure of a fuel cell includes a fuel cell, a manifold, and a bonding material (seal material) (see Patent Document 1). The manifold has a cell support hole (through hole) into which the fuel cell is inserted. The bonding material bonds the support substrate and the cell support hole.

このスタック構造体では、接合材が、マニホールドの内部空間(燃料ガスに曝される空間)と、スタック構造体の外部空間(空気に曝される空間)とを区画することによって、燃料ガスと空気との混合を防止している。すなわち、接合材は、シール材として機能している。   In this stack structure, the bonding material divides the internal space of the manifold (space exposed to the fuel gas) and the external space of the stack structure (space exposed to air), so that the fuel gas and the air To prevent mixing. That is, the bonding material functions as a sealing material.

特開2005−100687号公報JP 2005-1000068 A

スタック構造体では、稼働時には、熱膨張及び熱収縮等による熱応力が、燃料電池セル及びマニホールドに発生する。すると、この熱応力によって、接合材にクラックが局所的に発生してしまうおそれがある。ここで、局所的に発生したクラックが、熱応力によって、さらに成長すると、このクラックがマニホールドの内部空間とマニホールドの外部空間とを繋ぐ通路となり、内部空間に導入された燃料ガスが、内部空間から外部空間へと漏れ出してしまうおそれがある。このため、クラックに起因するガスリークの発生を抑制する様々な試みがなされ、この問題を解決するための技術が期待されている。   In the stack structure, during operation, thermal stress due to thermal expansion and contraction is generated in the fuel cell and the manifold. Then, this thermal stress may cause a crack locally in the bonding material. Here, when a locally generated crack further grows due to thermal stress, this crack becomes a passage connecting the internal space of the manifold and the external space of the manifold, and the fuel gas introduced into the internal space is discharged from the internal space. There is a risk of leaking into the external space. For this reason, various attempts have been made to suppress the occurrence of gas leaks due to cracks, and a technique for solving this problem is expected.

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、ガスリークが発生しにくいスタック構造体を、提供することにある。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a stack structure in which gas leakage is unlikely to occur.

本発明に係る燃料電池のスタック構造体は、燃料電池セルと、マニホールドと、接合材とを備える。マニホールドは、燃料電池セルが挿入されるセル支持孔を有する。接合材は、燃料電池セルとマニホールドとを接合する。接合材は、燃料電池セルとセル支持孔との隙間に配置される充填部と、充填部の外側に配置される溜まり部とを有する。燃料電池セルの外面に垂直な断面において、充填部と燃料電池セルとの第1接触長さに対する、溜まり部と燃料電池セルとの第2接触長さの比は、0.25以上29.80以下である。   The stack structure of a fuel cell according to the present invention includes a fuel cell, a manifold, and a bonding material. The manifold has a cell support hole into which the fuel cell is inserted. The joining material joins the fuel cell and the manifold. The bonding material has a filling portion disposed in a gap between the fuel battery cell and the cell support hole and a pool portion disposed outside the filling portion. In the cross section perpendicular to the outer surface of the fuel cell, the ratio of the second contact length between the reservoir and the fuel cell to the first contact length between the filling portion and the fuel cell is 0.25 or more and 29.80. It is as follows.

本発明によれば、ガスリークが発生しにくいスタック構造体を、提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a stack structure in which gas leakage is unlikely to occur.

本発明の実施形態に係る燃料電池のスタック構造体の全体斜視図である。1 is an overall perspective view of a stack structure of a fuel cell according to an embodiment of the present invention. セルの全体斜視図である。It is a whole perspective view of a cell. マニホールドの全体斜視図である。It is a whole perspective view of a manifold. セル及びマニホールドの部分拡大断面図である。It is a partial expanded sectional view of a cell and a manifold. マニホールドの支持板に形成された挿入孔の拡大図である。It is an enlarged view of the insertion hole formed in the support plate of a manifold. 接合材が配置される部分の拡大断面図である。It is an expanded sectional view of the portion where a bonding material is arranged. 燃料電池のスタック構造体において、接合材が配置される部分の拡大断面図である。FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of a portion where a bonding material is disposed in a fuel cell stack structure.

<スタック構造体の構成>
ここでは、本発明に係るスタック構造体の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
<Structure of stack structure>
Here, an embodiment of a stack structure according to the present invention will be described with reference to the drawings.

スタック構造体1は、固体酸化物形燃料電池(SOFC;Solid Oxide Fuel Cell)に用いられる構造体である。なお、本実施形態では、図1に示すように、x,y,z座標系が設定されている。   The stack structure 1 is a structure used for a solid oxide fuel cell (SOFC). In the present embodiment, an x, y, z coordinate system is set as shown in FIG.

スタック構造体1は、複数のセル100と、マニホールド200と、接合材300とを備えている。   The stack structure 1 includes a plurality of cells 100, a manifold 200, and a bonding material 300.

<セル>
各セル100は、燃料電池セルである。図1に示すように、各セル100は、マニホールド200に設けられる。セル100は、互いに間隔を隔てて並べられる。図2及び図4に示すように、セル100のx軸方向(長手方向)において燃料ガスが流入する側の端部10a(流入側端部)は、接合材300によってマニホールド200に接合される。セル100のx軸方向において燃料ガスが排出される側の端部10b(排出側端部)は、自由端となっている。このように支持基板10がマニホールド200に配置されるスタック構造は、一般的に「片持ちスタック構造体」と表現される。
<Cell>
Each cell 100 is a fuel cell. As shown in FIG. 1, each cell 100 is provided in a manifold 200. The cells 100 are arranged at intervals from each other. As shown in FIGS. 2 and 4, the end portion 10 a (inflow side end portion) on the side where the fuel gas flows in the x-axis direction (longitudinal direction) of the cell 100 is joined to the manifold 200 by the joining material 300. An end 10b (discharge side end) on the side where the fuel gas is discharged in the x-axis direction of the cell 100 is a free end. The stack structure in which the support substrate 10 is arranged in the manifold 200 is generally expressed as a “cantilever stack structure”.

図2に示すように、セル100は、実質的に平板状に形成されている。セル100の長手方向、短手方向及び厚み方向は、それぞれx軸方向、y軸方向及びz軸方向に対応している。   As shown in FIG. 2, the cell 100 is substantially formed in a flat plate shape. The longitudinal direction, the lateral direction, and the thickness direction of the cell 100 correspond to the x-axis direction, the y-axis direction, and the z-axis direction, respectively.

セル100は、x軸方向の長さL1がy軸方向の長さL2より長くなるように形成されている。x軸方向の長さL1は特に制限されないが、50mm以上且つ500mm以下の範囲内に設定することができる。y軸方向の長さL2は特に制限されないが、10mm以上且つ100mm以下の範囲内に設定することができる。z軸方向の長さL3は特に制限されないが、1mm以上且つ5mm以下の範囲内に設定することができる。   The cell 100 is formed such that the length L1 in the x-axis direction is longer than the length L2 in the y-axis direction. The length L1 in the x-axis direction is not particularly limited, but can be set within a range of 50 mm or more and 500 mm or less. The length L2 in the y-axis direction is not particularly limited, but can be set within a range of 10 mm or more and 100 mm or less. The length L3 in the z-axis direction is not particularly limited, but can be set within a range of 1 mm or more and 5 mm or less.

図2に示すように、各セル100は、複数の発電素子部Aと、支持基板10と、シール膜20とを有する。   As shown in FIG. 2, each cell 100 includes a plurality of power generation element portions A, a support substrate 10, and a seal film 20.

