JP2021064502A - Fuel battery cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池セルに関する。 The present invention relates to a fuel cell.
従来、平板型の固体酸化物形燃料電池(以下、単に「燃料電池」ともいう)が広く知られている(例えば、特許文献1)。平板型の燃料電池は、平板状の固体電解質層と、該固体電解質層の一方の面に設けられた空気極と、他方の面に設けられた燃料極と、を有する燃料電池セル本体を備える燃料電池セルが、複数積層して結合されたスタック構造を有する。燃料電池セルは、さらに、空気極側に位置する酸化剤ガスが存在する空間と、燃料極側に位置する燃料ガスが存在する空間と、を区画するセパレータを有する。該セパレータは、接合材を介して燃料電池セル本体に接合されている。 Conventionally, a flat plate type solid oxide fuel cell (hereinafter, also simply referred to as “fuel cell”) is widely known (for example, Patent Document 1). The flat plate type fuel cell includes a fuel cell cell body having a flat solid electrolyte layer, an air electrode provided on one surface of the solid electrolyte layer, and a fuel electrode provided on the other surface. The fuel cell has a stack structure in which a plurality of fuel cell cells are stacked and connected. The fuel cell further has a separator that separates a space in which the oxidant gas located on the air electrode side exists and a space in which the fuel gas located on the fuel electrode side exists. The separator is bonded to the fuel cell main body via a bonding material.
平板型の燃料電池セルでは、燃料電池の稼働時の温度変化に伴い、セラミックス等で構成される燃料電池セル本体と、金属等で構成されるセパレータとの間に熱膨張差が生じる。この熱膨張差によって、燃料電池セル本体とセパレータとの間に配置され、燃料電池セル本体とセパレータとを接合する接合材には応力が生じる。特に、接合材の一部の領域には応力が集中するため、該領域にクラックが発生しやすいという問題がある。 In a flat plate type fuel cell, a difference in thermal expansion occurs between the fuel cell body made of ceramics or the like and the separator made of metal or the like as the temperature changes during operation of the fuel cell. Due to this difference in thermal expansion, stress is generated in the bonding material that is arranged between the fuel cell body and the separator and that joins the fuel cell body and the separator. In particular, since stress is concentrated in a part of the joint material, there is a problem that cracks are likely to occur in the region.
本発明は、このような問題に鑑み、燃料電池セル本体とセパレータとを接合する接合材における応力の集中を緩和させることが可能な燃料電池セルを提供することを課題とする。 In view of such a problem, it is an object of the present invention to provide a fuel cell capable of alleviating stress concentration in a bonding material for joining a fuel cell cell body and a separator.
以下、本発明の技術的構成及び作用効果が説明される。ただし、本発明の作用メカニズムは推定を含んでいる。作用メカニズムの正否により、特許請求の範囲が限定されるべきではない。 Hereinafter, the technical configuration and the action and effect of the present invention will be described. However, the mechanism of action of the present invention includes estimation. The scope of claims should not be limited by the correctness of the mechanism of action.
本発明に係る燃料電池セルは、燃料電池セル本体と、セパレータと、接合材と、を備え、
前記電池セル本体は、
順次積層された、空気極と、固体電解質層と、燃料極と、を備え、
積層方向から見て外周側の縁部に外周縁部を有し、その形状は平板型であり、
前記セパレータは、積層方向から見て、内側に開口が形成され、かつ、内周側の縁部に前記燃料電池セル本体の外周縁部と重なる内周縁部を有し、
前記接合材として、前記燃料電池セル本体と前記セパレータとを接合するセル用接合材を有し、
前記セル用接合材は、積層方向から見て前記燃料電池セル本体の外周縁部と前記セパレータの内周縁部とが重なる領域である接合部を有し、
前記接合部は、前記セパレータの内周縁部と接する界面を有し、
前記界面は、その形状が起伏形状である。
The fuel cell according to the present invention includes a fuel cell main body, a separator, and a bonding material.
The battery cell body is
It is provided with an air electrode, a solid electrolyte layer, and a fuel electrode, which are sequentially laminated.
It has an outer peripheral edge on the outer peripheral edge when viewed from the stacking direction, and its shape is a flat plate type.
The separator has an opening formed inside when viewed from the stacking direction, and has an inner peripheral edge portion that overlaps with the outer peripheral edge portion of the fuel cell main body at the edge portion on the inner peripheral side.
As the joining material, a cell joining material for joining the fuel cell main body and the separator is provided.
The cell joining material has a joining portion that is a region where the outer peripheral edge portion of the fuel cell main body and the inner peripheral edge portion of the separator overlap when viewed from the stacking direction.
The joint has an interface in contact with the inner peripheral edge of the separator.
The interface has an undulating shape.
前記燃料電池セルにおいて、前記界面の形状は起伏形状である。前記界面を起伏形状とすることにより、接合部に加えられる応力が起伏を介して分散される。これにより、接合部に応力が集中することが抑制される。その結果、燃料電池セル本体とセパレータとを接合するセル用接合材における応力の集中を緩和させることができる。 In the fuel cell, the shape of the interface is an undulating shape. By forming the interface into an undulating shape, the stress applied to the joint is dispersed through the undulations. As a result, the concentration of stress on the joint is suppressed. As a result, the concentration of stress in the cell joining material that joins the fuel cell cell body and the separator can be relaxed.
本発明に係る燃料電池セルにおいて、前記接合部は、その最大厚さをTmaxとし、その最小厚さをTminとしたとき、Tminに対するTmaxの比が1.20以上20.0以下であってもよい。 In the fuel cell according to the present invention, when the maximum thickness of the joint is T max and the minimum thickness is T min , the ratio of T max to T min is 1.20 or more and 20.0 or less. It may be.
