JP5727428B2 - Fuel cell with separator and fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は,セパレータ付燃料電池セル,および燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell with a separator and a fuel cell.
電解質に固体酸化物を用いた固体酸化物形燃料電池(以下,「SOFC」又は単に「燃料電池」とも記す場合がある)が知られている。SOFCは,例えば,板状の固体電解質層の各面に燃料極と空気極とを備えた燃料電池セルを多数積層したスタック(燃料電池スタック)を有する。燃料極および空気極それぞれに,燃料ガス(例えば,水素)および酸化剤ガス(例えば,空気中の酸素)を供給し,固体電解質層を介して化学反応させることで,電力を発生させる。 A solid oxide fuel cell using a solid oxide as an electrolyte (hereinafter also referred to as “SOFC” or simply “fuel cell”) is known. The SOFC has, for example, a stack (fuel cell stack) in which a large number of fuel cells each having a fuel electrode and an air electrode are stacked on each surface of a plate-like solid electrolyte layer. Electric power is generated by supplying a fuel gas (for example, hydrogen) and an oxidant gas (for example, oxygen in the air) to the fuel electrode and the air electrode, respectively, and causing a chemical reaction through the solid electrolyte layer.
燃料電池セルは,燃料ガスと酸化剤ガスとが存在する区画を区分するセパレータに,接合して,用いられる。この接合に,通例,Agロウ等のロウ材から構成される接合部が用いられ,燃料ガスと酸化剤ガスが隔離される。 The fuel cell is used by being joined to a separator that divides a section where fuel gas and oxidant gas are present. For this joining, usually, a joining portion made of a brazing material such as Ag brazing is used to isolate the fuel gas and the oxidant gas.
ここで,SOFCの稼動時に,燃料極側の水素と空気極側の酸素が,接合部中を拡散,反応し,接合部にボイドを生成することが知られている。接合部でのボイドの生成を防止するために,ガスの拡散速度が遅い各種Ag合金を接合部として用いる技術が開示されている(特許文献1,2参照)。ガスの拡散速度が遅い材料を用いることで,ロウ材の寿命を長くすることができる。
Here, it is known that during operation of the SOFC, hydrogen on the fuel electrode side and oxygen on the air electrode side diffuse and react in the joint, and generate voids in the joint. In order to prevent the formation of voids at the joint, a technique using various Ag alloys having a slow gas diffusion rate as the joint is disclosed (see
しかしながら,特許文献1,2の技術では,接合部(燃料電池)の長寿命化を図れるものの,例えば,数万時間もの実用的に十分な寿命を確保するのは容易ではなかった。
本発明は,接合部の長寿命化を図った,セパレータ付燃料電池セル,および燃料電池を提供することを目的とする。
However, with the techniques of
It is an object of the present invention to provide a separator-equipped fuel cell and a fuel cell in which the life of the joint is extended.
本発明に係るセパレータ付燃料電池セルは,固体電解質層を空気極および燃料極で挟んで構成される燃料電池セル本体と,表面と裏面とに開口する開口部を有し,Agを含む接合材で構成される接合部を介して,該裏面側が前記燃料電池セル本体に取り付けられる,板状の金属製セパレータと,を具備する,セパレータ付燃料電池セルであって,前記接合部よりも前記開口部側でかつ前記金属製セパレータの裏面と前記セル本体との間に前記開口部の全周にわたって配置され,ガラスを含む封止材を含む封止部と,前記金属製セパレータを挟んで,前記封止部と対向する位置における,前記金属製セパレータの表面上に配置され,前記封止材と同じ材料で構成される拘束部と,を備えることを特徴とする。 A separator-equipped fuel cell according to the present invention includes a fuel cell main body configured by sandwiching a solid electrolyte layer between an air electrode and a fuel electrode, and an opening containing openings on the front and back surfaces, and includes Ag. A separator-equipped fuel cell comprising a plate-like metal separator, the back surface of which is attached to the main body of the fuel cell through a joint constituted by: On the part side and between the back surface of the metal separator and the cell body, and is disposed over the entire circumference of the opening. And a restraining portion that is disposed on the surface of the metal separator at a position facing the sealing portion and is made of the same material as the sealing material.
同じ材料で構成されている(熱膨張係数も同じ)封止部と拘束部とで金属製セパレータを挟んでいるため,燃料電池稼働時の金属製セパレータの変形が抑制される。その結果,封止部が金属製セパレータの変形によって破損して,接合部へ燃料ガスもしくは酸化剤ガスが到達することが抑制される。 Since the metallic separator is sandwiched between the sealing portion and the restraining portion made of the same material (same thermal expansion coefficient), deformation of the metallic separator during operation of the fuel cell is suppressed. As a result, the sealing portion is prevented from being damaged by the deformation of the metallic separator, and the fuel gas or the oxidant gas is prevented from reaching the joint portion.
前記拘束部は,前記開口部の全周にわたって配置されていることが好ましい。
封止部が開口部の全周にわたって配置されている。このため,拘束部を開口部の全周にわたって配置することで,開口部の全周にわたって,金属製セパレータの変形を抑制できる。
It is preferable that the constraining portion is disposed over the entire circumference of the opening.
