JP2020177839A - Electrochemical reaction cell stack - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書によって開示される技術は、電気化学反応セルスタックに関する。 The techniques disclosed herein relate to electrochemical reaction cell stacks.
水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池の1つとして、固体酸化物形の燃料電池(以下、「SOFC」という)が知られている。SOFCは、一般に、所定の方向に並べて配置された複数の燃料電池単セル(以下、単に「単セル」という)を備える燃料電池スタックの形態で利用される。各単セルは、固体酸化物を含む電解質層と、電解質層を挟んで所定の方向に互いに対向する空気極および燃料極とを含む。 A solid oxide fuel cell (hereinafter referred to as "SOFC") is known as one of the fuel cells that generate electricity by utilizing an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. SOFCs are generally used in the form of a fuel cell stack comprising a plurality of fuel cell single cells (hereinafter, simply referred to as "single cells") arranged side by side in a predetermined direction. Each single cell includes an electrolyte layer containing a solid oxide and an air electrode and a fuel electrode that face each other in a predetermined direction with the electrolyte layer in between.
燃料電池スタックの中には、貫通孔が形成され、該貫通孔を取り囲む部分が単セルに接合され、空気極に面する空気室と燃料極に面する燃料室とを区画すると共にP(リン)を含有するセパレータと、セパレータの貫通孔を取り囲む部分と単セルとを接合する接合部と、を備えたものがある(例えば、特許文献1参照)。 A through hole is formed in the fuel cell stack, and a portion surrounding the through hole is joined to a single cell to partition an air chamber facing the air electrode and a fuel chamber facing the fuel electrode, and P (phosphorus phosphorus). ), And a joint portion for joining a portion surrounding the through hole of the separator and a single cell (see, for example, Patent Document 1).
Pを含有するセパレータを備えた上述の燃料電池スタックでは、セパレータの表面が燃料室内に露出しているため、セパレータから拡散したPが、燃料極に供給されるガスと共に燃料極付近に移動するおそれがある。しかし、従来、セパレータから拡散したPの燃料極付近への移動が燃料電池スタックの性能に与える影響について十分に検討されておらず、改善の余地があった。 In the above-mentioned fuel cell stack provided with the separator containing P, since the surface of the separator is exposed in the fuel chamber, P diffused from the separator may move to the vicinity of the fuel electrode together with the gas supplied to the fuel electrode. There is. However, conventionally, the influence of the movement of P diffused from the separator to the vicinity of the fuel electrode on the performance of the fuel cell stack has not been sufficiently studied, and there is room for improvement.
なお、このような課題は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形の電解セル(以下、「SOEC」という。)の構成単位である電解単セルを複数備える電解セルスタックにも共通の課題である。なお、本明細書では、燃料電池単セルと電解単セルとをまとめて電気化学反応単セルと呼び、燃料電池スタックと電解セルスタックとをまとめて電気化学反応セルスタックと呼ぶ。 In addition, such a problem is electrolysis including a plurality of electrolytic single cells which are constituent units of a solid oxide type electrolytic cell (hereinafter referred to as “SOEC”) that generates hydrogen by utilizing an electrolysis reaction of water. This is a common issue for cell stacks. In the present specification, the fuel cell single cell and the electrolytic single cell are collectively referred to as an electrochemical reaction single cell, and the fuel cell stack and the electrolytic cell stack are collectively referred to as an electrochemical reaction cell stack.
本明細書では、上述した課題を解決することが可能な技術を開示する。 This specification discloses a technique capable of solving the above-mentioned problems.
本明細書に開示される技術は、例えば、以下の形態として実現することが可能である。 The technique disclosed in the present specification can be realized, for example, in the following forms.
(1)本明細書に開示される電気化学反応セルスタックは、空気極と、燃料極と、前記空気極と前記燃料極との間に配置された電解質層と、をそれぞれ含む複数の電気化学反応単セルと、貫通孔が形成され、前記貫通孔を取り囲む貫通孔周囲部が前記電気化学反応単セルの表面に接合され、前記空気極に面する空気室と前記燃料極に面する燃料室とを区画するセパレータと、前記セパレータの前記貫通孔周囲部と前記電気化学反応単セルの表面とを接合する接合部と、を備える電気化学反応セルスタックにおいて、前記セパレータは、P(リン)を含有すると共に、前記燃料極に供給されるガスのガス流路を向いた第1の表面を有し、前記接合部は、前記ガス流路を向いた第2の表面を有し、さらに、前記セパレータの前記第1の表面の少なくとも一部を覆うと共に、少なくとも前記セパレータの前記第1の表面と前記接合部の前記第2の表面との境界まで達しているP拡散抑制部を備える。 (1) The electrochemical reaction cell stack disclosed in the present specification includes a plurality of electrochemical including an air electrode, a fuel electrode, and an electrolyte layer arranged between the air electrode and the fuel electrode. The reaction single cell and the through hole are formed, and the peripheral portion of the through hole surrounding the through hole is joined to the surface of the electrochemical reaction single cell, and the air chamber facing the air electrode and the fuel chamber facing the fuel electrode In an electrochemical reaction cell stack comprising a separator for partitioning and a joint for joining the perimeter of the through-hole of the separator and the surface of the electrochemical reaction single cell, the separator contains P (phosphorus). The joint has a first surface that is contained and faces the gas flow path of the gas supplied to the fuel electrode, and the joint has a second surface that faces the gas flow path, and further, said. It covers at least a part of the first surface of the separator and includes a P diffusion suppressing portion that reaches at least a boundary between the first surface of the separator and the second surface of the joint.
本電気化学反応セルスタックでは、セパレータは、Pを含有すると共に、燃料極に供給されるガスのガス流路を向いた第1の表面を有する。また、セパレータと電気化学反応単セルとを接合する接合部は、ガス流路を向いた第2の表面を有する。電気化学反応セルスタックの運転開始後、セパレータの第1の表面から拡散したPが燃料極に供給されるガスに運ばれて燃料極付近に移動し、燃料極における反応場に付着し、電気化学反応セルスタックの性能が低下するおそれがある。これに対して、本電気化学反応セルスタックでは、P拡散抑制部を備える。P拡散抑制部は、セパレータの第1の表面の少なくとも一部を覆うと共に、少なくともセパレータの第1の表面と接合部の第2の表面との境界まで達している。このため、セパレータの第1の表面の内、電気化学反応単セルの近傍から拡散するPが、燃料極付近に移動することが抑制される。これにより、本電気化学反応セルスタックによれば、セパレータの第1の表面がP拡散抑制部に覆われていない構成に比べて、セパレータから拡散したPの付着に起因する電気化学反応セルスタックの性能低下を抑制することができる。 In the present electrochemical reaction cell stack, the separator contains P and has a first surface facing the gas flow path of the gas supplied to the fuel electrode. Further, the joint portion for joining the separator and the electrochemical reaction single cell has a second surface facing the gas flow path. After the operation of the electrochemical reaction cell stack is started, P diffused from the first surface of the separator is carried to the gas supplied to the fuel electrode, moves to the vicinity of the fuel electrode, adheres to the reaction field at the fuel electrode, and is electrochemical. The performance of the reaction cell stack may deteriorate. On the other hand, the present electrochemical reaction cell stack is provided with a P diffusion suppressing section. The P diffusion inhibitor covers at least a part of the first surface of the separator and reaches at least the boundary between the first surface of the separator and the second surface of the joint. Therefore, it is suppressed that P diffused from the vicinity of the electrochemical reaction single cell in the first surface of the separator moves to the vicinity of the fuel electrode. As a result, according to the present electrochemical reaction cell stack, the electrochemical reaction cell stack due to the adhesion of P diffused from the separator is compared with the configuration in which the first surface of the separator is not covered with the P diffusion suppressing portion. Performance degradation can be suppressed.
