JP6773526B2 - Interconnector-electrochemical reaction single cell complex and electrochemical reaction cell stack - Google Patents
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Description
本明細書によって開示される技術は、インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体に関する。 The techniques disclosed herein relate to interconnector-electrochemical reaction single cell complexes.
燃料電池の種類の1つとして、固体酸化物形燃料電池(以下、「SOFC」という)が知られている。SOFCを構成するインターコネクタ−燃料電池単セル複合体(以下、単に「複合体」という)は、例えば、電解質層と電解質層を挟んで所定の方向(以下、「第1の方向」という)に互いに対向する空気極および燃料極とを含む燃料電池単セル(以下、単に「単セル」という)と、単セルの第1の方向に配置されたインターコネクタとを備える。複合体は、さらに、集電体とスペーサとを備える。集電体は、単セルとインターコネクタとの間に配置されるとともに、単セルに接触するセル接触部とインターコネクタに接触するインターコネクタ接触部とを含む。スペーサは、セル接触部とインターコネクタとの間と、インターコネクタ接触部と単セルとの間との少なくとも一方に配置されている。 As one of the types of fuel cells, solid oxide fuel cells (hereinafter referred to as "SOFC") are known. The interconnector-fuel cell single cell composite (hereinafter, simply referred to as “composite”) constituting the SOFC is, for example, in a predetermined direction (hereinafter, referred to as “first direction”) with the electrolyte layer and the electrolyte layer interposed therebetween. It includes a fuel cell single cell (hereinafter, simply referred to as “single cell”) including an air electrode and a fuel electrode facing each other, and an interconnector arranged in the first direction of the single cell. The complex further comprises a current collector and a spacer. The current collector is arranged between the single cell and the interconnector, and includes a cell contact portion that contacts the single cell and an interconnector contact portion that contacts the interconnector. The spacer is arranged at least one of the space between the cell contact portion and the interconnector and the space between the interconnector contact portion and the single cell.
集電体のスペーサ側の表面の表面粗さが小さいと、集電体に対してスペーサが位置ずれし易くなり、集電体に対するスペーサの位置ずれに起因してインターコネクタや電気化学反応単セルと集電体との電気的接続を良好に維持できなくなるおそれがある。これに対して、従来、集電体に対するスペーサの位置ずれを抑制するために、集電体のスペーサ側の表面の表面粗さを所定値以上にする技術が知られている(例えば特許文献1参照)。 If the surface roughness of the surface of the current collector on the spacer side is small, the spacer is likely to be misaligned with respect to the current collector, and the interconnector or electrochemical reaction single cell is caused by the misalignment of the spacer with respect to the current collector. There is a risk that the electrical connection between the current collector and the current collector cannot be maintained well. On the other hand, conventionally, in order to suppress the displacement of the spacer with respect to the current collector, there is known a technique of increasing the surface roughness of the surface of the current collector on the spacer side to a predetermined value or more (for example, Patent Document 1). reference).
上記従来技術のように、集電体のスペーサ側の表面の表面粗さが大きいと、スペーサと集電体との間の面圧が不均一になり、これに伴って、単セルやインターコネクタ(以下、「単セル等」という)と集電体との間の面圧が不均一になることによって、単セル等と集電体との電気的接続を良好に維持できなくなるおそれがある。 If the surface roughness of the surface of the current collector on the spacer side is large as in the conventional technique, the surface pressure between the spacer and the current collector becomes non-uniform, and as a result, a single cell or an interconnector If the surface pressure between the single cell or the like and the current collector becomes non-uniform, the electrical connection between the single cell or the like and the current collector may not be maintained well.
なお、このような課題は、SOFCに限らず、他のタイプの燃料電池にも共通の課題である。また、このような課題は、インターコネクタ−燃料電池単セル複合体に限らず、水の電気分解反応を利用して水素の生成を行う電解セルの最小構成単位である電解セルと、インターコネクタと、を備えるインターコネクタ−電解セル複合体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セルとをまとめて電気化学反応単セルといい、インターコネクタ−燃料電池単セル複合体とインターコネクタ−電解セル複合体とをまとめてインターコネクタ−電気化学反応単セル複合体という。 It should be noted that such a problem is common not only to SOFC but also to other types of fuel cells. Further, such a problem is not limited to the interconnector-fuel cell single cell composite, but the electrolytic cell, which is the minimum constituent unit of the electrolytic cell that generates hydrogen by utilizing the electrolysis reaction of water, and the interconnector. It is also a common issue for interconnector-electrolytic cell complexes with. In the present specification, the fuel cell single cell and the electrolytic cell are collectively referred to as an electrochemical reaction single cell, and the interconnector-fuel cell single cell composite and the interconnector-electrolytic cell composite are collectively referred to as an interconnector-. It is called an electrochemical reaction single cell complex.