The sealing part is arrange | positioned over the perimeter of an opening part. For this reason, a deformation | transformation of a metal separator can be suppressed over the perimeter of an opening part by arrange | positioning a restraint part over the perimeter of an opening part.
前記金属製セパレータの開口部側面に配置された連結部によって,前記封止部と前記拘束部とが一体に形成されていることが好ましい。
封止部と拘束部とが一体となることで,金属製セパレータの変形(撓み)のさらなる抑制が可能となる。
また,封止部と拘束部との一体化は,封止部の幅の実質的増大に寄与し,封止部による封止性が向上する。
It is preferable that the sealing portion and the restraining portion are integrally formed by a connecting portion disposed on the side surface of the opening of the metal separator.
Since the sealing portion and the restraining portion are integrated, it is possible to further suppress deformation (deflection) of the metallic separator.
Further, the integration of the sealing portion and the restraining portion contributes to a substantial increase in the width of the sealing portion, and the sealing performance by the sealing portion is improved.
金属製セパレータの熱膨張係数よりも,拘束部を構成する材料の熱膨張係数の方が小さくても良い。
金属製セパレータ,拘束部はそれぞれ,金属,ガラスから構成され,金属製セパレータよりも拘束部の熱膨張係数の方が小さいことが通例である。このような条件でも,拘束部による金属製セパレータの変形(撓み)の抑制が可能である。
The thermal expansion coefficient of the material constituting the restraint portion may be smaller than the thermal expansion coefficient of the metallic separator.
The metallic separator and the restraining part are each made of metal and glass, and the thermal expansion coefficient of the restraining part is usually smaller than that of the metallic separator. Even under such conditions, it is possible to suppress the deformation (deflection) of the metal separator by the restraining portion.
前記接合部と前記封止部との間に,間隙を有しても良い。
接合部と封止部とが接触していなくても,金属製セパレータの変形(撓み)の抑制は可能である。また,間隙にガスが入っていても少量であり,接合部の信頼性等への影響は小さい。
A gap may be provided between the joint portion and the sealing portion.
Even if the joint portion and the sealing portion are not in contact with each other, it is possible to suppress deformation (deflection) of the metal separator. In addition, even if gas is contained in the gap, the amount is small, and the influence on the reliability of the joint is small.
前記封止材の熱膨張係数が,常温から300℃の温度範囲内において,8ppm/K以上12ppm/K以下であることが好ましい。
この範囲の熱膨張係数において,燃料電池稼働時の金属製セパレータの変形の抑制が可能である。
It is preferable that the thermal expansion coefficient of the sealing material is 8 ppm / K or more and 12 ppm / K or less in a temperature range from room temperature to 300 ° C.
With a thermal expansion coefficient in this range, it is possible to suppress deformation of the metal separator during fuel cell operation.
本発明に係る燃料電池スタックは,上記のセパレータ付燃料電池セル,を具備する。
上記のセパレータ付燃料電池セルを用いることで,燃料電池スタック全体としての信頼性が向上する。
A fuel cell stack according to the present invention includes the fuel cell with a separator described above.
By using the fuel cell with a separator described above, the reliability of the entire fuel cell stack is improved.
本発明によれば,金属製セパレータの変形による封止部の破損を抑制することで,接合部のボイドの発生を抑制することで長寿命化を図った,セパレータ付燃料電池セル,および燃料電池を提供できる。 According to the present invention, a fuel cell with a separator, and a fuel cell, in which the failure of the sealing portion due to deformation of the metal separator is suppressed and the generation of voids in the joint portion is suppressed, thereby extending the life. Can provide.
以下,本発明に係る固体酸化物形燃料電池について図面を用いて説明する。 Hereinafter, a solid oxide fuel cell according to the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1の実施の形態)
