JP4470474B2 - Solid oxide fuel cell - Google Patents
Solid oxide fuel cell Download PDFInfo
- Publication number
- JP4470474B2 JP4470474B2 JP2003412426A JP2003412426A JP4470474B2 JP 4470474 B2 JP4470474 B2 JP 4470474B2 JP 2003412426 A JP2003412426 A JP 2003412426A JP 2003412426 A JP2003412426 A JP 2003412426A JP 4470474 B2 JP4470474 B2 JP 4470474B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- frame
- fuel cell
- solid oxide
- oxide fuel
- power generation
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
- 239000000446 fuel Substances 0.000 title claims description 55
- 239000007787 solid Substances 0.000 title claims description 23
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 52
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 claims description 35
- 238000010248 power generation Methods 0.000 claims description 28
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 claims description 26
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims description 7
- 238000005304 joining Methods 0.000 claims description 5
- 238000010030 laminating Methods 0.000 claims 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 27
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 description 19
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 description 13
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 13
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 11
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 11
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 9
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 9
- 238000005219 brazing Methods 0.000 description 5
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 5
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 4
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 4
- 239000003566 sealing material Substances 0.000 description 4
- 229910001233 yttria-stabilized zirconia Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 2
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 2
- 239000011224 oxide ceramic Substances 0.000 description 2
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910018921 CoO 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910017563 LaCrO Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910018307 LaxSr1−x Inorganic materials 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 239000011195 cermet Substances 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000012777 electrically insulating material Substances 0.000 description 1
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 239000011888 foil Substances 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 239000003870 refractory metal Substances 0.000 description 1
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Description
本発明は、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。 The present invention provides a solid electrolyte type in which each electrode of a fuel electrode and an air electrode is formed so as to sandwich a flat plate type solid electrolyte to form a power generation unit, and a frame portion is bonded to the outer peripheral side of the power generation unit using a bonding material The present invention relates to a fuel cell.
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。
上記した従来の固体電解質型燃料電池においては、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た発電部に、保持薄板枠を取り付けることにより、発電部をセパレータと積層した場合に、セパレータと発電部との隙間を塞ぎ、燃料ガスと酸化ガスとの混合を防止するとともに、セパレータおよび発電部を多数積層することによるスタック化で発生する応力や、スタック内において発電部と他の構成部材との熱膨張係数差による熱応力を、保持薄板枠によって吸収する構造としている。 In the above-described conventional solid oxide fuel cell, when the power generation unit is laminated with the separator by attaching the holding thin plate frame to the power generation unit in which the fuel electrode and the air electrode are formed so as to sandwich the solid electrolyte, In addition to closing the gap between the separator and the power generation unit and preventing mixing of the fuel gas and the oxidizing gas, the stress generated by stacking by stacking a large number of separators and power generation units, and the power generation unit and other components in the stack The structure is such that the thermal stress due to the difference in thermal expansion coefficient from the constituent members is absorbed by the holding thin plate frame.
そのため、保持薄板枠による応力をより下げるために、保持薄板枠の厚さをできるだけ薄くすることが望ましい。しかし、この保持薄板枠と発電部とを接合する場合、主に金属を主成分とする金属ロウや酸化ケイ素などを主成分とするガラスシール材を用いて接合することになるが、これらの接合材は固体電解質型燃料電池を構成している金属酸化物セラミックや耐熱金属とは熱膨張係数が大きく異なり、金属ロウは1.2から2倍程度、逆にガラスシール材では半分から8割程度である。 Therefore, in order to further reduce the stress due to the holding thin plate frame, it is desirable to make the thickness of the holding thin plate frame as thin as possible. However, when this holding thin plate frame and the power generation part are joined, the joining is mainly performed using a glass sealing material mainly composed of metal brazing or silicon oxide mainly composed of metal. The material is greatly different in coefficient of thermal expansion from metal oxide ceramics and refractory metals that make up solid oxide fuel cells, metal brazing is about 1.2 to 2 times, and glass sealing material is about half to 80%. It is.
特に、固体電解質型燃料電池においては、常温と動作温度との差が大きいため、この接合材により発生する熱応力も大きく、発電部の破損の原因となるほか、保持薄板枠を破損させる、もしくは保持薄板枠に歪を発生させたりする。 In particular, in a solid oxide fuel cell, since the difference between the normal temperature and the operating temperature is large, the thermal stress generated by this bonding material is also large, which may cause damage to the power generation unit, damage the holding thin plate frame, or Causes the holding thin frame to be distorted.
発電部や保持薄板枠に破損が発生すると、燃料電池の内部でガスリークが発生し、燃料ガスと空気とが混合・燃焼して燃料利用率の低下、出力の低下を招くことになる。また、保持薄板枠の歪も同様で、積層部層間からのガスリークの原因となり、同様の悪影響を引き起こす。さらにこのガスが混合・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。 When the power generation unit or the holding thin plate frame is damaged, a gas leak occurs inside the fuel cell, and the fuel gas and air are mixed and burned, resulting in a decrease in fuel utilization rate and a decrease in output. In addition, the strain of the holding thin plate frame is the same, which causes gas leakage from the laminated portion layers and causes the same adverse effect. In addition, this gas causes local temperature rise and non-uniform thermal stress distribution due to mixing and combustion, causing distortion and cracks in various parts, eventually shortening the life of the fuel cell and reducing reliability. become.
そこで、この発明は、発電部と枠部との接合部での熱応力を低減し接合部の信頼性を向上することを目的としている。 Therefore, an object of the present invention is to reduce the thermal stress at the joint between the power generation unit and the frame and improve the reliability of the joint.
本発明は、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るとともに、この枠部を接合した発電部およびセパレータを積層してなる固体電解質型燃料電池において、前記枠部は、前記接合部と反対側の面に突起部を備えて前記接合部に対応する部分の厚さが他の部分の厚さより厚く、前記枠部の前記発電部との接合部に対応する面に、前記枠部に沿って連続する凹部を設け、この凹部に前記接合材を設けて前記接合部とし、前記接合材が酸化雰囲気もしくは還元雰囲気に対して曝される領域を狭めたことを最も主要な特徴とする。 The present invention forms a power generation part by forming each electrode of a fuel electrode and an air electrode so as to sandwich a flat solid electrolyte, and joins a frame part using a joining material on the outer peripheral side of the power generation part In the solid oxide fuel cell formed by stacking the power generation unit and the separator bonded to each other, the frame includes a protrusion on the surface opposite to the bonding and corresponds to the bonding. the thickness of the portion that is rather thick than the thickness of the other portions, the corresponding surface at the junction of the said power generating portion of the frame portion, a recess continuously extending along said frame portion, the bonding material in the recess The main feature is that the region where the bonding material is exposed to an oxidizing atmosphere or a reducing atmosphere is narrowed .
本発明によれば、枠部の接合部に対応する部分の厚さが他の部分の厚さより厚いので、発電部と枠部との接合部から発生する熱応力が低減し、接合部の信頼性を向上することができる。
また、枠部の発電部との接合部に対応する面に、枠部に沿って連続する凹部を設け、この凹部に接合材を設けて接合部としたため、接合材を凹部に封じ込めることにより、接合材が酸化雰囲気もしくは還元雰囲気に対しても曝される領域を狭めることができ、接合材の劣化を防止することができる。
According to the present invention, since the thickness of the portion corresponding to the joint portion of the frame portion is thicker than the thickness of the other portion, the thermal stress generated from the joint portion between the power generation portion and the frame portion is reduced, and the reliability of the joint portion is reduced. Can be improved.
Also, on the surface corresponding to the joint portion of the frame portion with the power generation portion, a concave portion that is continuous along the frame portion is provided, and the joint material is provided in the concave portion to form the joint portion. A region where the bonding material is exposed to an oxidizing atmosphere or a reducing atmosphere can be narrowed, and deterioration of the bonding material can be prevented.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1(a)は、この発明の第1の参考例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。 FIG. 1A is a plan view showing a basic configuration of a solid oxide fuel cell according to a first reference example of the present invention, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 1 (c) is an enlarged view of a portion B in FIG. 1 (b).
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。
As shown in FIG. 1 (b), this solid oxide fuel cell is configured to generate power by arranging a
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。
For example, yttria-stabilized zirconia (hereinafter YSZ) is used for the
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。
The above-described
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。
The
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、例えば金,銀,ニッケル,パラジュウムなどを主成分とする接合温度の高い金属系のロウ材からなる接合材23を用いて接合している。このフレーム9は接合材23と反対側の面に突起部9iを形成し、これにより、フレーム9の接合部21に対応する部分の厚さが、他の部分の厚さより厚くなっている。
Then, as shown in FIG. 1C, the joining
なお、このフレーム9の突起部9iを除く部分の厚さは数10μm程度であり、突起部9iは、幅数mm程度、高さ(厚さ)数10から100μm程度であり、フレーム9の内側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。
The thickness of the
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。
The structure in which the
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。
The
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。
On the other hand, the
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。
On the side opposite to the
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。
The
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。
Further,
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。
3 is a cross-sectional view corresponding to a cross section taken along the line C-C in the
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。
3 shows the flow of the fuel gas from the fuel
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。
4 shows the flow of the oxidizing gas, from the oxidizing
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。
By generating such a flow of fuel gas and oxidizing gas, power is generated in each
ここで、フレーム9は単セル7への燃料電池全体からの応力を緩和するために介在しているが、このフレーム9により応力をより下げるためにはフレーム9の厚さをできるだけ薄くすることが望ましい。しかし、フレーム9と発電部(単セル7)を接合する場合、主に金属を主成分とする金属ロウや酸化ケイ素などを主成分とするガラスシール材を用いて接合することになるが、これらの材料は固体電解質型燃料電池を構成している金属酸化物セラミックや耐熱金属とは熱膨張係数が大きく異なるため、この接合材により発生する熱応力も大きく、発電部の破損の原因となる。
Here, the
このため、上記した第1の参考例においては、図1(c)に示すように、フレーム9の内側の端部に補強部としての突起部9iを設けることにより、フレーム9全体の厚さをそのままにしながら、接合部21に対応する部位のみ厚くすることで、接合部21の強度を向上させている。これにより接合材23の温度変化による膨張、収縮をフレーム9の強度により押さえ込み、接合部21の破損を防止する他、薄いフレーム9の破損防止、フレーム9の変形防止が可能となる。
この結果、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、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。
For this reason, in the first reference example described above, as shown in FIG. 1 (c), the
As a result, the occurrence of gas leakage from the joint 21 can be prevented, the fuel utilization rate can be prevented from lowering due to the mixing / combustion of the fuel gas and the oxidizing gas, and the output can be prevented from being lowered. It is possible to prevent the rise and non-uniformity of thermal stress distribution, and to achieve a long life as a fuel cell.
図5(a)は、本発明の第2の参考例を示す固体電解質型燃料電池の平面図、図5(b)は、図5(a)の拡大したE−E断面図である。なお、図5(a)では、前記図1(a)に示してある酸化ガス供給口13・同排気口15、燃料ガス供給口17・同排気口19は省略してある。第2の参考例は、補強部として2本の突起部9i1,9i2を互いに並行するよう全周に設けている。このような突起部は、3本以上設けてもよい。
FIG. 5 (a) is a plan view of a solid oxide fuel cell showing a second reference example of the present invention, and FIG. 5 (b) is an enlarged EE cross-sectional view of FIG. 5 (a). In FIG. 5A, the oxidizing
図6(a)は、本発明の第3の参考例を示す固体電解質型燃料電池の要部の平面図、図6(b)は、図6(a)のF−F断面図である。この参考例は、図5に示した第2の参考例における2本の突起部9i1,9i2相互を連結突起部9jで連結している。連結突起部9jは、突起部9i1,9i2の延長方向に沿って等間隔に全周にわたり設け、これら突起部9i1,9i2および連結突起部9jにより、図6(a)に示すような梯子状に形成する。突起部9i1,9i2および連結突起部9jは、図6(b)に示すように高さは互いに同一であり、これらによって補強部を構成している。
FIG. 6A is a plan view of the main part of a solid oxide fuel cell according to a third reference example of the present invention, and FIG. 6B is a cross-sectional view taken along line FF in FIG. In this reference example , the two protrusions 9i1 and 9i2 in the second reference example shown in FIG. 5 are connected to each other by a connecting
図7(a)は、本発明の第4の参考例を示す固体電解質型燃料電池の要部の平面図、図7(b)は、図7(a)のG−G断面図である。この参考例は、図6に示した第3の参考例における連結突起部9j相互の間隔を広くした上で、隣接する連結突起部9j相互間に互いに交差する交差突起部9m,9nを設け、これら突起部9i1,9i2,連結突起部9jおよび交差突起部9m,9nにより、図7(a)に示すような梁構造に形成する。突起部9i1,9i2,連結突起部9jおよび交差突起部9m,9nは、図7(b)に示すように高さは互いに同一であり、これらによって補強部を構成している。
FIG. 7A is a plan view of the main part of a solid oxide fuel cell showing a fourth reference example of the present invention, and FIG. 7B is a cross-sectional view taken along the line GG of FIG. This reference example is provided with
このように、上記した図5〜図7に示した各参考例のように、補強部を2本の突起部9i1,9i2に分割したり、あるいは梯子状や梁構造とすることで、強度を確保しつつ第1の実施形態のように幅の広い1本の突起部9iを設ける場合に比べて軽量化を達成でき、また高さも低くするなどにより軽量化できる。
In this way, as in each of the reference examples shown in FIGS. 5 to 7 described above, the reinforcing portion is divided into two protrusions 9i1 and 9i2, or a ladder shape or a beam structure is used to increase the strength. While securing, it is possible to reduce the weight as compared with the case where one wide protruding
なお、上記した各参考例では、単セル7およびフレーム9を、いずれも方形としているが、他の形状、例えば円形や楕円形としてもよく、また、1枚のフレーム9に複数の開口11を設け、この各開口11に対応して単セル7をそれぞれ配置する構成、すなわち単セル7を並列配置した構成にも、本発明を適用できる。
In each of the reference examples described above, the
図8は、本発明の第1の実施形態を示す、前記図1(c)に対応する断面図である。図8(a)の例は、図1(c)に示した第1の参考例に対し、フレーム9の開口11側の縁部に、固体電解質1に向けて突出する凸部9aを設け、これにより凸部9aの外側部分のフレーム9に凹部9bを有するものとなる。凸部9aは、開口11の全周に設けてあり、その外側の凹部9bの固体電解質1に対向する部位に接合材23を設けてここを接合部21としている。
FIG. 8 is a cross-sectional view corresponding to FIG. 1C, showing the first embodiment of the present invention. The example of FIG. 8A is provided with a
燃料電池の起動時には、特に固体酸化物型燃料電池の場合には、前述したように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。 When the fuel cell is started up, particularly in the case of a solid oxide fuel cell, the operating temperature becomes as high as about 800 ° C. due to the limitation due to its operating principle as described above.
ところが、上記した図8(a)の例においては、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。
However, in the example of FIG. 8A described above, the
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。
Thereby, deterioration such as corrosion and erosion of the
図8(b)の例は、図1(c)に示した第1の参考例に対し、フレーム9の開口11側に凹部9cを設け、凹部9cより外側のフレームの当接面9dを固体電解質1に接触させている。これにより、この例では当接面9dを固体電解質1に接触させることによって、接合材23が、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を主成分とした材料を用いた場合、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。
8B is different from the first reference example shown in FIG. 1C in that a recess 9c is provided on the
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図8(a)の例と同様の効果を得ることができる。
Thereby, even when the
図8(c)の例は、図8(a)と図8(b)の例を組み合わせたもので、フレーム9の固体電解質1に対向する部位に凹部としての溝9eを設け、溝9eの内側の凸部9aを固体電解質1に接触させるとともに、溝9eの外側の当接面9dを固体電解質1に接触させている。
The example of FIG. 8C is a combination of the examples of FIG. 8A and FIG. 8B. A
すなわち、凸部9aと当接面9d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。
In other words, the
このため図8(c)の例では、図8(a),(b)の例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。
For this reason, in the example of FIG. 8C, the same effect as the example of FIGS. 8A and 8B can be obtained, and since it is difficult to be exposed to either atmosphere, resistance to the atmosphere is selected in the selection of the
図9は、本発明の第2の実施形態を示している。この実施形態は、前記図8(c)の例に対し、固体電解質1に対向する部位に設ける溝9fを2本とし、2本の溝9f内に接合材23を設けてここを接合部21としている。
Figure 9 shows a second embodiment of the present invention. In this embodiment, with respect to the example of FIG. 8C, two
接合部21において、信頼性を確保するにためには幅を広く設定することが望ましいが、広くしすぎると、図10に示すように、周方向だけでなく幅方向(F)にも大きな応力が発生し、この2つの方向の応力により単セル7の破損やフレーム9の歪を招く恐れがある。しかし、第6の実施形態によれば、接合材23を2分割して幅を狭くすることにより、図10(b)のように、幅方向の応力が低減し、接合材23のそれぞれの列から発生する応力を低下させることができる。また、接合材23を複数列とすることで信頼性も確保できる。
In order to ensure reliability in the
図11(a)は、本発明の第3の実施形態を示す、フレーム9の固体電解質1側から見た平面図で、図11(b)は、図11(a)のH−H線断面に相当する、前記図9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に対向する部位に設けた溝9gを1本とし、この溝9gを直線的に形成せずフレーム9に沿って折れ曲がるように、直線部分を小分けにする構造としている点が、図8(c)の例と異なっている。
FIG. 11A is a plan view of the
前記図8(c)のように溝9eを直線的にすると、図12(a)に示すように、全体に発生する応力Fが大きいものとなるが、図11のように溝9gを折れ曲がる構造とすることで、図12(b)に示すように、温度変化による寸法変化も分断され、発生する応力Fも小さくなる。
When the
このように第3の実施形態では、周方向に発生するマクロな応力を直線部を分断することで低減することが可能となる。 As described above, in the third embodiment, it is possible to reduce macro stress generated in the circumferential direction by dividing the linear portion.
図13(a)は、本発明の第5の参考例を示す、前記図1(b)に対応するセル板25の断面図である。この参考例は、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を使用している。
FIG. 13A is a cross-sectional view of the
図13(b)は、図13(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、この状態で固体電解質1の外周側の端部を覆うように、フレーム9と固定電解質1との間および、フレーム9と燃料極30との間に、接合材23を設けている。
FIG. 13B is a cross-sectional view showing details of the
図13(c)は、前記図5(b)のように、フレーム9に補強部として2本の突起部9i1,9i2を設けた例である。
FIG. 13C shows an example in which two protrusions 9i1 and 9i2 are provided as reinforcing portions on the
図13(d)は、フレーム9の固体電解質1に対向する部位に溝9eを設けた第4の実施形態であり、この溝9eおよび固体電解質1の外周側に、接合材23を設けている。
FIG. 13D shows a fourth embodiment in which a
図14(a),(b),(c)は、上記図13と同様な電極支持型の単セル70による第6の参考例を示す。この参考例は、図14(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。
Figure 14 (a), (b) , (c) shows a sixth reference example according to the diagram 13 and the same electrode support type
図14(b)は、図14(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1(c)と同様に、フレーム9の接合材23と反対側に突起部9iを設けている。
FIG. 14B is a cross-sectional view showing details of the
図14(c)は、補強部として2本の突起部9i1,9i2を設けている。 In FIG. 14C, two projecting portions 9i1 and 9i2 are provided as reinforcing portions.
図14(d)は、フレーム9の固体電解質1に対向する部位に溝9eを設けた第5の実施形態であり、この溝9eに接合材23を設けている。
FIG. 14D shows a fifth embodiment in which a
本発明によれば、前記枠部の接合部と反対側の面に補強部を設けることで、発電部と枠部との接合部から発生する熱応力が低減し、接合部の信頼性を向上することができる。 According to the present invention, by providing the reinforcing portion on the surface opposite to the joint portion of the frame portion, the thermal stress generated from the joint portion between the power generation portion and the frame portion is reduced, and the reliability of the joint portion is improved. can do.
前記補強部を、前記枠部の接合部と反対側の面に設けた突起部とすることで、発電部と枠部との接合部から発生する熱応力が低減し、接合部の信頼性を向上することができる。 By making the reinforcing part a protrusion provided on the surface opposite to the joint part of the frame part, thermal stress generated from the joint part between the power generation part and the frame part is reduced, and the reliability of the joint part is improved. Can be improved.
前記突起部は、前記枠部に沿って連続しているため、発電部と枠部との接合部から発生する熱応力が確実に低減し、接合部の信頼性を確実に向上することができる。 Since the protrusion is continuous along the frame portion, the thermal stress generated from the joint between the power generation portion and the frame can be reliably reduced, and the reliability of the joint can be reliably improved. .
前記枠部の前記発電部との接合部に対応する面に、前記枠部に沿って連続する凹部を設け、この凹部に前記接合材を設けて前記接合部としたため、接合材を前記凹部に封じ込めることにより、接合材が酸化雰囲気もしくは還元雰囲気に対しても曝される領域を狭めることができ、接合材の劣化を防止することができる。 A concave portion that is continuous along the frame portion is provided on a surface corresponding to a joint portion of the frame portion with the power generation portion, and the bonding material is provided in the concave portion to form the joint portion. By enclosing, the region where the bonding material is exposed to an oxidizing atmosphere or a reducing atmosphere can be narrowed, and deterioration of the bonding material can be prevented.
前記凹部を溝で構成し、この溝を前記枠部に沿って複数列設けたため、接合材を複数に分割して幅を狭くすることができ、それぞれの接合材の列から発生する応力を低下させることができる。また、接合材を複数列とすることで信頼性も確保できる。 Since the concave portion is constituted by a groove, and the groove is provided in a plurality of rows along the frame portion, the bonding material can be divided into a plurality of portions to reduce the width, and the stress generated from each row of the bonding material is reduced. Can be made. Further, reliability can be ensured by arranging the bonding materials in a plurality of rows.
前記凹部を溝で構成し、この溝を前記枠部に沿って折れ曲がる形状とし、周方向に発生するマクロな応力を直線部分を分断することで低減することが可能となる。 It is possible to reduce the macro stress generated in the circumferential direction by dividing the linear portion by forming the concave portion with a groove and bending the groove along the frame portion.
1 固体電解質
3,30 燃料極
5 空気極
7,70 単セル(発電部)
9 フレーム(枠部)
9b,9c 凹部
9e,9f,9g 溝(凹部)
9i 突起部(補強部)
9j 連結突起部(補強部)
9m,9n 交差突起部(補強部)
21 接合部
23 接合材
43 セパレータ
1
9 frame (frame part)
9b, 9c
9i Protruding part (reinforcing part)
9j Connecting protrusion (reinforcing part)
9m, 9n Intersection protrusion (reinforcement part)
21 Joining
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003412426A JP4470474B2 (en) | 2003-12-10 | 2003-12-10 | Solid oxide fuel cell |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003412426A JP4470474B2 (en) | 2003-12-10 | 2003-12-10 | Solid oxide fuel cell |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2005174714A JP2005174714A (en) | 2005-06-30 |
JP4470474B2 true JP4470474B2 (en) | 2010-06-02 |
Family
ID=34732868
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2003412426A Expired - Lifetime JP4470474B2 (en) | 2003-12-10 | 2003-12-10 | Solid oxide fuel cell |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4470474B2 (en) |
Families Citing this family (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8440367B2 (en) * | 2006-12-05 | 2013-05-14 | Corning Incorporated | Solutions for solid oxide fuel cell seal failures |
WO2009088397A1 (en) * | 2007-08-08 | 2009-07-16 | Corning Incorporated | Solid oxide fuel cell devices with serpentine seal geometry |
JP6199697B2 (en) * | 2013-10-29 | 2017-09-20 | 日本特殊陶業株式会社 | Fuel cell single cell with separator, fuel cell stack, and manufacturing method thereof |
JP6463203B2 (en) * | 2015-03-31 | 2019-01-30 | 大阪瓦斯株式会社 | Electrochemical element, electrochemical module including the same, electrochemical device and energy system |
JP6518821B1 (en) * | 2018-06-06 | 2019-05-22 | 日本碍子株式会社 | Cell stack device |
JP6578457B1 (en) * | 2019-01-10 | 2019-09-18 | 日本碍子株式会社 | Fuel cell |
-
2003
- 2003-12-10 JP JP2003412426A patent/JP4470474B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2005174714A (en) | 2005-06-30 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5679893B2 (en) | Solid oxide fuel cell and method for producing the same | |
WO2013001777A1 (en) | Solid oxide fuel cell and inter-connector | |
JP6286223B2 (en) | Fuel cell stack | |
WO2005112165A2 (en) | Fuel cell assemblies using metallic bipolar separators | |
JP5093833B2 (en) | Single cell for fuel cell | |
KR102023324B1 (en) | Planar fuel cell apparatus | |
JP4438295B2 (en) | Fuel cell | |
JP6131426B2 (en) | Fuel cell seal structure | |
US7601450B2 (en) | Hybrid interconnect for a solid-oxide fuel cell stack | |
JP5727428B2 (en) | Fuel cell with separator and fuel cell | |
JP4470474B2 (en) | Solid oxide fuel cell | |
JP5113350B2 (en) | Gas sealing method and structure for SOFC | |
JP4123479B2 (en) | Single cell for fuel cell, method for producing the same, and solid oxide fuel cell | |
JP4900364B2 (en) | Fuel cell | |
JP4192715B2 (en) | Solid oxide fuel cell | |
JP6667682B1 (en) | Fuel cell | |
JP4470475B2 (en) | Solid oxide fuel cell | |
JP2023072685A (en) | Fuel cell column including stress mitigation structures | |
JP5727915B2 (en) | Solid oxide fuel cell, solid oxide fuel cell main body, and method for producing solid oxide fuel cell | |
JP6945035B1 (en) | Electrochemical reaction cell stack | |
JPH1116585A (en) | Flat solid electrolyte fuel cell and its layering method | |
JP2005317241A (en) | Supporting film type solid oxide fuel cell stack, and manufacturing method of the same | |
JP7232224B2 (en) | Electrochemical reaction cell stack | |
JP2002231271A (en) | Solid electrolyte fuel cell | |
US11489187B2 (en) | Cell stack device |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20060127 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20080929 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20081202 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20090127 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20100209 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20100222 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130312 Year of fee payment: 3 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 4470474 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130312 Year of fee payment: 3 |
|
EXPY | Cancellation because of completion of term |