JP5267774B2 - Fuel cell separator - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池ユニットにおいて、単セルに供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの夫々の流域を分離するのに用いられる燃料電池用セパレータに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell separator used for separating the flow areas of fuel gas and oxidant gas supplied to a single cell in a fuel cell unit.
従来、燃料電池用のセパレータとしては、固体電解質板の一方の面に燃料極を設けると共に他方の面に空気極を設けた単電池に対して、ランタンクロマイト系のセラミックス材料から成り且つ燃料極側となる表面に耐熱性良導電性材料層を設けたものがあった(特許文献1参照)。
ところで、固体電解質型の燃料電池では、電気化学反応による発熱反応がガスの組成と流す方向に依存するため、温度分布の不均一が発生しやすい。このため、ランタンクロマイトのようなセラミックス材料を用いた従来のセパレータにあっては、熱伝導性が非常に低いことから、燃料電池を急速に起動すると、温度分布の不均一に起因する熱応力によって変形し、電気的抵抗が高くなって出力が低下したり、単セル(単電池)との接合部を破損したりする恐れがあった。 By the way, in the solid electrolyte fuel cell, since the exothermic reaction due to the electrochemical reaction depends on the gas composition and the flowing direction, the temperature distribution is likely to be uneven. For this reason, in a conventional separator using a ceramic material such as lanthanum chromite, the thermal conductivity is very low, so when the fuel cell is started rapidly, it is caused by thermal stress caused by non-uniform temperature distribution. There is a risk of deformation, resulting in an increase in electrical resistance and a decrease in output, or damage to a joint with a single cell (unit cell).
本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたもので、セパレータを高熱伝導化させることで、燃料電池の定常運転時や急速起動時における温度分布の均一化を図ることができる燃料電池用セパレータを提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above-described conventional situation. By making the separator highly thermally conductive, the fuel cell can be made uniform in temperature distribution during steady operation or rapid start-up of the fuel cell. It aims to provide a separator.
本発明の燃料電池用セパレータは、単セルと、単セルとの間にガス流路を形成する板状のセパレータを備えた燃料電池ユニットのセパレータである。そして、当該セパレータは、Cr含有Fe合金よりも高い熱伝導性を有する材料から成る充填部材と、Cr含有Fe合金よりも高い耐食性・耐酸化性を有する材料及び充填部材よりも高い耐食性・耐酸化性を有する材料のいずれか一方の材料から成る包装部材を備え、包装部材で充填部材を気密的に包装した構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。 The separator for a fuel cell of the present invention is a separator of a fuel cell unit including a single cell and a plate-like separator that forms a gas flow path between the single cells. The separator includes a filling member made of a material having higher thermal conductivity than the Cr-containing Fe alloy, a material having higher corrosion resistance / oxidation resistance than the Cr-containing Fe alloy, and a higher corrosion resistance / oxidation resistance than the filling member. The packaging member made of any one of the materials having the property is provided, and the filling member is hermetically packaged by the packaging member, and the above configuration is a means for solving the conventional problems.
本発明の燃料電池用セパレータは、上記構成を採用したことから、高熱伝導性と充分な耐食性・耐酸化性の両方を備えたものとなり、高熱伝導化により、燃料電池の定常運転時や急速起動時において温度分布を速やかに均一にすることができ、熱応力による変形や性能の低下などを防ぐことができる。また、とくに、包装部材で充填部材を気密的に包装したことから、包装部材の内部に空気や水蒸気が侵入して充填部材が酸化するような事態を未然に阻止することができる。
The fuel cell separator according to the present invention adopts the above-described configuration, so that it has both high thermal conductivity and sufficient corrosion resistance and oxidation resistance. At this time, the temperature distribution can be made uniform quickly, and deformation due to thermal stress, deterioration in performance, and the like can be prevented. In particular, since the filling member is hermetically packaged by the packaging member, it is possible to prevent a situation in which air or water vapor enters the inside of the packaging member and the filling member is oxidized.
