JP5007918B2 - Gas seal part for fuel cell and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池、特に高温で運転する燃料電池のガスシールが必要な構成部品間に配置するガスシール部品及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a gas seal component disposed between components requiring a gas seal of a fuel cell, particularly a fuel cell operated at high temperature, and a method for manufacturing the same.
上記した高温で運転する燃料電池としては、単セルを保持したセル板や、セパレータ板や、フランジなどの構成部品を備えた固体電解質型燃料電池がある。このような固体電解質型燃料電池の場合、セル板及びセパレータ板の間や、セパレータ板及びフランジの間などの多くの構成部品間には、高温及び低温の環境下において、そして、酸化性及び還元性の雰囲気において、水素や天然ガスや空気などのガスがリークするのを阻止するガスシール性や十分な接合力や電気絶縁性が要求される。 Examples of the fuel cell that operates at a high temperature include a solid oxide fuel cell including a cell plate holding a single cell, a separator plate, and a component such as a flange. In the case of such a solid oxide fuel cell, there are many components such as between the cell plate and the separator plate and between the separator plate and the flange in high and low temperature environments, and in the oxidizing and reducing properties. In an atmosphere, gas sealing properties that prevent leakage of gases such as hydrogen, natural gas, and air, and sufficient bonding strength and electrical insulation are required.
近年、固体電解質型燃料電池の低温性能の向上に伴って、セパレータ板やフランジに金属材料、例えばフェライト系ステンレスを使用する傾向にあるが、このようにセパレータ板やフランジに金属材料を用いると、両者間の接合部分には、温度の昇降に伴って生じる金属材料の熱変形により大きな引張り力や圧縮力が負荷されることから、これに対応すべく、ガラス系接合材から成る燃料電池用ガスシール部品の開発が進められている。
ところが、上記したガラス系接合材から成る燃料電池用ガスシール部品において、接合力には優れているものの、ガラス系接合材が脆性材料であることから、金属材料の熱変形により発生した引張り力や圧縮力が、接合力に優れているが故にガラス系接合材に直接加わってしまい、ガラス系接合材自体に割れが生じてしまうという問題があった。 However, in the gas seal part for a fuel cell made of the glass-based bonding material described above, although the bonding force is excellent, since the glass-based bonding material is a brittle material, the tensile force generated by the thermal deformation of the metal material can be reduced. Since the compressive force is excellent in the bonding force, it is directly applied to the glass-based bonding material, and there is a problem that the glass-based bonding material itself is cracked.
また、上記した燃料電池用ガスシール部品において、例えば、セパレータ板とフランジとの接合に用いる場合には、平面精度を高めたり平行度のばらつきを吸収したりする都合上、両者間に多量のガラス系接合材を充填して厚みのあるガラス層を形成する必要があり、このように、厚みのあるガラス層を形成すると、割れを生じる危険性が増してしまうという問題があり、これらの問題を解決することが従来の課題となっていた。 In addition, in the gas seal part for a fuel cell described above, for example, when used for joining a separator plate and a flange, a large amount of glass is used between the two for the convenience of increasing the plane accuracy and absorbing the variation in parallelism. It is necessary to form a thick glass layer by filling the system bonding material. Thus, when a thick glass layer is formed, there is a problem that the risk of causing cracking increases, and these problems are eliminated. It has been a conventional problem to be solved.
本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、燃料電池におけるガスシールが必要な構成部品間に配置した場合において、構成部品の熱変形により発生した引張り力や圧縮力が負荷されたとしても、優れたガスシール性及び接合性を維持することが可能である燃料電池用ガスシール部品及びその製造方法を提供することを目的としている。 The present invention has been made paying attention to the above-described conventional problems. When the fuel cell is disposed between components that require gas sealing, a tensile force or a compressive force generated by thermal deformation of the components is loaded. Even if it was made, it aims at providing the gas-seal component for fuel cells which can maintain the outstanding gas-sealing property and joining property, and its manufacturing method.
本発明の燃料電池用ガスシール部品は、燃料電池におけるガスシールが必要な構成部品間に配置するガスシール部品であって、弾性を有するコア体と、このコア体を覆う金属箔から成る被覆膜と、この被覆膜の表面に形成されて上記構成部品間において一方の構成部品及び他方の構成部品の双方に接合するガラス系接合材から成る接合層を備え、金属箔から成る被覆膜と、ガラス系接合材から成る接合層との熱膨張率の差を2×10 −6 ( 1/K)以下としたことを特徴とし、また、ガラス系接合材から成る接合層と、この接合層が接合する構成部品との熱膨張率の差を2×10 −6 ( 1/K)以下としたことを特徴としており、この燃料電池用ガスシール部品の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。 A gas seal part for a fuel cell according to the present invention is a gas seal part arranged between components that require gas seal in a fuel cell, and is a coating comprising an elastic core body and a metal foil covering the core body. A coating film comprising a metal foil, and a bonding layer made of a glass-based bonding material formed on the surface of the coating film and bonded to both one component and the other component between the components When, characterized in that the difference in thermal expansion coefficient between the bonding layer made of a glass-based bonding material and 2 × 10 -6 (1 / K ) or less, and a bonding layer made of a glass-based bonding material, the bonding The difference in the coefficient of thermal expansion from the component to which the layers are bonded is 2 × 10 −6 (1 / K) or less, and the configuration of this gas seal component for a fuel cell is the conventional problem described above. As a means to solve.
本発明の燃料電池用ガスシール部品では、燃料電池におけるガスシールが必要な構成部品間に配置した場合において、ガラス系接合材から成る接合層が、ガスを透過しない金属箔から成る被覆膜の表面に形成してあるうえ、この接合層が、一方の構成部品及び他方の構成部品の双方に接合するので、構成部品間の優れたガスシール性及び接合性が確保されることとなる。 In the gas seal part for a fuel cell of the present invention, when the fuel cell gas seal part is disposed between components that require gas seal in the fuel cell, the bonding layer made of a glass-based bonding material is a coating film made of a metal foil that does not transmit gas. In addition to being formed on the surface, this bonding layer is bonded to both one component and the other component, so that excellent gas sealability and bondability between the components are ensured.
