JP2018018628A - Cell stack device, fuel cell module, and fuel cell device - Google Patents
Cell stack device, fuel cell module, and fuel cell device Download PDFInfo
- Publication number
- JP2018018628A JP2018018628A JP2016146445A JP2016146445A JP2018018628A JP 2018018628 A JP2018018628 A JP 2018018628A JP 2016146445 A JP2016146445 A JP 2016146445A JP 2016146445 A JP2016146445 A JP 2016146445A JP 2018018628 A JP2018018628 A JP 2018018628A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- cell
- region
- thermal expansion
- fuel cell
- sealing material
- 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
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Description
本発明は、セルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置に関する。 The present invention relates to a cell stack device, a fuel cell module, and a fuel cell device.
近年、次世代エネルギーとして、燃料ガス(水素含有ガス)と酸素含有ガス(空気)とを用いて電力を得ることができるセルである燃料電池セルを複数個配列してなるセルスタック装置が知られている。また、セルスタック装置を収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールや、燃料電池モジュールを外装ケース内に収納してなる燃料電池装置が種々提案されている(例えば、特許文献1参照。)。 2. Description of the Related Art In recent years, a cell stack device in which a plurality of fuel battery cells, which are cells capable of obtaining electric power using a fuel gas (hydrogen-containing gas) and an oxygen-containing gas (air), are arranged as next-generation energy is known. ing. Various fuel cell modules in which a cell stack device is housed in a storage container and fuel cell devices in which a fuel cell module is housed in an outer case have been proposed (see, for example, Patent Document 1).
このようなセルスタック装置としては、燃料電池セルの一端をマニホールドにシール材にて固定することで構成されている。(例えば、特許文献2参照。)
Such a cell stack device is configured by fixing one end of a fuel cell to a manifold with a sealing material. (For example, see
上述のようなセルスタック装置においては、燃料電池セルとシール材との熱膨張差により、燃料電池セルとシール材との接合部に生じた応力によって、クラックが発生する恐れがあった。 In the cell stack apparatus as described above, cracks may occur due to the stress generated at the joint between the fuel cell and the sealing material due to the difference in thermal expansion between the fuel cell and the sealing material.
それゆえ、本発明は、クラックの発生を抑制し、信頼性の向上したセルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Therefore, an object of the present invention is to provide a cell stack device, a fuel cell module, and a fuel cell device that suppress the occurrence of cracks and have improved reliability.
本発明のセルスタック装置は、複数個の柱状のセルが配列されてなるセルスタックと、前記複数個のセルに反応ガスを供給するためのマニホールドと、前記複数個のセルの一端を前記マニホールドに固定するためのガラスからなるシール材とを具備し、前記シール材の熱膨張係数は前記セルの熱膨張係数より大きく、前記セルの長手方向における前記マニホールドの外側に位置する外側領域と、前記セルの長手方向における前記マニホールドの内側に位置する内側領域とを有し、前記内側領域と前記セルとの熱膨張係数の差は、前記外側領域と前記セルとの熱膨張係数の差より、小さいことを特徴とする。 The cell stack device of the present invention includes a cell stack in which a plurality of columnar cells are arranged, a manifold for supplying a reaction gas to the plurality of cells, and one end of the plurality of cells in the manifold. A sealing material made of glass for fixing, and the thermal expansion coefficient of the sealing material is larger than the thermal expansion coefficient of the cell, the outer region located outside the manifold in the longitudinal direction of the cell, and the cell An inner region located on the inner side of the manifold in the longitudinal direction, and a difference in thermal expansion coefficient between the inner region and the cell is smaller than a difference in thermal expansion coefficient between the outer region and the cell. It is characterized by.
本発明の燃料電池モジュールは、上記セルスタック装置を、収納容器内に収納してなることを特徴とする。 The fuel cell module of the present invention is characterized in that the cell stack device is stored in a storage container.
本発明の燃料電池装置は、上記燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールを作動させるための補機とを、外装ケース内に収納してなることを特徴とする。 The fuel cell device of the present invention is characterized in that the fuel cell module and an auxiliary machine for operating the fuel cell module are housed in an outer case.
本発明のセルスタック装置は、信頼性の向上したセルスタック装置とすることができる。 The cell stack device of the present invention can be a cell stack device with improved reliability.
また、本発明の燃料電池モジュールは、信頼性の向上した燃料電池モジュールとするこ
とができる。
The fuel cell module of the present invention can be a fuel cell module with improved reliability.
さらに、本発明の燃料電池装置は、信頼性の向上した燃料電池装置とすることができる。 Furthermore, the fuel cell device of the present invention can be a fuel cell device with improved reliability.
以下、図面を用いて本実施形態のセルスタック装置について説明する。図1は、本実施形態のセルスタック装置を示し、(a)はセルスタック装置を概略的に示す縦断面図、(b)は(a)の一部を拡大して示す横断面図である。なお、以降の図において同一の構成については同一の符号を用いて説明する。 Hereinafter, the cell stack device of this embodiment will be described with reference to the drawings. 1A and 1B show a cell stack device according to the present embodiment, in which FIG. 1A is a longitudinal sectional view schematically showing the cell stack device, and FIG. 1B is a transverse sectional view showing a part of FIG. . In the following drawings, the same components are described using the same reference numerals.
なお、図1に示すセルスタック装置は、セルである燃料電池セルを複数個配列してなる燃料電池セルスタック装置であり、以下の説明では、セルとして燃料電池セルを例として説明する。 The cell stack device shown in FIG. 1 is a fuel cell stack device in which a plurality of fuel cells that are cells are arranged. In the following description, a fuel cell is described as an example.
