JP4666279B2 - Solid oxide fuel cell stack and solid oxide fuel cell - Google Patents
Solid oxide fuel cell stack and solid oxide fuel cell Download PDFInfo
- Publication number
- JP4666279B2 JP4666279B2 JP2004183762A JP2004183762A JP4666279B2 JP 4666279 B2 JP4666279 B2 JP 4666279B2 JP 2004183762 A JP2004183762 A JP 2004183762A JP 2004183762 A JP2004183762 A JP 2004183762A JP 4666279 B2 JP4666279 B2 JP 4666279B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel cell
- solid oxide
- electrode
- oxide fuel
- cell stack
- 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 - Fee Related
Links
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、平行平板型の固体酸化物形燃料電池(SOFC)に係わり、更に詳しくは平板型単セル間の通電を確実にし、温度変化等に起因する熱応力による変形などによる通電特性の低下を防止することができる集電構造を備えた固体酸化物形燃料電池スタックと、このような電池スタックから成る固体酸化物形燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a parallel plate type solid oxide fuel cell (SOFC), and more particularly, ensures energization between flat plate type single cells, and lowers energization characteristics due to deformation due to thermal stress caused by temperature change and the like. The present invention relates to a solid oxide fuel cell stack having a current collecting structure capable of preventing the above and a solid oxide fuel cell comprising such a cell stack.
近年、例えば空気と水素をそれぞれ酸化剤ガスおよび燃料ガスとして使用し、燃料ガスが本来持っている化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する燃料電池が省資源、環境保護の観点から注目されており、特に、電解質材料として固体酸化物を用いた固体酸化物形燃料電池は、発電効率が高く、廃熱を有効に利用できるなど多くの利点を有するため研究、開発が進んでいる。 In recent years, for example, fuel cells that use air and hydrogen as oxidant gas and fuel gas, respectively, and directly convert the chemical energy inherent in the fuel gas into electrical energy have attracted attention from the viewpoint of resource saving and environmental protection. In particular, a solid oxide fuel cell using a solid oxide as an electrolyte material has many advantages such as high power generation efficiency and effective use of waste heat.
図14は、従来の内部マニホールド方式の平板型固体酸化物形燃料電池を示すものである。なお、内部マニホールド方式とは、固体酸化物形燃料電池のセパレータ等に燃料ガスと酸化剤ガスのガスの給排気孔をそれぞれ設け、これらの孔から各平板型単電池の各電極面にそれぞれのガスを給排気するようにしたものを称している。 FIG. 14 shows a conventional internal manifold type flat solid oxide fuel cell. In addition, the internal manifold system means that a gas supply / exhaust hole for a fuel gas and an oxidant gas is provided in a separator of a solid oxide fuel cell and the like, and each electrode surface of each flat cell is connected through these holes. It refers to the one that supplies and exhausts gas.
図に示す平板型固体酸化物形燃料電池100は、イットリアなどをドープしたジルコニア焼結体(YSZ)から成る平板型固体電解質102の両面に、それぞれ(La、Sr)MnO3 から成る空気極104と、NiO−YSZサーメットから成る燃料極106とを配置した平板型単電池108と、隣接する平板型単電池108同士を電気的に直列に接続し、平板型単電池108に燃料ガスと酸化剤ガスとを分配して供給するセパレータ110からなり、メッシュ状の金属115をセパレータ110と燃料極106との間に配置すると共に、セパレータ110と空気極104との間に接続層117を配置することによってセパレータ110と燃料極106、および空気極104とを導通させ、さらに側面にシール材119を設けることによって閉鎖させている。
そして、平板型固体酸化物形燃料電池100を交互に積層し、流路114からそれぞれ酸化剤ガスと燃料ガスを導入し、各平板型単電池108の空気極104及び燃料極106の面にこれら酸化剤ガスと燃料ガスをそれぞれ接触させることによって起電力を発生させ、直列に積層した固体酸化物形燃料電池100から出力するようになっている。
A flat solid
Then, the flat solid
このとき、上記セパレータ110の集電面は、機械加工等により平面に形成している野に対し、平板型単電池108は、製作時に生じた反りや歪みを有し、この歪みは材質等の関係から機械的な加工を行なって完全な平面に修正することが困難であることから、セパレータ110を平板型単電池108に取り付けた場合、平板型単電池108がセパレータ110の集電面と面全体で接触することができず、点接触となって良好な電気的な接続状態が得られないことがある。また、上記単電池108を複数積層した際、締め付けの荷重がセラミック製のセパレータ110を介して平板型単電池108にかかる構造であることから、温度変動により締め付け力が変化し荷重が過大になったときには、セパレータ110や平板型単電池108が破壊してしまうことがある。さらに、変形に対処するため平板型単電池108を電気的に接続させる導通用の金属115を強固にしなければならず、これによっても平板型単電池108に荷重がかかってしまい、熱応力等により平板型単電池108の破損等を引き起こすことが考えられる。
At this time, the current collecting surface of the
このような問題点を解決するため、凸部を持つ金属板を弾性的に空気極及び燃料極に接触させ、集電と同時にセルにかかる応力を緩和する燃料電池の集電構造が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
また、集電構造として、導電性フェルトを用いる方法が提案されている(例えば、特許文献2及び3参照)。
Further, a method using a conductive felt as a current collecting structure has been proposed (see, for example,
しかしながら、上記した従来の固体酸化物形燃料電池のスタック構造においては、一般に以下のような問題点がある。
(1)導電性セラミック等によるリジッドな集電ではスタックの熱分布による応力により セルが破損することがある。
(2)金属薄板を用いた弾性接触でもセルに応力がかかりセル破損に繋がることがある。
(3)上記のような集電構造では、セルが破損しないように強度を確保するために、セル を厚くする等の対策が必要となり、スタックが重く、大きくなる。
(4)導電性フェルトを押し付けるだけでは、熱によるフェルトの緻密化が進行しクッシ ョン性の低下、変形によって接触不良が発生することがある。
(5)導電性フェルトを押し付けるために弾性体を挿入する方法もあるが、SOFCの温 度環境下で安定に弾性を保持できる弾性体は非常に高価であり、またスタックの大型 化、重量増に繋がる。
However, the conventional solid oxide fuel cell stack structure generally has the following problems.
