JP2019046708A - Fuel battery cell stack - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池セルスタックに関する。 The present invention relates to a fuel cell stack.
従来、アノード、固体電解質層、および、カソードを備える燃料電池セルの外周縁を金属製のフレームで支持するとともに、燃料電池セルの外周縁と上記フレームとの間を封止材にて封止してなる燃料電池セルスタックが知られている。封止材としては、一般に、金属ろう材やガラス材等が用いられている。 Conventionally, the outer periphery of a fuel cell comprising an anode, a solid electrolyte layer, and a cathode is supported by a metal frame, and the space between the outer periphery of the fuel cell and the frame is sealed with a sealing material A fuel cell stack is known. As a sealing material, a metal brazing material, a glass material, etc. are generally used.
例えば、特許文献1には、燃料電池セルにおけるカソード側の固体電解質層表面と、ステンレス鋼製セパレータとの間を、金属ろう材にて封止した固体酸化物形燃料電池が開示されている。
For example,
しかしながら、金属ろう材による封止では、燃料電池セルスタックの長期運転時に、燃料ガスに含まれる水素が金属ろう材内に入り込んで拡散するとともに、酸化剤ガスに含まれる酸素が金属ろう材内に入り込んで拡散する。その結果、ろう材成分、水素、および、酸素が反応し、金属ろう材の内部にボイドが発生する。そのため、封止材による気密性が低下してクロスリークが発生し、カソード側へ漏れた水素によってカソードが還元されることにより、カソードが剥離する。 However, in sealing with a metal brazing material, hydrogen contained in the fuel gas penetrates into the metal brazing material and diffuses during long-term operation of the fuel cell stack, and oxygen contained in the oxidant gas is also contained in the metal brazing material Get in and diffuse. As a result, the brazing filler metal component, hydrogen, and oxygen react to generate voids inside the metal brazing filler metal. Therefore, the air tightness by the sealing material is reduced to cause cross leak, and the cathode is peeled off by the reduction of the cathode by the hydrogen leaked to the cathode side.
また、ガラス材による封止は、接合強度が低い。そのため、ガラス材による封止では、燃料電池セルスタックの緊急停止、カソード/アノード間の差圧異常、振動・衝撃に対して長期的に安定してシール性を確保することが難しい。そのため、この場合も、封止材による気密性が低下してクロスリークが発生し、カソード側へ漏れた水素によってカソードが還元されることにより、カソードが剥離する。 In addition, sealing with a glass material has low bonding strength. Therefore, in sealing with a glass material, it is difficult to ensure a stable sealing property for a long-term stability against emergency stop of the fuel cell stack, an abnormal pressure difference between the cathode and the anode, and vibration and impact. Therefore, also in this case, the airtightness by the sealing material is lowered to cause the cross leak, and the cathode is peeled off by the reduction of the cathode by the hydrogen leaked to the cathode side.
このように、燃料電池セルスタックの長期運転、緊急停止、カソード/アノード間の差圧異常、振動・衝撃などによる封止材の一部破壊に対して、封止材自体の改良を図ることだけによって気密性を確保するには限界がある。 As described above, it is only possible to improve the sealing material itself against partial failure of the sealing material due to long-term operation of the fuel cell stack, emergency stop, abnormal pressure difference between the cathode and the anode, and vibration / shock. There are limits to ensuring air tightness.
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、封止材の一部が破壊し、クロスリークが生じた場合でも、カソードの剥離を抑制することができる燃料電池セルスタックを提供しようとするものである。 The present invention has been made in view of such problems, and it is an object of the present invention to provide a fuel cell stack capable of suppressing the separation of the cathode even when a part of the sealing material is broken and a cross leak occurs. It is
本発明の一態様は、 アノード(21)と固体電解質層(22)とカソード(24)とを備える燃料電池セル(2)と、
上記燃料電池セルの外周縁を支持する金属製のフレーム(3)と、
上記燃料電池セルの外周縁と上記フレームとの間を封止する封止材(4)と、
上記カソードの外周端部(240)に接する剥離抑制層(5)と、を有しており、
上記カソードは、Crと少なくとも一部置換可能な元素を含む酸化物を有しており、
上記剥離抑制層は、Crを含むCr含有酸化物、または、発電により上記Cr含有酸化物となる前駆体を有している、燃料電池セルスタック(1)にある。
One embodiment of the present invention is a fuel cell (2) comprising an anode (21), a solid electrolyte layer (22) and a cathode (24).
A metal frame (3) for supporting the outer peripheral edge of the fuel cell;
A sealing material (4) for sealing between the outer peripheral edge of the fuel cell and the frame;
And a peeling suppression layer (5) in contact with the outer peripheral end (240) of the cathode,
The cathode has an oxide containing Cr and an element capable of at least partial substitution,
The peeling suppression layer is in the fuel cell stack (1) including a Cr-containing oxide containing Cr or a precursor that becomes the Cr-containing oxide by power generation.
