JP7263269B2 - Solid oxide electrochemical stack - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、固体酸化物形電気化学スタックに関する。 Embodiments of the present invention relate to solid oxide electrochemical stacks.
新エネルギーのひとつとして、水素が挙げられる。この水素の利用分野として、水素と酸素を電気化学的に反応させることにより、化学エネルギーを電気エネルギーに変換する燃料電池が注目されている。燃料電池は高いエネルギー利用効率を有し、大規模分散電源、家庭用電源、移動用電源として開発が進められている。 One of the new energies is hydrogen. Fuel cells, which convert chemical energy into electrical energy by electrochemically reacting hydrogen and oxygen, are attracting attention as a field of utilization of this hydrogen. Fuel cells have high energy utilization efficiency and are being developed as large-scale distributed power sources, household power sources, and mobile power sources.
燃料電池は、温度域や使用する材料・燃料の種類に応じて、固体高分子型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、などに分けられるが、効率などの観点から、固体酸化物から成る電解質を使用して電気化学反応により電気エネルギーを得る固体酸化物形燃料電池(SOFC)が注目されている。また、水素の製造においては、水の電気分解反応があるが、高温で水蒸気の状態で電気分解する、高温水蒸気電解法(SOEC)の研究が進められている。SOECの動作原理はSOFCの逆反応であり、同様に、固体酸化物から成る電解質を使用する。 Fuel cells are divided into solid polymer, phosphoric acid, molten carbonate, and solid oxide types, depending on the temperature range and the type of materials and fuels used. A solid oxide fuel cell (SOFC) that obtains electrical energy through an electrochemical reaction using an oxide electrolyte has attracted attention. In the production of hydrogen, there is an electrolysis reaction of water, and research is underway on a high-temperature steam electrolysis method (SOEC) in which water is electrolyzed at a high temperature in the form of water vapor. The operating principle of SOEC is the reverse reaction of SOFC and also uses an electrolyte consisting of solid oxides.
電気化学セルは、少なくとも、空気極と電解質と燃料極の積層体であり、各々異なる特性の材料を用いている。空気極と燃料極は多孔質であり、空気極と燃料極には緻密な電解質を境にそれぞれ異なるガスが供給される。空気極と燃料極は電気伝導体であり、電解質は電気を通さないイオン伝導体である。電気化学セルの形状は、平板型や円筒型、円筒平板型などがある。例えば、平板型の電気化学セルは、空気極、電解質、燃料極などを平板状に積層した形状のものである。 An electrochemical cell is a laminate of at least an air electrode, an electrolyte, and a fuel electrode, each using materials with different properties. The air electrode and the fuel electrode are porous, and different gases are supplied to the air electrode and the fuel electrode with a dense electrolyte interposed therebetween. The cathode and anode are electrical conductors, and the electrolyte is an ionic conductor that does not conduct electricity. The shape of the electrochemical cell includes a flat plate type, a cylindrical type, a cylindrical flat plate type, and the like. For example, a flat plate type electrochemical cell has a shape in which an air electrode, an electrolyte, a fuel electrode, and the like are laminated in a flat plate shape.
このセルを複数、集積したものは一般的にスタックと呼ばれる。例えば、平板型の電気化学セルの場合、スタックは複数の平板型セルを積層したものであり、各セルの空気極と燃料極に異なるガスを供給し、かつセル同士は電気的に直列に接続可能な構造を持つ。セルとセルの間はセパレータによって隔てられ、このセパレータによってセルごとのガスが区切られ、またセパレータは導電性なのでセル同士の電気的導通の役割も担う。また、各セルへのガスの供給・排出流路も一般的にセパレータ中に形成される。 A stack of a plurality of such cells is generally called a stack. For example, in the case of a flat plate electrochemical cell, the stack consists of a plurality of flat plate cells, different gases are supplied to the cathode and anode of each cell, and the cells are electrically connected in series. have a possible structure. Cells are separated from each other by separators, which separate the gas from each cell, and since the separators are conductive, they also play a role of electrical conduction between cells. Gas supply and discharge channels for each cell are also generally formed in the separator.
