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JP2005174714A - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents

固体電解質型燃料電池 Download PDF

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JP2005174714A JP2003412426A JP2003412426A JP2005174714A JP 2005174714 A JP2005174714 A JP 2005174714A JP 2003412426 A JP2003412426 A JP 2003412426A JP 2003412426 A JP2003412426 A JP 2003412426A JP 2005174714 A JP2005174714 A JP 2005174714A
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Abstract

【課題】 発電部と枠部との接合部での熱応力を低減し接合部の信頼性を向上する。
【解決手段】 平板型の固体電解質1を挟むように燃料極3と空気極5の各電極を形成して単セル7を形成し、この単セル7の外周側に接合材23を用いてフレーム9を接合する。フレーム9は接合材23と反対側の面に突起部9iを形成し、これにより、フレーム9の接合部21に対応する部分の厚さが、他の部分の厚さより厚くなっている。
【選択図】 図1

Description

本発明は、平板型の固体電解質を挟むように燃料極と空気極の各電極を形成して発電部を形成し、発電部の外周側に接合材を用いて枠部を接合した固体電解質型燃料電池に関する。
例えば、下記特許文献1には、平板型固体電解質の両側に燃料極と空気極とをそれぞれ配置し、さらに平板型固体電解質の外周側の空気極側の面に保持薄板枠を取り付ける構成が開示されている。
特開2000−331692号公報
上記した従来の固体電解質型燃料電池においては、固体電解質を挟むように燃料極と空気極の各電極を形成した発電部に、保持薄板枠を取り付けることにより、発電部をセパレータと積層した場合に、セパレータと発電部との隙間を塞ぎ、燃料ガスと酸化ガスとの混合を防止するとともに、セパレータおよび発電部を多数積層することによるスタック化で発生する応力や、スタック内において発電部と他の構成部材との熱膨張係数差による熱応力を、保持薄板枠によって吸収する構造としている。
そのため、保持薄板枠による応力をより下げるために、保持薄板枠の厚さをできるだけ薄くすることが望ましい。しかし、この保持薄板枠と発電部とを接合する場合、主に金属を主成分とする金属ロウや酸化ケイ素などを主成分とするガラスシール材を用いて接合することになるが、これらの接合材は固体電解質型燃料電池を構成している金属酸化物セラミックや耐熱金属とは熱膨張係数が大きく異なり、金属ロウは1.2から2倍程度、逆にガラスシール材では半分から8割程度である。
特に、固体電解質型燃料電池においては、常温と動作温度との差が大きいため、この接合材により発生する熱応力も大きく、発電部の破損の原因となるほか、保持薄板枠を破損させる、もしくは保持薄板枠に歪を発生させたりする。
発電部や保持薄板枠に破損が発生すると、燃料電池の内部でガスリークが発生し、燃料ガスと空気とが混合・燃焼して燃料利用率の低下、出力の低下を招くことになる。また、保持薄板枠の歪も同様で、積層部層間からのガスリークの原因となり、同様の悪影響を引き起こす。さらにこのガスが混合・燃焼により局所的な温度上昇、熱応力分布の不均一を起こし、各種部品の歪やクラックの原因となり、ついには燃料電池として寿命が短くなり、信頼性の低下を招くことになる。
そこで、この発明は、発電部と枠部との接合部での熱応力を低減し接合部の信頼性を向上することを目的としている。
