JP4953692B2 - Cell stack and fuel cell - Google Patents
Cell stack and fuel cell Download PDFInfo
- Publication number
- JP4953692B2 JP4953692B2 JP2006148576A JP2006148576A JP4953692B2 JP 4953692 B2 JP4953692 B2 JP 4953692B2 JP 2006148576 A JP2006148576 A JP 2006148576A JP 2006148576 A JP2006148576 A JP 2006148576A JP 4953692 B2 JP4953692 B2 JP 4953692B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- cell
- fuel
- current collecting
- fuel cell
- layer
- 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、複数の燃料電池セル間にそれぞれ集電部材を介装し、複数の燃料電池セルを電気的に接続してなるセルスタック及び燃料電池に関する。 The present invention relates to a cell stack and a fuel cell in which a current collecting member is interposed between a plurality of fuel cells, and the plurality of fuel cells are electrically connected.
一般に、固体電解質形燃料電池は、収容ケース内にセルスタックが配設されて構成されている。セルスタックは、複数の燃料電池セルを一列に配列させ隣り合う燃料電池セル同士の間に集電部材を設けることにより燃料電池セル同士を電気的に接続している。 In general, a solid oxide fuel cell is configured with a cell stack disposed in a housing case. The cell stack electrically connects fuel cells by arranging a plurality of fuel cells in a row and providing a current collecting member between adjacent fuel cells.
従来の集電部材は、比較的剛性のある構造であったが、燃料電池セルの熱応力等による反り変形に対する追従性がなく集電部材と燃料電池セルとの接着部が剥離しやすかったため、弾性を有する比較的柔軟な構造の集電部材が用いられるようになった。 Although the conventional current collecting member has a relatively rigid structure, the adhesive portion between the current collecting member and the fuel battery cell is easy to peel off because there is no followability to warp deformation due to the thermal stress of the fuel battery cell. A current collecting member having elasticity and a relatively flexible structure has come to be used.
図8は、比較的柔軟な構造をもつ集電部材の幾つかの従来例を示す平面図である。図8では、2つの燃料電池セル30の間に従来の集電部材101〜103が挿入設置された状態を示している。概略的に示す燃料電池セル30は、対向する一対の平坦側面を具備する柱状であり、ガス透過性のある導電性支持体32の内部に軸方向に沿って複数の反応ガス通路31が穿設されている。反応ガス通路31には第1の反応ガスが供給される。
FIG. 8 is a plan view showing some conventional examples of current collecting members having a relatively flexible structure. FIG. 8 shows a state in which conventional current collecting
図示しないが、導電性支持体32の一方の平坦側面上には内側電極、固体電解質、外側電極が順次積層され、他方の平坦側面上には、導電性セラミックスからなるインターコネクタ(内側電極と導通)が積層されている。従って、集電部材101〜103は、一方の燃料電池セル30の外側電極及び他方の燃料電池セル30のインターコネクタに対して電気的に接触している。通常、集電部材と各燃料電池セルの平坦側面の間を導電性接着剤で接着することにより固着強度を高めると共に電気抵抗を低減している。なお、燃料電池セル30の外側電極に対しては、その周囲から第2の反応ガスが供給される。従って、集電部材は、燃料電池セルに対する第2の反応ガスの流れを妨げない構造とする必要がある。
Although not shown, an inner electrode, a solid electrolyte, and an outer electrode are sequentially stacked on one flat side surface of the
図8(a)は、燃料電池セル30の軸方向(長さ方向)に垂直な断面がU字形の集電部材101を示す図である。断面U字形の集電部材は弾性を有するため、熱変形等による燃料電池セル間の距離の変動に対する追従性は良好であり、それによる接着部の応力発生は低減された。しかしながら、燃料電池セルの長さ方向の伸縮に対する追従性は劣るために、軸方向についての応力低減効果は十分ではなかった。
FIG. 8A is a diagram showing a current collecting
図8(b)は、同じく断面がZ字形の集電部材102を示す図である。断面Z字形の集電部材もまた弾性を有しており、燃料電池セル間の距離変動及び長さ方向の伸縮の双方に対して集電部材にかかる応力を低減する効果がある。しかしながら、Z字形は、燃料電池セルの幅方向において非対称な形状であるため、燃料電池セル間の距離が広くなると集電部材が軸周りに回転するようにずれやすい。その結果、接着強度の低下や剥離を生じていた。
FIG. 8B shows the
さらに、集電部材におけるU字形やZ字形の構造の欠点は、曲げ加工の仕上がりすなわち曲げ角度にバラツキがあるために、平行であるべき部位(燃料電池セルの平坦側面に対して当接する部位)が平行とならない場合がある点である。そのような集電部材を燃料電池セル間に挿入して燃料電池セルスタックの両端に固定のための圧力を負荷しても、集電部材が十分に弾性変形しない。その結果、集電部材と燃料電池セルとの密着性が損なわれる。 Further, the disadvantage of the U-shaped or Z-shaped structure of the current collecting member is that there is variation in the bending finish, that is, the bending angle, so that the portion should be parallel (the portion that contacts the flat side surface of the fuel cell). Is not parallel. Even when such a current collecting member is inserted between the fuel cells and a fixing pressure is applied to both ends of the fuel cell stack, the current collecting member does not sufficiently elastically deform. As a result, the adhesion between the current collecting member and the fuel battery cell is impaired.