図4に、平板型電気化学セルを用いたスタックの構造の一例を示す。平板型電気化学セルとして燃料極支持型のセル15を一例とした。セルの空気極側・燃料極側に流すガスは特に問わないが、図4では発電を行う場合を想定して、セル15の空気極側に空気を、燃料極側に水素を流す例を示した。
FIG. 4 shows an example of a stack structure using planar electrochemical cells. A fuel electrode
セル15は、主に多孔質の空気極(酸素極)11、緻密な電解質12、多孔質の水素極(燃料極)13、多孔質な支持体14から構成されている。スタックにおいて、セル15が設置されている部分は緻密な電解質12があるため、この電解質12により水素極13と空気極11の雰囲気を隔離している。
The
一方、セル15が設置されていない部分は、なんらかの緻密な部材で水素極13と空気極11の雰囲気を隔離する必要がある。図4に示す例では、緻密なセパレータ21により隣接するセル15同士の雰囲気を隔離し、また、同一セル15の水素極13と空気極11の雰囲気については、セル15の緻密な電解質12の上に隔て板22を設けて水素極13と空気極11を隔てている。
On the other hand, it is necessary to separate the atmospheres of the
隔て板22とセパレータ21の接面や、隔て板22とセル15の接面、セパレータ21が複数のパーツから成る場合の接面などには、ガスリーク防止のためガスシール材31が配設されることが多い。ガスシール材31としては、例えば、ガラスシール材やコンプレッシブシール材などが用いられている。図4のスタック構成では、特にセル15の空気極11側は、空気を流すためのスペースを確保する必要があるため、ある程度の厚さを有するシール材31´が配設されている。
A
ガスシール材31、31´として用いられる材料は、運転温度である600~1000℃と言った高温で安定に使用可能なこと、セパレータ21等の接合部材と熱膨張係数が近いこと、絶縁性であること、などの条件を満たす必要があるため、非常に限られている。ガラスシール材はこれらの条件を満たすと考えられ有望視されており、多くのスタックで用いられている。
The materials used as the
ガラスシール材を含むSOFC、SOECのガスシール材の劣化挙動については未解明な部分が多いが、ガラスシール材はSOFCやSOECのガス雰囲気で劣化することが明らかになってきた。例えばホウ素は、ガラスシール材に必要とされる耐熱温度や熱膨張係数を調整するためにガラスシール材に含まれることが多い。しかし、ホウ素は水蒸気と反応し、ガラスシール材自体が劣化することに加え、蒸散したホウ素がセル等の他の部材と反応して劣化させる可能性がある。ホウ素以外の材料についても、明らかになっていない部分は多いが、SOFC・SOECのガスとの反応や、反応後の蒸散・別部材との反応が十分に考えられる。 The deterioration behavior of SOFC and SOEC gas seal materials including glass seal materials is largely unknown, but it has become clear that glass seal materials deteriorate in the gas atmosphere of SOFCs and SOECs. For example, boron is often included in the glass seal material to adjust the heat resistance temperature and thermal expansion coefficient required for the glass seal material. However, boron reacts with water vapor, degrading the glass sealing material itself, and the transpired boron may react with and degrade other members such as cells. Although many parts of materials other than boron are not clarified, it is fully conceivable that they react with SOFC/SOEC gases, evaporate after reaction, or react with other members.
したがって、固体酸化物形電気化学スタックの課題であるガラスシール材の劣化、およびガラスシール材の蒸散による周辺部材の劣化を簡便に防止することのできる技術の開発が求められている。 Therefore, there is a demand for the development of a technology that can easily prevent the deterioration of the glass seal material and the deterioration of the surrounding members due to the evaporation of the glass seal material, which are problems of solid oxide electrochemical stacks.