図1は,本発明の第1実施形態に係る固体酸化物形燃料電池(燃料電池スタック)10を表す斜視図である。固体酸化物形燃料電池10は,燃料ガス(例えば,水素)と酸化剤ガス(例えば,空気(詳しくは空気中の酸素))との供給を受けて発電する。
(First embodiment)
FIG. 1 is a perspective view showing a solid oxide fuel cell (fuel cell stack) 10 according to a first embodiment of the present invention. The solid
固体酸化物形燃料電池10は,エンドプレート11,12,燃料電池セル40(1)〜40(4)が積層され,ボルト21,22(22a,22b),23(23a,23b)およびナット35で固定される。
In the solid
図2は,固体酸化物形燃料電池10の模式断面図である。
固体酸化物形燃料電池10は,燃料電池セル40(1)〜40(4)を積層して構成される燃料電池スタックである。ここでは,判り易さのために,4つの燃料電池セル40(1)〜40(4)を積層しているが,一般には,20〜60個程度の燃料電池セル40を積層することが多い。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the solid
The solid
エンドプレート11,12,燃料電池セル40(1)〜40(4)は,ボルト21,22(22a,22b),23(23a,23b)に対応する貫通孔31,32(32a,32b),33(33a,33b)を有する。
エンドプレート11,12は,積層される燃料電池セル40(1)〜40(4)を押圧,保持する保持板であり,かつ燃料電池セル40(1)〜40(4)からの電流の出力端子でもある。
The
The
図3は,燃料電池セル40の断面図である。図4は,燃料電池セル本体44と金属製セパレータ53(セパレータ付燃料電池セル50)を分解した状態を表す分解斜視図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view of the
図3に示すように,燃料電池セル40は,いわゆる燃料極支持膜形タイプの燃料電池セルであり,インターコネクタ41,45,集電体42,枠部43を備える。
As shown in FIG. 3, the
燃料電池セル本体44は,固体電解質層56を空気極(カソード,空気極層ともいう)55,および,燃料極(アノード,燃料極層ともいう)57で挟んで構成される。固体電解質層56の酸化剤ガス流路47側,燃料ガス流路48側それぞれに,空気極55,燃料極57が配置される。
The fuel cell
空気極55としては,ペロブスカイト系酸化物(例えば,LSCF(ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物),LSM(ランタンストロンチウムマンガン酸化物),各種貴金属及び貴金属とセラミックとのサーメットが使用できる。
As the
固体電解質層56としては,YSZ(イットリア安定化ジルコニア),ScSZ(スカンジア安定化ジルコニア),SDC(サマリウムドープセリア),GDC(ガドリニウムドープセリア),ペロブスカイト系酸化物等の材料が使用できる。
For the
燃料極57としては,金属が好ましく,Ni及びNiとセラミックとのサーメットやNi基合金が使用できる。
The
インターコネクタ41,45は,燃料電池セル本体44間の導通を確保し,かつ燃料電池セル本体44間でのガスの混合を防止し得る,導電性(例えば,ステンレス鋼等の金属)を有する板状の部材である。
The
なお,燃料電池セル本体44間には,1個のインターコネクタ(41若しくは45)のみが配置される(直列に接続される二つの燃料電池セル本体44の間に一つのインターコネクタを共有しているため)。また,最上層および最下層の燃料電池セル本体44それぞれでは,インターコネクタ41,45に替えて,導電性を有するエンドプレート11,12が配置される。
In addition, only one interconnector (41 or 45) is disposed between the fuel cell main bodies 44 (one interconnector is shared between two fuel cell
集電体42は,燃料電池セル本体44(空気極55)とインターコネクタ41との間の導通を確保するためのものであり,例えば,ニッケル合金等の金属材料からなる。また,集電体42が,弾性を有していてもよい。
The
枠部43は,酸化剤ガス,燃料ガスが流れる開口46を有する。この開口46は,気密に保持され,かつ酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路47,燃料ガスが流れる燃料ガス流路48に区分される。また,本実施形態の枠部43は,空気極フレーム51,絶縁フレーム52,金属製セパレータ53,燃料極フレーム54で構成される。
The
空気極フレーム51は,空気極55側に配置される金属製の枠体で,中央部には開口46を有する。該開口46によって,酸化剤ガス流路47を区画する。
The
絶縁フレーム52は,インターコネクタ41,45間を電気的に絶縁する枠体で,例えば,Al2O3などのセラミックスやマイカ,バーミキュライトなどが使用でき,中央部には開口46を有する。該開口46によって,酸化剤ガス流路47を区画する。具体的には,絶縁フレーム52は,インターコネクタ41,45の間において,一方の面が空気極フレーム51に,他方の面が金属製セパレータ53に接触して配置されている。この結果,絶縁フレーム52により,インターコネクタ41,45間が電気的に絶縁されている。
The insulating
金属製セパレータ53は,開口部58を有する枠状の金属製の薄板(例えば,厚さ:0.1mm)であり,燃料電池セル本体44の固体電解質層56に取り付けられ,かつ酸化剤ガスと燃料ガスとの混合を防止する金属製の枠体である。金属製セパレータ53によって,枠部43の開口46内の間隙が,酸化剤ガス流路47と燃料ガス流路48に区切られ,酸化剤ガスと燃料ガスとの混合が防止される。
The
金属製セパレータ53には,金属製セパレータ53の上面と下面の間を貫通する貫通孔によって開口部58が形成され,この開口部58内に,燃料電池セル本体44の空気極55が配置される。また,この開口部58に燃料電池セル本体44が接合,封止される。金属製セパレータ53が接合された燃料電池セル本体44を「セパレータ付燃料電池セル50」という。なお,この詳細は後述する。
An
燃料極フレーム54は,絶縁フレーム52と同様に,燃料極57側に配置される絶縁フレームであり,中央部には開口46を有する。該開口46によって,燃料ガス流路48を区画する。
Like the insulating
空気極フレーム51,絶縁フレーム52,金属製セパレータ53,燃料極フレーム54は,ボルト21,22(22a,22b),23(23a,23b)が挿入されるか,もしくは酸化剤ガスか燃料ガスが流通する貫通孔31,32(32a,32b),33(33a,33b)をそれぞれの周辺部に有する。
(セパレータ付燃料電池セル50の詳細)
本実施形態に係るセパレータ付燃料電池セル50は,接合部61,封止部62,拘束部63を有する。燃料電池セル本体44と金属製セパレータ53の間に接合部61,封止部62が配置される。開口部58に沿って,金属製セパレータ53の下面と固体電解質層56の上面が接合部61で接合され,封止部62で封止される。拘束部63は,封止部62に対応して,金属製セパレータ53の上面に配置される。
(Details of
The separator-equipped
接合部61は,Agを含むロウ材から構成され,開口部58に沿って,全周にわたって,燃料電池セル本体44と金属製セパレータ53とを接合する。接合部61(Agロウ)は,例えば,2〜6mmの幅,10〜80μmの厚さを有する。