本発明に係る燃料電池セルにおいて、前記接合部は、前記界面における所定の2点間の積層方向から見た直線長さをX1、前記2点間における前記界面の延べ長さをX2とした時、X1に対するX2の比が1.02以上2.00以下であってもよい。 In the fuel cell according to the present invention, the joint portion has a linear length of X 1 as seen from the stacking direction between two predetermined points at the interface, and X 2 for the total length of the interface between the two points. At that time, the ratio of X 2 to X 1 may be 1.02 or more and 2.00 or less.
本発明によれば、燃料電池セル本体とセパレータとを接合する接合材における応力の集中を緩和させることが可能な燃料電池セルを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a fuel cell that can relieve stress concentration in a bonding material that joins a fuel cell body and a separator.
以下、本発明の一実施形態に係る燃料電池セル1について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下の図面において同一又は相当する部分には同一の参照符号を付しその説明は繰り返さない。 Hereinafter, the fuel cell 1 according to the embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, the same or corresponding parts are designated by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated.
図1は、本実施形態に係る燃料電池セル1の側面視断面図である。図1に示すように、燃料電池セル1は、発電機能を有する平板型の燃料電池セル本体10と、燃料ガスが存在する空間Aと酸化剤ガスが存在する空間Bとを区画するセパレータ30と、接合材と、を備えている。前記接合材として、燃料電池セル本体10とセパレータ30とを接合するセル用接合材20と、セパレータ30とインターコネクタ40とを接合するインターコネクタ用接合材60と、を有している。さらに、燃料電池セル1は、燃料電池セル本体10間の導通を確保するインターコネクタ40と、該インターコネクタ40と燃料電池セル本体10との間の導通を確保する集電体50と、を備えている。
FIG. 1 is a side sectional view of the fuel cell 1 according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, the fuel cell 1 includes a flat plate type fuel cell
[燃料電池セル本体]
図1に示すように、燃料電池セル本体10は、順次積層された、空気極12と、固体電解質層11と、燃料極13と、を備えている。すなわち、固体電解質層11の一方の面には空気極12が設けられ、他方の面には燃料極13が設けられていて、固体電解質層11が空気極12と燃料極13とによって挟まれている。燃料極13は、燃料極基板131と、該燃料極基板131の一方の面に設けられる燃料極活性部132と、を備えている。燃料電池セル本体10の厚さは、例えば100〜2100μmである。なお、本明細書において、空気極12、固体電解質層11及び燃料極13の各層が積層されている方向を積層方向(図1中のZ方向)という。すなわち、積層方向は、各層の主面と直交する方向である。
[Fuel cell body]
As shown in FIG. 1, the fuel cell
空気極12、固体電解質層11及び燃料極13(燃料極基板131及び燃料極活性部132)は、それぞれ矩形の平板状に形成されている。つまり、燃料電池セル本体10は、積層方向から見て矩形状である。積層方向から見た空気極12の大きさは、固体電解質層11の大きさよりも小さい。すなわち、固体電解質層11の外周部は、空気極12から露出している。また、積層方向から見た固体電解質層11の大きさは、燃料極活性部132の大きさと等しい。さらに、積層方向から見た燃料極活性部132の大きさは、燃料極基板131の大きさよりも小さい。すなわち、燃料極基板131の外周部は、燃料極活性部132から露出している。
The
図2は、図1に示すセル用接合材20及びその近傍を示す拡大断面図である。図2に示すように、燃料電池セル本体10は、積層方向から見て、外周側の縁部に外周縁部101を有する。すなわち、外周縁部101は、空気極12の外周側の縁部12a、固体電解質層11の外周側の縁部11a、燃料極基板131の外周側の縁部131a、及び、燃料極活性部132の外周側の縁部132aに位置している。
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view showing the
空気極12は、例えば、LSM(La(Sr)MnO3:ランタンストロンチウムマンガナイト)、LSCF((La,Sr)(Co,Fe)O3:ランタンストロンチウムコバルトフェライト)などを含む多孔質材料で構成される。空気極12の気孔率は、例えば15〜55%とすることができる。空気極12の厚さは、例えば50〜200μmとすることができる。空気極12の熱膨張率は、例えば11〜17ppm/Kとすることができる。
The
固体電解質層11は、例えば、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)を含む緻密質材料で構成される。固体電解質層11の気孔率は、例えば0〜10%とすることができる。なお、固体電解質層11は、GDC(ガドリニウムドープセリア)などの多孔質材料で構成されてもよい。固体電解質層11の厚さは、例えば1〜50μmとすることができる。固体電解質層11の熱膨張率は、例えば9〜11ppm/Kとすることができる。