図1は、燃料電池ユニットの一例を説明する図である。図示の燃料電池ユニットUは、単セル1を保持した円盤状のセル板2と、単セル1を含むセル板2との間に燃料ガスのガス流路を形成する円盤状のセパレータ3を備えている。単セル1は、固体電解質層を燃料極層と空気極層で挟んで成る発電要素であって、図示例のものは環状を成している。
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a fuel cell unit. The illustrated fuel cell unit U includes a disk-
また、セル板2とセパレータ3との間には、中央部にガスの供給路及び排出路を形成する内側リング4と、セル板2とセパレータ3の外周部間を封止する外側リング5と、弾力性を有する材料から成る燃料極側集電体6と、燃料ガスを単セル1の燃料極全体に流通させるための流路部品7が収容してある。さらに、セパレータ3の外側(図1で上側)には、空気極側の流路部品8と、空気極側集電体9と、別の内側リング4が設けてある。
Further, between the
燃料電池ユニットUは、単セル1を保持したセル板2、セパレータ3、内側リング4,4、外側リング5、燃料極側集電体6、流路部品7,8及び空気極側集電体9を備えると共に、複数枚を積層して燃料電池スタックを構成する。また、燃料電池スタックは、図示しないケースに収容される。そして、中央に連続するガス供給路からセル板2とセパレータ3との間に燃料ガスを供給すると共に、ケース内に酸化剤ガスである空気を供給し、単セル1において電気化学反応による発電を行う。
The fuel cell unit U includes a
上記の如き構成を有する固体電解質型の燃料電池は、電気自動車の電源として車載される。このような場合、燃料電池は、急速な起動や運転状況に応じた出力の増減などに対応できなければならない。 The solid electrolyte fuel cell having the above-described configuration is mounted on a vehicle as a power source for an electric vehicle. In such a case, the fuel cell must be able to cope with rapid start-up and increase / decrease in output according to the operating conditions.
以下、上記の燃料電池ユニットUに用いる本発明の燃料電池用セパレータの実施形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the fuel cell separator of the present invention used in the fuel cell unit U will be described.
図2に示すセパレータS1は、高熱伝導性を有する薄板状の充填部材11と、高耐食性及び耐酸化性を有する包装部材12を備え、包装部材12で充填部材11を包装した構成になっている。ここで、充填部材11は、Cr含有Fe合金よりも高い熱伝導性を有する材料から成る。他方、包装部材12は、Cr含有Fe合金よりも高い耐食性・耐酸化性を有する材料及び充填部材11よりも高い耐食性・耐酸化性を有する材料のいずれか一方の材料から成る。
The separator S1 shown in FIG. 2 includes a thin plate-
包装部材12は、例えば、SUS430を材料とし且つ厚さが50μm程度の2枚の薄板12a,12aから成るものである。図2(b)に示すセパレータS1は、両薄板12a,12aの外周端部を互いに相手側に約90度折り曲げ、充填部材11を間にして、一方の薄板12aの内側に他方の薄板12aを嵌合することで、包装部材12で充填部材11を包装したものである。また、図2(c)に示すセパレータS1は、充填部材11を間にし、両薄板12a,12aの外周端部を互いに相手側に折り込んで、包装部材12で充填部材11を包装したものである。
The
図2(d)に示すセパレータS1は、充填部材11を間にして、両薄板12a,12aの外周端部同士を接合し、接合部分をレーザ溶接することで、包装部材12で充填部材11を気密的に包装したものである。また、図2(e)に示すセパレータS1は、両薄板12a,12aの外周端部を互いに相手側に約90度折り曲げ、充填部材11を間にして、一方の薄板12aの内側に他方の薄板12aを嵌合すると共に、嵌合部分を接着することで、包装部材12で充填部材11を気密的に包装したものである。なお、接着剤には、例えば、包装部材12の材料であるSUS430と同等の熱膨張率を有するBa−Ca−Si系ガラス接着剤を用いることができる。
The separator S1 shown in FIG. 2 (d) has the filling
ここで、高熱伝導性が要求される充填部材11には、Cu,Cu合金,Al,Al合金,Ni合金,Zn合金,Cr,Au,Ag,Mo,Mo合金,W,W合金,AlSi,AlSiC,ダイヤモンド,Alダイヤモンド,Cuダイヤモンド及びAgダイヤモンド等を用いることができる。
Here, the filling
また、高耐食性・高耐酸化性が要求される包装部材12には、高温下にて合金表面又は合金表面近傍にCr酸化物が形成されることで導電性が確保され且つ耐食性・耐酸化性に優れた13%以上Cr含有のFe合金を用いることができる。
In addition, the
さらに、包装部材12は、単セル1がイットリア系の固体酸化物型電解質を用いている場合には、単セル1の熱膨張率が11E−6[1/K]程度となるので、この単セル1との熱膨張の整合性から、15%以上Cr含有のフェライト系ステンレスであるSUS430、20%以上Cr含有したZMG232(日立金属)、及び鉄ベースのクロム合金であるCrofer22APU(Thyssen Krupp VDM)などを用いることができる。
Further, when the
さらに、包装部材12には、充填部材11よりも高い耐食性・耐酸化性を有する材料として、アルミナ、ジルコニア等のセラミックスや、Pt,Au及びAgなどの貴金属を用いることができる。
Furthermore, ceramics such as alumina and zirconia, and noble metals such as Pt, Au, and Ag can be used for the
上記構成を備えたセパレータS1は、平面方向(平面に沿う方向)の熱伝導性が高いものとなり、発電時に発生する発熱分布による温度分布の不均一化が緩和されると共に、熱応力による変形が抑制され、単セル1に対して燃料極側集電体6を均一に押し付けることができる。これにより、良好な導電性が常に確保され、燃料電池の高効率化に貢献することができる。