(1) Rigid current collection with conductive ceramics, etc., may damage the cell due to stress due to heat distribution in the stack.
(2) Even with elastic contact using a thin metal plate, stress may be applied to the cell, leading to cell damage.
(3) In the current collecting structure as described above, in order to ensure the strength so that the cell is not damaged, it is necessary to take measures such as thickening the cell, and the stack becomes heavy and large.
(4) If only the conductive felt is pressed, the felt is densified by heat, and the contact property may be deteriorated due to the deterioration of the cushioning property or deformation.
(5) Although there is a method of inserting an elastic body to press the conductive felt, an elastic body that can stably maintain elasticity under the temperature environment of SOFC is very expensive, and the stack is increased in size and weight. It leads to.
本発明は、従来の固体酸化物形燃料電池スタックの集電構造における上記課題に着目してなされたものであって、その目的とするところは、集電体の緻密化やずれによる集電体とセル、セパレータ相互の電気的な接続不良を防止することができ、良好な導通性を発揮する集電構造を備えた固体酸化物形燃料電池スタックと共に、このようなスタックを組込んだ固体酸化物形燃料電池を提供することにある。 The present invention has been made by paying attention to the above-described problems in the current collecting structure of a conventional solid oxide fuel cell stack, and the object of the present invention is to collect the current collector by densifying or shifting the current collector In addition to a solid oxide fuel cell stack with a current collecting structure that can prevent poor electrical connection between the cell and separator, and exhibit good electrical conductivity, solid oxide incorporating such a stack The object is to provide a physical fuel cell.
本発明者らは、上記目的を達成すべく、スタックの積層構造、集電体やセパレータの材料や形状、さらにはセルやセパレータとの間に形成する介在層などについて鋭意検討を重ねた結果、集電体と電極やセパレータの間を単に押し当てるだけではなく、互いに接合するようになすことによって上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに到った。 In order to achieve the above object, the present inventors have conducted extensive studies on the stack structure of the stack, the material and shape of the current collector and separator, and further the intervening layer formed between the cell and separator. The present inventors have found that the above-mentioned problems can be solved not only by pressing between the current collector and the electrodes and separators but also by joining them together, thereby completing the present invention.
すなわち、本発明の固体酸化物形燃料電池スタックは、固体酸化物電解質材料の両面に電極層をそれぞれ形成して成るセルと該セルを支持する支持部を有するセル板であって、上記支持部がセルとは別体構造のフレーム状をなしているフレーム支持型セル板、又は上記支持部を電解質が兼ねている電解質支持型セル板、又は上記支持部を一方の電極層が兼ねている電極支持型セル板と、両面に集電体が配置され、セル板の支持部に当接した状態で、上記集電体を介してセルの電極同士を電気的に接続するセパレータとを交互に積層して成るものであって、集電体とセルの電極の間及び集電体とセパレータの間を、例えば溶接や接着剤によって、あるいはろう材などの溶着層を介して物理的に強固に接合した構造を有し、本発明の固体酸化物形燃料電池は、本発明の上記燃料電池スタックを備えたことを特徴としている。
That is, the solid oxide fuel cell stack of the present invention is a cell plate having a support portion for supporting the cell and the cell obtained by forming respective electrode layers on both sides of the solid oxide electrolyte material, the support portion Is a frame-supporting cell plate having a frame shape separate from the cell, or an electrolyte-supporting cell plate in which the electrolyte also serves as the support portion, or an electrode in which one electrode layer also serves as the support portion Layers of support-type cell plates and separators that electrically connect the cell electrodes through the current collectors with current collectors arranged on both sides and in contact with the support portions of the cell plates The current collector and the cell electrode and between the current collector and the separator are physically and firmly joined, for example, by welding, an adhesive, or a welding layer such as a brazing material. The solid oxide form of the present invention Charge battery is characterized by comprising the fuel cell stack of the present invention.