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インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体は、電解質層と、前記電解質層を挟んで第1の方向に互いに対向する空気極および燃料極と、を含む電気化学反応単セルと、前記電気化学反応単セルの前記第1の方向に配置されたインターコネクタと、前記電気化学反応単セルと前記インターコネクタとの間に配置された導電性の集電体であって、前記電気化学反応単セルに接触するセル接触部と、前記インターコネクタに接触するインターコネクタ接触部とを含む集電体と、前記セル接触部と前記インターコネクタとの間と、前記インターコネクタ接触部と前記電気化学反応単セルとの間との少なくとも一方に配置されたスペーサと、を備えるインターコネクタ−電気化学反応単セル複合体において、前記集電体の前記スペーサ側の表面は、当該表面の縁部を含む縁側領域と、前記縁側領域より前記表面の中央側に位置する中央側領域とを含み、表面形状において互いに隣り合う山と谷との高低差の最大値である最大高低差は、前記縁側領域の方が前記中央側領域より大きく、かつ、前記中央側領域における10点平均粗さは、前記縁側領域の前記縁部に沿った第2の方向に並ぶ複数箇所のそれぞれにおける前記第2の方向視の前記最大高低差の平均値より小さい。本インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体によれば、表面形状において互いに隣り合う山と谷との高低差の最大値である最大高低差(Zm)は、縁側領域の方が中央側領域より大きい。このことは、縁側領域には、中央側領域に比べて、高低差が大きい凸部が存在することを意味する。また、中央側領域における10点平均粗さ(Rzjis)は、縁側領域の縁部に沿った第2の方向に並ぶ複数箇所のそれぞれにおける第2の方向視の最大高低差の平均値より小さい。このことは、主に導通経路として機能する中央側領域が縁側領域に比べて表面が平滑であることを意味する。これにより、中央側領域の表面粗さ(凹凸形状)に起因してインターコネクタや電気化学反応単セルと集電体との電気的接続が不良になることを抑制することができる。さらに、縁側領域の凹凸によって集電体に対するスペーサの位置ずれに起因してインターコネクタや電気化学反応単セルと集電体との電気的接続が不良になることを抑制することができる。 (1) The interconnector-electrochemical reaction single cell composite disclosed in the present specification includes an electrolyte layer and electricity including an air electrode and a fuel electrode facing each other in a first direction across the electrolyte layer. With a chemical reaction single cell, an interconnector arranged in the first direction of the electrochemical reaction single cell, and a conductive current collector arranged between the electrochemical reaction single cell and the interconnector. A current collector including a cell contact portion in contact with the electrochemical reaction single cell and an interconnector contact portion in contact with the interconnector, and between the cell contact portion and the interconnector, and the inter. In an interconnector-electrochemical reaction single cell composite comprising a spacer arranged at at least one between the connector contact portion and the electrochemical reaction single cell, the surface of the current collector on the spacer side is: The maximum height, which is the maximum value of the height difference between the peaks and valleys adjacent to each other in the surface shape, including the edge side region including the edge portion of the surface and the center side region located on the center side of the surface from the edge side region. The difference is that the edge side region is larger than the central side region, and the 10-point average roughness in the central side region is each of a plurality of locations arranged in the second direction along the edge portion of the edge side region. It is smaller than the average value of the maximum height difference in the second direction view in. According to this interconnector-electrochemical reaction single cell composite, the maximum height difference (Zm), which is the maximum value of the height difference between adjacent peaks and valleys in the surface shape, is larger in the veranda region than in the central region. large. This means that the edge side region has a convex portion having a larger height difference than the central side region. Further, the 10-point average roughness (Rzjis) in the central region is smaller than the average value of the maximum height difference in the second direction at each of the plurality of locations arranged in the second direction along the edge of the veranda region. This means that the central region, which mainly functions as a conduction path, has a smoother surface than the veranda region. As a result, it is possible to prevent the electrical connection between the interconnector or the electrochemical reaction single cell and the current collector from becoming poor due to the surface roughness (concavo-convex shape) of the central region. Further, it is possible to prevent the electrical connection between the interconnector or the electrochemical reaction single cell and the current collector from becoming poor due to the displacement of the spacer with respect to the current collector due to the unevenness of the edge side region.
(2)上記インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体において、前記中央側領域において、前記最大高低差と前記10点平均粗さとの差は、1(μm)以下である構成としてもよい。本インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体によれば、中央側領域において、最大高低差と10点平均粗さとの差が、1(μm)より大きい場合に比べて、中央側領域の表面粗さに起因してインターコネクタや電気化学反応単セルと集電体との電気的接続が不良になることを、より確実に抑制することができる。 (2) In the interconnector-electrochemical reaction single cell composite, the difference between the maximum height difference and the 10-point average roughness in the central region may be 1 (μm) or less. According to this interconnector-electrochemical reaction single cell composite, the surface roughness of the central region is larger than that of the difference between the maximum height difference and the 10-point average roughness of 1 (μm) in the central region. It is possible to more reliably suppress the failure of the electrical connection between the interconnector or the electrochemical reaction single cell and the current collector due to the above.
(3)上記インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体において、前記縁側領域における前記最大高低差は、10(μm)より大きい構成としてもよい。本インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体によれば、縁側領域における前記最大高低差が10(μm)以下である場合に比べて、集電体に対するスペーサの位置ずれに起因してインターコネクタや電気化学反応単セルと集電体との電気的接続が不良になることとを、より確実に抑制することができる。 (3) In the interconnector-electrochemical reaction single cell composite, the maximum height difference in the veranda region may be larger than 10 (μm). According to this interconnector-electrochemical reaction single cell composite, the interconnector and the interconnector are caused by the displacement of the spacer with respect to the current collector as compared with the case where the maximum height difference in the veranda region is 10 (μm) or less. It is possible to more reliably suppress the failure of the electrical connection between the electrochemical reaction single cell and the current collector.
(4)上記インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体において、前記中央側領域における前記10点平均粗さは、4(μm)未満である構成としてもよい。本インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体によれば、中央側領域における10点平均粗さが4(μm)以上である場合に比べて、中央側領域の表面粗さに起因してインターコネクタや電気化学反応単セルと集電体との電気的接続が不良になることを、より確実に抑制することができる。 (4) In the interconnector-electrochemical reaction single cell composite, the 10-point average roughness in the central region may be less than 4 (μm). According to this interconnector-electrochemical reaction single cell composite, the interconnector is caused by the surface roughness of the central region as compared with the case where the 10-point average roughness in the central region is 4 (μm) or more. And electrochemical reaction It is possible to more reliably suppress the failure of the electrical connection between the single cell and the current collector.
(5)上記インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体において、前記スペーサは、前記第1の方向視で、前記集電体の前記スペーサ側の表面からはみ出した部分を含む構成としてもよい。本インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体によれば、スペーサが、第1の方向視で、集電体のスペーサ側の表面からはみ出した部分を含まない場合に比べて、スペーサを挟む導電性部材同士(例えば集電体のセル接触部とインターコネクタ接触部)が接触することを抑制することができる。さらに、集電体の縁側領域が確実にスペーサと接触することができるので、集電体に対するスペーサの位置ずれに起因してインターコネクタや電気化学反応単セルと集電体との電気的接続が不良になることとを、より確実に抑制することができる。 (5) In the interconnector-electrochemical reaction single cell composite, the spacer may include a portion of the current collector that protrudes from the surface of the current collector on the spacer side in the first directional view. According to this interconnector-electrochemical reaction single cell composite, the spacer sandwiches the spacer as compared with the case where the spacer does not include a portion protruding from the surface of the current collector on the spacer side in the first directional view. It is possible to prevent the members from coming into contact with each other (for example, the cell contact portion of the current collector and the interconnector contact portion). Furthermore, since the edge region of the current collector can be reliably contacted with the spacer, the electrical connection between the interconnector or the electrochemical reaction single cell and the current collector due to the displacement of the spacer with respect to the current collector can be established. It is possible to more reliably suppress the deterioration.
