JP6389133B2 - Fuel cell stack - Google Patents
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Description
本発明は、例えば固体電解質に空気極及び燃料極を有する燃料電池単セルを、1又は複数備えた燃料電池スタックに関する。 The present invention relates to a fuel cell stack including one or a plurality of single unit fuel cells each having an air electrode and a fuel electrode in a solid electrolyte, for example.
従来、燃料電池として、例えば固体電解質(固体酸化物)を用いた固体酸化物形燃料電池(SOFC)が知られている。
この固体酸化物形燃料電池では、発電単位として、例えば平板状の固体電解質の一方の側に燃料ガスに接する平板状の燃料極を設けるとともに、他方の側に酸化剤ガス(例えば空気)と接する平板状の酸化剤極(空気極)を設けた平板型の燃料電池単セルが使用されている。
Conventionally, as a fuel cell, for example, a solid oxide fuel cell (SOFC) using a solid electrolyte (solid oxide) is known.
In this solid oxide fuel cell, as a power generation unit, for example, a flat fuel electrode that contacts a fuel gas is provided on one side of a flat solid electrolyte, and an oxidant gas (for example, air) is contacted on the other side. A flat plate type fuel cell single cell provided with a flat plate oxidant electrode (air electrode) is used.
また、所望の電圧を得るために、電極である燃料極や空気極とインターコネクタとの間に集電体を配置し、このインターコネクタ及び集電体を介して、複数の燃料電池単セルを積層した燃料電池スタックが開発されている。 In addition, in order to obtain a desired voltage, a current collector is disposed between the fuel electrode or air electrode as an electrode and the interconnector, and a plurality of fuel cell single cells are connected via the interconnector and the current collector. Stacked fuel cell stacks have been developed.
この種の燃料電池スタックでは、常温(例えば室温)から発電時の高温(例えば700℃〜1000℃)に到り、再び室温に降下する熱サイクルによる影響によって、即ち部材の温度変化による膨張や収縮によって集電体が変形することがあり、その対策として、例えば燃料極と集電体との電気的接続を改善を図る各種の技術が提案されている(特許文献1、2参照)。 In this type of fuel cell stack, the expansion and contraction due to the influence of the thermal cycle that reaches from the normal temperature (for example, room temperature) to the high temperature during power generation (for example, 700 ° C. to 1000 ° C.) and drops again to the room temperature, that is, the temperature change of the member As a countermeasure against the current collector, various techniques for improving the electrical connection between the fuel electrode and the current collector have been proposed (see Patent Documents 1 and 2).
また、近年では、図13(a)に例示するように、燃料極P1と燃料極側集電体(弾性率が空気極側集電体P5より小さい燃料極側集電体P3)との間や、空気極P4と空気極側集電体(硬質の金属製の空気極側集電体P5)との間の電気的接続を十分に確保するために、接合材P6、P7等によって、燃料極P1と燃料極側集電体P3との間や、空気極P4と空気極側集電体P5との間を接合する技術が開発されている。 Further, in recent years, as illustrated in FIG. 13A, between the fuel electrode P1 and the fuel electrode side current collector (the fuel electrode side current collector P3 whose elastic modulus is smaller than that of the air electrode side current collector P5). In addition, in order to ensure sufficient electrical connection between the air electrode P4 and the air electrode side current collector (hard metal air electrode side current collector P5), fuel is produced by the bonding materials P6, P7, etc. Techniques have been developed for joining the electrode P1 and the fuel electrode side current collector P3 and the air electrode P4 and the air electrode side current collector P5.
しかしながら、上述した従来技術でも、熱サイクルによって、電極と集電体との間に設けられた接合材の破損等により、電極と集電体との間等における電気的接続が低下することがあり、その改善が求められている。 However, even in the above-described conventional technology, the electrical connection between the electrode and the current collector may be reduced due to the damage of the bonding material provided between the electrode and the current collector due to the thermal cycle. There is a need for improvement.
詳しくは、図13(a)に示すように、燃料電池は、組立時や高温での運転の際には、平板状のインターコネクタP8の一方の面から突出する空気極側集電体P5は、接合材P7により空気極P4に接合された状態であるが、図13(b)に示すように、温度が運転時の高温から常温(例えば室温)に低下すると、冷却時の部材の収縮による熱応力によって、インターコネクタP8の外周側が湾曲することがある。その結果、空気極側集電体P5のうち外周近傍にあるものが、破損した接合材P7の一部とともに空気極P4側から剥がれることがある。また、空気極側集電体P5の先端が、空気極P4の一部とともに、固体電解質P9側から剥がれることもある。 Specifically, as shown in FIG. 13 (a), the fuel cell has an air electrode side current collector P5 protruding from one surface of the flat interconnector P8 during assembly or operation at a high temperature. As shown in FIG. 13B, when the temperature is lowered from a high temperature during operation to normal temperature (for example, room temperature), the member is contracted during cooling. The outer peripheral side of the interconnector P8 may be bent by the thermal stress. As a result, the air electrode side current collector P5 in the vicinity of the outer periphery may be peeled off from the air electrode P4 side together with a part of the damaged bonding material P7. Further, the tip of the air electrode side current collector P5 may be peeled off from the solid electrolyte P9 side together with a part of the air electrode P4.
これは、燃料極P1と燃料極側集電体P3とは、接合材P6によって接合しているので、インターコネクタP8が湾曲する場合には、燃料極側集電体P3とインターコネクタP8との間で力の引っ張り合いが生じて、接合材P7の一部や空気極P4の一部が剥がれることがあると考えられる。 This is because the fuel electrode P1 and the fuel electrode side current collector P3 are joined by the joining material P6, and therefore, when the interconnector P8 is curved, the fuel electrode side current collector P3 and the interconnector P8 are connected to each other. It is considered that force tension is generated between them, and part of the bonding material P7 and part of the air electrode P4 may be peeled off.
その後、再度運転時の高温になると、図13(c)に示すように、インターコネクタP8は平板状の形状に戻るものの、空気極側集電体P5の先端の破損した接合材P4の部分同士が単に当接した状態となったり、空気極側集電体P5の先端に付着した一部の空気極P4が単に固体電解質P9に当接した状態となるだけであるので(矢印部分参照)、十分な電気的接続が得られない。その結果、燃料電池の発電性能が低下するという問題がある。 Thereafter, when the operating temperature is raised again, as shown in FIG. 13 (c), the interconnector P8 returns to a flat plate shape, but the parts of the bonding material P4 damaged at the tip of the air electrode side current collector P5 Or a part of the air electrode P4 adhering to the tip of the air electrode side current collector P5 is merely in contact with the solid electrolyte P9 (see the arrow portion). A sufficient electrical connection cannot be obtained. As a result, there is a problem that the power generation performance of the fuel cell is lowered.
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、熱サイクルが加わっても、集電体と電極との間等における高い電気的接続を確保して、発電性能の低下を抑制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 a problem, and even when a thermal cycle is applied, high electrical connection between the current collector and the electrode can be ensured, and a decrease in power generation performance can be suppressed. An object is to provide a fuel cell stack.
[1]まず、本発明の燃料電池スタックについて説明する。
(1)本発明の第1態様の燃料電池スタックは、平板状の固体電解質の一方の側に、第1電極を備えるとともに、他方の側に第2電極を備えた平板型の燃料電池単セルと、前記第1電極に電気的に接続される第1集電体と、前記第2電極に電気的に接続される第2集電体と、前記第1電極と前記第1集電体とを接合する第1接合部と、前記第2電極と前記第2集電体とを接合する第2接合部と、を備えた燃料電池スタックにおいて、前記第1接合部が配置された領域(R1)の外周(G1)は、前記第1集電体が配置された領域(R2)の外周(G2)より内側に形成されるとともに、前記第2接合部が配置された領域(R3)の外周(G3)より内側に形成されていることを特徴とする。
[1] First, the fuel cell stack of the present invention will be described.
(1) The fuel cell stack according to the first aspect of the present invention is a flat plate type fuel cell single cell having a first electrode on one side of a flat solid electrolyte and a second electrode on the other side. A first current collector electrically connected to the first electrode; a second current collector electrically connected to the second electrode; the first electrode and the first current collector; In a fuel cell stack comprising a first joint that joins the second electrode, and a second joint that joins the second electrode and the second current collector, the region where the first joint is disposed (R1) ) Is formed inside the outer periphery (G2) of the region (R2) in which the first current collector is disposed, and the outer periphery (R3) of the region (R3) in which the second joint portion is disposed. (G3) It is formed inside.
本第1態様では、第1接合部が配置された領域の外周は、第1集電体の外周より内側に形成されるとともに、第2接合部が配置された領域の外周より内側に形成されている。
従って、燃料電池スタックの温度が運転時の高温から例えば室温のような低温に低下したときに、例えば第2電極を空気極とした場合に、空気極と電気的に接続されるインターコネクタなどが湾曲して、第2集電体が第2電極から剥がれるような熱応力を受けたときには、第1集電体の(第1接合部の無い)外周部分は第1電極から容易に離れるので、上述した力の引っ張り合いが生じにくく、よって、第2接合部や空気極の一部の剥離が生じにくい。
In the first aspect, the outer periphery of the region where the first joint portion is disposed is formed inside the outer periphery of the first current collector, and is formed inside the outer periphery of the region where the second joint portion is disposed. ing.
Accordingly, when the temperature of the fuel cell stack decreases from a high temperature during operation to a low temperature such as room temperature, for example, when the second electrode is an air electrode, an interconnector that is electrically connected to the air electrode When the second current collector is bent and subjected to thermal stress that peels off from the second electrode, the outer peripheral portion of the first current collector (without the first joint) is easily separated from the first electrode, The pulling of the force described above is unlikely to occur, and therefore, the second joint portion and part of the air electrode are not easily separated.
そのため、温度が再度上昇して、例えばインターコネクタなどの湾曲が戻った場合にも、第2集電体と第2電極と及び第2電極と固体電解質とは接合されたままであるので、第2集電体と第2電極との間及び第2電極と固体電解質との間の高い電気的接続(導電性)を維持することができる。つまりは、熱応力が発生する前と熱応力が発生した後で電気的接続が変化することを抑制できる。 Therefore, even when the temperature rises again and the curvature of the interconnector, for example, returns, the second current collector, the second electrode, and the second electrode and the solid electrolyte remain joined. High electrical connection (conductivity) between the current collector and the second electrode and between the second electrode and the solid electrolyte can be maintained. In other words, it is possible to prevent the electrical connection from changing before the thermal stress is generated and after the thermal stress is generated.
このように、本第1態様では、燃料電池スタックが、例えば室温(例えば、25℃)から運転時の高温に上昇し、再度室温に低下するような熱サイクルが加わった場合でも、第2集電体が第2電極側から剥離することや、第2集電体が第2電極の一部とともに固体電解質側から剥離することを抑制できるので、常に高い電気的接続(導電性)を維持することができる。よって、発電性能を安定して確保できるという顕著な効果を奏する。 As described above, in the first aspect, even when the fuel cell stack is subjected to a thermal cycle in which the fuel cell stack rises from room temperature (for example, 25 ° C.) to a high temperature during operation and then drops to room temperature again, Since it can suppress that an electric body peels from the 2nd electrode side and a 2nd electrical power collector peels from a solid electrolyte side with a part of 2nd electrode, always maintains a high electrical connection (conductivity). be able to. Therefore, there is a remarkable effect that power generation performance can be secured stably.
第2接合部が配置された領域(R3)と第2集電体が配置された領域(R4)とは、同一であっても良いし異なっていてもよい(以下同様)。
(2)本発明の燃料電池スタックでは、前記第1接合部の配置された領域(R1)の外周(G1)は、前記第2集電体が配置された領域(R4)の外周(G4)に対して、全周にわたって0.4cm以上内側に形成されていることが好ましい。
The region (R3) in which the second bonding portion is disposed and the region (R4) in which the second current collector is disposed may be the same or different (the same applies hereinafter).
(2) In the fuel cell stack of the present invention, the outer periphery (G1) of the region (R1) where the first joint portion is disposed is the outer periphery (G4) of the region (R4) where the second current collector is disposed. On the other hand, it is preferable to be formed inside 0.4 cm or more over the entire circumference.