図1に示すセルスタック装置1は、柱状の複数の燃料電池セル3を備えるセルスタック2を有している。燃料電池セル3は、内部にガス流路14を有して、一対の対向する平坦面をもつ断面が扁平状で全体として柱状の導電性支持体13の一方の平坦面上に、内側電極層としての燃料極層9と、固体電解質層10と、外側電極層としての空気極層11とを順次積層してなるとともに、他方の平坦面のうち空気極層11が形成されていない部位にインターコネクタ12が積層されている。そして、隣接する燃料電池セル3間に導電部材4を介して配置することで、燃料電池セル3同士が電気的に直列に接続される。なお、インターコネクタ12の外面および空気極層11の外面には、導電性の接合材15が設けられており、導電部材4を、接合材15を介して空気極層11およびインターコネクタ12に接続させることより、両者の接触がオーム接触となって電位降下を少なくし、導電性能の低下を有効に抑制することができる。
A
そして、セルスタック2を構成する各燃料電池セル3の下端が、燃料電池セル3に反応ガスを供給するためのマニホールド7にガラス等のシール材16により固定されている。なお、シール材16については後述する。また、図1に示すセルスタック装置1においては、ガス流路14にマニホールド7より反応ガスとして水素含有ガス(燃料ガス)を供給する場合の例を示しており、マニホールド7の側面に、燃料ガスをマニホールド7内に供給するための燃料ガス供給管8が接続されている。
And the lower end of each
また、燃料電池セル3の配列方向(図1に示すX方向)の両端から導電部材4を介してセルスタック2を挟持しており、マニホールド7に下端が固定されている弾性変形可能な端部導電部材5を具備している。ここで、図1に示す端部導電部材5においては、燃料電池セル3の配列方向に沿って外側に向けて延びた形状の、セルスタック2(燃料電池セル3)の発電により生じる電流を外部へ引出すための電流引出し部6が設けられている。
In addition, the elastically deformable end portion that sandwiches the
ちなみに、上記セルスタック装置1においては、ガス流路14より排出される燃料ガス
(余剰の燃料ガス)を燃料電池セル3の上端部側で燃焼させる構成とすることにより燃料電池セル3の温度を上昇させることができる。それにより、セルスタック装置1の起動を早めることができる。
By the way, in the
マニホールド7は、ガスケース7bとガスケース7b上に配置され、開口部を備える枠体7aとを有している。燃料電池セル3の下端部は枠体7aで囲まれており、枠体7aの内側に充填されたシール材16で燃料電池セル3の下端部が固定されている。ガスケース7bは、燃料電池セル3のガス流路14に燃料ガスを供給する開口部を上面に有している。枠体7a及びガスケース7bの開口部は、燃料電池セル3及びシール材16により塞がれている。これにより、燃料電池セル3のガス流路14以外の部分が気密に封止されている。
The
また、シール材16としては、絶縁性を有し、800〜1000℃の耐熱性を有する材料であることが好ましく、例えばガラス(特には非晶質なガラスや、結晶質を含むガラス)を用いることができる。具体的にはSiO2−MgO−B2O3−Al2O3−CaO系や、SiO2−MgO−B2O5−ZnO系を用いることができる。
The sealing
なお、枠体7aに代えてそれぞれの燃料電池セル3の下端に対応した挿入口を有する蓋状部材(図示せず)をガスケース7bに設けたものであってもよい。当該場合には、燃料電池セル3はシール材16によって挿入口に固定されている。
Instead of the
以下に、図1において示す燃料電池セル3を構成する各部材について説明する。
Below, each member which comprises the
燃料極層9は、一般的に公知のものを使用することができ、例えば、多孔質の導電性セラミックス、例えば希土類元素酸化物が固溶しているZrO2(安定化ジルコニアと称し、部分安定化も含むものとする。)とNiおよび/またはNiOとを含むものを用いることができる。
As the
固体電解質層10は、電極間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有していると同時に、燃料ガスと酸素含有ガスとのリークを防止するためにガス遮断性を有しており、例えば、3〜15モル%の希土類元素酸化物が固溶したZrO2から形成される。なお、上記特性を有する限りにおいては、他の材料を用いてもよい。 The solid electrolyte layer 10 has a function as an electrolyte for bridging electrons between electrodes, and at the same time has a gas barrier property to prevent leakage between the fuel gas and the oxygen-containing gas. 3 to 15 mol% of rare earth element oxide is formed from ZrO 2 as a solid solution. In addition, as long as it has the said characteristic, you may use another material.
空気極層11は、一般的に用いられるものであれば特に制限はなく、例えば、いわゆるABO3型のペロブスカイト型酸化物からなる導電性セラミックスを用いることができる。空気極層11はガス透過性を有しており、例えば開気孔率が20%以上、特に30〜50%の範囲にあることが好ましい。
The
インターコネクタ12は、導電性セラミックスを用いることができる。インターコネクタ12は、燃料ガス(水素含有ガス)および酸素含有ガス(空気等)と接触するため、耐還元性及び耐酸化性を有することが必要であり、それゆえランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物(LaCrO3系酸化物)が好適に使用される。インターコネクタ12は導電性支持体13に形成された複数のガス流路14を流通する燃料ガス、および導電性支持体13の外側を流通する酸素含有ガスのリークを防止するために緻密質であり、例えば93%以上、特に95%以上の相対密度を有していることが好ましい。
The
導電性支持体13としては、燃料ガスを燃料極層9まで透過するためにガス透過性であり、インターコネクタ12を介して集電するために導電性である。したがって、導電性支持体13としては、例えば導電性セラミックスやサーメット等を用いることができる。燃料電池セル3を作製するにあたり、燃料極層9または固体電解質層10との同時焼成によ
り導電性支持体13を作製する場合においては、鉄属金属成分と特定希土類酸化物(Y2O3、Yb2O3等)とから導電性支持体13を形成することが好ましい。また、導電性支持体13は、ガス透過性を備えるために開気孔率が30%以上、特に35〜50%の範囲にあるのが好適であり、そしてまたその導電率は300S/cm以上、特に440S/cm以上であるのが好ましい。
The
なお、図示はしていないが、中間層を備えることもできる。これにより、固体電解質層10と空気極層11との接合を強固とするとともに、固体電解質層10と空気極層11との間に、固体電解質層10の成分と空気極層11の成分とが反応して電気抵抗の高い反応層が形成されることを抑制することができる。
Although not shown, an intermediate layer may be provided. As a result, the solid electrolyte layer 10 and the
ここで、中間層としては、Ce(セリウム)と他の希土類元素とを含有する組成とすることができ、例えば、
(1):(CeO2)1−x(REO1.5)x
式中、REはSm、Y、Yb、Gdの少なくとも1種であり、xは0<x≦0.3を満足する数。
で表される組成を有していることが好ましい。さらには、電気抵抗を低減するという点から、REとしてSmやGdを用いることが好ましく、例えば10〜20モル%のSmO1.5またはGdO1.5が固溶したCeO2からなることが好ましい。
Here, the intermediate layer may have a composition containing Ce (cerium) and other rare earth elements, for example,
(1): (CeO 2 ) 1-x (REO 1.5 ) x
In the formula, RE is at least one of Sm, Y, Yb, and Gd, and x is a number that satisfies 0 <x ≦ 0.3.
It is preferable to have the composition represented by these. Furthermore, from the viewpoint of reducing electrical resistance, it is preferable to use Sm or Gd as RE, for example, it is preferably made of CeO 2 in which 10 to 20 mol% of SmO 1.5 or GdO 1.5 is dissolved. .
