JP2007179965A - 固体電解質型燃料電池及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スタック化に際して要求される柔軟性を有しているのは勿論のこと、単セルとこれを支持するセル支持板との接合部分に亀裂などの不具合が生じる可能性がほとんどない固体電解質型燃料電池を提供する。
【解決手段】一対の電極層３，４間に電解質層５を挟み込んで形成した単セル２と、この単セル２を支持する金属製のセル支持板６を備え、単セル２とセル支持板６との間には、単セル２に接合する高剛性の接合部１１と、この接合部１１の周囲に位置して接合部１１よりも剛性を低くした応力緩和部１２を有する接合体１１を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、一対の電極層で固体電解質層を挟持して成る単セルを有する固体電解質型燃料電池及びその製造方法に関するものである。

従来の固体電解質型燃料電池としては、例えば、燃料極層上に電解質層及び空気極層を順次積層して成る単セルと、この単セルを支持する金属製のセル支持板を備えたものがあり、この固体電解質型燃料電池では、単セルの電解質層とセル支持板とを接合するようにしている。

このような固体電解質型燃料電池は、積層してスタック化する都合上、小型軽量化が要求されるうえ、熱的衝撃及び機械的衝撃を緩和するために柔軟性も要求されることから、セル支持板として金属製の薄板を使用するようにしている。
特開２００４−２２０９５４号公報

ところが、上記した従来の固体電解質型燃料電池において、セル支持板として金属製の薄板を使用するようにしているので、このセル支持板が組み立て時や電池使用時に変形して、単セルの電解質層との接合部分に熱的及び機械的ストレスが加わり、その結果、接合部分に亀裂などの不具合が生じる恐れがあるという問題を有しており、この問題を解決することが従来の課題となっていた。

本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたものであり、スタック化に際して要求される柔軟性を有しているのは勿論のこと、単セルとこれを支持するセル支持板との接合部分に亀裂などの不具合が生じる可能性がほとんどない固体電解質型燃料電池及びその製造方法を提供することを目的としている。

本発明は、一対の電極層間に電解質層を挟み込んで形成した単セルと、この単セルを支持する金属製のセル支持板を備えた固体電解質型燃料電池において、単セルとセル支持板との間には、単セルに接合する高剛性の接合部と、この接合部の周囲に位置して接合部よりも剛性を低くした応力緩和部を有する接合体を設けた構成としたことを特徴としており、この固体電解質型燃料電池の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。

本発明の固体電解質型燃料電池では、金属製のセル支持板が、組み立て時や電池使用時に変形したとしても、単セルとセル支持板との間に位置する接合体の低剛性の応力緩和部が、セル支持板の変形を柔軟に吸収するので、単セルと接合体との接合部分には熱的及び機械的ストレスがほとんど伝わらないこととなり、また、例え単セルと接合体との接合部分に僅かながら熱的及び機械的ストレスが加わったとしても、接合体の接合部を高剛性としていることから、単セルとの接合部分に亀裂などの不具合が生じることが回避されることとなる。

本発明によれば、上記した構成としているので、スタック化する際に要求される柔軟性を従来同様に保持することができるのは言うまでもなく、単セルとこれを支持するセル支持板との接合部分に亀裂などの不具合が生じる可能性がほとんど皆無の固体電解質型燃料電池を提供することができるという非常に優れた効果がもたらされる。

本発明の固体電解質型燃料電池において、単セルと集電体を介して接触する金属製のセパレータと、このセパレータを支持する金属製のセパレータ支持板との間にも、セパレータに接合する高剛性の接合部と、この接合部の周囲に位置して接合部よりも剛性を低くした応力緩和部を有する接合体を設けた構成とすることができる。

この場合には、金属製のセパレータが、組み立て時や電池使用時に変形したとしても、セパレータとセパレータ支持板との間に位置する接合体の低剛性の応力緩和部が、セパレータの変形を柔軟に吸収するので、セパレータと集電体との間及び集電体と単セルの電極部分との間に接触不良が生じることが回避されることとなる。

また、本発明の固体電解質型燃料電池において、接合体の応力緩和部の周囲に位置してセル支持板又はセパレータ支持板と接合する接合部を、応力緩和部よりも高い剛性の接合部とした構成を採用することが可能であり、この際、接合体の応力緩和部を挟んで位置する接合部は、いずれも略同一の断面形状を成している構成とすることができる。

