JPWO2018173134A1 - 電気化学セルスタック - Google Patents
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Abstract
Description
電気化学セルの中でも、効率などの観点から、電解質に固体酸化物を用いる固体酸化物形電気化学セル(固体酸化物形燃料電池(SOFC)、固体酸化物形電解セル(SOEC))が注目されている。
このとき、電気化学セルスタックのガスシール性を高めることが必要で、スタック内のガスが外部に流出したり、水素極ガスと酸素極ガスがスタック内部で混合したりしないことが好ましい。
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係る平板型電気化学セルスタックの断面を表す断面図である。図2A,図2Bは、この平板型電気化学セルスタックの断面を分解して表す分解断面図である。
図2A、図2Bはそれぞれ、図1の(a)、(b)に対応する分解断面図である。
ここで、ボルト穴Bやボルトを使用せずに、エンドプレート12a、12b等を締め付けてもよい。例えば、プレス機構によって、エンドプレート12a,12b,セパレータ13a〜13c、絶縁材16を上下に締め付け、固定できる。
なお、水素極と酸素極の順序を入れ換えてもよい。この場合、セル11は酸素極支持型の平板状電気化学セルである。また、水素極ガス流路21〜25、酸素極ガス流路31〜35に流すガスが入れ替わる。
水素極には、一般に金属と固体酸化物の混合焼結体(サーメット)(例えば、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))から構成できる。
酸素極は、一般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(例えば、LaSrMn酸化物、LaSrCo酸化物、LaSrCoFe酸化物、LaSrFe酸化物)から構成できる。酸素極は、電解質層に用いている固体酸化物との混合体(例えば、LSM−YSZ、LSM−ScSZ、LSC−SDC、LSC−GDC)から構成してもよい。
電解質層は、セル11の動作温度(600〜1000℃)において酸素イオン導電性を有する固体酸化物(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)から構成できる。
セパレータ13の構成材料は、セル11の動作温度(600〜1000℃)で導電性があり、セル11と熱膨張係数が近いことが望ましい。
図3A〜図3Cは、セパレータ13bを上方から見た状態を表し、図4A、図4Bは、セパレータ13bを下方から見た状態を表す。
図3A,図4Aは,セパレータ13bのみの状態を表し、図3B,図4Bは,セパレータ13bにセル11(11a)および封止板14(14a〜14d)を取り付けた状態を表し、図3Cは,セパレータ13bにセル11(11a)、封止板14(14a〜14d)、シート状シール材15(15b、15c)を取り付けた状態を表わす。
水素極ガス流路25は、座繰り穴133と水素極ガス流路22(貫通孔)の間に形成されている。すなわち、水素極ガス流路22の一部が広がって水素極ガス流路25となる。
酸素極ガス流路35は、座繰り穴135と酸素極ガス流路32(貫通孔)の間に形成されている。すなわち、酸素極ガス流路32の一部が広がって酸素極ガス流路35となる。
封止板14は、薄板(0.1〜1.0mm程度の金属板、例えば、0.3mm厚のステンレス鋼板)からなる。
なお、略同一高さとは、例えば、封止板14とセパレータ13上面(または下面)との段差が0.1mm以下(より好ましくは、0.05mm以下)であることをいうものとする。
封止板14は、溶接等によって、セパレータ13bと接合してもよい。
シート状シール材15は、セル11の動作温度(600〜1000℃)において、ガスリーク性、電気的な絶縁性を有する材料(例えば、マイカまたはバーミキュライト)から構成することが好ましい。
なお、後述のように、シート状シール材15bは、セパレータ13aの下面側に配置される封止板14c、14d(第3、第4の封止板)それぞれの外周を覆う。
シート状シール材15bは、セル11a、封止板14a、14bそれぞれの外周を覆うことから、シート状シール材15b、ひいては封止板14に圧力が均一にかかり、ガスのリークを防止できる。
図5A、図5Bは、セパレータ13aを上方から見た状態を表す。
図5Aは,セパレータ13aのみの状態を表し、図5Bは,セパレータ13aにシート状シール材15aを取り付けた状態を表わす。
以下、第2の実施形態に係る平板型セルスタックを説明する。
図6は、第2の実施形態に係る平板型セルスタックの断面を表す断面図である。図6の(a)は水素極ガス流路21,22を結ぶ線分で平板型セルスタックを切断した状態を表し、図6の(b)は酸素極ガス流路31,32を結ぶ線分で平板型セルスタックを切断した状態を表す。
薄板17(板状部材)の厚さは、好ましくは約0.05mm〜0.3mmである。
薄板17は、セル11a,11bの電極エリア、水素極ガス流路21,22、酸素極ガス流路31,32、ボルト穴Bを除いて、セパレータ13b、13cを覆う。すなわち、薄板17は、セル11a,11bの電極エリアに対応する開口171、水素極ガス流路21,22、酸素極ガス流路31,32、ボルト穴Bに対応する開口を有する。
薄板17a,17bが、セル11a,11bと封止板14a、14bの隙間を覆うことで、ガスリークをより抑えることができる。
以下、第3の実施形態に係る平板型セルスタックを説明する。
第3の実施形態では、第1、第2の実施形態の平板型セルスタックにおいて、シート状シール材15に液状シール材(例えば、ペースト状のシール材)が塗布される。この結果、ガスシール性がより向上する。液状シール材は、シート状シール材15だけでなく、薄板17やセパレータ13に塗布してもよい。
液状シール材には、ガラス性や高温で結晶化する材料を使用できる。これらの液状シール材は、塗布後に高温で熱処理することでシール性を発揮する。
Claims (9)
- 主面と、
前記主面上に配置される凹部と、
前記凹部を挟む第1、第2の貫通孔と、
前記第1、第2の貫通孔の周囲に配置される第1、第2の座繰り穴と、
を有するセパレータと、
前記凹部に配置され、水素極、電解層、および酸素極を有する電気化学セルと、
前記第1、第2の座繰り穴に配置される第1、第2の封止板と、
前記第1、第2の封止板の外周を覆うカバー板と、
を具備する電気化学セルスタック。 - 前記セパレータの前記主面側の第2の主面と、
第3、第4の貫通孔と、
前記第3、第4の貫通孔の周囲に配置される第3、第4の座繰り穴と、
を有する第2のセパレータと、
前記第3、第4の座繰り穴に配置される第3、第4の封止板と、をさらに具備し、
前記カバー板が、第3、第4の封止板の外周を覆う、
請求項1に記載の電気化学セルスタック。 - 前記カバー板が、前記凹部と前記電気化学セルの外周の間の隙間を覆う
請求項1または2に記載の電気化学セルスタック。 - 前記第2のセパレータが、前記第2の主面の反対側の第3の主面を有し、
前記第3の主面側のエンドプレートと、
前記第2のセパレータと前記エンドプレートの間に配置され、前記カバー板と略同一形状および略同一位置の第2のカバー板と、
をさらに具備する請求項1乃至3のいずれか1項に記載の電気化学セルスタック。 - 前記セパレータと前記第1、第2の封止板の少なくともいずれかの高さが略同一である
請求項1乃至4のいずれか1項に記載の電気化学セルスタック。 - 前記電気化学セルと前記第1、第2の封止板の少なくともいずれかの高さが略同一である
請求項1乃至5のいずれか1項に記載の電気化学セルスタック。 - 前記第1、第2の封止板と前記カバー板の間に配置され、前記第1、第2の貫通孔に対応する貫通孔を有する板状部材
をさらに具備する請求項1乃至6のいずれか1項に記載の電気化学スタック。 - 前記カバー板に塗布された液状シール材
をさらに具備する請求項1乃至7のいずれか1項に記載の電気化学セルスタック。 - 前記カバー板が、マイカまたはバーミキュライトを有する
請求項1乃至8のいずれか1項に記載の電気化学セルスタック。
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