また、中間層を2層とすることもできる。これにより、固体電解質層10と空気極層11とを強固に接合するとともに、固体電解質層10の成分と空気極層11の成分とが反応して電気抵抗の高い反応層が形成されることをさらに抑制することができる。
Also, the intermediate layer can be made into two layers. As a result, the solid electrolyte layer 10 and the
また、図示はしていないが、インターコネクタ12と導電性支持体13との間に密着層を設けることもできる。これにより、インターコネクタ12と導電性支持体13との間の熱膨張係数差を軽減することができる。
Although not shown, an adhesion layer can be provided between the interconnector 12 and the
密着層としては、燃料極層9と類似した組成とすることができ、例えば、YSZなどの希土類元素酸化物が固溶しているZrO2(安定化ジルコニアと称する)とNiおよび/またはNiOとすることができる。なお、希土類元素酸化物が固溶したZrO2と、Niおよび/またはNiOとは、体積比で40:60〜60:40の範囲とすることが好ましい。
The adhesion layer can have a composition similar to that of the
図2は、図1に示す破線Aの部位を拡大して示す断面図である。なお図2においては、断面図であるが、シール材16及び燃料電池セル3のハッチングは省略している。
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a portion indicated by a broken line A shown in FIG. 2 is a cross-sectional view, but the sealing
シール材16は、燃料電池セル3の配列方向、かつ燃料電池セル3の長手方向における断面視において、マニホールド7外に漂うガスに晒される表面が凹型のメニスカス形状とされており、燃料電池セル3間の中央部付近に底部17を有し、底部17から燃料電池セル3に向けて這い上がる凹状の外形線を有している。
The sealing
ここで、燃料電池セル3及びシール材16は温度変化によって体積変化が生じる。特に、燃料電池セル3とシール材16の熱膨張係数に差が大きいと、燃料電池セル3とシール材16との接合部に過大な応力が生じ、接合部付近のシール材16にクラックが生じるおそれがあった。ひいては、マニホールド7内の燃料ガスがリークし、信頼性が低下するおそれがあった。
Here, the
特に、マニホールド7内は、燃料電池装置の起動及び停止の繰り返しにより大きな温度変化を伴うこととなる。すわわち、燃料電池セル3とシール材16との接合部にかかる応
力は、マニホールド側の方が特に大きくなる。
In particular, the inside of the
そこで、本実施形態に係るシール材16は、シール材16の熱膨張係数は前記セルの熱膨張係数より大きく、燃料電池セル3の長手方向におけるマニホールド7の外側に位置する外側領域16bと、燃料電池セル3の長手方向におけるマニホールド7の内側に位置する内側領域16aとを有し、内側領域16aと燃料電池セル3との熱膨張係数の差は、外側領域16bと燃料電池セル3との熱膨張係数の差より、小さいことを特徴とする。
Therefore, the sealing
それにより、燃料電池セル3とシール材16との接合部にかかる応力を低減し、クラックの発生を抑制することができる。ひいては、マニホールド7内の燃料ガスのリークを抑制し、信頼性を向上することができる。
Thereby, the stress concerning the junction part of the
ちなみに、外側領域16bの熱膨張係数を比較的高くすることにより、燃料電池セル3と外側領域16bとの境界に圧縮応力をかけることができるため、燃料電池セル3の熱変形や、還元雰囲気下での変形に伴う剥離によるクラックを抑制することができる。
Incidentally, by making the thermal expansion coefficient of the
ここで、シール材16の内側領域16aとは、燃料電池セル3間のシール材のうち、マニホールド7内のガス(本実施例においては燃料ガス)に晒される側に位置する領域(図2にける下側領域)をいい、外側領域16bとは、燃料電池セル3間のシール材のうち、マニホールド7外のガス(本実施例においては酸素含有ガス)に晒される側に位置する領域(図2における上側領域)をいう。ここで、内側領域16aと外側領域16bとは、図2におけるシール材16の下端18aから上端18bまでの長さを四等分する三つの区画線(図2における二点鎖線)のうち最も下端18a側の線(図2における線C)を基準として、区画すればよい。言い換えれば、シール材16の高さの1/4までが内側領域16aであり、内側領域16aより上側が外側領域16bである。
Here, the
「シール材の熱膨張係数はセルの熱膨張係数より大きく」とは、シール材16の内側領域16a全体及び外側領域16b全体の熱膨張係数が燃料電池セル3全体の熱膨張係数より大きいことを意味する。
“The thermal expansion coefficient of the sealing material is larger than the thermal expansion coefficient of the cell” means that the thermal expansion coefficient of the entire
なお、シール材16の内側領域16aと外側領域16bの熱膨張係数とを比較評価するにあたっては、以下の方法により行うことができる。まず、領域毎に任意の100μm2の測定領域を合計三つ抽出する。次いで、抽出した測定領域の組成分析をWDS等により行い、特定領域の組成比及び結晶相を特定する。次いで、当該組成比及び結晶相を有するサンプルを作製し、熱膨張係数を測定する。最後に、抽出した三つの測定領域における熱膨張係数の平均を算出して内側領域16aと外側領域16bの熱膨張係数を比較する。
The comparative evaluation of the thermal expansion coefficients of the
図3は、図2の破線Bの部位の拡大図であり、図3におけるシール材16の内側領域16aは第一領域T1を有している。
FIG. 3 is an enlarged view of a portion indicated by a broken line B in FIG. 2, and an
また、シール材16はAl2O3を含有しており、内側領域16aは、Al2O3のEPMA解析の半定量マッピングにおいて、Al2O3のモル濃度がシール材16の外側領域16bにおけるAl2O3の平均モル濃度の2倍以上である測定点が集結した第一領域T1を含み、第一領域T1の面積が100μm2以上であり、かつ第一領域T1の熱膨張係数が、燃料電池セル3の熱膨張係数以下の値であってもよい。
Further, the sealing
すなわち、内側領域16aに、熱膨張係数が燃料電池セル3より小さい第一領域T1を有することで、内側領域16aの熱膨張係数を小さくすることができ、燃料電池セル3と内側領域16aとの熱膨張差をさらに低減することができる。そのため、燃料電池セル3とシール材16との接合部にかかる応力を低減し、クラックの発生を抑制することができ
る。
That is, by having the first region T1 whose thermal expansion coefficient is smaller than that of the
また、内側領域16aの第一領域T1は面積が1000μm2以上であってもよい。この構成により、燃料電池セル3とシール材16との接合部にかかる応力を低減し、クラックの発生をさらに抑制することができる。
Further, the area of the first region T1 of the
また、Al2O3のモル濃度がシール材16の外側領域16bにおけるAl2O3の平均モル濃度の2倍以上である測定点が集結した第一領域T1に代えて、SiO2のモル濃度がシール材の外側領域におけるSiO2の平均モル濃度の2倍以上である測定点が集結した第二領域を有していてもよい。
Further, instead of the first region T1 which measurement points molar concentration of Al 2 O 3 is at least 2 times the average molar concentration of Al 2 O 3 in the
この構成により、内側領域16aに、熱膨張係数が燃料電池セル3より小さい第二領域(図示していない)を有することで、内側領域16aの熱膨張係数を小さくすることができ、燃料電池セル3と内側領域16aとの熱膨張差をさらに低減することができる。そのため、燃料電池セル3とシール材16との接合部にかかる応力を低減し、クラックの発生を抑制することができる。
With this configuration, since the
また、内側領域16aの第二領域は面積が1000μm2以上であってもよい。この構成により、燃料電池セル3とシール材16との接合部にかかる応力を低減し、クラックの発生をさらに抑制することができる。
Further, the second region of the
なお、第一領域T1及び第二領域はシール材16の内側領域16aにのみ存在するものとする。また、第一領域T1及び第二領域の両方をシール材16の内側領域16aに存在させてもよい。さらに、第一領域T1及び第二領域が重なりあう領域を有していてもよい。
It is assumed that the first region T1 and the second region exist only in the
なお、100μm2以上の第一領域T1及び第二領域を検出するにあたっては、例えば、日本電子製X線マイクロアナライザJXA−8530Fを用いて、EPMA解析の半定量マッピングにより検出することができる。この際、加速電圧は15.0(kV)、照射電流は1.012×10−7(A)、時間は10(ms)、測定点数は250(x軸)×200(y軸)、及び測定間隔は0.5μm(x軸)×0.5μm(y軸)とすればよい。 In addition, in detecting the 1st area | region T1 and 2nd area | region of 100 micrometers 2 or more, it can detect by the semi-quantitative mapping of EPMA analysis, for example using JEOL X-ray microanalyzer JXA-8530F. At this time, the acceleration voltage is 15.0 (kV), the irradiation current is 1.012 × 10 −7 (A), the time is 10 (ms), the number of measurement points is 250 (x axis) × 200 (y axis), and The measurement interval may be 0.5 μm (x axis) × 0.5 μm (y axis).