各発電素子部Aは、燃料極、固体電解質膜、及び空気極を有する。各発電素子部Aは、燃料極、固体電解質膜、及び空気極の順に積層された積層焼成体である。ここでは、燃料極は、例えば、NiO(酸化ニッケル)とYSZ(8YSZ;イットリア安定化ジルコニア)とから構成される。固体電解質膜は、例えば、YSZ(8YSZ;イットリア安定化ジルコニア)から構成される。空気極は、例えば、LSCF=(La,Sr)(Co,Fe)O(ランタンストロンチウムコバルトフェライト)から構成される。 Each power generation element part A has a fuel electrode, a solid electrolyte membrane, and an air electrode. Each power generating element portion A is a laminated fired body in which a fuel electrode, a solid electrolyte membrane, and an air electrode are laminated in this order. Here, the fuel electrode is composed of, for example, NiO (nickel oxide) and YSZ (8YSZ; yttria stabilized zirconia). The solid electrolyte membrane is made of, for example, YSZ (8YSZ; yttria stabilized zirconia). The air electrode is made of, for example, LSCF = (La, Sr) (Co, Fe) O 3 (lanthanum strontium cobalt ferrite).

複数の発電素子部Aは、支持基板10に設けられる。複数(例えば4個)の発電素子部Aは、電気的に直列に接続される。   The plurality of power generation element portions A are provided on the support substrate 10. A plurality of (for example, four) power generation element portions A are electrically connected in series.

支持基板10は、電子伝導性を有さない多孔質の材料から構成された焼成体である。支持基板10は、例えば、CSZ(カルシア安定化ジルコニア)で構成される。   The support substrate 10 is a fired body made of a porous material having no electronic conductivity. The support substrate 10 is made of CSZ (calcia stabilized zirconia), for example.

支持基板10は、発電素子部Aを支持する。具体的には、支持基板10の両主面には、複数の発電素子部Aが、x軸方向に所定の間隔を隔てて設けられている。   The support substrate 10 supports the power generation element portion A. Specifically, a plurality of power generation element portions A are provided on both main surfaces of the support substrate 10 at a predetermined interval in the x-axis direction.

支持基板10の内部には、複数(例えば6個)の燃料ガス流路11(貫通孔)が形成されている。各燃料ガス流路11は、x軸方向に延びている。各燃料ガス流路11は、y軸方向(幅方向)に所定の間隔を隔てて形成されている。   A plurality (for example, six) of fuel gas passages 11 (through holes) are formed inside the support substrate 10. Each fuel gas channel 11 extends in the x-axis direction. Each fuel gas channel 11 is formed at a predetermined interval in the y-axis direction (width direction).

シール膜20は、支持基板10の外表面を覆う。シール膜20は、緻密質材料によって構成することができる。緻密質材料としては、例えば、YSZ、ScSZ、ガラス、スピネル酸化物などが挙げられる。シール膜20は、各発電素子部Aの固体電解質膜と同じ材料によって構成されていてもよい。この場合、シール膜20は、各発電素子部Aの固体電解質膜と一体的に形成されていてもよい。   The seal film 20 covers the outer surface of the support substrate 10. The sealing film 20 can be composed of a dense material. Examples of the dense material include YSZ, ScSZ, glass, and spinel oxide. The seal film 20 may be made of the same material as that of the solid electrolyte film of each power generating element portion A. In this case, the seal film 20 may be formed integrally with the solid electrolyte film of each power generating element portion A.

<マニホールド>
マニホールド200は、複数のセル100それぞれに燃料ガスを供給するためのものである。図3及び図4に示すように、マニホールド200は、実質的に直方体状の筐体である。マニホールド200では、高さ方向(上方)、短手方向(幅方向)、及び長手方向が、x軸方向、y軸方向、及びz軸方向に各別に対応している。
<Manifold>
The manifold 200 is for supplying fuel gas to each of the plurality of cells 100. As shown in FIGS. 3 and 4, the manifold 200 is a substantially rectangular parallelepiped housing. In the manifold 200, the height direction (upward), the lateral direction (width direction), and the longitudinal direction correspond to the x-axis direction, the y-axis direction, and the z-axis direction, respectively.

図3及び図4に示すように、マニホールド200は、基部210と、支持板220(上壁)とを有している。基部210は、金属例えばステンレス鋼等から構成されている。基部210は、底部と、底部を取り囲む側壁とを有している。底部と側壁とによって、上方に向けて開口する開口部が形成される。   As shown in FIGS. 3 and 4, the manifold 200 includes a base 210 and a support plate 220 (upper wall). The base 210 is made of a metal such as stainless steel. The base part 210 has a bottom part and a side wall surrounding the bottom part. An opening that opens upward is formed by the bottom and the side wall.

支持板220は、金属例えばステンレス鋼等から構成されている。支持板220は、基部210上に配置される。具体的には、支持板220は、基部210の側壁の先端部に配置され、基部210の開口部を塞いでいる。このように、支持板220が基部210の開口部を塞ぐことによって、マニホールド200には、内部空間S1が形成される(図4を参照)。すなわち、内部空間S1は、基部210(底部及び壁部)と支持板220とによって構成される。この内部空間S1には、燃料ガスが導入される。   The support plate 220 is made of a metal such as stainless steel. The support plate 220 is disposed on the base 210. Specifically, the support plate 220 is disposed at the front end portion of the side wall of the base 210 and closes the opening of the base 210. In this manner, the support plate 220 closes the opening of the base portion 210, whereby an internal space S1 is formed in the manifold 200 (see FIG. 4). That is, the internal space S <b> 1 is configured by the base portion 210 (bottom portion and wall portion) and the support plate 220. Fuel gas is introduced into the internal space S1.

燃料ガスは、導入管230を介して、外部から内部空間S1に導入される。導入管230は、金属例えばステンレス鋼等から構成されている。導入管230は、マニホールド200の支持板220に、接合・固定されている。具体的には、導入管230は、支持板220に形成された貫通孔(図示しない)に挿入された状態で、支持板220に溶接される。   The fuel gas is introduced from the outside into the internal space S1 through the introduction pipe 230. The introduction pipe 230 is made of a metal such as stainless steel. The introduction pipe 230 is joined and fixed to the support plate 220 of the manifold 200. Specifically, the introduction pipe 230 is welded to the support plate 220 while being inserted into a through hole (not shown) formed in the support plate 220.

上記の構成を有するマニホールド200は、図3、図4、及び図5に示すように、複数のセル100を支持する。具体的には、マニホールド200の支持板220が、複数のセル支持孔221を有している。各セル支持孔221は、マニホールド200の外側(外部空間)と内部空間S1とを連通するように、支持板220に形成されている。より具体的には、各セル支持孔221は、支持板220をx軸方向(高さ方向)に貫通している(図4を参照)。各セル支持孔221は、z軸方向(長手方向)に所定の間隔を隔てて形成されている(図3及び図5を参照)。また、各セル支持孔221は、y軸方向(短手方向)にも所定の間隔を隔てて形成されている(図3を参照)。   The manifold 200 having the above configuration supports a plurality of cells 100 as shown in FIGS. 3, 4, and 5. Specifically, the support plate 220 of the manifold 200 has a plurality of cell support holes 221. Each cell support hole 221 is formed in the support plate 220 so as to communicate the outside (external space) of the manifold 200 and the internal space S1. More specifically, each cell support hole 221 passes through the support plate 220 in the x-axis direction (height direction) (see FIG. 4). Each cell support hole 221 is formed at a predetermined interval in the z-axis direction (longitudinal direction) (see FIGS. 3 and 5). Each cell support hole 221 is also formed at a predetermined interval in the y-axis direction (short direction) (see FIG. 3).