上記のように、固体酸化物形電気化学スタックでは、ガラスシール材の、SOFC・SOEC中を流れるガスとの反応を防止することで、シール自体の劣化や、シール成分の蒸散による周辺部材の劣化を防止し、効率低下を防ぐことができる。このため、従来の技術では、ガスとシール材の反応によるシール材の劣化を防ぐための保護部(めっきなど)の導入が提案されているが、ガスが激しく衝突する部分に限られており、シール材全体の保護にはなっていない。 As described above, in the solid oxide electrochemical stack, by preventing the glass seal material from reacting with the gas flowing through the SOFC/SOEC, deterioration of the seal itself and deterioration of surrounding members due to transpiration of the seal components are avoided. can be prevented, and a decrease in efficiency can be prevented. For this reason, in the prior art, it has been proposed to introduce a protective part (plating, etc.) to prevent deterioration of the sealing material due to the reaction between the gas and the sealing material, but this is limited to the parts where the gas collides violently. It does not protect the entire sealing material.
そこで、本発明の目的は、ガラスシール材の劣化、およびガラスシール材の蒸散による周辺部材の劣化を簡便に防止することのできる固体酸化物形電気化学スタックを提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide a solid oxide electrochemical stack that can easily prevent the deterioration of the glass seal material and the deterioration of surrounding members due to the evaporation of the glass seal material.
実施形態の固体酸化物形電気化学スタックは、多孔質な水素極と、多孔質な空気極と、緻密な電解質とを有する固体酸化物電気化学セルと、隣接して配設される前記固体酸化物電気化学セル同士を隔離するためのセパレータと、構成部材同士の接面のうち、スタック締結の加重が加わる平面状の接面で、気密封止する必要のある部位に配設されるガスシール材と、を備えた固体酸化物形電気化学スタックであって、前記ガスシール材は、ガラスシール材を含み、当該ガラスシール材が前記水素極及び前記空気極の供給ガス、及び反応生成ガスの流路に露出しない構成とされている。
A solid oxide electrochemical stack of an embodiment comprises a solid oxide electrochemical cell having a porous hydrogen electrode, a porous air electrode, and a dense electrolyte; Separators for isolating physical and electrochemical cells from each other, and gas seals that are placed in areas that need to be airtightly sealed, such as plane contact surfaces where the weight of stack fastening is applied among the contact surfaces of the constituent members. wherein said gas seal material comprises a glass seal material, said glass seal material supplying gas to said hydrogen electrode and said cathode, and reaction products. It is configured so as not to be exposed to the gas flow path.
以下、図面を参照して、実施形態に係る固体酸化物形電気化学スタックについて説明する。 Hereinafter, solid oxide electrochemical stacks according to embodiments will be described with reference to the drawings.
(第1実施形態)
図1は、第1実施形態に係る固体酸化物形電気化学スタックの断面概略構成を示している。なお、図1では、平板型スタックを例に挙げているが、スタック形状は平板型に限らない。例えば、円筒型のものであってもよい。
(First embodiment)
FIG. 1 shows a schematic cross-sectional structure of a solid oxide electrochemical stack according to the first embodiment. In addition, in FIG. 1, a flat plate type stack is taken as an example, but the stack shape is not limited to the flat plate type. For example, it may be cylindrical.