The
燃料極基板131は、例えば、NiとYSZとを含む多孔質材料で構成される。燃料極基板131の気孔率は、例えば15〜55%とすることができる。燃料極基板131の厚さは、例えば50〜2000μmとすることができる。燃料極基板131の熱膨張率は、例えば11〜14ppm/Kとすることができる。
The
燃料極活性部132は、例えば、NiとYSZとを含む多孔質材料で構成される。燃料極活性部132の気孔率は、例えば15〜55%とすることができる。燃料極活性部132の厚さは、例えば5〜100μmとすることができる。燃料極活性部132の熱膨張率は、例えば11〜14ppm/Kとすることができる。
The fuel electrode
燃料電池セル本体10は、さらに、固体電解質層11と空気極12との間に反応防止膜(図示せず)を備えてもよい。燃料電池セル本体10が反応防止膜を備えることにより、固体電解質層11を構成する材料と空気極12を構成する材料とが反応して固体電解質層11と空気極12との界面に電気抵抗が大きい反応層が形成される現象の発生を抑制することができる。反応防止膜は、例えば、GDCから構成される。反応防止膜の気孔率は、例えば10〜30%とすることができる。反応防止膜の厚さは、例えば、3〜50μmとすることができる。
The fuel cell
[セパレータ]
図1及び図2に示すように、セパレータ30は、積層方向(図1及び図2中のZ方向)から見て内側に開口が形成される。これにより、積層方向の一方側(図1中の空気極側)から見て、該開口から燃料電池セル本体10の中央部分が露出している。すなわち、セパレータ30は、積層方向から見て、燃料電池セル本体10の外周縁部101の一部と重なるように、矩形の枠状に形成されている。
[Separator]
As shown in FIGS. 1 and 2, the
セパレータ30は、積層方向から見て内周側の縁部に燃料電池セル本体10の外周縁部101と重なる内周縁部31と、外周側の縁部に位置する外周縁部32と、を備えている。セパレータ30は、一部が積層方向の他方側(図1中の燃料極側)に凸となるように湾曲している。また、セパレータ30の内周縁部31は、外周縁部32よりも積層方向の他方側に位置し、セル用接合材20の積層方向の一方側の表面と接合している。一方、セパレータ30の外周縁部32は、内周縁部31よりも積層方向の一方側に位置し、インターコネクタ用接合材60の積層方向の他方側の表面と接合している。これにより、セパレータ30は、燃料極13側に位置する燃料ガスが存在する空間Aと、空気極12側に位置する酸化剤ガスが流れる空間Bとを区画し、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合を防止している。
The
セパレータ30は、例えば、金属で構成される。セパレータ30を構成する金属としては、例えば、フェライト系ステンレス、オーステナイト系ステンレス、Ni系耐熱合金(例えば、インコネル600及びハステロイ等)を用いることができる。セパレータ30の厚みは、例えば10〜1000μmとすることができる。セパレータ30の熱膨張率は、例えば11〜18ppm/K程度とすることができる。
The
[セル用接合材]
図2に示すように、セル用接合材20は、セパレータ30に対して積層方向の他方側(図1中の燃料極側)に位置し、燃料電池セル本体10とセパレータ30とを接合している。セル用接合材20は、燃料電池セル本体10の外周縁部101の一部とセパレータ30の内周縁部31とを接合している。より詳しくは、セル用接合材20は、燃料電池セル本体10の固体電解質層11の外周側の縁部11a、燃料極基板131の外周側の縁部131a及び燃料極活性部132の外周側の縁部132aと、セパレータ30の内周縁部31と、を接合している。セル用接合材20は、少なくとも、気密性の高い固体電解質層11と接合することにより、空間Aに存在する燃料ガスと、空間Bに存在する酸化剤ガスとの混合を防止している。
[Joining material for cells]
As shown in FIG. 2, the
図3は、図1に示すセル用接合材20の平面図である。図3に示すように、セル用接合材20は、積層方向(図1中のZ方向)から見て内側に開口が形成され、矩形の枠状に形成されている。すなわち、セル用接合材20は、積層方向から見て外周側の縁部に設けられた外周端縁20aと、内周側の縁部に設けられた内周端縁20bと、を有し、外周端縁20a及び内周端縁20bは、それぞれ、互いに対向する略平行な2組の辺(すなわち、合計4つの辺)と、各辺を接続する4つの角部と、から構成されている。各角部は、それぞれ円弧状に湾曲している。なお、本明細書において、略平行とは、公差を考慮した平行を意味する。このようなセル用接合材20は、燃料電池セル本体10の外周縁部101、及び、セパレータ30の内周縁部31を全周に亘って気密に接合している。これにより、空間Aに存在する燃料ガスと、空間Bに存在する酸化剤ガスとの混合を防止している。
FIG. 3 is a plan view of the
図2に示すように、セル用接合材20は、積層方向から見て燃料電池セル本体10の外周縁部101とセパレータ30の内周縁部31とが重なる領域である接合部111を有する。詳しくは、接合部111は、燃料電池セル本体10の外周縁部101のうち、燃料極基板131の外周側の縁部131aの一部と、セパレータ30の内周縁部31と、が重なる領域に位置する。接合部111は、直線状に延びる4つの延伸部112を有する。各延伸部112は、延伸方向の両端部が隣り合う延伸部112と重なるように配置されている。なお、「直線状に延びる」とは、ある特定の方向に向かって延びていることを意味し、延伸部112の延伸方向に沿う縁部の形状が直線であることに限定されるものではない。
As shown in FIG. 2, the
図2に示されるように、セル用接合材20には、セパレータ30の内周縁部31と接する界面111aが形成されている。図2には表現されてはいないが、界面111aは、その形状が起伏形状である。
As shown in FIG. 2, the
本発明において、「起伏形状」という文言は、起伏(高くなったり低くなったりするさま)を有する形状を意味する。 In the present invention, the word "undulating shape" means a shape having undulations (higher or lower).