本発明によれば、セルやセパレータ等スタック構成部品にひずみが発生したり、集電体に緻密化や変形が発生したりしたとしても、セパレータと集電体、集電体とセルの電極とが単に押し当てられただけの接触状態ではなく、互いに物理的に接合されていることから、安定した電気的導通を得ることができ、集電ロスが軽減され、電池出力を向上することができる。
また、集電体をセルに強く押し付ける必要がなく、セルにかかる応力を軽減することができ、そのためセルの破損が防止でき、スタックの信頼性が向上する。そして、セルにかかる応力が小さいことからセルを薄く、軽くすることができ、燃料電池スタックの軽量化、小型化が可能となり、このようなスタックを適用することによって、固体酸化物形燃料電池の単位容積当たり出力の向上が可能になる。
According to the present invention, even if a stack component such as a cell or a separator is distorted or a current collector is densified or deformed, the separator and the current collector, the current collector and the cell electrode Are not in contact with each other but are physically joined to each other, so that stable electrical conduction can be obtained, current collection loss can be reduced, and battery output can be improved. .
Further, it is not necessary to strongly press the current collector against the cell, and the stress applied to the cell can be reduced. Therefore, the cell can be prevented from being damaged, and the reliability of the stack is improved. Since the stress applied to the cell is small, the cell can be made thin and light, and the fuel cell stack can be reduced in weight and size. By applying such a stack, the solid oxide fuel cell The output per unit volume can be improved.
以下、本発明の固体酸化物形燃料電池スタックについて、さらに詳細に説明する。 Hereinafter, the solid oxide fuel cell stack of the present invention will be described in more detail.
本発明の固体酸化物形燃料電池スタックは、上記したように、複数のセル板と、両面に集電体を備えたセパレータとの交互積層構造を有し、集電体をセルの電極及びセパレータの両方に物理的に接合した集電構造を備えたものであって、集電体が単なる押し付けによって上記電極やセパレータと接触しているだけでなく、電極やセパレータと物理的に接合されているため、安定した電気的導通を確保することができる。
なお、本発明において、セル板とは、固体酸化物電解質を両電極で挟持して成る1個又は複数のセル(単セル)をセパレータ及び集電体と交互積層するのに便利なように、フレーム状の支持部によって支持した構造のものを意味し、上記支持部としては、セル構造と別体のもののみならず、電解質材料から成る支持基板の両面に電極層がそれぞれ形成されていて電解質が支持部を兼ねているもの(電解質支持型)や、電極材料(例えば燃料極材料)から成る支持基板上に電解質層及び他方の電極層(空気極層)が形成されていて電極が支持部を兼ねているもの(電極支持型)をも含むことになる。
As described above, the solid oxide fuel cell stack according to the present invention has an alternately laminated structure of a plurality of cell plates and a separator having current collectors on both sides, and the current collectors are cell electrodes and separators. The current collector has a current collecting structure physically bonded to both of the electrodes, and the current collector is not only in contact with the electrode or the separator by simple pressing but also physically bonded to the electrode or the separator. Therefore, stable electrical conduction can be ensured.
In the present invention, the cell plate is convenient for alternately laminating one or a plurality of cells (single cells) formed by sandwiching a solid oxide electrolyte between both electrodes with a separator and a current collector, This means that the structure is supported by a frame-shaped support part. The support part is not only a separate structure from the cell structure, but also has an electrode layer formed on both sides of a support substrate made of an electrolyte material. Has an electrolyte layer and the other electrode layer (air electrode layer) formed on a support substrate made of an electrode material (for example, a fuel electrode material) or an electrode material (for example, a fuel electrode material). (Electrode support type) is also included.
上記集電体としては、その柔軟性、弾力性、通電性、接合性などの点から金属フェエルトを使用することが望ましい。 As the current collector, its flexibility, elasticity, electric conductivity, has to desired to use a metal Feeruto in view of bondability.
ここで、「物理的に接合」とは、例えば、溶接や接着、ろう接などによる強固な接合を意味する。
溶接とは、被接合材同士を互いに溶け合わせて直接的に接合させるものであって、例えば集電体とセパレータとの接合に、抵抗溶接やレーザ溶接、スポットアーク溶接などを適用することができる。
Here, “physically joining” means strong joining by, for example, welding, adhesion, brazing or the like.
Welding is a process in which materials to be joined are melted together and joined directly. For example, resistance welding, laser welding, spot arc welding, or the like can be applied to joining a current collector and a separator. .
また、接着に用いる接着剤としては、導電性を備えたものであることが望ましく、例えばPtを主成分とする導電性ペーストを用いることができるが、このような導電性接着剤のみに制約されるものではない。 In addition, it is desirable that the adhesive used for bonding is conductive, and for example, a conductive paste mainly composed of Pt can be used. However, the adhesive is limited only to such a conductive adhesive. It is not something.
すなわち、セルの電極部と集電体、集電体とセパレータがそれぞれ十分に接触できていさえすれば、接着剤はかならずしも導電性を有している必要はない。また、接着剤はそれ自身でスタックの構造を形成しているものではなく、集電体が高温下においてその歪や変形等によって電極やセパレータから解離することを防止できる程度の接着強度があれば十分である。
さらに、導電性ペーストの成分としても、上記したPtのみに限定されるものではなく、それぞれの電極側の雰囲気下において導電性を有していればよく、Pd、Ag、Au、Ni、Ru、W、あるいはこれら金属の合金等を適用することができる。
That is, the adhesive does not necessarily have conductivity as long as the electrode portion of the cell and the current collector, and the current collector and the separator can sufficiently contact each other. The adhesive is not intended to form a structure of a stack itself, if the adhesive strength that can prevent the current collector dissociate from the electrode and the separator by the strain or deformation under high temperatures It is enough.