この構成を採用すると、例えば、金属製のセル支持板が、組み立て時や電池使用時に変形したとしても、接合体の低剛性の応力緩和部が、セル支持板の変形を柔軟に吸収するので、セル支持板に対する接合体の接合部分には熱的及び機械的ストレスがほとんどかからないこととなり、また、例え接合部分に僅かながら熱的及び機械的ストレスが加わったとしても、接合体の接合部を高剛性としていることから、セル支持板に対する接合部分に亀裂などの不具合が生じることが回避されることとなる。

さらに、本発明の固体電解質型燃料電池において、接合体の接合部及び応力緩和部を同一の材料、例えば、フェライト系ステンレスで形成した構成を採用することができ、この際、接合体の接合部及び応力緩和部を一体で成形して成るものとしたり、互いに別体を成す接合部及び応力緩和部をロウ付けなどによって接合して成るものとしたりしてもよい。

ここで、接合体の接合部及び応力緩和部に剛性の差を持たせる手段として、接合体の応力緩和部の肉厚を高剛性の接合部よりも薄くして剛性を低くする構成を用いることが可能であり、具体的には、接合体の応力緩和部をその断面が溝形状や鉤形状や波形を成すものとした構成とすることが望ましい。

さらにまた、本発明の固体電解質型燃料電池において、接合体の接合部及び応力緩和部を互いに異なる材料で形成してもよい。例えば、接合体の接合部をフェライト系ステンレスから成るものとし、応力緩和部をオーステナイト系ステンレスから成るものとすることができる。

上記した固体電解質型燃料電池のいずれかを製造するに際しては、単セルとセル支持板との間に、高剛性の接合部及びこの接合部よりも剛性を低くした応力緩和部を有する接合体を配置し、接合体の接合部を単セルに接合すると共に、応力緩和部側をセル支持板に接合して、単セルとセル支持板とを結合する製造方法を採用することができる。

この際、接合体の接合部と単セルとの接合には、熱膨張率を合わせることを考慮して、バリウム酸化物，シリカ，アルミナ及びカルシアから成るガラス（ＢＳＡＣガラスと称する；Ｂａ（５２ｗｔ％）−ＳｉＯ_２（３３ｗｔ％）−Ａｌ_２Ｏ_３（３ｗｔ％）−ＣａＯ（１２ｗｔ％））を用いることが望ましい。

そして、本発明において、上記した固体電解質型燃料電池のいずれかを積層することで、固体電解質型燃料電池のスタック構造体を形成することができ、この際、固体電解質型燃料電池の金属製のセル支持板やセパレータが柔軟性を有しているので、運転時における熱的衝撃及び機械的衝撃が緩和されることとなる。

以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

［実施例１］
図１は、本発明の固体電解質型燃料電池の一実施例を示しており、図１に示すように、この固体電解質型燃料電池１は、一対の電極層３，４間に電解質層５を挟み込んで形成した単セル２と、この単セル２を支持する金属製のセル支持板６を備た全体で円盤状を成すものであって、単セル２とセル支持板６との間には、単セル２に接着材１４を介して接合する高剛性の接合部１１と、この接合部１１の周囲に位置して接合部１１よりも剛性を低くした応力緩和部１２と、この応力緩和部の周囲に位置してセル支持板６と接合する高剛性の接合部１３を有する接合体１０が設けてあり、この際、接合体１０の応力緩和部１２を挟んで位置する接合部１１，１３は、いずれも略同一の断面四角形状を成している。

この実施例において、単セル２は、いわゆる燃料極支持型セルであって、ニッケル及び８ＹＳＺ（８ｍｏｌ％イットリア安定化ジルコニア）から成るφ８０ｍｍで且つ厚さ０．６ｍｍのＮｉ−ＹＳＺサーメット多孔質層を燃料極層３とし、この燃料極層３の上面の全面に、電解質層５として膜厚８μｍの８ＹＳＺを成膜すると共に、この電解質層５の上面における中心からφ６０ｍｍの範囲に、空気極層４として膜厚１５μｍのランタン−ストロンチウム−マンガン酸化物を成膜して単セル２を形成した。