図4は、セパレータ30の内周縁部31に沿う方向(すなわち、セパレータ30の内周縁部31に沿う長手方向)における、延伸部112の端面図である。ここで図4は、図3におけるセル用接合材20をA−A線に沿って切断した際の一部分である延伸部112を示している。図4に示されるように、内周縁部31に沿う方向の断面における界面111aは、その形状が起伏形状である。詳しくは、界面111aは、凸部と凹部が繰り返されて波打った形状(以下、単に「波状」ともいう)である起伏形状であり、起伏が不規則な起伏形状である。
FIG. 4 is an end view of the stretched
図4を参照して、接合部111は、その最大厚さをTmaxとし、その最小厚さをTminとしたとき、Tminに対するTmaxの比(Tmax/Tmin)が1.20以上20.0以下であることが好ましく、1.50以上15.0以下であることが更に好ましい。Tmax及びTminは、図4を参照して、一つの延伸部112を延伸方向に沿って均等に10等分し、等分点における延伸部112の幅方向中央部の厚さをそれぞれ測定する。そして、その最大の厚さをTmaxとし、その最小の厚さをTminとする。本明細書において、延伸部112の「幅方向中央部」とは、延伸部112の幅方向において、公差を考慮した中央に位置する部分を意味する。なお、接合部111は、すべての延伸部112においてTminに対するTmaxの比が上述の範囲を満たす必要はなく、少なくともいずれか一つの延伸部112におけるTminに対するTmaxの比が上述の範囲を満たしていればよい。厚さは、特に限定されないが、走査型電子顕微鏡で延伸部112を倍率250〜1000倍で撮影することにより確認することができる。
Referring to FIG. 4, the
図4を参照して、接合部111は、前記界面111aにおける所定の2点L,M間の積層方向から見た直線長さをX1、前記2点間における前記界面の延べ長さをX2としたとき、X1に対するX2の比(X2/X1)が1.02以上2.00以下であることが好ましく、1.04以上1.50以下であることが更に好ましい。本明細書において「界面の延べ長さX2」とは、界面111aを直線に延ばした際の長さを意味する。X1およびX2は、図4を参照して、一つの延伸部112において、幅方向中央部における延伸方向の両端縁をそれぞれL,Mとして測定する。すなわち、本実施形態において所定の2点間とは、一つの延伸部112における幅方向中央部の延伸方向の両端縁間を意味する。なお、接合部111は、すべての延伸部112においてX1に対するX2の比が上述の範囲を満たす必要はなく、少なくともいずれか一つの延伸部112におけるX1に対するX2の比が上述の範囲を満たしていればよい。X1およびX2は、特に限定されないが、撮影する倍率に応じてデジタルカメラ、光学顕微鏡又は電子顕微鏡を用いて確認することができる。なお、X2は、前記方法により得た断面画像に対して画像解析を行うことにより数値化することができる。
With reference to FIG. 4, the joint portion 111 has a linear length X 1 as seen from the stacking direction between the predetermined two points L and M at the
接合部111は、その平均厚さが10μm以上300μm以下であることが好ましく、20μm以上200μm以下であることが更に好ましい。なお、接合部111の厚さとは、積層方向における厚さを意味する。接合部111の平均厚さは、図4を参照して、一つの延伸部112を延伸方向に沿って均等に10等分し、等分点における延伸部112の幅方向中央部の厚さをそれぞれ測定し、その厚さの平均値とする。なお、接合部111は、すべての延伸部112において平均厚さが上述の範囲を満たす必要はなく、少なくともいずれか一つの延伸部112における平均厚さが上述の範囲を満たしていればよい。
The average thickness of the
本発明において、界面111aの形状、Tminに対するTmaxの比及びX1に対するX2の比は、使用するセパレータのセル用接合材と接する界面を形成する領域に対して、金型(プレス)加工や曲げ加工を施すことにより事前に起伏形状を形成しておくことにより、上記のように調整することができる。
In the present invention, the shape of the
セル用接合材20としては、例えば、結晶化ガラス、非晶質ガラス、ろう材、セラミックス等を用いることができる。なお、本明細書において、結晶化ガラスとは、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、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。このような結晶化ガラスとしては、例えば、SiO2−B2O3系、SiO2−CaO系、SiO2−MgO系等が挙げられる。結晶化ガラスとして、具体的には、SiO2−MgO−B2O3−Al2O3系及びSiO2−MgO−Al2O3−ZnO系よりなる群から選ばれる少なくとも一種を用いることができる。セル用接合材20は、単一の材料で構成されてもよく、複数の材料で構成されてもよい。結晶化ガラスが複数の材料で構成されている場合、それらの材料は接触して一体化されていてもよいし、部分的に又は全体的に非接触であってもよい。
As the
[インターコネクタ]
図1に示すように、インターコネクタ40は、板状に構成され、積層方向(図1中のZ方向)から見て矩形状を有する。インターコネクタ40は、外周部にインターコネクタ用接合材60と接合する外周縁部41を有し、該外周縁部41において、インターコネクタ用接合材60を介してセパレータ30と接合される。また、インターコネクタ40は、積層方向から見て燃料電池セル本体10と重なる内側領域42を有し、該内側領域42において、集電体50と接合されている。これにより、インターコネクタ40は、燃料電池セル本体10間の導通を確保することができる。インターコネクタ40は、例えば、金属等で構成される。
[Interconnector]
As shown in FIG. 1, the
[集電体]
図1に示すように、集電体50は、燃料電池セル本体10の空気極12側に配置される空気極側集電体51と、燃料極13側に配置される燃料極側集電体52と、を備えている。空気極側集電体51及び燃料極側集電体52は、それぞれ互いに間隔を空けて配置され、長さ方向(図1中のX方向)に延びる複数の短冊状片から構成されている。空気極側集電体51の各短冊状片の間は、酸化剤ガスが流れる流路となる。一方、燃料極側集電体52の各短冊状片の間は、燃料ガスが流れる流路となる。空気極側集電体51は、積層方向(図1中のZ方向)の一方側の端部がインターコネクタ40と接合し、他方側の端部が空気極12と接合する。一方、燃料極側集電体52は、積層方向の一方側の端部が燃料極基板131と接合し、他方側の端部が隣り合う燃料電池セル1のインターコネクタ40と接合する。これにより、集電体50は、インターコネクタ40と燃料電池セル本体10との間の導通を確保することができる。集電体50は、例えば、金属で構成される。