上記燃料電池セルスタックは、上記構成を有している。そのため、上記燃料電池セルスタックは、長期運転、緊急停止、カソード/アノード間の差圧異常、振動・衝撃などによって封止材の一部が破壊し、クロスリークが生じた場合でも、カソードの剥離を抑制することができる。これは、以下の理由による。上記燃料電池セルスタックでは、カソードの外周端部において、剥離抑制層とカソードとが接して配置されている。そのため、上記燃料電池セルスタックの発電時に、剥離抑制層とカソードとの界面より、剥離抑制層に含まれるCr含有酸化物中のCrが固体拡散し、カソードの外周端部において、カソード中の酸化物の元素とCrとが一部置換する。その結果、カソードの外周端部の耐還元性が増加する。これにより、上記燃料電池セルスタックは、長期運転、緊急停止、カソード/アノード間の差圧異常、振動・衝撃などによって封止材の一部が破壊し、クロスリークが生じた場合でも、カソードの剥離を抑制することができる。 The fuel cell stack has the above configuration. Therefore, in the fuel cell stack, even if a part of the sealing material is broken due to long-term operation, emergency stop, abnormal pressure difference between the cathode and the anode, vibration / impact, etc., and the cross leak occurs, the cathode peels off. Can be suppressed. This is due to the following reasons. In the fuel cell stack, the separation suppression layer and the cathode are disposed in contact with each other at the outer peripheral end of the cathode. Therefore, during power generation of the fuel cell stack, Cr in the Cr-containing oxide contained in the exfoliation suppression layer is solid diffused from the interface between the exfoliation suppression layer and the cathode, and oxidation in the cathode occurs at the outer peripheral end of the cathode. The elements of the object and Cr partially substitute. As a result, the reduction resistance of the outer peripheral end of the cathode is increased. As a result, even if the fuel cell stack has a part of the sealing material broken due to long-term operation, emergency stop, abnormal pressure difference between the cathode and the anode, vibration / impact, etc. and cross leak occurs, Peeling can be suppressed.
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。 The reference numerals in parentheses described in the claims and the means for solving the problems indicate the correspondence with the specific means described in the embodiments described later, and the technical scope of the present invention is limited. It is not a thing.
(実施形態1)
実施形態1の燃料電池セルスタックについて、図1および図2を用いて説明する。図1および図2に例示されるように、本実施形態の燃料電池セルスタック1は、燃料電池セル2と、フレーム3と、封止材4と、剥離抑制層5と、を有している。以下、これを詳説する。
(Embodiment 1)
The fuel cell stack of
燃料電池セル2は、固体電解質層22を有する固体電解質型の燃料電池である。固体電解質層22を構成する固体電解質には、酸素イオン導電性を示す固体酸化物セラミックス等を用いることができる。なお、固体電解質として固体酸化物セラミックスを用いる燃料電池は、固体酸化物形燃料電池(SOFC)と称される。
The
燃料電池セルスタック1において、燃料電池セル2は、アノード21と固体電解質層22とカソード24とを備えている。本実施形態では、図2に例示されるように、燃料電池セル2が、固体電解質層22とカソード24との間にさらに中間層23を備える例が示されている。中間層23は、主に、固体電解質層材料とカソード材料との反応を抑制するための層である。燃料電池セル2は、具体的には、平板形の電池構造を有しており、セル面に垂直な方向から見て四角形状の形状を呈している。アノード21、固体電解質層22、中間層23、および、カソード24はこの順に積層されており、互いに接合されている。なお、図2では、電極であるアノード21を支持体として機能させるアノード支持型の燃料電池セル2が例示されている。本実施形態において、カソード24は、固体電解質層22および中間層23よりも外形が小さく形成されている。そのため、燃料電池セル2では、カソード24の外周囲に、中間層23のカソード24側の面が露出している。なお、燃料電池セル2が中間層23を有さない場合には、カソード24の外周囲に、固体電解質層22の面が露出することになる。
In the
燃料電池セル2において、アノード21は、単層から構成されていてもよいし、複数層から構成されていてもよい。図2では、アノード21が単層から構成されている例が示されている。アノード21を複数層から構成する場合、アノード21は、具体的には、例えば、固体電解質層22側に配置される活性層と、固体電解質層22側とは反対側に配置される拡散層とを備える構成などとすることができる。なお、活性層は、主に、アノード21における電気化学的反応を高めるための層である。また、拡散層は、供給される燃料ガスを層面内に拡散させることが可能な層である。
In the
アノード21の材料としては、例えば、Ni、NiO等の触媒と、酸化ジルコニウム系酸化物等の固体電解質との混合物などを例示することができる。酸化ジルコニウム系酸化物としては、例えば、イットリア安定化ジルコニア、スカンジア安定化ジルコニアなどを例示することができる。なお、NiOは、発電時の還元雰囲気でNiとなる。本実施形態では、アノード21の材料として、具体的には、NiまたはNiOとイットリア安定化ジルコニアとの混合物などを用いることができる。