図8(c1)は、さらに別の集電部材103を示す図である。図8(c2)は、その部分斜視図である。集電部材103は、断面が平坦な筒形状であり両端部113a、113bが接合された形状であるが、平坦な側面は、2枚の帯状片111、112が交互に突出して、それぞれが燃料電池セル30の平坦側面に当接する。
FIG. 8 (c <b> 1) is a diagram showing still another current collecting
特許文献1に開示された導電性の相互接続部材は、所定の間隔を空けた複数の面部材を燃料電池セル面に平行となるように2つのセル間に配置しており、各面部材に突出部分と窪み部分を加工することで通気性を確保している。
In the conductive interconnect member disclosed in
特許文献2に開示された集電部材は、燃料電池セルの長さ方向と平行に延びる1つの帯状体を中央に配置し、その両側長辺から複数の断面略U字状の集電片がセルの幅方向端部へ向かって突出した形態である。
図8(a)、(b)に示した集電部材101、102では、セル間に集電部材の一部が存在しており、セル間のガス流通を邪魔し、燃料電池セルの外側電極に反応ガスを十分に供給することができないという問題があった。
In the current collecting
また、図8(c1)及び(c2)に示した集電部材103は、その中央部分は十分な弾性があり追従性が良好であるが、両端が長さ方向において完全に接合されているために軸方向の伸縮性が阻害される。
Further, the current collecting
特許文献1の相互接続部材は、面部材に突出と窪みを設けた3次元構造であるため剛性部材に近く、セル間の距離変動及び長さ方向の伸縮のいずれについても追従性に劣ると考えられる。
The interconnect member of
特許文献2の集電部材も、軸方向に背骨のような帯状体が存在するために長さ方向の伸縮性が阻害される。
The current collecting member of
本発明は、セル間距離の変動及びセルの長さ方向の伸縮に対して十分に追従できる柔軟性を有し、かつセルの外側電極へ反応ガスを十分に供給できるセルスタック及び燃料電池を提供することを目的とする。 The present invention provides a cell stack and a fuel cell that have sufficient flexibility to follow fluctuations in the distance between cells and expansion and contraction in the length direction of the cell, and can sufficiently supply a reaction gas to the outer electrode of the cell. The purpose is to do.
本発明のセルスタックは、対向する一対の平坦側面を具備する柱状の固体電解質形燃料電池セルを複数個配列させ、隣り合う前記燃料電池セル間を集電部材により電気的に接続したセルスタックにおいて、前記集電部材が、前記燃料電池セルのセル幅方向に所定間隔を置いて平行に、かつ前記燃料電池セルのセル長さ方向に延設された一対の保持部材と、該一対の保持部材に、前記セル長さ方向に所定間隔を置いて掛け渡され連結された複数の連結帯と、該連結帯に複数設けられ前記セル長さ方向に延設された前記燃料電池セルの平坦側面に接合する複数の接合帯とを具備するとともに、前記保持部材は、前記連結帯間が、一方の前記燃料電池セルの平坦側面から他方の前記燃料電池セルの平坦側面に延設された第1傾斜部と、他方の前記燃料電池セルの平坦側面から一方の前記燃料電池セルの平坦側面に延設された第2傾斜部とを具備し、前記第1傾斜部及び前記第2傾斜部に折曲部を形成し、前記連結帯及び前記接合帯が対向する前記燃料電池セルの平坦側面に交互に接合していることを特徴とする。 The cell stack of the present invention is a cell stack in which a plurality of columnar solid electrolyte fuel cells each having a pair of opposed flat side surfaces are arranged and the adjacent fuel cells are electrically connected by a current collecting member. A pair of holding members in which the current collecting member extends in parallel with a predetermined interval in the cell width direction of the fuel cell and in the cell length direction of the fuel cell, and the pair of holding members A plurality of connecting bands that are spanned and connected at predetermined intervals in the cell length direction, and a flat side surface of the fuel cell that is provided in the connecting band and extends in the cell length direction. A plurality of joining bands to be joined, and the holding member includes a first inclined portion extending from the flat side surface of one of the fuel cells to the flat side surface of the other fuel cell. And the other said fuel A second inclined portion extending from the flat side surface of the battery cell to the flat side surface of one of the fuel cells, forming a bent portion in the first inclined portion and the second inclined portion, and connecting The bands and the joining bands are alternately joined to the flat side surfaces of the fuel cells facing each other.
このようなセルスタックでは、保持部材の第1傾斜部及び第2傾斜部に折曲部を形成したため、セル長さ方向への動きが強固に束縛されることがなく、燃料電池セルの熱応力等によるセル長さ方向の伸縮に対して非常に良好な追従性を有する。 In such a cell stack, since the bent portions are formed in the first inclined portion and the second inclined portion of the holding member, the movement in the cell length direction is not strongly restricted, and the thermal stress of the fuel cell It has very good followability to expansion and contraction in the cell length direction due to the like.
また、第1傾斜部と第2傾斜部により、対向する燃料電池セルの平坦側面同士の電気的接続が確保される一方、第1傾斜部と第2傾斜部はセル長さ方向に形成されるため、第1傾斜部と第2傾斜部を長く形成することができ、これにより燃料電池セル間の距離変動に対する良好な追従性が確保される。 In addition, the first inclined portion and the second inclined portion ensure electrical connection between the flat side surfaces of the opposed fuel cells, while the first inclined portion and the second inclined portion are formed in the cell length direction. For this reason, the first inclined portion and the second inclined portion can be formed long, thereby ensuring good followability to the variation in distance between the fuel cells.