(2)上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記P拡散抑制部は、さらに、前記接合部の前記第2の表面の少なくとも一部を覆うと共に、少なくとも前記接合部の前記第2の表面と前記電解質層の側面との境界まで達している構成としてもよい。セパレータから拡散したPは、接合部を通過して燃料極付近に移動するおそれがある。これに対して、本電気化学反応セルスタックでは、P拡散抑制部は、さらに、接合部の第2の表面の少なくとも一部を覆うと共に、少なくとも接合部の第2の表面と電解質層の側面との境界まで達している。このため、セパレータの第1の表面から拡散するPだけでなく、セパレータから拡散して接合部を通過するPが燃料極付近に移動することが抑制される。これにより、本電気化学反応セルスタックによれば、接合部の第2の表面がP拡散抑制部に覆われていない構成に比べて、セパレータから拡散したPの付着に起因する電気化学反応セルスタックの性能低下を、より効果的に抑制することができる。 (2) In the electrochemical reaction cell stack, the P diffusion inhibitor further covers at least a part of the second surface of the joint, and at least the second surface of the joint and the electrolyte. The structure may reach the boundary with the side surface of the layer. P diffused from the separator may pass through the joint and move to the vicinity of the fuel electrode. On the other hand, in the present electrochemical reaction cell stack, the P diffusion inhibitor further covers at least a part of the second surface of the junction, and at least the second surface of the junction and the side surface of the electrolyte layer. Has reached the boundary of. Therefore, not only P that diffuses from the first surface of the separator but also P that diffuses from the separator and passes through the joint portion is suppressed from moving to the vicinity of the fuel electrode. As a result, according to the present electrochemical reaction cell stack, the electrochemical reaction cell stack due to the adhesion of P diffused from the separator is compared with the configuration in which the second surface of the joint portion is not covered with the P diffusion suppressing portion. Performance degradation can be suppressed more effectively.
(3)上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記P拡散抑制部は、さらに、前記燃料極の側面の少なくとも一部を覆っている構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックでは、P拡散抑制部は、さらに、燃料極の側面の少なくとも一部を覆っている。このため、セパレータから拡散したPが、燃料極の側面を介して燃料極の反応場に流れ込んで付着することが抑制される。これにより、本電気化学反応セルスタックによれば、燃料極の側面がP拡散抑制部に覆われていない構成に比べて、セパレータから拡散したPの付着に起因する電気化学反応セルスタックの性能低下を、より効果的に抑制することができる。 (3) In the electrochemical reaction cell stack, the P-diffusion suppressing portion may further cover at least a part of the side surface of the fuel electrode. In the present electrochemical reaction cell stack, the P diffusion inhibitor further covers at least a part of the side surface of the fuel electrode. Therefore, it is suppressed that P diffused from the separator flows into the reaction field of the fuel electrode through the side surface of the fuel electrode and adheres to the reaction field. As a result, according to the present electrochemical reaction cell stack, the performance of the electrochemical reaction cell stack deteriorates due to the adhesion of P diffused from the separator, as compared with the configuration in which the side surface of the fuel electrode is not covered with the P diffusion suppressing portion. Can be suppressed more effectively.
(4)上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記セパレータは、前記貫通孔周囲部を含み、前記貫通孔の軸方向である第1の方向に直交する第2の方向に略平行な第1の平坦部と、前記第2の方向に略平行な第2の平坦部と、前記第1の方向における位置が前記第1の平坦部および前記第2の平坦部とは異なる部分を含み、前記第1の平坦部と前記第2の平坦部とを連結する連結部と、を備え、前記P拡散抑制部は、前記連結部から離間している構成としてもよい。本電気化学反応セルスタックでは、P拡散抑制部は、セパレータの連結部から離間している。このため、P拡散抑制部がセパレータの連結部に接触している構成に比べて、P拡散抑制部の存在に起因してセパレータの応力緩和機能が低下することを抑制することができる。 (4) In the electrochemical reaction cell stack, the separator includes a peripheral portion of the through hole, and is a first flat substantially parallel to a second direction orthogonal to the first direction which is the axial direction of the through hole. The first flat portion includes a portion, a second flat portion substantially parallel to the second direction, and a portion whose position in the first direction is different from that of the first flat portion and the second flat portion. A connecting portion for connecting the flat portion of the above and the second flat portion may be provided, and the P diffusion suppressing portion may be configured to be separated from the connecting portion. In the present electrochemical reaction cell stack, the P diffusion suppressing portion is separated from the connecting portion of the separator. Therefore, it is possible to prevent the stress relaxation function of the separator from being lowered due to the presence of the P diffusion suppressing portion, as compared with the configuration in which the P diffusion suppressing portion is in contact with the connecting portion of the separator.
なお、本明細書に開示される技術は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、電気化学反応セルスタック(燃料電池スタックまたは電解セルスタック)、電気化学反応セルスタックを備える電気化学反応システム(燃料電池システムまたは電解セルシステム)、それらの製造方法等の形態で実現することが可能である。 The technique disclosed in the present specification can be realized in various forms, for example, an electrochemical reaction cell stack (fuel cell stack or electrolytic cell stack), an electrochemical reaction cell stack including an electrochemical reaction cell stack. It can be realized in the form of a reaction system (fuel cell system or electrolytic cell system), a method for producing them, and the like.
A.実施形態:
A−1.装置構成:
(燃料電池スタック100の構成)