The separator S1 having the above configuration has a high thermal conductivity in the plane direction (the direction along the plane), mitigating uneven temperature distribution due to heat generation distribution generated during power generation, and deformation due to thermal stress. The fuel electrode side
また、セパレータS1は、燃料電池の急速な起動時には、燃料電池の急加熱に伴って昇温することとなり、この際、均一に加熱することが困難であるが、高熱伝導化したものとなっているので、不均一な加熱であっても温度分布を速やかに均一にすることができ、単セル1及びセル板2に発生する熱応力を緩和させることができる。
Further, the separator S1 is heated with rapid heating of the fuel cell at the time of rapid start-up of the fuel cell. At this time, it is difficult to uniformly heat the separator S1, but it has a high thermal conductivity. Therefore, even if it is non-uniform heating, a temperature distribution can be made uniform quickly and the thermal stress which generate | occur | produces in the
さらに、一般に、耐食性・耐酸化性が高く且つ高熱伝導性を有する材料は、貴金属以外には存在しない。これに対して、セパレータS1では、耐食性・耐酸化性及び高熱伝導性の機能を分離して、包装部材12に高耐食性・高耐酸化性を持たせ、また、充填部材11に高熱伝導性を持たせて高熱伝導化しているので、充填部材11として比較的安価なCu,Alなどを用いることができ、製造コストの低減に貢献し得るものとなる。
Furthermore, in general, there is no material other than noble metals that has high corrosion resistance and oxidation resistance and high thermal conductivity. On the other hand, the separator S1 separates the functions of corrosion resistance, oxidation resistance and high thermal conductivity, gives the
また、図2(d)(e)に示すセパレータS1のように、包装部材12で充填部材11を気密的に包装する場合、その接合手段には、シーム溶接、レーザ溶接及び拡散接合などを採用することができる。さらに、接着剤には、Ba,Ca及びSiなどを成分とするガラス接着剤や、Ni,Ag及びCu含有Agなどを成分とするロウ材などを用いることができる。
Further, when the filling
上記の如く包装部材12で充填部材11を気密的に包装したセパレータS1は、包装部材12の内部に空気や水蒸気が侵入して充填部材11が酸化するような事態を未然に阻止することができる。
As described above, the separator S1 in which the filling
さらに、本発明の燃料電池用セパレータは、より好ましい実施形態として、包装部材12と充填部材11とを密着させた構成にすることができる。
Furthermore, the separator for fuel cells of this invention can be set as the structure which contact | adhered the
ここで、密着方法は、レーザー溶接、スポット溶接などの溶接や、Ni,Ti,Ag,Cu含有Agロウ付けの他、気密的に充填部材11を包装部材12で封止する場合には、内部を減圧とする手法などを採用することができる。
Here, in the case of sealing the filling
上記の如く包装部材12と充填部材11とを密着させたセパレータS1は、両部材11,12間の接触熱抵抗や電気的接触抵抗を大きく低減させることができ、また、当該セパレータS1自体の強度も向上させることができる。
The separator S1 in which the
さらに、本発明の燃料電池用セパレータは、より好ましい実施形態として、包装部材12の熱膨張率と充填部材11の熱膨張率との相対差を概ね10%以下の構成にすることができる。
Furthermore, as a more preferred embodiment, the fuel cell separator of the present invention can have a configuration in which the relative difference between the thermal expansion coefficient of the
一例として、包装部材12の材料がCrofer22APUである場合には、熱膨張率が10.E−6[1/K]となるため、充填部材11の熱膨張率が10.E−6[1/K]となる30%Cu含有Mo合金や、熱膨張率9〜10.E−6[1/K]の50%Cr含有Cu合金(JFE精密、JFEスチール:特開2005−330583号公報)等を用いることができる。ただし、両部材11,12の材料はこれらの限りではない。
As an example, when the material of the
上記のセパレータS1は、包装部材12の熱膨張率と充填部材11の熱膨張率との相対差を概ね10%以下とすることで、経験的には燃料電池の高温動作時においても、両部材11,12間に発生する熱応力を抑えて、当該セパレータS1の変形を抑えることができる。
The separator S1 has a relative difference between the thermal expansion coefficient of the
さらに、本発明の燃料電池用セパレータは、より好ましい実施形態として、包装部材が、充填部材の熱変形に追従して包装部材と充填部材との密着状態を維持するための可変構造を備えた構成にすることができる。 Furthermore, the fuel cell separator according to the present invention has, as a more preferable embodiment, a structure in which the packaging member has a variable structure for maintaining the tight contact state between the packaging member and the filling member following the thermal deformation of the filling member. Can be.
