JP2019200874A - 電気化学反応単位、電気化学反応セルスタック、および、電気化学反応単位の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
A−1.装置構成:
(燃料電池スタック100の構成)
図1は、本実施形態における燃料電池スタック100の外観構成を示す斜視図であり、図2は、図1のII−IIの位置における燃料電池スタック100のXZ断面構成を示す説明図であり、図3は、図1のIII−IIIの位置における燃料電池スタック100のYZ断面構成を示す説明図である。各図には、方向を特定するための互いに直交するXYZ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Z軸正方向を上方向と呼び、Z軸負方向を下方向と呼ぶものとするが、燃料電池スタック100は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。図4以降についても同様である。
一対のエンドプレート104,106は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばステンレスにより形成されている。一方のエンドプレート104は、最も上に位置する発電単位102の上側に配置され、他方のエンドプレート106は、最も下に位置する発電単位102の下側に配置されている。一対のエンドプレート104,106によって複数の発電単位102が押圧された状態で挟持されている。上側のエンドプレート104は、燃料電池スタック100のプラス側の出力端子として機能し、下側のエンドプレート106は、燃料電池スタック100のマイナス側の出力端子として機能する。
図4は、図2に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のXZ断面構成を示す説明図であり、図5は、図3に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のYZ断面構成を示す説明図である。また、図6は、図4および図5のVI−VIの位置における発電単位102のXY断面構成を示す説明図であり、図7は、図4および図5のVII−VIIの位置における発電単位102のXY断面構成を示す説明図である。
図2、図4および図6に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド161の位置に設けられたガス通路部材27の分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して酸化剤ガスOGが供給されると、酸化剤ガスOGは、ガス通路部材27の分岐部29および本体部28の孔を介して酸化剤ガス導入マニホールド161に供給され、酸化剤ガス導入マニホールド161から各発電単位102の酸化剤ガス供給連通孔132を介して、空気室166に供給される。また、図3、図5および図7に示すように、燃料ガス導入マニホールド171の位置に設けられたガス通路部材27の分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して燃料ガスFGが供給されると、燃料ガスFGは、ガス通路部材27の分岐部29および本体部28の孔を介して燃料ガス導入マニホールド171に供給され、燃料ガス導入マニホールド171から各発電単位102の燃料ガス供給連通孔142を介して、燃料室176に供給される。
上述したように、燃料極側集電体144は、燃料室176内に配置されている。具体的には、図4および図5に示すように、燃料極側集電体144は、燃料極116とインターコネクタ150との間に配置されている。また、燃料極側集電体144は、燃料極116の表面(上面)に接触する電極対向部145を備えている。スペーサ149は、少なくとも一部が、電極対向部145と、該電極対向部145が配置された燃料室176を構成するインターコネクタ150との間に配置されている。具体的には、図5および図7に示すように、スペーサ149は、重複部分210と非重複部分220とを含んでいる。重複部分210は、スペーサ149のうち、上下方向(Z軸方向)視で、電極対向部145と重なる位置に配置された部分である。重複部分210における電極対向部145側の表面(上面 以下、「第1の表面212」という)は、電極対向部145の下面に接触している。換言すれば、重複部分210の第1の表面212は、電極対向部145に覆われており、燃料室176に露出していない。非重複部分220は、スペーサ149のうち、上下方向視で、電極対向部145とは異なる位置に配置された部分である。非重複部分220における燃料極116側の表面(上面 以下、「第2の表面222」という)は、他の部材に覆われておらず、燃料室176に露出している。本実施形態では、スペーサ149は、全体として、複数の電極対向部145の並び方向(本実施形態では、Y軸方向)に沿った形状であり、重複部分210と非重複部分220とが、該並び方向に沿って交互に並ぶように配置されている。燃料極116は、特許請求の範囲における特定電極に相当し、燃料極側集電体144は、特許請求の範囲における集電体に相当し、電極対向部145は、特許請求の範囲におけるセル接触部に相当する。また、燃料室176は、特許請求の範囲におけるガス室に相当する。
<第1の条件>
「スペーサ149の重複部分210の第1の表面212におけるSiの含有量は、18wt%以上であり、
かつ、非重複部分220の第2の表面222におけるSiの含有量は、重複部分210の第1の表面212におけるSiの含有量より少ない。」
なお、非重複部分220の第2の表面222におけるSiの含有量と重複部分210の第1の表面212におけるSiの含有量との差は、5wt%以上であることが好ましい。
重複部分210の第1の表面212は、特許請求の範囲における第1の表面に相当し、非重複部分220の第2の表面222は、特許請求の範囲における第2の表面に相当する。
<第2の条件>
「燃料極116のうち、電解質層112とは反対側の表面(下面)におけるSiの含有量は、0.04wt%以下である。」
次に、燃料電池スタック100の製造方法について説明する。図8は、燃料電池スタック100の製造方法を示すフローチャートである。はじめに、上記第1の条件を満たすスペーサ149を形成する(S110〜S130)。具体的には、第1の条件を満たさないスペーサ前駆体を準備する(S110)。スペーサ前駆体は、熱処理によってスペーサ149となるものであり、例えば、脱バインダー処理前の軟質マイカである。このスペーサ前駆体の表面全体におけるSiの含有量は、18wt%以上である。なお、スペーサ149全体の弾性力の確保のため、スペーサ前駆体の内部におけるSiの含有量も、18wt%以上であることが好ましい。
以上説明したように、スペーサ149は、上下方向(Z軸方向)視で、燃料極側集電体144の電極対向部145と重なる位置に配置された重複部分210と、電極対向部145とは異なる位置に配置された非重複部分220と、を含んでいる。重複部分210における電極対向部145側の第1の表面212は、電極対向部145に接触しており、燃料極116に面する燃料室176に露出していない。一方、非重複部分220における燃料極116側の第2の表面222は、燃料室176に露出している。このため、スペーサに含まれるSi(ケイ素)は、重複部分210の第1の表面212より非重複部分220の第2の表面222から飛散し易い。そこで、本実施形態の発電単位102では、非重複部分220の第2の表面222におけるSiの含有量は、重複部分210の第1の表面212におけるSiの含有量より少ない(上記第1の条件の一部)。これにより、非重複部分220の第2の表面222におけるSiの含有量が、重複部分210の第1の表面212におけるSiの含有量と同じである構成に比べて、スペーサ149からのSiの飛散量を抑制できる。また、重複部分210の第1の表面212におけるSiの含有量は、18wt%以上である(上記第1の条件の一部)。これにより、重複部分210の第1の表面212におけるSiの含有量が18wt%未満である構成に比べて、スペーサ149の弾性力の低下に起因する電極対向部145と燃料極116との間の接触圧力不足を抑制できる。すなわち、本実施形態の発電単位102によれば、スペーサ149からのSiの飛散量の抑制とスペーサ149の弾性力の低下の抑制との両立を図ることができる。
上述した燃料極側集電体144に配置されるスペーサ(スペーサ149)について行った性能評価について、以下説明する。図9は、性能評価結果を示す説明図である。なお、各サンプルにおける各表面のSiの含有量(wt%)は、XRF分析(X−Ray Fluorescence Analysis)により測定することができる。
図9に示すように、本性能評価では、スペーサについて、7つのサンプル1〜7を用いた。7つのサンプル1〜7は、重複部分210の第1の表面212におけるSiの含有量と非重複部分220の第2の表面222におけるSiの含有量との少なくとも一方が互いに異なる。サンプル1〜3は、上述した製造方法と同様、スペーサ前駆体を燃料極側集電体144と一体にして熱処理を行うことにより作製した。サンプル1〜3の製造工程では、いずれも、スペーサ前駆体と燃料極側集電体144との複合体に対して、熱処理の温度は、約850℃で、かつ、水蒸気40%・水素60%の還元雰囲気で熱処理を行った。ただし、サンプル1〜3の製造工程では、熱処理の時間が互いに異なる。具体的には、サンプル1では、熱処理の時間は1000時間であり、サンプル2では、熱処理の時間は700時間であり、サンプル3では、熱処理の時間は300時間であった。その結果、サンプル1〜3では、重複部分210の第1の表面212におけるSiの含有量は、互いに同じ(18wt%)であったが、非重複部分220の第2の表面222におけるSiの含有量は、互いに異なる。具体的には、熱処理の時間が長いサンプルほど、非重複部分220の第2の表面222におけるSiの含有量は少なくなった。
本性能評価では、スペーサの弾性率試験と、Si飛散試験との2つの項目について評価を行った。スペーサの弾性率試験では、各サンプルの弾性率(GPa)を、公知の測定機(例えば、超微小硬度計HM2000 株式会社フィッシャー・インストルメンツ製)を用いて測定した。各サンプルを用いて発電単位102を作製した場合において燃料極側集電体144と燃料極116との接点確保のため、弾性率が、1.9GPaより高い場合に合格(○)と判定し、1.9GPa以下である場合に不合格(×)と判定した。
スペーサの弾性率試験において、サンプル1〜3,7では、弾性率が1.9GPaより高かったため、合格(○)と判定された。サンプル1〜3,7では、スペーサの重複部分210の第1の表面212におけるSiの含有量が18wt%以上であるため、スペーサの重複部分210の弾性率が相対的に高くなったと考えられる。一方、サンプル4〜6では、弾性率が1.9GPa以下であったため、不合格(×)と判定された。サンプル4〜6では、スペーサの重複部分210の第1の表面212におけるSiの含有量が18wt%未満であるため、スペーサの重複部分210の弾性率が相対的に低くなったと考えられる。すなわち、スペーサの重複部分210の第1の表面212におけるSiの含有量が18wt%以上であれば、スペーサの弾性力の低下に起因する電極対向部145と燃料極116との間の接触圧力不足を抑制できることが確認された。
本明細書で開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。
Claims (5)
- 電解質層と前記電解質層を挟んで第1の方向に互いに対向する空気極および燃料極とを含む電気化学反応単セルと、前記電気化学反応単セルの前記空気極と前記燃料極との少なくとも一方である特定電極側に配置されたインターコネクタと、前記特定電極と前記インターコネクタとの間に配置された導電性の集電体であって、前記特定電極の表面に接触するセル接触部を含む集電体と、少なくとも一部が前記セル接触部と前記インターコネクタとの間に配置されたマイカ製のスペーサと、を備える電気化学反応単位において、
前記スペーサは、
前記第1の方向視で前記セル接触部と重なる位置に配置された重複部分であって、前記セル接触部側の第1の表面が前記セル接触部に接触する重複部分と、
前記第1の方向視で前記セル接触部とは異なる位置に配置された非重複部分であって、少なくとも前記特定電極側の第2の表面が前記特定電極に面するガス室に露出している非重複部分と、を含み、
前記重複部分の前記第1の表面におけるSiの含有量は、18wt%以上であり、
かつ、前記非重複部分の前記第2の表面におけるSiの含有量は、前記重複部分の前記第1の表面におけるSiの含有量より少ない、
ことを特徴とする電気化学反応単位。 - 請求項1に記載の電気化学反応単位において、さらに、
前記特定電極の前記表面におけるSiの含有量は、0.04wt%以下である、
ことを特徴とする電気化学反応単位。 - 前記第1の方向に並べて配列された複数の電気化学反応単位を備える電気化学反応セルスタックにおいて、
前記複数の電気化学反応単位の少なくとも1つは、請求項1または請求項2に記載の電気化学反応単位であることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。 - 電解質層と前記電解質層を挟んで第1の方向に互いに対向する空気極および燃料極とを含む電気化学反応単セルと、前記電気化学反応単セルの前記空気極と前記燃料極との少なくとも一方である特定電極側に配置されたインターコネクタと、前記特定電極と前記インターコネクタとの間に配置された導電性の集電体であって、前記特定電極の表面に接触するセル接触部を含む集電体と、少なくとも一部が前記セル接触部と前記インターコネクタとの間に配置されたマイカ製のスペーサと、を備える電気化学反応単位の製造方法において、
前記スペーサは、
前記第1の方向視で前記セル接触部と重なる位置に配置された重複部分であって、前記セル接触部側の第1の表面が前記セル接触部に接触する重複部分と、
前記第1の方向視で前記セル接触部とは異なる位置に配置された非重複部分であって、少なくとも前記特定電極側の第2の表面が前記特定電極に面するガス室に露出している非重複部分と、を含み、
前記重複部分の前記第1の表面におけるSiの含有量が、18wt%以上であり、かつ、前記非重複部分の前記第2の表面におけるSiの含有量が、前記重複部分の前記第1の表面におけるSiの含有量より少ない条件を満たす前記スペーサを形成する工程と、
前記電気化学反応単セルと、前記インターコネクタと、前記集電体と、前記条件を満たす前記スペーサとを用いて、前記電気化学反応単位を組み立てる工程と、
を含む、
ことを特徴とする電気化学反応単位の製造方法。 - 請求項4に記載の電気化学反応単位の製造方法において、さらに、
前記条件を満たさない熱処理前のスペーサの一部の表面に前記集電体における前記セル接触部が接触するように配置された、前記熱処理前のスペーサと前記集電体との複合体を準備する工程を含み、
前記複合体に対して熱処理を施すことによって前記条件を満たす前記スペーサを形成する、
ことを特徴とする電気化学反応単位の製造方法。
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