(6)上記電気化学反応セルスタックにおいて、前記第1の方向に並べて配列された複数のインターコネクタ−電気化学反応単セル複合体を備える電気化学反応セルスタックにおいて、前記複数のインターコネクタ−電気化学反応単セル複合体の少なくとも1つは、請求項1から請求項5までのいずれか一項に記載のインターコネクタ−電気化学反応単セル複合体である構成としてもよい。
(6) In the electrochemical reaction cell stack, in the electrochemical reaction cell stack including a plurality of interconnectors-electrochemical reaction single cell composites arranged side by side in the first direction, the plurality of interconnectors-electrochemistry At least one of the reaction single-cell complexes may be configured to be the interconnector-electrochemical reaction single-cell complex according to any one of
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、インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体(インターコネクタ−燃料電池単セル複合体またはインターコネクタ−電解単セル複合体)、インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体を備える電気化学反応単位(燃料電池発電単位または電解セル単位)、複数のインターコネクタ−電気化学反応単セルまたは電気化学反応単位を備える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)、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 techniques disclosed herein can be realized in various forms, for example, an interconnector-electrochemical reaction single cell complex (interconnector-fuel cell single cell complex or interconnector-. Electrolytic single cell complex), interconnector-electrochemical reaction electrochemical reaction unit (fuel cell power generation unit or electrolytic cell unit) having an electrochemical reaction single cell complex, multiple interconnectors-electrochemical reaction single cell or electrochemical reaction unit It can be realized in the form of an electrochemical reaction cell stack (fuel cell stack or electrolytic cell stack) provided, a method for producing them, and the like.
A.第1実施形態:
A−1.構成:
(燃料電池スタック100の構成)
図1は、燃料電池スタック100の構成を概略的に示す外観構成を示す斜視図である。図1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いい、Z軸負方向を下方向というものとするが、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2以降についても同様である。燃料電池スタック100は、特許請求の範囲における電気化学反応セルスタックに相当する。
A. First Embodiment:
A-1. Constitution:
(Structure of fuel cell stack 100)
FIG. 1 is a perspective view showing an external configuration schematically showing the 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)発電単位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。なお、上記配列方向(上下方向)は、特許請求の範囲における第1の方向に相当する。
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方向回りの周縁部には、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という場合がある。各連通孔108には上下方向に延びるボルト22が挿入されており、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。
A plurality of holes (eight in this embodiment) penetrating in the vertical direction are formed on the peripheral edge of each layer (
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。燃料電池スタック100のZ方向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が挿入された連通孔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供給マニホールド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が挿入された連通孔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(図2参照)。なお、本実施形態では、酸化剤ガスOGとして、例えば空気が使用される。
The outer diameter of the shaft portion of each
また、燃料電池スタック100のZ方向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が挿入された連通孔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供給マニホールド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が挿入された連通孔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, with the bolt 22 (
(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2から図5は、発電単位102の構成を概略的に示す説明図である。図2には、図1、図4および図5のII−IIの位置における発電単位102の断面構成を示しており、図3には、図1、図4および図5のIII−IIIの位置における発電単位102の断面構成を示しており、図4には、図2のIV−IVの位置における発電単位102の断面構成を示しており、図5には、図2のV−Vの位置における発電単位102の断面構成を示している。なお、図2および図3には、一部の断面を拡大して示している。
(Structure of power generation unit 102)
2 to 5 are explanatory views schematically showing the configuration of the
図2および図3に示すように、発電の最小単位である発電単位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方向回りの周縁部には、上述したボルト22が挿入される連通孔108に対応する孔が形成されている。
As shown in FIGS. 2 and 3, 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。
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、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。単セル110は、特許請求の範囲における電気化学反応単セルに相当する。
The
電解質層112は、略矩形の平板形状部材であり、少なくともZrを含んでおり、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)、CaSZ(カルシア安定化ジルコニア)等の固体酸化物により形成されている。空気極114は、略矩形の平板形状部材であり、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、略矩形の平板形状部材であり、例えば、Ni(ニッケル)、Niとセラミック粒子からなるサーメット、Ni基合金等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(発電単位102)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。
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。セパレータ120における孔121の周囲部分は、電解質層112における空気極114の側の表面の周縁部に対向している。セパレータ120は、その対向した部分に配置されたロウ材(例えばAgロウ)により形成された接合部124により、電解質層112(単セル110)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、単セル110の周縁部における一方の電極側から他方の電極側へのガスのリークが抑制される。なお、セパレータ120が接合された単セル110をセパレータ付き単セルともいう。
The
図2から図4に示すように、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。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、酸化剤ガス供給マニホールド161と空気室166とを連通する酸化剤ガス供給連通孔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孔133とが形成されている。