図3(a)に示すセパレータS2は、図2に示すものと同様に円盤状であって、充填部材11と包装部材12を備えている。包装部材12は、厚さ30μm〜500μm程度の2枚の薄板12a,12aと、互いの外周部間を封止するリング状の外周部材12bで構成してある。また、包装部材12は、外周部材12bと充填部材11との間に隙間13を有し、この隙間13の両側が可変構造としての可撓部12c、12cになっている
The separator S2 shown in FIG. 3 (a) has a disk shape similar to that shown in FIG. 2 and includes a filling
より具体的には、充填部材11の材料としてCu−Moを用いると共に、包装部材の材料としてCrofer22APUを用い、包装部材12の外周部をレーザ溶接により接合したものである。
More specifically, Cu—Mo is used as the material for the filling
上記セパレータS2は、充填部材11が、厚さ方向及び平面方向(平面に沿う方向)に熱膨張した場合には、図3(b)に示すように、包装部材12が、可撓部12c及び隙間13により充填部材11の熱変形に追従する。また、充填部材11が、厚さ方向及び平面方向(平面に沿う方向)に収縮した場合には、図3(c)に示すように、包装部材12が、可撓部12cにより充填部材11の変形に追従する
In the separator S2, when the filling
図3(d)に示すセパレータS2は、充填部材11と、厚さ30μm〜500μm程度の2枚の薄板12a,12aから成る包装部材12を備え、充填部材11を間にして、薄板12a,12aの外周部同士をシーム溶接により接合したものである。この場合、包装部材12は、可変構造として、平坦部から接合部に至る斜辺状の可撓部12c,12cを有している。
The separator S2 shown in FIG. 3D includes a filling
上記セパレータS2は、充填部材11が、厚さ方向及び平面方向(平面に沿う方向)に熱膨張した場合には、図3(e)に示すように、包装部材12が、可撓部12c及び隙間13により充填部材11の熱変形に追従する。また、充填部材11が、厚さ方向及び平面方向(平面に沿う方向)に収縮した場合には、図3(f)に示すように、包装部材12が、可撓部12cにより充填部材11の変形に追従する
When the filling
図3(g)に示すセパレータS2は、充填部材11と、厚さ30μm〜500μm程度の2枚の薄板12a,12aから成る包装部材12を備えている。包装部材12は、2枚の薄板12a,12aと、互いの外周部間を封止するリング状の外周部材12bで構成してある。また、包装部材12は、外周部材12bと充填部材11との間に隙間13を有し、この隙間13の両側に、可変構造として、互いに相手側に向けて屈曲した形状の可撓部12c、12cを有している。
A separator S2 shown in FIG. 3G includes a filling
上記のセパレータS2の包装部材12は、例えば、可撓部12cをプレス成形し、両薄板12a,12及び外周部材12bをCu−Agロウ材により接合したものである。
For example, the
上記セパレータS2は、充填部材11が、厚さ方向及び平面方向(平面に沿う方向)に熱膨張した場合には、図3(h)に示すように、包装部材12が、可撓部12c及び隙間13により充填部材11の熱変形に追従する。また、充填部材11が、厚さ方向及び平面方向(平面に沿う方向)に収縮した場合には、図3(i)に示すように、包装部材12が、可撓部12cにより充填部材11の変形に追従する
When the filling
上記の各セパレータS2は、包装部材12に可変構造としての可撓部12cを備えたものとしたことから、充填部材11に熱変形が生じても、これに追従して充填部材11と包装部材12との密着状態を維持することができ、両部材11,12間の伝導伝熱経路を常に確保することができる。
Since each of the separators S2 includes the
また、上記の如く包装部材12に可変構造を設けたことにより、例えば450℃以上の高温動作をする燃料電池において、両部材11,12に異なる熱膨張率による変位差、とくに長手方向の変位差が大きくなる場合でも、包装部剤12の端部が変形することで、熱膨張に伴う熱応力を抑えることができる。
Further, by providing the variable structure in the
さらに、セル板2は、セラミックスや、セラミックスと金属との混合体であるサーメットなどで形成してあるため、厚みに若干のばらつきがある。しかし、当該セパレータS2を含む燃料電池ユニットUを積層した燃料電池スタックは、セル板2の厚みにばらつきがあるとしても、各燃料電池ユニットUにおけるセパレータS2の端部が可変構造により変形するので、セル板2の厚みに応じて積層順番や積層間隔を変えることなく、燃料電池ユニットUを容易に積層することができる。
Furthermore, since the
さらに、本発明の燃料電池用セパレータは、より好ましい実施形態として、図1に示す如くセル板2とセパレータ3との間に弾力性を有する燃料極側集電体6を収容した燃料電池ユニットUに対し、充填部材11の領域が、当該セパレータの厚さ方向において、燃料極側集電体6の領域の少なくとも一部と重重なり合う構成にすることができる。
Further, the fuel cell separator according to the present invention is a fuel cell unit U in which a fuel electrode side
図4(a)に示すセパレータS3は、先の実施形態と同様に円盤状を成していて、環状の充填部材11と包装部材12を備えている。セパレータS3とセル板2との間に介装した燃料極側集電体6も環状を成している。そして、図示のセパレータS3は、充填部材11の領域と燃料極側集電体6の領域とが、ほぼ全体で重なり合う状態になっている。
The separator S <b> 3 shown in FIG. 4A has a disk shape as in the previous embodiment, and includes an