[Current collector]
As shown in FIG. 1, the
[インターコネクタ用接合材]
図1に示すように、インターコネクタ用接合材60は、セパレータ30の外周縁部32と、インターコネクタ40の外周縁部41と、を接合している。このようなインターコネクタ用接合材60は、積層方向から見て矩形の枠状に形成されており、セパレータ30の外周、及び、インターコネクタ40の外周を全周に亘って気密に接合している。これにより、空間Aに存在する燃料ガスと、空間Bに存在する酸化剤ガスとの混合を防止している。インターコネクタ用接合材60としては、セル用接合材20と同様の材料を用いることができる。
[Joint material for interconnector]
As shown in FIG. 1, the
上述の燃料電池セル1は、燃料極13側に位置する空間Aに燃料ガス(水素ガス等)を流すとともに、空気極12側に位置する空間Bに酸化剤ガスを流すことにより、空気極12において下記(1)式に示す電気化学反応が起こり、燃料極13において下記(2)式に示す電気化学反応が起こり、その結果、電流が流れる。
(1/2)・O2+2e−→O2− …(1)
H2+O2−→H2O+2e− …(2)
In the fuel cell 1 described above, the
(1/2) ・ O 2 + 2e − → O 2- … (1)
H 2 + O 2- → H 2 O + 2e − … (2)
本実施形態に係る燃料電池セル1おいて、接合部111の界面111aの形状が起伏形状である。界面111aを起伏形状とすることにより、セル用接合材20に加えられる応力が起伏を介して分散される。これにより、セル用接合材20の一部の領域に応力が集中することが抑制できる。その結果、燃料電池セル本体10とセパレータ30とを接合するセル用接合材20における応力の集中を緩和させることができる。
In the fuel cell 1 according to the present embodiment, the shape of the
本実施形態に係る燃料電池セル1おいて、接合部111は、その最大厚さをTmaxとし、その最小厚さをTminとしたとき、Tminに対するTmaxの比が1.20以上20.0以下であることが好ましい。接合部111の最大厚さと最小厚さとの比が上記範囲内にあることにより、セル用接合材20に加えられる応力が起伏を介してより分散される。これにより、セル用接合材20の一部の領域に応力が集中することがより抑制できる。その結果、燃料電池セル本体10とセパレータ30とを接合するセル用接合材20における応力の集中をより緩和させることができる。燃料電池セル1は、界面111aの形状が起伏形状を有する限り、(Tmax/Tmin)が上記範囲にない場合においても、セル用接合材20における応力を緩和させることができる。
In the fuel cell 1 according to the present embodiment, when the maximum thickness of the
本実施形態に係る燃料電池セル1おいて、接合部111は、界面111aにおける所定の2点間の積層方向から見た直線長さをX1、前記2点間における前記界面の延べ長さをX2としたとき、X1に対するX2の比(X2/X1)が1.02以上2.00以下であることが好ましい。X1に対するX2の比が上記範囲内にあることにより、セル用接合材20に加えられる応力が起伏を介してより分散される。これにより、セル用接合材20の一部の領域に応力が集中することがより抑制できる。その結果、燃料電池セル本体10とセパレータ30とを接合するセル用接合材20における応力の集中をより緩和させることができる。燃料電池セル1は、界面111aの形状が起伏形状を有する限り、(X2/X1)が上記範囲にない場合においても、セル用接合材20における応力を緩和させることができる。
In the fuel cell 1 according to the present embodiment, the
次に、本実施形態に係る燃料電池セル1が複数積層して結合されたスタック構造を有する固体酸化物形燃料電池100について説明する。図5は、固体酸化物形燃料電池100の斜視図であり、図6は、固体酸化物形燃料電池100の側面視断面図である。
Next, a solid
図5及び図6に示すように、固体酸化物形燃料電池100は、本実施形態に係る燃料電池セル1が、積層方向が上下方向で、長さ方向が奥行き方向となる向きで積層されている。このような固体酸化物形燃料電池100が、平板型の固体酸化物形燃料電池である。なお、燃料電池セル1が積層されている方向を、積層方向ともいう。
As shown in FIGS. 5 and 6, in the solid
固体酸化物形燃料電池100は、燃料電池セル1と、最上層及び最下層に、インターコネクタ40の代わりに設けられる保持板40’と、燃料電池セル1及び保持板40’を締結する締結部材21〜28と、を備えている。
The solid
図5に示す8本の締結部材21〜28のうち、4本の締結部材の内部には、積層方向(図1中のZ方向)に沿って酸化剤ガスまたは燃料ガスが流れる流路が形成されている。具体的には、締結部材23が燃料ガス供給管、締結部材27が燃料ガス排出管、締結部材25が酸化剤ガス供給管、締結部材21が酸化剤ガス排出管として用いられている。
Of the eight
図6に示すように、固体酸化物形燃料電池100では、インターコネクタ用接合材60が締結部材21〜28にも接合されている。すなわち、固体酸化物形燃料電池100においてインターコネクタ用接合材60は、セパレータ30の外周縁部32と、インターコネクタ40の外周縁部61と、締結部材21〜28と、を接合している。
As shown in FIG. 6, in the solid
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は本実施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を加えることができる。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the present embodiment, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
本実施形態では、燃料電池セル本体10及びインターコネクタ40の積層方向から見た形状が矩形状である。しかしながら、本発明は当該構成に限定されるものではなく、燃料電池セル本体10及びインターコネクタ40は、積層方向から見た形状が矩形以外の多角形状であってもよく、円形状であってもよく、楕円形であってもよい。
In the present embodiment, the
本実施形態では、積層方向から見た空気極12の大きさが、固体電解質層11の大きさよりも小さい。また、積層方向から見た燃料極活性部132の大きさが、燃料極基板131の大きさよりも小さい。しかしながら、本発明は当該構成に限定されるものではなく、積層方向から見た空気極12の大きさが固体電解質層11の大きさと等しく形成されていてもよいし、積層方向から見た燃料極活性部132の大きさが燃料極基板131の大きさと等しく形成されていてもよい。さらに、空気極12、固体電解質層11、燃料極基板131及び燃料極活性部132の大きさがすべて等しく形成されていてもよい。
