JP6986053B2 - 燃料電池セル - Google Patents
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Description
図2及び図3に示すように、燃料電池セル本体10は、固体電解質11と、空気極12と、燃料極13と、を有している。本明細書において、固体電解質11、空気極12及び燃料極13の各層が積層されている方向を積層方向と言う。積層方向は、各層の主面と直交する。本実施形態の積層方向は、z軸方向である。燃料電池セル本体10は、積層方向視、すなわち平面視(z軸方向視)において、矩形状である。なお、燃料電池セル本体10は、固体酸化物形燃料電池として構成されている。
図2〜図4に示すように、セパレータ30は、燃料電池セル本体10に接続される。詳細には、セパレータ30は、第1接合材110により固体電解質11と接合されている。セパレータ30は、燃料ガスが流れる空間と酸化剤ガスが流れる空間とを区画する。セパレータ30は、酸化剤ガスと燃料ガスとの混合を防止する機能を有している。
図2及び図3に示すように、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。また、インターコネクタ40は、燃料電池セル本体10間でのガスの混合を防止する。インターコネクタ40は、板状であり、x軸方向及びy軸方向に延びる。インターコネクタ40は、例えば、金属で構成される。
集電体50は、燃料電池セル本体10の空気極12及び燃料極13と、インターコネクタ40との間の導通を確保する。集電体50は、例えば、インターコネクタ40から空気極12に向けて突出する複数の突出部である。また集電体50は、例えば、インターコネクタ40から燃料極13に向けて突出する複数の突出部である。各突出部は、互いに間隔をあけて配置されている。各突出部の間は、ガス流路を構成する。例えば、集電体50は、y軸方向に間隔をあけて配置され、x軸方向に延びている。集電体50は、例えば、金属で構成される。
図3〜図5に示すように、第1接合材110は、燃料電池セル本体10の外周縁部14とセパレータ30の内周縁部31とを接合している。本実施形態の第1接合材110は、固体電解質11及び燃料極13の外周縁部14と、セパレータ30の内周縁部31とを接合している。第1接合材110は、燃料ガス及び酸化剤ガスと接する。
図3及び図4に示すように、セパレータ30の内周縁部31は、第1接合材110により、燃料電池セル本体10の外周縁部14に接合されている。セパレータ30の内周縁部31の主面は、積層方向(z軸方向)と直交する方向(y軸方向)に対して傾斜している。すなわち、内周縁部31は、燃料電池セル本体10に対して傾斜している。内周縁部31は、第1接合材110の表面114に接している。
図2及び図3に示すように、第2接合材120は、空気極12に供給する酸化剤ガスの流路、及び燃料極13に供給する燃料ガスの流路を構成する部材に設けられている。詳細には、第2接合材120は、セパレータ30、インターコネクタ40及び締結部材23、27を接合する。第2接合材120は、セルスタック装置1の内部と外部とを隔離している。すなわち、第2接合材120は、複数の部材の隙間を密閉した結果、セルスタック装置1の内部空間と外部空間とを区画している。
(1/2)・O2+2e−→O2− …(1)
H2+O2−→H2O+2e− …(2)
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
上述した実施形態では、各第1〜第4延伸部115a〜115dの全体が湾曲している構造を例に挙げて説明したが、これに限定されない。例えば、1つの延伸部の全体が湾曲し、残りの延伸部は直線であってもよい。また、例えば、少なくとも1つの延伸部の一部が湾曲していてもよい。すなわち、少なくとも1つの延伸部は、曲線部と直線部とを有していてもよい。
上述した実施形態では、内周端縁115及び外周端縁116の少なくとも一部が曲線であるが、外周端縁116は直線で構成されてもよい。また外周端縁116の第5〜第8延伸部116e〜116hは、例えば、図6に示すように燃料電池セル本体10に近づくように湾曲してもよく、図7に示すように波形状であってもよい。
上述した実施形態では、内周縁部31は、第1接合材110に埋設されているが、これに限定されない。例えば、図8に示すように、セパレータ30の内周縁部31は、第1接合材110の表面114に接していてもよい。図8の場合、中央部111は、燃料電池セル本体10とセパレータ30との間に挟み込まれている。すなわち、中央部111は、セパレータ30よりも積層方向上側に配置されておらず、かつ、燃料電池セル本体10よりも積層方向下側に配置されていない。この場合、中央部111全体は、ガスに露出する露出面を有していない。詳細には、中央部111の外表面は、燃料電池セル本体10及びセパレータ30に接している。
上述した実施形態では、内周縁部31の外周側が燃料電池セル本体10から離れるように傾斜しているが、これに限定されない。図10及び図11に示すように、内周縁部31は、外周側に向かうにつれて燃料電池セル本体10に近づくように傾斜してもよい。
上述した実施形態では、第1接合材110は、断面視において楕円の一部が欠けた形状を有しているが、これに限定されない。第1接合材110は、種々の形状を有することができ、例えば、断面視において図9、11〜14に示す形状であってもよい。
上述した実施形態では、セパレータ30全体が湾曲しているが、これに限定されない。セパレータ30の一部が湾曲してもよく、例えば屈曲部、段差部などを有していてもよい。また、セパレータ30は、燃料電池セル本体10に対して直線的に傾斜するように延びてもよい。セパレータ30は、少なくとも一部が撓む形状である。
上述した実施形態では、第1接合材110は、第1突出部112及び第2突出部113を有しているが、図13に示すように第2突出部113は省略されてもよい。なお、図13の場合、第1接合材110の外周端縁116の延伸部が曲線部を有することが好ましい。詳細には、第1接合材110の外周端縁116は、積層方向視において、互いに対向する2組の延伸部と、各延伸部を連結する連結部と、を有し、少なくとも1つの延伸部は曲線部を有する。
上述した実施形態では、第1接合材110における燃料電池セル本体10と接する面の内周端縁115は、第1接合材110において最も内周側に位置しているが、これに限定されない。例えば、積層方向視において、燃料電池セル本体10と接する面の内周端縁115よりも内周側に、燃料電池セル本体10と接しない第1接合材110が配置されてもよい。
上述した実施形態では、積層方向と直交する方向がy軸方向で、内周縁部31がy軸方向に対して傾斜しているが、これに限定されない。例えば、積層方向と直交する方向がy軸方向に対して傾斜しており、内周縁部31がy軸方向に延びてもよい。また、積層方向と直交する方向がy軸方向に対して傾斜しており、内周縁部31もy軸方向に対して傾斜しており、互いに交差してもよい。この場合であっても、セパレータ30は可撓性を有しているので、燃料電池セル本体10の変形に応じて、セパレータ30がその変形を吸収できる。なお、本発明の内周縁部31の主面は、積層方向と直交する方向に対して平行であってもよい。
上述した実施形態では、燃料極基板131及び燃料極活性部132の外周部は、段差構造を有しているが、これに限定されない。例えば、燃料極基板131と燃料極活性部132の外周面は、揃っていてもよい。
本実施例では、第1突出部112の最小突出長さL112aに対する、第1突出部112の最大突出長さL112bの比(L112b/L112a)による効果について調べた。
図1〜図5に示すセルスタック装置を準備した。第1接合材は、結晶化ガラスである。図5に示すように、第1接合材110の内周端縁115の4つの延伸部は、曲線部を有していた。各サンプルの第1突出部112の最小突出長さL112aに対する、第1突出部112の最大突出長さL112bの比(L112b/L112a)は、下記の表1の通りであった。
サンプルNo.6は、4つの延伸部は、曲線部を有していなかった点において、サンプルNo.1と異なっていた。詳細には、2組の延伸部は、互いに平行であり、第1突出部112の突出長さL112は一定であった。このため、サンプルNo.6の比(L112b/L112a)は、1であった。
サンプルNo.1〜6のセルスタック装置について、熱サイクル試験により、ガスリーク量及びクラックの有無を調べた。具体的には、各セルスタック装置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、ガスリーク量とクラック発生の有無とを調べた。
表1に示すように、第1接合材の内周端縁の延伸部が曲線部を有していなかったサンプルNo.6は、第1接合材の応力を十分に緩和できなかったので、大きなクラックが発生した。その結果、内部空間に導入されたアルゴンガスが多く漏れ出してしまった。
本実施例では、中央部L111の幅L111に対する、第1突出部112の最大突出長さL112bの比(L112b/L111)による効果について調べた。
サンプルのNo.7〜10のセルスタック装置は、第1突出部112の最小突出長さL112aに対する、第1突出部112の最大突出長さL112bの比(L112b/L112a)が1.01以上10.0以下であり、下記の表2に示すように、第1突出部112の最大突出長さL112b及び中央部111の幅L111を変更した。
サンプルNo.7〜10のセルスタック装置について、上述した実施例1の熱サイクル試験を過酷にして、ガスリーク量及びクラックの有無を調べた。具体的には、各セルスタック装置を電気炉内に設置し、室温から800℃まで昇降温速度600℃/hrでの上げ下げを20回繰り返した後、電気炉から取り出して、ガスリーク量とクラック発生の有無とを調べた。その結果を下記の表2に示す。なお、評価基準は、実施例1と同様である。
表2に示すように、中央部L111の幅L111に対する、第1突出部112の最大突出長さL112bの比(L112b/L111)が0.1以上3以下であるサンプルNo.8及び9は、サンプルNo.7及び10に比べて、過酷な熱サイクル試験においても、クラックの発生を抑制できることがわかった。
本実施例では、セパレータ30と燃料電池セル本体10との間における中央部111の厚さH111に対する、第1突出部112の最大突出長さL112bの比(L112b/H111)による効果について調べた。
サンプルNo.11〜14のセルスタック装置は、第1突出部112の最小突出長さL112aに対する、第1突出部112の最大突出長さL112bの比(L112b/L112a)は、1.01以上10.0以下であり、下記の表3に示すように、第1突出部112の最大突出長さL112b及び中央部111におけるセパレータ30と燃料電池セル本体10との間における中央部111の厚さH111を変更した。
サンプルNo.11〜14のセルスタック装置について、実施例1よりも過酷にした実施例2の熱サイクル試験により、ガスリーク量及びクラックの有無を調べた。
表3に示すように、第1突出部112の最大突出長さL112bに対する、セパレータ30と燃料電池セル本体10との間における中央部111の厚さH111の比(H111/L112b)が2.0以上150以下であるサンプルNo.12及び13は、サンプルNo.11及び14に比べて、過酷な熱サイクル試験においても、クラックの発生を抑制できることがわかった。
本実施例では、第1突出部112の気孔率と、セパレータ30と燃料電池セル本体10との間における中央部111の気孔率とによる効果について調べた。
サンプルのNo.15〜17のセルスタック装置は、第1突出部112の最小突出長さL112aに対する、第1突出部112の最大突出長さL112bの比(L112b/L112a)が1.01以上10.0以下であり、下記の表4に示すように、セパレータ30と燃料電池セル本体10との間における中央部111及び第1突出部112の気孔率を変更した。
サンプルNo.15〜17のセルスタック装置について、実施例1よりも過酷にした実施例2の熱サイクル試験により、ガスリーク量及びクラックの有無を調べた。
表4に示すように、第1突出部112の気孔率がセパレータ30と燃料電池セル本体10との間における中央部111の気孔率よりも大きいサンプルNo.16は、第1突出部112の気孔率がセパレータ30と燃料電池セル本体10との間における中央部111の気孔率と同じサンプルNo.15、及び、セパレータ30と燃料電池セル本体10との間における中央部111の気孔率が第1突出部112の気孔率よりも大きいサンプルNo.17に比べて、クラックの発生をより抑制できることがわかった。
10 燃料電池セル
30 セパレータ
31 内周縁部
110 接合材
111 中央部
112 第1突出部
113 第2突出部
115 内周端縁
115a,115b,115c,115d 延伸部
115e,115f,115g,115h 連結部
116 外周端縁
Claims (5)
- 固体電解質、並びに前記固体電解質を挟むように積層された燃料極及び空気極を有する平板形の燃料電池セル本体と、
前記燃料電池セル本体の外周縁部を除く領域を露出する開口部を有する枠状であり、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するセパレータと、
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を接合する接合材と、
を備え、
積層方向視において、前記接合材における前記燃料電池セル本体と接する面の内周端縁は、互いに対向する2組の延伸部と、各前記延伸部を連結する連結部と、を有し、
少なくとも1つの前記延伸部は、曲線部を有し、
前記接合材は、
積層方向視において、前記燃料電池セル本体及び前記セパレータと重なる中央部と、
前記中央部から内周側に向けて突出する第1突出部と、
を有し、
前記第1突出部の最小突出長さに対する、前記第1突出部の最大突出長さの比は、1.10以上8.00以下である、
燃料電池セル。
- 前記中央部の幅に対する、前記第1突出部の最大突出長さの比は、0.1以上3以下である、
請求項1に記載の燃料電池セル。
- 前記セパレータと前記燃料電池セル本体との間における前記中央部の厚さに対する、前記第1突出部の最大突出長さの比は、2.0以上150以下である、
請求項1または2に記載の燃料電池セル。
- 前記第1突出部の気孔率は、前記セパレータと前記燃料電池セル本体との間における前記中央部の気孔率よりも大きい、
請求項1から3のいずれか1項に記載の燃料電池セル。
- 前記セパレータの内周端縁は、面取りされている、
請求項1から4のいずれか1項に記載の燃料電池セル。
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