図4(b)に示すセパレータS3は、円盤状を成していて、充填部材11が、円周方向に四分割してある。燃料極側充填部材6は環状を成している。これにより、図示のセパレータS3は、燃料極側集電体6に対して、充填部材11の領域が部分的に重なり合う状態になっている。
The separator S3 shown in FIG. 4B has a disc shape, and the filling
上記のセパレータS3は、燃料電池ユニットUを構成し、複数の燃料電池ユニットUを積層した際に、弾力性を有する燃料極側集電体6の反力により充填部材11と包装部材12との間に荷重が発生し、両部材11,12間に生じる接触熱抵抗を低減することができる。なお、充填部材の領域と集電体の領域とが全く重なり合わないセパレータでは、接触熱抵抗の低減効果が得られないことを確認した。
The separator S3 constitutes the fuel cell unit U. When the plurality of fuel cell units U are stacked, the separator S3 is formed between the filling
また、図4(a)及び(b)には燃料極側集電体6の実施形態を示したが、空気極側集電体9に弾力性を備えることでも同様の効果を得ることができる。さらに、燃料極側集電体6と空気極側集電体9の両方に弾力性を備えることで、上記セパレータS3の両側にある集電体6,9の反力により、充填部材11と包装部材12に対して空気極側と燃料極側の両側で荷重を発生させることとなり、接触熱抵抗をさらに低減することができる。
4 (a) and 4 (b) show the embodiment of the fuel electrode side
さらに、本発明の燃料電池用セパレータは、より好ましい実施形態として、包装部材12の熱膨張率よりも充填部材11の熱膨張率が大きい構成とすることができる。
Furthermore, the separator for fuel cells of the present invention can be configured such that the thermal expansion coefficient of the filling
図5(a)〜(d)に示すセパレータS4は、可変構造を有する包装部材12を備えたもの、すなわち図3(d)〜(i)に示すセパレータS2と同等の構成を備えると共に、充填部材11の材料として、包装部材12の材料であるCrofer22APUよりも高い熱膨張率を有するCuを用いたものである。
The separator S4 shown in FIGS. 5 (a) to 5 (d) has the same structure as the separator S2 shown in FIGS. 3 (d) to (i) and is filled with a
また、包装部材12の材料として18%Cr含有Fe合金であるSUS430を用いた場合には、充填部材11の材料には、Cu,Cu合金,Al,Al合金,Ni合金,Zn合金,Au及びAgなどを用いることができる。
When SUS430, which is an 18% Cr-containing Fe alloy, is used as the material of the
上記のセパレータS4は、包装部材12の熱膨張率よりも充填部材11の熱膨張率を大きくすることで、少なくとも燃料電池の動作時に、充填部材11の熱膨張によって包装部材11と充填部材12とを密着させ、両部材11,12間の接触熱抵抗を低減させることができる。
Said separator S4 makes the thermal expansion coefficient of the filling
さらに、本発明の燃料電池用セパレータは、より好ましい実施形態として、中央穴を有する円盤状を成し、包装部材12が、その外周端部に、本体部よりも熱膨張率の高い材料から成る外周部材12bを備えている構成とすることができる。また、燃料電池用セパレータは、さらに好ましい実施形態として、中央穴を有する円盤状を成し、包装部材12が、その内周端部に、本体部よりも熱膨張率の低い材料から成る内周部材12dを備えている構成とすることができる。
Further, as a more preferred embodiment, the fuel cell separator of the present invention has a disk shape having a central hole, and the
図6に示す燃料電池用セパレータS5は、中央穴Hを有する円盤状を成しており、環状の充填部材11を備えると共に、この充填部材11を包装部材12で包装した構成になっている。包装部材12は、2枚の薄板12a,12aを有し、両薄板12a,12aの外周部間に外周部材12bを介装すると共に、両薄板12a,12aの内周部間に内周部材12dを介装している。
The fuel cell separator S5 shown in FIG. 6 has a disk shape having a central hole H, and includes an
また、先の図3(g)に示すセパレータS2では、可変構造として、包装部材12の外周部のみに屈曲形状の可撓部12cを備えている。これに対して、この実施形態のセパレータS5は、包装部材12の外周側と内周側に、可変構造としての可撓部12c,12cを備えている。よって、図3(g)と図6(b)は同様の断面形状を示すが、双方は切断位置が異なる。
Further, in the separator S2 shown in FIG. 3 (g), a
より具体的には、この実施形態の充填部材11の材料は、先の実施形態と同様に、Cu,Cu合金,Al,Al合金,Ni合金,Zn合金,Au及びAgなどであり、包装部材12の薄板12aの材料は、Crofer22APUやZMG232などである。
More specifically, the material of the filling
そして、外周部材12bの材料には、例えばSUS316Lが用いられ、このほか、薄板12aにCrofer22APUを用いた場合には、オーステナイトステンレス、インコネル等のNi含有Fe合金などを用いることができる。また、内周部材12dの材料には、アルミナが用いられ、とくに、薄板12aにZMG232用いた場合には、アルミナのほかにシリカなどを用いることができる。