一方、セル支持板６は、肉厚１００μｍのフェライト系ステンレス（ＳＵＳ４３０）を用いて、ドーナツ形状に形成した。

単セル２とセル支持板６との間に位置する接合体１０は、図２にも示すように、厚さ０．４ｍｍで且つ幅４ｍｍの四角形断面を有する外径φ８０ｍｍのリング状を成すフェライト系ステンレス（ＳＵＳ４３０）製の接合部１１と、厚さ０．４ｍｍで且つ幅４ｍｍの四角形断面を有する外径φ１００ｍｍのリング状を成すフェライト系ステンレス（ＳＵＳ４３０）製の接合部１３とを、応力緩和部１２としての厚み５０μｍのフェライト系ステンレス（ＳＵＳ４３０）箔で接合して成り、接合部１１，１３は、応力緩和部１２に対してニッケル／銀ロウによるロウ付けにより接合した。

この場合、接合体１０の応力緩和部１２をその断面が溝形状となるように成形し、溝の深さを約０．２ｍｍに調整した。

そして、単セル２の電解質層５と接合体１０の接合部１１とをＢＳＡＣガラス１４を介して接合すると共に、接合体１０の接合部１３とセル支持板６とを接合して、この実施例の固体電解質型燃料電池１を得た。

次いで、このようにして得た固体電解質型燃料電池１を順次積層し、すなわち、図３に示すように、接合体１０で接合して成る単セル２及びセル支持板６を平板状のセパレータ７及び図４に示す集電体８とともに順次積層し、セル支持板６及びセパレータ７をステンレス製のフレーム９にＢＳＡＣガラス１４を介して接合固定して、１５段（図３では３段）のスタック構造体を得た。

そこで、上記スタック構造体における固体電解質型燃料電池１の単セル２の空気極層４側に空気を供給すると共に、単セル２の燃料極層３側に水素を供給して、室温から７００℃の範囲で運転させたところ、３０回の昇降温を繰り返しても、単セル２及びセル支持板６のみならず、単セル２と接合体１０の接合部１１との接合部分にも亀裂などの不具合が生じることはなかった。また、当然のことながら、アノード室及びカソード室間のガスリークも発生しなかった。

これにより、この実施例における固体電解質型燃料電池１及びこれを積層して成るスタック構造体が、要求される柔軟性を従来同様に保持しつつ、優れた耐久性を有していることが実証できた。

［実施例２］
図５は、本発明の固体電解質型燃料電池の他の実施例を示しており、図５に示すように、この実施例の固体電解質型燃料電池２１が、先の実施例の固体電解質型燃料電池１と相違するところは、接合体３０が、厚さ０．４ｍｍで且つ幅４ｍｍの四角形断面を有する外径φ８０ｍｍのリング状を成すフェライト系ステンレス（ＳＵＳ４３０）製の接合部３１と、厚さ１．０ｍｍで且つ幅４ｍｍの四角形断面を有する外径φ１００ｍｍのリング状を成すフェライト系ステンレス（ＳＵＳ４３０）製の接合部３３とを、応力緩和部３２としての厚み５０μｍのフェライト系ステンレス（ＳＵＳ４３０）箔で接合して成っている点にあり、他の構成は先の実施例と同じである。

この実施例における固体電解質型燃料電池２１を積層して成るスタック構造体を、先の実施例と同様に、室温から７００℃の範囲で運転させたところ、３０回の昇降温を繰り返しても、単セル２及びセル支持板６のみならず、単セル２と接合体３０の接合部３１との接合部分にも亀裂などの不具合が生じることはなかった。

したがって、この実施例における固体電解質型燃料電池２１及びこれを積層して成るスタック構造体も、要求される柔軟性を従来同様に保持しつつ、優れた耐久性を有していることが実証できた。

［実施例３］
図６は、本発明の固体電解質型燃料電池のさらに他の実施例を示しており、図６に示すように、この実施例の固体電解質型燃料電池４１が、先の実施例の固体電解質型燃料電池１と相違するところは、接合体５０の応力緩和部５２をその断面が鉤形状となるように成形した点にあり、他の構成は先の実施例と同じである。

この実施例における固体電解質型燃料電池４１を積層して成るスタック構造体を、先の実施例と同様に、室温から７００℃の範囲で運転させたところ、３０回の昇降温を繰り返しても、単セル２及びセル支持板６のみならず、単セル２と接合体５０の接合部５１との接合部分にも亀裂などの不具合が生じることはなかった。

したがって、この実施例における固体電解質型燃料電池４１及びこれを積層して成るスタック構造体も、要求される柔軟性を従来同様に保持しつつ、優れた耐久性を有していることが実証できた。