上記(2)のような場合、熱サイクルが加わって、例えばインターコネクタが湾曲するようなときでも、第2集電体と第2電極と及び第2電極と固体電解質とが一層剥離し難く、発電能力を安定して維持できるという効果がある。 In the case of (2) above, even when a thermal cycle is applied, for example, when the interconnector is curved, the second current collector and the second electrode and the second electrode and the solid electrolyte are more difficult to peel off. There is an effect that power generation capacity can be stably maintained.
(3)本発明の燃料電池スタックでは、前記第1電極は燃料極、前記第2電極は空気極、前記第1集電体は燃料極側集電体、前記第2集電体は空気極側集電体であることが好ましい。 (3) In the fuel cell stack of the present invention, the first electrode is a fuel electrode, the second electrode is an air electrode, the first current collector is a fuel electrode side current collector, and the second current collector is an air electrode. A side current collector is preferred.
空気極側に供給されるガスは、酸化剤ガス(例えば、空気)であり、該空気極と空気極側集電体とを接合する接合部は、該接合部の酸化による劣化を防ぐため、導電性の酸化物が使用される。この導電性の酸化物によって形成された接合部は、一度破損すると、導電性が著しく低下してしまう。また、導電性の酸化物で形成された接合部は、酸化物である空気極と化学的に結合するため、熱サイクルによって応力が加わった場合に、空気極自体を破壊してしまう。電極である空気極が破壊された場合には、破壊された箇所での発電は不可能になってしまう。 The gas supplied to the air electrode side is an oxidant gas (for example, air), and the joint portion that joins the air electrode and the air electrode side current collector prevents deterioration due to oxidation of the joint portion. Conductive oxides are used. Once the joint formed by the conductive oxide is broken, the conductivity is significantly lowered. Moreover, since the junction part formed with the electroconductive oxide couple | bonds with the air electrode which is an oxide chemically, when stress is added by a thermal cycle, the air electrode itself will be destroyed. When the air electrode, which is an electrode, is destroyed, power generation at the destroyed location becomes impossible.
逆に、燃料極側に供給されるガスは、還元性ガス(例えば、水素)であるので、該燃料極と燃料極側集電体とを接合する接合部は、該接合部の酸化による劣化の心配がなく、金属材料が使用される。加えて燃料極自身も、還元性ガスの還元作用により金属材料を含むこととなり、接合部が存在しない領域でも、燃料極側集合体と燃料極とが当接することで、電気的接続を得ることが可能である。 On the contrary, since the gas supplied to the fuel electrode side is a reducing gas (for example, hydrogen), the joint part that joins the fuel electrode and the fuel electrode side current collector is deteriorated due to oxidation of the joint part. The metal material is used. In addition, the fuel electrode itself also contains a metal material due to the reducing action of the reducing gas, and even in a region where no joint exists, the fuel electrode side assembly and the fuel electrode come into contact with each other to obtain an electrical connection. Is possible.
したがって、上記(3)の場合には、熱サイクルによって応力が加わったときでも、空気極が破壊されにくく、また、導電性の酸化物である接合部が破壊されにくいので、空気極と空気極側集電体との間等の電気的接続を確保することができる。 Therefore, in the case of the above (3), even when a stress is applied by a thermal cycle, the air electrode is difficult to break, and the joint portion made of a conductive oxide is difficult to break. Electrical connection such as between the side current collectors can be ensured.
(4)本発明の燃料電池スタックでは、前記第1集電体は、弾性を有するスペーサと、導電体を有する導電部材と、を備え、前記スペーサは、前記導電部材に挟み込まれており、前記第1接合部を介して前記導電部材と前記第1電極とは接合されている。 (4) In the fuel cell stack of the present invention, the first current collector includes a spacer having elasticity and a conductive member having a conductor, and the spacer is sandwiched between the conductive members, The conductive member and the first electrode are bonded via the first bonding portion.
したがって、第1集電体は、第2集電体よりも弾性量が大きい(言い換えれば、第1集電体は第2集電体に比べて弾性変形し易い)。
上記(4)により、燃料電池スタックに対し熱サイクルによって熱応力が加わった場合でも、スペーサの弾性変形によって、熱応力による各部材の変形に第1集電体が追従することができる。したがって、第1集電体と第1電極等との高い電気的接続(従って導通性)を確保できる。
[2]次に、本発明の燃料電池スタックの各構成について説明する。
Therefore, the first current collector has a larger elastic amount than the second current collector (in other words, the first current collector is more easily elastically deformed than the second current collector).
According to the above (4), even when a thermal stress is applied to the fuel cell stack by a thermal cycle, the first current collector can follow the deformation of each member due to the thermal stress by the elastic deformation of the spacer. Therefore, high electrical connection (and hence conductivity) between the first current collector and the first electrode can be ensured.
[2] Next, each configuration of the fuel cell stack of the present invention will be described.
・本発明では、燃料電池スタックは、平板型の燃料電池単セルを1又は複数備えたものである。
・第1接合部、第1集電体、第2接合部が1つのもの(部材等)から構成される場合には、各領域とは、平面視で、第1接合部、第1集電体、第2接合部がそれぞれ存在する領域であり、その外周とは、第1接合部、第1集電体、第2接合部の外形線で示されるものである。
In the present invention, the fuel cell stack includes one or more flat plate fuel cell single cells.
-When a 1st junction part, a 1st electrical power collector, and a 2nd junction part are comprised from one thing (member etc.), with each area | region, a 1st junction part and a 1st electrical power collector are planar views The outer periphery of the body and the second joint is indicated by outlines of the first joint, the first current collector, and the second joint.
一方、第1接合部、第1集電体、第2接合部が複数のもの(部材等)から構成される場合には、各領域とは、平面視で、各部材等の外周側をつなぐ線で囲まれた範囲である。詳しくは、各部材等を例えば輪で束ねるように周囲を囲った範囲内であり、領域の外周とは、その輪によって示される外形線である。 On the other hand, when a 1st junction part, a 1st electrical power collector, and a 2nd junction part are comprised from multiple things (members etc.), each area | region connects the outer peripheral side of each member etc. by planar view. It is a range surrounded by a line. Specifically, it is within a range surrounding each member or the like so as to be bundled with, for example, a ring, and the outer periphery of the region is an outline indicated by the ring.
・第1電極として燃料極を採用でき、第1集電体として燃料極側集電体を採用でき、第2電極として空気極を採用でき、第2集電体として空気極側集電体を採用できる。
或いは、第1電極として空気極を採用でき、第1集電体として空気極側集電体を採用でき、第2電極として燃料極を採用でき、第2集電体として燃料極側集電体を採用できる。
A fuel electrode can be used as the first electrode, a fuel electrode side current collector can be used as the first current collector, an air electrode can be used as the second electrode, and an air electrode side current collector can be used as the second current collector. Can be adopted.
Alternatively, an air electrode can be adopted as the first electrode, an air electrode side current collector can be adopted as the first current collector, a fuel electrode can be adopted as the second electrode, and a fuel electrode side current collector as the second current collector. Can be adopted.
・第1接合部や第2接合部を構成する材料としては、例えば各種の導電性を有する材料などを採用できる。
例えば第1接合部(例えば燃料極の接合部)としては、Ni、Ptを採用できる。また、第2接合部(例えば空気極の接合部)としては、Ag−Pd系合金、ペロブスカイト系の材料(例えばLSCF+Cu)、スピネル系の材料(例えばMnCu2O4、CuMn2O4)などを採用できる
・前記集電体としては、例えばインターコネクタと一体のもの(例えば表面から突出する凸部)、インターコネクタにろう材等によって接合されたものが挙げられる。
-As a material which comprises a 1st junction part and a 2nd junction part, the material etc. which have various electroconductivity etc. are employable, for example.
For example, Ni and Pt can be adopted as the first joint (for example, the fuel electrode joint). Further, as the second joint (for example, the joint of the air electrode), an Ag—Pd alloy, a perovskite-based material (for example, LSCF + Cu), a spinel-based material (for example, MnCu 2 O 4 , CuMn 2 O 4 ), or the like. Can be adopted. Examples of the current collector include one integrated with an interconnector (for example, a protrusion protruding from the surface) and one joined to the interconnector by a brazing material or the like.
・燃料電池スタックによって発電を行う場合の原料としては、燃料ガスや酸化剤ガスが挙げられる。燃料ガスとは、燃料電池スタックにおいて、燃料極側に供給されるガス(例えば水素)を示し、酸化剤ガスとは、空気極側に供給されるガス(例えば空気、厳密には空気中の酸素)を示している。 -Fuel gas and oxidant gas are mentioned as a raw material in generating electric power with a fuel cell stack. In the fuel cell stack, the fuel gas refers to a gas (for example, hydrogen) supplied to the fuel electrode side, and the oxidant gas refers to a gas (for example, air, strictly oxygen in the air) supplied to the air electrode side. ).
・前記スペーサとしては、第2集電体より弾性量の大きな材料、例えばマイカ等を採用でき、導電部材としては、ステンレスやNi等の材料を採用できる。これにより、第1集電体は弾性を有する構造とすることができる(言い換えれば、第1集電体は第2集電体に比べて弾性変形し易い)。 As the spacer, a material having a larger elastic amount than the second current collector, such as mica, can be used, and as the conductive member, a material such as stainless steel or Ni can be used. Accordingly, the first current collector can have an elastic structure (in other words, the first current collector is more easily elastically deformed than the second current collector).
以下、本発明が適用された燃料電池スタックとして、固体酸化物形燃料電池スタックを例に挙げて説明する。
[第1実施形態]
a)まず、本第1実施形態の燃料電池スタックの概略構成について説明する。
Hereinafter, a solid oxide fuel cell stack will be described as an example of a fuel cell stack to which the present invention is applied.
[First Embodiment]
a) First, a schematic configuration of the fuel cell stack according to the first embodiment will be described.
図1に示すように、本第1実施形態の固体酸化物形燃料電池スタック(以下、単に「燃料電池スタック」と呼ぶこともある)1は、燃料ガス(例えば水素)と酸化剤ガス(例えば空気、詳しくは空気中の酸素)との供給を受けて発電を行う装置である。なお、図面においては、酸化剤ガスは「O」で示し、燃料ガスは「F」で示す。また、「IN」はガスが導入されることを示し、「OUT」はガスが排出されることを示す(以下同様)。 As shown in FIG. 1, the solid oxide fuel cell stack (hereinafter also referred to simply as “fuel cell stack”) 1 of the first embodiment includes a fuel gas (for example, hydrogen) and an oxidant gas (for example, It is a device that generates electricity by being supplied with air (specifically, oxygen in the air). In the drawings, the oxidant gas is indicated by “O”, and the fuel gas is indicated by “F”. “IN” indicates that gas is introduced, and “OUT” indicates that gas is discharged (the same applies hereinafter).
この燃料電池スタック1は、図1の上下方向(積層方向)の両端に配置されたエンドプレート3、5と、その間に発電単位7(図2参照)を複数個(例えば6〜40個)備えた燃料電池スタックである。 The fuel cell stack 1 includes end plates 3 and 5 disposed at both ends in the vertical direction (stacking direction) in FIG. 1, and a plurality of power generation units 7 (see FIG. 2) between them (for example, 6 to 40). Fuel cell stack.
エンドプレート3、5及び各発電単位7には、それらが積層方向(図1の上下方向)に貫く複数(例えば8個)の貫通孔9が設けられ、その貫通孔9に配置された各ボルト11a、11b、11c、11d、11e、11f、11g、11h(11と総称する)と各ボルト11に螺合する各ナット13とによって、エンドプレート3、5と各発電単位7とが一体に固定されている。 The end plates 3 and 5 and each power generation unit 7 are provided with a plurality of (for example, eight) through-holes 9 through which the end plates 3 and 5 and the respective power generation units 7 penetrate in the stacking direction (vertical direction in FIG. 1). 11a, 11b, 11c, 11d, 11e, 11f, 11g, 11h (collectively referred to as 11) and each nut 13 screwed to each bolt 11, the end plates 3, 5 and each power generation unit 7 are fixed together. Has been.
また、ボルト11のうちの特定(4本)のボルト11b、11d、11f、11hには、軸方向(図1の上下方向)に沿って、酸化剤ガス又は燃料ガスが流れる内部流路14が形成されている。なお、ボルト11bは燃料ガスの排出に用いられ、ボルト11dは酸化剤ガスの排出に用いられ、ボルト11fは燃料ガスの導入に用いられ、ボルト11hは酸化剤ガスの導入に用いられる。 In addition, the specific (four) bolts 11b, 11d, 11f, and 11h among the bolts 11 have an internal flow path 14 through which an oxidant gas or a fuel gas flows along the axial direction (vertical direction in FIG. 1). Is formed. The bolt 11b is used for discharging fuel gas, the bolt 11d is used for discharging oxidant gas, the bolt 11f is used for introducing fuel gas, and the bolt 11h is used for introducing oxidant gas.
本実施形態では、説明の便宜上、各図面の方向を基準に「上」、「下」等の方向を表記するが、実際の燃料電池スタックの方向性を規定するものではない。
b)次に、発電単位7の構成について、詳しく説明する。
In the present embodiment, for convenience of description, directions such as “up” and “down” are described with reference to the directions of the drawings, but the directionality of the actual fuel cell stack is not specified.
b) Next, the configuration of the power generation unit 7 will be described in detail.
図3に示すように、発電単位7とは、燃料電池単セル15の厚み方向(図3の上下方向)の両側に、インターコネクタ17a、17b(17と総称する)を備えたものである。なお、燃料電池スタック1の積層方向の両端の発電単位7の外側は、インターコネクタ17の代わりにエンドプレート3、5の一方が使用されている。 As shown in FIG. 3, the power generation unit 7 includes interconnectors 17 a and 17 b (generally referred to as 17) on both sides of the fuel cell single cell 15 in the thickness direction (vertical direction in FIG. 3). Note that one of the end plates 3 and 5 is used outside the power generation unit 7 at both ends in the stacking direction of the fuel cell stack 1 instead of the interconnector 17.
つまり、発電単位7は、金属製のインターコネクタ17aと、空気極絶縁フレーム23と、金属製のセパレータ25と、金属製の燃料極フレーム27と、燃料極絶縁フレーム29と、金属製のインターコネクタ17b等が積層されたものである。なお、積層された各部材17、23〜29には、各ボルト11が挿通される各貫通孔9が形成されている。 That is, the power generation unit 7 includes a metal interconnector 17a, an air electrode insulating frame 23, a metal separator 25, a metal fuel electrode frame 27, a fuel electrode insulating frame 29, and a metal interconnector. 17b and the like are laminated. In addition, each through-hole 9 in which each bolt 11 is inserted is formed in each of the stacked members 17, 23 to 29.
このうち、セパレータ25には、後述する燃料電池単セル15が接合されている。空気極絶縁フレーム23の枠内の流路(酸化剤ガスが流れる空気流路)35には、インターコネクタ17と一体の導電部材である凸状の空気極側集電体37(図4参照)が配置され、燃料極フレーム27(もしくは燃料極絶縁フレーム29)の枠内の流路(燃料ガスが流れる燃料流路)39には、導電部材である燃料極側集電体41が配置されている。 Among these, the fuel cell single cell 15 mentioned later is joined to the separator 25. A convex air electrode side current collector 37 (see FIG. 4), which is a conductive member integral with the interconnector 17, is provided in a flow path (air flow path through which the oxidizing gas flows) in the air electrode insulating frame 23. The fuel electrode side current collector 41, which is a conductive member, is disposed in the flow path (fuel flow path through which the fuel gas flows) 39 in the frame of the fuel electrode frame 27 (or the fuel electrode insulation frame 29). Yes.
以下、各構成について、更に詳しく説明する。
インターコネクタ17は、導電性を有する板材(例えばSUS430等のステンレス鋼等の金属板)からなる。このインターコネクタ17は、燃料電池スタック1において連続する燃料電池単セル15間の導通を確保し、且つ、燃料電池単セル15間(従って発電単位7間)でのガスの混合を防止するものである。なお、インターコネクタ17は、隣接する燃料電池単セル15間に配置される場合は、1枚配置されていればよい。したがって、燃料電池スタック1内の1つの発電単位7の下側のインターコネクタ17は、隣接する発電単位7の上側のインターコネクタ17と共用となっている。
Hereinafter, each configuration will be described in more detail.
The interconnector 17 is made of a conductive plate material (for example, a metal plate such as stainless steel such as SUS430). The interconnector 17 ensures continuity between the continuous fuel cell units 15 in the fuel cell stack 1 and prevents gas mixing between the fuel cell units 15 (and thus between the power generation units 7). is there. In addition, the interconnector 17 should just be arrange | positioned when arrange | positioning between the adjacent fuel cell single cells 15. FIG. Therefore, the lower interconnector 17 of one power generation unit 7 in the fuel cell stack 1 is shared with the upper interconnector 17 of the adjacent power generation unit 7.
このインターコネクタ17は、図4に示すように、例えば縦150mm×横150mm×厚み2mmの板状部18と、板状部18の一方の面、詳しくは空気極55(図5参照)に対向する面に形成された多数の空気極側集電体37とを備えている。なお、図4では記載する空気極側集電体37の数を減らして簡易化して示してある。 As shown in FIG. 4, the interconnector 17 is opposed to, for example, a plate-like portion 18 having a length of 150 mm × width of 150 mm × thickness 2 mm, and one surface of the plate-like portion 18, specifically the air electrode 55 (see FIG. 5). And a large number of air electrode side current collectors 37 formed on the surface to be operated. In FIG. 4, the number of air electrode side current collectors 37 to be described is reduced and simplified.
空気極側集電体37は、縦12列×横12列となるように格子状に配置されている。また、各空気極側集電体37は、縦4mm×横4mm×厚み1mmのブロック状(直方体形状)であり、板状部18から空気極55に向かって突出するように形成されている。 The air electrode side current collectors 37 are arranged in a grid so as to be 12 columns × 12 columns. Each air electrode side current collector 37 has a block shape (cuboid shape) of 4 mm in length, 4 mm in width, and 1 mm in thickness, and is formed so as to protrude from the plate-like portion 18 toward the air electrode 55.
ここで、空気極側集電体37が配置された領域R4の外周とは、平面視で、最外周の空気極側集電体37の外周側の辺と隣り合う辺を最短距離で結ぶ線とから形成された方形の(点線で囲まれた)枠状の外周G4である。従って、前記領域R4とは前記外周G4の範囲内である。 Here, the outer periphery of the region R4 where the air electrode side current collector 37 is disposed is a line connecting the side adjacent to the outer peripheral side of the outermost air electrode side current collector 37 with a shortest distance in plan view. A square-shaped outer periphery G4 (enclosed by a dotted line). Therefore, the region R4 is within the range of the outer periphery G4.
なお、平面視で、空気極側集電体37が配置された領域R4と第2接合部である空気極接合層(後述する空気極側集電体37と空気極55とを接合する層:図8参照)が配置された領域R3とは同じである。従って、空気極側集電体37が配置された領域R4の外周G4と、空気極接合層(第2接合部)71が配置された領域R3の外周G3とは同じである。 In plan view, the region R4 in which the air electrode side current collector 37 is disposed and the air electrode bonding layer that is the second bonding portion (a layer that bonds the air electrode side current collector 37 and the air electrode 55 described later: This is the same as the region R3 in which FIG. Accordingly, the outer periphery G4 of the region R4 where the air electrode side current collector 37 is disposed and the outer periphery G3 of the region R3 where the air electrode bonding layer (second bonding portion) 71 is disposed are the same.
図3に戻り、空気極絶縁フレーム23は、電気絶縁性を有する四角枠状の板材であり、軟質マイカからなるマイカフレームである。この空気極絶縁フレーム23には、(厚み方向から見た平面視で)その中央部に、空気流路35を構成する方形の開口部23aが形成されている。 Returning to FIG. 3, the air electrode insulating frame 23 is a square frame-like plate material having electrical insulation, and is a mica frame made of soft mica. The air electrode insulating frame 23 is formed with a rectangular opening 23 a constituting the air flow path 35 at the center thereof (in a plan view as viewed from the thickness direction).
また、空気極絶縁フレーム23において、一対の貫通孔9(9d、9h)が設けられた各辺の枠部分には、各貫通孔9と連通するように、それぞれ長尺の連通孔43d、43hが設けられている。更に、空気極絶縁フレーム23には、各連通孔43d、43hと開口部23aとを連通するように、空気が通過する部分(連通部)として、複数の溝45d、45hが設けられている。 Further, in the air electrode insulating frame 23, the long side communication holes 43 d and 43 h are respectively connected to the frame portions on each side where the pair of through holes 9 (9 d and 9 h) are provided so as to communicate with the respective through holes 9. Is provided. Further, the air electrode insulating frame 23 is provided with a plurality of grooves 45d and 45h as portions (communication portions) through which air passes so that the communication holes 43d and 43h communicate with the opening 23a.
セパレータ25は、四角枠状の導電性を有する板材(例えばSUS430等のステンレス鋼等の金属板)である。このセパレータ25には、図5に示すように、その中央部の方形の開口部25aに沿った内周縁部(下面側)に、燃料電池単セル15の外周縁部(上面側)がろう付け接合されている。つまり、燃料電池単セル15は、セパレータ25の開口部25aを閉塞するように接合されている。 The separator 25 is a rectangular frame-like conductive plate material (for example, a metal plate such as stainless steel such as SUS430). As shown in FIG. 5, the separator 25 is brazed with the outer peripheral edge (upper surface) of the unit cell 15 on the inner peripheral edge (lower surface) along the rectangular opening 25a at the center. It is joined. That is, the fuel cell single cell 15 is joined so as to close the opening 25 a of the separator 25.
なお、燃料電池単セル15は、固体電解質体(固体電解質層)51と燃料極53と(平面視で固体電解質層51や燃料極53より外形が小さい)空気極55とが一体に積層されたものであり、セパレータ25は、固体電解質層51の外周縁部の上面に接合されている。 In the single fuel cell 15, a solid electrolyte body (solid electrolyte layer) 51, a fuel electrode 53, and an air electrode 55 (the outer shape of which is smaller than the solid electrolyte layer 51 and the fuel electrode 53 in plan view) are integrally laminated. The separator 25 is bonded to the upper surface of the outer peripheral edge portion of the solid electrolyte layer 51.
従って、上述した燃料電池単セル15が接合されたセパレータ25により、発電単位7の内部において、酸化剤ガスと燃料ガスとが混合しないように、空気流路35と燃料流路39とが分離されている。 Therefore, the air flow path 35 and the fuel flow path 39 are separated by the separator 25 to which the single fuel cell 15 described above is joined so that the oxidant gas and the fuel gas are not mixed inside the power generation unit 7. ing.
図3に戻り、燃料極フレーム27は、導電性を有する例えばSUS430等のステンレスなどからなる四角枠状の板材である。
燃料極絶縁フレーム29は、空気極絶縁フレーム23と同様に、電気絶縁性を有する四角枠状の板材であり、軟質マイカからなるマイカフレームである。この燃料極絶縁フレーム29には、空気極絶縁フレーム23と同様に、中央部の燃料流路39を構成する方形の開口部29aと、一対の貫通孔9(9b、9f)と連通する長尺の各連通孔57b、57fと、各連通孔57b、57fと開口部29aとを連通する各溝59b、59fが設けられている。
Returning to FIG. 3, the fuel electrode frame 27 is a rectangular frame-shaped plate material made of stainless steel such as SUS430 having conductivity.
Like the air electrode insulating frame 23, the fuel electrode insulating frame 29 is a square frame-like plate material having electrical insulation, and is a mica frame made of soft mica. Similar to the air electrode insulation frame 23, the fuel electrode insulation frame 29 has a long opening communicating with a rectangular opening 29 a constituting the fuel passage 39 in the center and the pair of through holes 9 (9 b, 9 f). The communication holes 57b and 57f, and the grooves 59b and 59f that connect the communication holes 57b and 57f and the opening 29a are provided.
燃料極側集電体41は、図6及び図7に示すように、マイカ製の芯材であるスペーサ61と導電部材である金属製の導電板(例えばニッケル製の平板形状の網又は箔)63とが組み合わされた公知の格子状の部材(例えば特開2013−55042号公報に記載の集電部材19参照)である。なお、図7では接合片63aの数を減らして簡易化して示している。 As shown in FIGS. 6 and 7, the fuel electrode side current collector 41 includes a spacer 61 that is a core material made of mica and a metal conductive plate that is a conductive member (for example, a flat plate-shaped net or foil made of nickel). 63 is a known lattice-like member (see, for example, the current collecting member 19 described in JP2013-55042A). In FIG. 7, the number of joining pieces 63a is reduced and shown in a simplified manner.
詳しくは、燃料極側集電体41は、多数の長孔61aが平行に開けられたスペーサ(梯子マイカ)61と、スペーサ61に導電板63自身の各接合片63aが折り曲げて取り付けられた導電板63とから構成されている。 Specifically, the fuel electrode side current collector 41 includes a spacer (ladder mica) 61 in which a number of long holes 61 a are opened in parallel, and a conductive member in which each joining piece 63 a of the conductive plate 63 is bent and attached to the spacer 61. It consists of a plate 63.
なお、空気極側集電体37の弾性量は燃料極側集電体41の弾性量(詳しくはスペーサ61の弾性量)よりも小さいものであり、この空気極側集電体37と燃料極側集電体41の弾性量は、以下のようにして測定することができる。 The amount of elasticity of the air electrode side current collector 37 is smaller than the amount of elasticity of the fuel electrode side current collector 41 (specifically, the amount of elasticity of the spacer 61). The elastic amount of the side current collector 41 can be measured as follows.
まず、スペーサ61と空気極側集電体37のそれぞれについて、圧縮試験用の試料を準備する。試料のサイズは、6.5mm×4mmで、厚さは、0.4mmとした。ここで各試料の大きさは、両者が同じであれば任意のサイズでも構わない。 First, a sample for a compression test is prepared for each of the spacer 61 and the air electrode side current collector 37. The sample size was 6.5 mm × 4 mm, and the thickness was 0.4 mm. Here, the size of each sample may be any size as long as both are the same.
次に、圧縮試験機にて、試料を10kgで圧縮し、そのときの厚みの変化量(mm)を測定し、最大変位量とする。
さらに、10kgの圧縮を開放し、最大変位量からの復元変位量を測定する。
Next, the sample is compressed with 10 kg using a compression tester, and the amount of change (mm) in thickness at that time is measured to obtain the maximum displacement.
Furthermore, the compression of 10 kg is released, and the amount of restoring displacement from the maximum amount of displacement is measured.
この試験により、復元変位量が大きい方が弾性量が大きいことを意味し、逆に復元変位量が小さい方が弾性量が小さいことを意味する。
ここで、後述するように、平面視で、接合片63aが燃料極53に接合された領域R1(即ち第1接合部が配置された領域R1)の外周G1は、例えば、最外周に配置された接合片63aより1列内側の列の接合片63aの外周側の辺と隣り合う辺を最短距離で結ぶ線とから形成された方形の(点線で囲まれた)枠状の外周G1である。従って、前記領域R1とは前記外周G1の範囲内である。
From this test, the larger the amount of restoring displacement means that the amount of elasticity is larger, and conversely, the smaller the amount of restoring displacement means that the amount of elasticity is smaller.
Here, as will be described later, the outer periphery G1 of the region R1 in which the joining piece 63a is joined to the fuel electrode 53 (that is, the region R1 in which the first joining portion is disposed) is disposed, for example, on the outermost periphery in plan view. A frame-shaped outer periphery G1 (enclosed by a dotted line) formed from a line connecting the adjacent side and the side adjacent to the outer peripheral side of the connecting piece 63a in one row inside the connecting piece 63a. . Accordingly, the region R1 is within the range of the outer periphery G1.
また、平面視で、接合片63aが燃料極53に接するように配置された領域R2(即ち第1集電体が配置された領域R2)の外周G2は、例えば、最外周に配置された接合片63aの外周側の辺と隣り合う辺を最短距離で結ぶ線とから形成された方形の(点線で囲まれた)枠状の外周G2である。従って、前記領域R2とは前記外周G2の範囲内である。 Moreover, the outer periphery G2 of the region R2 (that is, the region R2 where the first current collector is disposed) in which the joining piece 63a is in contact with the fuel electrode 53 in a plan view is, for example, a joint disposed on the outermost periphery. This is a square-shaped outer periphery G2 (enclosed by a dotted line) formed from a line connecting the side on the outer peripheral side of the piece 63a and an adjacent side with the shortest distance. Accordingly, the region R2 is within the range of the outer periphery G2.
c)次に、前記燃料電池単セル15について詳しく説明する。
図8に示すように、燃料電池単セル15は、いわゆる燃料極支持膜形タイプの構造を有しており、薄膜の固体電解質層51と、その一方の側(図8の下方)に形成された燃料極(アノード:AN)53と、他方の側(図8の上方)に形成された薄膜の空気極(カソード:CA)55とが一体に積層されたものである。
c) Next, the fuel cell single cell 15 will be described in detail.
As shown in FIG. 8, the fuel cell single cell 15 has a so-called fuel electrode support membrane type structure, and is formed on a thin solid electrolyte layer 51 and one side thereof (downward in FIG. 8). Further, a fuel electrode (anode: AN) 53 and a thin film air electrode (cathode: CA) 55 formed on the other side (upper side in FIG. 8) are integrally laminated.
また、燃料電池単セル15の空気極55側には空気流路35が設けられ、燃料極53側には燃料流路39が設けられている。なお、空気流路35における空気の流れる方向は紙面と垂直方向であり、燃料流路39における燃料ガスの流れる方向は図8の左右方向(左から右)である。 An air flow path 35 is provided on the air electrode 55 side of the fuel cell single cell 15, and a fuel flow path 39 is provided on the fuel electrode 53 side. The air flow direction in the air flow path 35 is perpendicular to the paper surface, and the fuel gas flow direction in the fuel flow path 39 is the left-right direction (left to right) in FIG.
このうち、空気極55は酸化剤ガスが通過できる多孔質の層であり、その開気孔率は、20〜50%の範囲の例えば30%である。
空気極55を構成する材料としては、金属、金属の酸化物、金属の複合酸化物を挙げることができる。金属としては、Pt、Au、Ag、Pd、Ir、Ru等の金属やそれらの合金が挙げられる。金属の酸化物としては、La、Sr、Ce、Co、Mn、Fe等の酸化物、例えばLa2O3、SrO、Ce2O3、Co2O3、MnO2、FeOが挙げられる。複合酸化物としては、La、Pr、Sm、Sr、Ba、Co、Fe、Mn等を含有する複合酸化物(La1−xSrxCoO3系複合酸化物、La1−xSrxFeO3系複合酸化物、La1−xSrxCo1−yFeyO3系複合酸化物、La1−xSrxMnO3系複合酸化物、Pr1−xBaxCoO3系複合酸化物、Sm1−xSrxCoO3系複合酸化物)などを使用できる。
Among these, the air electrode 55 is a porous layer through which the oxidant gas can pass, and the open porosity thereof is, for example, 30% in the range of 20 to 50%.
Examples of the material constituting the air electrode 55 include metals, metal oxides, and metal composite oxides. Examples of the metal include metals such as Pt, Au, Ag, Pd, Ir, Ru, and alloys thereof. Examples of the metal oxide include oxides such as La, Sr, Ce, Co, Mn, and Fe, such as La 2 O 3 , SrO, Ce 2 O 3 , Co 2 O 3 , MnO 2 , and FeO. As the composite oxide, composite oxides containing La, Pr, Sm, Sr, Ba, Co, Fe, Mn, etc. (La 1-x Sr x CoO 3 -based composite oxide, La 1-x Sr x FeO 3) system composite oxide, La 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3 composite oxide, La 1-x Sr x MnO 3 composite oxide, Pr 1-x Ba x CoO 3 composite oxide, Sm 1-x Sr x CoO 3 composite oxide) or the like can be used.
固体電解質層51は固体酸化物からなる緻密な層であり、燃料電池スタック1の運転時(発電時)に、空気極55に導入される酸化剤ガス(酸素)をイオンとして移動させることができるイオン伝導性を有する。 The solid electrolyte layer 51 is a dense layer made of a solid oxide, and can move the oxidant gas (oxygen) introduced into the air electrode 55 as ions during operation (power generation) of the fuel cell stack 1. It has ionic conductivity.
固体電解質層51を構成する材料としては、例えば、ジルコニア系、セリア系、ペロブスカイト系の電解質材料が挙げられる。ジルコニア系材料では、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)、スカンジア安定化ジルコニア(ScSZ)、及びカルシア安定化ジルコニア(CaSZ)を挙げることができ、一般的には、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)が使用される例が多い。セリア系材料では、いわゆる希土類元素添加セリアが、ペロブスカイト系材料では、ランタン元素を含有するペロブスカイト型複酸化物が使われる。 Examples of the material constituting the solid electrolyte layer 51 include zirconia-based, ceria-based, and perovskite-based electrolyte materials. Examples of zirconia-based materials include yttria stabilized zirconia (YSZ), scandia stabilized zirconia (ScSZ), and calcia stabilized zirconia (CaSZ), and yttria stabilized zirconia (YSZ) is generally used. There are many examples. For ceria-based materials, so-called rare earth element-added ceria is used, and for perovskite-based materials, perovskite-type double oxides containing lanthanum elements are used.
燃料極53は燃料ガスが通過できる多孔質の層であり、その開気孔率は、20〜60%の範囲の例えば35%である。この燃料極53は、図示しないが、電子の授受により触媒反応を起こす活性層と、これを支持する支持層とから構成されている。 The fuel electrode 53 is a porous layer through which fuel gas can pass, and the open porosity thereof is, for example, 35% in the range of 20 to 60%. Although not shown, the fuel electrode 53 is composed of an active layer that causes a catalytic reaction by exchange of electrons and a support layer that supports the active layer.
燃料極53を構成する材料としては、例えば、Ni及びFe等の金属と、Sc、Y等の希土類元素のうちの少なくとも1種により安定化されたジルコニア等のZrO2系セラミック、CeO系セラミックなどのセラミックとの混合物が挙げられる。また、Ni等の金属、或いは、Niと前記セラミックとのサーメットやNi基合金を使用できる。 Examples of the material constituting the fuel electrode 53 include ZrO 2 ceramics such as zirconia and CeO ceramics stabilized by at least one of metals such as Ni and Fe and rare earth elements such as Sc and Y. And a mixture of these with ceramics. Further, a metal such as Ni, or a cermet or Ni-based alloy of Ni and the ceramic can be used.
d)次に、本第1実施形態の要部である各部材の領域や外周などについて説明する。
本第1実施形態では、全ての空気極側集電体37の空気極55側の先端面(底面)と空気極55の表面との間に、導電性を有する空気極接合層(第2接合部)71が設けられ、この空気極接合層71によって全ての空気極側集電体37と空気極55とが接合されている。
d) Next, the region and outer periphery of each member, which is a main part of the first embodiment, will be described.
In the first embodiment, the air electrode bonding layer (second bonding) having conductivity is provided between the front end surface (bottom surface) of all the air electrode side current collectors 37 on the air electrode 55 side and the surface of the air electrode 55. Part) 71, and all the air electrode side current collectors 37 and the air electrodes 55 are bonded by the air electrode bonding layer 71.
つまり、空気極55の表面に、各空気極接合層71を介して各空気極側集電体37が接触する構成とされている。これにより、空気極55の表面の一部に各空気極接合層71が接触するとともに、空気極55の表面が部分的に空気流路35に露出する構成とされている。 That is, each air electrode side current collector 37 is in contact with the surface of the air electrode 55 via each air electrode bonding layer 71. Accordingly, each air electrode bonding layer 71 is in contact with a part of the surface of the air electrode 55, and the surface of the air electrode 55 is partially exposed to the air flow path 35.
この空気極接合層71を構成する材料としては、導電性スピネル型酸化物が挙げられる。この導電性スピネル酸化物は、スピネル型の結晶構造を有する金属酸化物であり、導電性を有し多孔質を構成する限り、特に限定されない。 Examples of the material constituting the air electrode bonding layer 71 include a conductive spinel oxide. This conductive spinel oxide is a metal oxide having a spinel crystal structure, and is not particularly limited as long as it has conductivity and forms a porous structure.
導電性スピネル型酸化物は、AB2O4の組成式で示される酸化物であり、結晶中にAサイトとBサイトと称する陽イオンが配置される2つのサイトを有する。Aサイト及びBサイトを示す金属元素としては、Cu、Mn、Co、Fe、Cr、Ni、Zn等が挙げられる。導電性スピネル酸化物としては、CuMn2O4、MnCo2O4、CoMn2O4、MnFe2O4、ZnMn2O4、CuFe2O4、CuFe2O4、NiMn2O4、CoCr2O4等が挙げられる。これらの中でも、導電性が高いCuMn2O4が空気極接合層に含まれていることが好ましい。なお、Aサイト及びBサイトは、その一部が前記金属元素以外の金属元素により置換されていてもよい。 The conductive spinel oxide is an oxide represented by a composition formula of AB 2 O 4 and has two sites where cations called A site and B site are arranged in the crystal. Examples of the metal element indicating the A site and the B site include Cu, Mn, Co, Fe, Cr, Ni, and Zn. As the conductive spinel oxide, CuMn 2 O 4 , MnCo 2 O 4 , CoMn 2 O 4 , MnFe 2 O 4 , ZnMn 2 O 4 , CuFe 2 O 4 , CuFe 2 O 4 , NiMn 2 O 4 , CoCr 2 O 4 etc. are mentioned. Among these, it is preferable that CuMn 2 O 4 having high conductivity is included in the air electrode bonding layer. A part of the A site and the B site may be substituted with a metal element other than the metal element.
また、本第1実施形態では、燃料極側集電体41の導電板63の複数の接合片63aのうち、(外周の1列を除いた)中央部分に配置された接合片63aが、ろう材からなる内側接合層73によって燃料極53に接合するように構成されている。更に、導電板63のうち、インターコネクタ17bに接する部分は全てろう材からなる外側接合層75によってインターコネクタ17bに接合されている。 In the first embodiment, among the plurality of joining pieces 63a of the conductive plate 63 of the fuel electrode side current collector 41, the joining piece 63a disposed in the central portion (excluding one row on the outer periphery) is It is configured to be bonded to the fuel electrode 53 by an inner bonding layer 73 made of a material. Further, the portion of the conductive plate 63 that contacts the interconnector 17b is all joined to the interconnector 17b by an outer joining layer 75 made of a brazing material.
詳しくは、前記図9に模式的に示すように、平面視で、燃料極側集電体41の複数の接合片63aのうち、外周の一列を除いた内側の全ての接合片63a、即ち中央部分に配置された(図9及び前記図7にて灰色にて示す)接合片63aは全て、内側接合層73によって燃料極53に接合されている。 Specifically, as schematically shown in FIG. 9, all of the joint pieces 63 a on the inner side except one row of the outer periphery among the plurality of joint pieces 63 a of the fuel electrode side current collector 41 in a plan view, that is, the center. All the joining pieces 63 a arranged in the portion (shown in gray in FIGS. 9 and 7) are joined to the fuel electrode 53 by the inner joining layer 73.
この内側接合層73は、前記領域R1の全面に渡って形成されており、その一部が第1接合部73a(図8参照)である。つまり、第1接合部73aとは、内側接合層73のうち、燃料極53と接合片63aとに挟まれた部分である。 The inner bonding layer 73 is formed over the entire surface of the region R1, and a part thereof is a first bonding portion 73a (see FIG. 8). That is, the first joint portion 73a is a portion of the inner joint layer 73 that is sandwiched between the fuel electrode 53 and the joint piece 63a.
ここで、中央部分の複数の接合片63a(従って第1接合部73a)の外周が図9にて破線で示す外周G1である。なお、この外周G1の範囲は、例えば縦84mm×横84mmの方形である。 Here, the outer periphery of the plurality of joining pieces 63a (and hence the first joining portion 73a) in the central portion is an outer periphery G1 indicated by a broken line in FIG. In addition, the range of this outer periphery G1 is a square of 84 mm long × 84 mm wide, for example.
なお、内側接合層73が形成される範囲は、上述したように領域R1としてもよいが、例えば、外周G1より外周側で、且つ、最外周の接合片63aに接しない範囲としてもよい。また、内側接合層73を第1接合部73aの部分のみに形成してもよい。 The range in which the inner bonding layer 73 is formed may be the region R1 as described above. For example, the inner bonding layer 73 may be a range on the outer peripheral side from the outer periphery G1 and not in contact with the outermost bonding piece 63a. The inner bonding layer 73 may be formed only on the first bonding portion 73a.
また、前記外周G1の外周側に、燃料極53に燃料極側集電体41の接合片63aが接する範囲である前記外周G2が設定されている。この外周G2の範囲は、例えば縦92mm×横92mmの方形である。 Further, the outer periphery G2 is set on the outer periphery side of the outer periphery G1, which is a range where the joining piece 63a of the fuel electrode side current collector 41 contacts the fuel electrode 53. The range of the outer periphery G2 is, for example, a square of 92 mm long × 92 mm wide.
前記内側接合層73(従って第1接合部73a)を構成する材料としては、Ni、Pt、Ni−Ptなどを採用できる。
一方、外側接合層75を構成する材料としては、Pt、Ag、Pt−Agなどを採用できる。
Ni, Pt, Ni—Pt, or the like can be used as a material constituting the inner bonding layer 73 (and hence the first bonding portion 73a).
On the other hand, Pt, Ag, Pt—Ag, or the like can be adopted as a material constituting the outer bonding layer 75.
このように、本第1実施形態では、図9に示すように、平面視で、接合片63aが接合された第1接合部73a(同図の灰色部分)が配置された領域R1の外周G1は、燃料極側集電体(第1集電体)41が配置された領域R2の外周G2より内側に形成されるとともに、空気極側集電体37(従って空気極接合層71:第2接合部)が配置された領域R3の外周G3より内側に形成されている。 As described above, in the first embodiment, as shown in FIG. 9, the outer periphery G1 of the region R1 in which the first joint portion 73a (the gray portion in the figure) to which the joint piece 63a is joined is arranged in plan view. Is formed inside the outer periphery G2 of the region R2 in which the fuel electrode side current collector (first current collector) 41 is disposed, and the air electrode side current collector 37 (therefore, the air electrode bonding layer 71: second). It is formed on the inner side of the outer periphery G3 of the region R3 where the joint portion is disposed.
また、平面視で、第1接合部73aが配置された領域R1の面積S1と空気極側集電体 37(第2集電体)が配置された領域R4(即ち空気極接合層71(第2接合部)が配置された領域R3)の面積S2との面積比(S1/S2)は、0.05<S1/S2<0.92の範囲である。 In plan view, the area S1 of the region R1 where the first joint 73a is disposed and the region R4 where the air electrode side current collector 37 (second current collector) is disposed (that is, the air electrode bonding layer 71 (first The area ratio (S1 / S2) to the area S2 of the region R3) where the two junctions) are arranged is in the range of 0.05 <S1 / S2 <0.92.
更に、平面視で、第1接合部73aの配置された領域R1の外周G1は、空気極側集電体37(第2集電体)が配置された領域R4の外周G4に対して、全周にわたって0.4cm以上内側に形成されている。 Furthermore, in plan view, the outer periphery G1 of the region R1 in which the first joint portion 73a is disposed is all the outer periphery G4 of the region R4 in which the air electrode side current collector 37 (second current collector) is disposed. It is formed inside 0.4 cm or more over the circumference.
e)次に、燃料電池スタック1の製造方法について説明する。
[各部材の製造工程]
まず、例えばSUS430からなる板材を打ち抜いて、インターコネクタ17、燃料極フレーム27、セパレータ25、エンドプレート3、5を作製した。
e) Next, a method for manufacturing the fuel cell stack 1 will be described.
[Manufacturing process of each member]
First, for example, a plate material made of SUS430 was punched out to produce the interconnector 17, the fuel electrode frame 27, the separator 25, and the end plates 3 and 5.
なお、インターコネクタ17及びエンドプレート3の一方の表面には、切削加工によって、空気極側集電体37を形成した。
また、周知の軟質マイカからなるマイカシートに対して、パンチング加工や溝加工などによって、前記図3に示す枠形状の空気極絶縁フレーム23と燃料極絶縁フレーム29を作製した。
An air electrode side current collector 37 was formed on one surface of the interconnector 17 and the end plate 3 by cutting.
Further, the frame-shaped air electrode insulating frame 23 and the fuel electrode insulating frame 29 shown in FIG. 3 were manufactured by punching or grooving a mica sheet made of known soft mica.
[燃料電池単セル15の製造工程]
燃料電池単セル15を、定法に従って製造した。
具体的には、まず、多孔質の燃料極53を形成するために、例えば、平均粒径0.5〜5μmのイットリア安定化ジルコニア(YSZ)粉末を40〜70質量部と、平均粒径0.5〜5μmの酸化ニッケル粉末を40〜70質量部と、バインダー溶液とからなる材料を用いて、燃料極ペーストを作製した。そして、この燃料極ペーストを用いて、周知のドクターブレード法によって燃料極グリーンシートを作製した。
[Manufacturing Process of Fuel Cell Single Cell 15]
The fuel cell single cell 15 was manufactured according to a conventional method.
Specifically, first, in order to form the porous fuel electrode 53, for example, 40 to 70 parts by mass of yttria-stabilized zirconia (YSZ) powder having an average particle size of 0.5 to 5 μm and an average particle size of 0. A fuel electrode paste was prepared using a material comprising 40 to 70 parts by mass of a nickel oxide powder of 5 to 5 μm and a binder solution. Then, using this fuel electrode paste, a fuel electrode green sheet was produced by a known doctor blade method.
また、固体電解質層51を作製するために、例えば平均粒径0.5〜3μmのYSZ粉末と、バインダー溶液とからなる材料を用いて、固体電解質ペーストを作製した。そして、この固体電解質ペーストを用いて、ドクターブレード法によって固体電解質グリーンシートを作製した。 Moreover, in order to produce the solid electrolyte layer 51, for example, a solid electrolyte paste was produced using a material composed of a YSZ powder having an average particle size of 0.5 to 3 μm and a binder solution. And using this solid electrolyte paste, the solid electrolyte green sheet was produced by the doctor blade method.
次に、燃料極グリーンシート上に、固体電解質グリーンシートを積層した。そして、その積層体を、1200〜1500℃で1〜10時間加熱することにより、焼結させて、焼結積層体を形成した。 Next, a solid electrolyte green sheet was laminated on the fuel electrode green sheet. And the laminated body was sintered by heating at 1200-1500 degreeC for 1 to 10 hours, and the sintered laminated body was formed.
また、多孔質の空気極55を形成するために、平均粒径1〜4μmのLa1−xSrxCo1−yFeyO3粉末と、バインダー溶液とからなる材料を用いて、空気極ペーストを作製した。 Further, in order to form the porous air electrode 55, a material composed of La 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3 powder having an average particle diameter of 1 to 4 μm and a binder solution is used. A paste was prepared.
次に、前記焼結積層体における固体電解質層51の表面に、空気極ペーストを印刷した。そして、その印刷した空気極ペーストを、焼成によって緻密とならないように、900〜1200℃にて1〜5時間焼成して、空気極55を形成した。 Next, an air electrode paste was printed on the surface of the solid electrolyte layer 51 in the sintered laminate. Then, the printed air electrode paste was baked at 900 to 1200 ° C. for 1 to 5 hours so as not to become dense by baking, and the air electrode 55 was formed.
これにより燃料電池単セル15が完成した。なお、燃料電池単セル15には、セパレータ25をろう付けして固定した。
[空気極接合層71の製造工程]
Mnを含むスピネル材料系の空気極接合層ペーストを、空気極側集電体37の空気極55側の表面(底面)に、スクリーン印刷等によって塗布した。なお、空気極55の空気極側集電体37と対向する表面に、同様に空気極接合層ペーストをスクリーン印刷等によって塗布してもよい。その後、空気極接合層ペーストの接着性が失われない温度(80〜120℃)で、30分乾燥させた。
Thereby, the fuel cell single cell 15 was completed. A separator 25 was fixed to the single fuel cell 15 by brazing.
[Manufacturing Process of Air Electrode Bonding Layer 71]
A spinel material-based air electrode bonding layer paste containing Mn was applied to the surface (bottom surface) of the air electrode side current collector 37 on the air electrode 55 side by screen printing or the like. The air electrode bonding layer paste may be similarly applied to the surface of the air electrode 55 facing the air electrode side current collector 37 by screen printing or the like. Then, it was made to dry for 30 minutes at the temperature (80-120 degreeC) which the adhesiveness of an air electrode joining layer paste is not lost.
[内側接合層73及び外側接合層75の製造工程]
NiOを含む内側接合層ペーストを、燃料極53の表面において、前記外周G1の範囲内に、スクリーン印刷等によって全面に塗布した。その後、内側接合層ペーストの接着性が失われない温度(80〜120℃)で、30分乾燥させた。
[Manufacturing Process of Inner Bonding Layer 73 and Outer Bonding Layer 75]
An inner bonding layer paste containing NiO was applied to the entire surface of the fuel electrode 53 by screen printing or the like within the range of the outer periphery G1. Then, it was dried for 30 minutes at a temperature (80 to 120 ° C.) at which the adhesiveness of the inner bonding layer paste is not lost.
Agを含む外側接合層ペーストを、インターコネクタ17の燃料極53側の表面において、(平面視で)前記燃料極側集電体41が配置された外周G2の範囲内に、スクリーン印刷等によって全面に塗布した。その後、外側接合層ペーストの接着性が失われない温度(80〜120℃)で、30分乾燥させた。 The outer bonding layer paste containing Ag is applied to the entire surface of the interconnector 17 on the fuel electrode 53 side by screen printing or the like within a range of the outer periphery G2 where the fuel electrode side current collector 41 is disposed (in plan view). It was applied to. Then, it was dried for 30 minutes at a temperature (80 to 120 ° C.) at which the adhesiveness of the outer bonding layer paste was not lost.
[燃料電池スタック1の製造工程]
次に、上述した(空気極接合層ペースト、内側接合層ペースト、外側接合層ペーストを塗布した)各部材を、前記図3に示すように所望の段数積層し、その積層方向の両方の端部に、エンドプレート3、5を積層して、積層体を構成した。
[Manufacturing process of fuel cell stack 1]
Next, the above-mentioned members (applied with the air electrode bonding layer paste, the inner bonding layer paste, and the outer bonding layer paste) are laminated in a desired number of stages as shown in FIG. 3, and both ends in the lamination direction Then, the end plates 3 and 5 were laminated to form a laminated body.
そして、この積層体の貫通孔9にボルト11を嵌め込むとともに、各ボルト11にナット13を螺合させて締め付けて、積層体を押圧して一体化して固定した。
次に、この積層体を酸化雰囲気で加熱して、空気極側集電体37と空気極55とを空気極接合層71により接合し、且つ、燃料極53と燃料極側集電体41と内側接合層73により接合するとともに、燃料極側集電体41とインターコネクタ17bとを外側接合層75により接合した。
And while inserting the bolt 11 in the through-hole 9 of this laminated body, the nut 13 was screwed and tightened to each bolt 11, and the laminated body was pressed and integrated and fixed.
Next, this laminate is heated in an oxidizing atmosphere to join the air electrode side current collector 37 and the air electrode 55 with the air electrode bonding layer 71, and the fuel electrode 53 and the fuel electrode side current collector 41. While being joined by the inner joining layer 73, the fuel electrode side current collector 41 and the interconnector 17 b were joined by the outer joining layer 75.
なお、酸化処理の条件としては、積層体を電気炉に入れ、300〜900℃の範囲で、燃料流路39に燃料ガスを供給し、空気流路35に酸素濃度15〜100%の酸化剤ガスを流しながら、2〜10時間保持する方法が挙げられる。 As the conditions for the oxidation treatment, the laminate is put in an electric furnace, the fuel gas is supplied to the fuel flow path 39 in the range of 300 to 900 ° C., and the oxidant having an oxygen concentration of 15 to 100% is supplied to the air flow path 35. The method of hold | maintaining for 2 to 10 hours, flowing gas is mentioned.
これによって、本第1実施形態の燃料電池スタック1が完成した。
f)次に、本第1実施形態の効果について説明する。
本第1実施形態では、平面視で、第1接合部73aが配置された領域R1の外周G1は、燃料極側集電体41が配置された領域R2の外周G2より内側に形成されるとともに、空気極接合層71が配置された領域R3の外周G3より内側に形成されている。
As a result, the fuel cell stack 1 of the first embodiment was completed.
f) Next, effects of the first embodiment will be described.
In the first embodiment, the outer periphery G1 of the region R1 in which the first joint portion 73a is disposed is formed inside the outer periphery G2 of the region R2 in which the fuel electrode side current collector 41 is disposed in plan view. The air electrode bonding layer 71 is formed on the inner side of the outer periphery G3 of the region R3.
従って、燃料電池スタック1の温度が運転時の高温(例えば700℃〜1000℃)から例えば室温(例えば、25℃)のような低温に低下した場合に、インターコネクタ17が湾曲して、外周部分の空気極側集電体37が空気極55から剥がれるような熱応力を受けたときには、(平面視で)燃料極側集電体41の第1接合部73aの無い外周部分は燃料極53と接合されていないので、空気極側集電体37と燃料極側集電体41との間で、燃料電池単セル15の引っ張り合いが起こることを抑制し、空気極55または空気極接合層71の破損や剥離(接合部分が剥がれること)或いは固体電解質層51の破損等が生じにくい。 Accordingly, when the temperature of the fuel cell stack 1 is lowered from a high temperature during operation (for example, 700 ° C. to 1000 ° C.) to a low temperature such as room temperature (for example, 25 ° C.), the interconnector 17 is bent and the outer peripheral portion When the air electrode side current collector 37 is subjected to thermal stress such that the air electrode side current collector 37 is peeled off from the air electrode 55, the outer peripheral portion without the first joint 73 a of the fuel electrode side current collector 41 is in contact with the fuel electrode 53. Since it is not joined, it is possible to suppress the pulling of the fuel cell single cell 15 between the air electrode side current collector 37 and the fuel electrode side current collector 41, and the air electrode 55 or the air electrode joining layer 71. Breakage or peeling (bonding part is peeled off) or the solid electrolyte layer 51 is hardly damaged.
よって、温度が再度上昇して、インターコネクタ17の湾曲が戻った場合にも、空気極側集電体37と空気極55と及び空気極55と固体電解質層51とは接合されたままであるので、空気極側集電体37と空気極55との間及び空気極55と固体電解質層51との間の高い電気的接続(導電性)を維持することができる。つまりは、熱応力が発生する前と熱応力が発生した後で電気的接続が変化することを抑制できる。 Therefore, even when the temperature rises again and the curvature of the interconnector 17 returns, the air electrode side current collector 37, the air electrode 55, and the air electrode 55 and the solid electrolyte layer 51 remain bonded. The high electrical connection (conductivity) between the air electrode side current collector 37 and the air electrode 55 and between the air electrode 55 and the solid electrolyte layer 51 can be maintained. In other words, it is possible to prevent the electrical connection from changing before the thermal stress is generated and after the thermal stress is generated.
また、燃料極側集電体41は、インターコネクタ17(従って空気極側集電体37)より弾性量が大きい。したがって、熱応力による各部材の変形に燃料極側集電体41が追従することができる(燃料極側集電体41と燃料極53との電気的接続面積減少の抑制が可能)。したがって、燃料極側集電体41と燃料極53との高い電気的接続を確保できる。 Further, the fuel electrode side current collector 41 has a larger elastic amount than the interconnector 17 (and hence the air electrode side current collector 37). Therefore, the fuel electrode side current collector 41 can follow the deformation of each member due to thermal stress (a reduction in the area of electrical connection between the fuel electrode side current collector 41 and the fuel electrode 53 can be suppressed). Therefore, high electrical connection between the fuel electrode side current collector 41 and the fuel electrode 53 can be ensured.
このように、本第1実施形態では、室温から運転時の高温に上昇し、再度室温に低下するような熱サイクルが加わった場合でも、空気極側集電体37が空気極55から剥離することや、空気極側集電体37が空気極55の一部とともに固体電解質層51から剥離することを抑制できるので、常に高い導電性を確保できる。よって、発電性能を安定して確保できるという顕著な効果を奏する。 Thus, in the first embodiment, the air electrode side current collector 37 is peeled off from the air electrode 55 even when a heat cycle is applied in which the temperature rises from room temperature to a high temperature during operation and then decreases to room temperature again. Moreover, since it can suppress that the air electrode side electrical power collector 37 peels from the solid electrolyte layer 51 with a part of air electrode 55, always high electroconductivity is securable. Therefore, there is a remarkable effect that power generation performance can be secured stably.
なお、発電能力を高く維持するためには、空気極側集電体37と空気極55と及び空気極55と固体電解質層51とが接合している面積が大きいことが好ましいので、本第1実施形態のように、熱サイクルが加わっても、空気極側集電体37と空気極55と及び空気極55と固体電解質層51とが接合している面積が減少しないことにより、発電性能を安定して維持することができる。 In order to maintain the power generation capacity high, it is preferable that the area where the air electrode side current collector 37, the air electrode 55, and the air electrode 55 and the solid electrolyte layer 51 are joined is large. As in the embodiment, even if a heat cycle is applied, the area where the air electrode side current collector 37, the air electrode 55, and the air electrode 55 and the solid electrolyte layer 51 are joined does not decrease, thereby reducing the power generation performance. It can be maintained stably.
また、本第1実施形態では、第1接合部73aの配置された領域R1の外周G1は、空気極側集電体37の配置された領域R4の外周G4に対して、全周にわたって0.4cm以上内側に形成されている。 In the first embodiment, the outer periphery G1 of the region R1 in which the first joint portion 73a is disposed is 0. 0 over the entire periphery with respect to the outer periphery G4 of the region R4 in which the air electrode current collector 37 is disposed. It is formed inside 4 cm or more.
よって、この点からも、熱サイクルが加わって、インターコネクタ17が湾曲するような場合でも、空気極側集電体37と空気極55と及び空気極55と固体電解質層51とが一層剥離し難く、発電性能を安定して維持することができる。 Therefore, also from this point, even when the thermal cycle is applied and the interconnector 17 is curved, the air electrode side current collector 37, the air electrode 55, the air electrode 55, and the solid electrolyte layer 51 are further separated. It is difficult to maintain power generation performance stably.
なお、第1接合部73aの配置された領域R1が、燃料極側集電体41の配置された領域R2に対して、全周にわたって0.4cm以上内側に形成されていてもよい。
[第2実施形態]
次に、第2実施形態について説明するが、前記第1実施形態と同様な内容の説明は省略する。
The region R1 in which the first joint portion 73a is disposed may be formed on the inner side by 0.4 cm or more over the entire circumference with respect to the region R2 in which the fuel electrode side current collector 41 is disposed.
[Second Embodiment]
Next, the second embodiment will be described, but the description of the same content as the first embodiment will be omitted.
なお、第1実施形態と同様な構成には、同様な番号を付して説明する。
本第2実施形態の燃料電池スタックは、上述した各領域などが異なるものである。
図10(a)に示すように(平面視)、本第2実施形態では、空気極側集電体37が配置される領域R3の外周G3は正方形であり、燃料極側集電体41が配置される長方形の領域R2の外周G2は、前記外周G3の内側である。
In addition, the same number is attached | subjected and demonstrated to the structure similar to 1st Embodiment.
The fuel cell stack according to the second embodiment is different from each other in the above-described regions.
As shown in FIG. 10A (plan view), in the second embodiment, the outer periphery G3 of the region R3 where the air electrode side current collector 37 is disposed is a square, and the fuel electrode side current collector 41 is The outer periphery G2 of the rectangular region R2 to be arranged is inside the outer periphery G3.
燃料極側集電体41の内側接合層73(従って第1接合部73a)が配置される長方形の領域R1の外周G1は、前記外周G2の内側である。
本第2実施形態でも、前記第1実施形態と同様な効果を奏する。
The outer periphery G1 of the rectangular region R1 where the inner bonding layer 73 (and hence the first bonding portion 73a) of the fuel electrode side current collector 41 is disposed is the inner side of the outer periphery G2.
The second embodiment also has the same effect as the first embodiment.
なお、領域R1の全面(同図の灰色部分)に内側接合層73が形成されていてもよいし、第1接合部73aの部分にのみ、分散して内側接合層73が形成されていてもよい(以下、他の実施例についても同様である)。 Note that the inner bonding layer 73 may be formed on the entire surface of the region R1 (gray portion in the drawing), or the inner bonding layer 73 may be dispersed and formed only on the first bonding portion 73a. Good (hereinafter the same applies to other examples).
また、前記第1実施形態のような燃料極側集電体41ではなく、Niセルメットなどからなり、厚み方向の全面にわたり燃料極53やインターコネクタ17に接する構成を採用できる。この場合は、前記灰色部分の全面にわたり内側接合層73が形成される。 Further, it is possible to adopt a configuration that is made of Ni cermet or the like instead of the fuel electrode side current collector 41 as in the first embodiment and is in contact with the fuel electrode 53 and the interconnector 17 over the entire surface in the thickness direction. In this case, the inner bonding layer 73 is formed over the entire gray portion.
また、前記第1実施形態では、第1集電体である燃料極側集電体41は弾性を有していたが、第2集電体が第2電極側から剥離することや、第2集電体が第2電極の一部とともに固体電解質層51側から剥離することを抑制できる点において、第1集電体は弾性を有する必要はない。 In the first embodiment, the fuel electrode side current collector 41, which is the first current collector, has elasticity, but the second current collector may be peeled off from the second electrode side, The first current collector does not need to have elasticity in that the current collector can be prevented from peeling from the solid electrolyte layer 51 side together with a part of the second electrode.
しかし、第1集電体が弾性を有することで、燃料電池スタック1に対し、熱サイクルによって熱応力が加わった場合でも、スペーサ61の弾性変形によって、すなわち、第1集電体(第1実施形態では「燃料極側集電体41」)の弾性量は、第2集電体(第1実施形態では「空気極側集電体37」)の弾性量より大きい方が、燃料電池スタック1として、より好ましく電気的接続を確保できる(以下、他の実施形態についても同様である)。
[第3実施形態]
次に、第3実施形態について説明するが、前記第1実施形態と同様な内容の説明は省略する。
However, since the first current collector has elasticity, even when a thermal stress is applied to the fuel cell stack 1 by a thermal cycle, the first current collector (first embodiment) is caused by elastic deformation of the spacer 61. In the embodiment, the amount of elasticity of the “fuel electrode side current collector 41”) is larger than that of the second current collector (“air electrode side current collector 37” in the first embodiment). As a result, electrical connection can be more preferably secured (hereinafter, the same applies to other embodiments).
[Third Embodiment]
Next, the third embodiment will be described, but the description of the same contents as the first embodiment will be omitted.
なお、第1実施形態と同様な構成には、同様な番号を付して説明する。
本第3実施形態の燃料電池スタックは、上述した各領域などが異なるものである。
図10(b)に示すように(平面視)、本第3実施形態では、空気極側集電体37が配置される領域R3の外周G3は正方形であり、燃料極側集電体41が配置される正方形の領域R2の外周G2は、前記外周G3の内側である。
In addition, the same number is attached | subjected and demonstrated to the structure similar to 1st Embodiment.
The fuel cell stack according to the third embodiment is different from each other in the above-described regions.
As shown in FIG. 10B (plan view), in the third embodiment, the outer periphery G3 of the region R3 where the air electrode side current collector 37 is disposed is a square, and the fuel electrode side current collector 41 is The outer periphery G2 of the square region R2 to be arranged is inside the outer periphery G3.
燃料極側集電体41の内側接合層73(従って第1接合部73a)が配置される長方形の領域R1の外周G1は、前記外周G2の内側である。
ここでは、領域R1のうち、短冊形状の部分の全面(同図の灰色部分)に内側接合層73が形成されている。
The outer periphery G1 of the rectangular region R1 where the inner bonding layer 73 (and hence the first bonding portion 73a) of the fuel electrode side current collector 41 is disposed is the inner side of the outer periphery G2.
Here, in the region R1, the inner bonding layer 73 is formed on the entire surface of the strip-shaped portion (gray portion in the figure).
本第3実施形態でも、前記第1実施形態と同様な効果を奏する。
[第4実施形態]
次に、第4実施形態について説明するが、前記第1実施形態と同様な内容の説明は省略する。
The third embodiment also has the same effect as the first embodiment.
[Fourth Embodiment]
Next, the fourth embodiment will be described, but the description of the same contents as the first embodiment will be omitted.
なお、第1実施形態と同様な構成には、同様な番号を付して説明する。
本第4実施形態の燃料電池スタックは、上述した各領域などが異なるものである。
図10(c)に示すように(平面視)、本第4実施形態では、空気極側集電体37が配置される領域R3の外周G3は正方形であり、燃料極側集電体41が配置される正方形の領域R2の外周G2は、前記外周G3の内側である。
In addition, the same number is attached | subjected and demonstrated to the structure similar to 1st Embodiment.
The fuel cell stack according to the fourth embodiment is different from each other in the above-described regions.
As shown in FIG. 10C (plan view), in the fourth embodiment, the outer periphery G3 of the region R3 where the air electrode side current collector 37 is disposed is a square, and the fuel electrode side current collector 41 is The outer periphery G2 of the square region R2 to be arranged is inside the outer periphery G3.
燃料極側集電体41の内側接合層73(従って第1接合部73a)が配置される正方形の領域R1の外周G1は、前記外周G2の内側である。
ここでは、領域R1のうち、所定幅の枠状部分の全面(同図の灰色部分)に内側接合層73が形成されている。
The outer periphery G1 of the square region R1 where the inner bonding layer 73 (and hence the first bonding portion 73a) of the fuel electrode side current collector 41 is disposed is the inner side of the outer periphery G2.
Here, in the region R1, the inner bonding layer 73 is formed on the entire surface of the frame-shaped portion having a predetermined width (the gray portion in the figure).
本第4実施形態でも、前記第1実施形態と同様な効果を奏する。
[第5実施形態]
次に、第5実施形態について説明するが、前記第1実施形態と同様な内容の説明は省略する。
The fourth embodiment also has the same effect as the first embodiment.
[Fifth Embodiment]
Next, the fifth embodiment will be described, but the description of the same contents as the first embodiment will be omitted.
なお、第1実施形態と同様な構成には、同様な番号を付して説明する。
本第5実施形態の燃料電池スタックは、上述した各領域などが異なるものである。
図10(d)に示すように(平面視)、本第5実施形態では、空気極側集電体37が配置される領域R3の外周G3は正方形であり、燃料極側集電体41が配置される正方形の領域R2の外周G2は、前記外周G3の内側である。
In addition, the same number is attached | subjected and demonstrated to the structure similar to 1st Embodiment.
The fuel cell stack according to the fifth embodiment is different from each other in the above-described regions.
As shown in FIG. 10D (plan view), in the fifth embodiment, the outer periphery G3 of the region R3 where the air electrode side current collector 37 is disposed is a square, and the fuel electrode side current collector 41 is The outer periphery G2 of the square region R2 to be arranged is inside the outer periphery G3.
燃料極側集電体41の内側接合層73(従って第1接合部73a)が配置される正方形の領域R1の外周G1は、前記外周G2の内側である。なお、外周G1を複数の円を外側から紐(線)で束ねた形状(角部分が円周の一部となっている形状)である。 The outer periphery G1 of the square region R1 where the inner bonding layer 73 (and hence the first bonding portion 73a) of the fuel electrode side current collector 41 is disposed is the inner side of the outer periphery G2. The outer periphery G1 has a shape in which a plurality of circles are bundled with strings (lines) from the outside (a shape in which a corner portion is a part of the circumference).
ここでは、領域R1のうち、複数の円の全面(同図の灰色部分)に内側接合層73が形成されている。
本第5実施形態でも、前記第1実施形態と同様な効果を奏する。
[第6実施形態]
次に、第6実施形態について説明するが、前記第1実施形態と同様な内容の説明は省略する。
Here, in the region R1, the inner bonding layer 73 is formed on the entire surface of the plurality of circles (gray portions in the figure).
The fifth embodiment also has the same effect as the first embodiment.
[Sixth Embodiment]
Next, although the sixth embodiment will be described, description of the same contents as those of the first embodiment will be omitted.
なお、第1実施形態と同様な構成には、同様な番号を付して説明する。
本第6実施形態の燃料電池スタックは、上述した各領域などが異なるものである。
図10(e)に示すように(平面視)、本第6実施形態では、空気極側集電体37が配置される領域R3の外周G3は正方形であり、燃料極側集電体41が配置される正方形の領域R2の外周G2は、前記外周G3の内側である。
In addition, the same number is attached | subjected and demonstrated to the structure similar to 1st Embodiment.
The fuel cell stack according to the sixth embodiment is different from each other in the above-described regions.
As shown in FIG. 10E (plan view), in the sixth embodiment, the outer periphery G3 of the region R3 where the air electrode side current collector 37 is disposed is a square, and the fuel electrode side current collector 41 is The outer periphery G2 of the square region R2 to be arranged is inside the outer periphery G3.
燃料極側集電体41の内側接合層73(従って第1接合部73a)が配置される1つの円形の領域R1の外周G1は、前記外周G2の内側である。
ここでは、領域R1である円の全面(同図の灰色部分)に内側接合層73が形成されている。
The outer periphery G1 of one circular region R1 where the inner bonding layer 73 (and hence the first bonding portion 73a) of the fuel electrode side current collector 41 is disposed is the inner side of the outer periphery G2.
Here, the inner bonding layer 73 is formed on the entire surface of the circle which is the region R1 (gray portion in the figure).
本第6実施形態でも、前記第1実施形態と同様な効果を奏する。
[第7実施形態]
次に、第7実施形態について説明するが、前記第1実施形態と同様な内容の説明は省略する。
The sixth embodiment also has the same effect as the first embodiment.
[Seventh Embodiment]
Next, the seventh embodiment will be described, but the description of the same contents as the first embodiment will be omitted.
本第7実施形態の燃料電池スタックは、空気極接合層を構成する材料が異なるものである。
a)本第7実施形態では、空気極接合層71は、銀パラジウム合金(パラジウム含有量1〜10mol)からなる。
The fuel cell stack according to the seventh embodiment is different in the material constituting the air electrode bonding layer.
a) In the seventh embodiment, the air electrode bonding layer 71 is made of a silver palladium alloy (palladium content: 1 to 10 mol).
この空気極接合層71を形成する場合には、銀パラジウム合金(Ag−Pd)の粉末に、ビヒクルを加えて空気極接合層ペーストを作製する。
次に、空気極接合層ペーストを、空気極側集電体37の先端に塗布する。
When the air electrode bonding layer 71 is formed, a vehicle is added to a powder of silver palladium alloy (Ag—Pd) to produce an air electrode bonding layer paste.
Next, the air electrode bonding layer paste is applied to the tip of the air electrode side current collector 37.
次に、空気極接合層ペーストを乾燥した後に、前記第1実施形態と同様に、空気極55と空気極側集電体37とを空気極接合層71によって接合する。
本第7実施形態によっても、前記第1実施形態と同様な効果を奏する。
Next, after the air electrode bonding layer paste is dried, the air electrode 55 and the air electrode side current collector 37 are bonded by the air electrode bonding layer 71 as in the first embodiment.
The seventh embodiment also has the same effects as the first embodiment.
b)また、変形例として、空気極接合層71を、ペロブスカイト系(例えばLSCF+Cu)の導電性接合剤により構成してもよい。
例えば平均粒径が5μmの導電性ペロブスカイト酸化物粗粒子を80重量部と、平均粒径が0.5μmの導電性ペロブスカイト酸化物粗粒子を10重量部と、焼結助剤として平均粒径が1μmのCu粉末を10重量部とを混合し、混合粉末100gを作製する。
b) As a modification, the air electrode bonding layer 71 may be made of a perovskite-based (for example, LSCF + Cu) conductive bonding agent.
For example, 80 parts by weight of conductive perovskite oxide coarse particles having an average particle diameter of 5 μm, 10 parts by weight of conductive perovskite oxide coarse particles having an average particle diameter of 0.5 μm, and an average particle diameter as a sintering aid 1 part of Cu powder of 1 μm is mixed with 10 parts by weight to prepare 100 g of mixed powder.
導電性ペロブスカイト酸化物は、粗粒子、微粒子とも、(La、Sr)(Co、Fe)O3(即ちLSCF)を使用する。
この混合粉末に、エトセル60gとブチルカルビトール20gとを混合したビヒクルを加え、空気極接合層ペーストを作製する。
As the conductive perovskite oxide, (La, Sr) (Co, Fe) O 3 (ie, LSCF) is used for both coarse particles and fine particles.
To this mixed powder, a vehicle in which 60 g of etosel and 20 g of butyl carbitol are mixed is added to prepare an air electrode bonding layer paste.
次に、空気極接合層ペーストを、空気極側集電体37の先端に塗布した。
次に、空気極接合層ペーストを乾燥した後に、前記第1実施形態と同様に、空気極55と空気極側集電体37とを空気極接合層71によって接合する。
Next, the air electrode bonding layer paste was applied to the tip of the air electrode side current collector 37.
Next, after the air electrode bonding layer paste is dried, the air electrode 55 and the air electrode side current collector 37 are bonded by the air electrode bonding layer 71 as in the first embodiment.
この変形例によっても、前記第1実施形態と同様な効果を奏する。
なお、焼結助剤である金属としては、Cu、Mn、Fe、Mo、Co、Zn、Ni又はそれらの合金を採用できる。このうち、Cu及び/Mnを含む単体又は合金が好適である。
[第8実施形態]
次に、第8実施形態について説明するが、前記第1実施形態と同様な内容の説明は省略する。
This modification also has the same effect as the first embodiment.
In addition, as a metal which is a sintering aid, Cu, Mn, Fe, Mo, Co, Zn, Ni, or alloys thereof can be employed. Among these, a simple substance or an alloy containing Cu and / Mn is preferable.
[Eighth Embodiment]
Next, although an eighth embodiment will be described, description of the same contents as those of the first embodiment will be omitted.
本第8実施形態の燃料電池スタックは、前記第1実施形態とは、空気極側集電体や燃料極側集電体の構成が逆である。
図11に示すように、本第8実施形態では、燃料電池単セル15の空気極55側に、前記第1実施形態の燃料極側集電体41と同様な構造の空気極側集電体101が複数配置されている。
The fuel cell stack according to the eighth embodiment is opposite to the first embodiment in the configuration of the air electrode side current collector and the fuel electrode side current collector.
As shown in FIG. 11, in the eighth embodiment, the air electrode side current collector having the same structure as the fuel electrode side current collector 41 of the first embodiment is provided on the air electrode 55 side of the single fuel cell 15. A plurality of 101 are arranged.
そして、この空気極側集電体101のうち、前記外周G1内のものは、(前記第1実施形態と同様な構造の)内側接合層103によって空気極55に接合され、(前記第1実施形態と同様な構造の)外側接合層105によって、前記外周G2内にて、インターコネクタ17の内側面に接合されている。なお、このインターコネクタ17の(空気極55側の)内側面は、平板状となっている。 Of the air electrode side current collector 101, the one in the outer periphery G1 is joined to the air electrode 55 by the inner joining layer 103 (having the same structure as that of the first embodiment). It is joined to the inner surface of the interconnector 17 within the outer periphery G2 by the outer joining layer 105 (which has the same structure as the form). The inner surface (on the air electrode 55 side) of the interconnector 17 has a flat plate shape.
一方、燃料電池単セル15の燃料極53側に、前記第1実施形態の空気極側集電体37と同様な構造の燃料極側集電体107が配置されている。そして、この燃料極側集電体107は、(前記第1実施形態の空気極接合層と同様な構造の)燃料極接合層109によって燃料極53に接合されている。 On the other hand, the fuel electrode side current collector 107 having the same structure as the air electrode side current collector 37 of the first embodiment is disposed on the fuel electrode 53 side of the fuel cell single cell 15. The fuel electrode side current collector 107 is joined to the fuel electrode 53 by a fuel electrode joining layer 109 (having the same structure as the air electrode joining layer of the first embodiment).
本第8実施形態では、燃料極53側と空気極55側とに電気的に接続される構成が、前記第1実施形態とは異なるが、燃料極側集電体107を有するインターコネクタ17などが湾曲した場合でも、前記第1実施形態と同様な効果を奏する。
<実験例>
次に、本発明の効果を確認するために行った実験例について説明する。
In the eighth embodiment, the structure of being electrically connected to the fuel electrode 53 side and the air electrode 55 side is different from that of the first embodiment, but the interconnector 17 having the fuel electrode side current collector 107, etc. Even when is curved, the same effects as those of the first embodiment can be obtained.
<Experimental example>
Next, experimental examples conducted for confirming the effects of the present invention will be described.
本実験例では、前記第1実施形態と同様な構成の燃料電池スタックについて、下記の条件(構成の条件、運転の条件)で、コンピュータシミュレーションを行った。
燃料電池スタックの構成としては、前記第1実施形態と同じ構成とした(発電単位は例えば20段積層した構成とした)。
In this experimental example, a computer simulation was performed on the fuel cell stack having the same configuration as that of the first embodiment under the following conditions (configuration conditions and operation conditions).
The configuration of the fuel cell stack is the same as that of the first embodiment (the power generation unit has a configuration in which, for example, 20 stages are stacked).
燃料電池スタックの運転の条件は、連続通電耐久(5000Hr)とした。なお、運転の温度は700℃、燃料ガス(詳しくは水素)の供給量は10L/min、酸化剤ガス(詳しくは空気)の供給量は35L/minとした。 The operating condition of the fuel cell stack was continuous energization durability (5000 Hr). The operating temperature was 700 ° C., the supply amount of fuel gas (specifically hydrogen) was 10 L / min, and the supply amount of oxidant gas (specifically air) was 35 L / min.
そして、上記条件にて運転を行った後に、燃料電池スタックを室温(25℃)の状態にした場合において、インターコネクタ(IC)の横方向(図8の左右方向)において、厚み方向にどの程度変形するかという変形量(IC変形量)を調べた。 When the fuel cell stack is brought to room temperature (25 ° C.) after operating under the above conditions, the extent of the thickness direction in the lateral direction (left-right direction in FIG. 8) of the interconnector (IC) The deformation amount (IC deformation amount) of whether to deform was examined.
その結果を、図12に示す。なお、図12の縦軸がIC変形量[μm]であり、横軸がIC横方向の長さ[mm](即ち図8の左端部からの長さ)である。また、上段ICとは燃料電池スタックの積層方向における中央段の発電単位における上方(空気極側)のインターコネクタのことであり、下段ICとは、前記発電単位における下方(燃料極側)のインターコネクタのことである。 The result is shown in FIG. The vertical axis in FIG. 12 is the IC deformation amount [μm], and the horizontal axis is the IC horizontal length [mm] (that is, the length from the left end in FIG. 8). The upper IC is the upper (air electrode side) interconnector in the central power generation unit in the stacking direction of the fuel cell stack, and the lower IC is the lower (fuel electrode side) interconnect in the power generation unit. It is a connector.
この図12から明らかなように、インターコネクタの変形が小さい箇所(左右方向における中央部分)では、例えば空気極側集電体と空気極との接触が維持されている範囲であるので、熱サイクルが加わっても、例えば空気極側集電体と空気極とが剥離しないと考えられる。なお、外周の変形が大きな箇所(左右方向における中央部部分の両側)では、例えば空気極側集電体と空気極とが剥離すると考えられる。 As is clear from FIG. 12, the portion where the deformation of the interconnector is small (the central portion in the left-right direction) is, for example, a range in which the contact between the air electrode side current collector and the air electrode is maintained. Even if is added, for example, it is considered that the air electrode side current collector and the air electrode do not peel off. In addition, it is thought that the air electrode side current collector and the air electrode are separated, for example, at locations where the outer periphery is greatly deformed (on both sides of the central portion in the left-right direction).
つまり、平面方向におけるインターコネクタの外周側ほど、インターコネクタの変形量が大きいことが分かる。よって、インターコネクタの変形量が大きくなるインターコネクタの外周側において、燃料極と燃料極側集電体とを接合している場合は、空気極側集電体と空気極とが剥離すると考えられる。逆に、平面方向におけるインターコネクタの外周側において、燃料極側集電体と燃料極とを燃料極接合層で接合していない場合は、インターコネクタが変形しても、燃料極側集電体と空気極側集電体との間で力の引っ張り合いが生じ難く、空気極側集電体と空気極とが剥離しないと考えられる。 That is, it can be seen that the amount of deformation of the interconnector is larger toward the outer peripheral side of the interconnector in the planar direction. Therefore, when the fuel electrode and the fuel electrode side current collector are joined on the outer peripheral side of the interconnector where the amount of deformation of the interconnector increases, it is considered that the air electrode side current collector and the air electrode are separated. . Conversely, if the fuel electrode side current collector and the fuel electrode are not joined by the fuel electrode joining layer on the outer peripheral side of the interconnector in the planar direction, even if the interconnector is deformed, the fuel electrode side current collector It is considered that force pulling hardly occurs between the air electrode side current collector and the air electrode side current collector, and the air electrode side current collector and the air electrode do not peel off.
この中央部分の範囲は、(平面視で)縦2cm×横2cm=4cm2である。
以上、本発明の実施形態などについて説明したが、本発明は、前記実施形態などに限定されるものではなく、種々の態様を採ることができる。
The range of the central portion is 2 cm long × 2 cm wide = 4 cm 2 (in plan view).
As mentioned above, although embodiment etc. of this invention were described, this invention is not limited to the said embodiment etc., A various aspect can be taken.
(1)例えば、前記各実施形態では、インターコネクタと空気極側集電体は一体の構成であるが、インターコネクタと空気極側集電体とを別体の部材で構成し、それらをろう材等によって接合してもよい。例えば平板状のインターコネクタの一方の表面に、ブロック状や長尺の集電体を接合してよい。 (1) For example, in each of the above-described embodiments, the interconnector and the air electrode side current collector have an integral structure, but the interconnector and the air electrode side current collector are configured as separate members, You may join by material etc. For example, a block-like or long current collector may be joined to one surface of the flat interconnector.
(2)例えば燃料極側集電体として、座屈しないスポンジ等の材料を、例えばスペーサ等に用いてもよい。 (2) For example, a material such as a non-buckling sponge may be used for the spacer etc. as the fuel electrode side current collector.
1…燃料電池スタック
3、5…エンドプレート
7…発電単位
15…燃料電池単セル
17、17a、17b…インターコネクタ
37、103…空気極側集電体
41、107…燃料極側集電体
51…固体電解質層
53…燃料極
55…空気極
63a…接合片
71、105…空気極接合層(第2接合部)
73…燃料極接合層
73a…第1接合部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell stack 3, 5 ... End plate 7 ... Power generation unit 15 ... Fuel cell single cell 17, 17a, 17b ... Interconnector 37, 103 ... Air electrode side collector 41, 107 ... Fuel electrode side collector 51 ... Solid electrolyte layer 53 ... Fuel electrode 55 ... Air electrode 63a ... Junction pieces 71, 105 ... Air electrode joining layer (second joining portion)
73 ... Fuel electrode joining layer 73a ... First joining portion
Claims (4)
前記第1電極に電気的に接続される第1集電体と、
前記第2電極に電気的に接続される第2集電体と、
前記第1電極と前記第1集電体とを接合する第1接合部と、
前記第2電極と前記第2集電体とを接合する第2接合部と、
を備えた燃料電池スタックにおいて、
前記第1接合部が配置された領域(R1)の外周(G1)は、前記第1集電体が配置された領域(R2)の外周(G2)より内側に形成されるとともに、前記第2接合部が配置された領域(R3)の外周(G3)より内側に形成されていることを特徴とする燃料電池スタック。 A flat plate type fuel cell unit cell having a first electrode on one side of a flat solid electrolyte and a second electrode on the other side;
A first current collector electrically connected to the first electrode;
A second current collector electrically connected to the second electrode;
A first joint for joining the first electrode and the first current collector;
A second joint for joining the second electrode and the second current collector;
In a fuel cell stack with
The outer periphery (G1) of the region (R1) in which the first joint portion is disposed is formed inside the outer periphery (G2) of the region (R2) in which the first current collector is disposed, and the second A fuel cell stack, wherein the fuel cell stack is formed on the inner side of the outer periphery (G3) of the region (R3) where the joint portion is disposed.
前記スペーサは、前記導電部材に挟み込まれており、前記第1接合部を介して前記導電部材と前記第1電極とは接合されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池スタック。 The first current collector includes a spacer having elasticity and a conductive member having a conductor,
The said spacer is pinched | interposed into the said electrically-conductive member, The said electrically-conductive member and the said 1st electrode are joined via the said 1st junction part, The any one of Claims 1-3 characterized by the above-mentioned. The fuel cell stack described in 1.
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