JP2022156004A - 燃料電池単セル、燃料電池スタック、および燃料電池単セルの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
A-1.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。
図2および図4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および図5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。
以下において、燃料極116のうち、発電部PG(単セル110のうち、Z軸方向に電解質層112と空気極114と燃料極116とが重なっている部分)に含まれる部分を「燃料極発電部117」といい、非発電部NPG(単セル110のうち、発電部PGに含まれない部分)に含まれる部分を「燃料極非発電部118」という。なお、上述したように燃料極116は改質触媒RT(図示せず)を備えるが、より詳細には、燃料極発電部117と燃料極非発電部118とのいずれもが改質触媒RTを備えている。
図8は、本実施形態における単セル110の製造方法を示すフローチャートである。本実施形態の単セル110の製造方法は、例えば以下の通りである。
YSZ粉末に対して、ブチラール樹脂と、可塑剤であるジオクチルフタレート(DOP)と、分散剤と、トルエンとエタノールとの混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調製する。得られたスラリーをドクターブレード法により薄膜化して、例えば厚さ約10μmの電解質層用グリーンシートを得る(S11)。また、NiOの粉末をNi重量に換算して55質量部となるように秤量し、YSZの粉末45質量部と混合して混合粉末を得る。この混合粉末に対して、ブチラール樹脂と、可塑剤であるDOPと、分散剤と、トルエンとエタノールとの混合溶剤とを加え、ボールミルにて混合して、スラリーを調製する。得られたスラリーをドクターブレード法により薄膜化して、例えば厚さ270μmの燃料極用グリーンシートを得る(S12)。次に、Z軸方向視で燃料極用グリーンシートの少なくとも一方側(溝Gが形成される部分周辺)が電解質層用グリーンシートの外側に位置するように電解質層用グリーンシートと燃料極用グリーンシートとを貼り付けて、乾燥させる。その後、例えば1400℃にて焼成を行う(S13)。このように燃料極用グリーンシートが焼成されることにより形成される材料を「切断前燃料極」という。ここで準備する切断前燃料極は、Z軸方向に直交する方向(本実施形態ではX軸方向およびY軸方向)の寸法が電解質層112よりも大きいものとする。なお、切断前燃料極は、特許請求の範囲における「燃料極を形成する材料」の一例であり、切断前燃料極を準備する工程は、特許請求の範囲における第1工程の一例である。
GDC粉末にYSZ粉末を添加し、高純度ジルコニア玉石にて60時間、分散混合を行う。混合後の粉末に、有機バインダとしてのポリビニルアルコールと、有機溶媒としてのブチルカルビトールとを加えて混合し、粘度を調整して中間層用ペーストを調製する。得られた中間層用ペーストを、上述した電解質層112と燃料極116との積層体における電解質層112の表面にスクリーン印刷によって塗布し、例えば1200℃で焼成を行う(S15)。これにより、中間層180が形成され、中間層180と電解質層112と燃料極116との積層体を得る。
粉砕したLSCF粉末と、GDC粉末と、アルミナ粉末と、有機バインダとしてのポリビニルアルコールと、分散剤と、有機溶媒としてのブチルカルビトールとを混合し、粘度を調整して、空気極用ペーストを調製する。次に、得られた空気極用ペーストを、上述した中間層180と電解質層112と燃料極116との積層体における中間層180の表面にスクリーン印刷によって塗布し、乾燥させる。その後、所定の温度(例えば、1000℃)で所定時間(例えば、3時間)、焼成を行う。焼成により、空気極114が形成される(S15)。以上の工程により、上述した構成の単セル110が製造される。
以上説明したように、本実施形態の燃料電池スタック100を構成する単セル110は、電解質層112と、電解質層112のZ軸正方向(Z軸方向の一方)側に配置された空気極114と、電解質層112のZ軸負方向(Z軸方向の他方)側に配置された燃料極116とを備える。燃料極116は、改質触媒RTを備える。単セル110は、Z軸方向に電解質層112と空気極114と燃料極116とが重なっている発電部PGと、発電部PGに含まれない非発電部NPGとを有する。非発電部NPGは、燃料極116の一部である燃料極非発電部118を含む。燃料極非発電部118は、単セル110を構成する燃料極116以外の部材(電解質層112など)から露出する露出表面SSを有する。燃料極非発電部118に、露出表面SSに開口する入り口G1の長さLG1が当該入り口G1の幅GG1の5倍以上である溝Gが形成されている。
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 (6)
- 電解質層と、
前記電解質層の第1の方向の一方側に配置された空気極と、
前記電解質層の前記第1の方向の他方側に配置された燃料極であって、改質触媒を備える燃料極と、を備え、
前記第1の方向に前記電解質層と前記空気極と前記燃料極とが重なっている発電部と、前記発電部に含まれない非発電部であって、前記燃料極の一部である燃料極非発電部を含む非発電部と、を有する、燃料電池単セルにおいて、
前記燃料極非発電部は、前記燃料電池単セルを構成する前記燃料極以外の部材から露出する露出表面を有し、
前記燃料極非発電部に、前記露出表面に開口する入り口の長さが当該入り口の幅の5倍以上である溝が形成されている、
ことを特徴とする燃料電池単セル。 - 前記第1の方向に並べて配置された複数の発電単位から構成される発電ブロックを有し、かつ、各前記発電単位は請求項1に記載の燃料電池単セルを備える燃料電池スタックであって、
前記溝の入り口が形成された前記燃料極非発電部の露出表面は、燃料ガスが流れる燃料室に面している、
ことを特徴とする燃料電池スタック。 - 請求項2に記載の燃料電池スタックであって、
前記溝の入り口は、前記燃料極非発電部の露出表面のうち、前記燃料室を流れる燃料ガスの流れに対向する部分である対向面に形成されている、
ことを特徴とする燃料電池スタック。 - 請求項3に記載の燃料電池スタックであって、
前記燃料室を流れる燃料ガスの流れの方向視において、
前記溝の面積は、前記対向面の全面積に対して1/10以下である、
ことを特徴とする燃料電池スタック。 - 請求項2から請求項4までのいずれか一項に記載の燃料電池スタックであって、
前記燃料極のうち、前記発電部に含まれる部分を燃料極発電部としたときに、
前記溝は、前記燃料極発電部の少なくとも一部に対して、前記燃料室を流れる燃料ガスの流れの上流側に位置している、
ことを特徴とする燃料電池スタック。 - 請求項1に記載の燃料電池単セルの製造方法であって、
前記燃料極を形成する材料であって、前記第1の方向に直交する第2の方向の寸法が前記燃料極よりも大きい材料を準備する第1工程と、
レーザーを用いて前記材料を切断することにより、前記溝の入り口が形成される前記燃料極非発電部の露出表面と、前記溝と、を形成する第2工程と、を備える、
ことを特徴とする燃料電池単セルの製造方法。
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