The joining
接合部61の材質として,Agを主成分とする各種のロウ材を採用できる。例えば,ロウ材として,Agと酸化物の混合体,例えば,Ag−Al2O3(AgとAl2O3(アルミナ)の混合体)を利用できる。Agと酸化物の混合体としては,Ag−CuO,Ag−TiO2,Ag−Cr2O3,Ag−SiO2も挙げることができる。また,ロウ材として,Agと他の金属の合金(例えば,Ag−Ge−Cr,Ag−Ti,Ag−Al)も利用できる。
As the material of the joining
Agを含むロウ材(Agロウ)は,大気雰囲気でもロウ付け温度で酸化し難い。このため,Agロウを用いて,燃料電池セル本体44と金属製セパレータ53とを大気雰囲気で接合でき,工程の効率上,好ましい。
The brazing material containing Ag (Ag brazing) is not easily oxidized at the brazing temperature even in an air atmosphere. For this reason, the fuel cell
封止部62は,開口部58に沿って,全周にわたって,接合部61よりも開口部58側(内周側)に配置され,金属製セパレータ53の開口部58内にある酸化剤ガスと開口部58外にある燃料ガスとの混合を防ぐために燃料電池セル本体44と金属製セパレータ53間を封止する。
The sealing
封止部62が接合部61よりも開口部58側(内周側)に配置されることから,接合部61が酸化剤ガスに接触することが無くなり,酸化剤ガス流路47側から接合部61への酸素の移動が阻止される。この結果,水素と酸素の反応によって接合部61にボイドが発生して,ガスリークすることを防止できる。
封止部62は,例えば,0.2〜4mmの幅,10〜80μmの厚さを有する。
Since the sealing
The sealing
拘束部63は,金属製セパレータ53を挟んで,封止部62と対向する位置における,金属製セパレータ53の表面上に,開口部58の全周にわたって,配置される。
拘束部63は,封止部62と同じ材料(熱膨張係数も同じ)で構成され,封止部62と共に,金属製セパレータ53を挟む。この結果,固体酸化物形燃料電池10の稼動時での金属製セパレータ53の変形が抑制される。
The restraining
The restraining
なお,「同じ材料」とは,完全に同一のみならず,実質的に同一の材料をも含むものとする。上述した剥がれ(封止性の低下)防止に寄与するのであれば,多少の組成の相違は許容される。例えば,1重量%程度組成比が相違する材料は,実質的に同一の材料として良い。 The “same material” includes not only completely the same material but also substantially the same material. If it contributes to preventing the above-described peeling (decrease in sealing performance), a slight difference in composition is allowed. For example, materials having different composition ratios by about 1% by weight may be substantially the same material.
拘束部63が配置されて無い場合,固体酸化物形燃料電池10の稼働時には,金属製セパレータ53と封止部62とが共に700℃程度に加熱され共に変形する(熱膨張)。ここで,金属製セパレータ53と封止部62とでは熱膨張係数が異なることから,両者の変形量に差が発生し,金属製セパレータ53が反るような変形を与える熱応力が金属製セパレータ53と封止部62との間に発生する。その結果,封止部62と金属製セパレータ53との界面が剥離し,封止部62による封止性が低下する可能性がある。
When the
封止部62と対向する位置に,封止材と同じ材料で構成される拘束部63が配置されていると,固体酸化物形燃料電池10の稼働時に,金属製セパレータ53と封止部62間(金属製セパレータ53の裏面側)に発生する熱応力と,金属製セパレータ53と拘束部63間(金属製セパレータ53の表面側)に発生する熱応力とが釣合う。この結果,金属製セパレータ53の反るような変形が抑制され,金属製セパレータ53と封止部62間の剥がれ(封止部62による封止性の低下)が防止される。
When the restraining
金属製セパレータ53の厚みが厚いと,金属製セパレータ53の剛性が高くなって,燃料電池セル本体44と金属製セパレータ53間の熱膨張差に起因する応力を緩和し難くなり,その結果、燃料電池セル本体44が割れる可能性がある。一方,金属製セパレータ53が薄いと,剛性が低くなるので、熱膨張差に起因する応力を緩和し易くなり、燃料電池セル本体44の割れの発生が抑制されるが,接合部61を構成する接合材と封止部62を構成する封止材との、冷却時における熱膨張差に起因した金属製セパレータ53の反り上がりが発生し易くなる。ここでは,金属製セパレータ53を薄くして,上記接合材と上記封止材の熱膨張差に起因する応力を緩和し易くすると共に,拘束部63によって反りを防止している。
When the
ここでは,接合部61(ロウ材)と同様に,封止部62を金属製セパレータ53と燃料電池セル本体44の間に配置している。このため,封止部62に印加される応力は,せん断応力であり,封止部62が割れ難くなる。
Here, the sealing
封止部62の厚みは,その配置箇所からして,接合部61(ロウ材)と同等になる。
拘束部63は薄いと拘束効果が小さいので,封止部62と同等以上の厚さがあるのが好ましい。
The thickness of the sealing
Since the restraining effect is small when the restraining
封止部62には,ガラスを含む封止材,具体的には,ガラス,ガラスセラミックス(結晶化ガラス),ガラスとセラミックスの複合物を利用できる。一例として,SCHOTT社製ガラス:G018−311が使用できる。
For the sealing
封止部62が開口部58の全周にわたって配置されていることから,拘束部63を開口部58の全周にわたって配置することで,開口部58の全周にわたって,金属製セパレータ53の変形を抑制できる。
Since the sealing
金属製セパレータ53の熱膨張係数よりも,拘束部63を構成する材料の熱膨張係数の方が小さくても良い。
金属製セパレータ53,拘束部63はそれぞれ,金属,ガラスから構成され,金属製セパレータ53よりも拘束部63の熱膨張係数の方が小さいことが通例である。このような条件でも,拘束部63による金属製セパレータ53の変形の抑制が可能である。
The thermal expansion coefficient of the material constituting the restraining
Each of the
なお,後述のように,封止材の熱膨張係数が,常温から300℃の温度範囲内において,8ppm/K以上,12ppm/K以下であることが好ましい。 As will be described later, the thermal expansion coefficient of the sealing material is preferably 8 ppm / K or more and 12 ppm / K or less in a temperature range from room temperature to 300 ° C.