In the present embodiment, the size of the
本実施形態では、燃料電池セル本体10における外周縁部101のセパレータ30と重なる領域(すなわち、接合部111)が燃料極基板131の外周側の縁部131aの一部に位置している。しかしながら、本発明は当該構成に限定されるものではなく、セパレータ30と重なる領域が、固体電解質層11の外周側の縁部11a又は燃料極活性部132の外周側の縁部132aの一部に位置していてもよい。
In the present embodiment, the region of the fuel cell
本実施形態では、セパレータ30、セル用接合材20及びインターコネクタ用接合材60の積層方向から見た形状が矩形の枠状である。しかしながら、本発明は当該構成に限定されるものではなく、セパレータ30、セル用接合材20及びインターコネクタ用接合材60は積層方向から見た形状が積層方向から見た形状が矩形以外の多角形状であってもよく、円形状であってもよく、楕円形であってもよい。
In the present embodiment, the shape of the
本実施形態では、セパレータ30の内周縁部31がセル用接合材20の積層方向の一方側の表面と接合している。しかしながら、本発明は当該構成に限定されるものではなく、セパレータ30の内周縁部31の少なくとも一部がセル用接合材20に埋設されていてもよい。セパレータ30の内周縁部31の少なくとも一部がセル用接合材20に埋設されていることにより、セパレータ30とセル用接合材20との接合面積が増加するため、接合強度が向上する。
In the present embodiment, the inner
本実施形態では、セル用接合材20が、燃料電池セル本体10の固体電解質層11の外周側の縁部11a、燃料極基板131の外周側の縁部131a及び燃料極活性部132の外周側の縁部132aに接合している。しかしながら、本発明は当該構成に限定されるものではなく、セル用接合材20が、少なくとも固体電解質層11の外周側の縁部11aに接合していれば、燃料極基板131の外周側の縁部131a及び燃料極活性部132の外周側の縁部132aに接合されていなくてもよい。また、セル用接合材20が、少なくとも固体電解質層11の外周側の縁部11aに接合していれば、さらに、空気極12の外周側の縁部12aに接合していてもよい。空気極12と燃料極13との間に固体電解質層11以外の緻密な層が形成されている場合、セル用接合材20は、固体電解質層11に接合していなくてもよく、少なくとも前記緻密な層に接合していればよい。これにより、セル用接合材20は、空間Aに存在する燃料ガスと、空間Bに存在する酸化剤ガスとの混合を防止している。
In the present embodiment, the
本実施形態では、セル用接合材20の外周端縁20a及び内周端縁20bが、積層方向から見て、それぞれ、互いに対向する略平行な2組の辺と、円弧状に湾曲した角部と、を含む。しかしながら、本発明は当該構成に限定されるものではなく、前記辺は、曲線部を有していてもよい。具体的には、前記辺は、径方向の外方に向かって凸形状、凹形状、又は、凹凸が繰り返された形状に形成されていてもよい。前記辺が曲線部を有することにより、残留する応力が分散されて、応力の集中が抑制されやすくなる。このため、セル用接合材20における応力をより緩和することができる。また、前記角部は、直角又は鋭角に形成されていてもよいし、C形状に屈曲していてもよい。
In the present embodiment, the outer
本実施形態では、界面111aの起伏形状は、起伏が不規則的な形状である。しかしながら、起伏形状は、起伏が規則的な形状と不規則的な形状とが組み合わされている形状であってもよいし、全てが規則的な形状であってもよい。界面111aの形状が起伏形状を有する限り、起伏形状の態様が上記のいずれであったとしても、セル用接合材20における応力が緩和される。
In the present embodiment, the undulating shape of the
本実施形態では、インターコネクタ用接合材60が、セパレータ30の外周縁部32と、インターコネクタ40の外周縁部41と、を直接接合している。しかしながら、本発明は当該構成に限定されるものではなく、セパレータ30の外周縁部32とインターコネクタ40の外周縁部41との間に、インターコネクタ用接合材60とは異なる他の部材を配置してもよい。他の部材としては、例えば、絶縁材、コンプレッションシール材等が挙げられる。例えば、他の部材として絶縁材を用いることにより、セパレータ30とインターコネクタ40との間の絶縁性を向上させ、また、空気極12側に位置する空間Bの高さを調整することができる。
In the present embodiment, the
以下、本発明の実施例について説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, examples of the present invention will be described, but the present invention is not limited to the following examples.
表1に示すNo.1〜No.8の燃料電池セルを積層して結合させることにより、スタック構造を有する試験例1の燃料電池を作製した。なお、燃料電池セル及び燃料電池の構造は、図1〜図6に示す通りである。No.1〜No.7の燃料電池セルは実施例に相当し、No.8の燃料電池セルは比較例に相当する。No.1〜No.7の燃料電池セルは、少なくともセパレータの内周縁部に沿う方向の断面における界面の形状が、波状で、かつ、起伏が不規則な起伏形状である。 No. shown in Table 1. 1-No. By stacking and combining the fuel cell cells of No. 8, the fuel cell of Test Example 1 having a stack structure was produced. The structures of the fuel cell and the fuel cell are as shown in FIGS. 1 to 6. No. 1-No. The fuel cell of No. 7 corresponds to the embodiment, and No. The fuel cell of No. 8 corresponds to a comparative example. No. 1-No. The fuel cell of No. 7 has a wavy interface shape at least in a cross section in a direction along the inner peripheral edge portion of the separator, and has an undulating shape with irregular undulations.