図4に示すように、各セル支持孔221には、各セル100が配置される。詳細には、各セル100の燃料ガス流路11が内部空間S1に連通するように、各セル支持孔221には、各セル100の流入側端部10aが挿入される。   As shown in FIG. 4, each cell 100 is disposed in each cell support hole 221. Specifically, the inflow side end portion 10a of each cell 100 is inserted into each cell support hole 221 so that the fuel gas flow path 11 of each cell 100 communicates with the internal space S1.

図5に示すように、各セル支持孔221をマニホールド200の外側(外部空間)から見た場合(x軸に沿って見た場合)、各セル支持孔221は、一方向に長く形成され、且つ両端部が円弧状に形成されている。すなわち、各セル支持孔221は、長円形状に形成されている。各セル支持孔221は、y軸方向の長さL4(長手方向の長さ)がz軸方向の長さL5(短手方向の長さ・幅方向の長さ)より長くなるように形成されている。   As shown in FIG. 5, when each cell support hole 221 is viewed from the outside (external space) of the manifold 200 (when viewed along the x axis), each cell support hole 221 is formed long in one direction, In addition, both end portions are formed in an arc shape. That is, each cell support hole 221 is formed in an oval shape. Each cell support hole 221 is formed such that the length L4 in the y-axis direction (length in the longitudinal direction) is longer than the length L5 in the z-axis direction (length in the lateral direction / length in the width direction). ing.

各セル支持孔221におけるy軸方向の長さL4は、各セル100の流入側端部10aの外面におけるy軸方向の長さL2よりも大きい。各セル支持孔221のy軸方向の長さL4及び各セル100のy軸方向の長さL2の差は、例えば0.1mm以上且つ1.0mm以下の範囲内である。   The length L4 in the y-axis direction in each cell support hole 221 is larger than the length L2 in the y-axis direction on the outer surface of the inflow side end 10a of each cell 100. The difference between the length L4 of each cell support hole 221 in the y-axis direction and the length L2 of each cell 100 in the y-axis direction is, for example, in the range of 0.1 mm or more and 1.0 mm or less.

また、各セル支持孔221におけるz軸方向の長さL5は、各セル100の流入側端部10aの側面におけるz軸方向の長さL3よりも大きい。各セル支持孔221のz軸方向の長さL5及び各セル100のz軸方向の長さL3の差は、例えば0.1mm以上且つ1.0mm以下の範囲内である。   In addition, the length L5 in the z-axis direction of each cell support hole 221 is larger than the length L3 in the z-axis direction on the side surface of the inflow side end 10a of each cell 100. The difference between the length L5 of each cell support hole 221 in the z-axis direction and the length L3 of each cell 100 in the z-axis direction is, for example, in the range of 0.1 mm or more and 1.0 mm or less.

すなわち、図5に示すように、各セル100の流入側端部10aが、各セル支持孔221に挿入された状態では、各セル支持孔221の内面と各セル100の流入側端部10aの外面との間には、隙間Gが形成される。隙間Gは、セル100の方向rに沿って、セル100の外周面周りに形成される。隙間Gは、全周にわたって一定であってもよいが一定でなくてもよい。この隙間Gには、接合材300が配置される。   That is, as shown in FIG. 5, in the state where the inflow side end portion 10 a of each cell 100 is inserted into each cell support hole 221, the inner surface of each cell support hole 221 and the inflow side end portion 10 a of each cell 100. A gap G is formed between the outer surface. The gap G is formed around the outer peripheral surface of the cell 100 along the direction r of the cell 100. The gap G may be constant over the entire circumference, but may not be constant. A bonding material 300 is disposed in the gap G.

<接合材>
接合材300は、例えば、結晶化ガラスで構成される。結晶化ガラスとしては、例えば、SiO−B系、SiO−CaO系、MgO−B系、又はSiO−MgO系のものが用いられる。なお、結晶化ガラスとしては、SiO−MgO系のものが最も好ましい。
<Bonding material>
The bonding material 300 is made of crystallized glass, for example. As the crystallized glass, for example, SiO 2 —B 2 O 3 type, SiO 2 —CaO type, MgO—B 2 O 3 type, or SiO 2 —MgO type is used. As the crystallized glass, it intended SiO 2 -MgO system is most preferred.

ここで用いられる結晶化ガラスは、全体積に対する「結晶相が占める体積」の割合(結晶化度)が60%以上であり、且つ全体積に対する「非晶質相及び不純物が占める体積」の割合が40%未満のガラスである。なお、接合材300の材料として、非晶質ガラス、ろう材、セラミックス等が採用されてもよい。   The crystallized glass used here has a ratio (crystallinity) of “volume occupied by the crystalline phase” to the total volume of 60% or more, and a ratio of “volume occupied by the amorphous phase and impurities” to the total volume. Is less than 40% glass. Note that amorphous glass, brazing material, ceramics, or the like may be employed as the material of the bonding material 300.

接合材300は、マニホールド200の内部空間S1の燃料ガスと、マニホールド200及び複数のセル100の外側の外部空間の空気との混合を防止する。具体的には、図4、図5、及び図6に示すように、接合材300は、マニホールド200と各セル100との間に配置され、マニホールド200と各セル100とを接合する。これにより、接合材300は、内部空間S1(燃料ガスに曝される空間)と外部空間(空気に曝される空間)とを区画する。すなわち、接合材300は、シール材として機能する。   The bonding material 300 prevents the fuel gas in the internal space S1 of the manifold 200 from mixing with the air in the external space outside the manifold 200 and the plurality of cells 100. Specifically, as illustrated in FIGS. 4, 5, and 6, the bonding material 300 is disposed between the manifold 200 and each cell 100 and bonds the manifold 200 and each cell 100. Thus, the bonding material 300 partitions the internal space S1 (space exposed to the fuel gas) and the external space (space exposed to air). That is, the bonding material 300 functions as a sealing material.

なお、図4、図5、及び図6では、説明を容易にするために、各部材の形状が誇張して描かれている。   In FIGS. 4, 5, and 6, the shape of each member is exaggerated for easy explanation.

図4及び図6に示すように、接合材300は、マニホールド200の各セル支持孔221と各セル100との隙間Gを、マニホールド200及び各セル100の外側から塞ぐように、隙間Gに充填される。   As shown in FIGS. 4 and 6, the bonding material 300 fills the gap G so that the gap G between each cell support hole 221 and each cell 100 of the manifold 200 is closed from the outside of the manifold 200 and each cell 100. Is done.

具体的には、図6に示すように、接合材300は、充填部301と、溜まり部302とを有する。充填部301は、隙間Gに配置される。充填部301は、x軸方向において、隙間Gの外部空間側(隙間Gの上部)に充填される。充填部301は、各セル100の流入側端部10aの外面、及びマニホールド200の各セル支持孔221の内面に接触して、両者を接合・固定する。   Specifically, as illustrated in FIG. 6, the bonding material 300 includes a filling portion 301 and a pool portion 302. The filling unit 301 is disposed in the gap G. The filling portion 301 is filled on the outer space side of the gap G (upper part of the gap G) in the x-axis direction. The filling portion 301 contacts the outer surface of the inflow side end portion 10a of each cell 100 and the inner surface of each cell support hole 221 of the manifold 200 to join and fix them.

この状態において、充填部301の下面は、各セル100の流入側端部10aの外面に対して、鈍角Dに形成されている。鈍角Dは、セル100の外面に沿う方向r(図5を参照)の全周において連続的に成立していてもよいが、方向rにおいて断続的に成立していてもよい。図6では、各セル100をxz平面で切断した断面における鈍角Dを、一例として、示している。これにより、充填部301の下面、及びセル100の流入側端部10aの外面によって構成される隅角部には、応力集中が発生しづらい。   In this state, the lower surface of the filling portion 301 is formed at an obtuse angle D with respect to the outer surface of the inflow side end portion 10 a of each cell 100. The obtuse angle D may be established continuously in the entire circumference in the direction r (see FIG. 5) along the outer surface of the cell 100, but may be established intermittently in the direction r. In FIG. 6, the obtuse angle D in the cross section which cut | disconnected each cell 100 by xz plane is shown as an example. Thereby, stress concentration is unlikely to occur at the corner portion constituted by the lower surface of the filling portion 301 and the outer surface of the inflow side end portion 10a of the cell 100.