そして、一方の構成部品及び他方の構成部品に熱変形が生じて、この燃料電池用ガスシール部に引張り力や圧縮力が負荷された場合には、金属箔から成る被覆膜及び弾性を有するコア体がいずれも変形して引張り力や圧縮力を吸収するので、ガラス系接合材から成る接合層に割れが生じる可能性は少ないものとなり、したがって、優れたガスシール性及び接合性が維持されることとなる。 When one component and the other component are thermally deformed and a tensile force or a compressive force is applied to the gas seal portion for the fuel cell, it has a coating film made of metal foil and elasticity. Since the core body deforms and absorbs tensile and compressive forces, there is little possibility of cracking in the bonding layer made of glass-based bonding material, and therefore excellent gas sealing and bonding properties are maintained. The Rukoto.
本発明によれば、上記した構成としているので、燃料電池におけるガスシールが必要な構成部品間に配置した場合において、構成部品間の優れたガスシール性及び接合性を確保することができるのは言うまでもなく、構成部品の熱変形により生じた引張り力や圧縮力が負荷されたとしても、優れたガスシール性及び接合性を維持することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。 According to the present invention, since it is configured as described above, it is possible to ensure excellent gas sealability and bondability between the components when arranged between the components that require gas sealing in the fuel cell. Needless to say, even if a tensile force or a compressive force generated by thermal deformation of the component parts is applied, an excellent effect is achieved in that it is possible to maintain excellent gas sealability and bondability.
本発明の燃料電池用ガスシール部品において、弾性を有するコア体は、金属箔から成る被覆膜同士が接着することを防ぎつつ、接合層を介して被覆膜を構成部品に接合する際の押付け材として機能し、加えて、構成部品の平面精度及び平行度のばらつきを吸収するクッション材として機能する。 In the gas seal part for a fuel cell of the present invention, the core body having elasticity is used when the coating film is bonded to the component parts via the bonding layer while preventing the coating films made of metal foil from adhering to each other. It functions as a pressing material, and in addition, functions as a cushion material that absorbs variations in planar accuracy and parallelism of components.
このように、コア体がクッション材として機能するので、ガラス系接合材から成る接合層を厚くする必要がないうえに、金属箔から成る被覆膜も構成部品に接合するのに必要最低限の厚さにまで薄くすることができ、その結果、ガラス系接合材から成る接合層が割れる懸念をほぼ払拭することができる。 As described above, since the core body functions as a cushioning material, it is not necessary to increase the thickness of the bonding layer made of glass-based bonding material, and the coating film made of metal foil is the minimum necessary for bonding to the component parts. The thickness can be reduced to a thickness, and as a result, the concern that the bonding layer made of the glass-based bonding material breaks can be almost eliminated.
本発明の燃料電池用ガスシール部品において、コア体が無機多孔質材から成っている構成とすることができ、製作上の観点からは、コア体が無機多孔質材であるセラミックス繊維集合体から成っている構成とすることがより好ましく、この際、セラミックス繊維の不織布としては、0.5〜1mmの厚みのものを使用することが望ましい。 In the gas seal part for a fuel cell of the present invention, the core body can be composed of an inorganic porous material, and from the viewpoint of production, the core body is made of a ceramic fiber assembly that is an inorganic porous material. More preferably, the non-woven fabric of ceramic fibers is preferably 0.5 to 1 mm thick.
また、本発明の燃料電池用ガスシール部品において、被覆膜は、例えば、ステンレス製の金属箔から成るものとすることができ、構成部品間の接合部分における被覆膜の厚みは、経済性及び耐久性の観点から、10〜30μmとすることが望ましい。このように、金属箔から成る被覆膜は、接合層を介して強固に構成部品に接合するが、薄くて変形し易いことから、構成部品の熱変形に柔軟に追従する。そして、この金属箔から成る被覆膜は、接合界面を形成する機能及びガス気密性を確保する隔壁の機能を有する。 In the gas seal part for a fuel cell of the present invention, the coating film can be made of, for example, a stainless steel metal foil, and the thickness of the coating film at the joint portion between the component parts is economical. And from a viewpoint of durability, it is desirable to set it as 10-30 micrometers. As described above, the coating film made of the metal foil is firmly bonded to the component through the bonding layer. However, since the coating film is thin and easily deformed, the coating film flexibly follows the thermal deformation of the component. And the coating film which consists of this metal foil has the function of forming the joining interface, and the function of the partition which ensures gas tightness.
本発明の燃料電池用ガスシール部品では、構成部品間に配置してガスシールした状態において、コア体のガス流通側に位置する端面及び反ガス流通側に位置する端面のうちのいずれか一方の端面を露出させた構成、すなわち、コア体のガス流通側に位置する端面及び反ガス流通側に位置する端面のうちのいずれか一方の端面を被覆膜で覆われない部分とする構成を採用することができる。この構成を採用すると、被覆膜で覆われたガスシール部品の内部に空気が溜まらないので、高温時における空気の熱膨張によるガスシール部品の変形を阻止し得ることとなる。 In the gas seal part for a fuel cell according to the present invention, in a state where the gas seal part is arranged and gas-sealed between the component parts, either one of the end face located on the gas flow side and the end face located on the anti-gas flow side of the core body Adopting a configuration in which the end surface is exposed, that is, a configuration in which one of the end surface located on the gas flow side of the core body and the end surface located on the anti-gas flow side is not covered with the coating film. can do. When this configuration is employed, air does not accumulate inside the gas seal component covered with the coating film, and therefore deformation of the gas seal component due to thermal expansion of air at a high temperature can be prevented.
加えて、本発明の燃料電池用ガスシール部品では、構成部品間に配置してガスシールした状態において、被覆膜の隔壁として機能する部位、すなわち、柔軟性が要求されない部位を厚肉状隔壁部とした構成とすることができ、この場合には、酸化などに対する被覆膜の耐久性の向上が図られることとなる。 In addition, in the gas seal part for a fuel cell according to the present invention, the part that functions as the partition wall of the coating film, that is, the part that does not require flexibility in the state where the gas seal is disposed between the constituent parts, that is, the thick partition wall In this case, the durability of the coating film against oxidation or the like is improved.
さらに、本発明の燃料電池用ガスシール部品において、被覆膜の表面に形成されて構成部品間で一方の構成部品及び他方の構成部品の双方に接合するガラス系接合材から成る接合層は、被覆膜及び構成部品に対してそれぞれ強固に接合するが、薄くて変形し易いことから、構成部品の熱変形に柔軟に追従する。 Furthermore, in the gas seal part for a fuel cell of the present invention, a bonding layer formed of a glass-based bonding material that is formed on the surface of the coating film and is bonded to both one component part and the other component part between the component parts, It is strongly bonded to the coating film and the component parts, respectively, but since it is thin and easily deformed, it flexibly follows the thermal deformation of the component parts.
この際、構成部品(金属材に限定しない),接合層及び被覆膜の各構成材料の熱膨張率差が大きいと、接合層と構成部品との界面や、接合層と被覆膜との界面で割れが発生することから、構成部品,接合層及び被覆膜の各構成材料の熱膨張率差を一定値以下とする必要がある。 At this time, if there is a large difference in the coefficient of thermal expansion between the component parts (not limited to metal materials), the bonding layer and the coating film, the interface between the bonding layer and the component parts, the bonding layer and the coating film Since cracks occur at the interface, it is necessary to make the difference in thermal expansion coefficient between the constituent materials of the component part, the bonding layer, and the coating film equal to or less than a certain value.
具体的には、金属箔から成る被覆膜と、ガラス系接合材から成る接合層との熱膨張率の差を2×10−6( 1/K)以下としたり、ガラス系接合材から成る接合層と、この接合層が接合する構成部品との熱膨張率の差を2×10−6( 1/K)以下としたりする必要があり、いずれの場合も、熱膨張率の差を1.5×10−6( 1/K)以下とすること望ましい。 Specifically, the difference in coefficient of thermal expansion between the coating film made of metal foil and the bonding layer made of glass-based bonding material is set to 2 × 10 −6 (1 / K) or less, or made of glass-based bonding material. The difference in thermal expansion coefficient between the bonding layer and the component to which the bonding layer is bonded needs to be 2 × 10 −6 (1 / K) or less. In either case, the difference in thermal expansion coefficient is 1 It is desirable to be 5 × 10 −6 (1 / K) or less.
上記したように、ガラス系接合材から成る接合層は薄くて変形し易いことから、構成部品の熱変形に柔軟に追従するが、例え追従し得る限界を越えて割れが生じた場合であったとしても、その割れ方向は接合層の層厚方向であると共に局所的であることから、接合力及びガスシール性能に大きな影響を及ぼすことはほとんどない。 As described above, since the bonding layer made of the glass-based bonding material is thin and easily deformed, it flexibly follows the thermal deformation of the component parts, but it was a case where cracking occurred beyond the limit that could be followed. Even so, the crack direction is local to the layer thickness of the bonding layer and is local, so that there is almost no significant influence on the bonding force and gas sealing performance.
この場合、構成部品の材質がステンレス等の金属材料であったとしても、本燃料電池用ガスシール部品において、電気絶縁性に優れたガラス系接合材から成る接合層を表面に有しているので、接合される構成部品間における電気絶縁性も確保することができ、接合層の層の厚味を10〜50μmとすることで、十分な接合力及び絶縁性を確保し得る。 In this case, even if the material of the component part is a metal material such as stainless steel, the fuel cell gas seal part has a bonding layer made of a glass-based bonding material with excellent electrical insulation on the surface. In addition, electrical insulation between the components to be joined can be ensured, and by setting the thickness of the joining layer to 10 to 50 μm, sufficient joining force and insulation can be secured.
上記接合層に用いるガラス系接合材は、上記した熱膨張率の範囲内において選択することができるが、構成部品及び被覆膜の金属箔がフェライト系ステンレスである場合には、上記した熱膨張率の範囲内に含まれるガラスとして、バリウム酸化物・アルミナ・シリカ・カルシア系ガラスを選択して使用することが可能であり、具体的には、52%BaO−3%Al2O3−33SiO2−12%CaO、42%BaO−Al2O3−35SiO2−9%CaO−B2O3−ZnO−PbO−V2O5、43%BaO−Al2O3−35SiO2−9%CaO−B2O3−PbO−V2O5を選択して使用することが可能である。 The glass-based bonding material used for the bonding layer can be selected within the range of the above-mentioned coefficient of thermal expansion. However, when the component and the metal foil of the coating film are ferritic stainless steel, the above-described thermal expansion is performed. It is possible to select and use barium oxide, alumina, silica, and calcia glass as the glass contained within the range of the rate, specifically, 52% BaO-3% Al 2 O 3 -33SiO. 2 -12% CaO, 42% BaO -Al 2 O 3 -35SiO 2 -9% CaO-B 2 O 3 -ZnO-PbO-V 2 O 5, 43% BaO-Al 2 O 3 -35SiO 2 -9% CaO—B 2 O 3 —PbO—V 2 O 5 can be selected and used.
本発明の燃料電池用ガスシール部品の好ましい一実施形態としては、コア体を無機多孔質材であるアルミナ繊維の不織布(厚み0.5〜1mm)とし、このコア体を覆う被覆膜をステンレス箔(厚み20〜50μm)とし、この被覆膜の表面に形成する接合層をBaO−Al2O3−SiO2−CaO系ガラス(厚み10〜50μm)とする構成を採用し得る。
As a preferred embodiment of the gas seal part for a fuel cell of the present invention, the core body is an alumina fiber non-woven fabric (thickness 0.5 to 1 mm) which is an inorganic porous material, and the coating film covering the core body is made of stainless steel. It is possible to adopt a configuration in which a foil (thickness 20 to 50 μm) is used, and a bonding layer formed on the surface of the coating film is BaO—Al 2 O 3 —SiO 2 —CaO glass (
上記した本発明の燃料電池用ガスシール部品を製造するに際しては、図17に示すように、弾性を有するコア体を成形し、次いで、このコア体を金属箔から成る被覆膜で覆った後、この被覆膜の表面にガラス系接合材をスプレーなどを用いて吹き付けるのに続いて、焼き付けを行ってガラス系接合材から成る接合層を形成する構成を採用することができる。 When manufacturing the gas seal part for a fuel cell of the present invention described above, as shown in FIG. 17, after forming an elastic core body and then covering the core body with a coating film made of a metal foil. The glass-based bonding material may be sprayed onto the surface of the coating film using a spray or the like, followed by baking to form a bonding layer made of the glass-based bonding material.
そして、このようにして製造した燃料電池用ガスシール部品をガスシールが必要な構成部品間に配置してなる燃料電池を製造するに際しては、例えば、単セルを保持した構成部品であるセル板と、構成部品であるセパレータ板を備えた燃料電池を製造するに際しては、図18に示すように、セル板及びセパレータ板の各接合面の脱脂を行い、次いで、これらのセル板及びセパレータ板間に、上記燃料電池用ガスシール部品を配置して互いに積層するのに続いて、積層方向に荷重を加えつつ焼き付けを行う構成を採用することができる。 In manufacturing a fuel cell in which the fuel cell gas seal component manufactured in this way is arranged between components that require gas sealing, for example, a cell plate that is a component holding a single cell and When manufacturing a fuel cell having a separator plate which is a component, as shown in FIG. 18, each joint surface of the cell plate and the separator plate is degreased, and then between these cell plates and the separator plate. Then, after arranging the fuel cell gas seal parts and laminating each other, it is possible to adopt a configuration in which baking is performed while applying a load in the laminating direction.
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention still in detail, this invention is not limited to a following example.
[実施例1]
図1〜図3は、本発明の燃料電池用ガスシール部品の一実施例を示しており、図2に示すように、この燃料電池用ガスシール部品1は全体でリング状を成しており、図1に示すように、弾性を有するコア体2と、このコア体2を覆う金属箔から成る被覆膜3と、この被覆膜3の表面に形成されて構成部品S1,S2間において一方の構成部品S1及び他方の構成部品S2の双方に接合するガラス系接合材から成る接合層4を備えている。
[Example 1]
1 to 3 show one embodiment of a gas seal part for a fuel cell according to the present invention. As shown in FIG. 2, the
この実施例において、コア体2を無機多孔質材であるアルミナ−シリカ繊維の不織布(厚み1mm)とし、このコア体2を覆う被覆膜3をフェライト系ステンレス箔(SUS430:厚み30μm)とし、この被覆膜3の表面に形成する接合層4を52%BaO−3%Al2O3−33SiO2−12%CaO系ガラス(厚み30μm)とした。
In this embodiment, the
この燃料電池用ガスシール部品1の製造に際しては、まず、粒径約10μmのガラス粉末をバインダとして、エチルセルロース溶剤として酢酸ブチルとともにガラススラリーを作製した。次いで、このガラススラリーをフェライト系ステンレス箔の片面にスプレーコートするのに続いて、大気中において900℃で15分間熱処理して、フェライト系ステンレス箔の表面に厚さ30μmの接合層4を形成した。この後、接合層4が形成されたフェライト系ステンレス箔である被覆膜3をガラスコート面が外側となるようにしてアルミナ−シリカ繊維の不織布であるコア体2に被覆して端部を圧着させた。
In producing the fuel cell
上記した燃料電池用ガスシール部品1により接合する構成部品S1,S2には、板厚 4mmのリング状を成すフェライト系ステンレス(SUS430)板を使用し、一方の構成部品S1は、その中心に貫通孔S1aを有するものとした。
Ferrite stainless steel (SUS430) plate having a plate thickness of 4 mm is used for the component parts S1 and S2 to be joined by the fuel cell
そこで、構成部品S1,S2間に上記した燃料電池用ガスシール部品1を挟み込み、300g/cm2の荷重を加えつつ、大気中において900℃で15分間加熱して、2枚の構成部品S1,S2を接合してテストピースを製作した。
Therefore, the fuel cell
そして、図3に示すように、水素ガスが供給される上シリンダ10と、水素検知器12を具備した下シリンダ11を備えた水素透過試験の上下シリンダ10,11間に対して、貫通孔S1aを有する一方の構成部品S1を上方に位置させた状態でテストピースをセットし、室温及び700℃の各環境化において、上シリンダ10側に水素ガスを供給して、下シリンダ11の水素検知器12で水素ガスの透過(リーク)を検知する試験を行った。その結果、室温及び700℃のいずれの環境下においても水素の透過は検知されなかった。また、この試験を50回繰り返した後も水素の透過はなく、ガラス系接合材から成る接合層4には全く割れが生じなかった。
As shown in FIG. 3, a through hole S1a is formed between the
このように、上記した燃料電池用ガスシール部品1では、構成部品S1,S2間に配置した場合において、ガラス系接合材から成る接合層4が、ガスを透過しない金属箔から成る被覆膜3の表面に形成してあるうえ、この接合層4が、一方の構成部品S1及び他方の構成部品S2の双方に接合するので、構成部品S1,S2間の優れたガスシール性及び接合性が確保されることとなる。
As described above, in the
そして、一方の構成部品S1及び他方の構成部品S2に熱変形が生じて、その接合部分に引張り力や圧縮力が負荷された場合であったとしても、図1(b)に示すように、金属箔から成る被覆膜3及び弾性を有するコア体2がいずれも変形して引張り力や圧縮力を吸収するので、ガラス系接合材から成る接合層4に割れが生じる可能性は少ないものとなり、したがって、優れたガスシール性及び接合性が維持されることとなる。
And even if it is a case where thermal deformation occurs in one component S1 and the other component S2 and a tensile force or a compressive force is applied to the joint portion, as shown in FIG. Since both the
[実施例2]
本発明の他の実施例による燃料電池用ガスシール部品1では、その製造に際して、上記ガラススラリーをフェライト系ステンレス箔の片面にスプレーコートするのに続いて、大気中において350℃で15分間熱処理して、バンインダを焼失させるようにしており、他の構成は先の実施例による燃料電池用ガスシール部品1と同じである。
[Example 2]
In the
この実施例においても、先の実施例と同じテストピースを製作して、水素透過試験を用いて同様の試験を同じ回数行ったところ、室温及び700℃のいずれの環境下においても水素の透過はなく、ガラス系接合材から成る接合層4には全く割れが生じなかった。
Also in this example, the same test piece as in the previous example was manufactured and the same test was performed the same number of times using the hydrogen permeation test. As a result, hydrogen permeation was observed at both room temperature and 700 ° C. No cracks occurred in the
[実施例3]
図4は、本発明のさらに他の実施例による燃料電池用ガスシール部品21を示しており、この実施例における燃料電池用ガスシール部品21が、先の実施例による燃料電池用ガスシール部品1と相違するところは、構成部品S1,S2間に配置してガスシールした状態において、コア2体の反ガス流通側(図示左側)に位置する端面2aを露出させるようにした点にあり、他の構成は先の実施例による燃料電池用ガスシール部品1と同じである。
[Example 3]
FIG. 4 shows a fuel cell
この燃料電池用ガスシール部品21では、その製造に際して、接合層4が形成されたフェライト系ステンレス箔である被覆膜3をガラスコート面が外側となるようにしてアルミナ−シリカ繊維の不織布であるコア体2に被覆して端部を部分的に圧着させた。
In the production of the fuel cell
この実施例においても、先の実施例と同じテストピースを製作して、水素透過試験を用いて同様の試験を同じ回数行ったところ、室温及び700℃のいずれの環境下においても水素の透過はなく、ガラス系接合材から成る接合層4には全く割れが生じなかった。
Also in this example, the same test piece as in the previous example was manufactured and the same test was performed the same number of times using the hydrogen permeation test. As a result, hydrogen permeation was observed at both room temperature and 700 ° C. No cracks occurred in the
この実施例における燃料電池用ガスシール部品21においても、構成部品S1,S2間に配置した場合において、優れたガスシール性及び接合性が確保され、一方の構成部品S1及び他方の構成部品S2に熱変形が生じて、その接合部分に引張り力や圧縮力が負荷された場合であったとしても、優れたガスシール性及び接合性が維持されることとなり、加えて、被覆膜3で覆われたガスシール部品21内部に空気が溜まらないので、高温時における空気の熱膨張によるガスシール部品21自体の変形を阻止し得ることとなる。
Also in the fuel cell
[実施例4]
図5及び図6は、本発明のさらに他の実施例による燃料電池用ガスシール部品31を示しており、図5に示すように、この実施例における燃料電池用ガスシール部品31が、先の実施例による燃料電池用ガスシール部品21と相違するところは、コア2体の露出させた端面2aとは反対側(図示右側)に位置する端面2bを覆って被覆膜3の隔壁として機能する部位、すなわち、柔軟性が要求されない部位を厚肉状隔壁部3a(厚さ1mmの隔壁部3a)とした点にあり、他の構成及び製造方法は先の実施例による燃料電池用ガスシール部品21と同じである。
[Example 4]
FIGS. 5 and 6 show a fuel cell
この燃料電池用ガスシール部品31では、図6に示すように、構成部品S1,S2間をガスシールした状態において、被覆膜3の厚肉状隔壁部3aが構成部品S1,S2間に位置しないようにして配置してあり、この場合には、酸化などに対する被覆膜3の耐久性の向上が図られることとなる。
In the fuel cell
この実施例においても、先の実施例と同じテストピースを製作して、水素透過試験を用いて同様の試験を同じ回数行ったところ、室温及び700℃のいずれの環境下においても水素の透過はなく、ガラス系接合材から成る接合層4には全く割れが生じなかった。
Also in this example, the same test piece as in the previous example was manufactured and the same test was performed the same number of times using the hydrogen permeation test. As a result, hydrogen permeation was observed at both room temperature and 700 ° C. No cracks occurred in the
[実施例5]
図7及び図8は、本発明のさらに他の実施例による燃料電池用ガスシール部品41を示している。図7に示すように、この実施例における燃料電池用ガスシール部品41は全体で矩形枠状を成しており、構成及び製造方法は先の実施例による燃料電池用ガスシール部品1と同じである。
[Example 5]
7 and 8 show a fuel cell
この実施例では、図8に示すように、矩形状を成すフェライト系ステンレス(SUS430)製のセル板及びセパレータ板を構成部品S1,S2とし、これらの構成部品S1,S2間に上記した燃料電池用ガスシール部品41を挟み込むようにして接合し、これらの構成部品S1,S2及び燃料電池用ガスシール部品41を15段積層してスタック構造体を製作した。この際、各部品S1,S2,41はいずれも実施例1と同じ要領で接着した。
In this embodiment, as shown in FIG. 8, a rectangular cell plate made of ferritic stainless steel (SUS430) and a separator plate are used as component parts S1 and S2, and the fuel cell described above is provided between these component parts S1 and S2. The
そこで、室温及び700℃の各環境化において、このスタック構造体に形成した水素ガス供給孔Ha及び空気供給孔Oaから水素ガス及び空気をそれぞれ供給すると共に、水素ガス排出孔Hb及び空気排出孔Obから水素ガス及び空気をそれぞれ排出させ、水素検知器で排出空気中の水素ガスを検知する水素透過試験を行った。その結果、室温及び700℃のいずれの環境下においても水素ガスの透過は検知されなかった。また、この試験を50回繰り返した後も水素ガスの透過はなく、ガラス系接合材から成る接合層4には全く割れが生じなかった。
Therefore, in each environment at room temperature and 700 ° C., hydrogen gas and air are supplied from the hydrogen gas supply hole Ha and the air supply hole Oa formed in the stack structure, respectively, and the hydrogen gas discharge hole Hb and the air discharge hole Ob. A hydrogen permeation test was conducted in which hydrogen gas and air were respectively discharged from the gas and hydrogen gas in the discharged air was detected with a hydrogen detector. As a result, the permeation of hydrogen gas was not detected in both the room temperature and 700 ° C. environments. Further, even after this test was repeated 50 times, there was no permeation of hydrogen gas, and no cracking occurred in the
[実施例6]
図9及び図10は、本発明のさらに他の実施例による燃料電池用ガスシール部品51を示している。図9に示すように、この実施例における燃料電池用ガスシール部品51は全体で円盤形状を成しており、構成及び製造方法は先の実施例による燃料電池用ガスシール部品1と同じである。
[Example 6]
9 and 10 show a
この実施例では、図10に示すように、円盤形状を成すフェライト系ステンレス(SUS430)製のセル板及びセパレータ板を構成部品S1,S2とし、これらの構成部品S1,S2間に上記した燃料電池用ガスシール部品51を挟み込むようにして接合し、これらの構成部品S1,S2及び燃料電池用ガスシール部品51を15段積層してスタック構造体を製作した。この際、各部品S1,S2,51はいずれも実施例1と同じ要領で接着した。
In this embodiment, as shown in FIG. 10, a cell plate and a separator plate made of ferritic stainless steel (SUS430) having a disk shape are used as component parts S1 and S2, and the fuel cell described above is provided between these component parts S1 and S2. The
そこで、室温及び700℃の各環境化において、このスタック構造体に形成した水素ガス供給孔Haから水素ガスを供給すると共に、水素ガス排出孔Hbから水素ガスを排出させ、水素検知器で構成部品S1,S2間を通過させた排出空気中の水素ガスを検知する水素透過試験を行った。その結果、室温及び700℃のいずれの環境下においても水素ガスの透過は検知されなかった。また、この試験を50回繰り返した後も水素ガスの透過はなく、ガラス系接合材から成る接合層4には全く割れが生じなかった。
Therefore, in each environment at room temperature and 700 ° C., hydrogen gas is supplied from the hydrogen gas supply hole Ha formed in the stack structure, and hydrogen gas is discharged from the hydrogen gas discharge hole Hb. A hydrogen permeation test was performed to detect hydrogen gas in the exhausted air that passed between S1 and S2. As a result, the permeation of hydrogen gas was not detected in both the room temperature and 700 ° C. environments. Further, even after this test was repeated 50 times, there was no permeation of hydrogen gas, and no cracking occurred in the
[実施例7]
図11〜図13は、本発明のさらに他の実施例による燃料電池用ガスシール部品61を示している。図11に示すように、この実施例における燃料電池用ガスシール部品61は全体で矩形枠状を成しており、コア体2を無機多孔質材であるアルミナ−シリカ繊維の不織布(厚み0.5mm)としたことを除いた他の構成及び製造方法は先の実施例による燃料電池用ガスシール部品1と同じである。
[Example 7]
11 to 13 show a fuel cell
この実施例では、図12及び図13に示すように、矩形状を成すフェライト系ステンレス(SUS430)製のセル板を構成部品S1とし、燃料極基板S2a,電解質層S2b(YSZ膜)及び空気極層S2cを積層して成る平板状の燃料極支持型セルを構成部品S2とし、セル板(構成部品S1)と、燃料極支持型セルの電解質層S2b(構成部品S2)との間に、上記した燃料電池用ガスシール部品61を挟み込み、300g/cm2の荷重を加えつつ、大気中において900℃で15分間加熱して、テストピースを製作した。この際、セル板(構成部品S1)及び燃料極支持型セルの電解質層S2b(構成部品S2)の熱膨張率差を0.5×10−6( 1/K)以下とした。
In this embodiment, as shown in FIGS. 12 and 13, a rectangular cell plate made of ferritic stainless steel (SUS430) is used as a component S1, and a fuel electrode substrate S2a, an electrolyte layer S2b (YSZ film), and an air electrode. The flat fuel electrode supporting cell formed by laminating the layer S2c is used as the component S2, and the cell plate (component S1) and the electrolyte layer S2b (component S2) of the fuel electrode supporting cell are arranged as described above. The fuel cell
そして、このテストピースに対して、上記した水素透過試験を用いて先の実施例と同様の試験を同じ回数行ったところ、室温及び700℃のいずれの環境下においても水素の透過はなく、ガラス系接合材から成る接合層4には全く割れが生じなかった。
And when this test piece was subjected to the same test as the previous example using the hydrogen permeation test described above, the hydrogen did not permeate in any environment of room temperature and 700 ° C., and glass The
[実施例8]
図14〜図16は、本発明のさらに他の実施例による燃料電池用ガスシール部品71を示している。図14に示すように、この実施例における燃料電池用ガスシール部品71は全体で円環状を成しており、他の構成及び製造方法は先の実施例による燃料電池用ガスシール部品1と同じである。
[Example 8]
14 to 16 show a fuel cell
この実施例では、図15及び図16に示すように、管状を成すフェライト系ステンレス(SUS430)製のセル板を構成部品S1とし、燃料極基板S2a,電解質層S2b(YSZ膜)及び空気極層S2cを積層して成る円筒状の燃料極支持型セルを構成部品S2とし、セル板(構成部品S1)と、燃料極支持型セルの電解質層S2b(構成部品S2)との間に、上記した燃料電池用ガスシール部品71を挟み込み、300g/cm2の荷重を加えつつ、大気中において900℃で15分間加熱して、構成部品S1,S2を接合した。この際、セル板及び燃料極支持型セルの電解質層S2bの熱膨張率差を0.5×10−6( 1/K)以下とした。
In this embodiment, as shown in FIGS. 15 and 16, a cell plate made of ferritic stainless steel (SUS430) having a tubular shape is used as a component S1, and a fuel electrode substrate S2a, an electrolyte layer S2b (YSZ film), and an air electrode layer. The cylindrical fuel electrode supporting cell formed by laminating S2c is used as the component S2, and the above-mentioned is provided between the cell plate (component S1) and the electrolyte layer S2b (component S2) of the fuel electrode supporting cell. The fuel cell
そこで、室温及び700℃の各環境化において、上記円筒状燃料極支持型セルS2の燃料極基板S2aが位置する内側に水素ガスを供給して、空気極層S2cが位置する外側に透過する水素ガスを検知する水素透過試験を行った。その結果、室温及び700℃のいずれの環境下においても水素ガスの透過は検知されなかった。また、この試験を50回繰り返した後も水素ガスの透過はなく、ガラス系接合材から成る接合層4には全く割れが生じなかった。
Therefore, in each environment at room temperature and 700 ° C., hydrogen gas is supplied to the inside of the cylindrical electrode support cell S2 where the fuel electrode substrate S2a is located, and hydrogen is transmitted to the outside where the air electrode layer S2c is located. A hydrogen permeation test for detecting gas was performed. As a result, the permeation of hydrogen gas was not detected in both the room temperature and 700 ° C. environments. Further, even after this test was repeated 50 times, there was no permeation of hydrogen gas, and no cracking occurred in the
[比較例1]
そこで、実施例3と同じ形態を成し、且つ、コア体を無機多孔質材であるアルミナ−シリカ繊維の不織布(厚み1mm)とし、このコア体を覆う被覆膜をニッケル箔(厚み30μm)とし、この被覆膜の表面に形成する接合層を52%BaO−3%Al2O3−33SiO2−12%CaO系ガラス(厚み30μm)とする比較例1の燃料電池用ガスシール部品を、実施例3と同じ方法で製造した。
[Comparative Example 1]
Therefore, the same form as in Example 3 is used, and the core body is made of an inorganic porous material alumina-silica fiber non-woven fabric (
この比較例1の燃料電池用ガスシール部品に対しても、上記した水素透過試験を用いて同様の試験を行ったところ、室温及び700℃のいずれの環境下においても水素の透過はなかったが、この試験を5回繰り返した後では水素の透過が発生し、ガラス系接合材から成る接合層に極僅かにではあるが割れが発生していた。 The same test was performed on the fuel cell gas seal part of Comparative Example 1 using the above-described hydrogen permeation test, and no hydrogen permeation was observed at any of room temperature and 700 ° C. After repeating this test five times, hydrogen permeation occurred and cracks occurred in the bonding layer made of the glass-based bonding material, although only slightly.
この比較例1において、被覆膜に用いたニッケル箔と、接合層に用いたガラス系接合材との熱膨張率の差が、1.5×10−6[1/K]以上あったために、具体的には、3.5×10−6[1/K]程度あったために、ガラス系接合材から成る接合層に割れが生じたと考えられ、したがって、 金属箔から成る被覆膜と、ガラス系接合材から成る接合層との熱膨張率の差を2×10−6( 1/K)以下とすることで、望ましくは、1.5×10−6( 1/K)以下とすることで、耐久性のあるガスシール性が得られることが立証できた。 In Comparative Example 1, the difference in thermal expansion coefficient between the nickel foil used for the coating film and the glass-based bonding material used for the bonding layer was 1.5 × 10 −6 [1 / K] or more. Specifically, since it was about 3.5 × 10 −6 [1 / K], it is considered that the bonding layer made of the glass-based bonding material was cracked. Therefore, the coating film made of metal foil, The difference in coefficient of thermal expansion from the bonding layer made of the glass-based bonding material is set to 2 × 10 −6 (1 / K) or less, preferably 1.5 × 10 −6 (1 / K) or less. Thus, it was proved that a durable gas sealing property was obtained.
[比較例2]
また、実施例3と同じ形態を成し、且つ、コア体を無機多孔質材であるアルミナ−シリカ繊維の不織布(厚み1mm)とし、このコア体を覆う被覆膜をフェライト系ステンレス箔(SUS430:厚み30μm)とし、この被覆膜の表面に形成する接合層を52%BaO−3%Al2O3−33SiO2−12%CaO系ガラス(厚み60μm)とする比較例2の燃料電池用ガスシール部品を、実施例3と同じ方法で製造した。
[Comparative Example 2]
Further, the core body is made of an alumina-silica fiber non-woven fabric (thickness: 1 mm), which is an inorganic porous material, and the coating film covering the core body is made of a ferritic stainless steel foil (SUS430). : the thickness 30 [mu] m), a fuel cell of Comparative example 2, the bonding layer 52% BaO-3% Al 2 O 3 -33SiO 2 -12% CaO -based glass formed on the surface of the coating film (thickness 60 [mu] m) A gas seal part was produced in the same manner as in Example 3.
この比較例2の燃料電池用ガスシール部品に対しても、上記した水素透過試験を用いて同様の試験を行ったところ、室温及び700℃のいずれの環境下においても水素の透過はなかったが、この試験を2回繰り返した後では水素の透過が発生し、ガラス系接合材から成る接合層に層厚方向の割れが発生していた。 The same test was performed on the fuel cell gas seal part of Comparative Example 2 using the above-described hydrogen permeation test. However, no hydrogen permeation was observed at both room temperature and 700 ° C. After repeating this test twice, hydrogen permeation occurred and cracks in the layer thickness direction occurred in the bonding layer made of the glass-based bonding material.
この比較例2において、ガラス系接合材から成る接合層の厚みが60μmであったために、層厚方向の割れが生じたと考えられ、したがって、接合層の層の厚味を10〜50μmとすれば、十分な接合力及び絶縁性を確保したうえで、耐久性のあるガスシール性が得られることが立証できた。 In Comparative Example 2, since the thickness of the bonding layer made of the glass-based bonding material was 60 μm, it is considered that cracking occurred in the layer thickness direction. Therefore, if the thickness of the bonding layer is 10 to 50 μm In addition, it was proved that a durable gas sealing property can be obtained while ensuring a sufficient bonding force and insulation.
[比較例3]
さらに、実施例3と同じ形態を成し、且つ、コア体を無機多孔質材であるアルミナ−シリカ繊維の不織布(厚み1mm)とし、このコア体を覆う被覆膜をフェライト系ステンレス箔(SUS430:厚み30μm)とし、この被覆膜の表面に形成する接合層を52%BaO−3%Al2O3−33SiO2−12%CaO系ガラス(厚み10μm弱)とする比較例3の燃料電池用ガスシール部品を、実施例3と同じ方法で製造した。
[Comparative Example 3]
Furthermore, it has the same form as that of Example 3, and the core body is made of an inorganic porous material alumina-silica fiber nonwoven fabric (
この比較例3の燃料電池用ガスシール部品に対しても、上記した水素透過試験を用いて同様の試験を行ったところ、室温及び700℃のいずれの環境下においても水素の透過が発生し、ガラス系接合材から成る接合層が部分的に欠落していて、電気絶縁性も不十分であった。 When the same test was performed using the hydrogen permeation test described above for the fuel cell gas seal part of Comparative Example 3, hydrogen permeation occurred at both room temperature and 700 ° C., A bonding layer made of a glass-based bonding material was partially missing, and electrical insulation was insufficient.
この比較例3において、ガラス系接合材から成る接合層の厚みが10μm弱であったために、局所的に薄くなったと考えられ、したがって、上述したように、接合層の層の厚味を10〜50μmとすれば、十分な接合力及び絶縁性を確保したうえで、耐久性のあるガスシール性が得られることが立証できた。 In Comparative Example 3, it was considered that the thickness of the bonding layer made of the glass-based bonding material was less than 10 μm, so it was considered that the bonding layer was thinned locally. When the thickness is 50 μm, it has been proved that a durable gas sealing property can be obtained while ensuring a sufficient bonding force and insulation.
[比較例4]
さらにまた、実施例3と同じ形態を成し、且つ、コア体を無機多孔質材であるアルミナ−シリカ繊維の不織布(厚み1mm)とし、このコア体を覆う被覆膜をフェライト系ステンレス箔(SUS430:厚み50μm)とし、この被覆膜の表面に形成する接合層を52%BaO−3%Al2O3−33SiO2−12%CaO系ガラス(厚み30μm)とする比較例4の燃料電池用ガスシール部品を、実施例3と同じ方法で製造した。
[Comparative Example 4]
Furthermore, the same form as in Example 3 is used, and the core body is a non-woven fabric of alumina-silica fibers (
この比較例4の燃料電池用ガスシール部品に対しても、上記した水素透過試験を用いて同様の試験を行ったところ、室温及び700℃のいずれの環境下においても水素の透過はなかったが、この試験を5回繰り返した後では水素の透過が発生し、ガラス系接合材から成る接合層に層厚方向の割れが発生していた。 The same test was performed on the fuel cell gas seal part of Comparative Example 4 using the hydrogen permeation test described above, but there was no permeation of hydrogen at both room temperature and 700 ° C. After repeating this test five times, hydrogen permeation occurred and cracks in the layer thickness direction occurred in the bonding layer made of the glass-based bonding material.
この比較例4において、フェライト系ステンレス箔から成る被覆膜の厚みが50μmであったために、箔としての柔軟性が低下して被覆膜の剛性が高くなったと考えられ、したがって、被覆膜の厚みを10〜30μmとすれば、構成部品の熱変形に柔軟に追従し得ることとなって、耐久性のあるガスシール性が得られることが立証できた。 In Comparative Example 4, since the thickness of the coating film made of the ferritic stainless steel foil was 50 μm, it was considered that the flexibility as the foil was lowered and the rigidity of the coating film was increased. If the thickness is set to 10 to 30 μm, it is possible to flexibly follow the thermal deformation of the component parts, and it was proved that a durable gas sealing property can be obtained.
[比較例5]
さらにまた、実施例3と同じ形態を成し、且つ、コア体を無機多孔質材であるアルミナ−シリカ繊維の不織布(厚み1mm)とし、このコア体を覆う被覆膜をフェライト系ステンレス箔(SUS430:厚み10μm弱)とし、この被覆膜の表面に形成する接合層を52%BaO−3%Al2O3−33SiO2−12%CaO系ガラス(厚み30μm)とする比較例5の燃料電池用ガスシール部品を、実施例3と同じ方法で製造した。
[Comparative Example 5]
Furthermore, the same form as in Example 3 is used, and the core body is a non-woven fabric of alumina-silica fibers (
この比較例5の燃料電池用ガスシール部品に対しても、上記した水素透過試験を用いて同様の試験を行ったところ、室温及び700℃のいずれの環境下においても水素の透過はなかったが、この試験を23回繰り返した後では水素の透過が発生し、この際、ガラス系接合材から成る接合層には不具合は発生しなかった。 The same test was performed on the fuel cell gas seal part of Comparative Example 5 using the hydrogen permeation test described above, but there was no permeation of hydrogen at both room temperature and 700 ° C. After repeating this test 23 times, hydrogen permeation occurred, and no defect occurred in the bonding layer made of the glass-based bonding material.
この比較例5において、フェライト系ステンレス箔から成る被覆膜の厚みが10μm弱であったために、箔から成る被覆膜に熱変形の繰り返しによる疲労破壊(亀裂)が生じたと考えられ、したがって、上述したように、被覆膜の厚みを10〜30μmとすれば、構成部品の熱変形に柔軟に追従し得ることとなって、耐久性のあるガスシール性が得られることが立証できた。 In Comparative Example 5, since the thickness of the coating film made of a ferritic stainless steel foil was less than 10 μm, it was considered that the fatigue failure (crack) occurred due to repeated thermal deformation in the coating film made of foil. As described above, when the thickness of the coating film is set to 10 to 30 μm, it is possible to flexibly follow the thermal deformation of the component parts, and it has been proved that a durable gas sealing property can be obtained.
上記したように、各実施例の燃料電池用ガスシール部品1,21,31,41,51,61,71が、いずれも優れたガスシール性を有していることが実証でき、そして、一方の構成部品S1及び他方の構成部品S2に熱変形が生じて、その接合部分に引張り力や圧縮力が負荷された場合であったとしても、優れたガスシール性及び接合性が維持されることが実証できた。
As described above, the fuel cell
1,21,31,41,51,61,71 燃料電池用ガスシール部品
2 コア体
3 被覆膜
4 接合層
S1,S2 構成部品
1, 21, 31, 41, 51, 61, 71 Gas seal parts for
Claims (12)
金属箔から成る被覆膜と、ガラス系接合材から成る接合層との熱膨張率の差を2×10 −6 ( 1/K)以下としたことを特徴とする燃料電池用ガスシール部品。 A gas seal component disposed between components that require gas seal in a fuel cell, and has an elastic core body, a coating film made of a metal foil covering the core body, and formed on the surface of the coating film And a bonding layer made of a glass-based bonding material that is bonded to both the one component and the other component between the components ,
A gas seal component for a fuel cell, wherein a difference in coefficient of thermal expansion between a coating film made of a metal foil and a bonding layer made of a glass-based bonding material is 2 × 10 −6 (1 / K) or less .
ガラス系接合材から成る接合層と、この接合層が接合する構成部品との熱膨張率の差を2×10 −6 ( 1/K)以下としたことを特徴とする燃料電池用ガスシール部品。 A gas seal component disposed between components that require gas seal in a fuel cell, and has an elastic core body, a coating film made of a metal foil covering the core body, and formed on the surface of the coating film And a bonding layer made of a glass-based bonding material that is bonded to both the one component and the other component between the components ,
A gas seal component for a fuel cell, characterized in that a difference in coefficient of thermal expansion between a bonding layer made of a glass-based bonding material and a component to which the bonding layer is bonded is 2 × 10 −6 (1 / K) or less. .
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