For example, SUS316L is used as the material of the outer
上記のセパレータS5は、包装部材12が、本体部よりも熱膨張率の高い材料から成る外周部材12bを備え、且つ外周部材12bが全周にわたって連続していることから、燃料電池の動作時において、包装部材12の外周部分が大きく熱膨張する。これにより、包装部材12の本体部が外側に引っ張られる状態になって、包装部材12が充填部材11に押付けられ、両部材11,12間の接触熱抵抗を低減させることができる。
In the separator S5, the
さらに、上記のセパレータS5は、包装部材12が、本体部よりも熱膨張率の低い材料から成る内周部材12dを備え、且つ内周部材12dが全周にわたって連続していることから、燃料電池の動作時において、包装部材12の内周部分が熱膨張しないので、包装部材12の本体部が内側に引っ張られる状態になる。これにより、包装部材12が充填部材11に押付けられ、両部材11,12間の接触熱抵抗を低減させることができる。
Further, in the separator S5 described above, the
したがって、図6に示すセパレータS5のように、外周部材12bと内周部材12dの両方を有する包装部材12を備えたものとすれば、熱変形した際に生じる包装部材12の押付け作用がより高められ、充填部材11と包装部材12の間の接触熱抵抗をより一層低減させるものとなる。
Therefore, if the
さらに、本発明の燃料電池用セパレータは、より好ましい実施形態として、充填部材11と包装部材12の熱膨張率を一致させた構成にしても良い。
Furthermore, the fuel cell separator of the present invention may be configured such that the thermal expansion coefficients of the filling
図7に示す燃料電池用セパレータS6は、先の図3(a)に示すものと同等の構成を備えている。そして、上記セパレータS6は、包装部材12の材料に、熱膨張率が10E−6[1/K]のSUS430を用いると共に、充填部材11の材料に、熱膨張率がほぼ同一で且つ熱伝導率が200[W/K]のCr−Cu複合材を用い、充填部材11包装部材12を図示しないドットパターンでスポット溶接したものである。
The fuel cell separator S6 shown in FIG. 7 has the same configuration as that shown in FIG. The separator S6 uses SUS430 having a thermal expansion coefficient of 10E-6 [1 / K] as the material of the
上記のセパレータS6は、充填部材11と包装部材12の熱膨張率が等しいので、溶接やロウ付等の手段により両部材11,12を容易に接合することができ、これにより両部材11,12間の接触熱抵抗を低減し得ると共に、セパレータ自体の機械強度を高めることもできる。
In the separator S6, since the thermal expansion coefficients of the filling
さらに、本発明の燃料電池用セパレータは、より好ましい実施形態として、セル板2との間にガス流路を形成するための流路部品(図1参照)を一体的に備えた構成にすることができる。
Furthermore, the fuel cell separator of the present invention has a configuration in which a flow path component (see FIG. 1) for forming a gas flow path between the
図8(a)及び(b)に示すセパレータS7は、セル板2との間に燃料ガスのガス流路を形成するためのアノード側の流路部品7を一体的に備えたものである。流路部品7は、包装部材12と同質の材料から成る包装用部品7aと、充填部材11と同質の材料から成る充填用部品7bを備えている。したがって、包装用部品7aに対して、充填用部品7bの方が高熱伝導性を有するものとなっている。
The separator S7 shown in FIGS. 8A and 8B is integrally provided with an anode side
また、図8(c)及び(d)に示すセパレータS7は、酸化剤ガス(空気)のガス流路を形成するためのカソード側の流路部品8を一体的に備えたものである。流路部品8は、包装部材12と同質の材料から成り且つ包装部材12と一体化した包装用部品7aと、充填部材11と同質の材料から成り且つ充填部材11と一体化した充填用部品8bを備えている
Further, the separator S7 shown in FIGS. 8 (c) and 8 (d) is integrally provided with a cathode side
さらに、図8(e)に示すセパレータS7は、上記したアノード側の流路部品7とカソード側の流路部品8の両方を一体的に備えたものである。
Further, the separator S7 shown in FIG. 8 (e) integrally includes both the anode-
上記のセパレータS7は、燃料ガスを流通させる流路部品7及び酸化剤ガスを流通させる流路部品8の少なくとも一方を一体化することで、セパレータ自体の機械強度を向上させることができると共に、流路部品内にも高熱伝導性を有する充填用部品7b、8bを設けることで、熱伝導を促進させる断面積が大きくなって、さらなる高熱伝導化を図ることができる。
The separator S7 can improve the mechanical strength of the separator itself by integrating at least one of the
さらに、本発明の燃料電池用セパレータは、より好ましい実施形態として、上記の如く流路部品7,8を一体化したうえで、包装用部品7a,8aの熱膨張率よりも充填用部品7b,8bの熱膨張率の方が大きい構成にすることができる。