溜まり部302は、隙間Gの外側において、各セル100の流入側端部10aの外面、及びマニホールド200の外面(支持板220における外部空間側の面)に接触して、両者を接合・固定する。   The pool portion 302 contacts the outer surface of the inflow side end portion 10a of each cell 100 and the outer surface of the manifold 200 (the surface on the outer space side of the support plate 220) outside the gap G, and joins and fixes them. .

隙間Gのx軸方向における充填部301の下方、すなわち隙間Gの内部空間側(隙間Gの下部)には、接合材300が未充填である未充填空間S2(空間の一例)が設けられている。言い換えると、未充填空間S2は、隙間Gの接合材300とマニホールド200の内部空間S1との間に設けられている。   An unfilled space S2 (an example of a space) in which the bonding material 300 is not filled is provided below the filling portion 301 in the x-axis direction of the gap G, that is, on the inner space side of the gap G (below the gap G). Yes. In other words, the unfilled space S <b> 2 is provided between the bonding material 300 in the gap G and the internal space S <b> 1 of the manifold 200.

上記のように接合材300が隙間Gに配置された状態では、図6に示すように、充填部301(隙間Gの接合材300)が、第1領域R1においてセル100に接触する。また、溜まり部302が、第2領域R2においてセル100に接触する。   In the state where the bonding material 300 is arranged in the gap G as described above, as shown in FIG. 6, the filling portion 301 (the bonding material 300 in the gap G) contacts the cell 100 in the first region R1. Further, the reservoir 302 is in contact with the cell 100 in the second region R2.

第1領域R1は、充填部301がセル100に接触する面である。第1領域R1は、セル100の外面に沿う方向rにおいて、セル100に接触し接着する。第1領域R1のx軸方向の長さは、第1接触長さC1によって定義される。   The first region R <b> 1 is a surface where the filling part 301 contacts the cell 100. The first region R1 contacts and adheres to the cell 100 in the direction r along the outer surface of the cell 100. The length of the first region R1 in the x-axis direction is defined by the first contact length C1.

第2領域R2は、溜まり部302がセル100に接触し接着する面である。第2領域R2は、セル100の外面に沿う方向rにおいて、セル100に接触し接着する。第2領域R2のx軸方向の長さは、第2接触長さC2によって定義される。   The second region R2 is a surface on which the pool portion 302 contacts and adheres to the cell 100. The second region R2 contacts and adheres to the cell 100 in the direction r along the outer surface of the cell 100. The length of the second region R2 in the x-axis direction is defined by the second contact length C2.

第1接触長さC1に対する第2接触長さC2の比(C2/C1)は、0.25以上29.80以下である。これによって、セル100とマニホールド200を接合材300で強固に接合できるとともに、接合材300におけるクラックを抑えてガスリークを抑制することができる。   The ratio (C2 / C1) of the second contact length C2 to the first contact length C1 is not less than 0.25 and not more than 29.80. As a result, the cell 100 and the manifold 200 can be firmly bonded with the bonding material 300, and cracks in the bonding material 300 can be suppressed to suppress gas leakage.

第1接触長さC1は特に制限されないが、接合材300のガスシール性を考慮すると、セル支持孔221の長さT0の5%以上であることが好ましい。第1接触長さC1は、例えば0.05mm以上2.0mm以下とすることができる。第2接触長さC2は特に制限されないが、接合材300のガスシール性を考慮すると、セル支持孔221の長さT0の5%以上であることが好ましい。第2接触長さC2は、例えば0.5mm以上1.5mm以下とすることができる。   The first contact length C1 is not particularly limited, but is preferably 5% or more of the length T0 of the cell support hole 221 in consideration of the gas sealability of the bonding material 300. The first contact length C1 can be set to, for example, 0.05 mm or more and 2.0 mm or less. The second contact length C2 is not particularly limited, but is preferably 5% or more of the length T0 of the cell support hole 221 in consideration of the gas sealing property of the bonding material 300. The second contact length C2 can be, for example, not less than 0.5 mm and not more than 1.5 mm.

ここで、第1接触長さC1は、次のように求められる。まず、図5に示す4つの測定位置M1〜M4において、セル100の外面に垂直な断面を観察して、接合材300の充填部301がセル100と接触する領域を確認する。測定位置M1,M2は、セル100の幅方向両端に位置し、互いに対向する。測定位置M3,M4は、セル100の幅方向中央両側に位置し、互いに対向する。次に、4つの測定位置M1〜M4それぞれにおいて、充填部301がセル100と接触する接触長さを測定する。そして、4つの測定位置M1〜M4で測定された接触長さの算術平均値を第1接触長さC1とする。   Here, the first contact length C1 is obtained as follows. First, at four measurement positions M1 to M4 shown in FIG. 5, a cross section perpendicular to the outer surface of the cell 100 is observed, and a region where the filling portion 301 of the bonding material 300 contacts the cell 100 is confirmed. The measurement positions M1 and M2 are located at both ends in the width direction of the cell 100 and face each other. The measurement positions M3 and M4 are located on both sides in the center in the width direction of the cell 100 and face each other. Next, at each of the four measurement positions M <b> 1 to M <b> 4, the contact length at which the filling unit 301 contacts the cell 100 is measured. The arithmetic average value of the contact lengths measured at the four measurement positions M1 to M4 is defined as a first contact length C1.

第2接触長さC2は、第1接触長さC1と同様、次のように求められる。まず、図5に示す4つの測定位置M1〜M4において、セル100の外面に垂直な断面を観察して、接合材300の溜まり部302がセル100と接触する領域を確認する。次に、4つの測定位置M1〜M4それぞれにおいて、溜まり部302がセル100と接触する接触長さを測定する。そして、4つの測定位置M1〜M4で測定された接触長さの算術平均値を第2接触長さC2とする。   Similar to the first contact length C1, the second contact length C2 is obtained as follows. First, at four measurement positions M1 to M4 shown in FIG. 5, a cross section perpendicular to the outer surface of the cell 100 is observed to confirm a region where the pool portion 302 of the bonding material 300 is in contact with the cell 100. Next, at each of the four measurement positions M <b> 1 to M <b> 4, the contact length at which the pool portion 302 contacts the cell 100 is measured. The arithmetic average value of the contact lengths measured at the four measurement positions M1 to M4 is defined as a second contact length C2.

図6に示すように、溜まり部302は、第3領域R3においてマニホールド200に接触する。第3領域R3は、溜まり部302がマニホールド200のうち支持板220の外面に接触し接着する。第3領域R3は、セル100の外面に沿う方向rにおいて、マニホールド200に接触し接着する。第3領域R3のz軸方向の長さは、第3接触長さC3によって定義される。   As shown in FIG. 6, the reservoir 302 is in contact with the manifold 200 in the third region R3. In the third region R <b> 3, the pool portion 302 contacts and adheres to the outer surface of the support plate 220 in the manifold 200. The third region R3 contacts and adheres to the manifold 200 in the direction r along the outer surface of the cell 100. The length of the third region R3 in the z-axis direction is defined by the third contact length C3.

第1接触長さC1に対する第3接触長さC3の比(C3/C1)は、0.05以上29.60以下が好ましい。これによって、接合材の強度をより向上させることができるため、接合材300からのガスリークをさらに抑制できる。   The ratio (C3 / C1) of the third contact length C3 to the first contact length C1 is preferably 0.05 or more and 29.60 or less. Thereby, since the strength of the bonding material can be further improved, gas leakage from the bonding material 300 can be further suppressed.

第3接触長さC3は特に制限されないが、例えば0.1mm以上1.5mm以下とすることができる。第3接触長さC3は、第1接触長さC1と同様、図5に示す4つの測定位置M1〜M4それぞれにおいて測定された接触長さの算術平均値である。   The third contact length C3 is not particularly limited, but may be, for example, 0.1 mm or more and 1.5 mm or less. The third contact length C3 is an arithmetic average value of the contact lengths measured at each of the four measurement positions M1 to M4 illustrated in FIG. 5, similarly to the first contact length C1.

図6に示すように、充填部301は、第4領域R4においてセル支持孔221に接触する。第4領域R4は、充填部301がマニホールド200のうちセル支持孔221の内周面に接触し接着する。第4領域R4は、セル100の外面に沿う方向rにおいて、マニホールド200に接触し接着する。第4領域R4のx軸方向の長さは、第4接触長さC4によって定義される。   As shown in FIG. 6, the filling part 301 contacts the cell support hole 221 in the fourth region R4. In the fourth region R4, the filling portion 301 contacts and adheres to the inner peripheral surface of the cell support hole 221 in the manifold 200. The fourth region R4 contacts and adheres to the manifold 200 in the direction r along the outer surface of the cell 100. The length of the fourth region R4 in the x-axis direction is defined by the fourth contact length C4.

第4接触長さC4は、第1接触長さC1とは異なっており、第1接触長さC1よりも短い。第4接触長さC4に対する第1接触長さC1の比(C1/C4)は、1.19以上39.40以下であることが好ましい。これによって、充填部301の内面をセル100の外面及びセル支持孔221の内周面それぞれに対して斜めに傾けることができる。従って、第1接触長さC1と第4接触長さC4が同じである場合に比べて、充填部301の内面とセル100の外面との境界付近や充填部301の内面とセル支持孔221の内周面との境界付近における応力集中が抑えられる。その結果、充填部301におけるクラックの発生が抑えられる。   The fourth contact length C4 is different from the first contact length C1, and is shorter than the first contact length C1. The ratio (C1 / C4) of the first contact length C1 to the fourth contact length C4 is preferably 1.19 or more and 39.40 or less. Accordingly, the inner surface of the filling portion 301 can be inclined with respect to the outer surface of the cell 100 and the inner peripheral surface of the cell support hole 221. Therefore, compared with the case where the first contact length C1 and the fourth contact length C4 are the same, the vicinity of the boundary between the inner surface of the filling portion 301 and the outer surface of the cell 100, the inner surface of the filling portion 301, and the cell support hole 221 Stress concentration near the boundary with the inner peripheral surface can be suppressed. As a result, the occurrence of cracks in the filling portion 301 is suppressed.

第4接触長さC4は特に制限されないが、例えば0.1mm以上1.5mm以下とすることができる。第4接触長さC4は、第1接触長さC1と同様、図5に示す4つの測定位置M1〜M4それぞれにおいて測定された接触長さの算術平均値である。   The fourth contact length C4 is not particularly limited, but may be, for example, 0.1 mm or more and 1.5 mm or less. The fourth contact length C4 is an arithmetic average value of the contact lengths measured at each of the four measurement positions M1 to M4 illustrated in FIG. 5, similarly to the first contact length C1.

また、隙間Gの間隔Kに対する第1接触長さC1の比(C1/K)は特に制限されないが、0.05以上であることが好ましい。これによって、ガスリークを適切に発生しにくくでき、且つセル100とセル支持孔221との接合力を適切に向上できる。隙間Gの間隔Kは、例えば0.1mm以上且つ1.0mm以下の範囲内に設定することができるが、これに限られるものではない。   Further, the ratio (C1 / K) of the first contact length C1 to the gap K of the gap G is not particularly limited, but is preferably 0.05 or more. As a result, it is difficult to appropriately generate gas leak, and the bonding force between the cell 100 and the cell support hole 221 can be appropriately improved. The gap K of the gap G can be set within a range of, for example, 0.1 mm or more and 1.0 mm or less, but is not limited thereto.

なお、各サンプルのセル支持孔221の形状のばらつき、各セル100の反りのばらつき、及び各セル100の主面の厚さのばらつき等の形状精度を考慮すると、隙間Gの間隔Kを0.1mm未満に設定することは容易ではない。また、隙間Gの間隔Kを、敢えて0.1mm未満に設定しようとすると製造コストが増大するおそれがある。このため、隙間Gの間隔Kは、0.1mm以上に設定することが好ましい。   In consideration of shape accuracy such as variation in the shape of the cell support hole 221 of each sample, variation in warpage of each cell 100, variation in thickness of the main surface of each cell 100, the interval K of the gap G is set to 0. It is not easy to set it to less than 1 mm. Further, if the gap K of the gap G is set to be less than 0.1 mm, the manufacturing cost may increase. For this reason, it is preferable to set the gap K of the gap G to 0.1 mm or more.

隙間Gの間隔Kは、次のように求められる。まず、図5に示す4つの測定位置M1〜M4において、セル100の外面に垂直な断面を観察して、隙間Gを確認する。次に、4つの測定位置M1〜M4それぞれにおいて、隙間Gの間隔を測定する。そして、4つの測定位置M1〜M4で測定された隙間Gの間隔の算術平均値を間隔Kとする。   The interval K of the gap G is obtained as follows. First, the cross section perpendicular to the outer surface of the cell 100 is observed at the four measurement positions M1 to M4 shown in FIG. Next, the gap G is measured at each of the four measurement positions M1 to M4. The arithmetic average value of the gap G measured at the four measurement positions M1 to M4 is defined as a gap K.

<その他の構造>
図4に示すように、スタック構造体1は、集電部材400,500をさらに有している。集電部材400は、隣接するセル100の間に設けられている。詳細には、集電部材400は、一方のセル100の燃料極と、他方のセル100の空気極とを電気的に直列に接続するために、隣接するセル100の間に設けられている。集電部材400は、例えば、金属メッシュ等から構成される。また、集電部材500は、各セル100に設けられている。詳細には、集電部材500は、各セル100の表側と裏側とを電気的に直列に接続するために、各セル100に設けられている。
<Other structures>
As shown in FIG. 4, the stack structure 1 further includes current collecting members 400 and 500. The current collecting member 400 is provided between the adjacent cells 100. Specifically, the current collecting member 400 is provided between adjacent cells 100 in order to electrically connect the fuel electrode of one cell 100 and the air electrode of the other cell 100 in series. The current collecting member 400 is made of, for example, a metal mesh. The current collecting member 500 is provided in each cell 100. Specifically, the current collecting member 500 is provided in each cell 100 in order to electrically connect the front side and the back side of each cell 100 in series.

<スタック構造体の動作>
上記のスタック構造体1は、例えば、次のように動作する。スタック構造体1では、高温(例えば、600〜800℃)の燃料ガス(水素ガス等)が、導入管230からマニホールド200の内部空間S1へと導入される。すると、この燃料ガスが、各セル100の燃料ガス流路11に導入される。そして、燃料ガスが燃料ガス流路11を通過すると、燃料ガス流路11の排出側端部の排出口から外部へと排出される。一方で、空気(酸素を含むガス等)が、隣接するセル100間の空間において、セル100のy軸方向に通過する。
<Operation of stack structure>
The stack structure 1 operates as follows, for example. In the stack structure 1, high-temperature (for example, 600 to 800 ° C.) fuel gas (hydrogen gas or the like) is introduced from the introduction pipe 230 into the internal space S <b> 1 of the manifold 200. Then, this fuel gas is introduced into the fuel gas channel 11 of each cell 100. When the fuel gas passes through the fuel gas passage 11, the fuel gas is discharged from the discharge port at the discharge side end of the fuel gas passage 11 to the outside. On the other hand, air (such as a gas containing oxygen) passes in the y-axis direction of the cell 100 in the space between the adjacent cells 100.

このように燃料ガス及び空気を移動させることによって、各発電素子部Aでは、酸素分圧差すなわち電位差が、固体電解質膜の表裏面間に生じる。この状態で、セル100が外部の負荷に電気的に接続されると、下記(1)、(2)式に示す化学反応が起こる。これにより、セル100内にて電流が流れて発電状態となる。この発電状態において、セル100から電力が取り出される。   By moving the fuel gas and air in this manner, in each power generating element portion A, an oxygen partial pressure difference, that is, a potential difference is generated between the front and back surfaces of the solid electrolyte membrane. In this state, when the cell 100 is electrically connected to an external load, chemical reactions represented by the following formulas (1) and (2) occur. Thereby, a current flows in the cell 100 and a power generation state is established. In this power generation state, power is extracted from the cell 100.

(1/2)・O+2e−→O− (於:空気極) …(1)
+O−→HO+2e− (於:燃料極) …(2)
<スタック構造体の組立て>
上述のスタック構造体1は、例えば、次のように組み立てられる。
(1/2) · O 2 + 2e− → O 2 − (in the air electrode) (1)
H 2 + O 2 − → H 2 O + 2e− (in the fuel electrode) (2)
<Assembly of stack structure>
The above-described stack structure 1 is assembled as follows, for example.

まず、セル100の流入側端部10aの表面に、接合材300と親和性の高い材料(以下、「親和性材料」という。)を塗布して熱処理(結晶化処理)する。   First, a material having high affinity with the bonding material 300 (hereinafter referred to as “affinity material”) is applied to the surface of the inflow side end portion 10a of the cell 100, and heat treatment (crystallization treatment) is performed.

この際、図6に示すように、流入側端部10aの表面のうちセル支持孔221に対向する領域における塗布長さT1と、その外側の領域における塗布長さT2とを調整することによって、第1接触長さC1に対する第2接触長さC2の比(C2/C1)を0.25以上29.80以下に制御できる。また、塗布長さT1を調整することによって、第4接触長さC4に対する第1接触長さC1の比(C1/C4)を1.19以上39.40以下に制御できる。さらに、塗布長さT2を調整することによって、第1接触長さC1に対する第3接触長さC3の比(C3/C1)を0.05以上29.60以下に制御できる。   At this time, as shown in FIG. 6, by adjusting the coating length T1 in the region facing the cell support hole 221 in the surface of the inflow side end 10a and the coating length T2 in the outer region, The ratio (C2 / C1) of the second contact length C2 to the first contact length C1 can be controlled to 0.25 or more and 29.80 or less. Further, by adjusting the coating length T1, the ratio (C1 / C4) of the first contact length C1 to the fourth contact length C4 can be controlled to 1.19 or more and 39.40 or less. Furthermore, the ratio (C3 / C1) of the third contact length C3 to the first contact length C1 can be controlled to 0.05 or more and 29.60 or less by adjusting the coating length T2.

次に、複数のセル100が、スタック状に整列された状態で、所定の治具等を用いて固定される。続いて、複数のセル100がスタック状に整列・固定された状態で、複数のセル100の流入側端部10aが、マニホールド200における複数のセル支持孔221に、各別に挿入される。   Next, the plurality of cells 100 are fixed using a predetermined jig or the like in a state of being arranged in a stack. Subsequently, the inflow side end portions 10a of the plurality of cells 100 are inserted into the plurality of cell support holes 221 in the manifold 200 separately with the plurality of cells 100 aligned and fixed in a stack.

続いて、接合材300が、マニホールド200及び各セル100の外側から隙間Gを塞ぐように供給されると、充填部301及び溜まり部302が形成される。このときに、セル100に塗布された塗布長さT1の親和性材料に対する接合材300の濡れ性が、マニホールド200のセル支持孔221の内表面に対する接合材300の濡れ性よりも高いため、図6に示すように、第1接触長さC1が第4接触長さC4よりも長くなる。また、セル100に塗布された塗布長さT2の親和性材料に対する接合材300の濡れ性が、マニホールド200の外表面に対する接合材300の濡れ性と異なるため、図6に示すように、第2接触長さC2と第3接触長さC3とがそれぞれ調整される。   Subsequently, when the bonding material 300 is supplied from the outside of the manifold 200 and each cell 100 so as to close the gap G, the filling portion 301 and the pool portion 302 are formed. At this time, the wettability of the bonding material 300 with respect to the affinity material having the coating length T1 applied to the cell 100 is higher than the wettability of the bonding material 300 with respect to the inner surface of the cell support hole 221 of the manifold 200. As shown in FIG. 6, the first contact length C1 is longer than the fourth contact length C4. In addition, since the wettability of the bonding material 300 with respect to the affinity material having the coating length T2 applied to the cell 100 is different from the wettability of the bonding material 300 with respect to the outer surface of the manifold 200, as shown in FIG. The contact length C2 and the third contact length C3 are adjusted respectively.

最後に、接合材300(例えば非晶質材料のペースト)に対して、熱処理(結晶化処理)が施される。この熱処理によって非晶質材料の温度が結晶化温度に到達すると、非晶質材料の内部において結晶相が生成され、接合材300が結晶化する。この結果、非晶質材料が固化・セラミックス化し、結晶化ガラスとなる。   Finally, a heat treatment (crystallization process) is performed on the bonding material 300 (for example, an amorphous material paste). When the temperature of the amorphous material reaches the crystallization temperature by this heat treatment, a crystal phase is generated inside the amorphous material, and the bonding material 300 is crystallized. As a result, the amorphous material is solidified and ceramicized to become crystallized glass.

これにより、この結晶化ガラスで構成される接合材300によって、各セル100の流入側端部10aがマニホールド200の各セル支持孔221に接合・固定される。言い換えると、各セル100の流入側端部10aが、接合材300によって、マニホールド200の支持板220に接合・支持される。その後、上述した所定の治具が複数のセル100から取り外され、スタック構造体1が完成する。   Thereby, the inflow side end portion 10 a of each cell 100 is joined and fixed to each cell support hole 221 of the manifold 200 by the joining material 300 made of the crystallized glass. In other words, the inflow side end portion 10 a of each cell 100 is joined and supported to the support plate 220 of the manifold 200 by the joining material 300. Thereafter, the predetermined jig described above is removed from the plurality of cells 100, and the stack structure 1 is completed.

<他の実施形態>
上述した実施形態では、充填部301がセル支持孔221と接触する第4接触長さC4が、充填部301がセル100と接触する第1接触長さC1よりも短いこととしたが、これに限られるものではない。例えば、図7に示すように、第4接触長さC4は、第1接触長さC1よりも長くてもよい。また、図示しないが、第4接触長さC4は、第1接触長さC1と同じであってもよい。
<Other embodiments>
In the above-described embodiment, the fourth contact length C4 at which the filling portion 301 contacts the cell support hole 221 is shorter than the first contact length C1 at which the filling portion 301 contacts the cell 100. It is not limited. For example, as shown in FIG. 7, the fourth contact length C4 may be longer than the first contact length C1. Although not shown, the fourth contact length C4 may be the same as the first contact length C1.

これらの場合であっても、第1接触長さC1に対する第2接触長さC2の比(C2/C1)を0.25以上29.80以下とすることによって、接合材300におけるクラックを抑えてガスリークを抑制することができる。   Even in these cases, cracks in the bonding material 300 can be suppressed by setting the ratio (C2 / C1) of the second contact length C2 to the first contact length C1 to 0.25 or more and 29.80 or less. Gas leak can be suppressed.

なお、第1接触長さC1に対する第2接触長さC2の比は、図7に示すように、接合材300を隙間Gに充填する前にセル支持孔221の内周面に予め塗布される親和性材料の塗布長さT4によって調整することができる。   The ratio of the second contact length C2 to the first contact length C1 is applied in advance to the inner peripheral surface of the cell support hole 221 before filling the gap G with the bonding material 300, as shown in FIG. It can be adjusted by the application length T4 of the affinity material.

以下において本発明に係るセルの実施例について説明するが、本発明は以下に説明する実施例に限定されるものではない。   Examples of the cell according to the present invention will be described below, but the present invention is not limited to the examples described below.

(サンプルNo.1〜No.14の作製)
以下のようにして、サンプルNo.1〜No.14の燃料電池スタック構造体を作製した。サンプルNo.1〜No.14は、図6に示した構成を有する
まず、長さ200mm、幅50mm、厚み2mmのセルを準備した。セルの外面は、YSZシール膜によって覆われている。セルの内部には、燃料流路が形成されている。
(Production of sample No. 1 to No. 14)
Sample no. 1-No. Fourteen fuel cell stack structures were produced. Sample No. 1-No. 14 has the configuration shown in FIG. 6. First, a cell having a length of 200 mm, a width of 50 mm, and a thickness of 2 mm was prepared. The outer surface of the cell is covered with a YSZ seal film. A fuel flow path is formed inside the cell.

次に、セルの一端部の外面全周に親和性材料としての非晶質材料のペーストを塗布した後、熱処理(850℃、1時間)することによって親和性材料を結晶化した。この際、図6に示したように、セル支持孔に対向する領域における塗布長さT1と、その外側の領域における塗布長さT2とを調整することによって、表1に示すように、接合材の充填部とセルとの第1接触長さC1と、接合材の溜まり部とセルとの第2接触長さC2と、接合材の溜まり部とマニホールドとの第3接触長さC3とをサンプルごとに変更した。   Next, after applying an amorphous material paste as an affinity material to the entire outer surface of one end of the cell, the affinity material was crystallized by heat treatment (850 ° C., 1 hour). At this time, as shown in Table 1, by adjusting the coating length T1 in the region facing the cell support hole and the coating length T2 in the outer region as shown in FIG. A first contact length C1 between the filling portion and the cell, a second contact length C2 between the joint material reservoir and the cell, and a third contact length C3 between the joint material reservoir and the manifold. Changed every time.

次に、セル支持孔を有するステンレス鋼製のマニホールドを準備して、セルの一端部をセル支持孔に挿入した。   Next, a stainless steel manifold having a cell support hole was prepared, and one end of the cell was inserted into the cell support hole.

次に、接合材としての非晶質材料のペーストをセルとセル支持孔の隙間に充填した後、熱処理(850℃、1時間)することによって接合材を結晶化した。   Next, after filling the gap between the cell and the cell support hole with a paste of an amorphous material as a bonding material, the bonding material was crystallized by heat treatment (850 ° C., 1 hour).

(サンプルNo.15〜No.28の作製)
以下のようにして、サンプルNo.15〜No.28の燃料電池スタック構造体を作製した。サンプルNo.15〜No.28は、図7に示した構成を有する
まず、長さ200mm、幅50mm、厚み2mmのセルを準備した。セルの外面は、YSZシール膜によって覆われている。セルの内部には、燃料流路が形成されている。
(Production of sample No. 15 to No. 28)
Sample no. 15-No. 28 fuel cell stack structures were prepared. Sample No. 15-No. 28 has the configuration shown in FIG. 7. First, a cell having a length of 200 mm, a width of 50 mm, and a thickness of 2 mm was prepared. The outer surface of the cell is covered with a YSZ seal film. A fuel flow path is formed inside the cell.

次に、セル支持孔を有するステンレス鋼製のマニホールドを準備した。   Next, a stainless steel manifold having cell support holes was prepared.

次に、セル支持孔の内周面全周に親和性材料としての非晶質材料のペーストを塗布した後、熱処理(850℃、1時間)することによって親和性材料を結晶化した。この際、図7に示したように、セルの外面における塗布長さT2と、セル支持孔221の内周面における塗布長さT4とを調整することによって、表2に示すように、接合材の充填部とセルとの第1接触長さC1と、接合材の溜まり部とセルとの第2接触長さC2と、接合材の溜まり部とマニホールドとの第3接触長さC3とをサンプルごとに変更した。   Next, after applying a paste of an amorphous material as an affinity material to the entire inner peripheral surface of the cell support hole, the affinity material was crystallized by heat treatment (850 ° C., 1 hour). At this time, as shown in Table 2, as shown in Table 2, by adjusting the coating length T2 on the outer surface of the cell and the coating length T4 on the inner peripheral surface of the cell support hole 221, as shown in FIG. A first contact length C1 between the filling portion and the cell, a second contact length C2 between the joint material reservoir and the cell, and a third contact length C3 between the joint material reservoir and the manifold. Changed every time.

次に、セルの一端部をセル支持孔に挿入した。   Next, one end of the cell was inserted into the cell support hole.

次に、接合材としての非晶質材料のペーストをセルとセル支持孔の隙間に充填した後、熱処理(850℃、1時間)することによって接合材を結晶化した。   Next, after filling the gap between the cell and the cell support hole with a paste of an amorphous material as a bonding material, the bonding material was crystallized by heat treatment (850 ° C., 1 hour).

(接合材の観察)
まず、各サンプルにおいて、セルの幅方向両端の2箇所とセルの幅方向中央両側の2箇所とにおけるセルの外面に垂直な断面を露出させた。
(Observation of bonding material)
First, in each sample, a cross section perpendicular to the outer surface of the cell was exposed at two places on both ends in the width direction of the cell and two places on both sides in the center in the width direction of the cell.

次に、各サンプルの4つの断面を、走査型電子顕微鏡(日本電子社製、型式JSM6610LV)で観察することによって、第1乃至第3接触長さC1〜C3を算出した。第1乃至第3接触長さC1〜C3は、4つの断面それぞれにおける測定値の算術平均値である。算出結果を表1及び表2にまとめて示す。   Next, the first to third contact lengths C1 to C3 were calculated by observing four cross sections of each sample with a scanning electron microscope (manufactured by JEOL Ltd., model JSM6610LV). The first to third contact lengths C1 to C3 are arithmetic average values of measured values in each of the four cross sections. The calculation results are summarized in Table 1 and Table 2.

(接合材形成後のガスリーク試験)
各サンプルの燃料流路の出口をゴムキャップで封止した後、加圧した燃料ガスをマニホールドに導入した。
(Gas leak test after bonding material formation)
After the outlet of the fuel flow path of each sample was sealed with a rubber cap, pressurized fuel gas was introduced into the manifold.

次に、各サンプルを液体中に浸漬させて、接合材から気泡が発生するか否かを目視で観察した。表1及び表2では、気泡が発生したサンプルが「リークあり」と評価され、気泡が発生しなかったサンプルが「リークなし」と評価されている。   Next, each sample was immersed in a liquid, and whether or not bubbles were generated from the bonding material was visually observed. In Tables 1 and 2, samples in which bubbles are generated are evaluated as “leak”, and samples in which bubbles are not generated are evaluated as “no leak”.