さらに、一方の燃料電池セルに接合する集電部材の接合帯と、他方の燃料電池セルに接合する集電部材の接合帯と、一対の保持部材とで、何ら遮るものがないガス通路が形成され、反応ガスの通気性が確保される。 Furthermore, a gas passage without any obstruction is formed by the joining band of the current collecting member joined to one fuel battery cell, the joining band of the current collecting member joined to the other fuel battery cell, and the pair of holding members. Thus, the gas permeability of the reaction gas is ensured.
即ち、ガス供給不足を顕著に生じさせない為にはセル間ピッチを大きくする必要があるが、セル間ピッチを大きくすると発電モジュールが大型化し、エネルギー効率の向上を阻害する要因となる。一方、発電モジュールを小型化し、エネルギー効率を向上するためには、セル間ピッチを小さくすることが望ましいが、セル間ピッチを小さくすると、図8(b)に示すように、集電部材に、燃料電池セルの幅方向にセル間を横切る部分が形成される等の理由で、反応ガスの通気性が妨げられる。しかしながら、本発明では、集電部材の接合帯、保持部材との間には、セル間を横切るものがないガス通路が形成されるため、セル間ピッチを狭めても、反応ガスのガス通路を確実に形成できるため、通気性が確保され、この結果、発電モジュールを小型化し、エネルギー効率を向上できる。 That is, it is necessary to increase the inter-cell pitch in order not to cause a remarkable gas supply shortage. However, increasing the inter-cell pitch increases the size of the power generation module, which hinders improvement in energy efficiency. On the other hand, in order to reduce the size of the power generation module and improve the energy efficiency, it is desirable to reduce the inter-cell pitch. However, when the inter-cell pitch is reduced, as shown in FIG. For example, a portion that crosses between the cells is formed in the width direction of the fuel cell, so that the gas permeability of the reaction gas is hindered. However, in the present invention, a gas passage that does not cross between the cells is formed between the junction band of the current collecting member and the holding member. Since it can be reliably formed, air permeability is ensured. As a result, the power generation module can be downsized and energy efficiency can be improved.
また、本発明のセルスタックは、前記燃料電池セル間を前記セル長さ方向に流れるガスが、前記燃料電池セルの外側電極側に向けて流れるように、前記接合帯のガス下流側が前記外側電極側に向けて折曲されていることを特徴とする。このようなセルスタックでは、ガス通路を通過する反応ガスを、十分に外側電極側に向けて供給することができ、発電性能を向上できる。 In the cell stack of the present invention, the gas downstream side of the joining zone is the outer electrode so that the gas flowing between the fuel cells in the cell length direction flows toward the outer electrode side of the fuel cell. It is bent toward the side. In such a cell stack, the reaction gas passing through the gas passage can be sufficiently supplied toward the outer electrode side, and the power generation performance can be improved.
本発明の燃料電池は、上記セルスタックを収納ケース内に収納してなることを特徴とする。このような燃料電池では、小型化及びエネルギー効率を向上できる。 The fuel cell of the present invention is characterized in that the cell stack is housed in a housing case. Such a fuel cell can be reduced in size and energy efficiency.
本発明のセルスタックでは、集電部材のセル長さ方向への動きが強固に束縛されることがなく、燃料電池セルの熱応力等によるセル長さ方向の伸縮に対して非常に良好な追従性を有するとともに、集電部材は燃料電池セル間の距離変動に対する良好な追従性を確保でき、しかも、一方の燃料電池セルに接合する集電部材の接合帯と、他方の燃料電池セルに接合する集電部材の接合帯と、一対の保持部材とで、何ら遮るものがないガス通路を形成でき、反応ガスの通気性を確保できる。 In the cell stack of the present invention, the movement of the current collecting member in the cell length direction is not strongly restricted, and very good follow-up of the expansion and contraction in the cell length direction due to the thermal stress of the fuel cell. In addition, the current collecting member can ensure good followability with respect to the variation in the distance between the fuel cells, and the current collecting member is joined to one fuel cell and the other fuel cell. A gas passage without any obstruction can be formed by the joining band of the current collecting member and the pair of holding members, and the air permeability of the reaction gas can be ensured.