As shown in FIGS. 2 to 4, the air
図2、図3および図5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の孔141は、燃料極116に面する燃料室176を構成する。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。また、燃料極側フレーム140には、燃料ガス供給マニホールド171と燃料室176とを連通する燃料ガス供給連通孔142と、燃料室176と燃料ガス排出マニホールド172とを連通する燃料ガス排出連通孔143とが形成されている。
As shown in FIGS. 2, 3 and 5, the fuel
図2、図3および図5に示すように、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。具体的には、燃料極側集電体144は、略矩形の平板形状の部材に切り込みを入れ、複数の略矩形部分を曲げ起こすように加工することにより製造される。曲げ起こされた略矩形部分が電極対向部145となり、曲げ起こされた部分以外の穴あき状態の平板部分がインターコネクタ対向部146となり、電極対向部145とインターコネクタ対向部146とをつなぐ部分が連接部147となる。なお、図5における部分拡大図では、燃料極側集電体144の製造方法を示すため、複数の方形部分の一部の曲げ起こし加工が完了する前の状態を示している。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、例えばマイカにより形成されたスペーサ149が配置されている。このように、スペーサ149は、弾性を有することが好ましい。これにより、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。なお、スペーサ149は、絶縁性を有していてもよい。燃料極側集電体144は、特許請求の範囲における集電体に相当し、電極対向部145は、特許請求の範囲におけるセル接触部に相当し、インターコネクタ対向部146は、特許請求の範囲におけるインターコネクタ接触部に相当する。
As shown in FIGS. 2, 3 and 5, the fuel electrode side
図2から図4に示すように、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とインターコネクタ150とが一体の部材として形成されていてもよい。単セル110と燃料極側フレーム140と燃料極側集電体144とインターコネクタ150(燃料極側集電体144と接触するインターコネクタ150)とを含む構成体は、インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体(いわゆるカセット)に相当する。
As shown in FIGS. 2 to 4, the air electrode side
A−2.燃料電池スタック100における発電動作:
図2に示すように、酸化剤ガス供給マニホールド161に酸化剤ガスOGが供給されると、酸化剤ガスOGは、酸化剤ガス供給マニホールド161から各発電単位102の酸化剤ガス供給連通孔132を経て、空気室166に供給される。また、図3に示すように、燃料ガス供給マニホールド171に燃料ガスFGが供給されると、燃料ガスFGは、燃料ガス供給マニホールド171から各発電単位102の燃料ガス供給連通孔142を経て、燃料室176に供給される。
A-2. Power generation operation in the fuel cell stack 100:
As shown in FIG. 2, when the oxidant gas OG is supplied to the oxidant
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および燃料ガスFGの電気化学反応による発電が行われる。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、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(例えば摂氏700度から1000度)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に示すように、空気室166から酸化剤ガス排出連通孔133、酸化剤ガス排出マニホールド162を経て、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OFGは、図3に示すように、燃料ガス排出連通孔143および燃料ガス排出マニホールド172を経て、燃料電池スタック100の外部に排出される。
As shown in FIG. 2, the oxidant off-gas OOG discharged from the
A−3.燃料極側集電体144の表面形状:
上述したように、燃料極側集電体144は、平板形状の部材に切り込みを入れ、複数の略矩形部分を曲げ起こすように加工することにより製造され、その曲げ起こされた略矩形部分が電極対向部145となる(図5の部分拡大図参照)。この電極対向部145の内、スペーサ149と対向する表面(以下、「スペーサ側表面145A」という)の表面形状は次の通りである。なお、スペーサ側表面145Aは、特許請求の範囲における集電体のスペーサ側の表面に相当する。
A-3. Surface shape of
As described above, the fuel electrode side
図6は、曲げ起こされる前の電極対向部145(略矩形部分)のスペーサ側表面145Aを示す説明図であり、図7は、図5のVII−VIIの位置における燃料極側集電体144の断面構成(XZ断面)を示す説明図である。以下、図6に示すように、電極対向部145のスペーサ側表面145Aの内、切り込みにより切断された3辺に沿って延びている表面領域を「縁側領域E2」といい、当該縁側領域E2よりスペーサ側表面145Aの中央側に位置する矩形状の表面領域を「中央側領域E1」という。なお、縁側領域E2の幅D(上記各辺に直交する方向の寸法)は、例えば0.2(mm)以下であることが好ましい。
FIG. 6 is an explanatory view showing the
スペーサ側表面145Aにおける中央側領域E1と縁側領域E2との表面形状(表面状態)について、次の第1の条件および第2の条件の両方が成り立つ。
<第1の条件>
縁側領域E2の最大高低差Zm(2) > 中央側領域E1の最大高低差Zm(1)
なお、最大高低差Zmは、表面形状において互いに隣接する山と谷との高低差の最大値である。隣接する山と谷との高低差(曲線の要素高さZt)の定義は、JIS B 0601 2013に準拠するものとする。縁側領域E2の最大高低差Zm(2)は、縁側領域E2全体における最大高低差Zmであり、中央側領域E1の最大高低差Zm(1)は、中央側領域E1全体における最大高低差Zmである。
Regarding the surface shape (surface state) of the central region E1 and the edge region E2 on the
<First condition>
Maximum height difference Zm (2) in the veranda region E2> Maximum height difference Zm (1) in the central region E1
The maximum height difference Zm is the maximum value of the height difference between peaks and valleys adjacent to each other in the surface shape. The definition of the height difference between adjacent peaks and valleys (element height Zt of the curve) shall be in accordance with JIS B 0601 2013. The maximum height difference Zm (2) of the veranda region E2 is the maximum height difference Zm in the entire veranda region E2, and the maximum height difference Zm (1) of the central region E1 is the maximum height difference Zm in the entire central region E1. is there.
<第2の条件>
中央側領域E1における10点平均粗さRzjis < 縁側領域E2における最大高低差Zmの平均値
なお、10点平均粗さRzjisの定義は、JIS B 0601 2013に準拠するものとし、例えば、基準長さにおいて、輪郭曲線の最大の山高さから5番目までの平均と、最深の谷深さからの5番目までの平均との和である。
縁側領域E2における最大高低差Zmの平均値は、縁側領域E2の長手方向に並ぶ複数箇所のそれぞれにおける当該長手方向視の最大高低差Zmの平均値である。
<Second condition>
10-point average roughness Rzjis in the central region E1 <Average value of the maximum height difference Zm in the edge region E2 The definition of the 10-point average roughness Rzjis shall be based on JIS B 0601 2013, for example, the reference length. Is the sum of the average from the maximum peak height to the fifth of the contour curve and the average from the deepest valley depth to the fifth.
The average value of the maximum height difference Zm in the veranda region E2 is the average value of the maximum height difference Zm in the longitudinal direction at each of the plurality of locations arranged in the longitudinal direction of the veranda region E2.