1000μm2以上の第一領域T1及び第二領域を検出するにあたっては、例えば、は、日本電子製X線マイクロアナライザJXA−8530Fを用いて、EPMA解析の半定量マッピングにより検出することができる。この際、加速電圧は15.0(kV)、照射電流は1.007×10−7(A)、時間は10(ms)、測定点数は310(x軸)×240(y軸)、及び測定間隔は10μm(x軸)×10μm(y軸)とすればよい。 In detecting the first region T1 and the second region of 1000 μm 2 or more, for example, can be detected by semi-quantitative mapping of EPMA analysis using JEOL X-ray microanalyzer JXA-8530F. At this time, the acceleration voltage is 15.0 (kV), the irradiation current is 1.007 × 10 −7 (A), the time is 10 (ms), the number of measurement points is 310 (x axis) × 240 (y axis), and The measurement interval may be 10 μm (x axis) × 10 μm (y axis).
なお「測定点」とは、X線マイクロアナライザの測定点の一点をいう。また、「第一領域T1の面積」又は「第二領域の面積」とは、一つの第一領域T1又は第二領域の面積をさすものとする。 “Measurement point” refers to one measurement point of the X-ray microanalyzer. The “area of the first region T1” or the “area of the second region” refers to the area of one first region T1 or the second region.
第一領域T1及び第二領域の熱膨張係数は、例えば以下の方法にて測定することができる。まず、燃料電池セル3の配列方向かつ燃料電池セル3の長手方向におけるシール材16の内側領域16aの断面におけるAl2O3又はSiO2のEPMA解析の半定量マッピングにて第一領域T1及び第二領域のうち少なくとも何れか1つの領域を特定(以下、特定領域という。)する。次に、特定領域の組成分析をWDS等により行い、特定領域の組成比及び結晶相を特定する。最後に、当該組成比及び結晶相を有するサンプルを作製し、熱膨張係数を測定する。
The thermal expansion coefficients of the first region T1 and the second region can be measured, for example, by the following method. First, the first region T1 and the second region are determined by semi-quantitative mapping of Al 2 O 3 or SiO 2 EPMA analysis in the cross section of the
内側領域16a及び外側領域16bの熱膨張係数の比較評価を行う方法として上述した方法以外に以下の方法を採用してもよい。第一領域T1又は第二領域を有する実施形態において、第一領域T1又は第二領域の熱膨張係数を上述の方法で測定し、当該熱膨張係数がシール材16の熱膨張係数より小さい場合には、内側領域16aの熱膨張係数が外側領域16bの熱膨張係数より小さいと比較評価することができる。シール材16の熱膨張係数は上述したシール材16の組成から推定してもよい。
In addition to the method described above, the following method may be adopted as a method for performing the comparative evaluation of the thermal expansion coefficients of the
燃料電池セル3の熱膨張係数は、燃料電池セル3のうちシール材16で固定されている側の端部を切り出して測定用サンプルを作製し、熱膨張係数を線膨張係数測定装置(TMA)を用いて測定することで算出できる。
The thermal expansion coefficient of the
上述のセルスタック装置は、例えば以下の製造方法にて作製することができる。まず、断熱性の板状体の上に枠体7aを載置する。次に、枠体7a内に燃料電池セル3の下端を挿入し、板状体の上に載置する。次に、第一領域T1を構成する組成を有する材料(以下、第一添加材という。)又は第二領域を構成する組成を有する材料(以下、第二添加材という。)を板状体の上に載置する。次に、Si系結晶化ガラス粉末に有機成分を添加してなるペーストを枠体7aの開口部に流し込み、850℃で5時間熱処理し、燃料電池セル3の下端部と枠体7aシール材16で固定する。次に、板状体を枠体7a又は蓋状部材から引き離す。最後に、セルスタック2が固定された枠体7aを、ガスタンク7bの上面の開口部を塞ぐようにガスタンク7aにシール材にて固定する。
The above-described cell stack apparatus can be manufactured by the following manufacturing method, for example. First, the
さらに、燃料電池セル3の配列方向、かつ燃料電池セル3の長手方向における断面視において、内側領域16aの内側表面が、燃料電池セル3の長手方向におけるシール材16の中央に向かって凹んだメニスカス形状であってもよい。
Furthermore, in a cross-sectional view in the arrangement direction of the
この構成により、メニスカス形状とすることで応力を緩和することができるため、燃料電池セル3とシール材16の内側領域16aとの接合部付近にクラックが生じることをさらに抑制することができる。
With this configuration, since the meniscus shape can relieve stress, it is possible to further suppress the occurrence of cracks in the vicinity of the joint portion between the
なお、シール材16における内側領域16aのメニスカス形状は、凹型メニスカス形状に対応した凸部を平面上に有する板状体を使用して上述する方法で製造することで得ることができる。
The meniscus shape of the
図4は、本実施形態のセルスタック装置1を備えてなる燃料電池モジュール(以下、モジュールという場合がある。)の一例を示す外観斜視図であり、図5は図4の断面図である。
4 is an external perspective view showing an example of a fuel cell module (hereinafter sometimes referred to as a module) provided with the
図4に示すモジュール20においては、収納容器21の内部に、本実施形態のセルスタック装置1が収納されている。なお、セルスタック装置1の上方には、燃料電池セル3に供給する燃料ガスを生成するための改質器22が配置されている。なお、図4においては、セルスタック装置1が2つのセルスタック2を備えている場合を示しているが、適宜その個数は変更することができ、例えばセルスタック2を1つだけ備えていてもよい。また、セルスタック装置1を、改質器22を含むものとすることもできる。
In the
また、図4においては、燃料電池セル3として、内部を燃料ガスが長手方向に流通する燃料ガス流路を複数有する中空平板型で、燃料ガス流路を有する支持体の表面に、燃料極層、固体電解質層および酸素極層を順に積層してなる固体酸化物形の燃料電池セル3を例示している。なお、燃料電池セル3の間に酸素含有ガスが流通する。
In FIG. 4, the
また、図4に示す改質器22においては、原燃料供給管26を介して供給される天然ガスや灯油等の原燃料を改質して燃料ガスを生成する。なお、改質器22は、効率のよい改質反応である水蒸気改質を行うことができる構造とすることが好ましく、水を気化させるための気化部23と、原燃料を燃料ガスに改質するための改質触媒(図示せず)が配置された改質部24とを備えている。そして、改質器22で生成された燃料ガスは、燃料ガス流通管25(図1に示す燃料ガス供給管8に相当)を介してマニホールド7に供給され、マニホールド7より燃料電池セル3の内部に設けられた燃料ガス流路に供給される。