図1は、本発明のセルスタックの一部を示す一部断面図であり、隣り合う2つの燃料電池セル30とその間に設けられた集電部材10の一実施形態を示している。図2は、図1(a)のa−a線に沿った方向から見た平面図、図3は図1の側面図、図4は集電部材の斜視図である。
FIG. 1 is a partial cross-sectional view showing a part of a cell stack of the present invention, and shows one embodiment of two
概略的に示す燃料電池セル30は中空平板状であり、対向する一対の平坦側面を具備する扁平な柱状である。図1の紙面に垂直な方向が燃料電池セル30の軸方向(長さ方向H)であり、図1の上下方向を燃料電池セル30の幅方向Bとする。ガス透過性のある導電性支持体32の内部には、軸方向に沿って複数の反応ガス通路31が穿設されている。反応ガス通路31には第1の反応ガス(例えば水素リッチな燃料ガス)が供給される。
The
図1には図示しないが、導電性支持体32の一方の平坦側面上には燃料極層、固体電解質、酸素極層の薄膜層が順次積層され、他方の平坦側面上には、導電性セラミックスからなるインターコネクタ(燃料極層と導通)、酸素極材料層の薄膜層が積層され、酸素極層、酸素極材料層が、燃料電池セルの平坦側面とされている。セルスタックは、複数の燃料電池セル30を一列に配列させて構成され、図1の左右方向がセルの配列方向となる。隣り合う2つの燃料電池セル30間において集電部材10は、一方の燃料電池セルの平坦側面である酸素極層と、他方の燃料電池セルの平坦側面である酸素極材料層(インターコネクタ)に対して電気的に接続されている。
Although not shown in FIG. 1, a fuel electrode layer, a solid electrolyte, and an oxygen electrode thin film layer are sequentially laminated on one flat side surface of the
セルスタックの中の隣り合う任意の2つの燃料電池セル30を、説明の便宜上、第1燃料電池セル(または単に「第1セル」)及び第2燃料電池セル(または単に「第2セル」)と称することとする。図1において、集電部材10は、燃料電池セルのセル幅方向Bに所定間隔を置いて平行に、かつ燃料電池セルのセル長さ方向Hに延設された一対の保持部材10aと、該一対の保持部材10aに、セル長さ方向Hに所定間隔を置いて掛け渡され連結された複数の連結帯10bと、該連結帯10bに複数設けられセル長さ方向に延設された複数の接合帯10cとを具備して構成されている。
Any two
即ち、第1セルの平坦側面に接合する連結帯10b、接合帯10cと、第1セルの一方の平坦側面から第2セルの他方の平坦側面へと傾斜して延びる保持部材10aの第1傾斜部10a1と、第2セルの他方の平坦側面から第1セルの一方の平坦側面へと傾斜して延びる第2傾斜部10a2と、第2セルの平坦側面に接合する連結帯10b、接合帯10cとを具備して構成されている。
That is, the connecting
保持部材10aには、第1傾斜部10a1と第2傾斜部10a2とが交互に形成され、第1傾斜部10a1と第2傾斜部10a2との間には、一対の保持部材10a間に連結帯10bが掛け渡され、連結帯10の両端が保持部材10aに連結されている。この第1傾斜部10a1及び第2傾斜部10a2には、図3に示すように、それぞれ2箇所ずつ折曲部25が形成され、これにより、燃料電池セルの厚み方向への集電部材10の伸縮を容易に行うことができるとともに、長さ方向への伸縮も容易となる。
In the holding
接合帯10cは、セル長さ方向に延設されており、その形状は矩形状とされている。また、対向する一対の保持部材10aの両端同士は、長さ方向端部材10dでそれぞれ連結され、保持部材10a及び長さ方向端部材10dにより矩形枠を構成している。長さ方向端部材10dには、連結帯10bに向けて接合帯10cが形成されている。集電部材10は、一枚の合金板をプレス加工して形成されている。
The joining
本発明では、集電部材10の保持部材10aの幅、厚みは適宜設定されるが、幅を細くし、または厚みを薄くすることにより、燃料電池セルの厚み方向への柔軟性、長さ方向への柔軟性が大きくなる。また、保持部材10aの折曲部の形成数、折曲部の角度等によっても燃料電池セルの厚み方向への柔軟性、長さ方向への柔軟性を変更できる。
In the present invention, the width and thickness of the holding
また、接合帯10cの形状は図示のような帯状が好適であるが、その帯幅及び厚さは適宜決定され、各連結帯10bの接合帯10cが必ずしも等しくなくともよい。さらに、燃料電池セルの長さ方向の場所によって、接合帯10cの帯幅、帯長さを変えてもよい。
In addition, the shape of the
本発明のセルスタックでは、接合帯10cが燃料電池セルの長さ方向Hに分割して、燃料電池セル30の平坦側面に接合され、長さ方向全体に亘って接合されていないため、また、保持部材10aの第1傾斜部10a1及び第2傾斜部10a2に折曲部25を形成したため、セル長さ方向Hへの動きが束縛されることがなく、燃料電池セルの熱応力等によるセル長さ方向の伸縮に対して非常に良好な追従性を有する。
In the cell stack of the present invention, the joining
また、第1傾斜部10a1及び第2傾斜部10a2により、対向する燃料電池セル30の電気的接続が確保される一方、第1傾斜部10a1及び第2傾斜部10a2はセル長さ方向に形成されるため、従来のように、セルの幅に規制されることなく、第1傾斜部10a1及び第2傾斜部10a2を長く形成することができ、これにより燃料電池セル間の距離変動に対する良好な追従性(燃料電池セルの厚み方向への追従性)が確保される。
Further, the first inclined portion 10a1 and the second inclined portion 10a2 ensure electrical connection between the
さらに、図1に示すように、一方の燃料電池セル30に接合する接合帯10cと、他方の燃料電池セル30に接合する集電部材10の接合帯10cと、一対の保持部材10aとで、燃料電池セル間をセル長さ方向Hに貫く、何ら遮るものがない反応ガス通路Aが形成され、反応ガスの通気性が確保される。これにより、セル間ピッチを狭めても、反応ガスのガス通路Aを確実に形成できるため通気性が確保され、この結果、発電モジュールを小型化し、エネルギー効率を向上できる。
Further, as shown in FIG. 1, a joining
図1の(b)、図3の(b)は、本発明のセルスタックの他の形態を示すもので、図1の(b)、図3の(b)に示すように、燃料電池セル30間をセル長さ方向Hに流れる酸素含有ガスを、燃料電池セル30の酸素極層側に向けて流れるように、接合帯10cのガス下流側が酸素極層側に向けて折曲され、折曲部10c1が形成されている。これにより、ガス通路Aを通過する酸素含有ガスを、十分に酸素極層側に向けて供給することができ、発電性能を向上できる。
1 (b) and 3 (b) show another embodiment of the cell stack of the present invention. As shown in FIGS. 1 (b) and 3 (b), a fuel cell unit is shown. The gas downstream side of the joining
図5、6は、集電部材10の燃料電池セル30への接合構造について詳細に示すもので、集電部材10は、Crを含有する合金からなる耐熱性合金(以下、集電基材という。)201の表面に、Znを含む材料からなる表面層202を設けて構成されている。ここで、表面層202は、Cr拡散防止層202aと被覆層202bとがこの順に集電基材201の表面に積層されるように構成される。
5 and 6 show in detail the structure for joining the current collecting
集電基材201としては、導電性及び耐熱性の高いCrを10〜30質量%含有する合金、例えばFe−Cr系合金、Ni−Cr系合金等が用いられる。また、Cr拡散防止層202aは、スピネル構造、コランダム構造、ウルツ鉱構造及び岩塩構造のうち少なくとも一種、またはこれらと類似の構造を持つ金属酸化物である。特に、Cr拡散防止層202aはZn−Mn系スピネルからなるもので、Fe、Cr等の元素を含有してもよい。Cr拡散防止層202aはZn−Mn系スピネル、例えば、(Zn,Mn)Mn2O4から形成される。ZnとMnを含む金属酸化物はCrを固溶しにくいために、Crの拡散を抑制する効果を有している。
As the current
Cr拡散防止層202aと被覆層202bとの界面に元素として亜鉛を含有する導電層が設けられているのでもよい。この導電層はZnOを含有するものであり、純粋なZnOは絶縁体であるが、Zn1+δOは陽イオン過剰型のn型半導体となり、価数の高い不純物元素を添加することによっても、n型の不純物半導体となる。ここで、ZnO中のZnは、+2価のイオンとなっているため、+3価以上のイオンとなる金属元素を固溶させることによって導電性が付与される。+3価以上のイオンとなる金属元素としては、特にAl、Feが望ましい。Al、Feを固溶させた酸化亜鉛からなる導電層は、大気中、発電温度近傍550℃〜900℃で、1S・cm−1以上の導電率を有することが好ましい。
A conductive layer containing zinc as an element may be provided at the interface between the Cr
被覆層202bは、燃料電池セルの酸素極層を構成する成分の少なくとも一部を含有するペロブスカイト構造の複合酸化物及び亜鉛酸化物を含有するもので、具体的にはLaとFe又はMnとを含有するペロブスカイト型複合酸化物及び亜鉛酸化物を含有する。さらに具体的には、酸素極層の形成等に用いられるペロブスカイト型複合酸化物、例えば、LaFeO3系、LaMnO3系と、ZnOから構成することができる。
The
このような被覆層202bは、酸素極層に用いられるLaFeO3系、LaMnO3系と、Cr拡散防止層202a、導電層に用いられるZnOを含有するため、被覆層202bが酸素極層と集電基材のCr拡散防止層202a、導電層との中間の熱膨張係数を有することになり、燃料電池セル30と集電部材10との接合信頼性を向上でき、電圧低下の少ない長期信頼性に優れた燃料電池を得ることができる。
Such a
集電基材201中のCrは気化し外部に拡散してしまうので、Cr拡散防止層202aは、集電基材201の少なくとも表面全面を覆うように、緻密に設けることが好ましい。
Since Cr in the current
Cr拡散防止層202aは2μm以下、特には1μm以下であれば、ある程度絶縁性であっても集電部材10としての導電性に影響を与えることがない。
If the Cr
本発明のCr拡散防止層202aは、ディッピングによる場合は、Zn又はZnOを含有するペースト中に集電基材201を浸漬し、熱処理により、或いは発電時の加熱により形成することができる。
In the case of dipping, the Cr
即ち、Cr拡散防止層202aがZn−Mn系スピネルからなる場合には、例えば、Mnを含有する集電基材201を用いて、これを、例えば、Zn又はZnOとFe2O3又はAl2O3とを含有するペースト中に浸漬し、熱処理することにより、集電基材201表面にZn−Mn系スピネルからなるCr拡散防止層202aが形成され、このCr拡散防止層202a表面にZnO中にFe又はAlを含有する導電層を形成することができる。
That is, in the case where the Cr
また、Mnを含有しない集電基材201を用いる場合、これを、例えば、Zn又はZnOと、Fe2O3又はAl2O3と、Mnを含有するペースト中に浸漬し、熱処理することにより、Zn−Mn系スピネルからなるCr拡散防止層202aが形成され、ZnO中にFe又はAlを含有する導電層を形成することもできる。
In the case of using the
さらに、集電基材201にZn−Mn系スピネルからなるCr拡散防止層202aを形成した後、Cr拡散防止層202aが形成された集電基材201を、例えば、Zn又はZnOと、Fe2O3又はAl2O3とを含有するペースト中に浸漬し、熱処理することにより、Zn−Mn系スピネルからなるCr拡散防止層202a上に、ZnO中にFe又はAlを含有する導電層を形成することもできる。
Furthermore, after forming the Cr
導電層の表面に被覆層202bを形成する場合には、酸素極層の形成等に用いられるペロブスカイト構造、LaFeO3系、LaMnO3系と、ZnOとを含有するペースト中に浸漬し、熱処理することにより形成することができる。
When the
尚、Cr拡散防止層202aの表面に被覆層202bを形成する場合には、Zn−Mn系スピネルを含有するペースト中に集電基材201を浸漬し、熱処理してCr拡散防止層202aを形成した後、酸素極層の形成等に用いられるペロブスカイト構造、LaFeO3系、LaMnO3系と、ZnOとを含有するペースト中に浸漬し、熱処理することにより形成することができる。
When forming the
Cr拡散防止層202aは、ディッピング(Cr拡散防止層用の亜鉛を含有する液中に集電基材を浸漬する浸漬塗布法)に加え、メッキ、蒸着等の方法を用いて形成されるが、コスト的にはディッピングが望ましい。
The Cr
導電層の厚みは、集電基材201の耐用時間にもよるが、ディッピングの場合、1〜100μmが好ましく、5〜50μmがより好ましい。厚さを5μm以上とすることにより、エアーの巻き込みなどによる空隙発生を防止できる。又、厚さを50μm以下とすることにより、集電基材201との熱膨張差による内部応力を最小限に抑制できると共に、導電性の低下を抑制し、形成を容易にすることができる。
Although the thickness of a conductive layer is based also on the lifetime of the current
燃料電池セル30は、図7に示すように、中空平板型であり、平板状の支持体32と、平板状の支持体32の周囲に設けられた燃料極層30a、固体電解質層30b、酸素極層30c、インターコネクタ30d、及び酸素極材料層30eとを備え、支持体32は、さらに内部に、燃料電池セル1の積層方向に交わる方向(セル長さ方向)に伸びた複数の燃料ガス通路31を有するように構成される。尚、図1においては、セルの一方の平坦側面として酸素極層30cが、他方の平坦側面として酸素極材料層30eが形成された状態を示した。
As shown in FIG. 7, the
支持体32は、例えば、多孔質かつ導電性の材料からなり、図7に示すように横断面が平坦側面と平坦側面の両端の弧状部とからなっている。対向する平坦側面の一方とその両端の弧状部を覆うように多孔質の燃料極層30aが設けられており、この燃料極層30aを覆うように、緻密質な固体電解質層30bが積層されており、さらに、この固体電解質層30bの上には、燃料極層30aに対向するように、多孔質の導電性セラミックからなる酸素極層30cが積層されている。また、支持基板32の電極層30a、30cが設けられた面に対向する平坦側面には、緻密なインターコネクタ30dが形成されている。このインターコネクタ30dの表面には、酸素極材料からなる酸素極材料層30eが形成されている。ここで、酸素極材料は、例えばペロブスカイト構造のLa(Fe,Mn)O3、(La,Sr)(Co,Fe)O3等の酸化物からなる。ただし、この酸素極材料層30eについては必ずしも形成する必要はない。燃料極層30a及び固体電解質層30bは、図7に示すように、インターコネクタ30dの両サイドまで延び、支持体32の表面が外部に露出しないように構成されている。
The
このような構造の燃料電池セル30は、燃料極層30aの酸素極層30cと対面している部分が燃料極として作動して発電する。即ち、酸素極層30cの外側に空気等の酸素含有ガスを流し、且つ支持体32内のガス通路31に燃料ガス(水素)を流し、所定の作動温度まで加熱することにより、酸素極層30cで下記の式(1)の電極反応が生じ、また燃料極層30aの燃料極となる部分では例えば下記の式(2)の電極反応が生じることによって発電する。
In the
酸素極: 1/2O2+2e− → O2− (固体電解質) (1)
燃料極: O2− (固体電解質)+ H2 → H2O+2e− (2)
かかる電極反応によって発生した電流は、支持体32に取り付けられているインターコネクタ30dを介して集電される。
Oxygen electrode: 1 / 2O 2 + 2e − → O 2− (solid electrolyte) (1)
Fuel electrode: O 2− (solid electrolyte) + H 2 → H 2 O + 2e − (2)
The current generated by the electrode reaction is collected through an
そして、このような複数の燃料電池セル30の間には、図1、3に示すように、集電部材10が介装されて電気的に接続され、これによりセルスタックが構成されている。即ち、集電部材10の連結帯10b、接合帯10cが、一方の燃料電池セル30の酸素極層30cに接合されると共に、隣設する他方の燃料電池セル30の酸素極材料層30eに接合され、これにより、複数の燃料電池セル30が電気的に直列に接続され、セルスタックが構成されている。
As shown in FIGS. 1 and 3, a current collecting
酸素極層30cは、固体電解質層30b上に形成された第1酸素極層30c1と、該第1酸素極層30c1上に設けられた第2酸素極層30c2とを具備して構成されている。第1酸素極層30c1は第2酸素極層30c2よりも微粒な導電性セラミック粒子から形成されており、板状の集電部材10(連結帯10b、接合帯10c)の一方側主面が第1酸素極層30c1に接合し、集電部材10(連結帯10b、接合帯10c)の側面が第2酸素極層30c2に接合している。
The
第1酸素極層30c1は、平均粒径が1μm以下の導電性セラミック粒子から構成され、厚み20μm以下とされている。また、第1酸素極層30c1の緻密度は、第2酸素極層30c2よりも高く設定されており、言い換えれば、第1酸素極層30c1の気孔率は、第2酸素極層30c2よりも低くされている。 The first oxygen electrode layer 30c1 is composed of conductive ceramic particles having an average particle diameter of 1 μm or less, and has a thickness of 20 μm or less. The density of the first oxygen electrode layer 30c1 is set higher than that of the second oxygen electrode layer 30c2, in other words, the porosity of the first oxygen electrode layer 30c1 is lower than that of the second oxygen electrode layer 30c2. Has been.