Furthermore, as a more preferred embodiment, the fuel cell separator according to the present invention integrates the
図9に示すセパレータS8は、アノード側の流路部材7を一体的に備えると共に、流路部材7が、包装部材12と別体の包装用部品7aと、充填部材11と別体の充填用部品7bを備えている。このとき、包装用部品7aの材料には、ZMG232を用いており、これに対して、充填用部品7bの材料には、ZMG232よりも熱膨張率が高いAuを用いている。
The separator S8 shown in FIG. 9 is integrally provided with the anode-side
上記のセパレータS8は、図8に示す実施形態のセパレータS7と同等の効果を得ることができるうえに、充包装用部品7aの熱膨張率よりも充填用部品7bの熱膨張率を高いものとすることで、燃料電池の動作時に流路部品7における両形成部7a,7b間の接触熱抵抗をも低減させることができる。
The separator S8 can obtain the same effect as the separator S7 of the embodiment shown in FIG. 8, and has a higher thermal expansion coefficient of the filling
また、図9中の拡大図に示すように、流路部品7とセル板2とが接触する部分において、充填用部品8bが熱膨張することで、セル板2への密着性が向上する。これにより、セル板2と流路部品7間の接触熱抵抗を低減させるだけでなく、セル板2と流路部品7との間の僅かな隙間を埋めることで、ガスの迂回を阻止することができると共に、電気的接触抵抗を低減させることができる。
Moreover, as shown in the enlarged view in FIG. 9, the adhesiveness to the
さらに、本発明の燃料電池用セパレータは、より好ましい実施形態として、充填部材11と包装部材12の間に、双方の溶着を防止する溶着防止層を備えた構成とすることができる。
Furthermore, as a more preferred embodiment, the separator for a fuel cell of the present invention can be configured to include a welding prevention layer that prevents welding of both of the filling
ここで、図2及び図3に示すセパレータS1,S2は、充填部材11と包装部材12とを密着させ、これにより、両部材11,12間の接触熱抵抗や電気的接触抵抗を低減するようにしている。ところが、充填部材11及び包装部材12の材料によっては、燃料電池の動作時の高熱により、とくに高熱伝導材である充填部材11が解けて包装部材12と溶着することがあり、この際、両部材11,12の熱膨張率が大きく異なると、一方の部材の熱変形によってセパレータ全体が変形する恐れがある。
Here, the separators S1 and S2 shown in FIGS. 2 and 3 bring the filling
そこで、図10に示すセパレータS9は、充填部材11及び包装部材12の材料に応じて、両部材11,12の間に、双方の溶着を防止する溶着防止層14を設けている。より具体的には、充填部材11の材料はAuであり、包装部材12の材料はSUS316Lであり、充填部材11の表面にボロンナイトライド(BN)をスプレーコートしてこれを溶着防止層14とした。
Accordingly, the separator S9 shown in FIG. 10 is provided with a
なお、充填部材11が、Cu,Al,Ag及びAu等の比較的融点の低い材料である場合には、焼き付き防止剤であるAgペーストや、BNや、高耐熱コーティングであるTiNや、CrN等を溶着防止層14とする。
In addition, when the filling
上記のセパレータS9は、充填部材11と包装部材12の間に溶着防止層14を設けたことにより、燃料電池の動作時の高温で充填部材11の表面が解けたとしても、両部材11,12の溶着や溶着に起因するセパレータの変形を未然に防ぐことができる。
Even if the surface of the filling
さらに、本発明の燃料電池用セパレータは、より好ましい実施形態として、包装部材12の外表面に、水素の拡散係数が包装部材12に比べて小さい膜を形成した構成とすることができる。
Furthermore, the fuel cell separator of the present invention can be configured such that a film having a smaller hydrogen diffusion coefficient than the
図11に示すセパレータS10は、Cu製の充填部材11と、厚さ100μmのSUS430製薄板12a,12a及び外周部材12bから成る包装部材12を備え、燃料電池ユニットUを構成する以前に、電気炉にて大気雰囲気900℃で3時間の焼成を行い、包装部材12の表面に、水素の拡散係数が包装部材12に比べて小さい被膜(例えば酸化被膜)15を形成したものである。
A separator S10 shown in FIG. 11 includes a packing
上記のセパレータS10は、充填部材11がCu等の水素脆化を起こす材料であって、なお且つCr含有Fe合金を含む包装部材12の薄板12aの厚みが200μm以下である場合には、水素が包装部材12中を拡散することがある。そこで、包装部材12の表面に上記の被膜5を形成しておくことで、包装部材12の厚み方向に拡散する水素の拡散係数を小さくして、包装部材12内に透過する水素量を低減することができ、これにより、Cu等から成る充填部材11の水素脆化を抑制することができる。
The separator S10 is a material in which the filling
上記の各実施形態で説明したセパレータS1〜S10は、図1に示すような燃料電池ユニットUを構成すると共に、その燃料電池ユニットUを積層して固体電解質型燃料電池を構成するものとなる。この際、燃料電池は、高温下で動作する固体酸化物型燃料電池である。固体酸化物型燃料電池に用いる材料としては、ジルコニア系電解質、セリア系の電解
質及びランタンガレード系電解質などがあるが、これらに限るものではない。
The separators S1 to S10 described in the above embodiments constitute a fuel cell unit U as shown in FIG. 1, and the fuel cell unit U is laminated to constitute a solid oxide fuel cell. In this case, the fuel cell is a solid oxide fuel cell that operates at a high temperature. Materials used for the solid oxide fuel cell include, but are not limited to, zirconia-based electrolytes, ceria-based electrolytes, and lanthanum garade-based electrolytes.
そして、本発明の燃料電池用セパレータを備えた燃料電池は、例えば450℃以上の高温下で動作することとなるが、セパレータが耐食性・耐酸化性を有するとともに高熱伝導化されたものとなっているので、セパレータにおける温度分布が速やかに均一になって、熱応力による変形を防止すると同時に、接触熱抵抗や電気的接触抵抗を大きく低減させることができ、良好な発電性能を維持することができる。 The fuel cell equipped with the fuel cell separator of the present invention operates at a high temperature of, for example, 450 ° C. or more, and the separator has corrosion resistance and oxidation resistance and is highly thermally conductive. As a result, the temperature distribution in the separator becomes uniform quickly, preventing deformation due to thermal stress, and at the same time, contact thermal resistance and electrical contact resistance can be greatly reduced, and good power generation performance can be maintained. .
本発明の燃料電池用セパレータは、その詳細な構成が上記各実施形態に限定されるものではなく、全体形状や各構成部位の形状、各構成部位の数、各構成部材の材料及びその組み合わせを適宜変更することが可能である。 The detailed configuration of the separator for a fuel cell of the present invention is not limited to each of the above embodiments, but the overall shape, the shape of each component, the number of each component, the material of each component, and the combination thereof It can be changed as appropriate.
S1〜S10 セパレータ
U 燃料電池ユニット
1 単セル
2 セル板
3 セパレータ
6 燃料極側集電体
7 8 流路部品
7a 8a 包装用部品
7b 6b 充填用部品
11 充填部材
12 包装部材
12a 薄板(包装部材)
12b 外周部材(包装部材)
12c 可撓部(可変構造)
12d 内周部材(包装部材)
14 溶着防止層
15 被膜
S1 to S10 Separator U
12b Peripheral member (packaging member)
12c Flexible part (variable structure)
12d Inner peripheral member (packaging member)
14
Claims (13)
Cr含有Fe合金よりも高い熱伝導性を有する材料から成る充填部材と、
Cr含有Fe合金よりも高い耐食性・耐酸化性を有する材料及び充填部材よりも高い耐食性・耐酸化性を有する材料のいずれか一方の材料から成る包装部材を備え、
包装部材で充填部材を気密的に包装したことを特徴とする燃料電池用セパレータ。 A separator of a fuel cell unit comprising a plate-like separator that forms a gas flow path between a single cell and a single cell,
A filling member made of a material having higher thermal conductivity than the Cr-containing Fe alloy;
A packaging member made of any one of a material having higher corrosion resistance and oxidation resistance than a Cr-containing Fe alloy and a material having higher corrosion resistance and oxidation resistance than a filling member;
A separator for a fuel cell, wherein a filling member is hermetically packaged with a packaging member.
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