［実施例４］
図７は、本発明の固体電解質型燃料電池のさらに他の実施例を示しており、図７に示すように、この実施例の固体電解質型燃料電池６１が、先の実施例の固体電解質型燃料電池１と相違するところは、接合体７０の応力緩和部７２をその断面が波形となるように成形した点にあり、他の構成は先の実施例と同じである。

この実施例における固体電解質型燃料電池６１を積層して成るスタック構造体を、先の実施例と同様に、室温から７００℃の範囲で運転させたところ、３０回の昇降温を繰り返しても、単セル２及びセル支持板６のみならず、単セル２と接合体７０の接合部７１との接合部分にも亀裂などの不具合が生じることはなかった。

したがって、この実施例における固体電解質型燃料電池６１及びこれを積層して成るスタック構造体も、要求される柔軟性を従来同様に保持しつつ、優れた耐久性を有していることが実証できた。

［実施例５］
図８は、本発明のさらに他の実施例における固体電解質型燃料電池８１の金属製セパレータ８７及びこのセパレータ８７を支持する金属製セパレータ支持板８８を示している。この実施例では、セパレータ８７とセパレータ支持板８８との間にも接合体９０を設けており、他の構成は先の実施例１と同じである。

この実施例において、セパレータ８７及びセパレータ支持板８８には、いずれも肉厚１００μｍのフェライト系ステンレス（ＳＵＳ４３０）を用いた。

セパレータ８７とセパレータ支持板８８との間に位置する接合体９０は、厚さ０．４ｍｍで且つ幅４ｍｍの四角形断面を有する外径φ８０ｍｍのリング状を成すフェライト系ステンレス（ＳＵＳ４３０）製の接合部９１と、厚さ０．４ｍｍで且つ幅４ｍｍの四角形断面を有する外径φ１００ｍｍのリング状を成すフェライト系ステンレス（ＳＵＳ４３０）製の接合部９３とを、応力緩和部９２としての厚み５０μｍのフェライト系ステンレス（ＳＵＳ４３０）箔で接合して成り、接合部９１，９３は、応力緩和部９２に対してニッケル／銀ロウによるロウ付けにより接合した。

この場合、接合体９０の応力緩和部９２をその断面が波形となるように成形した。

そして、セパレータ８７と接合体９０の接合部９１とを接合すると共に、接合体９０の接合部９３とセパレータ支持板８８とを接合して、この実施例の固体電解質型燃料電池８１を得た。

次いで、図９に示すように、このようにして得た固体電解質型燃料電池８１を順次積層し、セル支持板６及びセパレータ支持板８８をステンレス製のフレーム９にＢＳＡＣガラス１４を介して接合固定して、１５段（図９では３段）のスタック構造体を得た。

そこで、上記スタック構造体における固体電解質型燃料電池８１の単セル２の空気極層４側に空気を供給すると共に、単セル２の燃料極層３側に水素を供給して、室温から７００℃の範囲で運転させたところ、３０回の昇降温を繰り返しても、単セル２及びセル支持板６のみならず、単セル２と接合体１０との接合部分や、セパレータ８７と接合体９０との接合部分にも亀裂などの不具合が生じることはなかった。また、当然のことながら、アノード室及びカソード室間のガスリークも発生しなかった。

これにより、この実施例における固体電解質型燃料電池８１及びこれを積層して成るスタック構造体が、要求される柔軟性を従来同様に保持しつつ、優れた耐久性を有していることが実証できた。

加えて、この実施例では、金属製のセパレータ８７及び金属製のセパレータ支持板８８が、いずれも柔軟性を保ち得るので、セパレータ８７と集電体８との間に接触不良が生じることが回避されることとなる。

上記した実施例では、本発明の固体電解質型燃料電池がいずれも円盤状を成している場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、四角形状を成していてもよい。

また、上記した実施例では、接合体の接合部及び応力緩和部をいずれもフェライト系ステンレスで形成した場合を例に挙げて説明したが、接合体の接合部及び応力緩和部を互いに異なる材料で形成して、応力緩和部のヤング率を接合部のヤング率よりも大きく設定するように成してもよく、例えば、接合体の接合部をフェライト系ステンレスから成るものとし、応力緩和部をオーステナイト系ステンレスから成るものとすることができる。

本発明の固体電解質型燃料電池の一実施例を示す平面説明図（ａ）及び断面説明図（ｂ）である。（実施例１） 図１の固体電解質型燃料電池の接合体を示す表裏からの全体斜視説明図（ａ），（ｂ）である。（実施例１） 図１の固体電解質型燃料電池を積層して成るスタック構造体の断面説明図である。（実施例１） 図３に示した集電体の全体斜視説明図である。（実施例１） 本発明の固体電解質型燃料電池の他の実施例を示す断面説明図である。（実施例２） 本発明の固体電解質型燃料電池のさらに他の実施例を示す断面説明図である。（実施例３） 本発明の固体電解質型燃料電池のさらに他の実施例を示す断面説明図である。（実施例４） 本発明のさらに他の実施例による固体電解質型燃料電池のセパレータを示す断面説明図である。（実施例５） 図８の固体電解質型燃料電池を積層して成るスタック構造体の断面説明図である。（実施例５）

符号の説明

１，２１，４１，６１，８１ 固体電解質型燃料電池
２ 単セル
３ 燃料極層（電極層）
４ 空気極層（電極層）
５ 電解質層
６ セル支持板
７，８７ セパレータ
８ 集電体
１０，３０，５０，７０，９０ 接合体
１１，１３，３１，３３，５１，７１，９１，９３ 接合部
１２，３２，５２，７２，９２ 応力緩和部
８８ セパレータ支持板

Claims (14)

1. 一対の電極層間に電解質層を挟み込んで形成した単セルと、この単セルを支持する金属製のセル支持板を備えた固体電解質型燃料電池において、単セルとセル支持板との間には、単セルに接合する高剛性の接合部と、この接合部の周囲に位置して接合部よりも剛性を低くした応力緩和部を有する接合体を設けたことを特徴とする固体電解質型燃料電池。
2. 単セルと集電体を介して接触する金属製のセパレータと、このセパレータを支持する金属製のセパレータ支持板を備え、セパレータとセパレータ支持板との間にも、セパレータに接合する高剛性の接合部と、この接合部の周囲に位置して接合部よりも剛性を低くした応力緩和部を有する接合体を設けた請求項１に記載の固体電解質型燃料電池。
3. 接合体の応力緩和部の周囲に位置してセル支持板又はセパレータ支持板と接合する接合部を、応力緩和部よりも高い剛性の接合部とした請求項１又は２に記載の固体電解質型燃料電池。
4. 接合体の応力緩和部を挟んで位置する接合部は、いずれも略同一の断面形状を成している請求項３に記載の固体電解質型燃料電池。
5. 接合体の接合部及び応力緩和部を同一の材料で形成した請求項１〜４のいずれか一つの項に記載の固体電解質型燃料電池。
6. 接合体の応力緩和部の肉厚を高剛性の接合部よりも薄くして剛性を低くしてある請求項５に記載の固体電解質型燃料電池。
7. 接合体の応力緩和部が断面溝形状を成している請求項６に記載の固体電解質型燃料電池。
8. 接合体の応力緩和部が断面鉤形状を成している請求項６に記載の固体電解質型燃料電池。
9. 接合体の応力緩和部が断面波形を成している請求項６に記載の固体電解質型燃料電池。
10. 接合部及び応力緩和部を一体で有する接合体がフェライト系ステンレスから成っている請求項１〜９のいずれか一つの項に記載の固体電解質型燃料電池。
11. 接合体の接合部及び応力緩和部を互いに異なる材料で形成し、応力緩和部のヤング率を接合部のヤング率よりも大きく設定した請求項１〜４のいずれか一つの項に記載の固体電解質型燃料電池。
12. 接合体の接合部がフェライト系ステンレスから成り、応力緩和部がオーステナイト系ステンレスから成っている請求項１１に記載の固体電解質型燃料電池。
13. 請求項１〜１２のいずれかに記載の固体電解質型燃料電池を製造するに際して、単セルとセル支持板との間に、高剛性の接合部及びこの接合部よりも剛性を低くした応力緩和部を有する接合体を配置し、接合体の接合部を単セルに接合すると共に、応力緩和部側をセル支持板に接合して、単セルとセル支持板とを結合することを特徴とする固体電解質型燃料電池の製造方法。
14. 請求項１〜１２のいずれかに記載の固体電解質型燃料電池を積層して成ることを特徴とする固体電解質型燃料電池のスタック構造体。

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