このようなセルスタックでは、緻密な固体電解質層30b上に微粒な導電性セラミック粒子からなる第1酸素極層30c1が強固に接合しており、このような第1酸素極層30c1上に集電部材10の主面が接合されているため、集電部材10の固体電解質層30bへの接合強度を向上できる。尚、酸素極層30cとしての厚みが不足する場合には、第1酸素極層30c1と第2酸素極層30c2との間に、第2酸素極層30c2と同一材料からなる中間層を形成することもできる。
In such a cell stack, the first oxygen electrode layer 30c1 made of fine conductive ceramic particles is firmly bonded on the dense
また、第2酸素極層30c2に集電部材の側面が接合しており、これにより、さらに板状集電部材の固体電解質層への接合強度を向上できる。尚、集電部材の側面には、第2酸素極層30c2のメニスカスが形成されているが、図6では簡略化して記載した。このメニスカスによっても、集電部材10の酸素極層30cへの接合強度を向上できる。また、図6では、理解を容易にするため、集電部材10の厚みを誇張して記載した。
In addition, the side surface of the current collecting member is joined to the second oxygen electrode layer 30c2, thereby further improving the joining strength of the plate-like current collecting member to the solid electrolyte layer. In addition, although the meniscus of the 2nd oxygen electrode layer 30c2 is formed in the side surface of a current collection member, it simplified and described in FIG. This meniscus can also improve the bonding strength of the current collecting
第1酸素極層30c1、第2酸素極層30c2としては、La及びFeを含有するペロブスカイト型複合酸化物、例えばペロブスカイト構造の(La,Sr)(Co,Fe)O3を用いることができ、この複合酸化物を用いることにより、第1酸素極層30c1が多少緻密質であったとしても、酸素極としての機能を有することができる。 As the first oxygen electrode layer 30c1 and the second oxygen electrode layer 30c2, a perovskite complex oxide containing La and Fe, for example, (La, Sr) (Co, Fe) O 3 having a perovskite structure can be used. By using this composite oxide, even if the first oxygen electrode layer 30c1 is somewhat dense, it can have a function as an oxygen electrode.
また、集電部材10は、一方の燃料電池セル30の酸素極層30cに接合されるが、隣設する他方の燃料電池セル30の酸素極材料層30eにも接合される。集電部材10の酸素極材料層30eへの接合は、酸素極材料層30e表面に形成された、第2酸素極層30c2と同様の接合層45に集電部材10を埋設し、その側面を接合層45に接合することにより行われる。
The current collecting
ここで、各部材の熱膨張率について説明すると、750℃において、燃料電池セルの酸素極材料として一般に用いられるLaFeO3系の熱膨張率は15〜17×10−6/℃、LaMnO3系は10〜11×10−6/℃であり、インターコネクタとして用いられるLaCrO3系は14×10−6/℃程度であり、集電部材10については、集電基材201は11×10−6/℃程度、Zn−Mn系スピネルからなるCr拡散防止層202a、ZnO中にFe又はAlを含有する導電層は6〜8×10−6/℃である。
Here, the thermal expansion coefficient of each member will be described. At 750 ° C., the thermal expansion coefficient of LaFeO 3 system generally used as the oxygen electrode material of the fuel cell is 15-17 × 10 −6 / ° C., and LaMnO 3 system is 10 to 11 × 10 −6 / ° C., LaCrO 3 system used as an interconnector is about 14 × 10 −6 / ° C., and for the current collecting
従って、燃料電池セル30と集電部材10を接合した場合には、その界面に熱膨張差に基づく応力が発生するが、被覆層202bが、酸素極層30cの形成等に用いられるペロブスカイト構造、LaFeO3系、LaMnO3系と、ZnOとを含有するため、その比率を変化させることにより、酸素極層30cと集電基材201との中間の所望の熱膨張率を有することができ、燃料電池セル30と集電部材10の接合信頼性を向上することができる。
Therefore, when the
セルスタックの製造方法について説明する。先ず、燃料電池セルの固体電解質層の表面に、(La,Sr)(Co,Fe)O3等の空気極材料を含有するスラリーをスクリーン印刷にて塗布し、所定温度で焼き付けて第1酸素極層30c1を形成する。この後、第1酸素極層30c1の表面、及びインターコネクタ30dの酸素極材料層30e表面に、(La,Sr)(Co,Fe)O3等の空気極材料を含有するスラリーをスクリーン印刷にて塗布し、この状態で、複数の燃料電池セル間に集電部材10を配置し、両側から押圧することにより、集電部材10が第1酸素極層30c1に当接するとともに、第2酸素極層、接合層の塗布膜中に埋設され、この状態で、第1酸素極層30c1の焼き付け温度よりも低い温度で、第2酸素極層、接合層を焼き付け、本発明のセルスタックを形成することができる。
A method for manufacturing the cell stack will be described. First, a slurry containing an air electrode material such as (La, Sr) (Co, Fe) O 3 is applied to the surface of the solid electrolyte layer of the fuel cell by screen printing, and baked at a predetermined temperature to form the first oxygen The polar layer 30c1 is formed. Thereafter, a slurry containing an air electrode material such as (La, Sr) (Co, Fe) O 3 is screen printed on the surface of the first oxygen electrode layer 30c1 and the surface of the oxygen
このようなセルスタックは、図示しないが燃料ガスが供給されるマニホールドに配置され、マニホールド内に供給された燃料ガスが燃料電池セル30のガス通路31内を通過していくことになる。
Although not shown, such a cell stack is arranged in a manifold to which fuel gas is supplied, and the fuel gas supplied into the manifold passes through the
燃料電池は、上記のセルスタックを収納容器内に収容し、この収納容器に、都市ガス等の燃料ガスを供給する燃料ガス導入管及び空気を供給するための空気導入管を配設することにより構成される。 In the fuel cell, the cell stack is accommodated in a storage container, and a fuel gas introduction pipe for supplying fuel gas such as city gas and an air introduction pipe for supplying air are disposed in the storage container. Composed.