以下,上述したセパレータ付燃料電池セル50(金属製セパレータ53が接合された燃料電池セル本体44)の製造方法につき説明する。図5A〜図5Eは,製造中のセパレータ付燃料電池セル50を表す断面図である。
Hereinafter, a manufacturing method of the above-described separator-attached fuel cell 50 (the fuel cell
まずは例えば,SUH21(18Cr−3Al(Al含有フェライト系ステンレス鋼の一種))からなる板材を打ち抜いて,開口部58を有する金属製セパレータ53を製造した。
First, for example, a plate material made of SUH21 (18Cr-3Al (a kind of Al-containing ferritic stainless steel)) was punched to manufacture a
また,燃料極57のグリーンシートの一方の表面に,固体電解質層56のシートを貼り付けて,積層体を形成し,該積層体を一旦焼成した。その後,空気極55の材料を印刷し,焼成して燃料電池セル本体44を作成した。
In addition, a sheet of the
燃料電池セル本体44と金属製セパレータ53それぞれにロウ材611,612を配置する(図5A参照)。例えば,ペースト状のAgを含むロウ材を所定形状に燃料電池セル本体44の固体電解質層56の上面と金属製セパレータ53の下面に印刷することで,燃料電池セル本体44と金属製セパレータ53それぞれにロウ材611,612を配置した。
なお,ロウ材611,612の配置の手法としては,上記以外に,ディスペンサ等を用いて行ってもよい。
ロウ材611,612は,例えば,2〜6mmの幅,10〜80μmの厚さを有する。
The
In addition, as a method of arranging the
For example, the
次いで,燃料電池セル本体44の固体電解質層56の上面に封止材621を配置する(図5B参照)。例えば,封止材としてガラスを含むペーストを印刷することで,燃料電池セル本体44の固体電解質層56の上面に封止材621を配置できる。
封止材621は,例えば,0.2〜4mmの幅,10〜80μmの厚さを有する。
Next, the sealing material 621 is disposed on the upper surface of the
The sealing material 621 has, for example, a width of 0.2 to 4 mm and a thickness of 10 to 80 μm.
なお,封止材621の配置の手法としては,上記以外に,ディスペンサを用いて行ってもよい。
封止材621は,固体電解質層56の上面ではなく,金属製セパレータ53の下面に印刷してもよい。また,封止材621は,固体電解質層56の上面,金属製セパレータ53の下面の双方に配置しても良い。
In addition, as a method of arranging the sealing material 621, a dispenser may be used in addition to the above.