また、空気極としてはLSCF(気孔率:40%、厚さ:30μm、熱膨張率:14.4ppm/K)、固体電解質層としては8YSZ(気孔率:0.5%、厚さ:20μm、熱膨張率:10.5ppm/K)、燃料極基板としてはNi−8YSZ(気孔率:40%、厚さ:800μm、熱膨張率:12.8ppm/K)、燃料極活性部としてはNi−8YSZ(気孔率:35%、厚さ:10μm、熱膨張率:12.8ppm/K)を用いた。さらに、セパレータとしては日新製鋼製NCA−1(厚さ:200μm、熱膨張率:13.5ppm/K)、セル用接合材及びインターコネクタ用接合材としては結晶化ガラスを用いた。 The air electrode is LSCF (porosity: 40%, thickness: 30 μm, coefficient of thermal expansion: 14.4 ppm / K), and the solid electrolyte layer is 8YSZ (porosity: 0.5%, thickness: 20 μm, Coefficient of thermal expansion: 10.5ppm / K), Ni-8YSZ as fuel electrode substrate (porosity: 40%, thickness: 800μm, coefficient of thermal expansion: 12.8ppm / K), Ni− as fuel electrode active part 8YSZ (porosity: 35%, thickness: 10 μm, coefficient of thermal expansion: 12.8 ppm / K) was used. Further, NCA-1 manufactured by Nissin Steel Co., Ltd. (thickness: 200 μm, coefficient of thermal expansion: 13.5 ppm / K) was used as the separator, and crystallized glass was used as the cell bonding material and the interconnector bonding material.
<評価方法>
[熱サイクル試験]
試験例1の燃料電池について、熱サイクル試験により、ガスリーク量及びクラック発生の有無を調べた。具体的には、試験例1の燃料電池を電気炉内に設置し、室温から800℃まで昇降温速度400℃/hrでの上げ下げを10回繰り返した後、電気炉から取り出して、ガスリーク量及びクラック発生の有無を調べた。
<Evaluation method>
[Thermodynamic cycle test]
The fuel cell of Test Example 1 was examined for the amount of gas leak and the presence or absence of cracks by a thermal cycle test. Specifically, the fuel cell of Test Example 1 was installed in an electric furnace, and after repeating raising and lowering from room temperature to 800 ° C. at an elevating temperature rate of 400 ° C./
ガスリーク量は、空気極から燃料極へリークするガスの流量を測定した。より詳しくは、燃料電池の酸化剤ガス排出管出口端部及び燃料ガス排出管入口端部を封止した上で、酸化剤ガス供給管よりアルゴンガスを供給し、燃料電池の空気極側を10kPaに加圧して、燃料ガス供給管の出口端部に設けた流量計によりガスリーク量を測定した。結果を表1に示す。なお、測定下限が0.1(cc/min)であるため、下記の表1において、測定下限未満のものを「<0.1(cc/min)」と記載し、ガスリークがないと判断した。 The amount of gas leak was measured by measuring the flow rate of gas leaking from the air electrode to the fuel electrode. More specifically, after sealing the outlet end of the oxidant gas discharge pipe and the inlet end of the fuel gas discharge pipe of the fuel cell, argon gas is supplied from the oxidant gas supply pipe, and the air electrode side of the fuel cell is 10 kPa. The amount of gas leak was measured by a flow meter provided at the outlet end of the fuel gas supply pipe. The results are shown in Table 1. Since the lower limit of measurement is 0.1 (cc / min), in Table 1 below, those below the lower limit of measurement are described as "<0.1 (cc / min)", and it is judged that there is no gas leak. ..
クラック発生の有無は、試験例1の燃料電池を解体してセル用接合材の表面に浸透探傷剤を塗布し、マイクロスコープで観察することにより行った。結果を表1に示す。 The presence or absence of cracks was determined by disassembling the fuel cell of Test Example 1, applying a penetrant flaw detector to the surface of the cell bonding material, and observing with a microscope. The results are shown in Table 1.
各燃料電池セルは、上述のガスリーク量及びクラック発生の有無の結果から、下記の基準に基づき総合評価を行った。
◎:クラックがなく、かつ、ガスリークがなかった。
○:軽微なクラックが発生し、かつ、ガスリークがなかった。
△:軽微なクラックが発生し、かつ、ガスリーク量が少なかった(1.0cc/分未満)。
×:大きなクラックが発生し、かつ、ガスリーク量が多かった(1.0cc/分以上)。
Each fuel cell was comprehensively evaluated based on the following criteria based on the above-mentioned gas leak amount and the presence / absence of cracks.
⊚: There were no cracks and no gas leak.
◯: A slight crack occurred and there was no gas leak.
Δ: Minor cracks were generated and the amount of gas leak was small (less than 1.0 cc / min).
X: Large cracks were generated and the amount of gas leak was large (1.0 cc / min or more).