図1は、本実施形態における燃料電池スタック100の外観構成を示す斜視図であり、図2は、図1(および後述する図7)のII−IIの位置における燃料電池スタック100のXZ断面構成を示す説明図であり、図3は、図1(および後述する図7)のIII−IIIの位置における燃料電池スタック100のYZ断面構成を示す説明図である。各図には、方向を特定するための互いに直交するXYZ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Z軸正方向を上方向と呼び、Z軸負方向を下方向と呼ぶものとするが、燃料電池スタック100は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。図4以降についても同様である。また、本明細書では、Z軸に直交する方向を面方向という。
A. Embodiment:
A-1. Device configuration:
(Structure of fuel cell stack 100)
FIG. 1 is a perspective view showing an external configuration of the
燃料電池スタック100は、複数の(本実施形態では7つの)燃料電池発電単位(以下、「発電単位」という)102と、一対のエンドプレート104,106とを備える。7つの発電単位102は、所定の配列方向(本実施形態では上下方向)に並べて配置されている。一対のエンドプレート104,106は、7つの発電単位102から構成される集合体を上下から挟むように配置されている。
The
燃料電池スタック100を構成する各層(発電単位102、エンドプレート104,106)のZ軸回りの周縁部には、上下方向に貫通する複数の(本実施形態では8つの)孔が形成されており、各層に形成され互いに対応する孔同士が上下方向に連通して、一方のエンドプレート104から他方のエンドプレート106にわたって上下方向に延びる連通孔108を構成している。以下の説明では、連通孔108を構成するために燃料電池スタック100の各層に形成された孔も、連通孔108と呼ぶ場合がある。
A plurality of holes (eight in this embodiment) penetrating in the vertical direction are formed on the peripheral edge of each layer (
各連通孔108には上下方向に延びるボルト22が挿通されており、ボルト22とボルト22の両側に嵌められたナット24とによって、燃料電池スタック100は締結されている。なお、図2および図3に示すように、ボルト22の一方の側(上側)に嵌められたナット24と燃料電池スタック100の上端を構成するエンドプレート104の上側表面との間、および、ボルト22の他方の側(下側)に嵌められたナット24と燃料電池スタック100の下端を構成するエンドプレート106の下側表面との間には、絶縁シート26が介在している。ただし、後述のガス通路部材27が設けられた箇所では、ナット24とエンドプレート106の表面との間に、ガス通路部材27とガス通路部材27の上側および下側のそれぞれに配置された絶縁シート26とが介在している。絶縁シート26は、例えばマイカシートや、セラミック繊維シート、セラミック圧粉シート、ガラスシート、ガラスセラミック複合剤等により構成される。
A
各ボルト22の軸部の外径は各連通孔108の内径より小さい。そのため、各ボルト22の軸部の外周面と各連通孔108の内周面との間には、空間が確保されている。図1および図2に示すように、燃料電池スタック100のZ軸回りの外周における1つの辺(Y軸に平行な2つの辺の内のX軸正方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22A)と、そのボルト22Aが挿通された連通孔108とにより形成された空間は、燃料電池スタック100の外部から酸化剤ガスOGが導入され、その酸化剤ガスOGを各発電単位102に供給するガス流路である酸化剤ガス導入マニホールド161として機能し、該辺の反対側の辺(Y軸に平行な2つの辺の内のX軸負方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22B)と、そのボルト22Bが挿通された連通孔108とにより形成された空間は、各発電単位102の空気室166から排出されたガスである酸化剤オフガスOOGを燃料電池スタック100の外部へと排出する酸化剤ガス排出マニホールド162として機能する。なお、本実施形態では、酸化剤ガスOGとして、空気が使用される。また、本実施形態では、酸化剤ガス導入マニホールド161への酸化剤ガスOGの導入のために、ブロワ(図示せず)が用いられる。また、酸化剤ガスOGが酸化剤ガス導入マニホールド161に導入される前に、熱交換(例えば、燃料電池スタック100から排出された酸化剤オフガスOOGと燃料オフガスFOGとを燃焼させたときに発生する熱との熱交換)を利用して、酸化剤ガスOGの予加熱が行われるとしてもよい。
The outer diameter of the shaft portion of each
また、図1および図3に示すように、燃料電池スタック100のZ軸回りの外周における1つの辺(X軸に平行な2つの辺の内のY軸正方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22D)と、そのボルト22Dが挿通された連通孔108とにより形成された空間は、燃料電池スタック100の外部から燃料ガスFGが導入され、その燃料ガスFGを各発電単位102に供給する燃料ガス導入マニホールド171として機能し、該辺の反対側の辺(X軸に平行な2つの辺の内のY軸負方向側の辺)の中点付近に位置するボルト22(ボルト22E)と、そのボルト22Eが挿通された連通孔108とにより形成された空間は、各発電単位102の燃料室176から排出されたガスである燃料オフガスFOGを燃料電池スタック100の外部へと排出する燃料ガス排出マニホールド172として機能する。なお、本実施形態では、燃料ガスFGとして、例えば都市ガスを改質した水素リッチなガスが使用される。
Further, as shown in FIGS. 1 and 3, the vicinity of the midpoint of one side (the side on the positive side of the Y axis among the two sides parallel to the X axis) on the outer circumference of the
燃料電池スタック100には、4つのガス通路部材27が設けられている。各ガス通路部材27は、中空筒状の本体部28と、本体部28の側面から分岐した中空筒状の分岐部29とを有している。分岐部29の孔は本体部28の孔と連通している。各ガス通路部材27の分岐部29には、ガス配管(図示せず)が接続される。また、図2に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド161を形成するボルト22Aの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、酸化剤ガス導入マニホールド161に連通しており、酸化剤ガス排出マニホールド162を形成するボルト22Bの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、酸化剤ガス排出マニホールド162に連通している。また、図3に示すように、燃料ガス導入マニホールド171を形成するボルト22Dの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、燃料ガス導入マニホールド171に連通しており、燃料ガス排出マニホールド172を形成するボルト22Eの位置に配置されたガス通路部材27の本体部28の孔は、燃料ガス排出マニホールド172に連通している。
The
(エンドプレート104,106の構成)
一対のエンドプレート104,106は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばステンレスにより形成されている。一方のエンドプレート104は、最も上に位置する発電単位102の上側に配置され、他方のエンドプレート106は、最も下に位置する発電単位102の下側に配置されている。一対のエンドプレート104,106によって複数の発電単位102が押圧された状態で挟持されている。上側のエンドプレート104は、燃料電池スタック100のプラス側の出力端子として機能し、下側のエンドプレート106は、燃料電池スタック100のマイナス側の出力端子として機能する。
(Structure of
The pair of
(発電単位102の構成)
図4は、図2に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のXZ断面構成を示す説明図であり、図5は、図3に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位102のYZ断面構成を示す説明図である。また、図6は、セパレータ120の一部分(図4のPx部)のXZ断面構成を拡大して示す説明図であり、図7は、図5のVII−VIIの位置における発電単位102のXY断面構成を示す説明図である。
(Structure of power generation unit 102)
FIG. 4 is an explanatory view showing an XZ cross-sectional configuration of two
図4および図5に示すように、発電単位102は、単セル110と、セパレータ120と、空気極側フレーム130と、空気極側集電体134と、燃料極側フレーム140と、燃料極側集電体144と、発電単位102の最上層および最下層を構成する一対のインターコネクタ150とを備えている。セパレータ120、空気極側フレーム130、燃料極側フレーム140、インターコネクタ150におけるZ軸回りの周縁部には、上述したボルト22が挿通される連通孔108に対応する孔が形成されている。なお、上述したように、燃料電池スタック100は、複数の(本実施形態では7つの)発電単位102を備えているため、燃料電池スタック100は、複数の(本実施形態では7つの)単セル110を備えていると言える。
As shown in FIGS. 4 and 5, the
インターコネクタ150は、略矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばフェライト系ステンレスにより形成されている。インターコネクタ150は、発電単位102間の電気的導通を確保すると共に、発電単位102間での反応ガスの混合を防止する。なお、本実施形態では、2つの発電単位102が隣接して配置されている場合、1つのインターコネクタ150は、隣接する2つの発電単位102に共有されている。すなわち、ある発電単位102における上側のインターコネクタ150は、その発電単位102の上側に隣接する他の発電単位102における下側のインターコネクタ150と同一部材である。また、燃料電池スタック100は一対のエンドプレート104,106を備えているため、燃料電池スタック100において最も上に位置する発電単位102は上側のインターコネクタ150を備えておらず、最も下に位置する発電単位102は下側のインターコネクタ150を備えていない(図2および図3参照)。
The
単セル110は、電解質層112と、電解質層112を挟んで上下方向(発電単位102が並ぶ配列方向)に互いに対向する空気極(カソード)114および燃料極(アノード)116とを備える。なお、本実施形態の単セル110は、平板型の単セルであり、また、燃料極116で電解質層112および空気極114を支持する燃料極支持形の単セルである。
The