(熱サイクル試験後のガスリーク試験)
各サンプルの燃料流路に還元性の燃料ガスを流通させながら、雰囲気温度を2時間で常温から750度まで上昇させた後、4時間で常温まで低下させる工程を10サイクル繰り返した。
(Gas leak test after thermal cycle test)
The process of raising the ambient temperature from room temperature to 750 ° C. in 2 hours and reducing it to room temperature in 4 hours was repeated 10 cycles while reducing fuel gas was circulated through the fuel flow path of each sample.

次に、各サンプルの燃料流路の出口をゴムキャップで封止した後、加圧した燃料ガスをマニホールドに導入した。   Next, after the outlet of the fuel flow path of each sample was sealed with a rubber cap, pressurized fuel gas was introduced into the manifold.

次に、各サンプルを液体中に浸漬させて、接合材から気泡が発生するか否かを目視で観察した。表1及び表2では、気泡が発生したサンプルが「リークあり」と評価され、気泡が発生しなかったサンプルが「リークなし」と評価されている。   Next, each sample was immersed in a liquid, and whether or not bubbles were generated from the bonding material was visually observed. In Tables 1 and 2, samples in which bubbles are generated are evaluated as “leak”, and samples in which bubbles are not generated are evaluated as “no leak”.

表1および表2に示すように、第1接触長さC1に対する第2接触長さC2の比(C2/C1)を0.25以上29.80以下としたサンプルNo.3〜12,17〜26では、接合材形成後における接合材からのガスリークを抑制できた。これは、第1接触長さC1に対する第2接触長さC2の比を適正値に制御することによって、セルとマニホールドを接合材で強固に接合でき、かつ、接合材におけるクラックを抑えることができたためである。   As shown in Table 1 and Table 2, the sample No. 1 in which the ratio (C2 / C1) of the second contact length C2 to the first contact length C1 was 0.25 to 29.80. In 3-12, 17-26, the gas leak from the joining material after joining material formation was able to be suppressed. This is because, by controlling the ratio of the second contact length C2 to the first contact length C1 to an appropriate value, the cell and the manifold can be firmly bonded with the bonding material, and cracks in the bonding material can be suppressed. This is because.

また、表1および表2に示すように、サンプルNo.3〜12,17〜26のうち、第1接触長さC1に対する第3接触長さC3の比(C3/C1)を0.05以上29.60以下としたサンプルNo.4〜11,18〜25では、熱サイクル試験後においても、接合材からのガスリークを抑制できた。これは、第1接触長さC1に対する第3接触長さC3の比を適正値に制御することによって、接合材の強度をより向上させることができたためである。   As shown in Tables 1 and 2, Sample No. 3 to 12 and 17 to 26, the sample No. 1 was set such that the ratio (C3 / C1) of the third contact length C3 to the first contact length C1 was 0.05 or more and 29.60 or less. In 4 to 11 and 18 to 25, gas leakage from the bonding material could be suppressed even after the thermal cycle test. This is because the strength of the bonding material could be further improved by controlling the ratio of the third contact length C3 to the first contact length C1 to an appropriate value.

燃料電池のスタック構造体に広く適用可能である。   The present invention can be widely applied to fuel cell stack structures.

1 スタック構造体
100 セル
200 マニホールド
221 セル支持孔
300,300a 接合材
10 支持基板
11 燃料ガス流路
A 発電素子部
C1 第1接触長さ
C2 第2接触長さ
C3 第3接触長さ
C4 第4接触長さ
G 隙間
K 隙間の間隔
S1 内部空間
S2 未充填空間
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Stack structure 100 Cell 200 Manifold 221 Cell support hole 300,300a Joining material 10 Support substrate 11 Fuel gas flow path A Power generation element part C1 1st contact length C2 2nd contact length C3 3rd contact length C4 4th Contact length G Gap K Gap spacing S1 Internal space S2 Unfilled space

Claims (2)

燃料電池セルと、
前記燃料電池セルが挿入されるセル支持孔を有するマニホールドと、
前記燃料電池セルと前記マニホールドとを接合する接合材と、
を備え、
前記接合材は、前記燃料電池セルと前記セル支持孔との隙間に配置される充填部と、前記充填部の外側に配置される溜まり部とを有し、
前記燃料電池セルの外面に垂直な断面において、前記充填部と前記燃料電池セルとの第1接触長さに対する、前記溜まり部と前記燃料電池セルとの第2接触長さの比は、0.25以上29.80以下である、
燃料電池のスタック構造体。
A fuel cell;
A manifold having a cell support hole into which the fuel cell is inserted;
A bonding material for bonding the fuel cell and the manifold;
With
The bonding material includes a filling portion disposed in a gap between the fuel battery cell and the cell support hole, and a pool portion disposed outside the filling portion,
In a cross section perpendicular to the outer surface of the fuel cell, the ratio of the second contact length between the reservoir and the fuel cell to the first contact length between the filling portion and the fuel cell is 0. 25 or more and 29.80 or less,
Fuel cell stack structure.
前記燃料電池セルの外面に垂直な断面において、前記第1接触長さに対する、前記溜まり部と前記マニホールドとの第3接触長さの比は、0.05以上29.60以下である、
請求項1に記載の燃料電池のスタック構造体。
In the cross section perpendicular to the outer surface of the fuel cell, the ratio of the third contact length between the reservoir and the manifold to the first contact length is 0.05 to 29.60.
The fuel cell stack structure according to claim 1.
JP2016154309A 2015-08-11 2016-08-05 Fuel cell stack structure Active JP6043456B1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015158914 2015-08-11
JP2015158914 2015-08-11

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP6043456B1 JP6043456B1 (en) 2016-12-14
JP2017037838A true JP2017037838A (en) 2017-02-16

Family

ID=57543935

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2016154309A Active JP6043456B1 (en) 2015-08-11 2016-08-05 Fuel cell stack structure

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6043456B1 (en)

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4587659B2 (en) * 2003-11-26 2010-11-24 京セラ株式会社 Manufacturing method of fuel cell stack
JP5662613B1 (en) * 2013-07-10 2015-02-04 日本碍子株式会社 Fuel cell stack structure
JP5985770B2 (en) * 2015-02-05 2016-09-06 日本碍子株式会社 Fuel cell stack structure

Also Published As

Publication number Publication date
JP6043456B1 (en) 2016-12-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5985771B1 (en) Fuel cell stack structure
JP5877235B1 (en) Fuel manifold
JP5985769B2 (en) Fuel cell stack structure
JP5883191B1 (en) Fuel manifold
JP5873949B1 (en) Fuel manifold
JP5925400B1 (en) Fuel cell stack structure
JP6043455B1 (en) Fuel cell stack structure
JP6134048B1 (en) Manifold and fuel cell stack structure
JP5985770B2 (en) Fuel cell stack structure
JP6419382B1 (en) Cell stack device
JP6043456B1 (en) Fuel cell stack structure
JP5925399B1 (en) Fuel cell stack structure
JP6599696B2 (en) Cell stack device, module and module housing device
JP6114458B1 (en) Manifold and fuel cell stack structure
JP5883537B1 (en) Fuel cell stack structure
JP6480065B1 (en) Manifold and cell stack equipment
JP6480064B1 (en) Manifold and cell stack equipment
JP5736915B2 (en) Fuel cell
JP2019016538A (en) Cell stack device
JP2019016540A (en) Manifold and cell stack device
JP6608084B1 (en) Electrochemical cell stack
JP2018092842A (en) Fuel cell stack
JP6378741B2 (en) Fuel cell stack
JP2020072000A (en) Cell stack device
JP2020107589A (en) Cell stack of fuel cell

Legal Events

Date Code Title Description
A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20160913

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20161011

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20161101

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20161111

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6043456

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150