JP4192715B2

JP4192715B2 - 固体電解質型燃料電池

Info

Publication number: JP4192715B2
Application number: JP2003281750A
Authority: JP
Inventors: 文紀佐藤; 靖志中島
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-07-29
Filing date: 2003-07-29
Publication date: 2008-12-10
Anticipated expiration: 2023-07-29
Also published as: JP2005050692A

Description

この発明は、平板型の固体電解質を挟むように燃料極と空気極の各電極を形成して発電部を形成し、発電部の外周側に接合材を用いて枠部を接合した固体電解質型燃料電池に関する。

例えば、下記特許文献１には、平板型固体電解質の両側に燃料極と空気極とをそれぞれ配置し、さらに平板型固体電解質の外周側の空気極側の面に保持薄板枠を取り付ける構成が開示されている。
特開２０００−３３１６９２号公報

ところで、上記した従来の固体電解質型燃料電池においては、発電部の一部である平板型固体電解質と保持薄板枠との接合には、金属ロウ、もしくは酸化物を主成分としたガラスを接合材として用いているため、これらの接合材が燃料電池の動作環境下において次第に劣化して接合部が剥離し、ガスリークが発生する問題がある。

燃料電池の内部でガスリークが発生すると、燃料ガスと空気とが混合・燃焼して燃料利用率の低下、出力の低下を招くだけでなく、上記した燃焼により局所的な温度上昇、熱応力分布の不均一を起こし、各種部品の歪やクラックの原因となり、ついには燃料電池として寿命が短くなり、信頼性の低下を招くことになる。

そこで、この発明は、発電部と枠部との接合部からのガスリークの発生を防止することを目的としている。

前記目的を達成するために、この発明は、平板型の固体電解質を挟むように燃料極と空気極の各電極を形成して発電部を形成し、この発電部の外周側に接合材を用いて枠部を接合する接合部を備えた固体電解質型燃料電池において、前記接合材を金属を主成分とする材料で構成し、前記接合部における発電部と枠部との少なくとも一方に、前記接合材の前記空気極側を覆って酸化雰囲気に曝されるのを防止する凹部もしくは凸部を設け、前記凹部より前記酸化雰囲気側の部分もしくは前記凸部を、前記接合部における発電部と枠部との少なくとも他方に接触させた構成としてある。
また、この発明は、平板型の固体電解質を挟むように燃料極と空気極の各電極を形成して発電部を形成し、この発電部の外周側に接合材を用いて枠部を接合する接合部を備えた固体電解質型燃料電池において、前記接合材を酸化物を主成分とする材料で構成し、前記接合部における発電部と枠部との少なくとも一方に、前記接合材の前記燃料極側を覆って還元雰囲気に曝されるのを防止する凹部もしくは凸部を設け、前記凹部より前記還元雰囲気側の部分もしくは前記凸部を、前記接合部における発電部と枠部との少なくとも他方に接触させた構成としてある。

この発明によれば、発電部と枠部とを接合する、金属を主成分とする材料で構成した接合材の空気極側を覆う凹部もしくは凸部を設けることで、接合材が酸化雰囲気に接しない構造とすることができ、接合材の劣化を防止して接合部からのガスリークの発生を防止することができる。
また、この発明によれば、発電部と枠部とを接合する、酸化物を主成分とする材料で構成した接合材の燃料極側を覆う凹部もしくは凸部を設けることで、接合材が還元雰囲気に接しない構造とすることができ、接合材の劣化を防止して接合部からのガスリークの発生を防止することができる。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１（ａ）は、この発明の第１の実施形態を示す固体電解質型燃料電池の基本構成を示す平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図、図１（ｃ）は、図１（ｂ）のＢ部の拡大図である。

この固体電解質型燃料電池は、図１（ｂ）に示すように、基材となる平板型の固体電解質１を挟むように、その両側に燃料極３と空気極５とをそれぞれ配置して発電部としての単セル７を構成している。

例えば固体電解質１にはイットリア安定化ジルコニア（以下YSZ）、燃料極３にはNiO/YSZサーメット、空気極には（LaxSr1-x）CoO₃（以下LSC）をそれぞれ用い、この各電極材料を基材（固体電解質１）のYSZに高温で焼き付けている。

上記した固体電解質１は、燃料極３および空気極５に対して外周側部分が全周にわたり突出しており、この突出した部分の空気極５側に枠部としてのフレーム９を取り付けてある。

フレーム９は、固体電解質１を構成する材料に熱膨張係数が近く、また耐熱性にも優れるフェライト系ステンレス合金の薄板からなり、中央部に単セル７の空気極５の領域よりも大きな開口１１を形成してある。またフレーム９の周囲四方には、酸化ガスおよび燃料ガスを、単セル７に供給・排気するため酸化ガス供給口１３・同排気口１５、燃料ガス供給口１７・同排気口１９を貫通して設けてある。

そして、上記した固体電解質１とフレーム９との接合部２１は、図１（ｃ）に示すように、例えばAuロウ、Agロウなどの接合温度の高い金属ロウからなる接合材２３を用いて接合している。

上記したフレーム９の内側（開口１１側）の端部には、固体電解質１に先端が接触する凸部９ａを設け、この凸部９ａより外側（開口１１と反対側）の固体電解質１とフレーム９との間に、前記した接合材２３を設けてある。すなわち、フレーム９の凸部９ａは、接合材２３の内側（開口１１側）を覆っている。

なお、上記した凸部９ａは、幅１０μm程度、高さ数μm程度であり、フレーム９の全周にわたり設けてある。このような構造のフレーム９は、圧延加工などにより薄肉化したステンレス合金箔をプレス加工、もしくはエッチング加工などにより作製する。

上記図１に示した単セル７にフレーム９を接合した構造体を、以下の説明ではセル板２５と呼ぶ。図２は、上記セル板２５を含む燃料電池全体の構成部材を示す分解斜視図である。

セル板２５の図２中で上下両側には、いずれも電気絶縁性材料からなるスペーサ２７およびスペーサ２９をそれぞれ配置する。

上部側のスペーサ２７は、セル板２５の酸化ガス供給口１３・同排気口１５間をつなぎ、かつ単セル７の空気極５の表面に酸化ガスを供給するための開口３１を中央に備えるとともに、セル板２５の燃料ガス供給口１７・同排気口１９にそれぞれ整合する貫通孔３３・３５を、前記開口３１の外側にそれぞれ備える。

一方、下部側のスペーサ２９は、セル板２５の燃料ガス供給口１７・同排気口１９間をつなぎ、かつ単セル７の燃料極３の表面に燃料ガスを供給するための開口３７を備えるとともに、セル板２５の酸化ガス供給口１３・同排気口１５にそれぞれ整合する貫通孔３９・４１を、前記開口３７の外側に備える。

また、スペーサ２７のセル板２５と反対側（もしくはスペーサ２９のセル板２５と反対側）には、導電性を有しかつガス分離が可能な材料、例えばLaCrO₃などのセラミックからなるセパレータ４３を配置する。

このセパレータ４３は、セル板２５の酸化ガス供給口１３・同排気口１５および燃料ガス供給口１７・同排気口１９に、それぞれ整合する貫通孔４５，４７，４９，５１をそれぞれ備えている。

さらに、単セル７における燃料極３および空気極５の表面には、集電のための金属メッシュ５３および５５をそれぞれ配置し、積層する複数の単セル７は、この金属メッシュ５３，５５およびセパレータ４３により直列に接続することになる。

図３は、単セル７を二つ積層して組み付けた場合の、図２に示したセパレータ４３におけるＣ−Ｃ線断面に相当する断面図、図４は、同Ｄ−Ｄ線断面に相当する断面図である。

すなわち、図３は燃料ガスの流れを示し、セル板２５の燃料ガス供給口１７，スペーサ２７の貫通孔３３，スペーサ２９の開口３７，セパレータ４３の貫通孔４９で構成する燃料ガス入口マニホールド５７から燃料ガスを供給し、この燃料が各単セル７の燃料極３を通過して発電に消費される。その後、セル板２５の燃料ガス排気口１９，スペーサ２７の貫通孔３５，スペーサ２９の開口３７，セパレータ４３の貫通孔５１で構成する燃料ガス出口マニホールド５９から余剰の燃料ガスを排気する。

また、図４は酸化ガスの流れを示し、セル板２５の酸化ガス供給口１３，スペーサ２７の開口３１，スペーサ２９の貫通孔３９，セパレータ４３の貫通孔４５で構成する酸化ガス入口マニホールド６１から酸化ガスを供給し、この酸化ガスが各単セル７の空気極５を通過して発電に消費される。その後、セル板２５の酸化ガス排気口１５，スペーサ２７の開口３１，スペーサ２９の貫通孔４１，セパレータ４３の貫通４７で構成する酸化ガス出口マニホールド６３から余剰の酸化ガスを排気する。

このような燃料ガスおよび酸化ガスの流れが発生することで、各単セル７にて発電がなされ、燃料電池が起動する。このとき、特に固体酸化物型燃料電池の場合には、その動作原理による制約から動作温度が８００℃程度の高温となる。

ところが、上記した第１の実施形態においては、図１（ｃ）に示すように、フレーム９の内側の端部に凸部９ａを設けて接合材２３を覆っているので、金属ロウからなる接合材２３が、空気極５における高温酸化雰囲気に曝されることを防止でき、金属材料には避けられない高温酸化雰囲気下での酸化の進行を抑えることができる。

これにより、接合材２３の腐食・侵食といった劣化を抑え、接合部２１でのシール性の低下を防止でき、接合部２１からのガスリークの発生を防止することができる。また、ガスリークの発生を防止することで、燃料ガスと酸化ガスとの混合・燃焼による燃料利用率の低下、出力の低下を防止できるとともに、上記燃焼による局所的な温度上昇、熱応力分布の不均一を防止し、燃料電池としての高寿命化を達成することができる。

図５は、この発明の第２の実施形態を示す、前記第１の実施形態に係わる図１（ｃ）に対応する断面図である。

この実施形態は、フレーム９の前記凸部９ａを設けた内側の端部よりも外側に、固体電解質１の端部に向けて突出する凸部９ｂを設けている。この場合、凸部９ｂより内側のフレーム９と固体電解質１との間に接合材２３を設けてこれら両者相互を接合している。この凸部９ｂは、第１の実施形態における凸部９ａと同様に、幅１０μm程度、高さ数μm程度であり、フレーム９の全周にわたり設けてある。

この実施形態では、接合材２３が、凸部９ｂにより、燃料極３側の還元雰囲気に曝されることを防止することができる。そのため、接合材２３にガラスなどの酸化物系の材料を用いた場合、還元雰囲気による酸化物系の接合材２３が還元されることを防止できる。

これにより、接合材２３を酸化物系とした場合でも、接合材２３の劣化を防止してガスリークの発生を防止できるという第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

図６は、この発明の第３の実施形態を示す、前記第１の実施形態に係わる図１（ｃ）に対応する断面図である。

この実施形態は、前記第１の実施形態による図１（ｃ）に示した凸部９ａと、第２の実施形態による図５に示した凸部９ｂとを組み合わせたものである。すなわち、凸部９ａと凸部９ｂとで接合材２３の内側および外側の双方を覆って封じ込める構造であり、接合材２３が酸化雰囲気・還元雰囲気どちらに対しても曝されることを防止できる。

このため第３の実施形態では、第１，第２の各実施形態と同様の効果が得られる上、どちらの雰囲気にも曝されにくいから、接合材２３の選択において雰囲気に対する耐性を考慮する優先順位を下げることができ、接合材２３の選択肢が広がることとなり、より安価な接合材２３や取り扱いの簡単な接合材２３の採用が可能となる。

図７（ａ），（ｂ），（ｃ）は、この発明の第４の実施形態を示す、前記第１の実施形態に係わる図１（ｃ）に対応する断面図である。

この実施形態は、フレーム９の固体電解質１に対応する部分に凹部９ｃ，９ｄ，９ｅをそれぞれ形成し、この凹部９ｃ，９ｄ，９ｅ内に接合材２３を設けてフレーム９と固体電解質１とを接合している。

このうち図７（ａ）の例は、凹部９ｃの内側（開口１１側）に側壁９ｃ1を備える一方、凹部９ｃの外側（開口１１と反対側）部分が固体電解質１からずれた状態となっている。したがって、この場合には、接合材２３が酸化雰囲気に曝されることを防止している。

図７（ｂ）の例は、凹部９ｄの全体が固体電解質１に対向し、かつ凹部９ｄの内側を開放している。したがって、この場合には、フレーム９の凹部９ｄより外側部分９ｄ1が固体電解質１に接触した状態となって、接合材２３が還元雰囲気に曝されることを防止している。

図７（ｃ）の例は、凹部９ｅの内側に側壁９ｃ1を備えるとともに、凹部９ｅより外側部分９ｄ1が固体電解質１に接触した状態としている。したがって、この場合には、接合材２３が酸化雰囲気と還元雰囲気の両方に曝されることを防止している。

以上より、図７に示した第４の実施形態においては、接合材２３が酸化雰囲気・還元雰囲気の一方、もしくは両方に曝されることを防ぐので、第１〜３の実施形態と同様の効果を得ることができる。

図８（ａ），（ｂ），（ｃ）は、この発明の第５の実施形態を示す、前記第１の実施形態に係わる図１（ｃ）に対応する断面図である。

図８（ａ）は、固体電解質１の外周側の端部に、フレーム９に向けて突出する凸部１ａを設けている。そして、この凸部１ａより内側（開口１１側）のフレーム９と固体電解質１との間に接合材２３を設けてこれら両者を接合している。したがって、この場合には、固体電解質１の凸部１ａによって接合材２３を還元雰囲気から曝されるのを防止している。

図８（ｂ）は、固体電解質１のフレーム９に対向する部分に凹部１ｂを形成し、この凹部１ｂの全体をフレーム９に対向させ、かつ凹部１ｂの外側（開口１１と反対側）を開放している。したがって、この場合には、固体電解質１の凹部１ｂより内側部分１ｂ1がフレーム９に接触した状態となって、接合材２３が酸化雰囲気に曝されることを防止している。

図８（ｃ）は、固体電解質１のフレーム９に対向する部分に凹部１ｃを形成し、この凹部１ｃの外側に側壁１ｃ１を備えるとともに、凹部１ｃより内側部分１ｃ２がフレーム９に接触した状態としている。したがって、この場合には、接合材２３が酸化雰囲気と還元雰囲気の両方に曝されることを防止している。

上記したように、固体電解質１に凸部１ａや凹部１ｂ，１ｃを設けることで、フレーム９に凸部や凹部を設ける場合と同様な効果と得ることができる。

図９（ａ）は、この発明の第６の実施形態を示す、前記図１（ｂ）に対応するセル板の断面図である。この実施形態は、燃料極３０を基材として、その上に固体電解質１を、さらにその上に空気極５を配置した、いわゆる電極支持型の単セル７０に、この発明を適用している。

図９（ｂ）は、図９（ａ）におけるフレーム９と固体電解質１との接合部２１の詳細を示す断面図で、固体電解質１の外周側の端部は燃料極３０の同端部より内側に位置し、フレーム９の内側の端部に、前記図１（ｃ）と同様に、固体電解質１に向けて突出する凸部９ａを設けている。

そして、この凸部９ａより外側のフレーム９と、固体電解質１および燃料極３０との間に接合材２３を設けている。したがって、この場合には、図１（ｃ）と同様に、凸部９ａによって、接合材２３を酸化雰囲気に曝されることを防止している。

図９（ｃ）は、図７（ｂ）と同様に、フレーム９に凹部９ｄを設け、凹部９ｄの全体が固体電解質１および燃料極３０に対向し、かつ凹部９ｄの内側を開放している。したがって、この場合には、フレーム９の凹部９ｄより外側部分９ｄ1が燃料極３０に接触した状態となって、接合材２３が還元雰囲気に曝されることを防止している。

図９（ｄ）は、図７（ｃ）と同様に、フレーム９の凹部９ｅの内側に側壁９ｃ1を備えるとともに、凹部９ｅより外側部分９ｄ1が燃料極３０に接触した状態としている。したがって、この場合には、接合材２３が酸化雰囲気と還元雰囲気の両方に曝されることを防止している。

図１０は、上記図９と同様な電極支持型の単セル７０による第７の実施形態を示す。この実施形態は、図１０（ａ）に示すように、燃料極３０の固体電解質１と反対側にフレーム９を接合部２１を介して接合している。さらに、この例では、接合部２１の外側に燃料極３０の側部を覆うように、固体電解質１からフレーム９にわたり封止材６５を設けている。

図１０（ｂ）は、図１０（ａ）におけるフレーム９と燃料極３０との接合部２１の詳細を示す断面図で、図７（ｂ）と同様に、フレーム９の燃料極３０に対向する部分に凹部９ｄを設け、凹部９ｄの全体が燃料極３０に対向し、かつ凹部９ｄの内側を開放している。

したがって、この場合には、フレーム９の凹部９ｄより外側部分９ｄ1が燃料極３０に接触した状態となって、接合材２３が酸化雰囲気に曝されることを防止している。これと同時に、接合材２３を封止材６５によっても酸化雰囲気に曝されることを防止しているので、接合部２１からのガスリークを確実に防止することができる。

図１０（ｃ）は、フレーム９の内側の端部に、前記図１（ｃ）と同様に、燃料極３０に向けて突出する凸部９ａを設けている。したがって、この場合には、凸部９ａによって、接合材２３が還元雰囲気に曝されることを防止している。これと同時に、封止材６５によって、接合材２３が酸化雰囲気に曝されることを防止している。

図１０（ｄ）は、図７（ｃ）と同様に、フレーム９の凹部９ｅの内側に側壁９ｃ1を備えるとともに、凹部９ｅより外側部分９ｄ1が燃料極３０に接触した状態としている。したがって、この場合には、接合材２３が、フレーム９に設けた凹部９ｅの形状によって酸化雰囲気と還元雰囲気の両方に曝されることを防止している。これと同時に、封止材６５によって、接合材２３が酸化雰囲気に曝されることを防止している。

なお、上記した各第１〜第７の各実施形態においては、単セル７，７０を正方形としているが、これに限るものではなく、単セルを例えば図１１に示すような円形、もしくは楕円形、長方形としてもよい。

以上のように本発明では、接合材２３の劣化に伴うクラックや剥離によるガスリークを防ぐことが可能となり、燃料ガスと空気とが混合・燃焼して燃料利用率が低下したり、出力が低下することを防止できる。また、この燃焼による局所的な温度上昇、熱応力分布の不均一の発生に伴う、２次的な部品の歪やクラックの発生を防止でき、燃料電池の信頼性向上、長寿命化を図ることができる。

（ａ）は、この発明の第１の実施形態を示す固体電解質型燃料電池の基本構成を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図、（ｃ）は（ｂ）のＢ部の拡大図である。第１の実施形態によるセル板を含む燃料電池全体の構成部材を示す分解斜視図である。第１の実施形態による単セルを二つ積層して組み付けた状態の、図２のセパレータにおけるＣ−Ｃ線断面に相当する断面図である。第１の実施形態による単セルを二つ積層して組み付けた状態の、図２のセパレータにおけるＤ−Ｄ線断面に相当する断面図である。この発明の第２の実施形態を示す、図１（ｃ）に対応する断面図である。この発明の第３の実施形態を示す、図１（ｃ）に対応する断面図である。（ａ），（ｂ），（ｃ）は、この発明の第４の実施形態を示す、図１（ｃ）に対応する断面図である。（ａ），（ｂ），（ｃ）は、この発明の第５の実施形態を示す、図１（ｃ）に対応する断面図である。（ａ）は、この発明の第６の実施形態を示す、図１（ｂ）に対応するセル板の断面図、（ｂ）は、（ａ）におけるフレームと固体電解質との接合部の詳細を示す断面図、（ｃ）は第６の実施形態の他の例を示す断面図、（ｄ）は第６の実施形態のさらに他の例を示す断面図である。（ａ）は、この発明の第７の実施形態を示す、図１（ｂ）に対応するセル板の断面図、（ｂ）は、（ａ）におけるフレームと固体電解質との接合部の詳細を示す断面図、（ｃ）は第７の実施形態の他の例を示す断面図、（ｄ）は第７の実施形態のさらに他の例を示す断面図である。単セルを円形とした場合のセル板の平面図である。

符号の説明

１固体電解質
１ａ固体電解質の凸部
１ｂ，１ｃ固体電解質の凹部
３，３０燃料極
５空気極
７，７０単セル（発電部）
９フレーム（枠部）
９ａ，９ｂフレームの凸部
９ｃ，９ｄ，９ｅフレームの凹部
２１接合部
２３接合材

Claims

平板型の固体電解質を挟むように燃料極と空気極の各電極を形成して発電部を形成し、この発電部の外周側に接合材を用いて枠部を接合する接合部を備えた固体電解質型燃料電池において、前記接合材を金属を主成分とする材料で構成し、前記接合部における発電部と枠部との少なくとも一方に、前記接合材の前記空気極側を覆って酸化雰囲気に曝されるのを防止する凹部もしくは凸部を設け、前記凹部より前記酸化雰囲気側の部分もしくは前記凸部を、前記接合部における発電部と枠部との少なくとも他方に接触させたことを特徴とする固体電解質型燃料電池。
平板型の固体電解質を挟むように燃料極と空気極の各電極を形成して発電部を形成し、この発電部の外周側に接合材を用いて枠部を接合する接合部を備えた固体電解質型燃料電池において、前記接合材を酸化物を主成分とする材料で構成し、前記接合部における発電部と枠部との少なくとも一方に、前記接合材の前記燃料極側を覆って還元雰囲気に曝されるのを防止する凹部もしくは凸部を設け、前記凹部より前記還元雰囲気側の部分もしくは前記凸部を、前記接合部における発電部と枠部との少なくとも他方に接触させたことを特徴とする固体電解質型燃料電池。