図1に示すように、平板型のセル15は、多孔質の空気極11、緻密な電解質12、多孔質の水素極13、多孔質の支持体14を積層した構造である。空気極11、水素極13、支持体14の内部はガスが通過可能であるが、電解質12の内部はガスが通過しない。なお、平板型スタックの全体平面形状は、例えば矩形状とされている。また、セル15の上下には、図示しない集電体が配設される場合が多い。
As shown in FIG. 1, the
固体酸化物形電気化学スタックでは、緻密なセパレータ21により隣接するセル15同士の雰囲気を隔離している。また、同一セル15の水素極13と空気極11の雰囲気については、セル15の緻密な電解質12の上に、隔て板22を設けて水素極13と空気極11とを隔離している。セル15の外周部には、セル15の積層方向に沿って貫通するガス流路23が設けられている。このガス流路23は、水素極13及び空気極11の供給ガス、及び反応生成ガスの流路となる。
In a solid oxide electrochemical stack,
隔て板22とセパレータ21の接面や、隔て板22とセル15の接面、セパレータ21が複数のパーツから成る場合の接面等のうち気密封止をする必要のある部位には、ガスリーク防止のためガラスシール材32が配設されている。ガラスシール材32は、水素極13及び空気極11の供給ガス、及び反応生成ガスの流路に露出しない構成とされており、これによって、ガラスシール材32とガスとの接触を防止する構成となっている。
Among the contact surfaces between the
すなわち、ガラスシール材32は、接面の外縁よりも内側に配設されており、接面を周囲から見たときに、外部からは見えない内部にのみガラスシール材32が配設されている。例えば、図2に示す平面図のように、他部材と当接する接面の形状が略矩形の枠状で、中央部にセル15が配設される空間があり、四辺に沿ってガス流路23を有するセパレータ121があった時に、このセパレータ121の接面の外縁及びガス流路23の回り(外縁部分)にガラスシール材32を配設しない部分を設けて、その他の部分にのみガラスシール材32を配設した構成となっている。
In other words, the
この場合、前述したとおり、ガス流路23は、水素極13及び空気極11の供給ガス、及び反応生成ガスの流路となる部位である。また、中央部の空間は、セル15が配設される部位であり、ここも水素極13及び空気極11の供給ガス、及び反応生成ガスの流路となる部位である。したがって、ガラスシール材32が、水素極13及び空気極11の供給ガス、及び反応生成ガスの流路に露出しない構成となっている。なお、外周縁部は、外気と接触する可能性のある部位になるが、上記したガスの流路の場合と同様な構成とすることができる。
In this case, as described above, the
ガラスシール材32は、一般的に非常に薄く(厚さが例えば、数ミクロンから数十ミクロン程度)塗布するので、スタック締結の加重によりガラスシール材32を塗らずに残した接面の部分の部材同士は密着すると考えられ、この部材同士の密着により、ガラスシール材32へのガスの接触を簡便に防ぐことができる。
Since the
一方で、セル15の空気極11側は、空気を流すためのスペースを確保するため、シール材に厚さが必要であり、ガラスシール材32を単体で用いた場合、外周部の密着によるガスとの接触防止が難しい。
On the other hand, on the
このため、水素極13及び空気極11の供給ガス、及び反応生成ガスとの反応性の低いシール材、例えばコンプレッシブシール材33を併用する。コンプレッシブシール材33は、接面でのリークがガラスシール材32に比べ大きいことが知られている。そのため、コンプレッシブシール材33と他部材との接面にガラスシール材32を配設することで、接面からのガスのリークを防止することができる。
For this reason, a sealing material having low reactivity with the supply gas of the
この場合も、ガラスシール材32のガスとの接触による劣化を防ぐために、ガラスシール材32は、水素極13及び空気極11の供給ガス、及び反応生成ガスの流路に露出しない構成とする。これによって、ガラスシール材32とガスとの接触を防止することができる。
Also in this case, in order to prevent deterioration of the
すなわち、上述したガラスシール材32を単体で使用した場合と同様に、ガラスシール材32は、接面の外縁よりも内側に配設されており、接面を周囲から見たときに、外部からは見えない内部にのみガラスシール材32が配設されている。
That is, as in the case where the
コンプレッシブシール材33の併用によりガラスシール材32は非常に薄くできるため、ガラスシール材32を塗らずに残した接面の部分の部材同士は密着すると考えられ、ガラスシール材32へのガスの接触を防止することができる。
Since the
(第2実施形態)
図3は、第2実施形態に係る固体酸化物形電気化学スタックの要部断面概略構成を示しており、図1に示した第1実施形態に係る固体酸化物形電気化学スタックと対応する部分には同一の符号が付してある。なお、図3では平板型スタックを例に挙げているが、スタック形状は平板型に限らない。
(Second embodiment)
FIG. 3 shows a schematic cross-sectional configuration of a main part of a solid oxide electrochemical stack according to the second embodiment, and the part corresponding to the solid oxide electrochemical stack according to the first embodiment shown in FIG. are given the same reference numerals. Note that FIG. 3 shows a flat plate stack as an example, but the shape of the stack is not limited to the flat plate type.
第2実施形態に係る固体酸化物形電気化学スタックでは、ガラスシール材34、厚さの必要なガラスシール材34´の材質や位置は図4に示した従来型スタックと同様であるが、第2実施形態に係る固体酸化物形電気化学スタックでは、ガラスシール材34および厚さの必要なガラスシール材34´の側面(露出する面)に反応防止層40が配設されている。したがって、ガラスシール材34、及び厚さの必要なガラスシール材34´は、水素極13及び空気極11の供給ガス、及び反応生成ガスの流路に露出しない構成とされている。
In the solid oxide electrochemical stack according to the second embodiment, the materials and positions of the
この反応防止層40により、ガラスシール材34および厚さの必要なガラスシール材34´に対するガスの接触を防止し、ガスとの接触によりガラスシール材34および厚さの必要なガラスシール材34´が劣化することを防止できる。反応防止層40を構成する材料としては、ガスとの反応性の低い材料であって、必要な耐熱性を有し、熱膨張係数が他の部材と近いもの、例えば、熱膨張係数が8×10-6/K~12×10-6/Kの範囲内のセラミック材料等を用いることが好ましい、例えばコバルト系のスピネルなどは好適に用いることができる。
The
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the invention have been described above, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and modifications can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the scope of the invention described in the claims and equivalents thereof.
11……空気極、12……電解質、13……水素極、14……支持体、15……セル、21,121……セパレータ、22……隔て板、23……ガス流路、32……ガラスシール材、33……コンプレッシブシール材、34……ガラスシール材、34´……厚さの必要なガラスシール材、40……反応防止層。
11
Claims (5)
隣接して配設される前記固体酸化物電気化学セル同士を隔離するためのセパレータと、
構成部材同士の接面のうち、スタック締結の加重が加わる平面状の接面で、気密封止する必要のある部位に配設されるガスシール材と、
を備えた固体酸化物形電気化学スタックであって、
前記ガスシール材は、ガラスシール材を含み、当該ガラスシール材が前記水素極及び前記空気極の供給ガス、及び反応生成ガスの流路に露出しない構成とされている
ことを特徴とする固体酸化物形電気化学スタック。 A solid oxide electrochemical cell having a porous hydrogen electrode, a porous air electrode, and a dense electrolyte;
a separator for isolating the adjacent solid oxide electrochemical cells;
A gas sealing material disposed at a portion of the contact surfaces between the constituent members that need to be airtightly sealed on the planar contact surfaces to which the weight of stack fastening is applied ;
A solid oxide electrochemical stack comprising:
The gas sealing material includes a glass sealing material, and the glass sealing material is configured so as not to be exposed to flow paths of the supply gas and the reaction product gas of the hydrogen electrode and the air electrode. Physical electrochemical stack .
ことを特徴とする請求項1に記載の固体酸化物形電気化学スタック。 2. The solid oxide type according to claim 1, wherein the glass sealing material is disposed inside the portions facing the flow paths of the supply gas and the reaction product gas of the hydrogen electrode and the air electrode. electrochemical stack.
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の固体酸化物形電気化学スタック。 3. The solid oxide electrochemical stack according to claim 1, wherein the sealing material having low reactivity with gas and the glass sealing material are used in combination.
ことを特徴とする請求項1に記載の固体酸化物形電気化学スタック。 2. A reaction prevention layer covering the outer side of the glass sealing material is provided at portions of the hydrogen electrode and the air electrode facing flow paths of the supply gas and the reaction product gas. A solid oxide electrochemical stack as described in .
熱膨張係数を有する
ことを特徴とする請求項4に記載の固体酸化物形電気化学スタック。 5. The solid oxide type electricity according to claim 4, wherein the material constituting the reaction prevention layer has a thermal expansion coefficient within the range of 8×10 −6 /K to 12×10 −6 /K. chemical stack.
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