JPWO2017208904A1 - Fuel cell stack - Google Patents
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Abstract
燃料電池セル間にスペーサを配置した燃料電池スタックにおいて、スペーサ接続部にリークが生じることを抑制することができる燃料電池スタックを提供する。本発明の一側面に係る燃料電池スタックは、複数の固体酸化物形の燃料電池セルと、一の燃料電池セルと他の燃料電池セルとの間に設けられ、セラミックスにより形成されるスペーサと、一の燃料電池セルとスペーサとを接着する接着剤層と、を有し、スペーサは複数積層されており、一の燃料電池セル側に配置されるスペーサが、発電時における一の燃料電池セルの変形に伴って変形するように構成されている。 In a fuel cell stack in which spacers are arranged between fuel cells, a fuel cell stack capable of suppressing the occurrence of a leak at a spacer connecting portion is provided. A fuel cell stack according to one aspect of the present invention includes a plurality of solid oxide fuel cells, a spacer provided between one fuel cell and another fuel cell, and formed of ceramics. An adhesive layer that bonds the one fuel cell and the spacer, and a plurality of spacers are stacked, and the spacer disposed on the one fuel cell side of the one fuel cell at the time of power generation It is comprised so that it may deform | transform with a deformation | transformation.
Description
本発明は、燃料電池スタックに関する。 The present invention relates to a fuel cell stack.
従来、固体酸化物電解質を用いた固体酸化物形燃料電池が種々提案されている。固体酸化物形燃料電池では、十分な電圧を得るために、複数の燃料電池セルが積層されている。それによって、燃料電池スタックが構成されている。セラミックスを用いて燃料電池セルを形成した場合、セラミックスの熱伝導率が低いことから、セラミックスを用いた燃料電池セルの積層数を増加させると、発電によって生じた熱が燃料電池スタックの中心付近にとどまる傾向にある。そのため、燃料電池セル面において熱分布が生じ、熱応力による燃料電池セルにクラックが生じる。 Conventionally, various solid oxide fuel cells using a solid oxide electrolyte have been proposed. In a solid oxide fuel cell, a plurality of fuel cells are stacked in order to obtain a sufficient voltage. Thereby, a fuel cell stack is configured. When fuel cells are formed using ceramics, the thermal conductivity of ceramics is low. Therefore, if the number of stacked fuel cells using ceramics is increased, the heat generated by power generation near the center of the fuel cell stack. Tend to stay. Therefore, heat distribution occurs on the surface of the fuel cell, and cracks occur in the fuel cell due to thermal stress.
このような問題を回避すべく、特許文献1には、燃料電池セル間に金属板を含む接合部を設けた燃料電池スタックが開示されている。特許文献1では、金属板は平面方向において複数分割して設けられており、金属板が配置されていない領域にはセラミックスからなるスペーサが配置されている。
In order to avoid such a problem,
発電時において、燃料電池セルはセル構成材料の熱膨張係数差、スタック内温度分布、振動等の要因により、変形することがある。このとき、燃料電池セルのうちスペーサが配置されている領域においてはガスのリークが発生し、最悪の場合にはクラックの発生に繋がる。 During power generation, the fuel cell may be deformed due to factors such as the difference in thermal expansion coefficient of the cell constituent material, the temperature distribution in the stack, and vibration. At this time, gas leakage occurs in the region where the spacer is arranged in the fuel cell, and in the worst case, it leads to generation of a crack.
クラックが発生することによる問題は様々であり、セル内の電気伝導ビアの断裂による内部抵抗の増加、電極部の破壊による有効電極面積の減少、流路部にクラックが入った場合にはガスリークの発生による燃料利用率、空気利用率の低下が起きる。特に燃料のリークによる特性低下は大きく、リークの抑制は重要な課題である。 There are various problems due to the occurrence of cracks, such as an increase in internal resistance due to the rupture of electrically conductive vias in the cell, a decrease in the effective electrode area due to the destruction of the electrode part, and a gas leak if a crack occurs in the flow path part. The fuel utilization rate and air utilization rate are reduced due to the occurrence. In particular, the characteristic deterioration due to fuel leakage is large, and the suppression of leakage is an important issue.
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池セル間にスペーサを配置した燃料電池スタックにおいて、スペーサ接続部にリークが生じることを抑制することができる燃料電池スタックを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a fuel cell stack in which a spacer connection portion can be prevented from leaking in a fuel cell stack in which spacers are arranged between fuel cells. For the purpose.
本発明の一側面に係る燃料電池スタックは、複数の固体酸化物形の燃料電池セルと、一の燃料電池セルと他の燃料電池セルとの間に設けられ、セラミックスにより形成されるスペーサと、一の燃料電池セルとスペーサとを接着する接着剤層と、を有し、スペーサは複数積層されており、一の燃料電池セル側に配置されるスペーサが、発電時における一の燃料電池セルの変形に伴って変形するように構成されている。 A fuel cell stack according to one aspect of the present invention includes a plurality of solid oxide fuel cells, a spacer provided between one fuel cell and another fuel cell, and formed of ceramics. An adhesive layer that bonds the one fuel cell and the spacer, and a plurality of spacers are stacked, and the spacer disposed on the one fuel cell side of the one fuel cell at the time of power generation It is comprised so that it may deform | transform with a deformation | transformation.
本発明によれば、燃料電池セル間にスペーサを配置した燃料電池スタックにおいて、一の燃料電池セルにリークが生じることを抑制することが可能となる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to suppress that a leak arises in one fuel battery cell in the fuel battery stack which has arrange | positioned the spacer between fuel battery cells.
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池スタックの略図的正面断面図である。燃料電池スタック1では、上方の燃料電池セル2と、下方の燃料電池セル2とが接合部4を介して接合されている。図1では、2つの燃料電池セル2,2を示したが、本実施形態では、上記接合部4を介して両側の燃料電池セル2,2が積層されている構造がさらに連ねられている。(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic front sectional view of a fuel cell stack according to a first embodiment of the present invention. In the
また、図1では、燃料電池セル2,2は、その設けられている位置のみを略図的にしている。図2及び図3を参照して、1つの燃料電池セル2の詳細を説明する。
Moreover, in FIG. 1, only the position in which the
図2に示すように、燃料電池セル2は、固体酸化物電解質層7を有する。固体酸化物電解質層7は、イオン導電性が高いセラミックスからなる。このような材料としては、例えば、安定化ジルコニアや部分安定化ジルコニアなどを挙げることができる。より具体的には、イットリウムやスカンジウムにより安定化されたジルコニアが挙げられる。安定化ジルコニアとしては、例えば、10モル%イットリア安定化ジルコニア(10YSZ)、11モル%スカンジア安定化ジルコニア(11ScSZ)などを挙げることができる。部分安定化ジルコニアとしては、例えば、3モル%イットリア部分安定化ジルコニア(3YSZ)などを挙げることができる。
As shown in FIG. 2, the
なお、上記固体酸化物電解質層7を構成する材料は上記に限定されず、SmやGdがドープされたセリア系酸化物や、La0.8Sr0.2Ga0.8Mn0.2O(3−δ)などのペロブスカイト型酸化物などにより形成してもよい。なお、δは、3未満の正の数を示す。Incidentally, the material constituting the solid
固体酸化物電解質層7には、貫通孔7aと貫通孔7bとが設けられている。貫通孔7aは、燃料ガス流路を構成している。貫通孔7bは、酸化剤ガスとしての空気を通す空気流路を構成している。
The solid
固体酸化物電解質層7の上方に燃料極層6が積層されている。燃料極層6は、Niを含むイットリア安定化ジルコニアや、Niを含むスカンジア安定化ジルコニアなどにより構成することができる。燃料極層6には、燃料ガス流路を構成するスリット6aと、空気流路を構成するスリット6bとが設けられている。
A
上記燃料極層6上にセパレータ5が積層されている。セパレータ5は、マグネシアスピネルやアルミナ、ジルコン、安定化ジルコニアや部分安定化ジルコニアなどにより形成され得る。セパレータ5に、貫通孔5a,5bが形成されている。貫通孔5aは、燃料ガス流路を構成している。貫通孔5bは、空気流路を構成している。
A
セパレータ5には、電気を取り出すための複数本のインターコネクタ5cがセパレータ5の上面から下面を貫くように設けられている。すなわち、ビアホール導体により各インターコネクタ5cが形成されている。複数本のインターコネクタ5cは、上記燃料極層6に電気的に接続されている。
In the
固体酸化物電解質層7の下方には、空気極層8及びセパレータ9が積層されている。空気極層8には、燃料ガス流路を構成するスリット8aと、空気流路を構成するスリット8bとが設けられている。空気極層8は、電子伝導性が高く、かつ多孔質の材料からなることが好ましい。このような空気極層8は、例えば、スカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)、Gdがドープされたセリア、Snがドープされた酸化インジウム、PrCoO3系酸化物、LaCoO3系酸化物、又はLaMnO3系酸化物などにより形成することができる。LaMnO3系酸化物としては、例えば、La0.8Sr0.2MnO3(以下においてLSMと略す)や、La0.6Ca0.4MnO3(以下においてLCMと略す)などが挙げられる。An
セパレータ9はセパレータ5と同様に構成されている。従って、燃料ガス流路を構成する貫通孔9aと、空気流路を構成する貫通孔9bと、複数本のインターコネクタ9cとを有する。
The separator 9 is configured similarly to the
図3は、この単一の燃料電池セル2の平面図を示す。図3に示すように燃料電池セル2は、平面視した場合、十字状の流路構成部2aと、流路構成部2aで区画された4つの発電部2b,2c,2d,2eとを有する。そして、発電部2b〜2eの上面には上記インターコネクタ5cが露出している。
FIG. 3 shows a plan view of the
図1に戻り、本実施形態の燃料電池スタック1では、このような燃料電池セル2が複数層積層されている。図4は、燃料電池スタック1の一部を示す斜視図である。一部とは、図3に示した十字状の流路構成部2aで区切られている1つの発電部2b,2c,2d又は2eが積層されている部分に相当する。図4に示すように、燃料電池セル2が接合部4を介して積層されている。なお、実際には、図1に示すように、流路構成部2aの両側に、発電部2b,2cが位置している。
Returning to FIG. 1, in the
上述した燃料電池セル2では、燃料電池セルを構成する要素としてセラミックスを用いることにより、燃料電池セル2を一括して共焼結して形成できる利点がある。燃料電池セル2に金属を用いないことにより、カソード(空気極層8)を被毒するクロムの発生源をなくすことができ、金属/セラミックスのシール箇所をなくすことができるという利点もある。その反面、セパレータ5の熱伝導度が低いので、発電により生じた熱が放散せず、熱応力がかかりやすい。このため、図4に示すように燃料電池セル2の数段おきに金属板(均熱板)を含む接合部4を設け、発熱によって生じるセル面内温度分布を均一化させている。
The
図1に戻り、本実施形態の燃料電池スタック1の特徴は、上記燃料電池セル2と燃料電池セル2とを接合している接合部4の構成にある。
Returning to FIG. 1, the feature of the
接合部4は、上方の燃料電池セル2と下方の燃料電池セル2とを物理的に接合し一体化すると共に、上方の燃料電池セル2と下方の燃料電池セル2とを電気的に直列に接続している。
The joint 4 physically joins and integrates the
図1において、燃料電池セル2は、破線A,Bで示す部分間が、上記流路構成部2aに相当する。流路構成部2aの両側に、発電部2b,2cが位置している。そして、熱を中央に集中させないために、並びに上方の燃料電池セル2と下方の燃料電池セル2とを電気的に接続するために、金属板11が設けられている。
In FIG. 1, in the
金属板11を構成する材料としては、特に限定されないが、燃料電池セル2を構成しているセラミックスと熱膨張係数が近い金属を用いることが望ましい。このような材料としては、好ましくは、フェライト系ステンレスである。フェライト系ステンレスの熱膨張係数は、ジルコニアと熱膨張係数が近い。また、フェライト系ステンレスは耐熱性に優れている。従って、フェライト系ステンレスが特に好ましい。もっとも、上記金属板11を構成する材料は特に限定されず、他の金属を用いてもよい。
Although it does not specifically limit as a material which comprises the
金属板11として、金属メッシュを用いてもよく、あるいは金属発泡体もしくは多孔質金属を用いてもよい。金属メッシュ、金属発泡体又は多孔質金属を用いた場合、熱が加えられた際の応力に対する追随性を高めることができ、それによって電気的接続の信頼性をより一層高めることができる。
As the
金属板11の上面及び下面に、それぞれ、LSMからなる導電層12が設けられている。導電層12は、LSM粉末を主体とする導電ペーストの熱処理による硬化物からなる。
上記導電層12の外側に、LSMシートからなる導電シート13がそれぞれ設けられている。この導電シート13は、後述するように、燃料電池スタック1を得るための荷重熱処理工程において完全に焼結するには至らないLSM含有組成物を用いて形成されている。より具体的には、本実施形態では、(La0.8Sr0.2)0.95MnO3で表されるLSM粉末であって、比表面積(BET法)が7m2/gの仮焼粉末を用いる。この仮焼粉末と、バインダー樹脂と溶剤とを混合してなるスラリーをシート成形する。得られたシートを図1に示すように積層し、後述のスタック化のために荷重熱処理により焼き付ける。このようにして、後述するように、焼結に至っていない導電シート13が形成されている。A
上記導電シート13の外表面には、導電層12が配置されている。上記導電層12及び導電シート13の積層構造により、上方の燃料電池セル2と、金属層11と、下方の燃料電池セル2とが接合されて、電気的に接続されている。
A
上記導電層12及び導電シート13は、LSMのような導電性セラミックスからなることが望ましい。このような導電性セラミックスとしては、(LaSr)MnO3、(LaSr)CoO3、(LaSr)(CoFe)O3、MnCo2O4、(SmSr)CoO3、(LaCa)MnO3、(LaCa)CoO3、(LaCa)(CoFe)O3、La(NiFe)O3及び(LaSr)2NiO4からなる群から選択された少なくとも1種を好適に用いることができる。The
また、上記導電層12及び導電シート13は、金属板11を構成している金属元素を含むことが望ましい。それによって、金属板11に対する熱膨張係数の差を小さくすることができる。また、上記導電層12及び導電シート13は、多孔質の導電性セラミックスからなることが望ましい。
The
また、上記導電層12及び導電シート13は、シート状である必要は必ずしもなく、多数の空隙を有する格子状、メッシュ状等の形状であってもよく、あるいは多数のストライプ部分が平行に設けられている形状であってもよい。すなわち、電気的接続が確保される限り、上方の発電部2bと下方の発電部2bとは、全面的に接続されている必要は必ずしもない。特に、燃料電池セル2の表面には、凹凸が存在するのが一般的である。従って、むしろ、凹凸を有するように電気的接続部分表面を構成することが望ましいこともある。従って、上記のように、格子状等の形状を用いてもよい。
The
本実施形態では、接合部4は、上記発電部2b,2cを電気的に接続している接合部とは別の領域において、接着剤層15及びスペーサ16の積層構造を有する。ここで、スペーサ16は、燃料電池セル2,2間の距離が大きい場合、接着を容易とするために用いられている。このようなスペーサ16を構成する材料としては、燃料電池セル2を構成しているセラミックスと熱膨張係数が近い材料が望ましい。
In the present embodiment, the
本実施形態では、接着剤層15により、燃料電池セル2,2が上記スペーサ16を介して接着されている。接着剤層15は、本実施形態では、結晶化ガラス、非晶質ガラス、セラミックスもしくはそれらの混合されたガラス系接着剤からなる。
In the present embodiment, the
図5は、本実施形態に係る燃料電池スタックに用いられているスペーサ16の配置を示す平面図である。
FIG. 5 is a plan view showing the arrangement of the
図5に示すように、図3の発電部2b〜2eに対応する位置に導電部4aが配置されており、図3の十字状の流路構成部2aに対応する位置にスペーサ16が配置されている。スペーサ16は、燃料ガス流路を構成する貫通孔16a又は空気流路を構成する貫通孔16bを備える。これにより、上下のセルを貫通する燃料ガス流路及び空気流路が確保される。なお、図5に示すスペーサ16は、十字状の全てが連結された一体構造をなしているが、複数に分割されていてもよく、また、分割された各スペーサは矩形であってもよく、楕円形であってもよい。
As shown in FIG. 5, the
上記構成では、燃料電池セル2の発電部2a〜2eに対応する位置に金属板11を含む導電部4aが配置されていることにより、上下の燃料電池セル2の発電部2a〜2eが電気的に接続されている。また、熱伝導率の低いセラミックスにより構成される発電部2a〜2eから生じた熱を効率的に伝導させて熱の均一化を図ることができる。均一化によりより高い電流密度での運転が可能となり、高出力化を図ることができる。
In the above configuration, the
十字状の流路構成部2aに対応する位置に金属板11を含む導電部4aではなくスペーサ16を配置することとしたのは、セラミックスにより構成される燃料電池セル2と金属板11とは熱膨張係数の差が大きいことから、発電時の熱変形により上下の接合に隙間が生じる可能性がある。発電部2a〜2eにおいて隙間が生じても問題はないが、流路構成部2において隙間が生じると、燃料ガス又は空気のガスリークを生じてしまい、燃料利用率、空気利用率の低下がおきる。このため、流路構成部2においては、燃料電池セル2(より具体的には固体酸化物電解質層7)と熱膨張係数が近いセラミックスからなるスペーサ16を配置することとしている。具体的には、スペーサ16と燃料電池セル2の熱膨張係数の差は5%以内であることが好ましく、2ppm/℃以内であることが好ましい。
The reason why the
スペーサ16は、セパレータ5と同様の材料により形成され、例えば、マグネシアスピネルやアルミナ、ジルコン、安定化ジルコニアや部分安定化ジルコニアなどにより形成され得る。
The
発電時において、燃料電池セル2はセル構成材料の熱膨張係数差等の要因により、変形することがある。このような状態において、スペーサ16とその上下の燃料電池セル2との間からガスリークの発生の原因となる。本実施形態ではこのようなガスリークを防止すべく、スペーサ16の曲げ剛性を低下させたものである。
During power generation, the
図6は、本実施形態に係るスペーサの構成を説明するための概略断面図である。また、図7は、特許文献1に示された比較例に係るスペーサの構成を示す概略断面図である。図6,7では、図1に示す導電部4aを簡略化して図解している。
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration of the spacer according to the present embodiment. FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the spacer according to the comparative example shown in
図6に示すように、本実施形態に係る燃料電池スタック1では、スペーサ16は複数積層されている。このようにスペーサ16を多層化して1枚当たりのスペーサ16を薄膜化することにより、スペーサ16の曲げ剛性を低下させ、セルに追従して変形できるようにしている。これに対して、図7に示す比較例では、二つのスペーサ16xが配置されている。
As shown in FIG. 6, in the
本実施形態によれば、上記構成により、一の燃料電池セル2の変形時に、一の燃料電池セル2と接着されたスペーサ16が追従して変形することから、シールからのリークが抑制される。
According to the present embodiment, with the above configuration, when one
少なくとも燃料電池セルに接合されるスペーサ16、すなわち燃料電池セル側に配置されるスペーサ16の曲げ剛性は、350N・mm2以下であることが好ましい。The bending rigidity of at least the
また、スペーサ16の厚さは0.7mm以下であることが好ましい。ただし、スペーサ16の材料や形状を変えれば好適な厚さは異なる。
Moreover, it is preferable that the thickness of the
特に本実施形態では、全てのスペーサ16が薄膜化されていることにより、シール部全体の曲げ剛性を低下させることができ、スペーサ16の上下に配置された燃料電池セル2に応力が集中することを抑制することができ、リークが発生することを抑制することができる。
In particular, in this embodiment, since all the
(第2実施形態)
第2の実施形態以降では第1の実施形態と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については実施形態毎には逐次言及しない。(Second Embodiment)
In the second and subsequent embodiments, description of matters common to the first embodiment is omitted, and only different points will be described. In particular, the same operation effect by the same configuration will not be sequentially described for each embodiment.
図8は、第2実施形態に係る燃料電池スタックにおけるスペーサの構成を示す概略断面図である。 FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the spacer in the fuel cell stack according to the second embodiment.
図8に示すように、第2実施形態では、スペーサのうち、少なくとも燃料電池セル2側のスペーサ16−1,16−2のみ薄型化され、発電時における燃料電池セル2の変形に伴って変形するように構成されている。スペーサ16−1,16−2の曲げ剛性及び厚さについては、第1実施形態で説明したとおりである。第2実施形態では、上下の燃料電池セル2側に配置されていないスペーサ16−2は、薄型化していない。スペーサ16−2の厚さは、燃料電池セル間のスペースを埋める厚さに調整される。
As shown in FIG. 8, in the second embodiment, at least the spacers 16-1 and 16-2 on the
第2実施形態によれば、少なくとも燃料電池セル2側のスペーサ16−1,16−2のみ薄型化して、発電時における燃料電池セル2の変形に伴って変形するように構成されていることにより、接合部4の上下の燃料電池セル2の変形に伴ってこの燃料電池セル2と接合しているスペーサ16−1,16−2が変形することから、燃料電池セル2に応力が集中することを抑制でき、リークの発生を抑制できる。
According to the second embodiment, at least only the spacers 16-1 and 16-2 on the side of the
(第3実施形態)
図9は、第3実施形態に係る燃料電池スタックにおけるスペーサの構成を示す概略断面図である。(Third embodiment)
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the spacer in the fuel cell stack according to the third embodiment.
図9に示すように、第3実施形態では、上下の燃料電池セル2のうち、一方の燃料電池セル2側に配置されるスペーサ16−1のみ薄型化して、発電時における燃料電池セル2の変形に伴って変形するように構成されている。第3実施形態では、他方の燃料電池セル2側に配置されるスペーサは薄型化しておらず、1つのスペーサ16−2としている。スペーサ16−2の厚さは、燃料電池セル間のスペースを埋める厚さに調整される。
As shown in FIG. 9, in the third embodiment, of the upper and
セルの変形向きは一定であり、セルの変形時には接合部4の上側の燃料電池セル2に引っ張り応力がかかり、下側の燃料電池セル2に圧縮応力がかかる。燃料電池セル2は主にジルコニアで形成されたセラミックス製品であるため、圧縮応力には強いが引っ張り応力には弱く、相対的に接合部4の上側の燃料電池セル2にリークが発生しやすい。そのため、上側の燃料電池セル2に接続される側のスペーサのみを薄型化することでもリークの抑制が可能となる。なお、下側に凸変形する場合には、下側の燃料電池セル2側のスペーサ16のみを薄型化すればよい。
The deformation direction of the cells is constant, and when the cells are deformed, tensile stress is applied to the
第3実施形態によれば、少なくとも一方の燃料電池セル2側、特に引張応力がかかりやすい方の燃料電池セル2側のスペーサのみ薄型化して、発電時における燃料電池セル2の変形に伴って変形するように構成されていることにより、燃料電池セル2へ引張応力が集中することを抑制でき、リークの発生を抑制できる。
According to the third embodiment, only the spacer on the side of at least one of the
(第4実施形態)
図10は、第4実施形態に係る燃料電池スタックにおけるスペーサの構成を示す概略断面図である。(Fourth embodiment)
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the spacer in the fuel cell stack according to the fourth embodiment.
図10に示すように、第4実施形態では、第3実施形態と比べて、他方(下側)の燃料電池セル2側に別個のスペーサ16−3を配置しており、このスペーサ16−3は、中央部のスペーサ16−2よりも厚いがスペーサ16−1よりも厚い。スペーサ16−1の曲げ剛性及び厚さについては、第1実施形態で説明したとおりである。
As shown in FIG. 10, in the fourth embodiment, a separate spacer 16-3 is disposed on the other (lower)
スペーサ16−3は、スペーサ16−2よりも薄いことから、ある程度低下した曲げ剛性をもつ。このため、圧縮応力がかかりやすい図10の下側の燃料電池セル2に対してスペーサ16−3を配置することにより、下側の燃料電池セル2の圧縮応力の集中をある程度抑制することができることから、下側の燃料電池セル2にリークが発生することを抑制することができる。
Since the spacer 16-3 is thinner than the spacer 16-2, the spacer 16-3 has bending rigidity that is reduced to some extent. For this reason, the concentration of the compressive stress in the
(第5実施形態)
図11は、第5実施形態に係る燃料電池スタックにおけるスペーサの構成を示す概略断面図である。(Fifth embodiment)
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the spacer in the fuel cell stack according to the fifth embodiment.
図11に示すスペーサの構成は、図5に示した空気流路を構成する貫通孔16bを備える部位におけるスペーサの構造である。図5に示した燃料ガス流路を構成する貫通孔16aを備える部位におけるスペーサの構造については、第1実施形態〜第4実施形態と同様である。
The structure of the spacer shown in FIG. 11 is the structure of the spacer in the site | part provided with the through-
第5実施形態では、空気流路を形成するスペーサ16のみ薄型多層化し、かつ、上下の燃料電池セル2との間に接着剤層15を設けず、燃料電池セル2とスペーサ16とを接合していない。上下の燃料電池セル2は、燃料ガス流路を形成するスペーサと燃料電池セル2との接合力のみで接合されている。
In the fifth embodiment, only the
第5実施形態では、空気側のスペーサ16において数%程度の空気漏れは許容している。空気側のスペーサ16は、燃料電池セル2には接合されていないため、燃料電池セル2が変形したとしても、すべりにより応力を開放でき、燃料電池セル2にクラックが生じることを抑制できる。
In the fifth embodiment, an air leakage of about several percent is allowed in the
(第6実施形態)
図12は、第6実施形態に係る燃料電池スタックにおけるスペーサの構成を示す概略断面図である。(Sixth embodiment)
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the spacer in the fuel cell stack according to the sixth embodiment.
図12に示すスペーサの構成は、第5実施形態と同様に、図5に示した空気流路を構成する貫通孔16bを備える部位におけるスペーサの構造である。図5に示した燃料ガス流路を構成する貫通孔16aを備える部位におけるスペーサの構造については、第1実施形態〜第4実施形態と同様である。
The structure of the spacer shown in FIG. 12 is the structure of the spacer in the site | part provided with the through-
第6実施形態では、第5実施形態と同様に、空気流路を形成するスペーサ16のみ薄型多層化し、かつ、上下の燃料電池セル2との間に接着剤層15を設けず、燃料電池セル2とスペーサ16とを接合していない。上下の燃料電池セル2は、燃料ガス流路を形成するスペーサと燃料電池セル2との接合力のみで接合されている。
In the sixth embodiment, as in the fifth embodiment, only the
さらに第6実施形態では、上下の燃料電池セル2とスペーサ16との間に接着剤層156ではなく、バーミキュライト系やシリケート系のガスケット材17を挟むことでシール性を向上させている。これにより、空気側のスペーサ16は、燃料電池セル2には接合されていないため、燃料電池セル2が変形したとしても、すべりにより応力を開放でき、燃料電池セル2にリークが生じることを抑制できる。また、上下の燃料電池セル2とスペーサ16との間にガスケット材が存在することによりシール性を向上させることができる。
Furthermore, in the sixth embodiment, the sealing performance is improved by sandwiching the vermiculite-based or silicate-based
(第7実施形態)
図13は、第7実施形態に係る燃料電池スタックにおけるスペーサの構成を示す概略断面図である。(Seventh embodiment)
FIG. 13 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the spacer in the fuel cell stack according to the seventh embodiment.
図13に示す例では、貫通孔16a又は貫通孔16bを備える2つのスペーサ16−1,16−2が接着剤層15無しに積層されている。なお、スペーサの積層数に限定はない。本実施形態では、各スペーサ16−1,16−2は、平板状ではなく、凹凸構造をなしており、スペーサ16−1,16−2同士が嵌合することにより一枚の平板となるように構成されている。
In the example shown in FIG. 13, two spacers 16-1 and 16-2 having a through
第7実施形態によれば、スペーサ同士が接着剤層により固定されていないため、燃料電池セルの変形に対して追従することができる。また、複数のスペーサ同士は嵌合されており位置ずれしないように、あるいはガスリークが発生しないように構成されている。 According to the seventh embodiment, since the spacers are not fixed by the adhesive layer, it is possible to follow the deformation of the fuel cell. Further, the plurality of spacers are fitted with each other so as not to be displaced or to prevent gas leakage.
第7実施形態において様々な改変が可能である。図13に示すように直角の凹凸構造ではなく、テーパー状であってもよく、また、滑らかな曲線状の凹凸構造であってもよい。さらに、図14に示すように、凹凸の数を増加させてもよい。凹凸の数を増やすことにより、スペーサ間の経路が長くなることから、ガスリークの抑制に効果的である。 Various modifications can be made in the seventh embodiment. As shown in FIG. 13, it may be a tapered shape instead of a right-angled uneven structure, or may be a smooth curved uneven structure. Furthermore, as shown in FIG. 14, the number of irregularities may be increased. By increasing the number of irregularities, the path between the spacers becomes longer, which is effective in suppressing gas leakage.
以上、本発明の例示的な実施形態について説明した。 The exemplary embodiments of the present invention have been described above.
本実施形態に係る燃料電池スタックは、複数の固体酸化物形の燃料電池セル2と、一の燃料電池セルと他の燃料電池セル2との間に設けられ、セラミックスにより形成されるスペーサ16と、一の燃料電池セル2とスペーサ16とを接着する接着剤層15と、を有し、スペーサ16は複数積層されており、一の燃料電池セル2側に配置されるスペーサ16−1が、発電時における一の燃料電池セル2の変形に伴って変形するように構成されている(図9)。これにより、一の燃料電池セル2の変形時に、一の燃料電池セル2と接着されたスペーサが追従して変形することから、シールからのリークが抑制される。
The fuel cell stack according to this embodiment includes a plurality of solid
本実施形態によれば、一の燃料電池セル2側に配置されるスペーサ16の曲げ剛性が、350N・mm2以下である。このように一の燃料電池セル2側に配置されるスペーサ16の曲げ剛性を低下させることにより、一の燃料電池セル2の変形時に、一の燃料電池セル2と接着されたスペーサ16−1が追従して変形することができる。According to this embodiment, the bending rigidity of the
本実施形態によれば、一の燃料電池セル2側に配置されるスペーサ16−1の厚さが、0.7mm以下である。これにより一の燃料電池セル2側に配置されるスペーサ16−1の曲げ剛性を低下させることができ、一の燃料電池セル2の変形時に、一の燃料電池セル2と接着されたスペーサ16−1が追従して変形することができる。
According to this embodiment, the thickness of the spacer 16-1 arranged on the one
固体酸化物形の燃料電池セルはセラミックスにより形成され、このセラミックスは圧縮応力よりも引張応力に弱い。このため、引張応力が集中する一の燃料電池セルに接合されるスペーサが、発電時における一の燃料電池セルの変形に伴って変形するように構成されていることにより、一の燃料電池セルに引張応力が集中することを抑制でき、リークの発生が抑制される。 The solid oxide fuel cell is made of ceramics, which are weaker in tensile stress than compressive stress. For this reason, the spacer joined to the one fuel cell in which tensile stress is concentrated is configured to be deformed along with the deformation of the one fuel cell at the time of power generation. Concentration of tensile stress can be suppressed, and the occurrence of leakage is suppressed.
本実施形態では、複数のスペーサ16の全てが、発電時における燃料電池セル2の変形に伴って変形するように構成されている(図6)。これにより、複数のスペーサ16の束の剛性を低下させることができ、燃料電池セルへの応力の集中を抑制することができる。
In the present embodiment, all of the plurality of
本実施形態では、複数のスペーサ16は、燃料ガスの流路(貫通孔16a)を備えるスペーサ16と、空気の流路(貫通孔16b)を備えるスペーサ16とを有し(図5)、接着剤層は、一の燃料電池セル2と燃料ガスの流路を備えるスペーサ16との間に設けられており、一の燃料電池セル2と空気の流路を備えるスペーサとの間に接着剤層15が設けられていない(図11)。空気側のスペーサ16は、燃料電池セル2には接合されていないため、燃料電池セル2が変形したとしても、すべりにより応力を開放でき、シール部にリークが生じることを抑制できる。
In the present embodiment, the plurality of
本実施形態では、一の燃料電池セル2と空気の流路を備えるスペーサ16との間にガスケット材17が配置されている(図12)。一の燃料電池セル2と空気の流路を備えるスペーサ16との間にガスケット材が存在することによりシール性を向上させることができる。
In this embodiment, the
なお、以上説明した各実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更/改良され得るととともに、本発明にはその等価物も含まれる。即ち、各実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、各実施形態が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。さらに、図面の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。また、各実施形態は例示であり、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換又は組み合わせが可能であることは言うまでもなく、これらも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。 Each embodiment described above is for facilitating the understanding of the present invention, and is not intended to limit the present invention. The present invention can be changed / improved without departing from the spirit thereof, and the present invention includes equivalents thereof. In other words, those obtained by appropriately modifying the design of each embodiment by those skilled in the art are also included in the scope of the present invention as long as they include the features of the present invention. For example, each element included in each embodiment and its arrangement, material, condition, shape, size, and the like are not limited to those illustrated, and can be changed as appropriate. Further, the dimensional ratios in the drawings are not limited to the illustrated ratios. Each embodiment is an exemplification, and it is needless to say that a partial replacement or combination of configurations shown in different embodiments is possible, and these are also included in the scope of the present invention as long as they include the features of the present invention. .
1…燃料電池スタック
2…燃料電池セル
2a…流路構成部
2b〜2e…発電部
4…接合部
4a…導電部
4b…シール部
5…セパレータ
5a,5b…貫通孔
5c…インターコネクタ
6…燃料極層
6a,6b…スリット
7…固体酸化物電解質層
7a,7b…貫通孔
8…空気極層
8a,8b…スリット
9…セパレータ
9a,9b…貫通孔
9c…インターコネクタ
11…金属板
12…導電層
13…導電シート
15…接着剤層
16,16x,16−1〜16−3…スペーサ
16a,16b…貫通孔
17…ガスケット材DESCRIPTION OF
Claims (8)
一の燃料電池セルと他の燃料電池セルとの間に設けられ、セラミックスにより形成されるスペーサと、
一の燃料電池セルとスペーサとを接着する接着剤層と、を有し、
前記スペーサは複数積層されており、前記一の燃料電池セル側に配置されるスペーサが、発電時における前記一の燃料電池セルの変形に伴って変形するように構成された、
燃料電池スタック。A plurality of solid oxide fuel cells;
A spacer provided between one fuel cell and another fuel cell and formed of ceramics;
An adhesive layer that bonds the fuel cell and the spacer,
A plurality of the spacers are stacked, and the spacer disposed on the one fuel cell side is configured to be deformed along with the deformation of the one fuel cell at the time of power generation.
Fuel cell stack.
請求項1記載の燃料電池スタック。The bending rigidity of the spacer disposed on the one fuel cell side is 350 N · mm 2 or less.
The fuel cell stack according to claim 1.
請求項1又は2に記載の燃料電池スタック。The spacer disposed on the one fuel cell side has a thickness of 0.7 mm or less.
The fuel cell stack according to claim 1 or 2.
請求項1〜3のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。The one fuel battery cell is deformed so that the side opposite to the spacer becomes a convex surface during power generation,
The fuel cell stack according to any one of claims 1 to 3.
請求項1〜4のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。In addition to the spacer disposed on the one fuel cell side, the spacer disposed on the other fuel cell side is configured to be deformed along with deformation of the other fuel cell during power generation. ,
The fuel cell stack according to any one of claims 1 to 4.
請求項1〜5のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。All of the plurality of spacers are configured to be deformed along with deformation of the fuel cell during power generation.
The fuel cell stack according to any one of claims 1 to 5.
前記接着剤層は、前記一の燃料電池セルと前記燃料ガスの流路を備えるスペーサとの間に設けられており、前記一の燃料電池セルと前記空気の流路を備えるスペーサとの間に接着剤層が設けられていない、
請求項1〜6のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。The plurality of spacers include a spacer having a fuel gas flow path and a spacer having an air flow path,
The adhesive layer is provided between the one fuel battery cell and a spacer provided with the fuel gas flow path, and between the one fuel battery cell and the spacer provided with the air flow path. No adhesive layer is provided,
The fuel cell stack according to any one of claims 1 to 6.
請求項7に記載の燃料電池スタック。A gasket material is disposed between the one fuel battery cell and a spacer having the air flow path.
The fuel cell stack according to claim 7.
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