本発明は、平板型の固体電解質を挟むように燃料極と空気極の各電極を形成して発電部を形成し、この発電部の外周側に接合材を用いて枠部を接合する接合部を備えるとともに、この枠部を接合した発電部およびセパレータを積層してなる固体電解質型燃料電池において、前記枠部の前記接合部に対応する部分の厚さが他の部分の厚さより厚いことを最も主要な特徴とする。
本発明によれば、枠部の接合部に対応する部分の厚さが他の部分の厚さより厚いので、発電部と枠部との接合部から発生する熱応力が低減し、接合部の信頼性を向上することができる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図1(a)は、この発明の第1の実施形態を示す固体電解質型燃料電池の基本構成を示す平面図、図1(b)は、図1(a)のA−A断面図、図1(c)は、図1(b)のB部の拡大図である。
この固体電解質型燃料電池は、図1(b)に示すように、基材となる平板型の固体電解質1を挟むように、その両側に燃料極3と空気極5とをそれぞれ配置して発電部としての単セル7を構成している。
例えば固体電解質1にはイットリア安定化ジルコニア(以下YSZ)、燃料極3にはNiO/YSZサーメット、空気極には(LaxSr1-x)CoO3(以下LSC)をそれぞれ用い、この各電極材料を基材(固体電解質1)のYSZに高温で焼き付けている。
上記した固体電解質1は、燃料極3および空気極5に対して外周側部分が全周にわたり突出しており、この突出した部分の空気極5側に枠部としてのフレーム9を取り付けてある。
フレーム9は、固体電解質1を構成する材料に熱膨張係数が近く、また耐熱性にも優れるフェライト系ステンレス合金の薄板からなり、中央部に単セル7の空気極5の領域よりも大きな開口11を形成してある。またフレーム9の周囲四方には、酸化ガスおよび燃料ガスを、単セル7に供給・排気するため酸化ガス供給口13・同排気口15、燃料ガス供給口17・同排気口19を貫通して設けてある。
そして、上記した固体電解質1とフレーム9との接合部21は、図1(c)に示すように、例えば金,銀,ニッケル,パラジュウムなどを主成分とする接合温度の高い金属系のロウ材からなる接合材23を用いて接合している。このフレーム9は接合材23と反対側の面に突起部9iを形成し、これにより、フレーム9の接合部21に対応する部分の厚さが、他の部分の厚さより厚くなっている。
なお、このフレーム9の突起部9iを除く部分の厚さは数10μm程度であり、突起部9iは、幅数mm程度、高さ(厚さ)数10から100μm程度であり、フレーム9の内側全周にわたり設けてある。このような構造のフレーム9は、圧延加工などにより薄肉化したステンレス合金箔をプレス加工、もしくはエッチング加工などにより作製する。
上記図1に示した単セル7にフレーム9を接合した構造体を、以下の説明ではセル板25と呼ぶ。図2は、上記セル板25を含む燃料電池全体の構成部材を示す分解斜視図である。
セル板25の図2中で上下両側には、いずれも電気絶縁性材料からなるスペーサ27およびスペーサ29をそれぞれ配置する。
上部側のスペーサ27は、セル板25の酸化ガス供給口13・同排気口15間をつなぎ、かつ単セル7の空気極5の表面に酸化ガスを供給するための開口31を中央に備えるとともに、セル板25の燃料ガス供給口17・同排気口19にそれぞれ整合する貫通孔33・35を、前記開口31の外側にそれぞれ備える。
一方、下部側のスペーサ29は、セル板25の燃料ガス供給口17・同排気口19間をつなぎ、かつ単セル7の燃料極3の表面に燃料ガスを供給するための開口37を備えるとともに、セル板25の酸化ガス供給口13・同排気口15にそれぞれ整合する貫通孔39・41を、前記開口37の外側に備える。
また、スペーサ27のセル板25と反対側(もしくはスペーサ29のセル板25と反対側)には、導電性を有しかつガス分離が可能な材料、例えばLaCrO3などのセラミックからなるセパレータ43を配置する。
このセパレータ43は、セル板25の酸化ガス供給口13・同排気口15および燃料ガス供給口17・同排気口19に、それぞれ整合する貫通孔45,47,49,51をそれぞれ備えている。
さらに、単セル7における燃料極3および空気極5の表面には、集電のための金属メッシュ53および55をそれぞれ配置し、積層する複数の単セル7は、この金属メッシュ53,55およびセパレータ43により直列に接続することになる。