電解質層112は、Z軸方向視で略矩形の平板形状部材であり、緻密な層である。電解質層112は、例えば、YSZ(イットリア安定化ジルコニア)、ScSZ(スカンジア安定化ジルコニア)、SDC(サマリウムドープセリア)、GDC(ガドリニウムドープセリア)、ペロブスカイト型酸化物等の固体酸化物により形成されている。このように、本実施形態の単セル110は、電解質として固体酸化物を用いる固体酸化物形燃料電池(SOFC)である。空気極114は、Z軸方向視で電解質層112より小さい略矩形の平板形状部材であり、多孔質な層である。空気極114は、例えば、ペロブスカイト型酸化物(例えばLSCF(ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物)、LSM(ランタンストロンチウムマンガン酸化物)、LNF(ランタンニッケル鉄))により形成されている。燃料極116は、Z軸方向視で電解質層112と略同一の大きさの略矩形の平板形状部材であり、多孔質な層である。燃料極116は、例えば、Niと酸化物イオン伝導性セラミックス粒子(例えば、YSZ)とからなるサーメットにより形成されている。
The
セパレータ120は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の貫通孔121が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。図6に示すように、セパレータ120における貫通孔121を取り囲む部分(以下、「貫通孔周囲部122」という)は、単セル110における上下方向の一方側(図面中の上側)の表面の周縁部に対向している。なお、本実施形態では、空気極114はZ軸方向視における大きさが電解質層112より小さいため、セパレータ120における貫通孔周囲部122は、単セル110における上側の表面の内、電解質層112により構成された表面に対向している。セパレータ120は、その対向した部分に配置された接合部124により、単セル110(電解質層112)と接合されている。セパレータ120により、空気極114に面する空気室166と燃料極116に面する燃料室176とが区画される。接合部124は、例えばAg(銀)ロウ材により形成されている。
The
接合部124に対して空気室166側には、ガラスを含む空気室側ガラスシール部125が配置されている。空気室側ガラスシール部125は、セパレータ120の貫通孔周囲部122の表面と、単セル110(本実施形態では単セル110を構成する電解質層112)の表面との両方に接触するように形成されている。空気室側ガラスシール部125により、空気室166と燃料室176との間のガスリーク(クロスリーク)が効果的に抑制される。
An air chamber side
なお、本実施形態では、接合部124が、セパレータ120と単セル110とが対向する領域から空気室166側にはみ出すように形成されており、空気室側ガラスシール部125は、接合部124における上記はみ出した箇所に接するように形成されている。すなわち、接合部124の一部は、空気室側ガラスシール部125により覆われている。また、本実施形態では、空気室側ガラスシール部125が、セパレータ120における単セル110に対向する側とは反対側(上側)の表面を覆っており、空気室側ガラスシール部125と接合部124とがセパレータ120を挟んでZ軸方向に互いに対向している。
In the present embodiment, the
セパレータ120は、貫通孔周囲部122を含むと共にZ軸方向(上下方向)に直交する方向(すなわち、面方向)に略平行な第1の平坦部126と、第1の平坦部126より外周側に位置すると共に面方向に略平行な第2の平坦部127とを備える。第1の平坦部126と第2の平坦部127とのZ軸方向における位置は、互いに略同一である。
The
セパレータ120は、さらに、第1の平坦部126の端部と第2の平坦部127の端部とを連結する連結部128を備える。本実施形態では、連結部128は、第1の平坦部126および第2の平坦部127の位置から燃料室176側(下側)に突出するように湾曲した形状を有している。すなわち、連結部128における燃料室176側(下側)は凸部となり、連結部128における空気室166側(上側)は凹部となる。このように、連結部128は、Z軸方向における位置が第1の平坦部126および第2の平坦部127とは異なる部分を含む。なお、連結部128は、Z軸方向視で、貫通孔121を取り囲むように形成されている。また、セパレータ120における連結部128は、例えば、プレス加工により形成される。セパレータ120の連結部128は、上述した構成であるため、面方向に容易に伸び縮みするバネのように機能する。そのため、本実施形態のセパレータ120は、連結部128を備えない構成と比較して、連結部128の位置で面方向に変形しやすい。
The
空気極側フレーム130は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形の孔131が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、マイカ等の絶縁体により形成されている。空気極側フレーム130の孔131は、空気極114に面する空気室166を構成する。空気極側フレーム130は、セパレータ120における電解質層112に対向する側とは反対側の表面の周縁部と、インターコネクタ150における空気極114に対向する側の表面の周縁部とに接触している。すなわち、空気極側フレーム130は、セパレータ120とインターコネクタ150とにより挟持されている。そのため、空気極側フレーム130によって、空気室166のシール(コンプレッションシール)が実現される。また、空気極側フレーム130によって、発電単位102に含まれる一対のインターコネクタ150間が電気的に絶縁される。また、空気極側フレーム130には、酸化剤ガス導入マニホールド161と空気室166とを連通する酸化剤ガス供給連通流路132と、空気室166と酸化剤ガス排出マニホールド162とを連通する酸化剤ガス排出連通流路133とが形成されている。
The air
図7に示すように、燃料極側フレーム140は、中央付近に上下方向に貫通する略矩形のガス室用孔141が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。燃料極側フレーム140は、セパレータ120における電解質層112に対向する側の表面の周縁部と、インターコネクタ150における燃料極116に対向する側の表面の周縁部とに接触している(図4および図5参照)。
As shown in FIG. 7, the fuel
図7に示すように、燃料極側フレーム140のガス室用孔141は、燃料極116に面する燃料室176を構成する孔である。ガス室用孔141は、燃料ガスFGの供給方向(Y軸方向)に互いに対向する第1の内面IP1および第2の内面IP2を有する。また、燃料極側フレーム140には、燃料ガス導入マニホールド171を構成する連通孔108に連通すると共にガス室用孔141の第1の内面IP1に開口する燃料ガス供給連通流路142と、燃料ガス排出マニホールド172を構成する連通孔108に連通すると共にガス室用孔141の第2の内面IP2に開口する燃料ガス排出連通流路143とが形成されている。
As shown in FIG. 7, the
空気極側集電体134は、空気室166内に配置されている。空気極側集電体134は、複数の略四角柱状の集電体要素135から構成されており、例えば、フェライト系ステンレスにより形成されている。空気極側集電体134は、空気極114における電解質層112に対向する側とは反対側の表面と、インターコネクタ150における空気極114に対向する側の表面とに接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック100において最も上に位置する発電単位102は上側のインターコネクタ150を備えていないため、当該発電単位102における空気極側集電体134は、上側のエンドプレート104に接触している。空気極側集電体134は、このような構成であるため、空気極114とインターコネクタ150(またはエンドプレート104)とを電気的に接続する。なお、空気極側集電体134は、導電性のコートによって覆われていてもよく、空気極114と空気極側集電体134との間には、両者を接合する導電性の接合層が介在していてもよい。また、空気極側集電体134は、インターコネクタ150と一体の部材として構成されていてもよい。
The air pole side
燃料極側集電体144は、燃料室176内に配置されている。燃料極側集電体144は、インターコネクタ対向部146と、電極対向部145と、電極対向部145とインターコネクタ対向部146とをつなぐ連接部147とを備えており、例えば、ニッケルやニッケル合金、ステンレス等により形成されている。電極対向部145は、燃料極116における電解質層112に対向する側とは反対側の表面に接触しており、インターコネクタ対向部146は、インターコネクタ150における燃料極116に対向する側の表面に接触している。ただし、上述したように、燃料電池スタック100において最も下に位置する発電単位102は下側のインターコネクタ150を備えていないため、当該発電単位102におけるインターコネクタ対向部146は、下側のエンドプレート106に接触している。燃料極側集電体144は、このような構成であるため、燃料極116とインターコネクタ150(またはエンドプレート106)とを電気的に接続する。なお、電極対向部145とインターコネクタ対向部146との間には、例えばマイカにより形成されたスペーサー149が配置されている。そのため、燃料極側集電体144が温度サイクルや反応ガス圧力変動による発電単位102の変形に追随し、燃料極側集電体144を介した燃料極116とインターコネクタ150(またはエンドプレート106)との電気的接続が良好に維持される。
The fuel electrode side
A−2.燃料電池スタック100の動作:
図2および図4に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド161の位置に設けられたガス通路部材27の分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して酸化剤ガスOGが供給されると、酸化剤ガスOGは、ガス通路部材27の分岐部29および本体部28の孔を介して酸化剤ガス導入マニホールド161に供給され、酸化剤ガス導入マニホールド161から各発電単位102の酸化剤ガス供給連通流路132を介して、空気室166に供給される。また、図3、図5および図7に示すように、燃料ガス導入マニホールド171の位置に設けられたガス通路部材27の分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して燃料ガスFGが供給されると、燃料ガスFGは、ガス通路部材27の分岐部29および本体部28の孔を介して燃料ガス導入マニホールド171に供給され、燃料ガス導入マニホールド171から各発電単位102の燃料ガス供給連通流路142を介して、燃料室176に供給される。
A-2. Operation of fuel cell stack 100:
As shown in FIGS. 2 and 4, the oxidant gas OG is supplied via a gas pipe (not shown) connected to the
各発電単位102の空気室166に酸化剤ガスOGが供給され、燃料室176に燃料ガスFGが供給されると、単セル110において酸化剤ガスOGに含まれる酸素と燃料ガスFGに含まれる水素との電気化学反応による発電が行われる。この発電反応は発熱反応である。各発電単位102において、単セル110の空気極114は空気極側集電体134を介して一方のインターコネクタ150に電気的に接続され、燃料極116は燃料極側集電体144を介して他方のインターコネクタ150に電気的に接続されている。また、燃料電池スタック100に含まれる複数の発電単位102は、電気的に直列に接続されている。そのため、燃料電池スタック100の出力端子として機能するエンドプレート104,106から、各発電単位102において生成された電気エネルギーが取り出される。なお、SOFCは、比較的高温(例えば700℃から1000℃)で発電が行われることから、起動後、発電により発生する熱で高温が維持できる状態になるまで、燃料電池スタック100が加熱器(図示せず)により加熱されてもよい。
When the oxidant gas OG is supplied to the
各発電単位102の空気室166から排出された酸化剤オフガスOOGは、図2および図4に示すように、酸化剤ガス排出連通流路133を介して酸化剤ガス排出マニホールド162に排出され、さらに酸化剤ガス排出マニホールド162の位置に設けられたガス通路部材27の本体部28および分岐部29の孔を経て、当該分岐部29に接続されたガス配管(図示せず)を介して燃料電池スタック100の外部に排出される。また、各発電単位102の燃料室176から排出された燃料オフガスFOGは、図3、図5および図7に示すように、燃料ガス排出連通流路143を介して燃料ガス排出マニホールド172に排出され、さらに燃料ガス排出マニホールド172の位置に設けられたガス通路部材27の本体部28および分岐部29の孔を経て、当該分岐部29に接続されたガス配管(図示しない)を介して燃料電池スタック100の外部に排出される。
As shown in FIGS. 2 and 4, the oxidant off-gas OOG discharged from the
A−3.燃料室側ガラスシール部129について:
具体的には、図6および図7に示すように、本実施形態では、セパレータ120は、燃料ガス供給連通流路142から燃料極116に供給される燃料ガスFGのガス流路(図5から図7における燃料ガスFGの流れを示す矢印参照)(燃料室176)を向いた燃料室側下面119を有する。燃料室側下面119は、セパレータ120の下面の内、単セル110と燃料極側フレーム140との間に位置する表面部分であり、Z軸方向(セパレータ120の貫通孔121の軸方向)視で、単セル110の全周を囲む環状(矩形環状)の表面部分である。燃料室側下面119は、第1の燃料室側下面119Aと、一対の第2の燃料室側下面119Bと、第3の燃料室側下面119Cと、から構成されている(図7参照)。第1の燃料室側下面119Aは、燃料室側下面119の内、単セル110に対して燃料ガスFGのガス流路の上流側に位置する表面部分である。一対の第2の燃料室側下面119Bは、燃料室側下面119の内、Z軸方向視で、単セル110に対して燃料ガスFGのガス流路の側方に位置する一対の表面部分である。第3の燃料室側下面119Cは、燃料室側下面119の内、単セル110に対して燃料ガスFGのガス流路の下流側に位置する表面部分である。また、接合部124は、燃料室側表面123を有する。図7に示すように、接合部124は、Z軸方向視で、単セル110(セパレータ120の貫通孔121)の全周を囲むように形成されている。このため、接合部124は、セパレータ120と単セル110とのいずれにも接触せず、かつ、燃料ガスFGのガス流路(燃料室176)側を向いた燃料室側表面123を有している。すなわち、燃料室側表面123は、Z軸方向視で、単セル110(セパレータ120の貫通孔121)の全周を囲むように位置している環状(矩形環状)の表面である。なお、燃料室側下面119は、特許請求の範囲における第1の表面に相当し、燃料室側表面123は、特許請求の範囲における第2の表面に相当する。
A-3. About the
Specifically, as shown in FIGS. 6 and 7, in the present embodiment, the
また、図6および図7に示すように、本実施形態における燃料電池スタック100は、燃料室側ガラスシール部129を備える。燃料室側ガラスシール部129は、ガラス(結晶化ガラス)を含む緻密体であり、燃料室側ガラスシール部129の気孔率は、30%以下であることが好ましく、15%以下であることがより好ましい。燃料室側ガラスシール部129は、セパレータ120の燃料室側下面119を覆うと共に、燃料室側下面119と接合部124の燃料室側表面123との境界である第1の境界B1(図6参照)まで達している。本実施形態では、燃料室側ガラスシール部129は、Z軸方向視で、単セル110(セパレータ120の貫通孔121)の全周を囲むように環状(矩形環状)に形成されている。このため、燃料室側ガラスシール部129は、該燃料室側ガラスシール部129の全周にわたって、セパレータ120の燃料室側下面119を覆うと共に、第1の境界B1まで達している(図7参照)。なお、燃料室側ガラスシール部129は、特許請求の範囲におけるP拡散抑制部に相当する。
Further, as shown in FIGS. 6 and 7, the
また、図6に示すように、燃料室側ガラスシール部129は、さらに、該燃料室側ガラスシール部129の全周にわたって、接合部124の燃料室側表面123を覆うと共に、接合部124と電解質層112との境界である第2の境界B2まで達している。また、本実施形態では、接合部124が、Z軸方向視でセパレータ120と単セル110とが対向する領域から燃料室176側にはみ出すように形成されており、燃料室側ガラスシール部129は、接合部124におけるはみ出した部分124Aの表面全体を覆うように形成されている。接合部124におけるはみ出した部分124Aは、Z軸方向において、燃料室側ガラスシール部129とセパレータ120との間に挟まれている。接合部124がはみ出し部分124Aを含むことにより、例えば、単セル110とセパレータ120とのロウ付け接合の際に、局所的なロウ溜まりの発生を抑制することができる。すなわち、ロウ付け接合する際には、加熱によって溶融したロウ材のうち、単セル110とセパレータ120との間からはみ出した余分のロウ材は、予めはみ出すように形成されたロウ材層に沿って流出する。そのため、ロウ付け接合の際に、はみ出したロウ材が、局所的に溜まってロウ溜まりが形成されにくい。その結果、局所的なロウ溜まりの発生によるセル割れの発生を抑制することができる(例えば特開2015−135807号公報参照)。なお、図6では、燃料室側ガラスシール部129は、はみ出し部分124Aの表面全体に接触しているが、はみ出した部分124Aの表面の少なくとも一部から離間していてもよい。
Further, as shown in FIG. 6, the fuel chamber side
また、図6および図7に示すように、燃料室側ガラスシール部129は、さらに、該燃料室側ガラスシール部129の全周にわたって、燃料極116の側面116Aを覆っている。
Further, as shown in FIGS. 6 and 7, the fuel chamber side
また、上述したように、燃料室側ガラスシール部129は、セパレータ120の燃料室側下面119を覆っているが、セパレータ120の連結部128から離間している。すなわち、燃料室側ガラスシール部129は、セパレータ120の燃料室側下面119の内、第1の平坦部126に対応する下面部分のみ覆いつつ、第1の平坦部126と連結部128との境界である第3の境界B3までは達していない。なお、燃料室側ガラスシール部129と連結部128(第3の境界B3)とは、0.1mm以上離間していることが好ましい。
Further, as described above, the fuel chamber side
A−4.本実施形態の効果:
以上説明したように、本実施形態の燃料電池スタック100は、空気極114と、燃料極116と、空気極114と燃料極116との間に配置された電解質層112と、をそれぞれ含む複数の単セル110を備える。また、燃料電池スタック100は、セパレータ120を備える。セパレータ120は、貫通孔121が形成され、該セパレータ120の貫通孔周囲部122が単セル110の表面に接合され、空気室166と燃料室176とを区画している。また、燃料電池スタック100は、124を備える。接合部124は、セパレータ120と単セル110との間に配置され、セパレータ120と単セル110とを接合している。ここで、セパレータ120は、例えば、ステンレスにより形成されている。ステンレスは、一般に、不純物としてP(例えば0.02w%程度)を含有している。このため、燃料電池スタック100の運転開始後、セパレータ120の燃料室側下面119から拡散したPが燃料極116に供給される燃料ガスFGに運ばれて燃料極116付近に移動し、燃料極116における反応場に付着(被毒)し、燃料電池スタック100の性能が低下するおそれがある。
A-4. Effect of this embodiment:
As described above, the
なお、従来、一般にセパレータ120に含有しているPは微量であるため、燃料極116へのPの付着が燃料電池スタック100の性能に与える影響はほとんどないと考えられていた。このため、従来の燃料電池スタックでは、セパレータ120の燃料室側下面119の全体が燃料室176に露出していた。しかし、燃料電池スタック100のさらに高い性能が要求される等の事情の下、本願発明者は、鋭意研究を重ねた結果、燃料極116へのPの付着は、燃料電池スタック100の性能に影響を与え、特に、燃料電池スタック100の運転時間が長期化(例えば5000時間以上)すると、その影響は顕著に現れる、ことを新たに見出した。
Conventionally, since the amount of P contained in the
これに対して、上述したように、本実施形態における燃料電池スタック100は、セパレータ120から燃料極116側へのPの拡散抑制のために、燃料室側ガラスシール部129を備えている。すなわち、燃料室側ガラスシール部129は、セパレータ120の燃料室側下面119を覆うと共に、燃料室側下面119と接合部124の燃料室側表面123との境界である第1の境界B1(図6参照)まで達している。このため、セパレータ120の燃料室側下面119の内、単セル110の近傍から拡散するPが、燃料極116付近に移動することが抑制される。これにより、本実施形態によれば、セパレータ120の燃料室側下面119の全体が燃料室176に露出している構成に比べて、セパレータ120から拡散したPの付着に起因する燃料電池スタック100の性能低下を抑制することができる。
On the other hand, as described above, the
また、燃料電池スタック100の運転開始後、セパレータ120の燃料室側下面119の内、単セル110に対して燃料ガスFGのガス流路の上流側に位置する第1の燃料室側下面119Aから拡散したPが、特に多く、燃料極116に供給される燃料ガスFGに運ばれて燃料極116付近に移動し、燃料極116における反応場に付着(被毒)しやすい。これに対して、本実施形態では、燃料室側ガラスシール部129は、第1の燃料室側下面119Aを覆うと共に、第1の燃料室側下面119Aと接合部124の第1の燃料室側表面123Aとの境界(第1の境界B1)まで達している。このため、燃料極116へのPの付着による燃料電池スタック100の性能の低下を効果的に抑制することができる。
Further, after the operation of the
また、セパレータ120の燃料室側下面119の内、第1の燃料室側下面119Aだけでなく、Z軸方向で単セル110に対して燃料ガスFGのガス流路の側方に位置する一対の第2の燃料室側下面119Bから拡散したPも、燃料極116に供給される燃料ガスFGに運ばれて燃料極116の下流側付近に移動し、燃料極116における反応場に付着し、燃料電池スタック100の性能が低下するおそれがある。これに対して、本実施形態では、燃料室側ガラスシール部129は、第2の燃料室側下面119Bを覆うと共に、第2の燃料室側下面119Bと接合部124の第2の燃料室側表面123Bとの境界(第1の境界B1)まで達している。このため、燃料極116へのPの付着による燃料電池スタック100の性能の低下を効果的に抑制することができる。
Further, among the fuel chamber side
また、セパレータ120の燃料室側下面119の内、単セル110に対して燃料ガスFGのガス流路の下流側に位置する第3の燃料室側下面119Cから拡散したPが、例えば燃料室176内における燃料ガス排出連通流路143の周囲付近で滞留して逆流する燃料ガスFGに運ばれて燃料極116における反応場に付着し、燃料電池スタック100の性能が低下するおそれがある。これに対して、本実施形態では、燃料室側ガラスシール部129は、第3の燃料室側下面119Cを覆うと共に、第3の燃料室側下面119Cと接合部124の第3の燃料室側表面123Cとの境界(第1の境界B1)まで達している。このため、燃料極116へのPの付着による燃料電池スタック100の性能低下を効果的に抑制することができる。
Further, among the fuel chamber side
また、セパレータ120に含有されるPは、接合部124を通過して燃料極116付近に移動するおそれがある。これに対して、本実施形態では、燃料室側ガラスシール部129は、さらに、接合部124の燃料室側表面123を覆うと共に、接合部124と電解質層112との境界である第2の境界B2まで達している。このため、セパレータ120の燃料室側下面119から燃料室176に拡散したPが燃料極116付近に移動することだけでなく、セパレータ120から接合部124を通過するPが燃料極116付近に移動することが抑制される。これにより、本実施形態によれば、接合部124の燃料室側表面123がP拡散抑制部に覆われていない構成に比べて、セパレータ120から拡散したPの付着に起因する燃料電池スタック100の性能低下を、より効果的に抑制することができる。なお、電解質層112は、接合部124に比べて緻密であり、セパレータ120から拡散したPは電解質層112を通過しにくい。このため、セパレータ120からのPは、特に、接合部124におけるはみ出し部分124Aを通過して燃料室176を介して燃料極116付近に移動する。このため、本実施形態のように、燃料室側ガラスシール部129がはみ出し部分124Aの全体を覆うように形成されていれば、セパレータ120から拡散したPの付着に起因する燃料電池スタック100の性能低下を、さらに効果的に抑制することができる。
Further, P contained in the
また、本実施形態では、燃料室側ガラスシール部129は、さらに、燃料極116の側面116Aを覆っている。このため、セパレータ120から拡散したPが、燃料極116の側面116Aを介して燃料極116の反応場に流れ込んで付着することが抑制される。これにより、本実施形態によれば、燃料極116の側面116Aが燃料室176に露出した構成に比べて、セパレータ120から拡散したPの付着に起因する燃料電池スタック100の性能低下を、より効果的に抑制することができる。
Further, in the present embodiment, the fuel chamber side
また、本実施形態では、燃料室側ガラスシール部129は、セパレータ120の燃料室側下面119を覆っているが、セパレータ120の連結部128から離間している。燃料室側ガラスシール部129がセパレータ120の連結部128に接触している構成に比べて、燃料室側ガラスシール部129の存在に起因してセパレータ120の応力緩和機能が低下することを抑制することができる。
Further, in the present embodiment, the fuel chamber side
A−5.性能評価:
特性が互いに異なる複数の燃料電池スタック100のサンプルを作製し、該サンプルを用いて性能評価を行った。図8は、性能評価結果を示す説明図である。
A-5. Performance evaluation:
Samples of a plurality of fuel cell stacks 100 having different characteristics were prepared, and performance evaluation was performed using the samples. FIG. 8 is an explanatory diagram showing the performance evaluation result.
A−5−1.各サンプルについて:
図8に示すように、本性能評価には、燃料電池スタックの6個のサンプル(サンプル11〜6)が用いられた。各サンプルは、セパレータ120の燃料室側下面119を覆うシール部129(P拡散抑制部)の有無と、シール部129が覆う範囲と、シール部129の気孔率との少なくとも1つが互いに異なる。具体的には、サンプル1は、上述の燃料電池スタック100に対して、シール部129を備えておらず、セパレータ120の燃料室側下面119の全体が燃料室176に露出している点とで異なる。サンプル2は、上述の燃料電池スタック100に対して、シール部129の形成材料がセラミックフェルトである点と、シール部129が燃料室側下面119と接合部124の燃料室側表面123との境界である第1の境界B1まで達していると共に、電解質層112の側面112Aがシール部129および接合部124のいずれにも覆われておらず、燃料室176に露出している点と、で異なる。サンプル3は、上述の燃料電池スタック100に対して、シール部129の形成材料が結晶化ガラスである点で共通するが、シール部129が上記第1の境界B1まで達していると共に、電解質層112の側面112Aがシール部129および接合部124のいずれにも覆われておらず、燃料室176に露出している点と、で異なる。サンプル4は、上述の燃料電池スタック100に対して、シール部129の形成材料が結晶化ガラスである点で共通するが、シール部129が上記第1の境界B1まで達していると共に、電解質層112の側面112Aが、接合部124ではなく、シール部129に覆われている点と、で異なる。サンプル5,6は、上述の燃料電池スタック100と略同じ構成である。但し、サンプル6におけるシール部129(燃料室側ガラスシール部129)とセパレータ120における連結部128との離間距離は、サンプル5におけるシール部129とセパレータ120における連結部128との離間距離より短い。また、サンプル2におけるシール部129の気孔率は、21%であり、サンプル2〜6におけるシール部129の気孔率は、いずれも5.4%である。
A-5-1. For each sample:
As shown in FIG. 8, six samples (samples 11 to 6) of the fuel cell stack were used for this performance evaluation. Each sample differs from each other in at least one of the presence / absence of a seal portion 129 (P diffusion suppressing portion) covering the fuel chamber side
なお、各サンプルのシール部129における気孔率は、以下の方法により特定される。シール部129の断面について、FIB−SEMによるSEM画像(例えば1000倍)を得て、得られた画像について、平行な複数の線を所定の間隔(例えば1μmから5μm間隔)で引く。各直線上の気孔にあたる部分の長さを測定し、直線の全長に対する気孔にあたる部分の長さの合計の比を、当該線上における気孔率とする。得られた画像に引かれた複数の直線における気孔率の平均値を算出することにより、シール部129における気孔率を特定する。なお、比較的に気孔率が高い材料(例えばセラミックフェルトやマイカ)により形成されたシール部129における気孔率は、以下の方法により特定される。シール部129の断面について、FIB−SEMによるSEM画像(例えば1000倍)を得て、得られた画像を二値化し、二値化された画像における黒部分と白部分との面積割合から、シール部129における気孔率を特定する。
The porosity of each sample in the
また、各サンプルについて、電解質層112の厚さは、3μm以上、9μm以下であり、燃料極116の厚さは、300μm以上、1000μm以下であり、セパレータ120の厚さは、50μm以上、200μm以下である。また、接合部124のはみ出し部分124Aの厚さは、10μm以上、200μm以下であり、はみ出し部分124Aのはみ出し長さは、10μm以上、300μm以下であり、燃料室側ガラスシール部129の厚さは、200μm以上である。
Further, for each sample, the thickness of the
A−5−2.評価項目および評価方法:
本性能評価では、燃料極116におけるP付着量(ppm)と、燃料電池スタックの劣化率%との2つ項目について評価を行った。具体的には、各サンプルについて、約750℃で12年相当の熱加速条件(例えば850℃で、1万時間)で、空気極114に酸化剤ガスOGを供給し、燃料極116に燃料ガスFGを供給する試験を行う。燃料極116におけるP付着量については、D−SIMS分析(Dynamic−Secondary Ion Mass Spectrometry Analysis)を用いて測定した。また、試験開始時に、電流密度が0.55(A/cm2)のときの燃料電池スタックの出力電圧を測定して初期電圧とし、試験終了時に、密度が0.55(A/cm2)のときの燃料電池スタックの出力電圧を測定して終了時電圧とし、初期電圧に対する、初期電圧と終了時電圧力との差の比率を、燃料電池スタックの劣化率(%)とした。
A-5-2. Evaluation items and evaluation methods:
In this performance evaluation, two items, the amount of P adhered to the fuel electrode 116 (ppm) and the deterioration rate% of the fuel cell stack, were evaluated. Specifically, for each sample, the oxidant gas OG is supplied to the
燃料電池スタックの劣化率が10%以上であった場合に「不良(×)」と判定し、燃料電池スタックの劣化率が2%より高く、かつ、10%未満であった場合に「良(○)」と判定し、燃料電池スタックの劣化率が2%以下であった場合に「優秀(◎)」と判定した。 If the deterioration rate of the fuel cell stack is 10% or more, it is judged as "defective (x)", and if the deterioration rate of the fuel cell stack is higher than 2% and less than 10%, it is "good (good)". When the deterioration rate of the fuel cell stack was 2% or less, it was judged as “excellent (⊚)”.
A−5−3.評価結果:
図8に示すように、セパレータ120の燃料室側下面119の全体が燃料室176に露出しているサンプル1では、燃料電池スタックの劣化率が10%であったため、「不良(×)」と判定された。また、燃料極116におけるP付着量は、900ppmであり、相対的に高かった。これらのことから、セパレータ120の燃料室側下面119が燃料室176に露出していると、燃料電池スタックの運転開始後、セパレータ120から拡散したPが燃料極116に供給される燃料ガスFGに運ばれて燃料極116付近に移動し、燃料極116における反応場に付着し、燃料電池スタックの劣化が進行することが分かる。
A-5-3. Evaluation results:
As shown in FIG. 8, in sample 1 in which the entire
セラミックフェルト製のシール部によってセパレータ120の燃料室側下面119が覆われたサンプル2では、燃料電池スタックの劣化率が8%であったため、「良(○)」と判定された。また、燃料極116におけるP付着量は、700ppmであり、サンプル1の燃料極116におけるP付着量に比べて低かった。これらのことから、シール部によってセパレータ120の燃料室側下面119を覆うことによって、セパレータ120から拡散して燃料極116に付着するPの量を低減することができ、燃料電池スタックの劣化の進行を抑制できることがわかる。
In
サンプル2に対して、ラミックフェルトより気孔率が低い結晶化ガラス製のシール部によってセパレータ120の燃料室側下面119が覆われたサンプル3では、燃料電池スタックの劣化率が4%であったため、「良(○)」と判定された。また、燃料極116におけるP付着量は、150ppmであり、サンプル2の燃料極116におけるP付着量に比べて低かった。また、サンプル4でも、燃料電池スタックの劣化率が5%であったため、「良(○)」と判定され、燃料極116におけるP付着量は、170ppmであり、サンプル2の燃料極116におけるP付着量に比べて低かった。これらのことから、シール部の気孔率が高い程、セパレータ120から拡散して燃料極116に付着するPの量を低減することができ、燃料電池スタックの劣化の進行を、より効果的に抑制できることがわかる。
Compared to
サンプル3,4に対して、燃料極116の側面116Aがシール部に覆われたサンプル5では、燃料電池スタックの劣化率が2%であったため、「優秀(◎)」と判定された。また、燃料極116におけるP付着量は、60ppmであり、サンプル3,4の燃料極116におけるP付着量に比べて低かった。これらのことから、燃料極116の側面116Aをシール部で覆うことにより、セパレータ120から拡散して燃料極116に付着するPの量を低減することができ、燃料電池スタックの劣化の進行を、より効果的に抑制できることがわかる。
In
サンプル5に対して、シール部とセパレータ120における連結部128との離間距離より短いサンプル6では、燃料電池スタックの劣化率が1%であったため、「優秀(◎)」と判定された。また、燃料極116におけるP付着量は、50ppmであり、サンプル5の燃料極116におけるP付着量に比べて低かった。これらのことから、シール部とセパレータ120における連結部128との離間距離を短くする程、セパレータ120から拡散して燃料極116に付着するPの量を低減することができ、燃料電池スタックの劣化の進行を、より効果的に抑制できることがわかる。
In
B.変形例:
本明細書で開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。
B. Modification example:
The technique disclosed in the present specification is not limited to the above-described embodiment, and can be transformed into various forms without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are also possible.
上記実施形態における単セル110、発電単位102または燃料電池スタック100の構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、上記実施形態では、燃料電池スタック100が空気室側ガラスシール部125を備えているが、燃料電池スタック100が空気室側ガラスシール部125を備えないとしてもよい。また、上記実施形態では、セパレータ120が、Z軸方向における位置が第1の平坦部126および第2の平坦部127とは異なる部分を含む連結部128を備えているが、セパレータ120が連結部128を備えないとしてもよい。また、セパレータ120における連結部128は、第1の平坦部126および第2の平坦部127の位置から空気室166側(上側)に突出するように湾曲した形状を有しているとしてもよい。
The configuration of the
また、上記実施形態において、燃料電池スタック100に含まれる単セル110の個数は、あくまで一例であり、単セル110の個数は燃料電池スタック100に要求される出力電圧等に応じて適宜決められる。また、上記実施形態における各部材を構成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により構成されていてもよい。例えば、接合部124は、Agを含まない材料により形成されたものでもよい。
Further, in the above embodiment, the number of
また、上記実施形態における燃料室側ガラスシール部129は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、上記実施形態では、燃料室側ガラスシール部129は、結晶化ガラスにより形成されていたが、例えばYSZ、セラミックフェルト(例えばアルミナフェルト)やマイカにより形成されたものでもよい。また、上記実施形態では、P拡散抑制部として、燃料室側ガラスシール部129を例示したが、ガラス以外の材料により形成されたものでもよい。要するに、P拡散抑制部は、セパレータ120に含まれるPが燃料室176に拡散することを抑制できる程度の密度の構造を有していればよい。また、Pの含有率(0%を含む)がセパレータ120におけるPの含有率より少ない材料により形成されたものであることが好ましい。なお、P拡散抑制部の気孔率は、30%以下であることが好ましく、15%以下であることがより好ましい。
Further, the fuel chamber side
また、上記実施形態では、電解質層112の側面が接合部124におけるはみ出し部分124Aに覆われた構成であったが、電解質層112の側面が接合部124に覆われていない構成であってもよい(図8のサンプル2〜4参照)。また、上記実施形態において、接合部124は、はみ出し部分124Aを有しない構成であってもよい。また、上記実施形態において、燃料室側ガラスシール部129が接合部124の燃料室側表面123を覆っていない構成(図8のサンプル2,3参照)、燃料室側ガラスシール部129が接合部124の燃料室側表面123の一部だけを覆っている構成や、燃料室側ガラスシール部129が燃料極116の側面116Aを覆っていない構成であってもよい(図8のサンプル2〜4参照)。また、上記実施形態において、燃料室側ガラスシール部129は、第1の平坦部126と連結部128との境界である第3の境界B3まで達している構成であってもよい。
Further, in the above embodiment, the side surface of the
また、上記実施形態において、燃料室側ガラスシール部129は、セパレータ120の燃料室側下面119の内、貫通孔121の軸(Z軸)の周方向における一部分だけを覆っている構成であってもよい。例えば、燃料室側ガラスシール部129は、燃料室側下面119の内、第1の燃料室側下面119Aと第2の燃料室側下面119Bと第3の燃料室側下面119Cとのいずれか1つだけ、または2つだけを覆う構成であってもよい。また、第1の燃料室側下面119Aを覆うシール部と、第2の燃料室側下面119Bを覆うシール部と、第3の燃料室側下面119Cを覆うシール部との少なくとも2つは、形成材料および気孔率の少なくとも1つが異なる構成であってもよい。
Further, in the above embodiment, the fuel chamber side
上記実施形態では、燃料電池スタック100が備えられた複数の単セル110のそれぞれに接合された全てのセパレータ120について、該セパレータ120の燃料室側下面119が燃料室側ガラスシール部129に覆われた構成であったが、複数の単セル110のそれぞれに接合された一部のセパレータ120だけについて、該セパレータ120の燃料室側下面119が燃料室側ガラスシール部129に覆われた構成であってもよい。
In the above embodiment, for all the
また、上記実施形態では、燃料電池スタック100は、平板型の単セル110を複数備える構成であるが、本発明は、他のタイプ(例えば円筒型)の単セルを複数備える燃料電池スタックにも同様に適用可能である。
Further, in the above embodiment, the
また、上記実施形態では、燃料ガスに含まれる水素と酸化剤ガスに含まれる酸素との電気化学反応を利用して発電を行うSOFCを対象としているが、本発明は、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う固体酸化物形電解セル(SOEC)の構成単位である電解単セルや、複数の電解単セルを備える電解セルスタックにも同様に適用可能である。なお、電解セルスタックの構成は、例えば特開2016−81813号公報に記載されているように公知であるためここでは詳述しないが、概略的には上述した実施形態における燃料電池スタック100と同様の構成である。すなわち、上述した実施形態における燃料電池スタック100を電解セルスタックと読み替え、発電単位102を電解セル単位と読み替え、単セル110を電解単セルと読み替えればよい。ただし、電解セルスタックの運転の際には、空気極114がプラス(陽極)で燃料極116がマイナス(陰極)となるように両電極間に電圧が印加されると共に、連通孔108を介して原料ガスとしての水蒸気が供給される。これにより、各電解セル単位において水の電気分解反応が起こり、燃料室176で水素ガスが発生し、連通孔108を介して電解セルスタックの外部に水素が取り出される。このような構成の電解セル単位および電解セルスタックにおいても、本発明を適用することにより、セパレータから拡散したPの付着に起因する電気化学反応セルスタックの性能低下を抑制することができる。
Further, in the above embodiment, the SOFC that generates power by utilizing the electrochemical reaction between hydrogen contained in the fuel gas and oxygen contained in the oxidizing agent gas is targeted, but the present invention comprises an electrolysis reaction of water. It is also applicable to an electrolytic single cell, which is a constituent unit of a solid oxide fuel cell (SOEC) that uses it to generate hydrogen, and an electrolytic cell stack including a plurality of electrolytic single cells. The configuration of the electrolytic cell stack is not described in detail here because it is known, for example, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2016-81813, but is generally the same as the
22:ボルト 24:ナット 26:絶縁シート 27:ガス通路部材 28:本体部 29:分岐部 100:燃料電池スタック 102:発電単位 104,106:エンドプレート 108:連通孔 110:単セル 112:電解質層 112A:側面 114:空気極 116:燃料極 116A:側面 119:燃料室側下面 119A:第1の燃料室側下面 119B:第2の燃料室側下面 119C:第3の燃料室側下面 120:セパレータ 121:貫通孔 122:貫通孔周囲部 123:燃料室側表面 123A:第1の燃料室側表面 123B:第2の燃料室側表面 123C:第3の燃料室側表面 124:接合部 124A:はみ出し部分 125:空気室側ガラスシール部 126:第1の平坦部 127:第2の平坦部 128:連結部 129:燃料室側ガラスシール部 130:空気極側フレーム 131:孔 132:酸化剤ガス供給連通流路 133:酸化剤ガス排出連通流路 134:空気極側集電体 135:集電体要素 140:燃料極側フレーム 141:ガス室用孔 142:燃料ガス供給連通流路 143:燃料ガス排出連通流路 144:燃料極側集電体 145:電極対向部 146:インターコネクタ対向部 147:連接部 149:スペーサー 150:インターコネクタ 161:酸化剤ガス導入マニホールド 162:酸化剤ガス排出マニホールド 166:空気室 171:燃料ガス導入マニホールド 172:燃料ガス排出マニホールド 176:燃料室 B1:第1の境界 B2:第2の境界 B3:第3の境界 FG:燃料ガス FOG:燃料オフガス IP1:第1の内面 IP2:第2の内面 OG:酸化剤ガス OOG:酸化剤オフガス 22: Bolt 24: Nut 26: Insulation sheet 27: Gas passage member 28: Main body 29: Branch 100: Fuel cell stack 102: Power generation unit 104, 106: End plate 108: Communication hole 110: Single cell 112: Electrolyte layer 112A: Side surface 114: Air pole 116: Fuel pole 116A: Side surface 119: Fuel chamber side lower surface 119A: First fuel chamber side lower surface 119B: Second fuel chamber side lower surface 119C: Third fuel chamber side lower surface 120: Separator 121: Through hole 122: Through hole peripheral part 123: Fuel chamber side surface 123A: First fuel chamber side surface 123B: Second fuel chamber side surface 123C: Third fuel chamber side surface 124: Joint portion 124A: Overhang Part 125: Air chamber side glass seal part 126: First flat part 127: Second flat part 128: Connecting part 129: Fuel chamber side glass seal part 130: Air electrode side frame 131: Hole 132: Oxidating agent gas supply Communication flow path 133: Oxidizing agent gas discharge communication flow path 134: Air pole side current collector 135: Current collector element 140: Fuel pole side frame 141: Gas chamber hole 142: Fuel gas supply communication flow path 143: Fuel gas Discharge communication flow path 144: Fuel pole side current collector 145: Electrode facing part 146: Interconnector facing part 147: Connecting part 149: Spacer 150: Interconnector 161: Oxidizing agent gas introduction manifold 162: Oxidizing agent gas discharging manifold 166: Air chamber 171: Fuel gas introduction manifold 172: Fuel gas discharge manifold 176: Fuel chamber B1: First boundary B2: Second boundary B3: Third boundary FG: Fuel gas FOG: Fuel off gas IP1: First inner surface IP2: Second inner surface OG: Oxidizing agent gas OOG: Oxidizing agent off gas
Claims (4)
貫通孔が形成され、前記貫通孔を取り囲む貫通孔周囲部が前記電気化学反応単セルの表面に接合され、前記空気極に面する空気室と前記燃料極に面する燃料室とを区画するセパレータと、
前記セパレータの前記貫通孔周囲部と前記電気化学反応単セルの表面とを接合する接合部と、を備える電気化学反応セルスタックにおいて、
前記セパレータは、P(リン)を含有すると共に、前記燃料極に供給されるガスのガス流路を向いた第1の表面を有し、
前記接合部は、前記ガス流路を向いた第2の表面を有し、
さらに、前記セパレータの前記第1の表面の少なくとも一部を覆うと共に、少なくとも前記セパレータの前記第1の表面と前記接合部の前記第2の表面との境界まで達しているP拡散抑制部を備える、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。 A plurality of electrochemical reaction single cells including an air electrode, a fuel electrode, and an electrolyte layer arranged between the air electrode and the fuel electrode, respectively.
A separator is formed, and the peripheral portion of the through hole surrounding the through hole is joined to the surface of the electrochemical reaction single cell to separate the air chamber facing the air electrode and the fuel chamber facing the fuel electrode. When,
In an electrochemical reaction cell stack including a joint portion for joining the peripheral portion of the through hole of the separator and the surface of the electrochemical reaction single cell.
The separator contains P (phosphorus) and has a first surface facing the gas flow path of the gas supplied to the fuel electrode.
The joint has a second surface facing the gas flow path.
Further, the P diffusion suppressing portion covers at least a part of the first surface of the separator and at least reaches the boundary between the first surface of the separator and the second surface of the joint. ,
It is characterized by an electrochemical reaction cell stack.
前記P拡散抑制部は、さらに、前記接合部の前記第2の表面の少なくとも一部を覆うと共に、少なくとも前記接合部の前記第2の表面と前記電解質層の側面との境界まで達している、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。 In the electrochemical reaction cell stack according to claim 1,
The P-diffusion inhibitor further covers at least a part of the second surface of the joint and reaches at least the boundary between the second surface of the joint and the side surface of the electrolyte layer.
It is characterized by an electrochemical reaction cell stack.
前記P拡散抑制部は、さらに、前記燃料極の側面の少なくとも一部を覆っている、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。 In the electrochemical reaction cell stack according to claim 2.
The P diffusion suppressing portion further covers at least a part of the side surface of the fuel electrode.
It is characterized by an electrochemical reaction cell stack.
前記セパレータは、
前記貫通孔周囲部を含み、前記貫通孔の軸方向である第1の方向に直交する第2の方向に略平行な第1の平坦部と、
前記第2の方向に略平行な第2の平坦部と、
前記第1の方向における位置が前記第1の平坦部および前記第2の平坦部とは異なる部分を含み、前記第1の平坦部と前記第2の平坦部とを連結する連結部と、
を備え、
前記P拡散抑制部は、前記連結部から離間している、
ことを特徴とする電気化学反応セルスタック。 In the electrochemical reaction cell stack according to any one of claims 1 to 3.
The separator is
A first flat portion including a peripheral portion of the through hole and substantially parallel to a second direction orthogonal to the first direction which is the axial direction of the through hole.
A second flat portion substantially parallel to the second direction,
A connecting portion that includes a portion whose position in the first direction is different from the first flat portion and the second flat portion, and connects the first flat portion and the second flat portion.
With
The P diffusion suppressing portion is separated from the connecting portion.
It is characterized by an electrochemical reaction cell stack.
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