As a material of the
アノード21の厚みは、ガス拡散、電気抵抗、強度などの観点から、例えば、好ましくは、100〜800μm、より好ましくは、200〜700μmとすることができる。
The thickness of the
固体電解質層22の材料としては、強度、熱的安定性に優れる等の観点から、上述した酸化ジルコニウム系酸化物などを好適に用いることができる。固体電解質層22の材料としては、酸素イオン伝導性、機械的安定性、他の材料との両立、酸化雰囲気から還元雰囲気まで化学的に安定である等の観点から、イットリア安定化ジルコニアが好適である。
As a material of the
固体電解質層22の厚みは、オーミック抵抗の低減などの観点から、好ましくは、1〜20μm、より好ましくは、2〜15μm、さらに好ましくは、3〜10μmとすることができる。
The thickness of the
中間層23の材料としては、例えば、CeO2、または、CeO2にGd、Sm、Y、La、Nd、Yb、Ca、および、Hoから選択される1種または2種以上の元素等がドープされたセリア系固溶体等の酸化セリウム系酸化物などを例示することができる。これらは1種または2種以上併用することができる。本実施形態では、中間層23の材料としては、具体的には、Gdがドープされたセリア系固溶体などを用いることができる
As a material of the
中間層23の厚みは、オーミック抵抗の低減、カソード24の元素拡散の抑制等の観点から、好ましくは、1〜20μm、より好ましくは、2〜5μmとすることができる。
The thickness of the
カソード24は、Crと少なくとも一部置換可能な元素を含む酸化物を含んでいる。当該酸化物としては、例えば、遷移金属ペロブスカイト型酸化物等の導電性酸化物などを例示することができる。上記酸化物としては、具体的には、ランタン−ストロンチウム−コバルト系酸化物を例示することができる。なお、ランタン−ストロンチウム−コバルト系酸化物は、少なくともLa、Sr、Coを構成元素として含む酸化物である。この構成によれば、後述する剥離抑制層の作用により、クロスリーク発生時におけるカソード24の剥離抑制効果を確実なものとすることができる。
The
ランタン−ストロンチウム−コバルト系酸化物としては、具体的には、LaxSr1−xCoO3(但し、0<x<1、好ましくは、0.1≦x≦0.9、より好ましくは、0.2≦x≦0.8)等を例示することができる。ランタン−ストロンチウム−コバルト系酸化物には、xの値が異なるものを2種以上併用することができる。なお、ランタン−ストロンチウム−コバルト系酸化物において、Crと少なくとも一部置換可能な元素としては、Coを挙げることができる。 As the lanthanum-strontium-cobalt-based oxide, specifically, La x Sr 1-x CoO 3 (wherein 0 <x <1, preferably 0.1 ≦ x ≦ 0.9, more preferably 0.2 <= x <= 0.8) etc. can be illustrated. As the lanthanum-strontium-cobalt-based oxide, two or more kinds of compounds different in the value of x can be used in combination. In the lanthanum-strontium-cobalt-based oxide, Co can be given as an element which can be at least partially substituted for Cr.
カソード24は、上記酸化物以外にも、固体電解質を含むことができる。固体電解質としては、例えば、CeO2、または、CeO2にGd、Sm、Y、La、Nd、Yb、Ca、および、Hoから選択される1種または2種以上の元素等がドープされたセリア系固溶体等の酸化セリウム系酸化物などを例示することができる。これらは1種または2種以上併用することができる。
The
カソード24は、他にも、Crと少なくとも一部置換可能な元素の一部がCrに置換された酸化物を含むことができる。この構成によれば、カソード24の外周端部240における耐還元性の向上が確実なものとなり、カソード24の剥離抑制を確実なものとすることができる。
The
燃料電池セルスタック1において、カソード24が、例えば、ランタン−ストロンチウム−コバルト系酸化物を含んで構成されている場合、カソード24の外周端部240に、ランタン−ストロンチウム−コバルト系酸化物を構成する元素の一部がCrに置換された酸化物を含むことができる。つまり、燃料電池セルスタック1では、ランタン−ストロンチウム−コバルト系酸化物を構成する元素の一部がCrに置換された酸化物が、カソード24の外周端部240に偏在している構成とすることができる。この構成によれば、カソード24の外周端部240における耐還元性の向上がより確実なものとなり、カソード24の剥離抑制をより確実なものとすることができる。
In the
カソード24の厚みは、ガス拡散性、電極反応抵抗、集電性などの観点から、好ましくは、20〜100μm、より好ましくは、30〜80μmとすることができる。本実施形態では、カソード24の厚みは、具体的には、50μmとすることができる。
The thickness of the
燃料電池セルスタック1において、フレーム3は、金属製であり、燃料電池セル2の少なくとも外周縁を支持している。本実施形態において、燃料電池セルスタック1は、フレーム3により外周縁が支持された燃料電池セル2が金属製のセパレータ(不図示)を介して複数積層されてなる積層構造(不図示)を有している。なお、本実施形態では、図2に例示されるように、フレーム3に支持された燃料電池セル2が外れないように、フレーム3よる支持側とは反対側における燃料電池セル2の外周縁が金属製のリテーナ6によって固定されている例が示されている。なお、図1において、リテーナ6は、便宜上、省略されている。また、本実施形態では、フレーム3は、枠状に形成されている。フレーム3は、図示はしないが、複数の貫通孔を有するセル支持面を有しており、セル支持面にて燃料電池セル2におけるアノード21の表面を支持する構成とすることもできる。この構成によっても、フレーム3によって、燃料電池セル2の外周縁を支持することが可能である。
In the
燃料電池セルスタック1は、カソード24の面内方向に沿って酸化剤ガスOが供給され、アノード21の面内方向に沿って燃料ガス(不図示)が供給されるように構成することができる。具体的には、カソード24側において、フレーム3とセパレータとの間に設けられた隙間を、酸化剤ガスOが流れる酸化剤ガス流路(不図示)とすることができる。また、アノード21側において、フレーム3とセパレータとの間に設けられた隙間を、燃料ガスが流れる燃料ガス流路(不図示)とすることができる。また、燃料電池セルスタック1では、酸化剤ガス流路にカソード側集電体(不図示)を配置し、カソード側集電体がカソード24とセパレータとに接触するように構成することができる。また、燃料ガス流路にアノード側集電体(不図示)を配置し、アノード側集電体がアノード21とセパレータとに接触するように構成することができる。なお、酸化剤ガスOとしては、例えば、空気、酸素ガスなどを例示することができる。燃料ガスとしては、例えば、水素ガス、水素含有ガスなどを例示することができる。
The