具体的には、本実施形態では、図6に示すように、例えば縁側領域E2の内、一の辺(Y軸方向に平行な辺)に沿った直線状の領域において、当該一の辺に沿った方向(Y軸方向 以下、「測定点並び方向」という)に所定間隔で並ぶ10箇所k(k1〜k10)が測定箇所とされる。直線状の領域の長手方向の長さは、上記10点平均粗さRzjisにおける基準長さと同じであることが好ましい。そして、各測定箇所kにおいて、測定点並び方向視の最大高低差Zmを特定する。ここで、図2の右下の部分拡大図は、図5のII−IIの位置における燃料極側集電体144の断面構成を示す説明図であり、図2の右下の部分拡大図には、一の測定箇所kについて、測定点並び方向視におけるスペーサ側表面145Aの表面形状が示されている。図2の右下の部分拡大図を使って簡易的に説明すると、縁側領域E2内には3つの山を有する輪郭曲線の要素高さZtが存在し、真ん中に位置する山の要素高さZtが、最大高低差Zm(Zm(2))とされる。そして、10点の測定箇所kのそれぞれの最大高低差Zmを求め、求められた10点の測定箇所kの最大高低差Zmの平均値を算出することにより、縁側領域E2における最大高低差Zmの平均値を特定することができる。なお、同部分拡大図中の符号Zm(1)は、中央側領域E1の最大高低差を意味するものとする。また、測定点並び方向は、特許請求の範囲における第2の方向に相当する。
Specifically, in the present embodiment, as shown in FIG. 6, for example, in a linear region along one side (a side parallel to the Y-axis direction) in the edge side region E2, the one side The measurement points are 10 points k (k1 to k10) arranged at predetermined intervals in the direction along the Y-axis direction (hereinafter referred to as “measurement point arrangement direction”). The length of the linear region in the longitudinal direction is preferably the same as the reference length in the above-mentioned 10-point average roughness Rzjis. Then, at each measurement point k, the maximum height difference Zm in the measurement point arrangement direction view is specified. Here, the lower right partially enlarged view of FIG. 2 is an explanatory view showing a cross-sectional configuration of the fuel electrode side
なお、スペーサ側表面145Aを、上記第1の条件および第2の条件の両方を満たす表面形状にする方法の一例は、次の通りである。すなわち、上述の平板形状の部材に対して、レーザ加工や刃(プレス)加工を用いて切り込みを入れる。これにより、平板形状の部材の内、切り込みの近傍にバリが生じることによって(図2、図3および図7参照)、スペーサ側表面145Aが、上記第1の条件および第2の条件の両方を満たす表面形状になる。なお、中央側領域E1の最大高低差Zm(1)や10点平均粗さRzjisは、上述の平板形状の部材の表面加工により調整することができる。縁側領域E2の最大高低差Zm(2)や最大高低差Zmの平均値は、レーザ加工におけるレーザ出力、レーザビームの幅や照射時間、また、刃加工における平板形状の部材に対する刃の角度(逃げ角)を変更することにより調整することができる。
An example of a method for forming the
なお、上記第1の条件および第2の条件における各値の一例は次の通りである。
中央側領域E1の最大高低差Zm(1):7.9(μm)
中央側領域E1における10点平均粗さRzjis:8.4(μm)
縁側領域E2の最大高低差Zm(2):20.6(μm)
縁側領域E2における最大高低差Zmの平均値:23.44(μm)
(各測定箇所の最大高低差Zm:20.6(μm),16.52(μm),25.61(μm),32.72(μm),26.25(μm),18.82(μm),32.09(μm),21.1(μm),25.39(μm),15.28(μm))
このように、中央側領域E1の最大高低差Zm(1)と中央側領域E1における10点平均粗さRzjisとの差は、1(μm)以下であることが好ましい。また、縁側領域E2の最大高低差Zm(2)は、10(μm)より大きいことが好ましい。なお、電極対向部145の内、燃料極116と対向する表面(以下、「電極側表面145B)という)全体の表面形状は、スペーサ側表面145Aの中央側領域E1と同程度であり、スペーサ側表面145Aの縁側領域E2との間で上記第1の条件および第2の条件の両方が成り立つものとする。
An example of each value under the first condition and the second condition is as follows.
Maximum height difference Zm (1): 7.9 (μm) of the central region E1
10-point average roughness Rzjis in the central region E1: 8.4 (μm)
Maximum height difference Zm (2) of veranda region E2: 20.6 (μm)
Mean value of maximum height difference Zm in veranda region E2: 23.44 (μm)
(Maximum height difference Zm at each measurement point: 20.6 (μm), 16.52 (μm), 25.61 (μm), 32.72 (μm), 26.25 (μm), 18.82 (μm) ), 32.09 (μm), 21.1 (μm), 25.39 (μm), 15.28 (μm))
As described above, the difference between the maximum height difference Zm (1) in the central region E1 and the 10-point average roughness Rzjis in the central region E1 is preferably 1 (μm) or less. Further, the maximum height difference Zm (2) of the veranda region E2 is preferably larger than 10 (μm). The surface shape of the entire surface of the
また、図2、図5および図7に示すように、本実施形態では、スペーサ149は、上下方向(Z軸方向)視で、燃料極側集電体144の電極対向部145のスペーサ側表面145Aからはみ出した部分149Aを含む。本実施形態では、スペーサ149は、電極対向部145を構成し、縁側領域E2を有する3辺からはみ出している。
Further, as shown in FIGS. 2, 5 and 7, in the present embodiment, the
A−4.本実施形態の効果:
燃料極側集電体144に対するスペーサ149の位置ずれが生じると、上述した温度サイクル等による発電単位102の変形に対する燃料極側集電体144の追従性が低下することによって、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なくなるおそれがある。これに対して、電極対向部145のスペーサ側表面145Aに、高低差が比較的に大きい凸部が存在すれば、当該凸部がスペーサ149に引っ掛かることによって燃料極側集電体144に対するスペーサ149の位置ずれを抑制できる。
A-4. Effect of this embodiment:
When the
しかし、この凸部の存在によって、却って、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なくなるおそれがある。すなわち、電極対向部145の電極側表面145Bは、燃料極116に接触しており、主として、当該電極側表面145Bの中央側の領域が、燃料極116とインターコネクタ150との間の導電経路として機能する。このため、電極側表面145Bの中央側の領域と燃料極116との面圧が不均一である場合、燃料極116とインターコネクタ150との電気的接続が不安定になる。一方、電極対向部145におけるスペーサ側表面145Aの中央側領域E1は、電極側表面145Bの中央側の領域とは反対側(真裏)に位置する。したがって、このスペーサ側表面145Aの中央側領域E1に凸部が存在すると、燃料極116の下面に対して電極対向部145の電極側表面145Bが傾くことによって電極側表面145Bの中央側の領域と燃料極116との面圧が不均一になる。その結果、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なくなることがある。
However, due to the presence of this convex portion, on the contrary, the electrical connection between the