The sealing material 621 may be printed not on the upper surface of the
ロウ材611,612及び封止材621を溶融し,燃料電池セル本体44と金属製セパレータ53とを接合する(接合部61の形成)と同時に,封止部62を形成する(図5C参照)。ロウ材611,612が配置された燃料電池セル本体44と金属製セパレータ53とを接触させ,例えば,850〜1100℃で加熱することで,ロウ材611,612が溶融し,燃料電池セル本体44と金属製セパレータ53とが接合される。このとき封止材621も同時に溶融し,燃料電池セル本体44と金属製セパレータ53とが封止される。
The
金属製セパレータ53の上に封止材621と同じ組成からなる拘束材631を配置する(図5D参照)。例えば,金属製セパレータ53の上面に封止材としてガラスを含むペーストを印刷することで,所定の位置に拘束材631を配置することができる。拘束材631の配置の手法としては,上記以外に,ディスペンサを用いて行ってもよい。
拘束材631は,例えば,0.2〜4mmの幅,10〜200μmの厚さを有し,かつ封止材621よりも厚い。
A constraining
The restraining
封止材621および拘束材631を溶融し,拘束部63を形成する(図5E参照)。接合部61で接合され,かつ封止部62で封止され,さらに拘束材631が配置された燃料電池セル本体44と金属製セパレータ53を,例えば,850〜1100℃で加熱することで,拘束材631が溶融し,拘束部63が形成される。
The sealing material 621 and the restraining
以上の工程を経て,本実施例のセパレータ付燃料電池セル50(金属製セパレータ53が接合された燃料電池セル本体44)を作成した。
Through the above steps, the separator-equipped fuel cell 50 (the fuel cell
(固体酸化物形燃料電池(燃料電池スタック)10の製造方法)
例えば,SUH21からなる板材を所定の形状に打ち抜き,空気極フレーム51,燃料極フレーム54を製造した。一方,エンドプレート11,12,インターコネクタ41,45は,例えば,日立金属製ZMG232材からなる板材を所定の形状に打ち抜いて製造できる。絶縁フレーム52は,例えば,マイカよりなる板材を加工して製造できる。
(Method for producing solid oxide fuel cell (fuel cell stack) 10)
For example, the
上述した製造方法で作成したセパレータ付燃料電池セル50の燃料電池セル本体44の空気極55側には,金属製セパレータ53上に,絶縁フレーム52と空気極フレーム51とインターコネクタ41の順で,燃料極57側には,燃料極フレーム54とインターコネクタ45の順で,それぞれを配置し,燃料電池セル40を製造できる。
On the
複数の燃料電池セル40を積層し,最上層と最下層にはエンドプレート11,12が配置し,ボルト21〜23とナット35によって,エンドプレート11,12で複数の燃料電池セル40を挟んで固定し,燃料電池スタック10を作成した。
A plurality of
(第2の実施形態)
第2の実施形態を説明する。図5は,第2の実施形態に係る燃料電池セル40aの断面図である。図6は,第2の実施形態に係る燃料電池セル本体44と金属製セパレータ53(セパレータ付燃料電池セル50a)を分解した状態を表す分解斜視図である。
(Second Embodiment)
A second embodiment will be described. FIG. 5 is a cross-sectional view of the
燃料電池セル40aは,開口部58の側面に配置され,封止部62aの構成材料(封止材)と同じ材料で構成される連結部64を有する。即ち,封止部62aと拘束部63aが連結部64により連結され,一体に形成されている。
The
封止部62aと拘束部63aとが一体となることで,金属製セパレータ53の変形(撓み)のさらなる抑制が可能となる。既述のように,拘束部63aは,封止部62aと同じ材料(熱膨張係数も同じ)で構成され,封止部62aと共に,金属製セパレータ53を挟むことで,固体酸化物形燃料電池10の稼働時での金属製セパレータ53の変形が抑制される。開口部58に沿って,金属製セパレータ53の上下に加え,開口部58の側面にも,封止部62aの構成材料(封止材)と同じ材料(熱膨張係数も実質的に同じ)が配置されることで,金属製セパレータ53の変形がより効果的に阻止される。
Since the sealing
また,封止部62aと拘束部63aとの一体化は,封止部62aの幅,いわゆるシールパスの実質的増大に寄与し,封止部62aによる封止性が向上する。既述のように,封止部62aは,酸化剤ガス流路47から接合部61への酸化剤ガスの移動を阻止するので封止部62aと拘束部63aとが一体化することで,酸化剤ガス流路47から接合部61に至る経路上での,封止部62aの長さ(シールパス)が長くなる。この結果,封止部62aによる封止性がより向上する。
Further, the integration of the sealing
本実施例にセパレータ付燃料電池セル50a(金属製セパレータ53が接合された燃料電池セル本体44)は以下の製造方法で作成した。図8A〜図8Eは,製造中のセパレータ付燃料電池セル50aを表す断面図である。
The
接合部61,封止部62,拘束部63を形成する工程以外は,同じ工程にて行ったので,説明は諸略し,ここでは,接合部61,封止部62,拘束部63を形成する工程について説明する。
Since the steps other than the step of forming the
燃料電池セル本体44と金属製セパレータ53それぞれにロウ材611,612を配置する(図8A参照)。例えば,ペースト状のAgを含むロウ材を所定形状に燃料電池セル本体44の固体電解質層56の上面と金属製セパレータ53の下面に印刷することで,燃料電池セル本体44と金属製セパレータ53それぞれにロウ材611,612を配置した。
なお,ロウ材611,612の配置の手法としては,上記以外に,ディスペンサ等を用いて行ってもよい。
ロウ材611,612は,例えば,2〜6mmの幅,10〜80μmの厚さを有する。
The
In addition, as a method of arranging the
For example, the
ロウ材611,612を溶融し,燃料電池セル本体44と金属製セパレータ53とを接合する(接合部61の形成,図8B参照)。ロウ材611,612が配置された燃料電池セル本体44と金属製セパレータ53とを接触させ,例えば,850〜1100℃で加熱することで,ロウ材611,612が溶融し,燃料電池セル本体44と金属製セパレータ53とが接合される。
The
燃料電池セル本体44から金属製セパレータ53の上に封止材621と同じ組成からなる拘束材631を配置する(図8C参照)。例えば,封止材としてガラスを含むペーストをディスペンサ塗布することで,燃料電池セル本体44から金属製セパレータ53にかけて拘束材631を配置できる。なお,拘束材631の配置の手法としては,上記以外に,印刷で行ってもよい。
拘束材631は,例えば,0.2〜4mmの幅,10〜200μmの厚さを有する。
A
The restraining
燃料電池セル本体44と金属製セパレータ53との間の間隙に,封止材621を配置する(図8D参照)。例えば,真空脱泡によって,燃料電池セル本体44と金属製セパレータ53との間の気泡を抜くことで,封止材621を配置できる。
A sealing material 621 is disposed in the gap between the fuel cell
真空脱泡するには,例えば,燃料電池セル本体44と金属製セパレータ53を容器内に収容し,真空ポンプ等で空気を抜き,容器内を真空状態とする。このようにすると,燃料電池セル本体44と金属製セパレータ53の間隙内の気泡(空気)が封止材621を通って,容器内に排出される(真空脱泡)。この結果,燃料電池セル本体44と金属製セパレータ53の間隙内が封止材621で満たされる(封止材621の配置)。
なお,このときの気泡の排出には,封止材621の粘度がある程度低いことが好ましい。例えば,封止材621の温度を室温よりも上げて,粘度を低下させることが考えられる。
For vacuum defoaming, for example, the fuel battery cell
Note that the viscosity of the sealing material 621 is preferably low to some extent for discharging bubbles at this time. For example, it is conceivable that the temperature of the sealing material 621 is raised from room temperature to lower the viscosity.
封止材621および拘束材631を溶融し,封止部62と拘束部63を形成する(図8E参照)。接合部61で接合され,かつ封止材621および拘束材631が配置された燃料電池セル本体44と金属製セパレータ53を,例えば,850〜1100℃で加熱することで,封止材621および拘束材631が溶融し,封止部62と拘束部63が形成される。
The sealing material 621 and the restraining
以上の工程を経て,本実施例のセパレータ付燃料電池セル50a(金属製セパレータ53が接合された燃料電池セル本体44)を作成した。
Through the above steps, the separator-equipped
(第2の実施形態の変形例)
第2の実施形態の変形例を説明する。図9は,第2の実施形態の変形例に係る燃料電池セル40bの断面図である。図10は,第2の実施形態の変形例に係る燃料電池セル本体44と金属製セパレータ53(セパレータ付燃料電池セル50b)を分解した状態を表す分解斜視図である。
(Modification of the second embodiment)
A modification of the second embodiment will be described. FIG. 9 is a cross-sectional view of a fuel cell 40b according to a modification of the second embodiment. FIG. 10 is an exploded perspective view showing a state in which the fuel cell
燃料電池セル40bでは,接合部61と封止部62bの間に間隙(空間)を有する。このように,接合部61と封止部62bとが接触していなくても,金属製セパレータ53の変形の抑制は可能である。
In the fuel battery cell 40b, a gap (space) is provided between the
燃料電池セル40a,40bでは,接合部61と封止部62a,62bが開口部58の全周に亘って,接触している,または間隙を有する。その中間の態様として,開口部58の周の一部で接合部61と封止部62a,62bとが接触し,開口部58の周の一部で接合部61と封止部62bとが接触しないことも考えられる。
また,燃料電池セル40のように,連結部64を有しない状態において,接合部61と封止部62の間に間隙(空間)を有しても良い。
In the
Further, a gap (space) may be provided between the joining
(固体酸化物形燃料電池10の耐久試験)
以下,固体酸化物形燃料電池10の耐久試験につき説明する。ここでは,第2の実施形態に対応する形状の固体酸化物形燃料電池10を作成,試験した。
(Durability test of solid oxide fuel cell 10)
Hereinafter, the durability test of the solid
〈試料〉
作成した試料(固体酸化物形燃料電池10)を説明する。境界部長さLを変化させて,次の試料を作成した。境界部長さLは,封止材621の酸化剤ガス雰囲気界面と燃料ガス雰囲気界面間の直線距離である。
<sample>
The prepared sample (solid oxide fuel cell 10) will be described. The following sample was prepared by changing the boundary length L. The boundary length L is a linear distance between the oxidant gas atmosphere interface and the fuel gas atmosphere interface of the sealing material 621.
・金属製セパレータ53
金属製セパレータ53の構成材料:フェライト系SUS(SUH21)
・接合部61
接合部61の構成材料(ロウ材):Agロウ
接合部61の厚さ:10〜80μm
接合部61の幅:4mm
接合部61の形成方法: ロウ材を含むペーストを印刷し,大気中で溶融
・封止部62,拘束部63,連結部64
封止部62,拘束部63,連結部64の構成材料: 熱膨張係数10ppm/Kのガラス
・
Component material of metal separator 53: Ferritic SUS (SUH21)
・
Constituent material of the joint portion 61 (brazing material): Ag braze Thickness of the joint portion 61: 10 to 80 μm
The width of the junction 61: 4 mm
Forming method of the joining part 61: The paste containing the brazing material is printed, and the melting / sealing
Constituent material of the sealing
〈試験方法〉
燃料ガスとして水素,酸化剤ガスとして大気を用い,金属製セパレータ53が750℃の状態で,500時間,固体酸化物形燃料電池10として,動作させた。
<Test method>
The solid
試験後の試料での接合部61の空孔率を測定した。試料を分解し,接合部61の断面を観察することで,空孔率を測定した。具体的には,光学顕微鏡で断面写真を撮影し,空孔部(黒色)と健全部(白色部)の面積比を算出し,空孔率とした。孔が無いものが空孔率0%となる。 The porosity of the joint 61 in the sample after the test was measured. The porosity was measured by disassembling the sample and observing the cross section of the joint 61. Specifically, a cross-sectional photograph was taken with an optical microscope, and the area ratio between the hole portion (black) and the healthy portion (white portion) was calculated to obtain the porosity. Those having no holes have a porosity of 0%.