Furthermore, the component of the conductive paste is not limited to the above-described Pt, and it is sufficient that the conductive paste has conductivity in the atmosphere on the electrode side. Pd, Ag, Au, Ni, Ru, W or an alloy of these metals can be applied.
そして、上記した溶接及び接着に加えて、ろう接のように、通電処理や熱処理によって溶融し、電極と集電体、集電体とセパレータの間に充填され、凝固することによって両者を接合する金属を用いた溶着層によって物理的接合を行なうことも可能である。 And in addition to the welding and adhesion described above, like soldering, it is melted by energizing treatment or heat treatment, filled between the electrode and the current collector, between the current collector and the separator, and solidified to join them together. It is also possible to perform physical bonding with a weld layer using metal.
このような溶着層を形成する金属としては、被接合材、この場合には電極、集電体及びセパレータを構成する材料の融点よりも低く、当該固体酸化物形燃料電池の作動温度よりも高い融点を有していることが必要であって、一般にろう材と言われるもの、例えばPt、Ag、Au、Pd、Ni等の金属や、これら金属を主成分として含有する合金を使用することができ、可能であればAl、Si、Cr等のように、溶着層の表面に強固な酸化皮膜を形成する成分を含むものが望ましい。
さらには、Sn、Zn、Ga等のように、その酸化物が電子伝導性を有する金属を含有していることも望ましく、これにより、溶着層がガス雰囲気(空気極側)によって酸化された場合でも導電性を保つことができるようになる。
The metal forming such a weld layer is lower than the melting point of the material to be joined, in this case, the electrode, current collector and separator, and higher than the operating temperature of the solid oxide fuel cell. It is necessary to have a melting point, and what is generally called a brazing material, for example, a metal such as Pt, Ag, Au, Pd, Ni, or an alloy containing these metals as a main component may be used. If possible, it is desirable to include a component that forms a strong oxide film on the surface of the weld layer, such as Al, Si, Cr, and the like.
Furthermore, it is also desirable that the oxide contains a metal having electron conductivity, such as Sn, Zn, Ga, etc., so that the welded layer is oxidized by the gas atmosphere (air electrode side). However, it becomes possible to maintain conductivity.
このような溶着層は、例えばスパッタリング法やEB蒸着などのPVD(物理気相蒸着法)処理やめっきにより単層、あるいは多層に形成することができる。
なお、溶着層を多層構造とした場合には、表面側にのみPd等高価であるが耐酸化性に優れた材料を多く含む層を形成することで、安価でありながら耐酸化性に優れた接合層を得ることができる
Such a welding layer can be formed in a single layer or multiple layers by, for example, PVD (physical vapor deposition) processing such as sputtering or EB deposition or plating.
In addition, when the weld layer has a multilayer structure, it is inexpensive but excellent in oxidation resistance by forming a layer containing a large amount of material such as Pd that is expensive but excellent in oxidation resistance only on the surface side. Bonding layer can be obtained
上記したような接着剤、あるいは溶着層による集電体とセルの電極との接合においては、接着剤あるいは溶着層を電極全面に形成することなく、電極表面に網目状に形成することが望ましく、これによって電極へのガス供給が確保されることになる。
また、このとき電極中には、接着剤あるいは溶着層中に含まれる成分の少なくとも1種が含まれていることが望ましく、接着剤あるいは溶着層中に電極材料との共通成分が存在することによって、より強固な接合が可能になる。
In joining the current collector and the cell electrode by the adhesive as described above or the weld layer, it is desirable to form the mesh on the electrode surface without forming the adhesive or the weld layer on the entire surface of the electrode, This ensures gas supply to the electrode.
Further, at this time, it is desirable that the electrode contains at least one of the components contained in the adhesive or the welding layer, and the presence of a common component with the electrode material in the adhesive or the welding layer. , A stronger bond is possible.
なお、上記セパレータ素材として用いられる耐熱合金は、一般に高温下においてSi、Alなどの酸化皮膜を表面に形成することによってその耐熱性を向上するというメカニズムを有しているが、このような酸化皮膜は、接触部における電気抵抗増大要因となる。
これに対し、本願発明においては、電気的導通が必要となる接触部を接着剤(導電性ペースト)やろう材金属から成る溶着層で被覆することになるため、酸化皮膜の成長による接触抵抗の増大が防止されることになる。
The heat-resistant alloy used as the separator material generally has a mechanism of improving its heat resistance by forming an oxide film such as Si or Al on the surface at high temperatures. Becomes a factor of increasing electrical resistance in the contact portion.
On the other hand, in the present invention, the contact portion that requires electrical continuity is covered with a welded layer made of an adhesive (conductive paste) or brazing metal, so that the contact resistance due to the growth of the oxide film is reduced. The increase is prevented.
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。なお、本発明は、これらの実施例のみに限定されないことは言うまでもない。 Hereinafter, the present invention will be specifically described based on examples. Needless to say, the present invention is not limited to these examples.
