JPWO2018167845A1 - Flat plate type electrochemical cell stack - Google Patents
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Abstract
平板状の固体酸化物型の電気化学セルと、電気化学セルの周囲を囲む導電性のセパレータとを含み、複数積層された単位電気化学セルと、単位電気化学セルのセパレータと、隣接する単位電気化学セルのセパレータとの間に配置され、電気化学セルの周囲を囲む枠状のシール部と、単位電気化学セルのセパレータと、隣接する単位電気化学セルのセパレータとの間に配置され、少なくとも一部がシール部の外周側に位置し、シール部より厚さの薄い絶縁部と、具備した平板型電気化学セルスタック。A plurality of stacked unit electrochemical cells including a flat solid oxide electrochemical cell and a conductive separator surrounding the periphery of the electrochemical cell, a separator of the unit electrochemical cell, and an adjacent unit electricity At least one frame disposed between the separator of the chemical cell and the frame-like seal surrounding the periphery of the electrochemical cell, the separator of the unit electrochemical cell, and the separator of the adjacent unit electrochemical cell; A flat type electrochemical cell stack having an insulating portion whose portion is located on the outer peripheral side of the seal portion and having a thickness smaller than that of the seal portion.
Description
本発明の実施形態は、平板型電気化学セルスタックに関する。 Embodiments of the present invention relate to planar electrochemical cell stacks.
水素と酸素を電気化学的に反応させることにより、化学エネルギーを電気エネルギーに変換する燃料電池が注目されている。燃料電池は高いエネルギー利用効率を有し、大規模分散電源、家庭用電源、移動用電源として開発が進められている。 Fuel cells that convert chemical energy into electrical energy by electrochemically reacting hydrogen and oxygen attract attention. Fuel cells have high energy utilization efficiency, and are being developed as large-scale distributed power sources, household power sources, and mobile power sources.
燃料電池は、温度域や使用する材料・燃料の種類に応じて、固体高分子型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、などに分けられる。これらの中で効率などの観点から、固体酸化物から成る電解質を使用して電気化学反応により電気エネルギーを得る固体酸化物型燃料電池(SOFC)が注目されている。また、SOFCの逆反応を利用して、固体酸化物型電解セル(SOEC)により水素の製造を行う、高温水蒸気電解法も近年、開発がすすめられている。 Fuel cells are classified into solid polymer type, phosphoric acid type, molten carbonate type, solid oxide type, and the like according to the temperature range and the type of material and fuel used. Among them, solid oxide fuel cells (SOFCs) that obtain electric energy by an electrochemical reaction using an electrolyte composed of solid oxide are attracting attention from the viewpoint of efficiency and the like. In addition, high-temperature steam electrolysis, in which hydrogen is produced by a solid oxide electrolytic cell (SOEC) using the reverse reaction of SOFC, has also been recently developed.
SOFCおよびSOECの最小構成単位であるセルは、一般的に、電解質と電極とから構成される。固体酸化物の電解質は、酸素イオン導電性を有する。固体酸化物の電解質としては、例えば、緻密な安定化ジルコニアやペロブスカイト型酸化物、セリア系固溶体の成形体などが用いられる。 A cell, which is the smallest constituent unit of SOFC and SOEC, is generally composed of an electrolyte and an electrode. The solid oxide electrolyte has oxygen ion conductivity. As the electrolyte of the solid oxide, for example, a compact stabilized zirconia, a perovskite type oxide, a compact of a ceria-based solid solution, or the like is used.
電極に関しては、SOFCを例にとると、大きく燃料極と空気極に分けられる。燃料極では、燃料ガスであるH2と、電解質を移動してきた酸素イオンとが電気化学的に反応し、H2Oと電子(e-)が生成する。空気極では、(空気中の)酸素が、電子(e-)を取り込み、電気化学反応により、酸素イオンが生成し、これらが電解質へと移動する。As for the electrodes, taking SOFC as an example, the electrodes can be roughly divided into a fuel electrode and an air electrode. At the fuel electrode, H 2 which is a fuel gas and oxygen ions which have moved through the electrolyte react electrochemically to generate H 2 O and electrons (e −). At the air electrode, oxygen (in air) takes up electrons (e −), and electrochemical reactions produce oxygen ions, which are transferred to the electrolyte.
燃料極には、一般的に金属と固体酸化物の混合焼結体(サーメット)が用いられる。たとえば、Ni−YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、Ni−ScSZ(スカンジア安定化ジルコニア)などが用いられる。 For the fuel electrode, generally, a mixed sintered body (cermet) of metal and solid oxide is used. For example, Ni-YSZ (yttria stabilized zirconia), Ni-ScSZ (scandia stabilized zirconia), etc. are used.
一方、空気極には、一般的にペロブスカイト型酸化物やこれらの一部サイトを置換した酸化物が用いられる。例えば、LaSrMn酸化物、LaSrCo酸化物、LaSrCoFe酸化物、LaSrFe酸化物などが挙げられる。また、電解質に用いている固体酸化物との混合体なども用いられ、例えば、LSM−YSZ、LSM−ScSZ、LSC−SDC、LSC−GDCなどが挙げられる。 On the other hand, a perovskite-type oxide or an oxide in which some of these sites are substituted is generally used for the air electrode. For example, LaSrMn oxide, LaSrCo oxide, LaSrCoFe oxide, LaSrFe oxide etc. may be mentioned. Moreover, the mixture with the solid oxide used for electrolyte etc., etc. are used, for example, LSM-YSZ, LSM-ScSZ, LSC-SDC, LSC-GDC etc. are mentioned.
上記のようにセルは、少なくとも、空気極と電解質と燃料極の積層体である。空気極と電解質と燃料極には、各々異なる特性の材料を用いている。空気極と燃料極は多孔質であり、空気極と燃料極には緻密な電解質を境にそれぞれ異なるガスが供給される。空気極と燃料極は電気伝導体であり、電解質は電気を通さないイオン伝導体である。 As described above, the cell is at least a laminate of the air electrode, the electrolyte and the fuel electrode. Materials having different characteristics are used for the air electrode, the electrolyte and the fuel electrode. The air electrode and the fuel electrode are porous, and different gases are supplied to the air electrode and the fuel electrode, respectively, with a dense electrolyte. The air electrode and the fuel electrode are electric conductors, and the electrolyte is an ion conductor that does not conduct electricity.
セルの形状は、平板型、円筒型、円筒平板型などがある。例えば、平板型のセルは、空気極、電解質、燃料極などを平板状に積層した形状のものである。このセルを複数、集積したものは一般的にスタックと呼ばれる。 The shape of the cell may be flat, cylindrical, cylindrical flat, or the like. For example, a flat cell has a shape in which an air electrode, an electrolyte, a fuel electrode and the like are stacked in a flat plate shape. A plurality of integrated cells are generally called a stack.
例えば、平板型のセルの場合、スタックは複数の平板型のセルを積層したものであり、各セルの空気極と燃料極に異なるガスを供給し、かつセル同士は電気的に直列に接続可能な構造を持つ。セルとセルの間はセパレータによって隔てられ、このセパレータによってセルごとのガスが区切られる。セパレータは導電性なのでセル同士の電気的導通の役割も担う。また、各セルへのガスの供給・排出流路も一般的にセパレータ中に形成される。 For example, in the case of flat cells, the stack is formed by stacking a plurality of flat cells, supplying different gases to the air electrode and the fuel electrode of each cell, and the cells can be electrically connected in series. Has a simple structure. The cell and the cell are separated by a separator, which separates the gas per cell. Since the separator is conductive, it also plays a role of electrical conduction between cells. In addition, a gas supply / discharge flow path to each cell is generally formed in the separator.
スタックでは、セル部分は緻密な電解質により、燃料極と空気極が隔離されるが、それ以外の部分は緻密なセパレータにより隣接するセル同士の雰囲気を隔離する。また、同一セルの燃料極と空気極の雰囲気については、セルが設置されていない部分の隙間などを緻密な部材で塞ぎ、隔離している。 In the stack, the cell portion is separated by the dense electrolyte between the fuel electrode and the air electrode, but the other portion is separated by the dense separator between the atmospheres of adjacent cells. Moreover, about the atmosphere of the fuel electrode of the same cell, and the air electrode, the crevice etc. of the part in which the cell is not installed are closed with a precise member, and it is isolated.
平板型のセルのスタックでは、スタック内を流れるガスのスタック外部への流出を防ぐこと、スタック内部において燃料極と空気極への供給ガスが混合することを防ぐこと、すなわち、ガスのシール性が大きな課題となっている。このようなガスのシール性を高めるためには、例えば、各種のシール材を用いる方法等が提案されている。 In a flat cell stack, the flow of gas in the stack is prevented from flowing out of the stack, and the supply gas to the fuel electrode and the air electrode is prevented from mixing inside the stack, that is, the gas sealability It is a big issue. In order to improve the sealing performance of such gas, for example, methods using various sealing materials have been proposed.
セルは緻密な電解質を有するため、燃料極と空気極の各々の雰囲気ガスの混合を防ぐことが可能である。しかし、セル以外のスタック構成部において、ガスリークへの対策が必要である。例えば、セルとセル以外のスタック構成部材との隙間部分や、ガスをセルに供給する部分をシールする必要がある。 Since the cell has a dense electrolyte, it is possible to prevent mixing of the atmosphere gas of each of the fuel electrode and the air electrode. However, in stack components other than cells, measures against gas leak are necessary. For example, it is necessary to seal the gap between the cells and the stack components other than the cells, and the portion for supplying the gas to the cells.
また、セルは導電性のセパレータを介して積層されるため、セパレータ間をなんらかの形で絶縁することが必要である。そのため、シール性と絶縁性を両立させた構造が必要となる。 In addition, since the cells are stacked via conductive separators, it is necessary to insulate the separators in some form. Therefore, the structure which made sealing property and insulation be compatible is needed.
本発明が解決しようとする課題は、ガスシール性を高めた平板型電気化学セルスタックを提供することにある。 The problem to be solved by the present invention is to provide a flat plate type electrochemical cell stack with improved gas sealability.
実施形態の平板型電気化学セルスタックは、平板状の固体酸化物型の電気化学セルと、前記電気化学セルの周囲を囲む導電性のセパレータとを含み、複数積層された単位電気化学セルと、前記単位電気化学セルの前記セパレータと、隣接する前記単位電気化学セルの前記セパレータとの間に配置され、前記電気化学セルの周囲を囲む枠状のシール部と、 前記単位電気化学セルの前記セパレータと、隣接する前記単位電気化学セルの前記セパレータとの間に配置され、少なくとも一部が前記シール部の外周側に位置し、前記シール部より厚さの薄い絶縁部とを具備している。 A planar electrochemical cell stack according to an embodiment includes a flat solid oxide electrochemical cell and a conductive separator surrounding the electrochemical cell, and a plurality of stacked unit electrochemical cells; A frame-like seal disposed between the separator of the unit electrochemical cell and the separator of the unit electrochemical cell adjacent thereto and surrounding the periphery of the electrochemical cell; the separator of the unit electrochemical cell And the separator of the unit electrochemical cell adjacent to each other, at least a portion of which is located on the outer peripheral side of the seal portion, and has an insulating portion thinner than the seal portion.
以下、実施形態について図面を参照して説明する。図1は、実施形態の平板型電気化学セルスタック(以下、単にスタックという。)100の一部の断面構成を模式的に示す図である。なお、図1では、各構成部品を分解した状態(部品間に間隔を開けた状態)で図示しているが(後述する図3〜6も同じ)、これらの各構成部品は、積層されて加圧状態で一体的に保持される。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a view schematically showing a cross-sectional configuration of a part of a flat plate type electrochemical cell stack (hereinafter simply referred to as a stack) 100 of the embodiment. Although FIG. 1 illustrates each component in a disassembled state (a state in which a gap is provided between components) (the same applies to FIGS. 3 to 6 described later), these respective components are stacked. It is integrally held in a pressurized state.
本実施形態において、スタック100を構成する平板型のセル101は、電極支持型平板型電気化学セルである。セル101は、多孔質の電極支持体102の上に、薄膜からなる電解質103を形成し、さらに電解質103の上に対極104を形成した積層構造である。SOFCの場合、電極支持体102又は対極104のいずれか一方が燃料極であり、他方が空気極である。
In the present embodiment, the flat
セル101の周囲を囲むように、導電性のセパレータ105,106が設けられており、これらの中にセル101が収容され、支持される。電極支持体102とセパレータ106との間には、これらを電気的に接続する図示しない集電体などが配設される。また、対極104と隣接するセパレータ106との間にも、これらを電気的に接続する図示しない集電体などが配設される。
セパレータ105,106の材料は、緻密で、かつ、動作温度である600〜1000℃の温度域でも導電性がある材料、例えば金属やセラミックスを用いる。また、この材料としては、セル101と熱膨張係数が近いものが望ましい。なお、本実施形態では、セパレータを、別部材である2つのセパレータ105,106によって構成した例について説明する。しかし、セパレータ105,106が一体となった1つの部材から構成してもよい。
The material of the
平板型のセル101の外形は、例えば、四角形状とされている。また、セパレータ105は、セル101の周囲を囲むように、矩形の枠状に構成されている。セパレータ105の中央部には、四角形の開口105aが形成され、セル101は、開口105aの中に配置される。
The outer shape of the
セパレータ106の外形は、例えば、四角形の板状とされている。また、セパレータ105と、セパレータ106には、夫々対応する位置に貫通孔が形成され、これらの貫通孔によって、ガスを積層方向に流通させるためのガス流路109が形成されている。
The outer shape of the
セパレータ105とセパレータ106とによって、開口105a内にセル101を収容して支持する支持体が構成される。そして、これらのセパレータ105,106、セル101によって1つの単位化学セル110が構成される。図2に示すように、これらの単位化学セル110が複数積層され、積層方向の両側端部(図2における上側端部と下側端部)には、エンドプレート120などが配置される。そして、これらが、締結手段、例えば、複数のボルト111とナット112等によって締め付けられて固定される。なお、図2中、同一構造の単位化学セル110が配置される部分の一部の図示を省略している。
The
図1に示すように、セパレータ105と、隣接する単位化学セル110のセパレータ106との間には、枠状に形成されたシート状の絶縁部材107が設けられている。絶縁部材107は、セパレータ105と隣接するセル101のセパレータ106との間での電気的な短絡を防止するために設けられている。この絶縁部材107によって、絶縁部が構成されている。
As shown in FIG. 1, a sheet-like insulating
さらに、セパレータ105と、隣接する単位化学セル110のセパレータ106との間で、絶縁部材107の内側には、枠状に形成されたシート状のシール部材108が設けられている。シール部材108は、セル101の周縁部に沿って配設されている。シール部材108は、セル101の外周縁部とセパレータ105の内周縁部との間に跨って配設されている。また、シール部材108は、ガス流路109の周囲を囲むように配設されている。すなわち、シール部材108は、シート状であり、上面又は下面側から見たときに、外形が略四角形状とされ、中央部にセル101の外形より小さな略四角形状の開口を有する形状(枠状)となっている。そして、ガス流路109に対応する部位に、ガス流路109の形状に応じた開口が設けられている。このシール部材108によって、シール部が構成されている。
Furthermore, a sheet-
シール部材108は、セル101、セパレータ105,106の間の隙間などからのガスのリークを防止するために設けられている。また、シール部材108は、セパレータ105と隣接する単位化学セル110のセパレータ106との間を絶縁するために設けられている。
The
絶縁部材107の材料は、特に限定されないが、電気的な絶縁性が高い(電気抵抗が高い)ものが望ましい。この材料としては、例えば、アルミナ、ジルコニア、シリカ、少なくともこれらが含まれる材料、などが挙げられる。密度については、緻密なものが望ましいが、多孔質のものでもよい。
The material of the insulating
シール部材108の材料は、特に限定されないが、電気的な絶縁性が高いものが望ましい。この材料としては、例えば、アルミナ、ジルコニア、シリカ、少なくともこれらが含まれる材料、などが挙げられる。密度については、緻密なものが望ましい。シール部材108の材料は、絶縁部材107の材料と同じものを用いてもよい。
The material of the
本実施形態では、同一面内に配置される、絶縁部材107とシール部材108の厚みを異なる厚みとしている。すなわち、絶縁部材107の厚みが、シール部材108の厚みよりも薄くなっている。
In the present embodiment, the thicknesses of the insulating
このように、本実施形態では、絶縁部分とシール部分を分離し、厚さの厚いシール部材108と厚さの薄い絶縁部材107としたことにより、単純な構造でシール部分の面圧を高めることができ、シール性を向上させることができる。
As described above, in the present embodiment, the insulating portion and the seal portion are separated, and by making the
平板型のスタックの場合、積層方向に圧力をかけて、シール部の面圧を上げてシールをするが、広い面積への面圧を高めるには非常に大きな圧力をかける必要がある。例えば図6に示す比較例のスタック500のように、絶縁機能とシール機能を一つの部材に持たせ、表面積の大きな絶縁シール部材508を、セパレータ105と、隣接する単位化学セル110のセパレータ106との間に配置した場合、面圧を高めるには非常に大きな圧力をかける必要がある。このため、面圧を十分に高めることができず、シール性が低下する場合がある。
In the case of a flat stack, pressure is applied in the stacking direction to increase the surface pressure of the seal portion for sealing, but in order to increase surface pressure on a large area, it is necessary to apply very large pressure. For example, as in the
これに対して、絶縁部分とシール部分を分離し、厚さの厚いシール部材108と厚さの薄い絶縁部材107とした本実施形態では、図6に示した絶縁シール部材508の場合に比べて、シール部材108の表面積を小さくすることができ、容易に面圧を高めることができる。これにより、シール性を向上させることができる。
On the other hand, in the present embodiment in which the insulating portion and the sealing portion are separated and the
なお、シール部材108の材料として、室温で多孔質であり、圧縮された状態で高温暴露することにより、緻密になる材料を用いることができる。室温で多孔質なものは圧縮性が高く、例えば、セル端部で段差などがある場合に、スタック積層方向に圧力をかけてシール部分に面圧をかけた場合、その段差を吸収することが可能となる。そして、圧縮された状態で高温暴露することにより、緻密になり、シール性が向上する。
In addition, as a material of the sealing
上記のような材料を使用して、シール部材108を構成した場合、積層して圧縮する前と、積層して圧縮した後のシール部材108の厚さが変化する。すなわち、積層して圧縮した後のシール部材108の厚さは、圧縮前より薄くなる。したがって、シール部材108の厚さと絶縁部材107の厚さの差も減少する。この場合、圧縮後において僅かにシール部材108の厚さが絶縁部材107の厚さよりも厚ければよい。
When the
図3は、第2実施形態に係るスタック200の一部の断面構成を模式的に示す図である。なお、図3において、図1と対応する部分には同一の符号が付してある。
FIG. 3 is a view schematically showing a cross-sectional configuration of a part of the
図3に示すように、スタック200では、絶縁部として、セパレータ106の一方の面(図3において下側の面)に予め絶縁材料をコーティングして形成したコーティング膜207を用いている。コーティング膜207は、シール部材108の周囲を囲むように枠状に形成されている。
As shown in FIG. 3, in the
コーティング膜207の材料は、特に限定されないが、電気的な絶縁性が高いものが望ましい。この材料としては例えば、アルミナ、ジルコニア、シリカ、少なくともこれらが含まれる材料、などが挙げられる。密度については、緻密なものが望ましいが、多孔質なものでもよい。また、コーティング方法は、特に限定されないが、例えば、湿式法、乾式法、物理的手法、化学的手法、などが挙げられる。コーティング膜207の形状については、特に限定されないが、絶縁する必要のある部分に最低限設けられていればよい。
The material of the
上記のように、絶縁部をコーティング膜207によって構成した場合、部品点数が減り、スタック200を積層して組み立てる際の工程が減り、また、施工時に絶縁部材とシール部材の重なりが生じるなどの不具合が生じることを防止できる。さらに、局所的な電気のリークの発生を抑制することができる。
As described above, when the insulating portion is formed of the
図4は、第3実施形態に係るスタック300の一部の断面構成を模式的に示す図である。なお、図4において、図1と対応する部分には同一の符号が付してある。
FIG. 4 is a view schematically showing a cross-sectional configuration of part of the
スタック300の積層方向端部には、スタック300の強度などを確保するため、エンドプレート120などが設置される。この場合、エンドプレート120とセパレータ106との間の絶縁やガスシールを行う必要がある。このため、スタック300では、絶縁部材107とシール部材108が、上側のエンドプレート120とセパレータ106との間に配置されている。
An
上記のスタック300では、エンドプレート120とセパレータ106との間に、セパレータ105,106の間に配置するものと同様な形状の絶縁部材107とシール部材108を設けている。これにより、スタック300の同じ個所に面圧がかかるようになり、積層方向において各シール部材108に均一に面圧がかかり、シール性を向上させることができる。
In the
図5は、第4実施形態に係るスタック400の一部の断面構成を模式的に示す図である。なお、図5において、図1と対応する部分には同一の符号が付してある。
FIG. 5 is a view schematically showing a cross-sectional configuration of a part of a
スタック400では、セパレータ106のシール部材108が接する部分に、シール部材108より面積が小さい凸部401が設けられている。この凸部401は、シール部材108の形状に沿って枠状に形成されている。凸部401の形状としては、シール部材108の破断などが発生しないように鋭利な部分がない形状のものが望ましい。上記構成のスタック400では、シール部材108への面圧がさらに高まり、シール性が向上する。
In the
以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、ガスシール性を高めることができる。 According to at least one embodiment described above, the gas sealability can be enhanced.
以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 While the embodiments of the present invention have been described above, the embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. This novel embodiment can be implemented in other various forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and the gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalent scope thereof.
100,200,300,400,500…スタック、101…セル、102…電極支持体、103…電解質、104…対極、105…セパレータ、105a…開口、106…セパレータ、107…絶縁部材、108…シール部材、109…ガス流路、110…単位化学セル、111…ボルト、112…ナット、120…エンドプレート、207…コーティング膜、401…凸部。 100, 200, 300, 400, 500: stack, 101: cell, 102: electrode support, 103: electrolyte, 104: counter electrode, 105: separator, 105a: opening, 106: separator, 107: insulating member, 108: seal Members, 109: gas flow path, 110: unit chemical cell, 111: bolt, 112: nut, 120: end plate, 207: coating film, 401: convex portion.
Claims (7)
前記単位電気化学セルの前記セパレータと、隣接する前記単位電気化学セルの前記セパレータとの間に配置され、前記電気化学セルの周囲を囲む枠状のシール部と、
前記単位電気化学セルの前記セパレータと、隣接する前記単位電気化学セルの前記セパレータとの間に配置され、少なくとも一部が前記シール部の外周側に位置し、前記シール部より厚さの薄い絶縁部と、
を具備した平板型電気化学セルスタック。A plurality of stacked unit electrochemical cells, comprising: a flat solid oxide electrochemical cell; and a conductive separator surrounding the electrochemical cell;
A frame-like seal disposed between the separator of the unit electrochemical cell and the separator of the unit electrochemical cell adjacent thereto and surrounding the periphery of the electrochemical cell;
An insulation disposed between the separator of the unit electrochemical cell and the separator of the adjacent unit electrochemical cell, at least a portion of which is located on the outer peripheral side of the seal portion, and thinner than the seal portion Department,
Plate-type electrochemical cell stack equipped with
前記エンドプレートと前記セパレータとの間に、前記シール部と前記絶縁部が配設されている、請求項1〜4いずれか1項記載の平板型電気化学セルスタック。An end plate disposed at an end of the plurality of stacked unit electrochemical cells in the stacking direction,
The flat electrochemical cell stack according to any one of claims 1 to 4, wherein the seal portion and the insulating portion are disposed between the end plate and the separator.
Applications Claiming Priority (1)
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