JP6013304B2 - セパレータ付燃料電池単セル,および燃料電池スタック - Google Patents
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Description
また,ガラスで接合した場合,接合部分での水素と酸素の拡散は防止できるものの,接合強度が弱く,燃料電池スタックの作成時にガラスの接合部分が剥がれたり,割れたりして,ガスがリークする畏れがある。
本発明は,燃料電池単セルとセパレータの接合および封止の信頼性を向上した,セパレータ付燃料電池単セル,および燃料電池を提供することを目的とする。
空気極,燃料極,およびこれらの間に配置される固体電解質層を有する,燃料電池単セルと,
第1主面,第2主面,並びにこれら第1主面および第2主面間を貫通する貫通孔を有する,板状の金属製セパレータと,
前記燃料電池単セルと,前記金属製セパレータの第1主面と,を接合し,Agを含むロウ材から成る,接合部と,
を具備するセパレータ付燃料電池単セルであって,
前記接合部が,前記燃料電池単セルと,前記金属製セパレータの第1主面との間から前記貫通孔側にはみ出して成るはみ出し部を有し,
前記はみ出し部が,前記燃料電池単セルを基準として,前記第2主面より低く,
前記金属製セパレータの前記貫通孔に沿って全周にわたって配置され,かつ前記はみ出し部と前記第2主面の一部を覆う,ガラスを含む封止材から成る,封止部と,
を具備することを特徴とする。
また,封止部が接合部よりも貫通孔側に配置されることから,接合部が直接酸化剤ガスに接触することが無いので,接合部への酸素の接触が阻止される。この結果,接合部中への酸素の拡散が抑制され,水素と酸素の反応によって発生するボイドを防止することができる。
はみ出し部が,金属製セパレータの第1主面(下面)より高いと,段差がより軽減され,封止部の形成不良(ガラスの引け)がより確実に防止される。
前記接合部が,1体積%以上25体積%以下の,Alの酸化物または複合酸化物を含み,
前記封止部が,Al2O3換算で,1質量%以上30質量%以下の,Alを含んでも良い。
これらAlの酸化物を用い,親和性を良好にできる。
接合および封止の信頼性が向上した燃料電池スタックを提供できる。
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。
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。
本実施形態では,燃料電池単セル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,セパレータ付燃料電池単セル50を構成する。貫通孔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。
また,このことが,後述のはみ出し部611による段差の軽減と相俟って,封止部62の形成不良(ガラスの引け)を防止する。なお,この詳細は後述する。
Al枯渇に対する耐性の観点から金属製セパレータ53は,2wt%以上のAlを含むことがより好ましい。一方,金属製セパレータ53が,10質量%以上のAlを含むと,硬くなり,加工および応力緩和が困難になる。
また,Al含有量が1.5質量%以上であれば,金属製セパレータ53のアルミナ被膜と接合部61(Agロウ)中のAlを含む酸化物が親和してアンカー材として働き,接合が強化される。
接合部本体611は,燃料電池単セル44と金属製セパレータ53の下面(第1主面)の間に配置される部位である。はみ出し部612は,燃料電池単セル44と金属製セパレータ53の下面(第1主面)の間からはみ出た部位である(幅Dのはみ出し)。
接合部本体611は,例えば,2〜6mmの幅,10〜80μmの厚さを有する。はみ出し部612は,例えば,100μm〜500μmの幅D,10〜160μmの高さH3(厚さ)を有する。
はみ出し部612の高さH3が,金属製セパレータ53の下面の高さH1より高いと,高さH1より低い場合と比べて,段差がより軽減され,封止部62の形成不良(ガラスの引け)がより確実に防止される。一方,はみ出し部612が,金属製セパレータ53の上面より高いと,逆に段差が大きくなり,封止部62の形成不良(ガラスの引け)が発生する畏れがある。
添加量が1wt%より少ないと,金属製セパレータ53のアルミナ被膜や接合部61が,Agロウと親和性が無くなり,封止(熱処理)時に,Agロウをはじきやすくなる。Al2O3の添加量が30wt%より多いと,熱膨張係数が低くなって,金属製セパレータ53との熱膨張差によって封止材が割れる畏れがある。
変形例1を説明する。図7は,変形例1に係る燃料電池セル40aの断面図である。
変形例2を説明する。図8は,変形例2に係る燃料電池セル40bの断面図である。図9は,燃料電池セル40bの枠A内の拡大断面図である。
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。
11,12 エンドプレート
21,22 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
42a,42b, 集電体
43 枠部
44 燃料電池単セル
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単セル
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 貫通孔
61 接合部
611 接合部本体
612 はみ出し部
62 封止部
Claims (5)
- 空気極,燃料極,およびこれらの間に配置される固体電解質層を有する,燃料電池単セルと,
第1主面,第2主面,並びにこれら第1主面および第2主面間を貫通する貫通孔を有する,板状の金属製セパレータと,
前記燃料電池単セルと,前記金属製セパレータの第1主面と,を接合し,Agを含むロウ材から成る,接合部と,
を具備するセパレータ付燃料電池単セルであって,
前記接合部が,前記燃料電池単セルと,前記金属製セパレータの第1主面との間から前記貫通孔側にはみ出して成るはみ出し部を有し,
前記はみ出し部が,前記燃料電池単セルを基準として,前記第2主面より低く,
前記金属製セパレータの前記貫通孔に沿って全周にわたって配置され,かつ前記はみ出し部と前記第2主面の一部を覆う,ガラスを含む封止材から成る,封止部と,
を具備することを特徴とするセパレータ付燃料電池単セル。 - 前記はみ出し部が,前記燃料電池単セルを基準として,前記第1主面より高い,
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単セル。 - 前記金属製セパレータが,1.5質量%以上10質量%以下のAlを含み,
前記接合部が,1体積%以上25体積%以下の,Alの酸化物または複合酸化物を含み,
前記封止部が,Al2O3換算で,1質量%以上30質量%以下の,Alを含む,
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単セル。 - 前記Alの酸化物または複合酸化物が,Al2O3,Al含有スピネル型酸化物,またはムライトを有する,
ことを特徴とする請求項3記載のセパレータ付燃料電池単セル。 - 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単セル,
を複数個具備することを特徴とする燃料電池スタック。
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