図3は、単セル7を二つ積層して組み付けた場合の、図2に示したセパレータ43におけるC−C線断面に相当する断面図、図4は、同D−D線断面に相当する断面図である。
すなわち、図3は燃料ガスの流れを示し、セル板25の燃料ガス供給口17,スペーサ27の貫通孔33,スペーサ29の開口37,セパレータ43の貫通孔49で構成する燃料ガス入口マニホールド57から燃料ガスを供給し、この燃料が各単セル7の燃料極3を通過して発電に消費される。その後、セル板25の燃料ガス排気口19,スペーサ27の貫通孔35,スペーサ29の開口37,セパレータ43の貫通孔51で構成する燃料ガス出口マニホールド59から余剰の燃料ガスを排気する。
また、図4は酸化ガスの流れを示し、セル板25の酸化ガス供給口13,スペーサ27の開口31,スペーサ29の貫通孔39,セパレータ43の貫通孔45で構成する酸化ガス入口マニホールド61から酸化ガスを供給し、この酸化ガスが各単セル7の空気極5を通過して発電に消費される。その後、セル板25の酸化ガス排気口15,スペーサ27の開口31,スペーサ29の貫通孔41,セパレータ43の貫通47で構成する酸化ガス出口マニホールド63から余剰の酸化ガスを排気する。
このような燃料ガスおよび酸化ガスの流れが発生することで、各単セル7にて発電がなされ、燃料電池が起動する。このとき、特に固体酸化物型燃料電池の場合には、その動作原理による制約から動作温度が800℃程度の高温となる。
ここで、フレーム9は単セル7への燃料電池全体からの応力を緩和するために介在しているが、このフレーム9により応力をより下げるためにはフレーム9の厚さをできるだけ薄くすることが望ましい。しかし、フレーム9と発電部(単セル7)を接合する場合、主に金属を主成分とする金属ロウや酸化ケイ素などを主成分とするガラスシール材を用いて接合することになるが、これらの材料は固体電解質型燃料電池を構成している金属酸化物セラミックや耐熱金属とは熱膨張係数が大きく異なるため、この接合材により発生する熱応力も大きく、発電部の破損の原因となる。
このため、上記した第1の実施形態においては、図1(c)に示すように、フレーム9の内側の端部に補強部としての突起部9iを設けることにより、フレーム9全体の厚さをそのままにしながら、接合部21に対応する部位のみ厚くすることで、接合部21の強度を向上させている。これにより接合材23の温度変化による膨張、収縮をフレーム9の強度により押さえ込み、接合部21の破損を防止する他、薄いフレーム9の破損防止、フレーム9の変形防止が可能となる
この結果、接合部21からのガスリークの発生を防止することができ、燃料ガスと酸化ガスとの混合・燃焼による燃料利用率の低下、出力の低下を防止できるとともに、上記燃焼による局所的な温度上昇、熱応力分布の不均一を防止し、燃料電池としての高寿命化を達成することができる。
図5(a)は、本発明の第2の実施形態を示す固体電解質型燃料電池の平面図、図5(b)は、図5(a)の拡大したE−E断面図である。なお、図5(a)では、前記図1(a)に示してある酸化ガス供給口13・同排気口15、燃料ガス供給口17・同排気口19は省略してある。第2の実施形態は、補強部として2本の突起部9i1,9i2を互いに並行するよう全周に設けている。このような突起部は、3本以上設けてもよい。
図6(a)は、本発明の第3の実施形態を示す固体電解質型燃料電池の要部の平面図、図6(b)は、図6(a)のF−F断面図である。この実施形態は、図5に示した第2の実施形態における2本の突起部9i1,9i2相互を連結突起部9jで連結している。連結突起部9jは、突起部9i1,9i2の延長方向に沿って等間隔に全周にわたり設け、これら突起部9i1,9i2および連結突起部9jにより、図6(a)に示すような梯子状に形成する。突起部9i1,9i2および連結突起部9jは、図6(b)に示すように高さは互いに同一であり、これらによって補強部を構成している。
図7(a)は、本発明の第4の実施形態を示す固体電解質型燃料電池の要部の平面図、図7(b)は、図7(a)のG−G断面図である。この実施形態は、図6に示した第3の実施形態における連結突起部9j相互の間隔を広くした上で、隣接する連結突起部9j相互間に互いに交差する交差突起部9m,9nを設け、これら突起部9i1,9i2,連結突起部9jおよび交差突起部9m,9nにより、図7(a)に示すような梁構造に形成する。突起部9i1,9i2,連結突起部9jおよび交差突起部9m,9nは、図7(b)に示すように高さは互いに同一であり、これらによって補強部を構成している。
このように、上記した図5〜図7に示した各実施形態のように、補強部を2本の突起部9i1,9i2に分割したり、あるいは梯子状や梁構造とすることで、強度を確保しつつ第1の実施形態のように幅の広い1本の突起部9iを設ける場合に比べて軽量化を達成でき、また高さも低くするなどにより軽量化できる。
なお、上記した各実施形態では、単セル7およびフレーム9を、いずれも方形としているが、他の形状、例えば円形や楕円形としてもよく、また、1枚のフレーム9に複数の開口11を設け、この各開口11に対応して単セル7をそれぞれ配置する構成、すなわち単セル7を並列配置した構成にも、本発明を適用できる。
図8は、本発明の第5の実施形態を示す、前記図1(c)に対応する断面図である。図8(a)の例は、図1(c)に示した第1の実施形態に対し、フレーム9の開口11側の縁部に、固体電解質1に向けて突出する凸部9aを設け、これにより凸部9aの外側部分のフレーム9に凹部9bを有するものとなる。凸部9aは、開口11の全周に設けてあり、その外側の凹部9bの固体電解質1に対向する部位に接合材23を設けてここを接合部21としている。
燃料電池の起動時には、特に固体酸化物型燃料電池の場合には、前述したようにその動作原理による制約から動作温度が800℃程度の高温となる。
ところが、上記した図8(a)の例においては、フレーム9の内側の端部に凸部9aを設けて接合材23を覆っているので、金属ロウからなる接合材23が、空気極5における高温酸化雰囲気に曝されることを防止でき、金属材料には避けられない高温酸化雰囲気下での酸化の進行を抑えることができる。
これにより、接合材23の腐食・侵食といった劣化を抑え、接合部21でのシール性の低下を防止でき、接合部21からのガスリークの発生を防止することができる。また、ガスリークの発生を防止することで、燃料ガスと酸化ガスとの混合・燃焼による燃料利用率の低下、出力の低下を防止できるとともに、上記燃焼による局所的な温度上昇、熱応力分布の不均一を防止し、燃料電池としての高寿命化を達成することができる。
図8(b)の例は、図1(c)に示した第1の実施形態に対し、フレーム9の開口11側に凹部9cを設け、凹部9cより外側のフレームの当接面9dを固体電解質1に接触させている。これにより、この例では当接面9dを固体電解質1に接触させることによって、接合材23が、燃料極3側の還元雰囲気に曝されることを防止することができる。そのため、接合材23にガラスなどの酸化物系を主成分とした材料を用いた場合、還元雰囲気による酸化物系の接合材23が還元されることを防止できる。
これにより、接合材23を酸化物系とした場合でも、接合材23の劣化を防止してガスリークの発生を防止できるという図8(a)の例と同様の効果を得ることができる。
図8(c)の例は、図8(a)と図8(b)の例を組み合わせたもので、フレーム9の固体電解質1に対向する部位に凹部としての溝9eを設け、溝9eの内側の凸部9aを固体電解質1に接触させるとともに、溝9eの外側の当接面9dを固体電解質1に接触させている。
すなわち、凸部9aと当接面9dとで接合材23の内側および外側の双方を覆って封じ込める構造であり、接合材23が酸化雰囲気・還元雰囲気どちらに対しても曝されることを防止できる。
このため図8(c)の例では、図8(a),(b)の例と同様の効果が得られる上、どちらの雰囲気にも曝されにくいから、接合材23の選択において雰囲気に対する耐性を考慮する優先順位を下げることができ、接合材23の選択肢が広がることとなり、より安価な接合材23や取り扱いの簡単な接合材23の採用が可能となる。
図9は、本発明の第6の実施形態を示している。この実施形態は、前記図8(c)の例に対し、固体電解質1に対向する部位に設ける溝9fを2本とし、2本の溝9f内に接合材23を設けてここを接合部21としている。
接合部21において、信頼性を確保するにためには幅を広く設定することが望ましいが、広くしすぎると、図10に示すように、周方向だけでなく幅方向(F)にも大きな応力が発生し、この2つの方向の応力により単セル7の破損やフレーム9の歪を招く恐れがある。しかし、第6の実施形態によれば、接合材23を2分割して幅を狭くすることにより、図10(b)のように、幅方向の応力が低減し、接合材23のそれぞれの列から発生する応力を低下させることができる。また、接合材23を複数列とすることで信頼性も確保できる。
図11(a)は、本発明の第7の実施形態を示す、フレーム9の固体電解質1側から見た平面図で、図11(b)は、図11(a)のH−H線断面に相当する、前記図9に対応する断面図である。この実施形態は、フレーム9の固体電解質1に対向する部位に設けた溝9gを1本とし、この溝9gを直線的に形成せずフレーム9に沿って折れ曲がるように、直線部分を小分けにする構造としている点が、図8(c)の例と異なっている。
前記図8(c)のように溝9eを直線的にすると、図12(a)に示すように、全体に発生する応力Fが大きいものとなるが、図11のように溝9gを折れ曲がる構造とすることで、図12(b)に示すように、温度変化による寸法変化も分断され、発生する応力Fも小さくなる。
このように第7の実施形態では、周方向に発生するマクロな応力を直線部を分断することで低減することが可能となる。
図13(a)は、本発明の第8の実施形態を示す、前記図1(b)に対応するセル板25の断面図である。この実施形態は、燃料極30を基材として、その上に固体電解質1を、さらにその上に空気極5を配置した、いわゆる電極支持型の単セル70に、この発明を適用している。
図13(b)は、図13(a)におけるフレーム9と固体電解質1との接合部21の詳細を示す断面図で、固体電解質1の外周側の端部は燃料極30の同端部より内側に位置し、この状態で固体電解質1の外周側の端部を覆うように、フレーム9と固定電解質1との間および、フレーム9と燃料極30との間に、接合材23を設けている。
図13(c)は、前記図5(b)のように、フレーム9に補強部として2本の突起部9i1,9i2を設けた例である。
図13(d)は、フレーム9の固体電解質1に対向する部位に溝9eを設けた例であり、この溝9eおよび固体電解質1の外周側に、接合材23を設けている。
図14は、上記図13と同様な電極支持型の単セル70による第9の実施形態を示す。この実施形態は、図14(a)に示すように、燃料極30の固体電解質1と反対側にフレーム9を接合部21を介して接合している。さらに、この例では、接合部21の外側に燃料極30の側部を覆うように、固体電解質1からフレーム9にわたり封止材65を設けている。
図14(b)は、図14(a)におけるフレーム9と燃料極30との接合部21の詳細を示す断面図で、図1(c)と同様に、フレーム9の接合材23と反対側に突起部9iを設けている。
図14(c)は、補強部として2本の突起部9i1,9i2を設けている。
図14(d)は、フレーム9の固体電解質1に対向する部位に溝9eを設けた例であり、この溝9eに接合材23を設けている。
本発明によれば、前記枠部の接合部と反対側の面に補強部を設けることで、発電部と枠部との接合部から発生する熱応力が低減し、接合部の信頼性を向上することができる。
前記補強部を、前記枠部の接合部と反対側の面に設けた突起部とすることで、発電部と枠部との接合部から発生する熱応力が低減し、接合部の信頼性を向上することができる。
前記突起部は、前記枠部に沿って連続しているため、発電部と枠部との接合部から発生する熱応力が確実に低減し、接合部の信頼性を確実に向上することができる。
前記枠部の前記発電部との接合部に対応する面に、前記枠部に沿って連続する凹部を設け、この凹部に前記接合材を設けて前記接合部としたため、接合材を前記凹部に封じ込めることにより、接合材が酸化雰囲気もしくは還元雰囲気に対しても曝される領域を狭めることができ、接合材の劣化を防止することができる。
前記凹部を溝で構成し、この溝を前記枠部に沿って複数列設けたため、接合材を複数に分割して幅を狭くすることができ、それぞれの接合材の列から発生する応力を低下させることができる。また、接合材を複数列とすることで信頼性も確保できる。
前記凹部を溝で構成し、この溝を前記枠部に沿って折れ曲がる形状とし、周方向に発生するマクロな応力を直線部分を分断することで低減することが可能となる。
(a)は本発明の第1の実施形態を示す固体電解質型燃料電池の基本構成を示す平面図(b)は(a)のA−A断面図、(c)は(b)のB部の拡大図である。 第1の実施形態によるセル板を含む燃料電池全体の構成部材を示す分解斜視図である。 第1の実施形態による単セルを二つ積層して組み付けた場合の、図2に示したセパレータにおけるC−C線断面に相当する断面図である。 第1の実施形態による単セルを二つ積層して組み付けた状態の、図2のセパレータにおけるD−D線断面に相当する断面図である。 (a)は本発明の第2の実施形態を示す固体電解質型燃料電池の平面図、(b)は(a)の拡大したE−E断面図である。 (a)は本発明の第3の実施形態を示す固体電解質型燃料電池の要部の平面図、(b)は(a)のF−F断面図である。 (a)は本発明の第4の実施形態を示す固体電解質型燃料電池の要部の平面図、(b)は(a)のG−G断面図である。 本発明の第5の実施形態を示す、図1(c)に対応する断面図である。 本発明の第6の実施形態を示す、図1(c)に対応する断面図である。 第6の実施形態の補足説明図である。 (a)は本発明の第7の実施形態を示す、フレームの固体電解質側から見た平面図、(b)は(a)のH−H線断面に相当する、図9に対応する断面図である。 第7の実施形態の補足説明図である。 (a)は本発明の第8の実施形態を示す、図1(b)に対応するセル板の断面図、(b)は(a)におけるフレームと固体電解質との接合部の詳細を示す断面図、(c)は第8の実施形態の他の例を示す断面図、(d)は第8の実施形態のさらに他の例を示す断面図である。 (a)は本発明の第9の実施形態を示す、図1(b)に対応するセル板の断面図、(b)は(a)におけるフレームと固体電解質との接合部の詳細を示す断面図、(c)は第9の実施形態の他の例を示す断面図、(d)は第9の実施形態のさらに他の例を示す断面図である。
符号の説明
1 固体電解質
3,30 燃料極
5 空気極
7,70 単セル(発電部)
9 フレーム(枠部)
9b,9c 凹部
9e,9f,9g 溝(凹部)
9i 突起部(補強部)
9j 連結突起部(補強部)
9m,9n 交差突起部(補強部)
21 接合部
23 接合材
43 セパレータ

Claims (7)

  1. 平板型の固体電解質を挟むように燃料極と空気極の各電極を形成して発電部を形成し、この発電部の外周側に接合材を用いて枠部を接合する接合部を備えるとともに、この枠部を接合した発電部およびセパレータを積層してなる固体電解質型燃料電池において、前記枠部の前記接合部に対応する部分の厚さが他の部分の厚さより厚いことを特徴とする固体電解質型燃料電池。
  2. 前記枠部の前記接合部と反対側の面に補強部を設けたことを特徴とする請求項1記載の固体電解質型燃料電池。
  3. 前記補強部は、前記枠部の前記接合部と反対側の面に設けた突起部であることを特徴とする請求項2記載の固体電解質型燃料電池。
  4. 前記突起部は、前記枠部に沿って連続していることを特徴とする請求項3記載の固体電解質型燃料電池。
  5. 前記枠部の前記発電部との接合部に対応する面に、前記枠部に沿って連続する凹部を設け、この凹部に前記接合材を設けて前記接合部としたことを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項記載の固体電解質型燃料電池。
  6. 前記凹部を溝で構成し、この溝を前記枠部に沿って複数列設けたことを特徴とする請求項5記載の固体電解質型燃料電池。
  7. 前記凹部を溝で構成し、この溝を前記枠部に沿って折れ曲がる形状としたことを特徴とする請求項5記載の固体電解質型燃料電池。
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