燃料電池セルスタック1において、フレーム3を構成する金属は、耐酸化性金属材料より構成することができる。この構成によれば、燃料電池セルスタック1の発電時の高温環境下にフレーム3が置かれた場合でも、形状を維持することができる。そのため、この構成によれば、高温環境下における電池信頼性を向上させることが可能な燃料電池セルスタック1が得られる。なお、耐酸化性金属は、800℃の酸化性雰囲気中における接触抵抗が、1万時間まで50mΩ・cm2以下で推移する金属をいう。また、接触抵抗は、4端子測定法で測定される値である。耐酸化性金属としては、具体的には、例えば、フェライト系ステンレス鋼、耐熱Cr合金、耐熱NiCr合金、オーステナイト系ステンレス鋼などを例示することができる。
In the
燃料電池セルスタック1において、フレーム3を構成する金属の線熱膨張係数は、16×10−6/K以下とすることができる。この構成によれば、燃料電池セルスタック1の発電時の高温環境下にフレーム3が置かれた場合でも、形状を維持することができる。そのため、この構成によれば、高温環境下における電池信頼性を向上させることが可能な燃料電池セルスタック1が得られる。
In the
上記線熱膨張係数は、上記効果を確実なものとする等の観点から、好ましくは、16×10−6/K未満、より好ましくは、14×10−6/K以下、さらに好ましくは、13×10−6/K以下とすることができる。なお、上記線熱膨張係数は、0℃〜800℃の範囲における値である。また、上記線熱膨張係数は、基本的には、JIS Z 2285:2003 「金属材料の線熱膨張係数の測定方法」に準拠して測定される。また、上述したセパレータ、リテーナ6を構成する金属についても、同様に、耐酸化性金属材料より構成することができ、また、各金属の線熱膨張係数をそれぞれ16×10−6/K以下とすることができる。
The above-mentioned coefficient of linear thermal expansion is preferably less than 16 × 10 −6 / K, more preferably 14 × 10 −6 / K or less, still more preferably 13 or less, from the viewpoint of securing the above-mentioned effects, etc. It can be less than or equal to 10 -6 / K. In addition, the said linear thermal expansion coefficient is a value in the range of 0 degreeC-800 degreeC. Moreover, the said linear thermal expansion coefficient is fundamentally measured based on JISZ 2285: 2003 "the measuring method of the linear thermal expansion coefficient of a metal material." Similarly, the metal constituting the separator and the
燃料電池セルスタック1において、封止材4は、燃料電池セル2の外周縁とフレーム3との間を封止している。なお、燃料電池セルスタック1がリテーナ6を有する場合、封止材4は、図2に例示されるように、燃料電池セル2の外周縁とリテーナ6との間を封止していてもよい。この構成によれば、封止材4による封止距離が長くなるので、封止材4自体によるクロスリークの抑制に有利である。封止材4の材料としては、例えば、金属ろう材、ガラス材などを例示することができる。
In the
燃料電池セルスタック1において、剥離抑制層5は、カソード24の外周端部240に接している。本実施形態では、剥離抑制層5は、具体的には、図2に例示されるように、カソード24の外周囲においてカソード24側に露出する中間層23の表面に形成されている。なお、燃料電池セル2が中間層23を有さない場合には、剥離抑制層5は、カソード24の外周囲においてカソード24側に露出する固体電解質層22の表面に形成されることができる。
In the
ここで、剥離抑制層5は、Crを含むCr含有酸化物、または、発電によりCr含有酸化物となる前駆体を有している。
Here, the peeling
Cr含有酸化物としては、具体的には、ランタン−クロム系酸化物を好適に用いることができる。なお、ランタン−クロム系酸化物は、少なくともLaとCrとを構成元素とする酸化物である。ランタン−クロム系酸化物は、酸化雰囲気にて酸化され難く、かつ、還元雰囲気でも還元され難いため、いずれの雰囲気でも電子伝導性を発現することができる。そのため、この構成によれば、剥離抑制層5を電極(カソード24)の一部として機能させつつ、カソード24の耐還元性向上によるカソード24の剥離抑制効果を得ることができる。それ故、上記構成によれば、長期にわたる発電能力の確保に有利な燃料電池セルスタック1が得られる。
Specifically, a lanthanum-chromium-based oxide can be suitably used as the Cr-containing oxide. Note that the lanthanum-chromium-based oxide is an oxide having at least La and Cr as constituent elements. A lanthanum-chromium-based oxide is not easily oxidized in an oxidizing atmosphere and is not easily reduced in a reducing atmosphere, and therefore, can exhibit electron conductivity in any atmosphere. Therefore, according to this configuration, it is possible to obtain the peeling suppression effect of the
ランタン−クロム系酸化物としては、具体的には、LaxA1−xByCr1−yO3を例示することができる。但し、0<x≦1、0≦y<1、A=Sr、Ca、および、Baからなる群より選択される少なくとも1種、B=Mg、Al、Mn、Fe、Ti、Zn、Co、Ni、Cu、V、Nb、Ta、W、および、Moからなる群より選択される少なくとも1種である。この構成によれば、上記Aおよび上記Bの各元素を任意に組み合わせることで、ペロブスカイト型結晶構造を形成でき、カソード24の耐還元性向上と剥離抑制層5の電子伝導性の確保とを両立させやすくなる。そのため、上記構成によれば、上述した効果を確実なものとすることができる。
Specifically, La x A 1-x B y Cr 1-y O 3 can be exemplified as the lanthanum-chromium-based oxide. However, at least one selected from the group consisting of 0 <x ≦ 1, 0 ≦ y <1, A = Sr, Ca, and Ba, B = Mg, Al, Mn, Fe, Ti, Zn, Co, It is at least one selected from the group consisting of Ni, Cu, V, Nb, Ta, W, and Mo. According to this configuration, a perovskite-type crystal structure can be formed by arbitrarily combining the elements A and B, and the reduction resistance of the
LaxA1−xByCr1−yO3において、好ましくは、0.1≦x≦1、0≦y≦0.9、より好ましくは、0.2≦x≦1、0≦y≦0.8とすることができる。この構成によれば、燃料電池セルスタック1の発電後における副生成物の生成などを抑制しやすくなり、剥離抑制層5の電子伝導性の確保に有利となる。
In La x A 1-x B y Cr 1-y O 3 , preferably 0.1 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 0.9, more preferably 0.2 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y It can be set to ≦ 0.8. According to this configuration, generation of a by-product and the like after power generation of the
発電によりCr含有酸化物となる前駆体は、具体的には、発電時の温度(熱)によって、Cr含有酸化物に変換される物質である。このような前駆体には、単体の物質のみならず、複数の物質の混合物等も含まれる。前駆体は、1種または2種以上併用することができる。 Specifically, the precursor that becomes a Cr-containing oxide by power generation is a substance that is converted to a Cr-containing oxide by the temperature (heat) at the time of power generation. Such precursors include not only single substances but also mixtures of multiple substances. The precursors can be used alone or in combination of two or more.
燃料電池セルスタック1は、上記構成を有している。そのため、燃料電池セルスタック1は、長期運転、緊急停止、カソード24/アノード21間の差圧異常、振動・衝撃などによって封止材の一部が破壊し、クロスリークが生じた場合でも、カソード24の剥離を抑制することができる。これは、以下の理由による。燃料電池セルスタック1では、カソード24の外周端部240において、剥離抑制層5とカソード24とが接して配置されている。そのため、燃料電池セルスタック1の発電時に、剥離抑制層5とカソード24との界面より、剥離抑制層5に含まれるCr含有酸化物中のCrが固体拡散し、カソード24の外周端部240において、カソード24中の酸化物の元素とCrとが一部置換する。その結果、カソード24の外周端部240の耐還元性が増加する。これにより、燃料電池セルスタック1は、長期運転、緊急停止、カソード24/アノード21間の差圧異常、振動・衝撃などによって封止材4の一部が破壊し、クロスリークが生じた場合でも、カソード24の剥離を抑制することができる。
The
燃料電池セルスタック1において、剥離抑制層5は、具体的には、図2に例示されるように、カソード24の外周端面241に接する構成とすることができる。剥離抑制層5がない場合においてクロスリークが発生した際には、カソード24側に侵入した水素は、カソード24の外周端面241に最初に触れる。そして、カソード24の外周端部240が水素により還元されると、この部分から、カソード24が剥離しやすくなる。そのため、上記構成によれば、剥離抑制層5から固体拡散したCrと、カソード24中の酸化物が備える元素との一部置換により、カソード24の外周端部240における耐還元性の向上を確実なものとすることができる。それ故、上記構成によれば、クロスリークが生じた場合でも、カソード24の剥離を抑制しやすくなる。
In the
また、燃料電池セルスタック1において、剥離抑制層5は、具体的には、図1に例示されるように、カソード24における外周端部240の全周に接している構成とすることができる。この構成によれば、全周にわたってカソード24における外周端部240の耐還元性が増加する。そのため、この構成によれば、クロスリークが生じた場合でも、カソード24における外周端部240の全周で、カソード24の剥離を抑制しやすくなる。
Further, in the
剥離抑制層5の厚みは、具体的には、カソード24の厚みと同等かそれ以上とすることができる。この構成によれば、剥離抑制層5とカソード24との界面の確保が確実なものとなり、上述した作用効果を確実なものとすることができる。
Specifically, the thickness of the
剥離抑制層5の厚みは、カソード24の耐還元性向上などの観点から、好ましくは20〜120μm、より好ましくは30〜100μmとすることができる。本実施形態では、剥離抑制層5の厚みは、具体的には、70μmとすることができる。
The thickness of the
(実施形態2)
実施形態2の燃料電池セルスタックについて、図3を用いて説明する。なお、実施形態2以降において用いられる符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。
Second Embodiment
The fuel cell stack according to
図3に例示されるように、本実施形態の燃料電池セルスタック1では、剥離抑制層5は、カソード24に積層される積層部50を有している。
As illustrated in FIG. 3, in the
この構成によれば、剥離抑制層5は、カソード24の外周端面241に接するだけでなく、さらに、積層部50にて、カソード24における外周端部240の表面242にも接することができる。そのため、この構成によれば、カソード24の外周端部240に対して、積層部50からもCrを固体拡散させることが可能となり、カソード24中の酸化物の元素とCrとの一部置換を促進させることができる。それ故、この構成によれば、カソード24の耐還元性を向上させやすい燃料電池セルスタック1が得られる。その他の構成および作用効果は、実施形態1と同様である。
According to this configuration, the peeling
(実施形態3)
実施形態3の燃料電池セルスタックについて、図4を用いて説明する。図4に例示されるように、本実施形態の燃料電池セルスタック1において、剥離抑制層5は、カソード24における外周端部240のうち、酸化剤ガスOの出口側の端部領域を除いた残りの端部領域に接している。
(Embodiment 3)
The fuel cell stack according to
具体的には、本実施形態では、カソード24は、四角形状を呈している。したがって、カソード24の外周端部240は、四角形の四辺に対応して、四つの端部領域240a、240b、240c、240dに分けることができる。本実施形態では、カソード24の外周端部240における四つの端部領域240a、240b、240c、240dのうち、ある一つの端部領域240a側に酸化剤ガスの入口(不図示)が配置される。一方、24の外周端部240における四つの端部領域240a、240b、240c、240dのうち、ある一つの端部領域240aと対向する端部領域240d側に酸化剤ガスOの出口(不図示)が配置される。したがって、本実施形態では、剥離抑制層5は、カソード24の外周端部240における四つの端部領域240a、240b、240c、240dのうち、酸化剤ガスOの出口側の一つの端部領域240dを除いた残りの三つの端部領域240a、240b、240cに接している。
Specifically, in the present embodiment, the
カソード24の外周端部240における酸化剤ガスOの出口側の端部領域240dは、酸化剤ガスOの入口側の端部領域240aに比べ、クロスリークによる水素の影響を受け難い。そのため、カソード24の外周端部240における酸化剤ガスOの出口側の端部領域240dに、剥離抑制層5が接していない場合(カソード24の外周端部240に、剥離抑制層5が一部接していない場合)であっても、剥離抑制層5が全くない場合に比べ、十分にカソード24の剥離抑制を図ることができる。よって、上記構成によれば、実施形態1に比べ、剥離抑制層5の使用量を低減することができるため、カソード24の剥離を抑制しつつ、材料コストの低減にも有利な燃料電池セルスタック1が得られる。その他の構成および作用効果は、実施形態1と同様である。
The
(実験例)
−試料1−
NiO粉末(平均粒子径:0.5μm)と、8mol%のY2O3を含むイットリア安定化ジルコニア(以下、8YSZ)粉末(平均粒子径:0.2μm)と、カーボン(造孔剤)と、ポリビニルブチラールと、酢酸イソアミルおよび1−ブタノールとをボールミルにて混合することによりスラリーを調製した。NiO粉末と8YSZ粉末との質量比は、65:35である。ドクターブレード法を用いて、樹脂シート上に上記スラリーを層状に塗工し、乾燥させた後、樹脂シートを剥離することにより、厚み100μmアノード形成用シートを準備した。なお、上記平均粒子径は、レーザー回折・散乱法により測定した体積基準の累積度数分布が50%を示すときの粒子径(直径)d50である(以下、同様)。
(Experimental example)
-Sample 1-
NiO powder (average particle size: 0.5 μm), yttria stabilized zirconia (hereinafter, 8YSZ) powder containing 8 mol% Y 2 O 3 (average particle size: 0.2 μm), carbon (pore forming agent), A slurry was prepared by mixing polyvinyl butyral, isoamyl acetate and 1-butanol in a ball mill. The mass ratio of NiO powder to 8YSZ powder is 65:35. The above-described slurry was applied in a layer form on a resin sheet using a doctor blade method, and dried, and then the resin sheet was peeled off to prepare a 100-μm-thick sheet for anode formation. The above average particle diameter is the particle diameter (diameter) d50 when the volume-based cumulative frequency distribution measured by the laser diffraction / scattering method indicates 50% (the same applies hereinafter).
8YSZ粉末(平均粒子径:0.2μm)と、ポリビニルブチラールと、酢酸イソアミルおよび1−ブタノールとをボールミルにて混合することによりスラリーを調製した。以降は、アノード形成用シートの作製と同様にして、厚み5.0μmの固体電解質層形成用シートを準備した。 A slurry was prepared by mixing 8YSZ powder (average particle size: 0.2 μm), polyvinyl butyral, isoamyl acetate and 1-butanol in a ball mill. Thereafter, in the same manner as the preparation of the sheet for forming an anode, a sheet for forming a solid electrolyte layer having a thickness of 5.0 μm was prepared.
10mol%のGdがドープされたCeO2(以下、10GDC)粉末(平均粒子径:0.3μm)と、ポリビニルブチラールと、酢酸イソアミル、2−ブタノールおよびエタノールとをボールミルにて混合することによりスラリーを調製した。以降は、アノード形成用シートの作製と同様にして、厚み4.0μmの中間層形成用シートを準備した。 A slurry was prepared by mixing 10 mol% Gd-doped CeO 2 (hereinafter, 10 GDC) powder (average particle size: 0.3 μm), polyvinyl butyral, isoamyl acetate, 2-butanol and ethanol in a ball mill. Prepared. Thereafter, in the same manner as the preparation of the sheet for forming an anode, a sheet for forming an intermediate layer having a thickness of 4.0 μm was prepared.
アノード形成用シート、固体電解質層形成用シート、および、中間層形成用シートをこの順に積層し、圧着した。なお、圧着には、WIP成形法を用いた。この際、WIP成形条件は、温度85℃、加圧力50MPa、加圧時間10分という条件とした。得られた圧着体は脱脂した。 The sheet for forming an anode, the sheet for forming a solid electrolyte layer, and the sheet for forming an intermediate layer were laminated in this order and pressure-bonded. In addition, the WIP molding method was used for pressure bonding. At this time, the WIP molding conditions were a temperature of 85 ° C., a pressure of 50 MPa, and a pressure time of 10 minutes. The resulting crimped body was degreased.
上記圧着体を大気雰囲気中にて、1350℃で2時間一括焼成することにより、アノード、固体電解質層、中間層がこの順に積層された焼結体を得た。 A sintered body in which an anode, a solid electrolyte layer, and an intermediate layer were laminated in this order was obtained by collectively firing the pressure-bonded body in an air atmosphere at 1350 ° C. for 2 hours.
La0.6Sr0.4CoO3粉末(平均粒子径:0.6μm)と、エチルセルロースと、テルピネオールとを3本ロールにて混練することにより、カソード形成用ペーストを準備した。 La 0.6 Sr 0.4 CoO 3 powder (average particle size: 0.6 .mu.m) and, ethylcellulose, by kneading the terpineol by a three-roll mill to prepare a cathode-forming paste.
上記焼結体における中間層の表面に、カソード形成用ペーストをスクリーン印刷法により塗布、乾燥後、大気雰囲気中、900℃で2時間焼成(焼付)することによって層状のカソード(50μm)を形成した。この際、カソードの外形は、アノードの外形よりも小さく形成した。なお、カソードの厚みは、好ましくは20〜100μm、より好ましくは30〜80μmの範囲から選択することができる。また、カソード形成時の焼成温度は、700℃〜900℃の範囲内で調節することができる。また、カソード形成時の焼成時間は、カソードの厚みやカソード形成用ペースト中のバインダー量などに応じて適宜調節することができる。 A cathode-forming paste was applied by screen printing on the surface of the intermediate layer in the above sintered body, dried, and then baked (baked) in an air atmosphere at 900 ° C. for 2 hours to form a layered cathode (50 μm) . At this time, the outer shape of the cathode was smaller than the outer shape of the anode. The thickness of the cathode can be selected preferably in the range of 20 to 100 μm, more preferably 30 to 80 μm. Moreover, the calcination temperature at the time of cathode formation can be adjusted within the range of 700 degreeC-900 degreeC. Further, the baking time at the time of forming the cathode can be appropriately adjusted according to the thickness of the cathode, the amount of the binder in the paste for forming the cathode, and the like.
La0.8Sr0.2CrO3粉末(平均粒子径:0.5μm)と、エチルセルロースと、テルピネオールとを3本ロールにて混練することにより、剥離抑制層形成用ペーストを準備した。 A paste for formation of a peeling suppression layer was prepared by kneading La 0.8 Sr 0.2 CrO 3 powder (average particle diameter: 0.5 μm), ethyl cellulose and terpineol with a three-roll.
図1に示されるように、剥離抑制層形成用ペーストを、カソードの外周端面の全てに接触するようにパターン印刷、乾燥後、大気雰囲気中、850℃で2時間焼成(焼付)することによって剥離抑制層(60μm)を形成した。なお、剥離抑制層の厚みは、好ましくは20〜120μm、より好ましくは30〜100μmの範囲から選択することができる。また、剥離抑制層形成時の焼成温度は、700℃〜900℃の範囲内で調節することができる。また、剥離抑制層形成時の焼成時間は、剥離抑制層の厚みや剥離抑制層形成用ペースト中のバインダー成分の量などに応じて適宜調節することができる。これにより、剥離抑制層を有する平板形の燃料電池セルを得た。 As shown in FIG. 1, the paste for forming a peeling suppression layer is printed by pattern printing so as to be in contact with all of the outer peripheral end face of the cathode, dried, and then baked (baked) at 850 ° C. for 2 hours in the air atmosphere. A suppression layer (60 μm) was formed. In addition, the thickness of a peeling suppression layer can be preferably selected from the range of 20-120 micrometers, more preferably 30-100 micrometers. Moreover, the calcination temperature at the time of peeling suppression layer formation can be adjusted within the range of 700 degreeC-900 degreeC. Moreover, the baking time at the time of formation of a peeling suppression layer can be suitably adjusted according to the thickness of a peeling suppression layer, the quantity of the binder component in the paste for peeling suppression layer formation, etc. Thus, a flat fuel cell having a separation suppressing layer was obtained.
図1および図2に示されるように、燃料電池セルを、フェライト系ステンレス鋼製のフレームに組み付けた。この際、燃料電池セルの外周縁とフレームとの間を封止する封止材には、金属ろう材を用いた。また、フレームに組み付けられた燃料電池セルの外周縁に、フェライト系ステンレス鋼製のリテーナを組み付けた。この際、燃料電池セルの外周縁とリテーナとの間を封止する封止材には、上記と同じ金属ろう材を用いた。以上により、フレーム付き燃料電池セルを得た。以下、これを試料1とする。なお、このフレーム付き燃料電池セルをセパレータを介して複数積層することにより、燃料電池セルスタックを構成することができる。
As shown in FIGS. 1 and 2, the fuel cell was assembled to a frame made of ferritic stainless steel. Under the present circumstances, the metal brazing material was used for the sealing material which seals between the outer periphery of a fuel cell and flame | frame. Further, a retainer made of a ferritic stainless steel was attached to the outer peripheral edge of the fuel cell assembled to the frame. At this time, the same metal brazing material as described above was used as a sealing material for sealing between the outer peripheral edge of the fuel cell and the retainer. Thus, a framed fuel cell was obtained. Hereinafter, this is referred to as
−試料2−
試料1の作製において、剥離抑制層形成用ペーストにおけるLa0.8Sr0.2CrO3粉末を、La0.9Sr0.1CrO3粉末とした点、剥離抑制層形成用ペーストを、カソードの外周端部の表面に一部重なるようパターン印刷することで、図3に示されるように、剥離抑制層が、カソードに積層される積層部を有するように構成した点以外は同様にして、試料2のフレーム付き燃料電池セルを作製した。なお、試料2でにおいて、剥離抑制層は、カソードの外周端面と外周端部表面との両方に接している。
-Sample 2-
In the preparation of
−試料3〜14−
試料1の作製において、剥離抑制層形成用ペーストにおけるLa0.8Sr0.2CrO3粉末を、後述の表1に示すLaxA1−xByCr1−yO3粉末とした点以外は同様にして、試料3〜14のフレーム付き燃料電池セルを作製した。
-
In the preparation of
−試料15−
試料1の作製において、剥離抑制層形成用ペーストを、図4に示したように、カソードにおける外周端部のうち、酸化剤ガスの出口側の端面領域を除いた残りの端面領域に接するようにパターン印刷した点以外は同様にして、試料15のフレーム付き燃料電池セルを作製した
-Sample 15-
In preparation of
−試料1C−
試料1の作製において、剥離抑制層を形成しなかった点以外は同様にして、試料1Cのフレーム付き燃料電池セルを作製した。
-Sample 1C-
A framed fuel cell of Sample 1C was produced in the same manner as in the production of
−試料2C−
試料1の作製において、カソード形成用ペーストにおけるLa0.6Sr0.4CoO3粉末を、La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3粉末とした点以外は同様にして、試料2Cのフレーム付き燃料電池セルを作製した。
-Sample 2C-
The same as in the preparation of
−試料3C−
試料1の作製において、カソード形成用ペーストにおけるLa0.6Sr0.4CoO3粉末を、Sm0.5Sr0.5CoO3粉末とした点以外は同様にして、試料3Cのフレーム付き燃料電池セルを作製した。
-Sample 3C-
A framed fuel of sample 3C was prepared in the same manner as in
−評価試験−
各試料を単層スタック形状へ組み付け、500℃の環境下で、アノード側に対して、外部から水素ガスを0.5L/分、カソード側に対して、空気を0.2L/分で供給させながら、15分保持した。なお、当該環境は、セル外周の封止が完成していない低温で、差圧がアノード>カソードになる環境を模擬したものである。上記保持後、降温し、各試料におけるカソードの剥離を目視にて確認した。
-Evaluation test-
Assemble each sample into a single-layer stack shape, and supply 0.5 L / min of hydrogen gas from the outside to the anode side and 0.2 L / min of air to the cathode side at 500 ° C. While holding for 15 minutes. In addition, the said environment simulates the environment where differential pressure becomes anode> cathode at low temperature which sealing of cell outer periphery is not completed. After the above holding, the temperature was lowered and peeling of the cathode in each sample was visually confirmed.
表1に、各試料の詳細構成および評価試験の結果をまとめて示す。 Table 1 summarizes the detailed configuration of each sample and the results of the evaluation test.
表1によれば、カソードの外周端部において、カソードと接するようにCr含有酸化物を有する剥離抑制層を配置することにより、カソードの外周端部における耐還元性が向上し、カソードの剥離を抑制することができることが確認された。 According to Table 1, the reduction resistance at the outer peripheral end of the cathode is improved by arranging the peeling suppression layer having a Cr-containing oxide so as to be in contact with the cathode at the outer peripheral end of the cathode, and the cathode is peeled off. It has been confirmed that it can be suppressed.
本発明は、上記各実施形態、各実験例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。また、各実施形態、各実験例に示される各構成は、それぞれ任意に組み合わせることができる。例えば、実施形態2の構成と実施形態3の構成とを組み合わせることができる。 The present invention is not limited to the above embodiments and experimental examples, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Moreover, each structure shown by each embodiment and each experiment example can each be combined arbitrarily. For example, the configuration of the second embodiment and the configuration of the third embodiment can be combined.
1 燃料電池セルスタック
2 燃料電池セル
21 アノード
22 固体電解質層
24 カソード
240 外周端部
3 フレーム
4 封止材
5 剥離抑制層
DESCRIPTION OF
Claims (11)
上記燃料電池セルの外周縁を支持する金属製のフレーム(3)と、
上記燃料電池セルの外周縁と上記フレームとの間を封止する封止材(4)と、
上記カソードの外周端部(240)に接する剥離抑制層(5)と、を有しており、
上記カソードは、Crと少なくとも一部置換可能な元素を含む酸化物を有しており、
上記剥離抑制層は、Crを含むCr含有酸化物、または、発電により上記Cr含有酸化物となる前駆体を有している、燃料電池セルスタック(1)。 A fuel cell (2) comprising an anode (21), a solid electrolyte layer (22) and a cathode (24);
A metal frame (3) for supporting the outer peripheral edge of the fuel cell;
A sealing material (4) for sealing between the outer peripheral edge of the fuel cell and the frame;
And a peeling suppression layer (5) in contact with the outer peripheral end (240) of the cathode,
The cathode has an oxide containing Cr and an element capable of at least partial substitution,
The fuel cell stack (1), wherein the peeling suppression layer has a Cr-containing oxide containing Cr or a precursor that becomes the Cr-containing oxide by power generation.
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