図11に,境界長さLと空孔率Rの関係を表す。境界長さLを100μm以上とすることで,空孔率Rを著しく低減できることが判る。このことは,封止部62と拘束部63の連結すること(連結部64)が,封止部62による封止の確実性を向上し,接合部61での空孔の発生防止に有効であることを示す。
FIG. 11 shows the relationship between the boundary length L and the porosity R. It can be seen that the porosity R can be significantly reduced by setting the boundary length L to 100 μm or more. This is because the connection between the sealing
ここで,熱膨張係数の多少の相違は許容される。常温から300℃の温度範囲内において,8ppm/K以上12ppm/K以下程度の封止材を利用可能である。 Here, some differences in the coefficient of thermal expansion are allowed. A sealing material of about 8 ppm / K or more and 12 ppm / K or less can be used in a temperature range from room temperature to 300 ° C.
(その他の実施形態)
本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張,変更可能であり,拡張,変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
上記実施形態では,アノード支持タイプの燃料電池セルに適用するために,固体電解質層56の上面(空気極55側)に金属製セパレータ53が接合されている。これに対して,例えば,固体電解質支持タイプやカソード支持タイプなどでは,固体電解質層56の下面(燃料極57側)に金属製セパレータ53を接合しても良い。この場合,燃料極57は,固体電解質層56より小さく形成され,かつ開口部58内に配置され,酸化性ガスに晒されないようにされる。
(Other embodiments)
Embodiments of the present invention are not limited to the above-described embodiments, and can be expanded and modified. The expanded and modified embodiments are also included in the technical scope of the present invention.
In the above embodiment, the
10 固体酸化物形燃料電池
10 燃料電池スタック
11,12 エンドプレート
21-23 ボルト
31,32 貫通孔
35 ナット
40 燃料電池セル
41,45 インターコネクタ
42 集電体
43 枠部
44 燃料電池セル本体
45 インターコネクタ
46 開口
47 酸化剤ガス流路
48 燃料ガス流路
50 セパレータ付燃料電池セル
51 空気極フレーム
52 絶縁フレーム
53 金属製セパレータ
54 燃料極フレーム
55 空気極
56 固体電解質層
57 燃料極
58 開口部
61 接合部
611,612 ロウ材
62 封止部
621 封止材
63 拘束部
631 拘束材
64 連結部
DESCRIPTION OF
Claims (7)
表面と裏面とに開口する開口部を有し,Agを含む接合材で構成される接合部を介して,該裏面側が前記燃料電池セル本体に取り付けられる,板状の金属製セパレータと,
を具備する,セパレータ付燃料電池セルであって,
前記接合部よりも前記開口部側でかつ前記金属製セパレータの裏面と前記セル本体との間に前記開口部の全周にわたって配置され,ガラスを含む封止材を含む封止部と,
前記金属製セパレータを挟んで,前記封止部と対向する位置における,前記金属製セパレータの表面上に配置され,前記封止材と同じ材料で構成される拘束部と,
を備えることを特徴とするセパレータ付燃料電池セル。 A fuel cell body configured by sandwiching a solid electrolyte layer between an air electrode and a fuel electrode;
A plate-shaped metal separator having openings on the front surface and the back surface, the back surface side being attached to the fuel cell body through a joint portion made of a joining material containing Ag;
A fuel cell with a separator, comprising:
A sealing part that is disposed over the entire periphery of the opening part on the opening part side of the joining part and between the back surface of the metallic separator and the cell body, and includes a sealing material including glass;
A constraining portion that is disposed on the surface of the metallic separator at a position facing the sealing portion across the metallic separator, and is made of the same material as the sealing material;
A fuel cell with a separator, comprising:
ことを特徴とする請求項1記載のセパレータ付燃料電池セル。 The restraining portion is disposed over the entire circumference of the opening;
The separator-equipped fuel cell according to claim 1.
ことを特徴とする請求項1または2に記載のセパレータ付燃料電池セル。 The sealing portion and the restraining portion are integrally formed by a connecting portion disposed on the side surface of the opening of the metal separator.
The separator-equipped fuel cell according to claim 1 or 2.
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のセパレータ付燃料電池セル。 The thermal expansion coefficient of the material constituting the restraint is smaller than the thermal expansion coefficient of the metal separator.
The separator-equipped fuel cell according to any one of claims 1 to 3.
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のセパレータ付燃料電池セル本体。 Having a gap between the sealing portion and the joint portion;
The fuel cell body with a separator according to any one of claims 1 to 4, wherein the fuel cell body with a separator is provided.
ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載のセパレータ付燃料電池セル本体。 The thermal expansion coefficient of the sealing material is 8 ppm / K or more and 12 ppm / K or less in a temperature range from room temperature to 300 ° C.,
The fuel cell body with a separator according to any one of claims 1 to 5, wherein
を具備することを特徴とする燃料電池。 A fuel cell body with a separator according to any one of claims 1 to 6,
A fuel cell comprising:
Priority Applications (8)
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