In the
また図4においては、収納容器21の一部(前後面)を取り外し、内部に収納されるセルスタック装置1を後方に取り出した状態を示している。ここで、図4に示したモジュール20においては、セルスタック装置1を、収納容器21内にスライドして収納することが可能である。
Further, FIG. 4 shows a state in which a part (front and rear surfaces) of the
なお、収納容器21の内部には、マニホールド7に並置されたセルスタック2の間に配置され、酸素含有ガスが燃料電池セル3の側方を下端部から上端部に向けて流れるように、酸素含有ガス導入部材27が配置されている。
Note that, inside the
図5に示すように、モジュール20を構成する収納容器21は、内壁28と外壁29とを有する二重構造で、外壁29により収納容器21の外枠が形成されるとともに、内壁28によりセルスタック装置1を収納する発電室30が形成されている。さらに収納容器21においては、内壁28と外壁29との間を、燃料電池セル3に導入する酸素含有ガスが流通する酸素含有ガス流路36としている。
As shown in FIG. 5, the
ここで、収納容器21内には、収納容器21の上部より、上端側に酸素含有ガスが流入するための酸素含有ガス流入口(図示せず)とフランジ部40とを備え、下端部に燃料電池セル3の下端部に酸素含有ガスを導入するための酸素含有ガス流出口31が設けられてなる酸素含有ガス導入部材27が、内壁28を貫通して挿入されて固定されている。
Here, the
なお、図5においては、酸素含有ガス導入部材27が、収納容器21の内部に並置された2つのセルスタック2間に位置するように配置されているが、セルスタック2の数により、適宜配置することができる。
In FIG. 5, the oxygen-containing
また発電室30内には、モジュール20内の熱が極端に放散され、燃料電池セル3(セルスタック2)の温度が低下して発電量が低減しないよう、モジュール20内の温度を高温に維持するための断熱部材32が適宜設けられている。
Further, in the
断熱部材32は、セルスタック2の近傍に配置することが好ましく、特には、燃料電池セル3の配列方向に沿ってセルスタック2の側面側に配置するとともに、セルスタック2の側面における燃料電池セル3の配列方向に沿った幅と同等またはそれ以上の幅を有する断熱部材32を配置することが好ましい。
The
また、燃料電池セル3の配列方向に沿った内壁28の内側には、排ガス用内壁34が設けられており、内壁28と排ガス用内壁34との間が、発電室30内の排ガスが上方から下方に向けて流れる排ガス流路37とされている。なお、排ガス流路37は、収納容器21の底部に設けられた排気孔35と通じている。また、排ガス用内壁34のセルスタック2側にも断熱部材32が設けられている。
Further, an exhaust gas
それにより、モジュール20の稼動(起動処理時、発電時、停止処理時)に伴って生じる排ガスは、排ガス流路37を流れた後、排気孔35より排気される構成となっている。
As a result, the exhaust gas generated during the operation of the module 20 (during start-up processing, power generation, and stop processing) flows through the
また、上述の構成のモジュール20においては、燃料電池セル3における燃料ガス流路より排出される発電に使用されなかった燃料ガスと酸素含有ガスとを燃料電池セル3の上端と改質器22との間で燃焼させることにより、燃料電池セル3の温度を上昇・維持させることができる。あわせて、燃料電池セル3(セルスタック2)の上方に配置された改質器22を温めることができ、改質器22で効率よく改質反応を行なうことができる。なお、通常発電時においては、上記燃焼や燃料電池セル3の発電に伴い、モジュール20内の温度は500〜800℃程度となる。
Further, in the
図6は、外装ケース内に図4で示したモジュール20と、モジュール20を動作させるための補機(図示せず)とを収納してなる本実施形態の燃料電池装置の一例を示す分解斜視図である。なお、図6においては一部構成を省略して示している。
FIG. 6 is an exploded perspective view showing an example of the fuel cell device of the present embodiment in which the
図6に示す燃料電池装置41は、支柱42と外装板43から構成される外装ケース内を仕切板44により上下に区画し、その上方側を上述したモジュール20を収納するモジュール収納室45とし、下方側をモジュール20を動作させるための補機を収納する補機収納室46として構成されている。なお、補機収納室46に収納する補機を省略して示している。
The
また、仕切板44には、補機収納室46の空気をモジュール収納室45側に流すための空気流通口47が設けられており、モジュール収納室45を構成する外装板43の一部に、モジュール収納室45内の空気を排気するための排気口48が設けられている。
In addition, the partition plate 44 is provided with an
このような燃料電池装置41においては、上述したように、長期信頼性の向上したモジュール20をモジュール収納室45に収納し、モジュール20を動作させるための補機を補機収納室46に収納して構成されることにより、長期信頼性の向上した燃料電池装置41とすることができる。
In such a
以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。 Although the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and improvements can be made without departing from the scope of the present invention.
例えば、導電性支持体上に空気極層、固体電解質層、燃料極層を配置した燃料電池セルであっても良い。さらに、例えば、上記形態では、導電性支持体13上に燃料極層9、固体電解質層10、空気極層11を積層したが、導電性支持体13を用いることなく、燃料極層9自体を支持体とし、この燃料極層9に、固体電解質層10、空気極層11を設けても良い。
For example, a fuel battery cell in which an air electrode layer, a solid electrolyte layer, and a fuel electrode layer are disposed on a conductive support may be used. Further, for example, in the above embodiment, the
また、支持体上に空気極層、固体電解質層、燃料極層を有する発電素子部が複数形成された、いわゆる横縞型の燃料電池セルスタックを複数組み合わせてなる横縞型バンドルにも適用することができる。 Further, the present invention can be applied to a horizontally-striped bundle formed by combining a plurality of so-called horizontally-striped fuel cell stacks in which a plurality of power generation element portions having an air electrode layer, a solid electrolyte layer, and a fuel electrode layer are formed on a support. it can.
さらに、上記形態では燃料電池セル3、セルスタック装置1、モジュール20ならびに燃料電池装置41について説明したが、セルに水蒸気と電圧とを付与して水蒸気(水)を電気分解することにより、水素と酸素(O2)を生成する電解セル(SOEC)およびこの電解セルを備える電解セルスタック装置および電解モジュールならびにモジュール収容装置である電解装置にも適用することができる。
Furthermore, although the
(試料の作製)
上述したセルスタック装置について、表1に示すように、7つの試料を作製した。
(Sample preparation)
As shown in Table 1, seven samples were prepared for the cell stack apparatus described above.