10 集電部材
10a 保持部材
10b 連結帯
10c 接合帯
30 燃料電池セル
DESCRIPTION OF
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006148576A JP4953692B2 (en) | 2006-05-29 | 2006-05-29 | Cell stack and fuel cell |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006148576A JP4953692B2 (en) | 2006-05-29 | 2006-05-29 | Cell stack and fuel cell |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2007317611A JP2007317611A (en) | 2007-12-06 |
JP4953692B2 true JP4953692B2 (en) | 2012-06-13 |
Family
ID=38851279
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2006148576A Expired - Fee Related JP4953692B2 (en) | 2006-05-29 | 2006-05-29 | Cell stack and fuel cell |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4953692B2 (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101175599B1 (en) | 2008-07-14 | 2012-08-22 | 가부시키가이샤 무라타 세이사쿠쇼 | Interconnector material, intercellular separation structure, and solid electrolyte fuel cell |
Family Cites Families (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0410159A1 (en) * | 1989-07-24 | 1991-01-30 | Asea Brown Boveri Ag | Current collector for high temperature fuel cell |
US6296962B1 (en) * | 1999-02-23 | 2001-10-02 | Alliedsignal Inc. | Design for solid oxide fuel cell stacks |
JP3898539B2 (en) * | 2002-03-20 | 2007-03-28 | 京セラ株式会社 | Fuel cell |
JP3898552B2 (en) * | 2002-04-03 | 2007-03-28 | 京セラ株式会社 | Fuel cell |
JP4005837B2 (en) * | 2002-04-18 | 2007-11-14 | 京セラ株式会社 | Fuel cell |
JP2005190980A (en) * | 2003-12-05 | 2005-07-14 | Kyocera Corp | Fuel battery |
JP5051969B2 (en) * | 2004-05-25 | 2012-10-17 | 京セラ株式会社 | FUEL CELL STACK, FUEL CELL, AND METHOD FOR PRODUCING THE FUEL CELL STACK |
JP4745622B2 (en) * | 2004-05-31 | 2011-08-10 | 京セラ株式会社 | Current collecting member, fuel cell stack and fuel cell |
JP4546766B2 (en) * | 2004-05-31 | 2010-09-15 | 京セラ株式会社 | Current collecting member, fuel cell stack and fuel cell |
JP4716700B2 (en) * | 2004-09-29 | 2011-07-06 | 京セラ株式会社 | Fuel cell stack and fuel cell |
-
2006
- 2006-05-29 JP JP2006148576A patent/JP4953692B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2007317611A (en) | 2007-12-06 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
AU784450B2 (en) | High performance ceramic fuel cell interconnect with integrated flowpaths and method for making same | |
JP5110816B2 (en) | Current collecting member for fuel cell, fuel cell stack, and fuel cell | |
JP5072305B2 (en) | Heat-resistant alloy member, current collecting member for fuel cell, fuel cell stack, fuel cell | |
JP4492119B2 (en) | Current collecting structure for fuel cell and solid oxide fuel cell stack | |
JPH09510820A (en) | Battery stack device for solid oxide fuel | |
JP2008525967A (en) | High specific power solid oxide fuel cell stack | |
JP4863657B2 (en) | Fuel cell, fuel cell stack, and fuel cell | |
JP5013750B2 (en) | Cell stack and fuel cell | |
JP5015491B2 (en) | Current collection structure of fuel cell | |
JP5080749B2 (en) | Current collecting member for fuel cell, cell stack, and fuel cell | |
JP5061408B2 (en) | STACK FOR SOLID ELECTROLYTE FUEL CELL AND SOLID ELECTROLYTE FUEL CELL | |
JP2008077913A (en) | Inter-connector for fuel cell and cell stack | |
JP2002319413A (en) | Solid electrolyte fuel cell plate and stack | |
JP4658626B2 (en) | End current collecting member, fuel cell stack using the same, and fuel cell | |
JP2010080428A (en) | Solid oxide fuel cell, and assembly method thereof | |
JP4889319B2 (en) | Fuel cell stack and current collecting member | |
US20100304265A1 (en) | Solid oxide fuel cell | |
JP5035571B2 (en) | Current collecting structure for fuel cell and solid oxide fuel cell stack | |
CN114094155A (en) | Interconnect plate for fuel cell and fuel cell system for aircraft | |
JP2004273213A (en) | Unit cell for fuel cells, its manufacturing method, and solid oxide fuel cell | |
JP6773472B2 (en) | Electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack | |
JP4953692B2 (en) | Cell stack and fuel cell | |
JP4314514B2 (en) | Solid oxide fuel cell and current collector manufacturing method | |
JP5588888B2 (en) | Fuel cell stack and fuel cell | |
JP6917182B2 (en) | Conductive members, electrochemical reaction units, and electrochemical reaction cell stacks |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20081114 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20111130 |
|
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: 20120214 |
|
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: 20120313 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150323 Year of fee payment: 3 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |