JP2020107607A - セルスタック - Google Patents
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Abstract
Description
[セルスタックの構成]
第1実施形態に係るセルスタック1の構成について、図面を参照しながら説明する。図1は、セルスタック1の全体斜視図である。図2は、燃料電池セル100の全体斜視図である。図3は、マニホールド200の全体斜視図である。図4は、燃料電池セル100及びマニホールド200の部分拡大断面図である。
図1に示すように、各燃料電池セル100は、マニホールド200に設けられる。燃料電池セル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、燃料電池セル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基端部10aは、ガラスシール部300によってマニホールド200に接合される。燃料電池セル100のx軸方向において燃料ガスが排出される側の先端部10bは、自由端となっている。
マニホールド200は、本発明に係る「金属部材」の一例である。マニホールド200は、複数の燃料電池セル100それぞれに燃料ガスを供給するための中空体である。図3及び図4に示すように、マニホールド200は、実質的に直方体状である。マニホールド200では、高さ方向、短手方向及び長手方向が、x軸方向、y軸方向及びz軸方向に対応する。
ガラスシール部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の外部空間の空気との混合を防止するシール材として機能する。具体的には、図4に示すように、ガラスシール部300は、マニホールド200と各燃料電池セル100との間に配置され、マニホールド200と各燃料電池セル100とを接合する。これにより、ガラスシール部300は、内部空間S1と外部空間とを区画する。
中間層350は、マニホールド200とガラスシール部300との間に配置される。中間層350は、マニホールド200及びガラスシール部300のそれぞれと直接的に接合される。中間層350は、ガラスシール部300と実質的に一体であってもよい。中間層350は、マニホールド200とガラスシール部300との間の一部にのみ介挿されていてもよいし、マニホールド200とガラスシール部300との全面に介挿されていてもよい。
図4に示すように、セルスタック1は、集電部材400,500をさらに有する。集電部材400は、隣接する燃料電池セル100の間に設けられる。詳細には、集電部材400は、一方の燃料電池セル100の燃料極と、他方の燃料電池セル100の空気極とを電気的に直列に接続するために、隣接する燃料電池セル100の間に設けられる。集電部材400は、例えば、金属メッシュ等によって構成される。
ガラスシール部300及び中間層350のそれぞれは、Cr(クロム)より平衡酸素圧の低い元素(以下、「低平衡酸素圧元素」という。)を含有する。
まず、マニホールド200の支持板220に形成された各貫通孔221の内側面および上面の周囲に、ガラス成分の供給源となる化合物を含むペーストを塗布することによって、中間層350の成形体を形成する。この際、中間層350用のペーストには、後述するガラスシール部300用のペーストに比べて、低平衡酸素圧元素を多く含有させる。
[セルスタックの構成]
第2実施形態に係るセルスタック2の構成について、図面を参照しながら説明する。
図6に示すように、燃料電池セル5は、固体電解質11と、空気極12と、燃料極13とを有する。燃料電池セル5は、平面視(z軸方向視)において、矩形状である。なお、燃料電池セル5としては、固体酸化物形燃料電池を用いることができる。
セパレータ30は、燃料電池セル5に接続される。詳細には、セパレータ30は、シール部材110を介して、燃料電池セル5の固体電解質11の周縁部と接続されている。セパレータ30は、燃料ガスが流れる空間と酸化剤ガスが流れる空間とを区画する。このため、セパレータ30は、酸化剤ガスと燃料ガスとを分離して、両者の混合を防止する機能を有している。セパレータ30は、枠状である。
インターコネクタ40は、燃料電池セル5間の導通を確保する。また、インターコネクタ40は、燃料電池セル5間でのガスの混合を防止する。インターコネクタ40は、板状であり、x軸方向及びy軸方向に延びる。
集電体50は、燃料電池セル5の空気極12及び燃料極13それぞれとインターコネクタ40との間の導通を確保する。集電体50は、例えば、インターコネクタ40から空気極12に向けて突出する複数の突出部である。また集電体50は、例えば、インターコネクタ40から燃料極13に向けて突出する複数の突出部である。各突出部は、互いに間隔をあけて配置されている。各突出部の間は、ガス流路を構成する。例えば、集電体50は、y軸方向に間隔をあけて配置され、x軸方向に延びている。集電体は、例えば、金属で構成される。
シール部材110及びシール部材120それぞれは、セルスタック2を構成する第1部材及び第2部材の隙間を封止するシール部材の一例である。ただし、第1部材は、Crを含有する金属材料によって構成されるものとする。