<評価結果>
表1に示されるように、界面111aの形状が起伏形状でないNo.8に係る燃料電池セルは、大きなクラックが確認されたため、ガスリーク量が多かった。対して、界面111aの形状が起伏形状であるNo.1〜No.7に係る燃料電池セルは、セル用接合材20においてクラックが確認されないか、クラックが確認されたとしても軽微であったため、ガスリークがないか、ガスリークがあったとしてもガスリーク量が少なかった。すなわち、本発明の構成要件をすべて満たすNo.1〜No.7に係る燃料電池セルは、クラックの発生が抑制され、セル用接合材20における応力の集中が緩和されていることが示された。特に、No.1〜No.3に係る燃料電池セルは、クラックが確認されず、かつ、ガスリークもなかったため、クラックの発生が顕著に抑制されていたといえる。
<Evaluation result>
As shown in Table 1, the shape of the
界面111aを起伏形状とすることにより、セル用接合材20に加えられる応力が起伏を介して分散されたと考えられる。これにより、セル用接合材20の一部の領域に応力が集中することが抑制されたと考えられる。その結果、燃料電池セル本体10とセパレータ30とを接合するセル用接合材20における応力の集中が緩和されたものと考えられる。
It is considered that the stress applied to the
No.4及びNo.5に係る燃料電池セルは、軽微なクラックが確認されたものの、ガスリークがなかった。すなわち、界面111aの形状が起伏形状を有する限り、X1に対するX2の比が1.02以上2.00以下の範囲にない場合においてもクラックの発生が抑制され、セル用接合材20における応力を緩和され得ることができることが示された。
No. 4 and No. In the fuel cell according to No. 5, although minor cracks were confirmed, there was no gas leak. That is, as long as the shape of the
No.6及びNo.7に係る燃料電池セルは、軽微なクラックが確認されたものの、ガスリーク量が少なかった。すなわち、界面111aの形状が起伏形状を有する限り、Tminに対するTmaxの比が1.20以上20.0以下の範囲になく、かつ、X1に対するX2の比が1.02以上2.00以下の範囲にない場合においてもクラックの発生が抑制され、セル用接合材20における応力を緩和させることができることが示された。
No. 6 and No. Although minor cracks were confirmed in the fuel cell according to No. 7, the amount of gas leak was small. That is, as long as the shape of the
1 燃料電池セル、10 燃料電池セル本体、11 固体電解質層、11a 固体電解質層の外周側の縁部、12 空気極、12a 空気極の外周側の縁部、13 燃料極、20 セル用接合材、20a セル用接合材の外周端縁、20b セル用接合材の内周端縁、21,22,23,24,25,26,27,28 締結部材、30 セパレータ、31 セパレータの内周縁部、32 セパレータの外周縁部、40 インターコネクタ、40’保持板、41 インターコネクタの外周縁部、42 インターコネクタの内側領域、50 集電体、51 空気極側集電体、52 燃料極側集電体、60 接合材、100 固体酸化物形燃料電池、101 燃料電池セル本体の外周縁部、111 接合部、111a 界面、 112 延伸部、131 燃料極基板、131a 燃料極基板の外周側の縁部、132 燃料極活性部、132a 燃料極活性部の外周側の縁部 A 燃料ガスが存在する空間、B 酸化剤ガスが存在する空間。 1 Fuel cell, 10 Fuel cell body, 11 Solid electrolyte layer, 11a Outer edge of solid electrolyte layer, 12 Air pole, 12a Outer edge of air pole, 13 Fuel pole, 20 cell bonding material , 20a outer peripheral edge of cell joining material, inner peripheral edge of 20b cell joining material, 21,22,23,24,25,26,27,28 fastening member, 30 separator, 31 inner peripheral edge of separator, 32 Outer peripheral edge of separator, 40 interconnector, 40'holding plate, 41 outer peripheral edge of interconnector, 42 inner area of interconnector, 50 current collector, 51 air pole side current collector, 52 fuel pole side current collector Body, 60 joint material, 100 solid oxide fuel cell, 101 outer peripheral edge of fuel cell body, 111 joint, 111a interface, 112 extension, 131 fuel electrode substrate, 131a outer peripheral edge of fuel cell substrate , 132 Fuel electrode active part, 132a Outer peripheral edge of fuel electrode active part A Space where fuel gas exists, B Space where oxidant gas exists.
Claims (3)
前記燃料電池セル本体は、
順次積層された、空気極と、固体電解質層と、燃料極と、を備え、
積層方向から見て外周側の縁部に外周縁部を有し、その形状は平板型であり、
前記セパレータは、積層方向から見て、内側に開口が形成され、かつ、内周側の縁部に前記燃料電池セル本体の外周縁部と重なる内周縁部を有し、
前記接合材として、前記燃料電池セル本体と前記セパレータとを接合するセル用接合材を有し、
前記セル用接合材は、積層方向から見て前記燃料電池セル本体の外周縁部と前記セパレータの内周縁部とが重なる領域である接合部を有し、
前記接合部は、前記セパレータの内周縁部と接する界面を有し、
前記界面は、その形状が起伏形状である、
燃料電池セル。 It is equipped with a fuel cell cell body, a separator, and a bonding material.
The fuel cell body is
It is provided with an air electrode, a solid electrolyte layer, and a fuel electrode, which are sequentially laminated.
It has an outer peripheral edge on the outer peripheral edge when viewed from the stacking direction, and its shape is a flat plate type.
The separator has an opening formed inside when viewed from the stacking direction, and has an inner peripheral edge portion that overlaps with the outer peripheral edge portion of the fuel cell main body at the edge portion on the inner peripheral side.
As the joining material, a cell joining material for joining the fuel cell main body and the separator is provided.
The cell joining material has a joining portion that is a region where the outer peripheral edge portion of the fuel cell main body and the inner peripheral edge portion of the separator overlap when viewed from the stacking direction.
The joint has an interface in contact with the inner peripheral edge of the separator.
The interface has an undulating shape.
Fuel cell.
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