(実施例1)
図1〜4は、本発明の第1の実施例を示すものであって、当該実施例に係わる固体酸化物形燃料電池スタック1は、図1(a)に示すように、電解質2aを支持基板とする電解質支持型燃料電池セルを備えたセル板2と、隣接するセル板2のセル間を電気的に接続すると共に、セル板2の燃料極2bと空気極2c間のガスを分離するセパレータ3と、上記セル板2のセルとセパレータ3の間を電気的に直列接続する集電体4とを多数枚交互に積層した構造を有している。
Example 1
1 to 4 show a first embodiment of the present invention, and a solid oxide
上記セル板2は、厚さ100μm、120mm角程度の大きさのものであって、支持基板である電解質2aの中央部に位置し、電極2b及び2cが形成されて発電に寄与する発電部(セル)と、スタック化した際に発電部を支えると共に、ガスシール部やガス流路を形成する支持部とから成るものであって、電解質2aの外周部がセルの支持部としても機能するようになっている。
そして、当該セル板2の支持部には、図2に示すように、4つのマニホールド、すなわち燃料ガス供給マニホールド2d、空気供給マニホールド2e、燃料ガス排気マニホールド2f、空気排気マニホールド2gが形成されている。
The
As shown in FIG. 2, four manifolds, that is, a fuel
電解質2aは、8mol%のイットリアを添加した安定化ジルコニア(YSZ)からなるものであって、上記のように支持部を兼ねている。発電部は100mm角程度であって、一方の面にNiO−YSZを主成分とする燃料極2b、他方の面にLSM(La1−XSrXMnO3)を主成分とする空気極2cが共に厚さ50μm程度の厚さに焼き付けられている。
そして、図2に示すように、これら両電極2b、2cの上には、貴金属、例えばPt粉末を主成分とする導電性ペースト(導電性接着剤)から成る接着層5が網目状に形成されている。
The
As shown in FIG. 2, an
セパレータ3は、図3に示すように、厚さ5mmの耐熱合金から成り、片側に深さ2mmの空気流路3a、他方側に同じく2mm深さの燃料流路3bを備え、さらに外周部の燃料電池セルの支持部と重なる部分には、同様に、燃料ガス供給マニホールド3d、空気供給マニホールド3e、燃料ガス排気マニホールド3f、空気排気マニホールド3gが形成され、上記セル板2の各マニホールド2d、2e、2f、2gにそれぞれ連通するようにしてある。
このセパレータ3と燃料電池セル板2を交互に積層することによって燃料電池スタック1を形成し、空気極2cの側に空気を、燃料極2bの側に空気を供給、排気するようになっている。
As shown in FIG. 3, the
A
そして、当該燃料電池スタック1においては、上記セル板2の電極2b、2cとセパレータ3を電気的に接続するために、集電体4をセルとセパレータ3の間にそれぞれ介在させている。
この集電体4は、例えば耐熱性に優れた耐熱金属の繊維を編みこんだ金属フェルトからなるものであって、セパレータ3と集電体4の間、及び集電体4とセル電極2b、2cの間は、導電性を備えていることが望ましいことから、上記したように、Pt粉を主成分とし、耐熱性を有する接着剤である導電性ペーストからなる接着層5、6によって、図1(b)に示すような状態に接合されている。
In the
The
次に、図4(a)〜(e)に基づいて、上記した固体酸化物形燃料電池スタック1の作製要領について説明する。
Next, a manufacturing procedure of the above-described solid oxide
まず電解質材料、この例では8YSZのスラリーを用いて、ドクターブレード法によってグリーンシートを作製し、所定の大きさに切り出すと共に、各マニホールドを形成するための穴あけ加工を行い、その後焼成処理を施すことによって、厚さ100μm程度の電解質基板(電解質)2aを作製する。
次いで、図4(a)に示すように、この基板2aの表裏面上にそれぞれ燃料極材料及び空気極材料をスクリーン印刷にて塗布したのち、焼成することによって燃料極2b及び空気極2cを形成し、セル板2とする。
First, using an electrolyte material, in this example, 8YSZ slurry, a green sheet is produced by the doctor blade method, cut into a predetermined size, drilled to form each manifold, and then fired. Thus, an electrolyte substrate (electrolyte) 2a having a thickness of about 100 μm is produced.
Next, as shown in FIG. 4A, the fuel electrode material and the air electrode material are applied to the front and back surfaces of the
次に、図4(b)に示すように、上記燃料極2b及び空気極2cの上に、導電性ペーストをスクリーン印刷によって網目状に塗布し、接着層5を形成する。この時のペーストの塗布幅(網目幅)は、電極内でのガス拡散を疎外しない程度、すなわち電極層の厚さの2倍程度以下とすることが望ましい。
Next, as shown in FIG. 4B, a conductive paste is applied in a mesh pattern by screen printing on the
一方、セパレータ3は、上記したように耐熱金属を用いて、切削加工やプレス加工、エッチング加工等によって、図3及び図4(c)に示すような形状に作製するが、製法については特に限定されない。
そして、図4(d)に示すように、得られたセパレータ3に対しても、集電体4と接触する面に導電性ペーストを塗布し、接着剤層6を形成しておく。
On the other hand, the
And as shown in FIG.4 (d), with respect to the obtained
そして最後に、セル板2、セパレータ3、及び図4(e)に示す集電体4を積層した後、例えば800℃程度で熱処理を施し、導電性ペーストを焼き付けることによって、集電体4をセル板2のセル及びセパレータ3の両方に物理的に接合することによって、図4(f)に示すように、固体酸化物形燃料電池スタック1が得られる。
And finally, after laminating the
この実施例1においては、セル板2の電極2b、2cと集電体4、集電体4とセパレータ3が導電性の接着剤で接続されていることから、スタック構成部品2、3にひずみが発生し、集電体4が変形したとしても、安定な電気的導通が得られ、集電ロスを軽減いて電池出力を向上することができる。また、集電体をセルに強く押し付けなくても電気的導通が安定に得られることから、各部材を薄肉、軽量化したとしてもスタックの信頼性を損なうことがなく、燃料電池スタックの軽量化、小型化を実現することができる。
In the first embodiment, since the
なお、上記実施例においては、セル電極2b、2c及びセパレータ3の上にそれぞれ接着層6及び5を形成する例を示したが、接着層の形成方法は、このような方法のみに限定されるものではなく、例えば集電体4の両面に接合材を塗布したり、集電体4を接着剤にディップしたりすることによって、集電体4の両面に接着層を形成することも可能である。
In the above-described embodiment, the example in which the
また、上記実施例においては、電解質支持型セルを備えたセル板2を用いた例を示したが、これに限定されるものではなく、電極支持型セルにも適用することが可能である。
図5は、上記実施例に電極支持型セルを適用した例を示すものであって、この例では、図5(a)及び(b)に示すように、電極(燃料極)支持型セルの外周部に、支持部として金属製のフレーム7を接合し、このセル板を上記実施例と同様に、図5(c)に示すように積層した状態で、図5(d)に拡大して示すように電極2cと集電体4、集電体4とセパレータ3とが接合されている。なお、上記支持部としてのフレーム7についても、ガス供給及び排気用のマニホールド7d、7e、7f、7gが形成されている。
Moreover, in the said Example, although the example using the
FIG. 5 shows an example in which an electrode supporting cell is applied to the above embodiment. In this example, as shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b), an electrode (fuel electrode) supporting cell is shown. A
(実施例2)
図6及び7は、本発明の第2の実施例を示すものであって、当該実施例に係わる固体酸化物形燃料電池スタック1においては、図6(a)〜(c)に示すように、耐熱金属フェルトからなる集電体4の全体にPt合金をコーティングすることによって、集電体繊維の表面に溶着層8を形成し、この溶着層8を介して集電体4が電極2b、2c及びセパレータ3に接合されていることにおいて、上記第1実施例と相違している。
この実施例においては、図7に示すように、繊維表面に溶着層8があらかじめコーティングされた状態の集電体4を使用するようにしているので、そのままセパレータ3とセル板2の間に積層した状態で、熱処理をするだけで、溶着層8が溶融して電極2b、2c及びセパレータ3との間に入り込み、図6(c)に示すようにそれぞれの部品間を接合することができ、工程の簡素化をはかることができる。また、集電体4を構成する繊維同士の接触部においても接合がなされ、集電体4の内部においても良好な電気的接続点が増加することになり、集電体自身の電気的抵抗を低減する効果をも得ることができる。
(Example 2)
6 and 7 show a second embodiment of the present invention. In the solid oxide
In this embodiment, as shown in FIG. 7, since the
上記コーティングは、スパッタリング法やEB蒸着等のPVD処理、あるいはめっき等によって行なうことができ、特に電解メッキを用いた場合には、その特性から集電体4の外周部に厚く成膜される傾向があるため、セパレータ4や電極2b、2cとの接合部に効率的に溶着層8を形成することができる。
The coating can be performed by PVD treatment such as sputtering or EB vapor deposition, or plating. Especially, when electrolytic plating is used, a thick film tends to be formed on the outer peripheral portion of the
(実施例3)
図8は、本発明の第3の実施例を示すものであって、当該実施例においては、セル電極、例えば空気極2cの中に、耐熱性を有しかつ上記溶着層8にも含まれている金属であるPt粉末を分散させたものであって、これ以外は上記実施例2と基本的に同じである。
このように、電極中により電子伝導性の高い金属粉が分散されることによって、電極中の電子伝導性が向上すると共に、集電体4と電極2c間の接合に金属−金属の接合が介在することになり、電気抵抗が低く、かつ強固な接合が可能になる。
(Example 3)
FIG. 8 shows a third embodiment of the present invention. In this embodiment, the cell electrode, for example, the
As described above, by dispersing the metal powder having higher electron conductivity in the electrode, the electron conductivity in the electrode is improved, and a metal-metal bond is interposed between the
なお、上記した各実施例においては、集電体4とセパレータ3の接合、および集電体4とセル電極2b、2cの接合は同じ手法を用いた例を示したが、必ずしも同じ接合方法を適用する必要はなく、材質や形状を考慮した最適の接合方法を採用することができる。
In each of the above-described embodiments, the same method is used for joining the
(実施例4)
図9及び10は、本発明の第4の実施例を示すものであって、当該実施例においては、図9に示すように、セパレータ3と集電体4とが溶接によって接合され、集電体4と電極2b、2cの間が実施例1と同様に、導電性ペーストによって接合されている。
Example 4
9 and 10 show a fourth embodiment of the present invention. In this embodiment, the
図10は、その作製手順を示すものであって、この例ではまず、セパレータ3と集電体4とを例えばスポットによって溶接する。このとき、セパレータ3及び集電体4の接触面全体を溶接しても構わないが、それぞれの電気的抵抗が低いことから、スポット状の溶接でもスタックの集電抵抗への影響はほとんどない。また、セル板2と集電体4の接合については、第1の実施例と同様に、電極2b及び2cの表面に導電性ペーストをスクリーン印刷によって網目状に塗布して接着層5を形成したのち、これらを同様に積層し、熱処理を施して集電体4の接合を図る。
FIG. 10 shows the production procedure. In this example, first, the
この実施例においては、セパレータ3と集電体4という導電性部品同士を溶接という平易な技術により接合することによって、安価に燃料電池スタック1を作製することが可能となる。また、この実施例では、電極2b、2cとセパレータ3との接合は、接着剤を用いているがこれに限定されるものではなく、実施例2に示したように溶着層8を介して接合しても同様の効果が得られる。
このとき、ろう材金属から成る溶着層をセパレータ3の側に形成することもでき、セパレータ3と集電体4の両接合面に溶着層を形成しておくことも、必要に応じて望ましい。
In this embodiment, the
At this time, a weld layer made of brazing metal can be formed on the
(参考例)
図11〜13は、本発明の参考例を示すものである。当該実施例では、カソード(空気極)側集電構造が空気極、金属支持体、集電体が溶着層により電気的に接続され、かつ集電体がセパレータに溶接された構造となっている点が第1の実施例と相違している。
この参考例において、セル板2は、図11(a)及び(b)に示すように、4個の単セルを支持部である金属フレーム7の上に搭載すると共に、導電性接着剤から成る接着層5によってカソード電極(空気極2c)を金属フレーム7に導通させている。
( Reference example)
11 to 13 show reference examples of the present invention. In this embodiment, the cathode (air electrode) side current collecting structure has a structure in which the air electrode, the metal support, and the current collector are electrically connected by the weld layer, and the current collector is welded to the separator. This is different from the first embodiment.
In this reference example, as shown in FIGS. 11 (a) and 11 (b), the
図12に示すように、セパレータ3の表面には、柱状を成す集電体10の一端側が溶接によって接合されており、上記金属フレーム7のカソード側面とセパレータ3に接合された上記集電体10の間は、図13に示すように、導電性接着剤から成る接着層5により接合されている。
また、セルのアノード電極(燃料極2b)とセパレータ3の間には、金属フェルトから成る集電体4が挟持されており、図示しない導電性接着剤によって接合されている。
As shown in FIG. 12, one end of a columnar
A
一般に、高温酸化雰囲となるカソード電極2cの側では、そのような条件下で柔軟性と接続部の電気抵抗を両立できる材料としては、貴金属を主成分とする金属等特殊な材料に限定され、おのずと高価なものになってしまう。しかし、当該実施例によれば、このような高価な集電材料に換えて、上記集電体10として安価な耐酸化性の低い材料を使用することが可能となる。また、電気的抵抗を低減するために太いワイヤなど、剛性の高い部材を使用したとしてもセルへの応力は少なく、割れ、破損等の発生を防止することができる。
In general, on the side of the
1 固体酸化物形燃料電池スタック
2 セル板
2a 電解質(支持部)
2b 燃料極
2c 空気極
3 セパレータ
4 集電体
5 接着層
6 接着層
7 フレーム(支持部)
8 溶着層
9 金属粉
10 集電体
1 Solid oxide
8 Welding layer 9
Claims (16)
両面に集電体が配置され、セル板の支持部に当接した状態で、上記集電体を介してセルの電極同士を電気的に接続するセパレータを備えた固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、
上記集電体が上記セルの電極及びセパレータに物理的に接合されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池スタック。 A cell plate having a cell formed by forming electrode layers on both sides of a solid oxide electrolyte material and a support part for supporting the cell, wherein the support part has a frame shape separate from the cell. A frame-supporting cell plate, or an electrolyte-supporting cell plate in which the electrolyte also serves as the support portion, or an electrode-supporting cell plate in which one electrode layer also serves as the support portion ;
In a solid oxide fuel cell stack provided with a separator in which current collectors are arranged on both surfaces and in contact with a support portion of a cell plate, the electrodes of the cells are electrically connected via the current collector ,
A solid oxide fuel cell stack, wherein the current collector is physically joined to the electrode and separator of the cell.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004183762A JP4666279B2 (en) | 2004-06-22 | 2004-06-22 | Solid oxide fuel cell stack and solid oxide fuel cell |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004183762A JP4666279B2 (en) | 2004-06-22 | 2004-06-22 | Solid oxide fuel cell stack and solid oxide fuel cell |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2006012453A JP2006012453A (en) | 2006-01-12 |
JP4666279B2 true JP4666279B2 (en) | 2011-04-06 |
Family
ID=35779471
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2004183762A Expired - Fee Related JP4666279B2 (en) | 2004-06-22 | 2004-06-22 | Solid oxide fuel cell stack and solid oxide fuel cell |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4666279B2 (en) |
Families Citing this family (15)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5192654B2 (en) * | 2006-04-11 | 2013-05-08 | 日本発條株式会社 | Method for producing electrode for fuel cell |
JP2008066296A (en) * | 2006-08-10 | 2008-03-21 | Ngk Insulators Ltd | Electrochemical device |
JP5270115B2 (en) * | 2007-06-22 | 2013-08-21 | 日本特殊陶業株式会社 | Solid oxide fuel cell |
JP5353160B2 (en) * | 2007-09-28 | 2013-11-27 | 大日本印刷株式会社 | Method for producing solid oxide fuel cell |
JP5181600B2 (en) * | 2007-09-28 | 2013-04-10 | 大日本印刷株式会社 | Solid oxide fuel cell, stack structure of solid oxide fuel cell, and manufacturing method of solid oxide fuel cell |
JP5242985B2 (en) * | 2007-10-15 | 2013-07-24 | 日本特殊陶業株式会社 | Solid oxide fuel cell |
JP5327712B2 (en) * | 2009-06-25 | 2013-10-30 | 日産自動車株式会社 | Solid oxide fuel cell |
JP5608588B2 (en) * | 2011-03-07 | 2014-10-15 | 日本特殊陶業株式会社 | Solid oxide fuel cell |
JP6519352B2 (en) * | 2014-12-04 | 2019-05-29 | 株式会社村田製作所 | Fuel cell unit |
WO2016140111A1 (en) * | 2015-03-02 | 2016-09-09 | 株式会社 村田製作所 | Fuel cell unit |
WO2017002264A1 (en) * | 2015-07-02 | 2017-01-05 | 日産自動車株式会社 | Solid oxide fuel cell and method for manufacturing same |
JP6805528B2 (en) * | 2016-04-07 | 2020-12-23 | 日産自動車株式会社 | Fuel cell single cell and fuel cell stack |
JP7145844B2 (en) | 2017-03-31 | 2022-10-03 | 大阪瓦斯株式会社 | ELECTROCHEMICAL DEVICE, ELECTROCHEMICAL MODULE, SOLID OXIDE FUEL CELL, AND MANUFACTURING METHOD |
JP7070017B2 (en) * | 2018-04-19 | 2022-05-18 | 日産自動車株式会社 | How to reinforce the cell unit and metal support cell |
CA3181738A1 (en) * | 2021-11-12 | 2023-05-12 | Bloom Energy Corporation | Fuel cell column including stress mitigation structures |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH03171562A (en) * | 1989-10-23 | 1991-07-25 | Asea Brown Boveri Ag | Element arrangement for current conduction of ceramic high-temperature fuel cell |
JPH03184268A (en) * | 1989-10-12 | 1991-08-12 | Asea Brown Boveri Ag | Component disposition for current conduction of ceramic high temperature fuel cell |
JP2002203579A (en) * | 2000-12-28 | 2002-07-19 | Mitsubishi Materials Corp | Fuel cell |
JP2003263994A (en) * | 2002-03-11 | 2003-09-19 | Mitsubishi Materials Corp | Solid electrolyte fuel cell |
-
2004
- 2004-06-22 JP JP2004183762A patent/JP4666279B2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH03184268A (en) * | 1989-10-12 | 1991-08-12 | Asea Brown Boveri Ag | Component disposition for current conduction of ceramic high temperature fuel cell |
JPH03171562A (en) * | 1989-10-23 | 1991-07-25 | Asea Brown Boveri Ag | Element arrangement for current conduction of ceramic high-temperature fuel cell |
JP2002203579A (en) * | 2000-12-28 | 2002-07-19 | Mitsubishi Materials Corp | Fuel cell |
JP2003263994A (en) * | 2002-03-11 | 2003-09-19 | Mitsubishi Materials Corp | Solid electrolyte fuel cell |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2006012453A (en) | 2006-01-12 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4666279B2 (en) | Solid oxide fuel cell stack and solid oxide fuel cell | |
JP4027836B2 (en) | Method for producing solid oxide fuel cell | |
JP4811622B2 (en) | Solid oxide fuel cell | |
KR102072374B1 (en) | Electrochemical reaction unit and fuel cell stack | |
JP5093833B2 (en) | Single cell for fuel cell | |
JP5679893B2 (en) | Solid oxide fuel cell and method for producing the same | |
JP5242985B2 (en) | Solid oxide fuel cell | |
JP6336382B2 (en) | Single cell with separator, fuel cell stack, and manufacturing method of single cell with separator | |
JP6020413B2 (en) | Terminal plate and fuel cell for fuel cell | |
JP6199697B2 (en) | Fuel cell single cell with separator, fuel cell stack, and manufacturing method thereof | |
JP2010021038A (en) | Solid oxide fuel cell stack | |
JP5727428B2 (en) | Fuel cell with separator and fuel cell | |
JP4462050B2 (en) | Solid oxide fuel cell | |
JPH1167247A (en) | Solid electrolyte fuel cell | |
JP2010073631A (en) | Fuel cell power generation unit and fuel cell stack | |
JP4123479B2 (en) | Single cell for fuel cell, method for producing the same, and solid oxide fuel cell | |
JP6781188B2 (en) | Electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack | |
JP5170815B2 (en) | Solid oxide fuel cell unit and stack | |
US20100081026A1 (en) | Cassettes for solid-oxide fuel cell stacks and methods of making the same | |
JP5727431B2 (en) | Fuel cell with separator and fuel cell | |
JP2016178022A (en) | Fuel cell stack | |
JP6805203B2 (en) | Electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack | |
JP5405200B2 (en) | Solid oxide fuel cell and method for producing the same | |
JP2010205534A (en) | Fuel cell power generation unit, and fuel cell stack | |
WO2016140111A1 (en) | Fuel cell unit |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20060925 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20090318 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20090326 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20090521 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20100727 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20100831 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20101005 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20101202 |
|
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: 20101220 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140121 Year of fee payment: 3 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 4666279 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20110102 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |