JP6827090B1

JP6827090B1 - 燃料電池セル

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Publication number: JP6827090B1
Application number: JP2019187941A
Authority: JP
Inventors: 中村　俊之; 俊之中村; 誠大森
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2019-10-11
Filing date: 2019-10-11
Publication date: 2021-02-10
Anticipated expiration: 2039-10-11
Also published as: JP2021064502A

Abstract

【課題】燃料電池セル本体とセパレータとを接合する接合材における応力の集中を緩和させることが可能な燃料電池セルを提供すること。【解決手段】燃料電池セルは、燃料電池セル本体と、セパレータと、接合材と、を備え、電池セル本体は、順次積層された、空気極と、固体電解質層と、燃料極と、を備え、積層方向から見て外周側の縁部に外周縁部を有し、その形状は平板型であり、セパレータは、積層方向から見て、内側に開口が形成され、かつ、内周側の縁部に燃料電池セル本体の外周縁部と重なる内周縁部を有し、接合材として、燃料電池セル本体とセパレータとを接合するセル用接合材を有し、セル用接合材は、積層方向から見て前記燃料電池セル本体の外周縁部とセパレータの内周縁部とが重なる領域である接合部を有し、接合部は、セパレータの内周縁部と接する界面を有し、界面は、その形状が起伏形状である。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池セルに関する。

従来、平板型の固体酸化物形燃料電池（以下、単に「燃料電池」ともいう）が広く知られている（例えば、特許文献１）。平板型の燃料電池は、平板状の固体電解質層と、該固体電解質層の一方の面に設けられた空気極と、他方の面に設けられた燃料極と、を有する燃料電池セル本体を備える燃料電池セルが、複数積層して結合されたスタック構造を有する。燃料電池セルは、さらに、空気極側に位置する酸化剤ガスが存在する空間と、燃料極側に位置する燃料ガスが存在する空間と、を区画するセパレータを有する。該セパレータは、接合材を介して燃料電池セル本体に接合されている。

特開２０１４−４９３２４号公報

平板型の燃料電池セルでは、燃料電池の稼働時の温度変化に伴い、セラミックス等で構成される燃料電池セル本体と、金属等で構成されるセパレータとの間に熱膨張差が生じる。この熱膨張差によって、燃料電池セル本体とセパレータとの間に配置され、燃料電池セル本体とセパレータとを接合する接合材には応力が生じる。特に、接合材の一部の領域には応力が集中するため、該領域にクラックが発生しやすいという問題がある。

本発明は、このような問題に鑑み、燃料電池セル本体とセパレータとを接合する接合材における応力の集中を緩和させることが可能な燃料電池セルを提供することを課題とする。

以下、本発明の技術的構成及び作用効果が説明される。ただし、本発明の作用メカニズムは推定を含んでいる。作用メカニズムの正否により、特許請求の範囲が限定されるべきではない。

本発明に係る燃料電池セルは、燃料電池セル本体と、セパレータと、接合材と、を備え、
前記電池セル本体は、
順次積層された、空気極と、固体電解質層と、燃料極と、を備え、
積層方向から見て外周側の縁部に外周縁部を有し、その形状は平板型であり、
前記セパレータは、積層方向から見て、内側に開口が形成され、かつ、内周側の縁部に前記燃料電池セル本体の外周縁部と重なる内周縁部を有し、
前記接合材として、前記燃料電池セル本体と前記セパレータとを接合するセル用接合材を有し、
前記セル用接合材は、積層方向から見て前記燃料電池セル本体の外周縁部と前記セパレータの内周縁部とが重なる領域である接合部を有し、
前記接合部は、前記セパレータの内周縁部と接する界面を有し、
前記界面は、その形状が起伏形状である。

前記燃料電池セルにおいて、前記界面の形状は起伏形状である。前記界面を起伏形状とすることにより、接合部に加えられる応力が起伏を介して分散される。これにより、接合部に応力が集中することが抑制される。その結果、燃料電池セル本体とセパレータとを接合するセル用接合材における応力の集中を緩和させることができる。

本発明に係る燃料電池セルにおいて、前記接合部は、その最大厚さをＴ_ｍａｘとし、その最小厚さをＴ_ｍｉｎとしたとき、Ｔ_ｍｉｎに対するＴ_ｍａｘの比が１．２０以上２０．０以下であってもよい。

本発明に係る燃料電池セルにおいて、前記接合部は、前記界面における所定の２点間の積層方向から見た直線長さをＸ_１、前記２点間における前記界面の延べ長さをＸ_２とした時、Ｘ_１に対するＸ_２の比が１．０２以上２．００以下であってもよい。

本発明によれば、燃料電池セル本体とセパレータとを接合する接合材における応力の集中を緩和させることが可能な燃料電池セルを提供することができる。

図１は、本実施形態に係る燃料電池セル１の側面視断面図である。図２は、図１に示すセル用接合材２０及びその近傍を示す拡大断面図である。図３は、図１に示すセル用接合材２０の平面図である。図４は、セパレータ３０の内周縁部３１に沿う方向における、延伸部１１２の端面図である。図５は、固体酸化物形燃料電池１００の斜視図である。図６は、固体酸化物形燃料電池１００の側面視断面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る燃料電池セル１について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下の図面において同一又は相当する部分には同一の参照符号を付しその説明は繰り返さない。

図１は、本実施形態に係る燃料電池セル１の側面視断面図である。図１に示すように、燃料電池セル１は、発電機能を有する平板型の燃料電池セル本体１０と、燃料ガスが存在する空間Ａと酸化剤ガスが存在する空間Ｂとを区画するセパレータ３０と、接合材と、を備えている。前記接合材として、燃料電池セル本体１０とセパレータ３０とを接合するセル用接合材２０と、セパレータ３０とインターコネクタ４０とを接合するインターコネクタ用接合材６０と、を有している。さらに、燃料電池セル１は、燃料電池セル本体１０間の導通を確保するインターコネクタ４０と、該インターコネクタ４０と燃料電池セル本体１０との間の導通を確保する集電体５０と、を備えている。

［燃料電池セル本体］
図１に示すように、燃料電池セル本体１０は、順次積層された、空気極１２と、固体電解質層１１と、燃料極１３と、を備えている。すなわち、固体電解質層１１の一方の面には空気極１２が設けられ、他方の面には燃料極１３が設けられていて、固体電解質層１１が空気極１２と燃料極１３とによって挟まれている。燃料極１３は、燃料極基板１３１と、該燃料極基板１３１の一方の面に設けられる燃料極活性部１３２と、を備えている。燃料電池セル本体１０の厚さは、例えば１００〜２１００μｍである。なお、本明細書において、空気極１２、固体電解質層１１及び燃料極１３の各層が積層されている方向を積層方向（図１中のＺ方向）という。すなわち、積層方向は、各層の主面と直交する方向である。

空気極１２、固体電解質層１１及び燃料極１３（燃料極基板１３１及び燃料極活性部１３２）は、それぞれ矩形の平板状に形成されている。つまり、燃料電池セル本体１０は、積層方向から見て矩形状である。積層方向から見た空気極１２の大きさは、固体電解質層１１の大きさよりも小さい。すなわち、固体電解質層１１の外周部は、空気極１２から露出している。また、積層方向から見た固体電解質層１１の大きさは、燃料極活性部１３２の大きさと等しい。さらに、積層方向から見た燃料極活性部１３２の大きさは、燃料極基板１３１の大きさよりも小さい。すなわち、燃料極基板１３１の外周部は、燃料極活性部１３２から露出している。

図２は、図１に示すセル用接合材２０及びその近傍を示す拡大断面図である。図２に示すように、燃料電池セル本体１０は、積層方向から見て、外周側の縁部に外周縁部１０１を有する。すなわち、外周縁部１０１は、空気極１２の外周側の縁部１２ａ、固体電解質層１１の外周側の縁部１１ａ、燃料極基板１３１の外周側の縁部１３１ａ、及び、燃料極活性部１３２の外周側の縁部１３２ａに位置している。

空気極１２は、例えば、ＬＳＭ（Ｌａ（Ｓｒ）ＭｎＯ_３：ランタンストロンチウムマンガナイト）、ＬＳＣＦ（（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３：ランタンストロンチウムコバルトフェライト）などを含む多孔質材料で構成される。空気極１２の気孔率は、例えば１５〜５５％とすることができる。空気極１２の厚さは、例えば５０〜２００μｍとすることができる。空気極１２の熱膨張率は、例えば１１〜１７ｐｐｍ／Ｋとすることができる。

固体電解質層１１は、例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）を含む緻密質材料で構成される。固体電解質層１１の気孔率は、例えば０〜１０％とすることができる。なお、固体電解質層１１は、ＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）などの多孔質材料で構成されてもよい。固体電解質層１１の厚さは、例えば１〜５０μｍとすることができる。固体電解質層１１の熱膨張率は、例えば９〜１１ｐｐｍ／Ｋとすることができる。

燃料極基板１３１は、例えば、ＮｉとＹＳＺとを含む多孔質材料で構成される。燃料極基板１３１の気孔率は、例えば１５〜５５％とすることができる。燃料極基板１３１の厚さは、例えば５０〜２０００μｍとすることができる。燃料極基板１３１の熱膨張率は、例えば１１〜１４ｐｐｍ／Ｋとすることができる。

燃料極活性部１３２は、例えば、ＮｉとＹＳＺとを含む多孔質材料で構成される。燃料極活性部１３２の気孔率は、例えば１５〜５５％とすることができる。燃料極活性部１３２の厚さは、例えば５〜１００μｍとすることができる。燃料極活性部１３２の熱膨張率は、例えば１１〜１４ｐｐｍ／Ｋとすることができる。

燃料電池セル本体１０は、さらに、固体電解質層１１と空気極１２との間に反応防止膜（図示せず）を備えてもよい。燃料電池セル本体１０が反応防止膜を備えることにより、固体電解質層１１を構成する材料と空気極１２を構成する材料とが反応して固体電解質層１１と空気極１２との界面に電気抵抗が大きい反応層が形成される現象の発生を抑制することができる。反応防止膜は、例えば、ＧＤＣから構成される。反応防止膜の気孔率は、例えば１０〜３０％とすることができる。反応防止膜の厚さは、例えば、３〜５０μｍとすることができる。

［セパレータ］
図１及び図２に示すように、セパレータ３０は、積層方向（図１及び図２中のＺ方向）から見て内側に開口が形成される。これにより、積層方向の一方側（図１中の空気極側）から見て、該開口から燃料電池セル本体１０の中央部分が露出している。すなわち、セパレータ３０は、積層方向から見て、燃料電池セル本体１０の外周縁部１０１の一部と重なるように、矩形の枠状に形成されている。

セパレータ３０は、積層方向から見て内周側の縁部に燃料電池セル本体１０の外周縁部１０１と重なる内周縁部３１と、外周側の縁部に位置する外周縁部３２と、を備えている。セパレータ３０は、一部が積層方向の他方側（図１中の燃料極側）に凸となるように湾曲している。また、セパレータ３０の内周縁部３１は、外周縁部３２よりも積層方向の他方側に位置し、セル用接合材２０の積層方向の一方側の表面と接合している。一方、セパレータ３０の外周縁部３２は、内周縁部３１よりも積層方向の一方側に位置し、インターコネクタ用接合材６０の積層方向の他方側の表面と接合している。これにより、セパレータ３０は、燃料極１３側に位置する燃料ガスが存在する空間Ａと、空気極１２側に位置する酸化剤ガスが流れる空間Ｂとを区画し、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合を防止している。

セパレータ３０は、例えば、金属で構成される。セパレータ３０を構成する金属としては、例えば、フェライト系ステンレス、オーステナイト系ステンレス、Ｎｉ系耐熱合金（例えば、インコネル６００及びハステロイ等）を用いることができる。セパレータ３０の厚みは、例えば１０〜１０００μｍとすることができる。セパレータ３０の熱膨張率は、例えば１１〜１８ｐｐｍ／Ｋ程度とすることができる。

［セル用接合材］
図２に示すように、セル用接合材２０は、セパレータ３０に対して積層方向の他方側（図１中の燃料極側）に位置し、燃料電池セル本体１０とセパレータ３０とを接合している。セル用接合材２０は、燃料電池セル本体１０の外周縁部１０１の一部とセパレータ３０の内周縁部３１とを接合している。より詳しくは、セル用接合材２０は、燃料電池セル本体１０の固体電解質層１１の外周側の縁部１１ａ、燃料極基板１３１の外周側の縁部１３１ａ及び燃料極活性部１３２の外周側の縁部１３２ａと、セパレータ３０の内周縁部３１と、を接合している。セル用接合材２０は、少なくとも、気密性の高い固体電解質層１１と接合することにより、空間Ａに存在する燃料ガスと、空間Ｂに存在する酸化剤ガスとの混合を防止している。

図３は、図１に示すセル用接合材２０の平面図である。図３に示すように、セル用接合材２０は、積層方向（図１中のＺ方向）から見て内側に開口が形成され、矩形の枠状に形成されている。すなわち、セル用接合材２０は、積層方向から見て外周側の縁部に設けられた外周端縁２０ａと、内周側の縁部に設けられた内周端縁２０ｂと、を有し、外周端縁２０ａ及び内周端縁２０ｂは、それぞれ、互いに対向する略平行な２組の辺（すなわち、合計４つの辺）と、各辺を接続する４つの角部と、から構成されている。各角部は、それぞれ円弧状に湾曲している。なお、本明細書において、略平行とは、公差を考慮した平行を意味する。このようなセル用接合材２０は、燃料電池セル本体１０の外周縁部１０１、及び、セパレータ３０の内周縁部３１を全周に亘って気密に接合している。これにより、空間Ａに存在する燃料ガスと、空間Ｂに存在する酸化剤ガスとの混合を防止している。

図２に示すように、セル用接合材２０は、積層方向から見て燃料電池セル本体１０の外周縁部１０１とセパレータ３０の内周縁部３１とが重なる領域である接合部１１１を有する。詳しくは、接合部１１１は、燃料電池セル本体１０の外周縁部１０１のうち、燃料極基板１３１の外周側の縁部１３１ａの一部と、セパレータ３０の内周縁部３１と、が重なる領域に位置する。接合部１１１は、直線状に延びる４つの延伸部１１２を有する。各延伸部１１２は、延伸方向の両端部が隣り合う延伸部１１２と重なるように配置されている。なお、「直線状に延びる」とは、ある特定の方向に向かって延びていることを意味し、延伸部１１２の延伸方向に沿う縁部の形状が直線であることに限定されるものではない。

図２に示されるように、セル用接合材２０には、セパレータ３０の内周縁部３１と接する界面１１１ａが形成されている。図２には表現されてはいないが、界面１１１ａは、その形状が起伏形状である。

本発明において、「起伏形状」という文言は、起伏（高くなったり低くなったりするさま）を有する形状を意味する。

図４は、セパレータ３０の内周縁部３１に沿う方向（すなわち、セパレータ３０の内周縁部３１に沿う長手方向）における、延伸部１１２の端面図である。ここで図４は、図３におけるセル用接合材２０をＡ−Ａ線に沿って切断した際の一部分である延伸部１１２を示している。図４に示されるように、内周縁部３１に沿う方向の断面における界面１１１ａは、その形状が起伏形状である。詳しくは、界面１１１ａは、凸部と凹部が繰り返されて波打った形状（以下、単に「波状」ともいう）である起伏形状であり、起伏が不規則な起伏形状である。

図４を参照して、接合部１１１は、その最大厚さをＴ_ｍａｘとし、その最小厚さをＴ_ｍｉｎとしたとき、Ｔ_ｍｉｎに対するＴ_ｍａｘの比（Ｔ_ｍａｘ／Ｔ_ｍｉｎ）が１．２０以上２０．０以下であることが好ましく、１．５０以上１５．０以下であることが更に好ましい。Ｔ_ｍａｘ及びＴ_ｍｉｎは、図４を参照して、一つの延伸部１１２を延伸方向に沿って均等に１０等分し、等分点における延伸部１１２の幅方向中央部の厚さをそれぞれ測定する。そして、その最大の厚さをＴ_ｍａｘとし、その最小の厚さをＴ_ｍｉｎとする。本明細書において、延伸部１１２の「幅方向中央部」とは、延伸部１１２の幅方向において、公差を考慮した中央に位置する部分を意味する。なお、接合部１１１は、すべての延伸部１１２においてＴ_ｍｉｎに対するＴ_ｍａｘの比が上述の範囲を満たす必要はなく、少なくともいずれか一つの延伸部１１２におけるＴ_ｍｉｎに対するＴ_ｍａｘの比が上述の範囲を満たしていればよい。厚さは、特に限定されないが、走査型電子顕微鏡で延伸部１１２を倍率２５０〜１０００倍で撮影することにより確認することができる。

図４を参照して、接合部１１１は、前記界面１１１ａにおける所定の２点Ｌ，Ｍ間の積層方向から見た直線長さをＸ_１、前記２点間における前記界面の延べ長さをＸ_２としたとき、Ｘ_１に対するＸ_２の比（Ｘ_２／Ｘ_１）が１．０２以上２．００以下であることが好ましく、１．０４以上１．５０以下であることが更に好ましい。本明細書において「界面の延べ長さＸ_２」とは、界面１１１ａを直線に延ばした際の長さを意味する。Ｘ_１およびＸ_２は、図４を参照して、一つの延伸部１１２において、幅方向中央部における延伸方向の両端縁をそれぞれＬ，Ｍとして測定する。すなわち、本実施形態において所定の２点間とは、一つの延伸部１１２における幅方向中央部の延伸方向の両端縁間を意味する。なお、接合部１１１は、すべての延伸部１１２においてＸ_１に対するＸ_２の比が上述の範囲を満たす必要はなく、少なくともいずれか一つの延伸部１１２におけるＸ_１に対するＸ_２の比が上述の範囲を満たしていればよい。Ｘ_１およびＸ_２は、特に限定されないが、撮影する倍率に応じてデジタルカメラ、光学顕微鏡又は電子顕微鏡を用いて確認することができる。なお、Ｘ_２は、前記方法により得た断面画像に対して画像解析を行うことにより数値化することができる。

接合部１１１は、その平均厚さが１０μｍ以上３００μｍ以下であることが好ましく、２０μｍ以上２００μｍ以下であることが更に好ましい。なお、接合部１１１の厚さとは、積層方向における厚さを意味する。接合部１１１の平均厚さは、図４を参照して、一つの延伸部１１２を延伸方向に沿って均等に１０等分し、等分点における延伸部１１２の幅方向中央部の厚さをそれぞれ測定し、その厚さの平均値とする。なお、接合部１１１は、すべての延伸部１１２において平均厚さが上述の範囲を満たす必要はなく、少なくともいずれか一つの延伸部１１２における平均厚さが上述の範囲を満たしていればよい。

本発明において、界面１１１ａの形状、Ｔ_ｍｉｎに対するＴ_ｍａｘの比及びＸ_１に対するＸ_２の比は、使用するセパレータのセル用接合材と接する界面を形成する領域に対して、金型（プレス）加工や曲げ加工を施すことにより事前に起伏形状を形成しておくことにより、上記のように調整することができる。

セル用接合材２０としては、例えば、結晶化ガラス、非晶質ガラス、ろう材、セラミックス等を用いることができる。なお、本明細書において、結晶化ガラスとは、全体積に対する「結晶相が占める体積」の割合（結晶化度）が６０％以上であり、全体積に対する「非晶質相及び不純物が占める体積」の割合が４０％未満のガラスである。このような結晶化ガラスとしては、例えば、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系、ＳｉＯ_２−ＣａＯ系、ＳｉＯ_２−ＭｇＯ系等が挙げられる。結晶化ガラスとして、具体的には、ＳｉＯ_２−ＭｇＯ−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３系及びＳｉＯ_２−ＭｇＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＺｎＯ系よりなる群から選ばれる少なくとも一種を用いることができる。セル用接合材２０は、単一の材料で構成されてもよく、複数の材料で構成されてもよい。結晶化ガラスが複数の材料で構成されている場合、それらの材料は接触して一体化されていてもよいし、部分的に又は全体的に非接触であってもよい。

［インターコネクタ］
図１に示すように、インターコネクタ４０は、板状に構成され、積層方向（図１中のＺ方向）から見て矩形状を有する。インターコネクタ４０は、外周部にインターコネクタ用接合材６０と接合する外周縁部４１を有し、該外周縁部４１において、インターコネクタ用接合材６０を介してセパレータ３０と接合される。また、インターコネクタ４０は、積層方向から見て燃料電池セル本体１０と重なる内側領域４２を有し、該内側領域４２において、集電体５０と接合されている。これにより、インターコネクタ４０は、燃料電池セル本体１０間の導通を確保することができる。インターコネクタ４０は、例えば、金属等で構成される。

［集電体］
図１に示すように、集電体５０は、燃料電池セル本体１０の空気極１２側に配置される空気極側集電体５１と、燃料極１３側に配置される燃料極側集電体５２と、を備えている。空気極側集電体５１及び燃料極側集電体５２は、それぞれ互いに間隔を空けて配置され、長さ方向（図１中のＸ方向）に延びる複数の短冊状片から構成されている。空気極側集電体５１の各短冊状片の間は、酸化剤ガスが流れる流路となる。一方、燃料極側集電体５２の各短冊状片の間は、燃料ガスが流れる流路となる。空気極側集電体５１は、積層方向（図１中のＺ方向）の一方側の端部がインターコネクタ４０と接合し、他方側の端部が空気極１２と接合する。一方、燃料極側集電体５２は、積層方向の一方側の端部が燃料極基板１３１と接合し、他方側の端部が隣り合う燃料電池セル１のインターコネクタ４０と接合する。これにより、集電体５０は、インターコネクタ４０と燃料電池セル本体１０との間の導通を確保することができる。集電体５０は、例えば、金属で構成される。

［インターコネクタ用接合材］
図１に示すように、インターコネクタ用接合材６０は、セパレータ３０の外周縁部３２と、インターコネクタ４０の外周縁部４１と、を接合している。このようなインターコネクタ用接合材６０は、積層方向から見て矩形の枠状に形成されており、セパレータ３０の外周、及び、インターコネクタ４０の外周を全周に亘って気密に接合している。これにより、空間Ａに存在する燃料ガスと、空間Ｂに存在する酸化剤ガスとの混合を防止している。インターコネクタ用接合材６０としては、セル用接合材２０と同様の材料を用いることができる。

上述の燃料電池セル１は、燃料極１３側に位置する空間Ａに燃料ガス（水素ガス等）を流すとともに、空気極１２側に位置する空間Ｂに酸化剤ガスを流すことにより、空気極１２において下記（１）式に示す電気化学反応が起こり、燃料極１３において下記（２）式に示す電気化学反応が起こり、その結果、電流が流れる。
（１／２）・Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２− …（１）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ …（２）

本実施形態に係る燃料電池セル１おいて、接合部１１１の界面１１１ａの形状が起伏形状である。界面１１１ａを起伏形状とすることにより、セル用接合材２０に加えられる応力が起伏を介して分散される。これにより、セル用接合材２０の一部の領域に応力が集中することが抑制できる。その結果、燃料電池セル本体１０とセパレータ３０とを接合するセル用接合材２０における応力の集中を緩和させることができる。

本実施形態に係る燃料電池セル１おいて、接合部１１１は、その最大厚さをＴ_ｍａｘとし、その最小厚さをＴ_ｍｉｎとしたとき、Ｔ_ｍｉｎに対するＴ_ｍａｘの比が１．２０以上２０．０以下であることが好ましい。接合部１１１の最大厚さと最小厚さとの比が上記範囲内にあることにより、セル用接合材２０に加えられる応力が起伏を介してより分散される。これにより、セル用接合材２０の一部の領域に応力が集中することがより抑制できる。その結果、燃料電池セル本体１０とセパレータ３０とを接合するセル用接合材２０における応力の集中をより緩和させることができる。燃料電池セル１は、界面１１１ａの形状が起伏形状を有する限り、（Ｔ_ｍａｘ／Ｔ_ｍｉｎ）が上記範囲にない場合においても、セル用接合材２０における応力を緩和させることができる。

本実施形態に係る燃料電池セル１おいて、接合部１１１は、界面１１１ａにおける所定の２点間の積層方向から見た直線長さをＸ_１、前記２点間における前記界面の延べ長さをＸ_２としたとき、Ｘ_１に対するＸ_２の比（Ｘ_２／Ｘ_１）が１．０２以上２．００以下であることが好ましい。Ｘ_１に対するＸ_２の比が上記範囲内にあることにより、セル用接合材２０に加えられる応力が起伏を介してより分散される。これにより、セル用接合材２０の一部の領域に応力が集中することがより抑制できる。その結果、燃料電池セル本体１０とセパレータ３０とを接合するセル用接合材２０における応力の集中をより緩和させることができる。燃料電池セル１は、界面１１１ａの形状が起伏形状を有する限り、（Ｘ_２／Ｘ_１）が上記範囲にない場合においても、セル用接合材２０における応力を緩和させることができる。

次に、本実施形態に係る燃料電池セル１が複数積層して結合されたスタック構造を有する固体酸化物形燃料電池１００について説明する。図５は、固体酸化物形燃料電池１００の斜視図であり、図６は、固体酸化物形燃料電池１００の側面視断面図である。

図５及び図６に示すように、固体酸化物形燃料電池１００は、本実施形態に係る燃料電池セル１が、積層方向が上下方向で、長さ方向が奥行き方向となる向きで積層されている。このような固体酸化物形燃料電池１００が、平板型の固体酸化物形燃料電池である。なお、燃料電池セル１が積層されている方向を、積層方向ともいう。

固体酸化物形燃料電池１００は、燃料電池セル１と、最上層及び最下層に、インターコネクタ４０の代わりに設けられる保持板４０’と、燃料電池セル１及び保持板４０’を締結する締結部材２１〜２８と、を備えている。

図５に示す８本の締結部材２１〜２８のうち、４本の締結部材の内部には、積層方向（図１中のＺ方向）に沿って酸化剤ガスまたは燃料ガスが流れる流路が形成されている。具体的には、締結部材２３が燃料ガス供給管、締結部材２７が燃料ガス排出管、締結部材２５が酸化剤ガス供給管、締結部材２１が酸化剤ガス排出管として用いられている。

図６に示すように、固体酸化物形燃料電池１００では、インターコネクタ用接合材６０が締結部材２１〜２８にも接合されている。すなわち、固体酸化物形燃料電池１００においてインターコネクタ用接合材６０は、セパレータ３０の外周縁部３２と、インターコネクタ４０の外周縁部６１と、締結部材２１〜２８と、を接合している。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加えることができる。

本実施形態では、燃料電池セル本体１０及びインターコネクタ４０の積層方向から見た形状が矩形状である。しかしながら、本発明は当該構成に限定されるものではなく、燃料電池セル本体１０及びインターコネクタ４０は、積層方向から見た形状が矩形以外の多角形状であってもよく、円形状であってもよく、楕円形であってもよい。

本実施形態では、積層方向から見た空気極１２の大きさが、固体電解質層１１の大きさよりも小さい。また、積層方向から見た燃料極活性部１３２の大きさが、燃料極基板１３１の大きさよりも小さい。しかしながら、本発明は当該構成に限定されるものではなく、積層方向から見た空気極１２の大きさが固体電解質層１１の大きさと等しく形成されていてもよいし、積層方向から見た燃料極活性部１３２の大きさが燃料極基板１３１の大きさと等しく形成されていてもよい。さらに、空気極１２、固体電解質層１１、燃料極基板１３１及び燃料極活性部１３２の大きさがすべて等しく形成されていてもよい。

本実施形態では、燃料電池セル本体１０における外周縁部１０１のセパレータ３０と重なる領域（すなわち、接合部１１１）が燃料極基板１３１の外周側の縁部１３１ａの一部に位置している。しかしながら、本発明は当該構成に限定されるものではなく、セパレータ３０と重なる領域が、固体電解質層１１の外周側の縁部１１ａ又は燃料極活性部１３２の外周側の縁部１３２ａの一部に位置していてもよい。

本実施形態では、セパレータ３０、セル用接合材２０及びインターコネクタ用接合材６０の積層方向から見た形状が矩形の枠状である。しかしながら、本発明は当該構成に限定されるものではなく、セパレータ３０、セル用接合材２０及びインターコネクタ用接合材６０は積層方向から見た形状が積層方向から見た形状が矩形以外の多角形状であってもよく、円形状であってもよく、楕円形であってもよい。

本実施形態では、セパレータ３０の内周縁部３１がセル用接合材２０の積層方向の一方側の表面と接合している。しかしながら、本発明は当該構成に限定されるものではなく、セパレータ３０の内周縁部３１の少なくとも一部がセル用接合材２０に埋設されていてもよい。セパレータ３０の内周縁部３１の少なくとも一部がセル用接合材２０に埋設されていることにより、セパレータ３０とセル用接合材２０との接合面積が増加するため、接合強度が向上する。

本実施形態では、セル用接合材２０が、燃料電池セル本体１０の固体電解質層１１の外周側の縁部１１ａ、燃料極基板１３１の外周側の縁部１３１ａ及び燃料極活性部１３２の外周側の縁部１３２ａに接合している。しかしながら、本発明は当該構成に限定されるものではなく、セル用接合材２０が、少なくとも固体電解質層１１の外周側の縁部１１ａに接合していれば、燃料極基板１３１の外周側の縁部１３１ａ及び燃料極活性部１３２の外周側の縁部１３２ａに接合されていなくてもよい。また、セル用接合材２０が、少なくとも固体電解質層１１の外周側の縁部１１ａに接合していれば、さらに、空気極１２の外周側の縁部１２ａに接合していてもよい。空気極１２と燃料極１３との間に固体電解質層１１以外の緻密な層が形成されている場合、セル用接合材２０は、固体電解質層１１に接合していなくてもよく、少なくとも前記緻密な層に接合していればよい。これにより、セル用接合材２０は、空間Ａに存在する燃料ガスと、空間Ｂに存在する酸化剤ガスとの混合を防止している。

本実施形態では、セル用接合材２０の外周端縁２０ａ及び内周端縁２０ｂが、積層方向から見て、それぞれ、互いに対向する略平行な２組の辺と、円弧状に湾曲した角部と、を含む。しかしながら、本発明は当該構成に限定されるものではなく、前記辺は、曲線部を有していてもよい。具体的には、前記辺は、径方向の外方に向かって凸形状、凹形状、又は、凹凸が繰り返された形状に形成されていてもよい。前記辺が曲線部を有することにより、残留する応力が分散されて、応力の集中が抑制されやすくなる。このため、セル用接合材２０における応力をより緩和することができる。また、前記角部は、直角又は鋭角に形成されていてもよいし、Ｃ形状に屈曲していてもよい。

本実施形態では、界面１１１ａの起伏形状は、起伏が不規則的な形状である。しかしながら、起伏形状は、起伏が規則的な形状と不規則的な形状とが組み合わされている形状であってもよいし、全てが規則的な形状であってもよい。界面１１１ａの形状が起伏形状を有する限り、起伏形状の態様が上記のいずれであったとしても、セル用接合材２０における応力が緩和される。

本実施形態では、インターコネクタ用接合材６０が、セパレータ３０の外周縁部３２と、インターコネクタ４０の外周縁部４１と、を直接接合している。しかしながら、本発明は当該構成に限定されるものではなく、セパレータ３０の外周縁部３２とインターコネクタ４０の外周縁部４１との間に、インターコネクタ用接合材６０とは異なる他の部材を配置してもよい。他の部材としては、例えば、絶縁材、コンプレッションシール材等が挙げられる。例えば、他の部材として絶縁材を用いることにより、セパレータ３０とインターコネクタ４０との間の絶縁性を向上させ、また、空気極１２側に位置する空間Ｂの高さを調整することができる。

以下、本発明の実施例について説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

表１に示すＮｏ．１〜Ｎｏ．８の燃料電池セルを積層して結合させることにより、スタック構造を有する試験例１の燃料電池を作製した。なお、燃料電池セル及び燃料電池の構造は、図１〜図６に示す通りである。Ｎｏ．１〜Ｎｏ．７の燃料電池セルは実施例に相当し、Ｎｏ．８の燃料電池セルは比較例に相当する。Ｎｏ．１〜Ｎｏ．７の燃料電池セルは、少なくともセパレータの内周縁部に沿う方向の断面における界面の形状が、波状で、かつ、起伏が不規則な起伏形状である。

また、空気極としてはＬＳＣＦ（気孔率：４０％、厚さ：３０μｍ、熱膨張率：１４．４ｐｐｍ／Ｋ）、固体電解質層としては８ＹＳＺ（気孔率：０．５％、厚さ：２０μｍ、熱膨張率：１０．５ｐｐｍ／Ｋ）、燃料極基板としてはＮｉ−８ＹＳＺ（気孔率：４０％、厚さ：８００μｍ、熱膨張率：１２．８ｐｐｍ／Ｋ）、燃料極活性部としてはＮｉ−８ＹＳＺ（気孔率：３５％、厚さ：１０μｍ、熱膨張率：１２．８ｐｐｍ／Ｋ）を用いた。さらに、セパレータとしては日新製鋼製ＮＣＡ−１（厚さ：２００μｍ、熱膨張率：１３．５ｐｐｍ／Ｋ）、セル用接合材及びインターコネクタ用接合材としては結晶化ガラスを用いた。

＜評価方法＞
［熱サイクル試験］
試験例１の燃料電池について、熱サイクル試験により、ガスリーク量及びクラック発生の有無を調べた。具体的には、試験例１の燃料電池を電気炉内に設置し、室温から８００℃まで昇降温速度４００℃／ｈｒでの上げ下げを１０回繰り返した後、電気炉から取り出して、ガスリーク量及びクラック発生の有無を調べた。

ガスリーク量は、空気極から燃料極へリークするガスの流量を測定した。より詳しくは、燃料電池の酸化剤ガス排出管出口端部及び燃料ガス排出管入口端部を封止した上で、酸化剤ガス供給管よりアルゴンガスを供給し、燃料電池の空気極側を１０ｋＰａに加圧して、燃料ガス供給管の出口端部に設けた流量計によりガスリーク量を測定した。結果を表１に示す。なお、測定下限が０．１（ｃｃ／ｍｉｎ）であるため、下記の表１において、測定下限未満のものを「＜０．１（ｃｃ／ｍｉｎ）」と記載し、ガスリークがないと判断した。

クラック発生の有無は、試験例１の燃料電池を解体してセル用接合材の表面に浸透探傷剤を塗布し、マイクロスコープで観察することにより行った。結果を表１に示す。

各燃料電池セルは、上述のガスリーク量及びクラック発生の有無の結果から、下記の基準に基づき総合評価を行った。
◎：クラックがなく、かつ、ガスリークがなかった。
○：軽微なクラックが発生し、かつ、ガスリークがなかった。
△：軽微なクラックが発生し、かつ、ガスリーク量が少なかった（１．０ｃｃ／分未満）。
×：大きなクラックが発生し、かつ、ガスリーク量が多かった（１．０ｃｃ／分以上）。

＜評価結果＞
表１に示されるように、界面１１１ａの形状が起伏形状でないＮｏ．８に係る燃料電池セルは、大きなクラックが確認されたため、ガスリーク量が多かった。対して、界面１１１ａの形状が起伏形状であるＮｏ．１〜Ｎｏ．７に係る燃料電池セルは、セル用接合材２０においてクラックが確認されないか、クラックが確認されたとしても軽微であったため、ガスリークがないか、ガスリークがあったとしてもガスリーク量が少なかった。すなわち、本発明の構成要件をすべて満たすＮｏ．１〜Ｎｏ．７に係る燃料電池セルは、クラックの発生が抑制され、セル用接合材２０における応力の集中が緩和されていることが示された。特に、Ｎｏ．１〜Ｎｏ．３に係る燃料電池セルは、クラックが確認されず、かつ、ガスリークもなかったため、クラックの発生が顕著に抑制されていたといえる。

界面１１１ａを起伏形状とすることにより、セル用接合材２０に加えられる応力が起伏を介して分散されたと考えられる。これにより、セル用接合材２０の一部の領域に応力が集中することが抑制されたと考えられる。その結果、燃料電池セル本体１０とセパレータ３０とを接合するセル用接合材２０における応力の集中が緩和されたものと考えられる。

Ｎｏ．４及びＮｏ．５に係る燃料電池セルは、軽微なクラックが確認されたものの、ガスリークがなかった。すなわち、界面１１１ａの形状が起伏形状を有する限り、Ｘ_１に対するＸ_２の比が１．０２以上２．００以下の範囲にない場合においてもクラックの発生が抑制され、セル用接合材２０における応力を緩和され得ることができることが示された。

Ｎｏ．６及びＮｏ．７に係る燃料電池セルは、軽微なクラックが確認されたものの、ガスリーク量が少なかった。すなわち、界面１１１ａの形状が起伏形状を有する限り、Ｔ_ｍｉｎに対するＴ_ｍａｘの比が１．２０以上２０．０以下の範囲になく、かつ、Ｘ_１に対するＸ_２の比が１．０２以上２．００以下の範囲にない場合においてもクラックの発生が抑制され、セル用接合材２０における応力を緩和させることができることが示された。

１燃料電池セル、１０燃料電池セル本体、１１固体電解質層、１１ａ固体電解質層の外周側の縁部、１２空気極、１２ａ空気極の外周側の縁部、１３燃料極、２０セル用接合材、２０ａセル用接合材の外周端縁、２０ｂセル用接合材の内周端縁、２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８締結部材、３０セパレータ、３１セパレータの内周縁部、３２セパレータの外周縁部、４０インターコネクタ、４０’保持板、４１インターコネクタの外周縁部、４２インターコネクタの内側領域、５０集電体、５１空気極側集電体、５２燃料極側集電体、６０接合材、１００固体酸化物形燃料電池、１０１燃料電池セル本体の外周縁部、１１１接合部、１１１ａ界面、１１２延伸部、１３１燃料極基板、１３１ａ燃料極基板の外周側の縁部、１３２燃料極活性部、１３２ａ燃料極活性部の外周側の縁部Ａ燃料ガスが存在する空間、Ｂ酸化剤ガスが存在する空間。

Claims

燃料電池セル本体と、セパレータと、接合材と、を備え、
前記燃料電池セル本体は、
順次積層された、空気極と、固体電解質層と、燃料極と、を備え、
積層方向から見て外周側の縁部に外周縁部を有し、その形状は平板型であり、
前記セパレータは、積層方向から見て、内側に開口が形成され、かつ、内周側の縁部に前記燃料電池セル本体の外周縁部と重なる内周縁部を有し、
前記接合材として、前記燃料電池セル本体と前記セパレータとを接合するセル用接合材を有し、
前記セル用接合材は、積層方向から見て前記燃料電池セル本体の外周縁部と前記セパレータの内周縁部とが重なる領域である接合部を有し、
前記接合部は、前記セパレータの内周縁部と接する界面を有し、
前記界面は、その形状が起伏形状である、
燃料電池セル。
前記接合部は、その最大厚さをＴ_ｍａｘとし、その最小厚さをＴ_ｍｉｎとしたとき、Ｔ_ｍｉｎに対するＴ_ｍａｘの比が１．２０以上２０．０以下である、請求項１に記載の燃料電池セル。
前記接合部は、前記界面における所定の２点間の積層方向から見た直線長さをＸ_１、前記２点間における前記界面の延べ長さをＸ_２としたとき、Ｘ_１に対するＸ_２の比が１．０２以上２．００以下である、請求項１又は２に記載の燃料電池セル。