これに対して、本実施形態によれば、燃料極側集電体144における電極対向部145のスペーサ側表面145Aについて、縁側領域E2の最大高低差Zm(2)は、中央側領域E1の最大高低差Zm(1)より大きい。このことは、縁側領域E2には、中央側領域E1に比べて、高低差が大きい凸部が存在することを意味する。これにより、図2、図3および図7に示すように、縁側領域E2に存在する高低差が大きい凸部がスペーサ149の端面に引っ掛かったり、スペーサ149の表面に食い込んだりすることによって、スペーサ149の燃料極側集電体144に対する位置ずれが抑制される。
On the other hand, according to the present embodiment, the maximum height difference Zm (2) of the edge side region E2 is the maximum of the central side region E1 with respect to the
また、中央側領域E1における10点平均粗さRzjisは、縁側領域E2における最大高低差Zmの平均値より小さい。このことは、主に導通経路として機能する中央側領域E1が縁側領域E2に比べて表面が平滑であることを意味する。これにより、中央側領域E1の表面粗さ(凹凸形状)に起因してインターコネクタ150や単セル110と燃料極側集電体144との電気的接続が不良になることと、燃料極側集電体144に対するスペーサ149の位置ずれに起因してインターコネクタ150や単セル110と燃料極側集電体144との電気的接続が不良になることとの両方を抑制することができる。
Further, the 10-point average roughness Rzjis in the central region E1 is smaller than the average value of the maximum height difference Zm in the veranda region E2. This means that the surface of the central region E1 that mainly functions as a conduction path is smoother than that of the edge region E2. As a result, the electrical connection between the interconnector 150 or the
また、中央側領域E1の最大高低差Zm(1)と中央側領域E1における10点平均粗さRzjisとの差は、1(μm)以下である。これにより、中央側領域E1において、最大高低差Zmと10点平均粗さRzjisとの差が、1(μm)より大きい場合に比べて、中央側領域E1の凹凸度合いが小さくなるため、中央側領域E1の表面粗さに起因してインターコネクタ150や単セル110と燃料極側集電体144との電気的接続が不良になることを、より確実に抑制することができる。
Further, the difference between the maximum height difference Zm (1) in the central region E1 and the 10-point average roughness Rzjis in the central region E1 is 1 (μm) or less. As a result, in the central region E1, the degree of unevenness of the central region E1 is smaller than that in the case where the difference between the maximum height difference Zm and the 10-point average roughness Rzjis is larger than 1 (μm). It is possible to more reliably suppress the electrical connection between the interconnector 150 or the
また、縁側領域E2の最大高低差Zm(2)は、10(μm)より大きい。これにより、縁側領域E2の最大高低差Zm(2)が10(μm)以下である場合に比べて、縁側領域E2に存在する凸部によってスペーサ149を係止する力が大きくなる。このため、燃料極側集電体144に対するスペーサ149の位置ずれに起因してインターコネクタ150や単セル110と燃料極側集電体144との電気的接続が不良になることとを、より確実に抑制することができる。
Further, the maximum height difference Zm (2) of the veranda region E2 is larger than 10 (μm). As a result, the force for locking the
また、スペーサ149は、上下方向(Z軸方向)視で、燃料極側集電体144の電極対向部145のスペーサ側表面145Aからはみ出した部分149Aを含む。これにより、スペーサ149がはみ出した部分149Aを含まない場合に比べて、スペーサ149を挟む電極対向部145とインターコネクタ対向部146とが接触することを抑制することができる。また、縁側領域E2に存在する凸部がスペーサ149の表面に食い込むことによって、燃料極側集電体144に対するスペーサ149の位置ずれを、より確実に抑制することができる。
Further, the
B.第2の実施形態:
第2実施形態におけるスペーサ側表面145Aの中央側領域E1は、上記第1実施形態におけるスペーサ側表面145Aの中央側領域E1に比べて、より平坦である。その他の点は、上述した第1実施形態と同一の構成であるため、その説明を省略する。
B. Second embodiment:
The central region E1 of the spacer-
具体的には、次の通りである。
中央側領域E1の最大高低差Zm(1):2.88(μm)
中央側領域E1における10点平均粗さRzjis:2.80(μm)
このように、中央側領域E1における10点平均粗さRzjisは、4(μm)未満である。これにより、中央側領域E1における10点平均粗さRzjisが4(μm)以上である場合に比べて、中央側領域E1の表面粗さに起因してインターコネクタ150や単セル110と燃料極側集電体144との電気的接続が不良になることを、より確実に抑制することができる。
Specifically, it is as follows.
Maximum height difference Zm (1) of central region E1: 2.88 (μm)
10-point average roughness Rzjis in the central region E1: 2.80 (μm)
As described above, the 10-point average roughness Rzjis in the central region E1 is less than 4 (μm). As a result, compared to the case where the 10-point average roughness Rzjis in the central region E1 is 4 (μm) or more, the
C.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。
C. 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.
上記実施形態では、燃料極側集電体144のスペーサ側表面145Aについて本発明を適用した例を説明したが、これに限られない。例えば、燃料極側集電体144の内、インターコネクタ対向部146のスペーサ149側の表面に本発明を適用してもよい。また、空気極側集電体134が、発電単位102に接触するセル接触部と、インターコネクタ150に接触するインターコネクタ接触部とを含み、また、セル接触部とインターコネクタとの間と、インターコネクタ接触部と電気化学反応単セルとの間との少なくとも一方に配置されたスペーサを備える場合、当該空気極側集電体134のスペーサ側の表面に本発明を適用してもよい。
In the above embodiment, an example in which the present invention is applied to the
上記実施形態では、電極対向部145とインターコネクタ対向部146との間に配置されるスペーサ149を例示したが、スペーサは、これに限定されない。例えば特開2014−26843号に記載されているように、セル接触部とインターコネクタとの間に配置されたスペーサや、インターコネクタ接触部と単セルとの間に配置されたスペーサでもよい。要するに、スペーサは、セル接触部とインターコネクタとの間と、インターコネクタ接触部と電気化学反応単セルとの間との少なくとも一方に配置されていればよい。換言すれば、スペーサは、セル接触部とインターコネクタ接触部との間、セル接触部とインターコネクタとの間、インターコネクタ接触部と電気化学反応単セルとの間のいずれかに配置されたものであればよい。
In the above embodiment, the
上記実施形態において、中央側領域E1の最大高低差Zm(1)と中央側領域E1における10点平均粗さRzjisとの差は、1(μm)より大きくてもよい。また、縁側領域E2の最大高低差Zm(2)は、10(μm)以下でもよい。また、中央側領域E1における10点平均粗さRzjisは、4(μm)以上でもよい。 In the above embodiment, the difference between the maximum height difference Zm (1) in the central region E1 and the 10-point average roughness Rzjis in the central region E1 may be larger than 1 (μm). Further, the maximum height difference Zm (2) of the veranda region E2 may be 10 (μm) or less. Further, the 10-point average roughness Rzjis in the central region E1 may be 4 (μm) or more.
上記実施形態では、スペーサ149のはみ出した部分149Aは、上下方向視で、燃料極側集電体144の電極対向部145を構成する3辺全体にわたってスペーサ側表面145Aからはみ出していたが、一部分だけがはみ出した構成でもよい。また、スペーサ149は、はみ出した部分149Aを含まなくてもよい。
In the above embodiment, the protruding
また、上記実施形態では、燃料電池スタック100の構成が、平板形の単セル110を複数備える構成であるが、本発明は、他の構成、例えば国際公開第2012/165409号に記載されているように、略円筒形の単セル110aを複数備える燃料電池スタック100aにも同様に適用可能である。図8は、変形例における燃料電池スタック100aの構成を概略的に示す説明図である。図8に示す変形例における燃料電池スタック100aは、Z方向に互いに所定間隔をあけて並べて配置された複数の発電単位102aを備える。複数の発電単位102aは、隣り合う発電単位102a間に配置された集電部870を介して電気的に直列に接続されている。各発電単位102aは、扁平柱形状の外観を有し、電極支持体830と、単セル110aと、インターコネクタ810とを備える。単セル110aは、燃料極840と、電解質層850と、空気極860と、反応防止層900とを含む。なお、図8に示す変形例におけるZ方向は、特許請求の範囲における第1の方向に相当する。
Further, in the above embodiment, the configuration of the
電極支持体830は、略楕円形状の断面を有する柱状体であり、多孔質材料で形成されている。電極支持体830の内部には、柱状体の延伸方向に延びる複数の燃料ガス流路820が形成されている。燃料極840は、電極支持体830の側面の内、互いに平行な一対の平坦面の一方と、各平坦面の端部同士をつなぐ2つの曲面とを覆うように設けられている。電解質層850は、燃料極840の側面を覆うように設けられている。空気極860は、電解質層850の側面の内、電極支持体830の平坦面上に位置する部分を覆うように設けられている。ただし、電解質層850と空気極860との間には、反応防止層900が配置されている。インターコネクタ810は、燃料極840および電解質層850が設けられていない側の電極支持体830の平坦面上に設けられている。集電部870は、発電単位102aの空気極860と、その発電単位102aに隣り合う発電単位102aのインターコネクタ810とを電気的に接続する。空気極860の外側に酸化剤ガスが供給され、電極支持体830に形成された燃料ガス流路820に燃料ガスが供給され、所定の作動温度まで加熱されると、燃料電池スタック100aにおいて発電が行われる。
The
さらに、燃料電池スタック100aは、集電部870の内、空気極860に接触する部分と、インターコネクタ810に接触する部分との間にスペーサ910が配置されている。このような構成の燃料電池スタック100aにおいても、上記実施形態と同様に、集電部870の内、スペーサ910側の表面に本発明を適用することにより、中央側領域の表面粗さと集電体に対するスペーサの位置ずれとに起因してインターコネクタ810等と集電部870との電気的接続が不良になることを抑制することができる。
Further, in 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の電解セル(SOEC)の最小単位である電解セル単位や、複数の電解セル単位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、上記実施形態と同様に、空気極側集電体または燃料極側集電体に本発明を適用することにより、中央側領域の表面粗さと集電体に対するスペーサの位置ずれとに起因して電気化学反応単セル等と集電体との電気的接続が不良になること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 cell unit, which is the smallest unit of a solid oxide fuel cell (SOEC) that uses it to generate hydrogen, and an electrolytic cell stack having a plurality of electrolytic cell units. 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
また、上記実施形態において、電解質層112は固体酸化物により形成されているとしているが、電解質層112は固体酸化物の他に他の物質を含んでいてもよい。また、上記実施形態における各部材を形成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により形成されてもよい。また、空気極側集電体134を構成する各集電体要素135の形状は、四角柱状に限らず、インターコネクタ150側から空気極114側に突出するような形状であれば他の形状であってもよい。
Further, in the above embodiment, the
また、上記実施形態において、電解質層112と空気極114との間に、例えばセリアを含む反応防止層を設け、電解質層112内のジルコニウム等と空気極114内のストロンチウム等とが反応することによる電解質層112と空気極114との間の電気抵抗の増大を抑制するとしてもよい。また、上記実施形態において、空気極側集電体134と、隣接するインターコネクタ150とが別部材であってもよい。また、燃料極側集電体144は、空気極側集電体134と同様の構成であってもよく、燃料極側集電体144と、隣接するインターコネクタ150とが一体部材であってもよい。また、空気極側フレーム130ではなく燃料極側フレーム140が絶縁体であってもよい。また、空気極側フレーム130や燃料極側フレーム140は、多層構成であってもよい。
Further, in the above embodiment, a reaction prevention layer containing, for example, ceria is provided between the
また、上記実施形態では、エンドプレート104,106が出力端子として機能するとしているが、エンドプレート104,106の代わりに、エンドプレート104,106のそれぞれと発電単位102との間に配置された導電板が出力端子として機能するとしてもよい。また、上記実施形態では、各ボルト22の軸部の外周面と各連通孔108の内周面との間の空間を各マニホールドとして利用しているが、これに代えて、各ボルト22に軸方向の孔を設け、その孔を各マニホールドとして利用してもよいし、各マニホールドを各ボルト22が挿通される各連通孔108とは別に設けてもよい。
Further, in the above embodiment, the
22:ボルト 24:ナット 100,100a:燃料電池スタック 102,102a:発電単位 104,106:エンドプレート 108:連通孔 110,110a:単セル 112,850:電解質層 114,860:空気極 116,840:燃料極 120:セパレータ 121:孔 124:接合部 130:空気極側フレーム 131:孔 132:酸化剤ガス供給連通孔 133:酸化剤ガス排出連通孔 134:空気極側集電体 135:集電体要素 140:燃料極側フレーム 141:孔 142:燃料ガス供給連通孔 143:燃料ガス排出連通孔 144:燃料極側集電体 145:電極対向部 145A:スペーサ側表面 145B:電極側表面 146:インターコネクタ対向部 147:連接部 149,910:スペーサ 149A:はみ出し部分 150,810:インターコネクタ 161:酸化剤ガス供給マニホールド 162:酸化剤ガス排出マニホールド 166:空気室 171:燃料ガス供給マニホールド 172:燃料ガス排出マニホールド 176:燃料室 820:燃料ガス流路 830:電極支持体 870:集電部 900:反応防止層 D:幅 E1:中央側領域 E2:縁側領域 FG:燃料ガス FOG:燃料オフガス OFG:燃料オフガス OG:酸化剤ガス OOG:酸化剤オフガス
22: Bolt 24: Nut 100,100a: Fuel cell stack 102,102a: Power generation unit 104,106: End plate 108: Communication hole 110,110a: Single cell 112,850: Electrolyte layer 114,860: Air electrode 116,840 : Fuel pole 120: Separator 121: Hole 124: Joint 130: Air pole side frame 131: Hole 132: Oxidizing agent gas supply communication hole 133: Oxidizing agent gas discharge communication hole 134: Air pole side current collector 135: Current collector Body element 140: Fuel pole side frame 141: Hole 142: Fuel gas supply communication hole 143: Fuel gas discharge communication hole 144: Fuel pole side current collector 145:
Claims (7)
前記電気化学反応単セルの前記第1の方向に配置されたインターコネクタと、
前記電気化学反応単セルと前記インターコネクタとの間に配置された導電性の集電体であって、前記電気化学反応単セルに接触するセル接触部と、前記インターコネクタに接触するインターコネクタ接触部と、前記セル接触部と前記インターコネクタ接触部とをつなぐ連接部と、を含む集電体と、
前記セル接触部と前記インターコネクタ接触部との間、前記セル接触部と前記インターコネクタとの間、または、前記インターコネクタ接触部と前記電気化学反応単セルとの間に配置されたスペーサと、を備え、前記第1の方向に直交する方向への前記スペーサの位置ずれを許容する空間が形成されているインターコネクタ−電気化学反応単セル複合体において、
前記集電体のうち、前記スペーサと前記第1の方向において接触する表面は、当該表面の縁部を含む縁側領域と、前記縁側領域より前記表面の中央側に位置する中央側領域とを含み、
表面形状において互いに隣り合う山と谷との高低差の最大値である最大高低差は、前記縁側領域の方が前記中央側領域より大きく、
かつ、
前記中央側領域における10点平均粗さは、前記縁側領域の前記縁部に沿った第2の方向に並ぶ複数箇所のそれぞれにおける前記第2の方向視の前記最大高低差の平均値より小さいことを特徴とする、インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体。 An electrochemical reaction single cell containing an electrolyte layer and an air electrode and a fuel electrode facing each other in a first direction across the electrolyte layer.
With the interconnector arranged in the first direction of the electrochemical reaction single cell,
A conductive current collector arranged between the electrochemical reaction single cell and the interconnector, the cell contact portion in contact with the electrochemical reaction single cell and the interconnector contact in contact with the interconnector. A current collector including a portion, a connecting portion connecting the cell contact portion and the interconnector contact portion, and the like.
Spacers arranged between the cell contact portion and the interconnector contact portion, between the cell contact portion and the interconnector, or between the interconnector contact portion and the electrochemical reaction single cell. in the electrochemical reaction unit cells complexes, - wherein the first interconnector that have been space formed to permit the displacement of the spacer in the direction perpendicular to the direction
Among the current collector, the surface in contact in the said spacer first direction, includes a edge region including an edge of the surface, and a center-side region located closer to the center than the edge region and the surface ,
The maximum height difference, which is the maximum value of the height difference between the peaks and valleys adjacent to each other in the surface shape, is larger in the veranda region than in the central region.
And,
The 10-point average roughness in the central region is smaller than the average value of the maximum height difference in the second direction at each of a plurality of locations arranged in the second direction along the edge of the veranda region. An interconnector-electrochemical reaction single cell complex characterized by.
前記連接部は、前記セル接触部と前記インターコネクタ接触部との一端同士をつなぐ形状であり、 The connecting portion has a shape that connects one ends of the cell contact portion and the interconnector contact portion.
前記スペーサは、前記セル接触部と前記インターコネクタ接触部との間に配置されていることを特徴とする、インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体。 An interconnector-electrochemical reaction single cell composite, characterized in that the spacer is arranged between the cell contact portion and the interconnector contact portion.
前記中央側領域において、前記最大高低差と前記10点平均粗さとの差は、1(μm)以下であることを特徴とする、インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体。 In the interconnector-electrochemical reaction single cell complex according to claim 1 or 2 .
An interconnector-electrochemical reaction single cell composite, characterized in that the difference between the maximum height difference and the 10-point average roughness in the central region is 1 (μm) or less.
前記縁側領域における前記最大高低差は、10(μm)より大きいことを特徴とする、インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体。 In the interconnector-electrochemical reaction single cell composite according to any one of claims 1 to 3 .
An interconnector-electrochemical reaction single cell complex, characterized in that the maximum height difference in the veranda region is greater than 10 (μm).
前記中央側領域における前記10点平均粗さは、4(μm)未満であることを特徴とする、インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体。 In the interconnector-electrochemical reaction single cell composite according to any one of claims 1 to 4 .
An interconnector-electrochemical reaction single cell complex characterized in that the 10-point average roughness in the central region is less than 4 (μm).
前記スペーサは、前記第1の方向視で、前記集電体の前記スペーサ側の表面からはみ出した部分を含むことを特徴とする、インターコネクタ−電気化学反応単セル複合体。 In the interconnector-electrochemical reaction single cell composite according to any one of claims 1 to 5 .
The spacer is an interconnector-electrochemical reaction single cell composite, which comprises a portion of the current collector that protrudes from the surface of the current collector on the spacer side in the first direction.
前記複数のインターコネクタ−電気化学反応単セル複合体の少なくとも1つは、請求項1から請求項6までのいずれか一項に記載のインターコネクタ−電気化学反応単セル複合体であることを特徴とする、電気化学反応セルスタック。 In an electrochemical reaction cell stack comprising a plurality of interconnector-electrochemical reaction single cell complexes arranged side by side in the first direction.
The interconnector-electrochemical reaction single cell complex according to any one of claims 1 to 6 , wherein at least one of the plurality of interconnector-electrochemical reaction single cell complexes is characterized. Electrochemical reaction cell stack.
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