シール部材110は、ガラスシール部111、中間層112及び中間層113を含む。
シール部材120は、ガラスシール部121及び中間層122を含む。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
上記第1実施形態では、燃料電池セル100及びマニホールド200の隙間を封止するシール部材(ガラスシール部300及び中間層350)について説明した。また、上記第2実施形態では、セパレータ30及びインターコネクタ40の隙間を封止するシール部材110と、セパレータ30及び燃料電池セル5の隙間を封止するシール部材120とについて説明した。
上記第1実施形態に係るセルスタックは横縞形の燃料電池セルを備え、上記第2実施形態に係るセルスタックは平板形の燃料電池セルを備えることとしたが、セルスタックが備える燃料電池セルは、横縞形、縦縞形、平板形、円筒形のいずれでもよい。また、セルスタックは、燃料電池セルに代えて、水蒸気から水素と酸素を生成する電解セルを備えていてもよい。
上記第2実施形態では、シール部材110が中間層112及び中間層113を含むこととしたが、中間層112及び中間層113の一方のみを含んでいてもよい。シール部材110が中間層112のみを含む場合、インターコネクタ40が第1部材であり、セパレータ30が第2部材である。シール部材110が中間層113のみを含む場合、セパレータ30が第1部材であり、インターコネクタ40が第2部材である。
上記第2実施形態において、セパレータ30の表面は、酸化クロム被膜によって覆われていてもよいこととしたが、これに限られない。セパレータ30の表面は、酸化アルミニウム被膜によって覆われていてもよい。この場合、セパレータ30の表面に酸化クロム被膜が形成されたり、或いは、セパレータ30の表面に形成された酸化クロム被膜が厚膜化したりするおそれがないため、シール部材110は中間層113を含まなくてよいし、シール部材120は中間層122を含まなくてよい。
10 支持基板
11 燃料ガス流路
100 燃料電池セル
200 マニホールド
221 貫通孔
300 ガラスシール部
350 中間層
A 発電素子部
2 セルスタック
5 燃料電池セル
30 セパレータ
40 インターコネクタ
110 シール部材
111 ガラスシール部
112 中間層
113 中間層
120 シール部材
121 ガラスシール部
122 中間層
Claims (13)
- 燃料ガス及び酸化剤ガスによって発電するセルスタックであって、
インターコネクタを介して互いに積層される複数の燃料電池セルと、
前記複数の燃料電池セルそれぞれに接続され、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを分離するための複数のセパレータと、
前記セルスタックを構成する第1部材及び第2部材の隙間を封止するシール部材と、
を備え、
前記第1部材は、Crを含有する金属材料によって構成され、
前記シール部材は、結晶化ガラスによって構成されるガラスシール部と、前記第1部材と前記ガラスシール部との間に配置され、結晶化ガラスによって構成される中間層とを含み、
前記中間層におけるクロムより平衡酸素圧の低い低平衡酸素圧元素の含有率は、前記ガラスシール部における前記低平衡酸素圧元素の含有率よりも高い、
セルスタック。 - 前記シール部材は、枠状である、
請求項1に記載のセルスタック。 - 前記シール部材は、前記セルスタックの内部と外部とを隔離する、
請求項1又は2に記載のセルスタック。 - 前記第1部材は、前記インターコネクタであり、
前記第2部材は、前記セパレータである、
請求項3に記載のセルスタック。 - 前記第1部材は、前記セパレータであり、
前記第2部材は、前記インターコネクタである、
請求項3に記載のセルスタック。 - 前記シール部材は、前記燃料極と前記空気極との間を隔離する、
請求項1乃至3のいずれかに記載のセルスタック。 - 前記第1部材は、前記セパレータであり、
前記第2部材は、前記燃料電池セルである、
請求項6に記載のセルスタック。 - 前記中間層における前記低平衡酸素圧元素の含有率は、前記ガラスシール部における前記低平衡酸素圧元素の含有率の1.1倍以上である、
請求項1乃至7のいずれかに記載のセルスタック。 - 前記低平衡酸素圧元素の平衡酸素圧は、シリコンの平衡酸素圧よりも低い、
請求項1乃至8のいずれかに記載のセルスタック。 - 前記中間層及び前記ガラスシール部のそれぞれは、前記低平衡酸素圧元素としてCaを含む、
請求項1乃至9のいずれかに記載のセルスタック。 - 前記中間層及び前記ガラスシール部のそれぞれは、前記低平衡酸素圧元素としてMgを含む、
請求項1乃至10のいずれかに記載のセルスタック。 - 前記低平衡酸素圧元素は、前記中間層及び前記ガラスシール部が共通して含んでいる元素のうち最も平衡酸素圧の低い元素である、
請求項1乃至11のいずれかに記載のセルスタック。 - 前記中間層の厚みは、0.5μm以上20μm以下である、
請求項1乃至12のいずれかに記載のセルスタック。
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