上述した方法により、第一領域を内側領域に有するシール材によりセルスタックを枠体に固定した。 By the method described above, the cell stack was fixed to the frame with the sealing material having the first region in the inner region.
セルスタック装置の各試料は、10個の燃料電池セルを含むものとした。各試料にて使用した燃料電池セルの形状は図1、2と同様の板形状とした。燃料電池セルは、長手方向の長さが20cm、燃料電池セルの幅方向の長さが20mm、厚みが2mmであった。燃料電池セルの熱膨張係数は約10.9ppm/K(常温から1000℃における熱膨張係数)とした。 Each sample of the cell stack apparatus includes 10 fuel cells. The shape of the fuel cell used in each sample was the same plate shape as in FIGS. The length of the fuel cell was 20 cm, the length of the fuel cell in the width direction was 20 mm, and the thickness was 2 mm. The thermal expansion coefficient of the fuel cell was about 10.9 ppm / K (the thermal expansion coefficient from room temperature to 1000 ° C.).
シール材は、SiO2−MgO−B2O3−Al2O3−CaO系を用いた。主成分の組成比(モル濃度比)は、15(SiO2):21(MgO):26(B2O3):5(Al2O3):29(CaO)であった。シール材の熱膨張係数は約11.6ppm/K(常温から1000℃における熱膨張係数)とした。第一領域となる第一添加材としてSiO2−MgO−B2O3−Al2O3−CaO系を用いた。第一添加材の組成比(モル濃度比)が異なる各試料をそれぞれ作製した。 As the sealing material, a SiO 2 —MgO—B 2 O 3 —Al 2 O 3 —CaO system was used. The composition ratio (molar concentration ratio) of the main components was 15 (SiO 2 ): 21 (MgO): 26 (B 2 O 3 ): 5 (Al 2 O 3 ): 29 (CaO). The thermal expansion coefficient of the sealing material was about 11.6 ppm / K (the thermal expansion coefficient from room temperature to 1000 ° C.). The SiO 2 —MgO—B 2 O 3 —Al 2 O 3 —CaO system was used as the first additive serving as the first region. Samples having different composition ratios (molar concentration ratios) of the first additive were prepared.
(耐久性試験)
セルスタック装置の燃料電池セルのガス通路内に水素ガスを流し、更に燃料電池セルの外側(酸素極層の外面)に空気を流し、850℃において24時間発電させ、この後、水素ガスを停止し、自然冷却させた。当該手順の繰り返し回数が所定回数(40回、60回)になる度に試験を停止し、クラックの発生の有無を確認した。その結果を表1に示す。
(Durability test)
Hydrogen gas is allowed to flow through the gas passage of the fuel cell of the cell stack device, and air is further allowed to flow outside the fuel cell (outer surface of the oxygen electrode layer) to generate power at 850 ° C. for 24 hours, and then the hydrogen gas is stopped. And allowed to cool naturally. The test was stopped every time the procedure was repeated a predetermined number of times (40 times, 60 times), and the presence or absence of cracks was confirmed. The results are shown in Table 1.
なお、確認時にクラックが生じているスタック装置については、それ以降の試験は行わなかった。 In addition, the subsequent test was not performed about the stack apparatus which has cracked at the time of confirmation.
試験結果を表1に示す。なお、表1には、第一領域となる第一添加材の組成比(モル濃度比)、第一添加材に含まれるAl2O3の組成比(モル濃度比)をシール材に含まれるAl2O3の組成比(モル濃度比)で除した値であるAl2O3の濃度倍率、第一添加材の熱膨張係数の値、燃料電池セルとシール材の外側領域(表1では外側と略す。)とシール材の内側領域(表1では内側と略す。)との熱膨張係数の関係及び熱サイクル試験のサイクル回数を記載した。 The test results are shown in Table 1. In Table 1, the composition ratio (molar concentration ratio) of the first additive serving as the first region and the composition ratio (molar concentration ratio) of Al 2 O 3 contained in the first additive are included in the sealing material. Al 2 composition ratio of O 3 (molar ratio) concentration ratio of Al 2 O 3 is divided by the value of the thermal expansion coefficient of the first additive, the outer region (Table 1 of the fuel cell and the sealing material The relationship of the thermal expansion coefficient between the outer region and the inner region of the sealing material (abbreviated as inner side in Table 1) and the number of cycles of the thermal cycle test are described.
(耐久性試験結果)
試料No.1、3では、40回の熱サイクル試験でシール材の内側領域にクラックが生
じた。これは、シール材の内側領域の熱膨張係数が外側領域の熱膨張係数以上の値であり、燃料電池セルの熱膨張係数と内側領域の熱膨張係数の差が大きかったためである。
(Durability test results)
Sample No. In Nos. 1 and 3, cracks occurred in the inner region of the sealing material after 40 thermal cycle tests. This is because the thermal expansion coefficient of the inner region of the sealing material is equal to or greater than the thermal expansion coefficient of the outer region, and the difference between the thermal expansion coefficient of the fuel cell and the thermal expansion coefficient of the inner region is large.
試料No2、4〜7では40回の熱サイクル試験でシール材の内側領域にクラックが生じていなかった。シール材の内側領域が外側領域より熱膨張係数が小さく、燃料電池セルの熱膨張係数と内側領域の熱膨張係数の差が小さかったためである。 In Samples Nos. 2 and 4 to 7, no cracks occurred in the inner region of the sealing material after 40 thermal cycle tests. This is because the inner region of the sealing material has a smaller thermal expansion coefficient than the outer region, and the difference between the thermal expansion coefficient of the fuel cell and the thermal expansion coefficient of the inner region is small.
また、試料No.2、4、5では、60回の熱サイクル試験でシール材の内側領域にクラックが生じたが、試料No.6、7では、シール材の内側領域にクラックが発生しなかった。これは、試料No.6、7におけるシール材の内側領域の熱膨張係数が試料No.5と比較してさらに小さく、燃料電池セルの熱膨張係数と内側領域の熱膨張係数の差がさらに小さかったためである。
Sample No. In Nos. 2, 4, and 5, cracks occurred in the inner region of the sealing material after 60 thermal cycle tests. In Nos. 6 and 7, no cracks occurred in the inner region of the sealing material. This is the sample No. The thermal expansion coefficient of the inner region of the sealing material in
(試料の作製)
上述したセルスタック装置について、表2に示すように、5つの試料を作製した。
(Sample preparation)
About the cell stack apparatus mentioned above, as shown in Table 2, five samples were produced.
上述した方法により、第一領域を内側領域に有するシール材によりセルスタックを枠体に固定した。 By the method described above, the cell stack was fixed to the frame with the sealing material having the first region in the inner region.
第一領域となる第一添加材の最大粒子断面積以外の条件は実施例1における表1の試料No.7と同様とした。第一添加材の最大粒子断面積が異なる各試料をそれぞれ作製した。 Conditions other than the maximum particle cross-sectional area of the first additive serving as the first region are the sample Nos. It was the same as 7. Samples having different maximum particle cross-sectional areas of the first additive were prepared.
なお、「最大粒子断面積」は、Al2O3のEPMA解析の半定量マッピングにおいて認識される第一領域の面積と対応するものである。 The “maximum particle cross-sectional area” corresponds to the area of the first region recognized in the semi-quantitative mapping of the EP 2 analysis of Al 2 O 3 .
(耐久性試験)
当該試験方法は繰り返し回数を70回とした以外は実施例1と同様とした。
(Durability test)
The test method was the same as Example 1 except that the number of repetitions was 70.
(耐久性試験結果)
試験結果を表2に示す。
(Durability test results)
The test results are shown in Table 2.
試料No.1〜3では、70回の熱サイクル試験でシール材の内側領域にクラックが生じた。 Sample No. 1 to 3, cracks occurred in the inner region of the sealing material after 70 thermal cycle tests.
一方、内側領域に含有される第一領域の面積(第一添加材の最大粒子断面積)が1000μm2以上である試料No.4及び5では、70回の熱サイクル試験でシール材の内側領域にクラックが生じなかった。 On the other hand, sample No. 1 in which the area of the first region contained in the inner region (maximum particle cross-sectional area of the first additive) is 1000 μm 2 or more. In Nos. 4 and 5, no cracks occurred in the inner region of the sealing material after 70 thermal cycle tests.
(試料の作製)
上述したセルスタック装置について、表3に示すように、5つの試料を作製した。
(Sample preparation)
About the cell stack apparatus mentioned above, as shown in Table 3, five samples were produced.
上述した方法により、第二領域を内側領域に有するシール材によりセルスタックを枠体に固定した。 By the method described above, the cell stack was fixed to the frame with the sealing material having the second region in the inner region.
第二領域となる第二添加材の組成比(モル濃度比)以外の条件は実施例1と同様とした。第二添加材の組成比(モル濃度比)が異なる各試料をそれぞれ作製した。 Conditions other than the composition ratio (molar concentration ratio) of the second additive serving as the second region were the same as in Example 1. Samples having different composition ratios (molar concentration ratios) of the second additive were prepared.
(耐久性試験)
当該試験方法は実施例1と同様とした。
(Durability test)
The test method was the same as in Example 1.
試験結果を表3に示す。なお、表3には、第二領域となる第二添加材の組成比(モル濃度比)、第二添加材に含まれるSiO2の組成比(モル濃度比)をシール材に含まれるSiO2の組成比(モル濃度比)で除した値であるSiO2の濃度倍率、第一添加材の熱膨張係数の値、燃料電池セルとシール材の外側領域(表3では外側と略す。)とシール材の内側領域(表3では内側と略す。)との熱膨張係数の関係及び熱サイクル試験のサイクル回数を記載した。 The test results are shown in Table 3. In Table 3, the composition ratio of the second additive material comprising a second region (molar ratio), SiO 2 contained the composition ratio of SiO 2 (molar concentration ratio) in the sealing material contained in the second additive The concentration ratio of SiO 2 , which is a value divided by the composition ratio (molar concentration ratio), the value of the thermal expansion coefficient of the first additive, and the outer region of the fuel cell and the sealing material (abbreviated as “outside” in Table 3). The relationship of the thermal expansion coefficient with the inner region of the sealing material (abbreviated as inner side in Table 3) and the number of cycles of the thermal cycle test are described.
(耐久性試験結果)
試料No.1では、40回の熱サイクル試験でシール材の内側領域にクラックが生じた。これは、シール材の内側領域が外側領域より熱膨張係数が大きく、燃料電池セルの熱膨張係数と内側領域の熱膨張係数の差が大きかったためである。
(Durability test results)
Sample No. In No. 1, cracks occurred in the inner region of the sealing material after 40 thermal cycle tests. This is because the inner region of the sealing material has a larger thermal expansion coefficient than the outer region, and the difference between the thermal expansion coefficient of the fuel cell and the thermal expansion coefficient of the inner region is large.
試料No2〜5では40回の熱サイクル試験でシール材の内側領域にクラックが生じていなかった。これは、シール材の内側領域が外側領域より熱膨張係数が小さく、燃料電池セルの熱膨張係数と内側領域の熱膨張係数の差が小さかったためである。 In Samples Nos. 2 to 5, no cracks occurred in the inner region of the sealing material after 40 thermal cycle tests. This is because the inner region of the sealing material has a smaller thermal expansion coefficient than the outer region, and the difference between the thermal expansion coefficient of the fuel cell and the thermal expansion coefficient of the inner region is small.
また、試料No.2では、60回の熱サイクル試験でシール材の内側領域にクラックが生じたが、試料No.3〜5では、シール材の内側領域にクラックが発生しなかった。これは、試料No.3〜5におけるシール材の内側領域の熱膨張係数が試料No.2と比較してさらに小さく、燃料電池セルの熱膨張係数と内側領域の熱膨張係数の差がさらに小さかったためである。 Sample No. 2, cracks occurred in the inner region of the sealing material after 60 thermal cycle tests. In 3-5, the crack did not generate | occur | produce in the inner side area | region of the sealing material. This is the sample No. The thermal expansion coefficient of the inner region of the sealing material in 3 to 5 is the sample No. This is because the difference between the thermal expansion coefficient of the fuel cell and the thermal expansion coefficient of the inner region is further smaller than that of 2.
(試料の作製)
上述したセルスタック装置について、表4に示すように、5つの試料を作製した。
(Sample preparation)
About the cell stack apparatus mentioned above, as shown in Table 4, five samples were produced.
上述した方法により、第二領域を内側領域に有するシール材によりセルスタックを枠体に固定した。 By the method described above, the cell stack was fixed to the frame with the sealing material having the second region in the inner region.
第二領域となる第二添加材の最大粒子断面積以外の条件は実施例3における表3の試料No.4と同様とした。第二添加材の最大粒子断面積が異なる各試料をそれぞれ作製した。 Conditions other than the maximum particle cross-sectional area of the second additive in the second region are the sample Nos. In Table 3 in Example 3. It was the same as 4. Samples having different maximum particle cross-sectional areas of the second additive were prepared.
なお、「最大粒子断面積」は、SiO2のEPMA解析の半定量マッピングにおいて認識される第二領域の面積と対応するものである。 The “maximum particle cross-sectional area” corresponds to the area of the second region recognized in the semi-quantitative mapping of the EP 2 analysis of SiO 2 .
(耐久性試験)
当該試験方法は繰り返し回数を70回とした以外は実施例1と同様とした。
(Durability test)
The test method was the same as Example 1 except that the number of repetitions was 70.
(耐久性試験結果)
試験結果を表4に示す。
(Durability test results)
The test results are shown in Table 4.
試料No.1〜3では、70回の熱サイクル試験でシール材の内側領域にクラックが生じた。 Sample No. 1 to 3, cracks occurred in the inner region of the sealing material after 70 thermal cycle tests.
一方、内側領域に含有される第二領域の面積(第二添加材の最大粒子断面積)が1000μm2以上である試料No.4及び5では、70回の熱サイクル試験でシール材の内側領域にクラックが生じなかった。 On the other hand, sample No. 2 in which the area of the second region contained in the inner region (maximum particle cross-sectional area of the second additive) is 1000 μm 2 or more. In Nos. 4 and 5, no cracks occurred in the inner region of the sealing material after 70 thermal cycle tests.
1:セルスタック装置
3:燃料電池セル
7:マニホールド
16:シール材
16a:内側領域
16b:外側領域
20:燃料電池モジュール
41:燃料電池装置
1: Cell stack device 3: Fuel cell 7: Manifold 16:
Claims (8)
前記複数個のセルに反応ガスを供給するためのマニホールドと、
前記複数個のセルの一端を前記マニホールドに固定するためのガラスからなるシール材とを具備し、
前記シール材の熱膨張係数は前記セルの熱膨張係数より大きく、
前記セルの長手方向における前記マニホールドの外側に位置する外側領域と、
前記セルの長手方向における前記マニホールドの内側に位置する内側領域とを有し、
前記内側領域と前記セルとの熱膨張係数の差は、前記外側領域と前記セルとの熱膨張係数の差より、小さいことを特徴とするセルスタック装置。 A cell stack in which a plurality of columnar cells are arranged;
A manifold for supplying reaction gas to the plurality of cells;
A sealing material made of glass for fixing one end of the plurality of cells to the manifold;
The thermal expansion coefficient of the sealing material is larger than the thermal expansion coefficient of the cell,
An outer region located outside the manifold in the longitudinal direction of the cell;
An inner region located inside the manifold in the longitudinal direction of the cell,
The cell stack device, wherein a difference in thermal expansion coefficient between the inner region and the cell is smaller than a difference in thermal expansion coefficient between the outer region and the cell.
前記内側領域は、Al2O3のEPMA解析の半定量マッピングにおいて、Al2O3のモル濃度がシール材の外側領域におけるAl2O3の平均モル濃度の2倍以上である測定点が集結した第一領域を含み、
該第一領域の面積が100μm2以上であり、かつ前記第一領域の熱膨張係数が、前記セルの熱膨張係数以下の値であることを特徴とする請求項1に記載のセルスタック装置。 The sealing material contains Al 2 O 3 ,
Said inner region, the semi-quantitative mapping of EPMA analysis of Al 2 O 3, more than double that measurement points of the average molar concentrations of Al 2 O 3 molar of Al 2 O 3 is in the outer region of the sealing material gathered Including the first area
2. The cell stack device according to claim 1, wherein the area of the first region is 100 μm 2 or more, and the thermal expansion coefficient of the first region is not more than the thermal expansion coefficient of the cell.
ことを特徴とする請求項2に記載のセルスタック装置。 The cell stack device according to claim 2, wherein an area of the first region is 1000 μm 2 or more.
前記内側領域は、SiO2のEPMA解析の半定量マッピングにおいて、SiO2のモル濃度がシール材の外側領域におけるSiO2の平均モル濃度の2倍以上である測定点が集結した第二領域を含み、
該第二領域の面積が100μm2以上であり、かつ前記第二領域の熱膨張係数が、前記セルの熱膨張係数以下の値であることを特徴とする請求項1に記載のセルスタック装置。 The sealing material is contained SiO 2,
In the semi-quantitative mapping of the SiO 2 EPMA analysis, the inner region includes a second region in which measurement points where the molar concentration of SiO 2 is at least twice the average molar concentration of SiO 2 in the outer region of the sealing material are gathered. ,
2. The cell stack device according to claim 1, wherein the area of the second region is 100 μm 2 or more, and the thermal expansion coefficient of the second region is not more than the thermal expansion coefficient of the cell.
ことを特徴とする請求項4に記載のセルスタック装置。 The cell stack device according to claim 4, wherein an area of the second region is 1000 μm 2 or more.
ことを特徴とする請求項1〜5のうち何れかに記載のセルスタック装置。 The inner surface of the inner region has a meniscus shape that is recessed toward the center of the sealing material in the longitudinal direction of the cell in a cross-sectional view in the cell arrangement direction and in the longitudinal direction of the cell. The cell stack device according to claim 1.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2016146445A JP6659490B2 (en) | 2016-07-26 | 2016-07-26 | Cell stack device, fuel cell module, and fuel cell device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2016146445A JP6659490B2 (en) | 2016-07-26 | 2016-07-26 | Cell stack device, fuel cell module, and fuel cell device |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2018018628A true JP2018018628A (en) | 2018-02-01 |
JP6659490B2 JP6659490B2 (en) | 2020-03-04 |
Family
ID=61076076
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2016146445A Active JP6659490B2 (en) | 2016-07-26 | 2016-07-26 | Cell stack device, fuel cell module, and fuel cell device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6659490B2 (en) |
-
2016
- 2016-07-26 JP JP2016146445A patent/JP6659490B2/en active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP6659490B2 (en) | 2020-03-04 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6105824B1 (en) | Cell stack device, module and module housing device | |
JP6835572B2 (en) | Cell stack device, module and module containment device | |
JP5662613B1 (en) | Fuel cell stack structure | |
JP6298170B2 (en) | Cell, cell stack device, module, and module housing device | |
JP5791854B1 (en) | Cell stack device, module and module housing device | |
JP5677632B1 (en) | Solid oxide cell, cell stack device and module, and module storage device | |
JP6401115B2 (en) | Cell stack device, module and module housing device | |
JP5377271B2 (en) | Cell stack device, fuel cell module and fuel cell device | |
WO2023200016A1 (en) | Electroconductive member, electrochemical cell device, module, and module accommodation device | |
JP6243519B2 (en) | Cell stack device, module and module housing device | |
JP6803437B2 (en) | Cell, cell stack device, module and module storage device | |
JP2014143162A (en) | Cell stack device and fuel battery device | |
JP7197747B2 (en) | Cells, cell stacking equipment, modules and module housing equipment | |
JPWO2019225235A1 (en) | Cell stack device, module and module housing device | |
JP6121793B2 (en) | Cell stack device, fuel cell module and fuel cell device | |
JP6659490B2 (en) | Cell stack device, fuel cell module, and fuel cell device | |
JP2017045701A (en) | Cell stack device, module and module housing device | |
JP6853063B2 (en) | Cell stack device, module and module containment device | |
JP6462290B2 (en) | Fuel cell module and fuel cell device | |
JP6394191B2 (en) | Solid oxide fuel cell stack, solid oxide fuel cell module, and solid oxide fuel cell system | |
JP2015032527A (en) | Bonding material, and fuel battery stack structure arranged by use thereof | |
JP2018185985A (en) | Cell stack device, module and module housing device | |
JP2023006816A (en) | Cell, cell stack apparatus, module and module housing apparatus | |
JP2023126839A (en) | Cell stack device, module, and module accommodation device | |
JP2018170117A (en) | Cell stack device, module and module housing device |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20190123 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20191129 |
|
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: 20200107 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20200206 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6659490 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |