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JP7501091B2 - Fuel cell structure and method for manufacturing the fuel cell structure - Google Patents
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Description

本発明は、燃料電池セル構造、及び燃料電池セル構造の製造方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell structure and a method for manufacturing a fuel cell structure.

特許文献1には、燃料電極と酸化剤電極とを電解質マトリックスを介して対向するように配置した単電池が提案されている。この単電池では、燃料電極に設けられた燃料通路に燃料改質触媒が充填される。特に、特許文献1の単電池では、燃料通路の燃料の流れ方向の上流側に、下流側よりも炭素析出性の低い燃料改質触媒が配置される Patent Document 1 proposes a unit cell in which a fuel electrode and an oxidizer electrode are arranged to face each other with an electrolyte matrix interposed between them. In this unit cell, a fuel reforming catalyst is filled in a fuel passage provided in the fuel electrode. In particular, in the unit cell of Patent Document 1, a fuel reforming catalyst with a lower carbon deposition tendency is arranged on the upstream side of the fuel passage in the fuel flow direction than on the downstream side.

特開昭63-310574号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-310574

しかしながら、炭素析出性の低い燃料改質触媒は、炭素酸化物(特に二酸化炭素)に対して反応性を示す触媒材料(バリウムなど)で構成される。このため、当該触媒材料が炭素酸化物と反応することにより劣化するという問題があった。 However, fuel reforming catalysts with low carbon deposition are made of catalytic materials (such as barium) that are reactive to carbon oxides (especially carbon dioxide). This poses the problem that the catalytic materials deteriorate as a result of reacting with carbon oxides.

このような事情に鑑み、本発明の目的は、炭素析出及び触媒劣化の双方を抑制することのできる燃料電池セル構造を実現することにある。 In view of these circumstances, the object of the present invention is to realize a fuel cell structure that can suppress both carbon deposition and catalyst deterioration.

本発明のある態様によれば、電極層及び電解質層が金属支持層の一方の面に支持されるとともに他方の面にセパレータが取り付けられる内部改質型の燃料電池セルを含み、金属支持層の他方の面とセパレータの表面との間の空間に燃料流路が形成される燃料電池セル構造が提供される。この燃料電池セル構造は、燃料流路の上流領域において金属支持層の他方の面に、燃料流路のガス流れ方向及びガス流れ方向に直交する電極幅方向における所定範囲に伸張して設けられた第1改質触媒層と、燃料流路の下流領域において金属支持層の他方の面に設けられた第2改質触媒層と、1改質触媒層の電極幅方向における端部に設けられるとともに、該第1改質触媒層をバイパスして金属支持層に燃料が流出することを抑制する燃料流出防止膜と、を備える。そして、第1改質触媒層は、第2改質触媒層に比べて改質反応に起因した炭素析出を抑制する効果が高い材料により構成され、燃料流出防止膜は、第1改質触媒層における改質反応により生成される炭素酸化物を吸収する炭素酸化物吸収材を含む。 According to one aspect of the present invention, there is provided a fuel cell structure including an internal reforming type fuel cell having an electrode layer and an electrolyte layer supported on one side of a metal support layer and a separator attached to the other side, and a fuel flow path formed in a space between the other side of the metal support layer and a surface of the separator. This fuel cell structure includes a first reforming catalyst layer provided on the other side of the metal support layer in an upstream region of the fuel flow path, extending over a predetermined range in the gas flow direction of the fuel flow path and in the electrode width direction perpendicular to the gas flow direction, a second reforming catalyst layer provided on the other side of the metal support layer in a downstream region of the fuel flow path, and a fuel outflow prevention film provided on an end of the first reforming catalyst layer in the electrode width direction and preventing fuel from bypassing the first reforming catalyst layer and outflowing to the metal support layer. The first reforming catalyst layer is made of a material that is more effective at preventing carbon deposition due to a reforming reaction than the second reforming catalyst layer, and the fuel outflow prevention film includes a carbon oxide absorbent that absorbs carbon oxides generated by the reforming reaction in the first reforming catalyst layer.

本発明によれば、炭素析出及び触媒劣化の双方を抑制することのできる燃料電池セル構造を実現することができる。 The present invention makes it possible to realize a fuel cell structure that can suppress both carbon deposition and catalyst deterioration.

図1は、各実施形態及び変形例に共通する燃料電池セル構造の構成を説明する図である。FIG. 1 is a diagram illustrating the configuration of a fuel cell structure common to each embodiment and modification. 図2は、燃料電池セル構造の要部(図1の丸囲み部分)拡大図である。FIG. 2 is an enlarged view of a main portion of the fuel cell structure (the portion circled in FIG. 1). 図3は、第1実施形態に係る燃料電池セル構造の詳細な構成を説明する図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a detailed configuration of the fuel cell structure according to the first embodiment. 図4は、第1改質触媒層及び燃料流出防止膜の構造を模式的に示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a schematic structure of the first reforming catalyst layer and the fuel outflow prevention film. 図5は、第1改質触媒層の端部が燃料流出防止膜に重なることによる作用効果を説明するための図である。FIG. 5 is a diagram for explaining the function and effect obtained when the end portion of the first reforming catalyst layer overlaps with the fuel outflow prevention film. 図6は、燃料電池セル構造の製造方法に係る各工程を説明する図である。FIG. 6 is a diagram illustrating each step in the manufacturing method of the fuel cell structure. 図7Aは、第2実施形態に係る燃料電池セル構造の構成を説明する図である。FIG. 7A is a diagram illustrating the configuration of a fuel cell structure according to a second embodiment. 図7Bは、図7A(b)の部分拡大図である。FIG. 7B is a partially enlarged view of FIG. 7A(b). 図8は、変形例1に係る燃料電池セル構造の構成を説明する図である。FIG. 8 is a diagram illustrating the configuration of a fuel cell structure according to the first modification. 図9は、変形例2に係る製造方法の技術的意義を説明する図である。FIG. 9 is a diagram for explaining the technical significance of the manufacturing method according to the second modification. 図10は、変形例3に係る燃料電池スタックの構成を説明する図である。FIG. 10 is a diagram illustrating the configuration of a fuel cell stack according to the third modification.

以下、本発明の各実施形態について図面を参照して詳細に説明する。 Each embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.

(第1実施形態)
図1は、本実施形態に係る燃料電池セル構造としての燃料電池スタック10の構成を説明する図である。なお、以下では、説明の便宜のため、XYZ直交座標系を各図中に示す。また、必要に応じて図中のX軸方向を「電極幅方向X」、Y軸方向を「ガス流れ方向Y」、及びZ軸方向を「積層方向Z」とそれぞれ称する。
First Embodiment
1 is a diagram illustrating the configuration of a fuel cell stack 10 as a fuel cell structure according to this embodiment. For ease of explanation, an XYZ orthogonal coordinate system is shown in each figure below. In addition, the X-axis direction in the figure will be referred to as the "electrode width direction X", the Y-axis direction as the "gas flow direction Y", and the Z-axis direction as the "stacking direction Z" as necessary.

図示のように、本実施形態の燃料電池スタック10は、固体酸化物型燃料電池(Solid Oxide Fuel Cells:SOFC)として構成される複数(図1では4つを示す)のセルユニット20とセパレータ30が順次積層されてなる直接内部改質型の積層型燃料電池である。 As shown in the figure, the fuel cell stack 10 of this embodiment is a direct internal reforming stacked fuel cell in which multiple (four are shown in FIG. 1) cell units 20 and separators 30 configured as solid oxide fuel cells (SOFC) are stacked in sequence.

特に、本実施形態の燃料電池スタック10は、各種電気機器の電源等としての定置電源用途、及び電気自動車やハイブリッド自動車等の移動車両に搭載される移動体用の電源用途の何れにも適用可能である。 In particular, the fuel cell stack 10 of this embodiment can be used as a stationary power source for various electrical devices, and as a power source for mobile vehicles such as electric cars and hybrid cars.

<セルユニット20>
本実施形態のセルユニット20は、金属支持層22の一方の面(第1表面22a)に燃料極層(アノード電極層24)、電解質層26及び空気極層(カソード電極層28)がこの順で積層されることで構成される。特に、本実施形態の燃料電池スタック10は、セルユニット20の金属支持層22の他方の面(第2表面22b)にセパレータ30が設けられ、このセパレータ30を介して隣接するセルユニット20が積層されてなるメタルサポート型燃料電池として構成される。そして、燃料ガスを供給するための燃料ガス流路32が金属支持層22の第2表面22bとセパレータ30の第1表面30aの間の空間として構成される。また、酸化剤ガス(空気)を供給するための酸化剤ガス流路34は、セパレータ30の第2表面30bと隣接するセルユニット20のカソード電極層28との間の空間として構成される。
<Cell unit 20>
The cell unit 20 of this embodiment is configured by stacking a fuel electrode layer (anode electrode layer 24), an electrolyte layer 26, and an air electrode layer (cathode electrode layer 28) in this order on one surface (first surface 22a) of the metal support layer 22. In particular, the fuel cell stack 10 of this embodiment is configured as a metal-supported fuel cell in which a separator 30 is provided on the other surface (second surface 22b) of the metal support layer 22 of the cell unit 20, and adjacent cell units 20 are stacked with the separator 30 interposed therebetween. A fuel gas flow path 32 for supplying fuel gas is configured as a space between the second surface 22b of the metal support layer 22 and the first surface 30a of the separator 30. An oxidant gas flow path 34 for supplying oxidant gas (air) is configured as a space between the second surface 30b of the separator 30 and the cathode electrode layer 28 of the adjacent cell unit 20.

<金属支持層22>
金属支持層22は、アノード電極層24、電解質層26、及びカソード電極層28を支持すると共に、燃料ガス流路32に接触する第2表面22bに第1改質触媒層40及び第2改質触媒層42(図2に以降で示す)が設けられている。なお、第1改質触媒層40及び第2改質触媒層42の詳細については後述する。
<Metal Support Layer 22>
The metal support layer 22 supports the anode electrode layer 24, the electrolyte layer 26, and the cathode electrode layer 28, and has a first reforming catalyst layer 40 and a second reforming catalyst layer 42 (shown in FIG. 2 and thereafter) provided on a second surface 22b in contact with the fuel gas flow field 32. The first reforming catalyst layer 40 and the second reforming catalyst layer 42 will be described in detail later.

金属支持層22は、アノード電極層24、電解質層26、及びカソード電極層28を支持するための一定の機械的強度を備えるとともに、ガス透過性及び電子伝導性を有する多孔質の金属材料により形成される。金属支持層22として、例えば、金属粒子や金属繊維を焼結又はプレス加工等によって固めたものや、金属板をエッチング処理や機械的処理により穴を開けて多孔質体としたもの等を使用することができる。特に、金属支持層22を、金属粒子を焼結させた多孔質体により構成することが好ましい。 The metal support layer 22 is formed from a porous metal material that has a certain mechanical strength for supporting the anode electrode layer 24, the electrolyte layer 26, and the cathode electrode layer 28, and has gas permeability and electronic conductivity. For example, the metal support layer 22 may be made of metal particles or metal fibers solidified by sintering or pressing, or a metal plate made porous by drilling holes through an etching process or mechanical process. In particular, it is preferable that the metal support layer 22 be made from a porous body made by sintering metal particles.

上記金属支持層22を構成する具体的な金属材料としては、鉄(Fe)、クロム(Cr)、ニッケル(Ni)、チタン(Ti)、又はこれらの合金(特にステンレス鋼)などを挙げることができる。より具体的には、金属支持層22を構成する金属材料として、フェライト系ステンレス鋼が挙げられる。特に、フェライト系ステンレス鋼としては、SUS410、SUS420、SUS430、SUS440等のSUS400系が挙げられる。より好ましくは、Crofer(登録商標)22合金(ThyssenKrupp・VDM社製)、ZMG(登録商標)232G10(日立金属株式会社製)、ITM(Plansee社製)、又はSanergyHT(Sandvik社製)などのFe-Cr合金が用いられる。 Specific examples of the metal material constituting the metal support layer 22 include iron (Fe), chromium (Cr), nickel (Ni), titanium (Ti), and alloys thereof (especially stainless steel). More specifically, examples of the metal material constituting the metal support layer 22 include ferritic stainless steel. In particular, examples of the ferritic stainless steel include SUS400 series such as SUS410, SUS420, SUS430, and SUS440. More preferably, Fe-Cr alloys such as Crofer (registered trademark) 22 alloy (manufactured by ThyssenKrupp-VDM), ZMG (registered trademark) 232G10 (manufactured by Hitachi Metals, Ltd.), ITM (manufactured by Plansee), or SanergyHT (manufactured by Sandvik) are used.

<アノード電極層24>
アノード電極層24は、燃料極であって、燃料ガスと酸化剤ガス由来の酸化物イオンを反応させて、燃料ガスの酸化物を生成するとともに電子を取り出す機能を果たす層である。アノード電極層24は、電解質層26の図上の下面に接するように設けられた板状の多孔質部材として構成される。また、アノード電極層24は、還元雰囲気に耐性を有するとともに、燃料ガスを透過させるガス透過性、電子伝導性、及びイオン電導性が高くなるように構成される。さらに、アノード電極層24は、燃料ガスを酸化物イオンと反応させる酸化反応に対する触媒機能を有する。
<Anode Electrode Layer 24>
The anode electrode layer 24 is a fuel electrode, and functions to react oxide ions derived from the fuel gas and the oxidant gas to generate oxides of the fuel gas and to extract electrons. The anode electrode layer 24 is configured as a plate-shaped porous member provided so as to contact the lower surface of the electrolyte layer 26 in the figure. The anode electrode layer 24 is also configured to have resistance to a reducing atmosphere, and to have high gas permeability for passing the fuel gas, electronic conductivity, and ion conductivity. Furthermore, the anode electrode layer 24 has a catalytic function for an oxidation reaction that causes the fuel gas to react with oxide ions.

アノード電極層24の構成材料としては、例えばニッケル若しくは鉄等の金属、又は該金属と固体酸化物セラミックとのサーメット等が挙げられる。さらに、固体酸化物セラミックとしては、希土類酸化物(例えば、Y23、Sc23、Gd23、Sm23、Yb23、及びNd23なる群から選択される1種又は2種以上の材料)をドープした安定化ジルコニア、セリア系固溶体、又はペロブスカイト型酸化物(例えば、SrCeO3、BaCeO3、CaZrO3、又はSrZrO3等)などが挙げられる。 Examples of the material of the anode electrode layer 24 include metals such as nickel or iron, or cermets of the metals and solid oxide ceramics. Examples of the solid oxide ceramics include stabilized zirconia doped with rare earth oxides (e.g., one or more materials selected from the group consisting of Y2O3 , Sc2O3 , Gd2O3 , Sm2O3 , Yb2O3 , and Nd2O3 ), ceria-based solid solutions, and perovskite -type oxides ( e.g. , SrCeO3 , BaCeO3 , CaZrO3 , or SrZrO3 ).

なお、本実施形態の燃料電池スタック10において用いることが可能な燃料は、水素の発生源となる任意の炭化水素系燃料、特にアルカン、アルケン、アルキン、又は芳香族炭化水素の他、炭化水素以外の元素(例えば酸素)を含む官能基を含む、アルコール、アルデヒド、ケトン、又はエーテル等である。特に、本実施形態では、メタン(CH4)燃料が用いられる。 The fuel that can be used in the fuel cell stack 10 of this embodiment is any hydrocarbon fuel that is a source of hydrogen generation, particularly alkanes, alkenes, alkynes, or aromatic hydrocarbons, as well as alcohols, aldehydes, ketones, ethers, or the like that contain functional groups that contain elements other than hydrocarbons (e.g., oxygen). In particular, methane ( CH4 ) fuel is used in this embodiment.

<電解質層26>
電解質層26は、燃料ガスと酸化剤ガスを分離する機能を有する。電解質層26は、カソード電極層28からアノード電極層24に向かって酸化物イオンを通過させつつ、ガスと電子を通過させないように構成される。
<Electrolyte layer 26>
The electrolyte layer 26 has a function of separating the fuel gas from the oxidant gas. The electrolyte layer 26 is configured to allow oxide ions to pass from the cathode electrode layer 28 to the anode electrode layer 24, but not allow gas and electrons to pass through.

また、電解質層26は、アノードガスやカソードガスを遮蔽し、高いイオン伝導性を発現するために、緻密に構成される。より詳細に、電解質層26の緻密度は、ガス遮蔽性を有する限りにおいて特に限定されないが、90%以上あることが好ましく、96%以上であることがより好ましく、98%以上であることが特に好ましい。また、電解質層26は、数十ミクロン程度の厚さを有する板体として形成されている。 The electrolyte layer 26 is densely constructed to block anode gas and cathode gas and exhibit high ionic conductivity. More specifically, the density of the electrolyte layer 26 is not particularly limited as long as it has gas blocking properties, but is preferably 90% or more, more preferably 96% or more, and particularly preferably 98% or more. The electrolyte layer 26 is formed as a plate having a thickness of about several tens of microns.

電解質層26の構成材料としては、希土類酸化物(例えば、Y23、Sc23、Gd23、Sm23、Yb23、及びNd23からなる群から選択される1種又は2種以上の材料)をドープした安定化ジルコニア、セリア系固溶体、又はペロブスカイト型酸化物(例えば、SrCeO3、BaCeO3、CaZrO3、又はSrZrO3等)などの固体酸化物セラミックが挙げられる。より具体的には、電解質層26の構成材料として、YSZ(イットリア安定化ジルコニア:Zr1-xx2)、SSZ(スカンジウム安定化ジルコニア:Zr1-xcx2)、SDC(サマリウムドープトセリア:Ce1-xSmx2)、GDC(ガドリウムドープトセリア:Ce1-xGdx2)、又はLSGM(ランタンストロンチウムマグネシウムガレート:La1-xSrxGa1-yMgy3)などを用いることができる。 Examples of materials constituting the electrolyte layer 26 include solid oxide ceramics such as stabilized zirconia doped with rare earth oxides (e.g., one or more materials selected from the group consisting of Y2O3 , Sc2O3 , Gd2O3 , Sm2O3 , Yb2O3 , and Nd2O3 ), ceria - based solid solutions, or perovskite-type oxides ( e.g. , SrCeO3 , BaCeO3 , CaZrO3 , SrZrO3 , etc.). More specifically, examples of materials that can be used for the electrolyte layer 26 include YSZ (yttria-stabilized zirconia: Zr1- xYxO2 ), SSZ (scandium-stabilized zirconia: Zr1 - xScxO2 ), SDC (samarium-doped ceria: Ce1 - xSmxO2 ), GDC (gadolinium-doped ceria: Ce1- xGdxO2 ) , and LSGM (lanthanum strontium magnesium gallate: La1 - xSrxGa1 - yMgyO3 ) .

<カソード電極層28>
カソード電極層28は、酸化剤極であって、酸化剤ガス(特に空気)と電子を反応させて、酸素分子を酸化物イオンに変換する機能を果たす層である。カソード電極層28は、電解質層26の積層方向Zにおける上面に接するように設けられた板状の多孔質部材として構成される。また、カソード電極層28は、酸化雰囲気に耐性を有し、酸化剤ガスを透過させるガス透過性、電子伝導性、及びイオン電導性が高くなるように構成される。さらに、カソード電極層28は、酸素分子を酸素イオンに変換する還元反応に対する触媒機能を有する。
<Cathode electrode layer 28>
The cathode electrode layer 28 is an oxidizer electrode, and serves to convert oxygen molecules into oxide ions by reacting an oxidizer gas (particularly air) with electrons. The cathode electrode layer 28 is configured as a plate-shaped porous member provided in contact with the upper surface of the electrolyte layer 26 in the stacking direction Z. The cathode electrode layer 28 is also configured to be resistant to an oxidizing atmosphere, and to have high gas permeability for passing an oxidizer gas, electronic conductivity, and ion conductivity. Furthermore, the cathode electrode layer 28 has a catalytic function for a reduction reaction that converts oxygen molecules into oxygen ions.

カソード電極層28の構成材料としては、例えば、ランタン、ストロンチウム、マンガン(Mn)、及びコバルトからなる群から選択される1種の金属又は2種以上の金属からなる合金の酸化物が挙げられる。特に、カソード電極層28の構成材料として、ランタンストロンチウムコバルト鉄複合酸化物(LSCF)を用いることができる。 The material of the cathode electrode layer 28 may be, for example, an oxide of one metal selected from the group consisting of lanthanum, strontium, manganese (Mn), and cobalt, or an alloy of two or more metals. In particular, lanthanum strontium cobalt iron composite oxide (LSCF) may be used as the material of the cathode electrode layer 28.

<セパレータ30>
セパレータ30は、電極幅方向Xに延在する断面凹凸状の部材として構成される。このような凹凸状構造を有することにより、セパレータ30の第1表面30aと金属支持層22の第2表面22bの間に燃料ガス流路32が形成されるとともに、セパレータ30の第2表面30bと金属支持層22の第1表面22aの間に酸化剤ガス流路34が構成されることとなる。セパレータ30は、鉄又はクロム等の導電性金属材料をプレス成型することにより形成される。特に、本実施形態のセパレータ30の第1表面30aには、金属支持層22の第1表面22aに接触する突起部30cが形成されている。
<Separator 30>
The separator 30 is configured as a member having an uneven cross section extending in the electrode width direction X. With such an uneven structure, a fuel gas flow path 32 is formed between the first surface 30a of the separator 30 and the second surface 22b of the metal support layer 22, and an oxidant gas flow path 34 is formed between the second surface 30b of the separator 30 and the first surface 22a of the metal support layer 22. The separator 30 is formed by press molding a conductive metal material such as iron or chromium. In particular, the first surface 30a of the separator 30 in this embodiment has protrusions 30c that come into contact with the first surface 22a of the metal support layer 22.

<第1改質触媒層40及び第2改質触媒層42>
図2は、燃料電池スタック10の要部(図1の丸囲み部分)拡大図である。図示のように、燃料電池スタック10の金属支持層22の第2表面22bには、燃料ガス流路32における燃料ガス入口32aに相対的に近い上流領域Auにおいて第1改質触媒層40における燃料ガス入口32aに相対的に遠い燃料ガス流路32の下流領域Adにおいて第2改質触媒層42が設けられている。
<First reforming catalyst layer 40 and second reforming catalyst layer 42>
2 is an enlarged view of a main portion (circled portion in FIG. 1) of the fuel cell stack 10. As shown in the figure, on the second surface 22b of the metal support layer 22 of the fuel cell stack 10, a second reforming catalyst layer 42 is provided in an upstream region Au relatively close to the fuel gas inlet 32a in the fuel gas flow passage 32, and in a downstream region Ad of the fuel gas flow passage 32 relatively far from the fuel gas inlet 32a in the first reforming catalyst layer 40.

第1改質触媒層40は、炭素析出が抑制されつつ燃料ガスを水素ガスに変換する改質反応を促進する材料により構成される。特に、第1改質触媒層40は、酸化物で構成される担体(触媒担体40a)に触媒の微粒子(触媒粒子40b)が担持されることで構成される。 The first reforming catalyst layer 40 is made of a material that promotes the reforming reaction that converts fuel gas into hydrogen gas while suppressing carbon deposition. In particular, the first reforming catalyst layer 40 is made by supporting fine catalyst particles (catalyst particles 40b) on a support (catalyst support 40a) made of an oxide.

第1改質触媒層40の触媒担体40aは、例えば、酸化バリウム(BaO)、酸化マグネシウム(MgO)、若しくは酸化カルシウム(CaO)などの金属酸化物、当該金属酸化物の1種若しくは2種以上の混合物、又はこれらの固溶体により構成される。特に、第1改質触媒層40の触媒担体40aは、BZCY(BaZrxCeyzw:x,y,z,wは任意の化学量論組成)により構成されることが好ましい。 The catalyst carrier 40a of the first reforming catalyst layer 40 is composed of, for example, a metal oxide such as barium oxide (BaO), magnesium oxide (MgO), or calcium oxide (CaO), a mixture of one or more of the metal oxides , or a solid solution of these. In particular, the catalyst carrier 40a of the first reforming catalyst layer 40 is preferably composed of BZCY ( BaZrxCeyYzOw : x, y, z, and w are any stoichiometric composition).

第1改質触媒層40の触媒粒子40bは、例えば、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、銅(Cu)、モリブデン(Mo)、若しくはランタン(La)等の遷移金属、ルテニウム(Ru)、白金(Pt)、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)、銀(Ag)、若しくはパラジウム(Pd)等の貴金属、又はこれらの1種若しくは2種以上の混合物で構成される微粒子(特にナノ粒子)により構成される。 The catalyst particles 40b of the first reforming catalyst layer 40 are composed of fine particles (particularly nanoparticles) composed of transition metals such as iron (Fe), nickel (Ni), cobalt (Co), copper (Cu), molybdenum (Mo), or lanthanum (La), precious metals such as ruthenium (Ru), platinum (Pt), rhodium (Rh), iridium (Ir), silver (Ag), or palladium (Pd), or a mixture of one or more of these metals.

一方、第2改質触媒層42は、燃料ガスを水素ガスに変換する改質反応(特に水蒸気改質反応)を促進する材料により構成される。特に、第2改質触媒層42の担体は、アルミナ等で構成される。また、第2改質触媒層42の触媒粒子は、例えば、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、若しくは銅(Cu)等の遷移金属、ランタン(La)等の希土類元素、ルテニウム(Ru)、白金(Pt)、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)、銀(Ag)、若しくはパラジウム(Pd)等の貴金属、又はこれらの1種若しくは2種以上の混合物で構成される微粒子(特にナノ粒子)により構成される。 On the other hand, the second reforming catalyst layer 42 is made of a material that promotes a reforming reaction (particularly a steam reforming reaction) that converts fuel gas into hydrogen gas. In particular, the support of the second reforming catalyst layer 42 is made of alumina or the like. The catalyst particles of the second reforming catalyst layer 42 are made of fine particles (particularly nanoparticles) made of, for example, transition metals such as iron (Fe), nickel (Ni), cobalt (Co), or copper (Cu), rare earth elements such as lanthanum (La), precious metals such as ruthenium (Ru), platinum (Pt), rhodium (Rh), iridium (Ir), silver (Ag), or palladium (Pd), or a mixture of one or more of these.

ここで、燃料ガス流路32の上流領域Auに第1改質触媒層40を設け、下流領域Adに水蒸気改質反応を促進する第2改質触媒層42を設ける意義について説明する。 Here, the significance of providing the first reforming catalyst layer 40 in the upstream region Au of the fuel gas flow channel 32 and the second reforming catalyst layer 42 for promoting the steam reforming reaction in the downstream region Ad will be described.

本実施形態の燃料電池スタック10のような直接内部改質型のSOFCでは、炭化水素系燃料(特にメタン燃料)がスタック内部の燃料ガス流路32を流れる過程において、当該燃料が改質(主に水蒸気改質反応)される。この改質反応は、以下の化学式(1)のように、メタン成分と水とを反応させることによって水素及び酸化炭素成分(CO又はCO2など)を生成する吸熱反応である。 In a direct internal reforming type SOFC such as the fuel cell stack 10 of this embodiment, a hydrocarbon fuel (particularly methane fuel) is reformed (mainly a steam reforming reaction) while the fuel flows through the fuel gas flow passage 32 inside the stack. This reforming reaction is an endothermic reaction that produces hydrogen and carbon oxide components (CO, CO2 , etc.) by reacting a methane component with water, as shown in the following chemical formula (1).

[化1]
CH4+H2O→CO+3H2-Q・・・(1)
[Chemical formula 1]
CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 -Q ... (1)

このため、メタン成分を反応させる観点から十分な水分が確保されていない場合にはこの水蒸気改質反応が進まず、触媒材料と意図しない反応を起こし、当該触媒表面に発電性能の低下の要因となる炭素析出が生じることがある。そして、特に、直接内部改質型のSOFCの場合、燃料ガス入口32aに比較的近い燃料ガス流路32の上流領域Auにおいては、燃料ガスの改質が十分に進行しておらず発電反応が生じにくい。このため、燃料ガス入口32aから離れた下流領域Adに比べて、発電による生成水が少なく水分が不足する傾向にある。その結果、上流領域Auでは、下流領域Adに比べてメタン成分と触媒材料との意図しない反応に起因する炭素析出が生じやすくなる。 Therefore, if sufficient moisture is not secured from the viewpoint of reacting the methane component, the steam reforming reaction does not proceed, and an unintended reaction with the catalyst material occurs, and carbon deposition, which is a factor of the deterioration of power generation performance, may occur on the catalyst surface. In particular, in the case of a direct internal reforming type SOFC, in the upstream region Au of the fuel gas flow passage 32, which is relatively close to the fuel gas inlet 32a, the reforming of the fuel gas does not proceed sufficiently, and the power generation reaction is difficult to occur. Therefore, compared to the downstream region Ad away from the fuel gas inlet 32a, there is a tendency that less water is generated by power generation and moisture is insufficient. As a result, in the upstream region Au , carbon deposition due to an unintended reaction between the methane component and the catalyst material is more likely to occur than in the downstream region Ad .

したがって、本実施形態の燃料電池スタック10では、水分が不足し易い燃料ガス流路32の上流領域Auにおいては、通常の改質触媒材料よりも活性が高く炭素析出抑制効果がより高い第1改質触媒層40を配置している。これにより、水分が少ない上流領域Auにおいても、炭素析出を抑制しつつ発電に必要な水素を生成することができる。 Therefore, in the fuel cell stack 10 of this embodiment, the first reforming catalyst layer 40, which is more active and has a greater carbon deposition suppression effect than a normal reforming catalyst material, is disposed in the upstream region Au of the fuel gas flow channel 32 where moisture is easily insufficient. This makes it possible to generate hydrogen required for power generation while suppressing carbon deposition even in the upstream region Au where moisture is scarce.

一方で、本発明者らは、この炭素析出抑制効果の高い第1改質触媒層40に含有される金属材料が改質反応で生じる一酸化炭素又は二酸化炭素などの炭素酸化物と反応してBaCO3、CaCo3、又はMgCO3などの金属炭酸塩が生成され、当該金属炭酸塩が触媒を劣化させるという問題点を見出した。本発明者らは、鋭意研鑽の結果、この問題点を解消し得る構成を備えた本実施形態の燃料電池スタック10を開発するに至った。以下では、当該問題点を解消する燃料電池スタック10の構成を詳細に説明する。 On the other hand, the inventors have found a problem that the metal material contained in the first reforming catalyst layer 40, which has a high carbon deposition suppression effect, reacts with carbon oxides such as carbon monoxide or carbon dioxide generated in the reforming reaction to generate metal carbonates such as BaCO3 , CaCo3 , or MgCO3 , which deteriorate the catalyst. As a result of intensive study, the inventors have developed the fuel cell stack 10 of this embodiment, which has a configuration that can solve this problem. The configuration of the fuel cell stack 10 that solves this problem will be described in detail below.

なお、本明細書において「燃料ガス流路32の上流領域Au」とは、メタン成分の水蒸気改質反応を適切に進行させる観点から定まる一定量の生成水を確保できない程度に燃料ガス入口32aに近い領域を意味する。すなわち、「燃料ガス流路32の上流領域Au」は、水蒸気改質反応を促進する第2改質触媒層42を配置すると仮定した場合に、炭素析出が燃料電池スタック10に要求される発電性能を確保する観点から許容される限度を超えて生じる領域に相当する。 In this specification, the "upstream region Au of the fuel gas flow path 32" refers to a region close to the fuel gas inlet 32a to the extent that a certain amount of produced water cannot be secured, which is determined from the standpoint of ensuring appropriate progress of the steam reforming reaction of the methane component. In other words, the "upstream region Au of the fuel gas flow path 32" corresponds to a region where carbon deposition occurs beyond an allowable limit from the standpoint of ensuring the power generation performance required of the fuel cell stack 10, assuming that a second reforming catalyst layer 42 that promotes the steam reforming reaction is disposed.

一方、「燃料ガス流路32の下流領域Ad」とは、メタン成分の水蒸気改質反応を適切に進行させる観点から定まる一定量の生成水を確保できる程度に燃料ガス入口32aから遠い領域を意味する。すなわち、「燃料ガス流路32の下流領域Ad」は、水蒸気改質反応を促進する第2改質触媒層42を配置しても、炭素析出が燃料電池スタック10に要求される発電性能を確保する観点から許容される限度以下となる領域に相当する。「燃料ガス流路32の上流領域Au」及び「燃料ガス流路32の下流領域Ad」の間の境界となる具体的な位置は、燃料電池スタック10の設計などに応じて適宜決まるものであるが、例えば、セルユニット20のガス流れ方向Yにおける略中央位置(燃料ガス入口32aと燃料ガス出口32bの略中間位置)に設定することができる。 On the other hand, the "downstream region A d of the fuel gas flow passage 32" refers to a region far enough from the fuel gas inlet 32a that a certain amount of generated water can be secured, which is determined from the viewpoint of appropriately progressing the steam reforming reaction of the methane component. In other words, the "downstream region A d of the fuel gas flow passage 32" corresponds to a region where carbon deposition is below an allowable limit from the viewpoint of securing the power generation performance required of the fuel cell stack 10, even if the second reforming catalyst layer 42 that promotes the steam reforming reaction is disposed. The specific position that is the boundary between the "upstream region A u of the fuel gas flow passage 32" and the "downstream region A d of the fuel gas flow passage 32" is appropriately determined depending on the design of the fuel cell stack 10, and can be set, for example, to an approximately central position in the gas flow direction Y of the cell unit 20 (approximately the middle position between the fuel gas inlet 32a and the fuel gas outlet 32b).

図3は、本実施形態の燃料電池スタック10の詳細な構成を説明する図である。特に図3には、図2に示す燃料電池スタック10をガス流れ方向Yに沿って視た場合の概略構成を示している。図示のように、本実施形態の燃料電池スタック10では、第1改質触媒層40が、金属支持層22の第2表面22bに燃料ガス流路32の上流領域Auにおいて、電極幅方向X及びガス流れ方向Yにおける所定範囲に伸張するように設けられている。特に、第1改質触媒層40は、電極幅方向Xにおいてセパレータ30の突起部30cが金属支持層22の第2表面22bに接合する部分を避けて複数(図3では3つ)設けられている。 Fig. 3 is a diagram for explaining a detailed configuration of the fuel cell stack 10 of this embodiment. In particular, Fig. 3 shows a schematic configuration of the fuel cell stack 10 shown in Fig. 2 when viewed along the gas flow direction Y. As shown in the figure, in the fuel cell stack 10 of this embodiment, a first reforming catalyst layer 40 is provided on the second surface 22b of the metal support layer 22 in the upstream region Au of the fuel gas flow field 32 so as to extend over a predetermined range in the electrode width direction X and the gas flow direction Y. In particular, a plurality of first reforming catalyst layers 40 (three in Fig. 3) are provided to avoid the portion where the protruding portion 30c of the separator 30 is joined to the second surface 22b of the metal support layer 22 in the electrode width direction X.

さらに、第1改質触媒層40の電極幅方向Xにおける端部41(特に両端部41,41)の位置には、燃料流出防止膜44が設けられている。燃料流出防止膜44は、一定の加熱流動性を有し、炭素酸化物を吸収する炭素酸化物吸収材により構成される。具体的に、燃料流出防止膜44を構成する炭素酸化物吸収材としては、バリウム(Ba)、カルシウム(Ca)、若しくはマグネシウム(Mg)等のアルカリ金属又はアルカリ土類金属が挙げられる。 Furthermore, a fuel leakage prevention film 44 is provided at the end 41 (particularly both ends 41, 41) of the first reforming catalyst layer 40 in the electrode width direction X. The fuel leakage prevention film 44 is made of a carbon oxide absorbent that has a certain degree of thermal fluidity and absorbs carbon oxides. Specifically, examples of the carbon oxide absorbent that constitutes the fuel leakage prevention film 44 include alkali metals or alkaline earth metals such as barium (Ba), calcium (Ca), or magnesium (Mg).

特に、燃料流出防止膜44は、第1改質触媒層40の端部41と、金属支持層22の第2表面22b及びセパレータ30の接合部分(溶接部46の付近)と、の間を充填するように設けられる。 In particular, the fuel outflow prevention film 44 is provided so as to fill the space between the end 41 of the first reforming catalyst layer 40 and the joint portion (near the welded portion 46) between the second surface 22b of the metal support layer 22 and the separator 30.

図4は、第1改質触媒層40及び燃料流出防止膜44の構造を模式的に示した図である。図示のように、第1改質触媒層40は、触媒担体40aの外表面に触媒粒子40bが担持された構造をとる。また、第1改質触媒層40の端部41は、積層方向Zにおいて燃料流出防止膜44の一部に重なるように張り出している。 Figure 4 is a diagram showing the structure of the first reforming catalyst layer 40 and the fuel leakage prevention film 44. As shown in the figure, the first reforming catalyst layer 40 has a structure in which catalyst particles 40b are supported on the outer surface of a catalyst carrier 40a. In addition, an end 41 of the first reforming catalyst layer 40 protrudes in the stacking direction Z so as to overlap a part of the fuel leakage prevention film 44.

この構造により、第1改質触媒層40における改質反応により生じる炭素酸化物は、燃料流出防止膜44により吸収される。したがって、炭素酸化物と触媒材料との間の意図しない反応に起因する触媒劣化を抑制することができる。 With this structure, carbon oxides generated by the reforming reaction in the first reforming catalyst layer 40 are absorbed by the fuel outflow prevention film 44. Therefore, it is possible to suppress catalyst deterioration caused by unintended reactions between carbon oxides and the catalyst material.

また、本実施形態の燃料電池スタック10によれば、第1改質触媒層40の端部41に燃料流出防止膜44が設けられているため、燃料ガス流路32を流れる燃料ガス(炭化水素ガス)が、第1改質触媒層40の端部41(特に両端部41,41)をバイパスして金属支持層22の方へ流出することが防止される。これにより、燃料ガスの金属支持層22への接触に起因する炭素析出を防止することができる。特に、本実施形態の燃料電池スタック10では、上述した第1改質触媒層40の端部41と金属支持層22の第2表面22bの間に燃料流出防止膜44が挟持される構成をとっていることで、燃料流出防止膜44による燃料ガスの流出に対するシール機能がより向上し、金属支持層22における炭素析出がより確実に抑制される。 In addition, according to the fuel cell stack 10 of this embodiment, the fuel leakage prevention film 44 is provided at the end 41 of the first reforming catalyst layer 40, so that the fuel gas (hydrocarbon gas) flowing through the fuel gas flow passage 32 is prevented from bypassing the end 41 (particularly both ends 41, 41) of the first reforming catalyst layer 40 and flowing toward the metal support layer 22. This makes it possible to prevent carbon deposition caused by the contact of the fuel gas with the metal support layer 22. In particular, in the fuel cell stack 10 of this embodiment, the fuel leakage prevention film 44 is sandwiched between the end 41 of the first reforming catalyst layer 40 and the second surface 22b of the metal support layer 22, so that the sealing function against the leakage of fuel gas by the fuel leakage prevention film 44 is further improved, and carbon deposition in the metal support layer 22 is more reliably suppressed.

さらに、上述した第1改質触媒層40の端部41の一部が積層方向Zにおいて燃料流出防止膜44に重なる構成により、以下で説明するさらなる作用効果が実現される。 Furthermore, by configuring the end 41 of the first reforming catalyst layer 40 described above to overlap with the fuel outflow prevention film 44 in the stacking direction Z, further effects described below are achieved.

図5は、第1改質触媒層40の端部41が燃料流出防止膜44に重なることによる作用効果を説明するための図である。特に図5(a)は、第1改質触媒層40の端部41が燃料流出防止膜44に重ならない例、特に燃料流出防止膜44が第1改質触媒層40の端部41よりも厚肉に構成された例(端部41の厚さD2が燃料流出防止膜44の厚さD1以下となる例)を示している。一方、図5(b)には、第1改質触媒層40の端部41が燃料流出防止膜44に重なる構成(本実施形態の燃料電池スタック10の構成)を示している。より詳細には、図5(b)に示す例では、第1改質触媒層40の端部41が燃料流出防止膜44よりも厚肉に構成される。すなわち、第1改質触媒層40の端部41の厚さD2が燃料流出防止膜44の厚さD1よりも大きくなるように構成される。 5 is a diagram for explaining the effect of the end 41 of the first reforming catalyst layer 40 overlapping the fuel leakage prevention film 44. In particular, FIG. 5(a) shows an example in which the end 41 of the first reforming catalyst layer 40 does not overlap the fuel leakage prevention film 44, and in particular an example in which the fuel leakage prevention film 44 is configured to be thicker than the end 41 of the first reforming catalyst layer 40 (an example in which the thickness D2 of the end 41 is equal to or smaller than the thickness D1 of the fuel leakage prevention film 44). On the other hand, FIG. 5(b) shows a configuration in which the end 41 of the first reforming catalyst layer 40 overlaps the fuel leakage prevention film 44 (the configuration of the fuel cell stack 10 of this embodiment). More specifically, in the example shown in FIG. 5(b), the end 41 of the first reforming catalyst layer 40 is configured to be thicker than the fuel leakage prevention film 44. That is, the thickness D2 of the end 41 of the first reforming catalyst layer 40 is configured to be larger than the thickness D1 of the fuel leakage prevention film 44.

ここで、燃料流出防止膜44は、第1改質触媒層40の端部41と金属支持層22の表面の間をシールする機能を実現する観点から、充填性を持たせるために高温環境下において一定の流動性を示す性質を持つ。したがって、図5(a)の構成であると、燃料流出防止膜44が第1改質触媒層40の側(太い矢印で示す方向)に流れて第1改質触媒層40の気孔を塞ぎ、触媒性能を低下させる可能性が想定される。これに対して、図5(b)の構成であれば、第1改質触媒層40の端部41が燃料流出防止膜44の流入をブロックする作用が得られ、第1改質触媒層40の気孔を塞ぐ現象の発生を抑制することができる。 Here, the fuel leakage prevention film 44 has a certain fluidity in a high temperature environment in order to provide a filling property from the viewpoint of realizing the function of sealing between the end 41 of the first reforming catalyst layer 40 and the surface of the metal support layer 22. Therefore, in the configuration of FIG. 5(a), it is assumed that the fuel leakage prevention film 44 flows toward the first reforming catalyst layer 40 (in the direction shown by the thick arrow) and blocks the pores of the first reforming catalyst layer 40, thereby reducing the catalyst performance. In contrast, in the configuration of FIG. 5(b), the end 41 of the first reforming catalyst layer 40 acts to block the inflow of the fuel leakage prevention film 44, and the occurrence of the phenomenon of blocking the pores of the first reforming catalyst layer 40 can be suppressed.

次に、本実施形態の燃料電池スタック10の製造方法について説明する。 Next, a method for manufacturing the fuel cell stack 10 of this embodiment will be described.

図6は、燃料電池スタック10の製造方法に係る各工程を説明する図である。 Figure 6 is a diagram explaining each step in the manufacturing method of the fuel cell stack 10.

先ず、図6(a)に示すように、セルユニット20の金属支持層22に、燃料流出防止膜44を形成する。より詳細には、金属支持層22の第2表面22bに、複数の燃料流出防止膜44(図6では2つ)を、それぞれの間にセパレータ30の突起部30cを挿入するための電極幅方向Xに延在するスペースSを確保しつつ形成する。特に、燃料流出防止膜44は、原料スラリーを金属支持層22の第2表面22bにスクリーン印刷し、その後乾燥させることで形成される。 First, as shown in FIG. 6(a), a fuel leakage prevention film 44 is formed on the metal support layer 22 of the cell unit 20. More specifically, a plurality of fuel leakage prevention films 44 (two in FIG. 6) are formed on the second surface 22b of the metal support layer 22 while leaving a space S extending in the electrode width direction X between each of the fuel leakage prevention films 44 for inserting the protrusions 30c of the separator 30. In particular, the fuel leakage prevention film 44 is formed by screen printing the raw material slurry on the second surface 22b of the metal support layer 22 and then drying it.

次に、図6(b)に示すように、第1改質触媒層40を、その端部41が燃料流出防止膜44に重なるように金属支持層22の第2表面22bに施す。より詳細には、第1改質触媒層40の原料スラリーを、燃料流出防止膜44と重なる端部41を形成するようにマスキングして金属支持層22の第2表面22bにスクリーン印刷し、その後高温処理して乾燥させる。なお、この高温処理によって、燃料流出防止膜44が流動して第1改質触媒層40及び金属支持層22の第2表面22bに対してより好適に密着する。このため、燃料流出防止膜44は、燃料ガス流路32から金属支持層22の第2表面22bへのガスの通路となり得る隙間を埋めるように充填されることとなる。すなわち、燃料流出防止膜44による燃料ガスの金属支持層22への流出に対するシール機能がより好適に確保される。 Next, as shown in FIG. 6(b), the first reforming catalyst layer 40 is applied to the second surface 22b of the metal support layer 22 so that its end 41 overlaps the fuel leakage prevention film 44. More specifically, the raw material slurry of the first reforming catalyst layer 40 is screen-printed on the second surface 22b of the metal support layer 22 while masking to form the end 41 that overlaps with the fuel leakage prevention film 44, and then dried by high-temperature treatment. Note that this high-temperature treatment causes the fuel leakage prevention film 44 to flow and adhere more favorably to the first reforming catalyst layer 40 and the second surface 22b of the metal support layer 22. Therefore, the fuel leakage prevention film 44 is filled so as to fill the gap that can be a gas passage from the fuel gas flow path 32 to the second surface 22b of the metal support layer 22. That is, the sealing function of the fuel leakage prevention film 44 against the leakage of fuel gas to the metal support layer 22 is more favorably secured.

次に、図6(c)に示すように、セパレータ30を、金属支持層22に設置する。より詳細には、セパレータ30を、その第1表面30aに形成された突起部30cが隣接する燃料流出防止膜44の間のスペースSに入り込んで金属支持層22の第2表面22bに当接するように配置する。 Next, as shown in FIG. 6(c), the separator 30 is placed on the metal support layer 22. More specifically, the separator 30 is positioned so that the protrusions 30c formed on the first surface 30a of the separator 30 enter the spaces S between the adjacent fuel outflow prevention films 44 and abut against the second surface 22b of the metal support layer 22.

そして、図6(d)に示すように、セパレータ30の突起部30cと金属支持層22の第2表面22bとの接触部分Cpに対してレーザー溶接を行うことで、金属支持層22にセパレータ30を接合する。 Then, as shown in FIG. 6(d), the contact portion Cp between the protrusion 30c of the separator 30 and the second surface 22b of the metal support layer 22 is laser-welded to join the separator 30 to the metal support layer 22.

特に、本実施形態では、セパレータ30の第1表面30aに突起部30cが構成されていることで、セパレータ30と金属支持層22の接触部分Cpを一定以上の面積とすることができるため、溶接時の入熱量を低下させることができる。また、この突起部30cの形状により、セパレータ30が第1改質触媒層40を金属支持層22の第2表面22bに押し付ける状態で当該金属支持層22に接合される。このため、金属支持層22に対する第1改質触媒層40の固定をより安定させることができる。 In particular, in this embodiment, the protrusions 30c are formed on the first surface 30a of the separator 30, so that the contact area Cp between the separator 30 and the metal support layer 22 can be made to have a certain area or more, thereby reducing the amount of heat input during welding. In addition, due to the shape of the protrusions 30c, the separator 30 is joined to the metal support layer 22 in a state in which the first reforming catalyst layer 40 is pressed against the second surface 22b of the metal support layer 22. This makes it possible to more stably fix the first reforming catalyst layer 40 to the metal support layer 22.

上記図6(a)~図6(d)の工程を、燃料電池スタック10に含まれるセル積層数に応じた所定回数繰り返すことで、複数のセルユニット20が積層された燃料電池スタック10を構成することができる。 The steps shown in Figures 6(a) to 6(d) above can be repeated a predetermined number of times according to the number of stacked cells included in the fuel cell stack 10 to form a fuel cell stack 10 in which multiple cell units 20 are stacked.

以上説明した本実施形態の燃料電池スタック10の構成及びそれによる作用効果についてまとめて説明する。 The configuration of the fuel cell stack 10 of this embodiment and the associated effects will now be described.

本実施形態の燃料電池スタック10は、電極層(アノード電極層24及びカソード電極層28)及び電解質層26が金属支持層22の一方の面(第1表面22a)に支持されるとともに他方の面(第2表面22b)にセパレータ30が取り付けられる内部改質型(特に直接内部改質型)の燃料電池セル(セルユニット20)を含み、金属支持層22の第2表面22bとセパレータ30の表面(第1表面30a)との間の空間に燃料流路(燃料ガス流路32)が形成される燃料電池セル構造として構成される。 The fuel cell stack 10 of this embodiment includes an internal reforming type (particularly a direct internal reforming type) fuel cell (cell unit 20) in which the electrode layer (anode electrode layer 24 and cathode electrode layer 28) and the electrolyte layer 26 are supported on one surface (first surface 22a) of the metal support layer 22 and a separator 30 is attached to the other surface (second surface 22b), and is configured as a fuel cell structure in which a fuel flow path (fuel gas flow path 32) is formed in the space between the second surface 22b of the metal support layer 22 and the surface (first surface 30a) of the separator 30.

この燃料電池スタック10は、燃料ガス流路32の上流領域Auにおいて金属支持層22の第2表面22bに設けられた第1改質触媒層40と、燃料ガス流路32の下流領域Adにおいて金属支持層22の第2表面22bに設けられた第2改質触媒層42と、燃料ガス流路32のガス流れ方向Yにおける第1改質触媒層40の端部41に設けられるとともに、該第1改質触媒層40をバイパスして金属支持層22に燃料ガスが流出することを抑制する燃料流出防止膜44と、を備える。 This fuel cell stack 10 comprises a first reforming catalyst layer 40 provided on the second surface 22b of the metal support layer 22 in the upstream region Au of the fuel gas flow path 32, a second reforming catalyst layer 42 provided on the second surface 22b of the metal support layer 22 in the downstream region Ad of the fuel gas flow path 32, and a fuel outflow prevention membrane 44 provided at an end 41 of the first reforming catalyst layer 40 in the gas flow direction Y of the fuel gas flow path 32 and which prevents fuel gas from bypassing the first reforming catalyst layer 40 and outflowing to the metal support layer 22.

そして、この燃料電池スタック10では、第1改質触媒層40は、第2改質触媒層42に比べて改質反応に起因した炭素析出を抑制する効果が高い材料により構成される。さらに、燃料流出防止膜44には、第1改質触媒層40における改質反応により生成される炭素酸化物(CO又はCO2)を吸収する炭素酸化物吸収材を含む。 In this fuel cell stack 10, the first reforming catalyst layer 40 is made of a material that is more effective at suppressing carbon deposition caused by the reforming reaction than the second reforming catalyst layer 42. Furthermore, the fuel outflow prevention film 44 includes a carbon oxide absorbent that absorbs carbon oxides (CO or CO2 ) generated by the reforming reaction in the first reforming catalyst layer 40.

これにより、発電による生成水が不足して炭素が析出し易い燃料ガス流路32の上流領域Auにおいては第1改質触媒層40により炭素析出が抑制される一方、発電による生成水が豊富な下流領域Adにおいては第2改質触媒層42により改質反応の効率が確保される。さらに、燃料流出防止膜44によって、燃料ガスが第1改質触媒層40の端部41に生じ得る隙間から金属支持層22へ流出することを回避するとともに、第1改質触媒層40における改質反応により生じる炭素酸化物を吸収することができる。したがって、発電による生成水が比較的少ない燃料ガス流路32の上流領域Auにおける炭素析出を抑制しつつ、第1改質触媒層40における改質反応で生じる炭素酸化物と触媒材料との間の接触に起因した触媒劣化の双方を抑制することができる。 As a result, the first reforming catalyst layer 40 suppresses carbon deposition in the upstream region Au of the fuel gas flow passage 32 where water produced by power generation is insufficient and carbon deposition is likely to occur, while the second reforming catalyst layer 42 ensures the efficiency of the reforming reaction in the downstream region Ad where water produced by power generation is abundant. Furthermore, the fuel outflow prevention film 44 prevents the fuel gas from flowing out to the metal support layer 22 through a gap that may occur at the end 41 of the first reforming catalyst layer 40, and can absorb carbon oxides produced by the reforming reaction in the first reforming catalyst layer 40. Therefore, it is possible to suppress both carbon deposition in the upstream region Au of the fuel gas flow passage 32 where water produced by power generation is relatively small, and catalyst deterioration caused by contact between carbon oxides produced by the reforming reaction in the first reforming catalyst layer 40 and the catalyst material.

また、本実施形態の燃料電池スタック10では、第1改質触媒層40は、酸化物で構成される担体(触媒担体40a)に触媒粒子40bが担持されることで構成される。特に、触媒担体40aは、酸化バリウム(BaO)、酸化マグネシウム(MgO)、又は酸化カルシウム(CaO)などの金属酸化物、当該金属酸化物の1種若しくは2種以上の混合物、及びこれらの固溶体から成る群から選択される材料により構成される。また、触媒粒子40bは、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、若しくは銅(Cu)等の遷移金属、ランタン(La)等の希土類元素、ルテニウム(Ru)、白金(Pt)、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)、銀(Ag)、又はパラジウム(Pd)等の貴金属、及びこれらの1種又は2種以上の混合物から成る群から選択される材料により構成される微粒子(特にナノ粒子)である。 In addition, in the fuel cell stack 10 of this embodiment, the first reforming catalyst layer 40 is configured by supporting catalyst particles 40b on a support (catalyst support 40a) configured of an oxide. In particular, the catalyst support 40a is configured of a material selected from the group consisting of metal oxides such as barium oxide (BaO), magnesium oxide (MgO), or calcium oxide (CaO), a mixture of one or more of the metal oxides, and solid solutions thereof. In addition, the catalyst particles 40b are fine particles (particularly nanoparticles) configured of a material selected from the group consisting of transition metals such as iron (Fe), nickel (Ni), cobalt (Co), or copper (Cu), rare earth elements such as lanthanum (La), precious metals such as ruthenium (Ru), platinum (Pt), rhodium (Rh), iridium (Ir), silver (Ag), or palladium (Pd), and a mixture of one or more of the above.

これにより、第1改質触媒層40に求められる高い炭素析出の抑制効果を好適に実現することができる。 This makes it possible to effectively achieve the high carbon deposition suppression effect required for the first reforming catalyst layer 40.

また、本実施形態の燃料電池スタック10では、第1改質触媒層40の端部41は、燃料流出防止膜44に対して積層方向Zにおいて重なるように構成される。 In addition, in the fuel cell stack 10 of this embodiment, the end 41 of the first reforming catalyst layer 40 is configured to overlap the fuel outflow prevention film 44 in the stacking direction Z.

これにより、第1改質触媒層40の端部41が燃料流出防止膜44の当該第1改質触媒層40の内部への流入をブロックするように作用するので、燃料流出防止膜44が第1改質触媒層40の気孔を塞ぐことに起因する触媒性能の低下を抑制することができる。 As a result, the end 41 of the first reforming catalyst layer 40 acts to block the inflow of the fuel outflow prevention film 44 into the inside of the first reforming catalyst layer 40, thereby suppressing the deterioration of catalyst performance caused by the fuel outflow prevention film 44 blocking the pores of the first reforming catalyst layer 40.

さらに、本実施形態では、上記燃料電池スタック10を製造する製造方法が提供される。この製造方法は、燃料電池セル(セルユニット20)における金属支持層22の表面に燃料流出防止膜44を施す工程(図6(a))と、金属支持層22の第2表面22bに第1改質触媒層40を施す工程(図6(b))と、セパレータ30を金属支持層22の第2表面22bに配置する工程(図6(c))と、セパレータ30と金属支持層22の第2表面22bをレーザー溶接する工程(図6(d))と、を含む。 Furthermore, in this embodiment, a manufacturing method for manufacturing the fuel cell stack 10 is provided. This manufacturing method includes a step of applying a fuel outflow prevention film 44 to the surface of the metal support layer 22 in the fuel cell (cell unit 20) (FIG. 6(a)), a step of applying a first reforming catalyst layer 40 to the second surface 22b of the metal support layer 22 (FIG. 6(b)), a step of placing a separator 30 on the second surface 22b of the metal support layer 22 (FIG. 6(c)), and a step of laser welding the separator 30 and the second surface 22b of the metal support layer 22 (FIG. 6(d)).

これにより、上記構成を有する燃料電池スタック10を製造するための好適な方法が実現される。 This provides a suitable method for manufacturing a fuel cell stack 10 having the above configuration.

(第2実施形態)
以下、第2実施形態について説明する。なお、第1実施形態と同様の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
Second Embodiment
The second embodiment will be described below, in which the same elements as those in the first embodiment are given the same reference numerals and the description thereof will be omitted.

図7Aは、本実施形態による燃料電池スタック10の構成を説明する図である。特に、図7A(a)は燃料電池スタック10の概略側面図であり、図7A(b)は燃料電池スタック10の概略断面図である。また、図7Bは、図7A(b)の部分拡大図である。 Figure 7A is a diagram illustrating the configuration of the fuel cell stack 10 according to this embodiment. In particular, Figure 7A(a) is a schematic side view of the fuel cell stack 10, and Figure 7A(b) is a schematic cross-sectional view of the fuel cell stack 10. Also, Figure 7B is a partially enlarged view of Figure 7A(b).

図示のように、本実施形態の燃料電池スタック10では、金属支持層22の第2表面22bに対向するセパレータ30の第1表面30aにおける略全域に亘って炭素析出抑制触媒層52が設けられている。 As shown in the figure, in the fuel cell stack 10 of this embodiment, a carbon deposition suppression catalyst layer 52 is provided over substantially the entire area of the first surface 30a of the separator 30 that faces the second surface 22b of the metal support layer 22.

この炭素析出抑制触媒層52は、第1改質触媒層40と同様に、改質反応に起因した炭素析出を抑制する効果が高い材料により構成される。すなわち、炭素析出抑制触媒層52は、酸化物で構成される担体に触媒粒子が担持されることで構成される。 This carbon deposition suppression catalyst layer 52, like the first reforming catalyst layer 40, is made of a material that is highly effective in suppressing carbon deposition caused by the reforming reaction. That is, the carbon deposition suppression catalyst layer 52 is made by supporting catalyst particles on a carrier made of an oxide.

特に、炭素析出抑制触媒層52を構成する担体は、例えば、酸化バリウム(BaO)、酸化マグネシウム(MgO)、又は酸化カルシウム(CaO)などの金属酸化物、当該金属酸化物の1種若しくは2種以上の混合物、及びこれらの固溶体から成る群から選択される材料により構成される。 In particular, the carrier constituting the carbon deposition suppression catalyst layer 52 is composed of a material selected from the group consisting of metal oxides such as barium oxide (BaO), magnesium oxide (MgO), or calcium oxide (CaO), a mixture of one or more of these metal oxides, and solid solutions thereof.

また、触媒粒子は、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、若しくは銅(Cu)等の遷移金属、ランタン(La)等の希土類元素、ルテニウム(Ru)、白金(Pt)、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)、銀(Ag)、又はパラジウム(Pd)等の貴金属、及びこれらの1種又は2種以上の混合物から成る群から選択される材料により構成される微粒子(特にナノ粒子)である。 The catalyst particles are fine particles (particularly nanoparticles) made of a material selected from the group consisting of transition metals such as iron (Fe), nickel (Ni), cobalt (Co), or copper (Cu), rare earth elements such as lanthanum (La), precious metals such as ruthenium (Ru), platinum (Pt), rhodium (Rh), iridium (Ir), silver (Ag), or palladium (Pd), and mixtures of one or more of these.

なお、製造上の観点などから、炭素析出抑制触媒層52は第1改質触媒層40と同一の材料により構成されることが好ましい。 From a manufacturing standpoint, it is preferable that the carbon deposition suppression catalyst layer 52 be made of the same material as the first reforming catalyst layer 40.

さらに、本実施形態の燃料電池スタック10では、セパレータ30の第1表面30aと炭素析出抑制触媒層52の間に、セパレータ30の第1表面30aの略全域に亘って炭素酸化物吸収層54が設けられる。 Furthermore, in the fuel cell stack 10 of this embodiment, a carbon oxide absorbing layer 54 is provided between the first surface 30a of the separator 30 and the carbon deposition suppression catalyst layer 52, over substantially the entire area of the first surface 30a of the separator 30.

この炭素酸化物吸収層54は、燃料流出防止膜44と同様に、一定の加熱流動性を有し、炭素酸化物(CO又はCO2)を吸収する炭素酸化物吸収材により構成される。特に、炭素析出抑制触媒層52は、酸化物で構成される担体に触媒粒子が担持されることで構成される。より詳細には、炭素析出抑制触媒層52を構成する炭素酸化物吸収材としては、バリウム(Ba)、カルシウム(Ca)、若しくはマグネシウム(Mg)等のアルカリ金属又はアルカリ土類金属が挙げられる。 The carbon oxide absorbing layer 54, like the fuel outflow prevention film 44, is made of a carbon oxide absorbing material that has a certain degree of thermal fluidity and absorbs carbon oxides (CO or CO2 ). In particular, the carbon deposition prevention catalyst layer 52 is made by supporting catalyst particles on a carrier made of an oxide. More specifically, examples of the carbon oxide absorbing material that constitutes the carbon deposition prevention catalyst layer 52 include alkali metals or alkaline earth metals such as barium (Ba), calcium (Ca), or magnesium (Mg).

なお、製造上の観点などから、炭素酸化物吸収層54は燃料流出防止膜44と同一の材料により構成されることが好ましい。 From a manufacturing standpoint, it is preferable that the carbon oxide absorbing layer 54 be made of the same material as the fuel outflow prevention film 44.

上述した炭素酸化物吸収層54及び炭素析出抑制触媒層52は、例えばスクリーン印刷などの塗工方法により、この順でセパレータ30の第1表面30aに施される。すなわち、セパレータ30の第1表面30aにおいて炭素酸化物吸収層54及び炭素析出抑制触媒層52からなる複合層が形成されることとなる。この構成による技術的意義について以下に説明する。 The carbon oxide absorbing layer 54 and the carbon deposition suppression catalyst layer 52 described above are applied in this order to the first surface 30a of the separator 30 by a coating method such as screen printing. That is, a composite layer consisting of the carbon oxide absorbing layer 54 and the carbon deposition suppression catalyst layer 52 is formed on the first surface 30a of the separator 30. The technical significance of this configuration is explained below.

既に説明したように、セパレータ30はFe又はCrなどの導電性金属材料(特に遷移金属材料)で構成されているため、金属支持層22と同様に炭素に対する反応性が高い。そのため、第1改質触媒層40における改質反応により発生する炭素がセパレータ30の第1表面30aに接触することで、当該第1表面30aにおいて炭素析出が発生することが想定される。 As already explained, the separator 30 is made of a conductive metal material (particularly a transition metal material) such as Fe or Cr, and is therefore highly reactive to carbon, similar to the metal support layer 22. Therefore, it is expected that carbon generated by the reforming reaction in the first reforming catalyst layer 40 will come into contact with the first surface 30a of the separator 30, causing carbon deposition on the first surface 30a.

これに対して、本実施形態では、セパレータ30の第1表面30aに炭素析出抑制触媒層52が設けられることで、セパレータ30における炭素析出を抑制することができる。さらに、セパレータ30の第1表面30aの略全域に炭素酸化物吸収層54が設けられることで、改質反応で生じる炭素酸化物が炭素酸化物吸収層54によって吸収されるので、炭素析出抑制触媒層52の劣化が抑制される。 In contrast, in this embodiment, a carbon deposition suppression catalyst layer 52 is provided on the first surface 30a of the separator 30, thereby suppressing carbon deposition in the separator 30. Furthermore, a carbon oxide absorption layer 54 is provided on substantially the entire first surface 30a of the separator 30, so that the carbon oxides generated in the reforming reaction are absorbed by the carbon oxide absorption layer 54, thereby suppressing deterioration of the carbon deposition suppression catalyst layer 52.

特に、本実施形態では、第1表面30aの略全域に亘って炭素析出抑制触媒層52が設けられているため、セパレータ30の屈曲形状によって第1改質触媒層40に向かう方向に誘導される炭素酸化物を当該炭素析出抑制触媒層52で好適に遮断することができる。このため、炭素酸化物と第1改質触媒層40の接触をより確実に防止することができる。 In particular, in this embodiment, the carbon deposition suppression catalyst layer 52 is provided over substantially the entire area of the first surface 30a, so that the carbon deposition suppression catalyst layer 52 can effectively block carbon oxides that are guided in the direction toward the first reforming catalyst layer 40 by the curved shape of the separator 30. This makes it possible to more reliably prevent contact between the carbon oxides and the first reforming catalyst layer 40.

以上説明した本実施形態の燃料電池スタック10の構成及びそれによる作用効果についてまとめて説明する。 The configuration of the fuel cell stack 10 of this embodiment and the associated effects will now be described.

本実施形態の燃料電池スタック10において、セパレータ30には、金属支持層22と対向する第1表面30aの略全域に亘って第2改質触媒層42に比べて改質反応に起因した炭素析出を抑制する効果が高い炭素析出抑制触媒層52が設けられる。 In the fuel cell stack 10 of this embodiment, the separator 30 is provided with a carbon deposition suppression catalyst layer 52 that is more effective at suppressing carbon deposition caused by the reforming reaction than the second reforming catalyst layer 42 over substantially the entire area of the first surface 30a that faces the metal support layer 22.

これにより、第1改質触媒層40で生じる炭素が当該炭素に対して反応性の低い炭素析出抑制触媒層52で遮断されることとなるので、セパレータ30の第1表面30aにおける炭素析出をより確実に抑制することができる。 As a result, carbon generated in the first reforming catalyst layer 40 is blocked by the carbon deposition prevention catalyst layer 52, which has low reactivity with the carbon, so carbon deposition on the first surface 30a of the separator 30 can be more reliably prevented.

さらに、本実施形態では、セパレータ30には、該セパレータ30の第1表面30aと炭素析出抑制触媒層52の間に、炭素酸化物を吸収する炭素酸化物吸収層54が設けられる。 Furthermore, in this embodiment, the separator 30 is provided with a carbon oxide absorption layer 54 that absorbs carbon oxides between the first surface 30a of the separator 30 and the carbon deposition suppression catalyst layer 52.

これにより、第1改質触媒層40で生じる炭素酸化物が炭素酸化物吸収層54で吸収されるので、炭素酸化物と炭素析出抑制触媒層52の反応に起因する炭素析出抑制触媒層52の劣化を好適に抑制することができる。 As a result, the carbon oxides generated in the first reforming catalyst layer 40 are absorbed by the carbon oxide absorption layer 54, so that deterioration of the carbon deposition suppression catalyst layer 52 caused by the reaction between the carbon oxides and the carbon deposition suppression catalyst layer 52 can be effectively suppressed.

以下では、上記第1実施形態又は第2実施形態において適用可能な各変形例1~3について説明する。なお、変形例1~3を説明するための各図8~図10においては、第1実施形態で説明した構成(図3等に示す構成)を前提とする燃料電池スタック10を示している。しかしながら、これは、各変形例1~3の構成が第1実施形態の燃料電池スタック10の構成を前提とすることに限定される趣旨ではない。すなわち、第2実施形態で説明した構成を基本構成として、変形例1~3のそれぞれの構成の少なくとも一つを採用してなる燃料電池スタック10も、本願明細書等に開示される範囲に含まれる。 Below, we will explain each of the modified examples 1 to 3 that can be applied to the first embodiment or the second embodiment. Note that in each of Figures 8 to 10 for explaining modified examples 1 to 3, a fuel cell stack 10 is shown that is based on the configuration described in the first embodiment (the configuration shown in Figure 3, etc.). However, this is not intended to limit the configuration of each of the modified examples 1 to 3 to the configuration of the fuel cell stack 10 of the first embodiment. In other words, a fuel cell stack 10 that uses the configuration described in the second embodiment as a basic configuration and adopts at least one of the configurations of modified examples 1 to 3 is also included in the scope of what is disclosed in this specification, etc.

(変形例1)
図8は、変形例1に係る燃料電池スタック10の構成を説明する図である。図示のように、変形例1の燃料電池スタック10では、電極幅方向Xに沿って並ぶ複数(図8では3つ)の燃料ガス流路32-1,32-2,32-3の内、幅方向外側の燃料ガス流路32-1,32-3の部分にそれぞれ設けられる第1改質触媒層40-1、40-3が、幅方向内側の燃料ガス流路32-2の部分に設けられる第1改質触媒層40-2よりも積層方向Zにおいて厚く形成される。より具体的には、第1改質触媒層40-1、40-3における触媒粒子40b-1、40b-3の触媒担体40a-1、40a-3に対する担持量が、触媒粒子40b-2の触媒担体40a-2に対する担持量に比べて多くなるように構成されている。この構成をとることによる技術的意義について説明する。
(Variation 1)
FIG. 8 is a diagram for explaining the configuration of the fuel cell stack 10 according to the first modification. As shown in the figure, in the fuel cell stack 10 according to the first modification, among the multiple (three in FIG. 8) fuel gas flow paths 32-1, 32-2, 32-3 arranged along the electrode width direction X, the first reforming catalyst layers 40-1, 40-3 provided in the fuel gas flow paths 32-1, 32-3 on the outer side in the width direction are formed thicker in the stacking direction Z than the first reforming catalyst layer 40-2 provided in the fuel gas flow path 32-2 on the inner side in the width direction. More specifically, the first reforming catalyst layers 40-1, 40-3 are configured so that the amount of catalyst particles 40b-1, 40b-3 supported on the catalyst carriers 40a-1, 40a-3 is larger than the amount of catalyst particles 40b-2 supported on the catalyst carrier 40a-2. The technical significance of this configuration will be explained.

直接内部改質型の燃料電池スタック10においては、発電時における電気化学反応(発熱反応)がより活発に生じる幅方向内側が相対的に高温となり、そうでない幅方向外側は相対的に低温になる。すなわち、セルユニット20の発電領域を構成する面内において幅方向内側と幅方向外側の温度差に起因する温度分布が生じる。この温度分布の発生により、セルユニット20の面内において燃料ガスの粘性にバラツキが生じる。したがって、気体の粘度における温度依存特性に基づくと、高温の幅方向内側における燃料ガスの粘度は低温の幅方向外側におけるそれと比べて高くなる。このため、高温の幅方向内側の燃料ガス流路32-2における燃料ガス流量が相対的に小さくなり、低温の幅方向外側の燃料ガス流路32-1,32-3における燃料ガス流量が相対的に大きくなる。その結果、セルユニット20の幅方向外側において、炭素析出が起こりやすくなる。これに対して、図8に示す変形例1の構成であれば、幅方向外側に配置される第1改質触媒層40-1、40-3が幅方向内側に配置される第1改質触媒層40-2よりも厚く構成されている。すなわち、第1改質触媒層40-1、40-3の炭素析出抑制効果が第1改質触媒層40-2よりも向上するので、燃料ガス流量がより大きい幅方向外側における炭素析出をより確実に抑制することができる。 In the direct internal reforming type fuel cell stack 10, the inside in the width direction where the electrochemical reaction (exothermic reaction) during power generation occurs more actively becomes relatively hot, and the outside in the width direction where it does not occur becomes relatively cold. That is, a temperature distribution occurs in the plane constituting the power generation area of the cell unit 20 due to the temperature difference between the inside in the width direction and the outside in the width direction. The occurrence of this temperature distribution causes variation in the viscosity of the fuel gas in the plane of the cell unit 20. Therefore, based on the temperature dependence characteristic of the viscosity of gas, the viscosity of the fuel gas in the inside in the width direction where the temperature is high is higher than that in the outside in the width direction where the temperature is low. For this reason, the fuel gas flow rate in the fuel gas flow path 32-2 on the inside in the width direction where the temperature is high becomes relatively small, and the fuel gas flow rate in the fuel gas flow paths 32-1, 32-3 on the outside in the width direction where the temperature is low becomes relatively large. As a result, carbon deposition is likely to occur on the outside in the width direction of the cell unit 20. In contrast, in the configuration of the modified example 1 shown in FIG. 8, the first reforming catalyst layers 40-1, 40-3 arranged on the outside in the width direction are configured to be thicker than the first reforming catalyst layer 40-2 arranged on the inside in the width direction. That is, the carbon deposition suppression effect of the first reforming catalyst layers 40-1 and 40-3 is improved compared to the first reforming catalyst layer 40-2, so carbon deposition can be more reliably suppressed on the outer side in the width direction where the fuel gas flow rate is greater.

(変形例2)
変形例2では、図6において説明した燃料電池スタック10の製造方法の一工程に関する他の態様が提供される。具体的に、変形例2の製造方法では、セパレータ30を金属支持層22に溶接する工程(図6(d)参照)を、燃料ガス流路32における上流領域Auにおける溶接の入熱量が下流領域Adにおける入熱量よりも大きくなるように実行する。このように工程を実行することによる技術的意義について説明する。
(Variation 2)
In Modification 2, another aspect of one step of the manufacturing method for the fuel cell stack 10 described in Fig. 6 is provided. Specifically, in the manufacturing method of Modification 2, the step of welding the separator 30 to the metal support layer 22 (see Fig. 6(d)) is performed such that the amount of heat input to the welding in the upstream region Au of the fuel gas flow field 32 is greater than the amount of heat input to the downstream region Ad . The technical significance of performing the step in this manner will be described.

発電による生成水が不足し易い燃料ガス流路32の上流領域Auでは、下流領域Adに比べて炭素析出がより生じ易い。一方で、燃料ガス流路32の下流領域Adは、発電による生成水が比較的豊富に存在するため、当該生成水によって炭素析出の要因となる反応の発生が阻害される。したがって、炭素析出がより生じ易い上流領域Auでは、そうでない下流領域Adよりも燃料ガスと金属支持層22の接触をより確実に回避する構成を採用することが望まれる。 In the upstream region Au of the fuel gas flow field 32, where the water generated by power generation is likely to be insufficient, carbon deposition is more likely to occur than in the downstream region Ad . On the other hand, in the downstream region Ad of the fuel gas flow field 32, the water generated by power generation is relatively abundant, and the generated water inhibits the occurrence of reactions that cause carbon deposition. Therefore, in the upstream region Au , where carbon deposition is more likely to occur, it is desirable to employ a configuration that more reliably avoids contact between the fuel gas and the metal support layer 22 than in the downstream region Ad , where carbon deposition is not likely to occur.

このような要求に対して、変形例2では、セパレータ30を金属支持層22に溶接する工程において、燃料ガス流路32における上流領域Auにおける溶接の入熱量が下流領域Adにおける入熱量よりも大きくする。これにより、図9に示す構成の燃料電池スタック10が得られる。 In response to such demands, in the second modification, in the process of welding the separator 30 to the metal support layer 22, the amount of heat input in the upstream region Au of the fuel gas flow field 32 is made larger than the amount of heat input in the downstream region Ad , thereby obtaining the fuel cell stack 10 having the configuration shown in FIG.

図9に示す燃料電池スタック10では、上流領域Auにおける溶接ビード46uが下流領域Adにおける溶接ビード46dよりも太く構成されている。これにより、上流領域Auにおいては、太い溶接ビード46uによって燃料ガスの金属支持層22へのパスをより確実に遮断することができる。一方で、上流領域Auに比べて燃料ガスの遮断要求が低い下流領域Adにおいては溶接ビード46dが相対的に細く構成されるため、溶接ビード46dによる燃料ガス流路32における設計に対する精度も維持することができる。 9, the weld bead 46u in the upstream region Au is thicker than the weld bead 46d in the downstream region Ad . This allows the thick weld bead 46u to more reliably block the path of fuel gas to the metal support layer 22 in the upstream region Au . On the other hand, the weld bead 46d is relatively thin in the downstream region Ad , where the requirement for blocking fuel gas is lower than in the upstream region Au , so that the weld bead 46d can maintain the design accuracy of the fuel gas flow path 32.

(変形例3)
図10は、変形例3に係る燃料電池スタック10の構成を説明する図である。図示のように、変形例3では、セパレータ30のばね性をより向上させる観点から、図3等に示すセパレータ30の形状と異なる形状のセパレータ30が採用されている。これにより、セパレータ30と金属支持層22の接合強度をより向上させることができる。なお、図10に示す形状以外であっても、セパレータ30の本来の機能を確保できる範囲において、ばね性を向上させることのできる任意の形状を採用することもできる。
(Variation 3)
Fig. 10 is a diagram illustrating the configuration of a fuel cell stack 10 according to Modification 3. As shown in the figure, in Modification 3, a separator 30 having a shape different from that of the separator 30 shown in Fig. 3 and the like is adopted from the viewpoint of further improving the springiness of the separator 30. This makes it possible to further improve the bonding strength between the separator 30 and the metal support layer 22. Note that, even if the shape is other than that shown in Fig. 10, any shape that can improve the springiness can be adopted as long as the original function of the separator 30 can be ensured.

以上、本発明の各実施形態について説明したが、上記各実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記各実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。 Although each embodiment of the present invention has been described above, the above embodiments merely show some of the application examples of the present invention, and are not intended to limit the technical scope of the present invention to the specific configurations of the above embodiments.

また、上記各実施形態及び各変形例は、相互に矛盾しない範囲で任意に組み合わせることが可能である。 Furthermore, the above embodiments and variations can be combined in any manner as long as they are not mutually inconsistent.

10 燃料電池スタック
20 セルユニット
22 金属支持層
24 アノード電極層
26 電解質層
28 カソード電極層
30 セパレータ
30a 第1表面
30b 第2表面
30c 突起部
32 燃料ガス流路
34 酸化剤ガス流路
40 第1改質触媒層
41 両端部
42 第2改質触媒層
44 燃料流出防止膜
52 炭素析出抑制触媒層
54 炭素酸化物吸収層
REFERENCE SIGNS LIST 10 fuel cell stack 20 cell unit 22 metal support layer 24 anode electrode layer 26 electrolyte layer 28 cathode electrode layer 30 separator 30a first surface 30b second surface 30c protrusion 32 fuel gas flow path 34 oxidant gas flow path 40 first reforming catalyst layer 41 both ends 42 second reforming catalyst layer 44 fuel outflow prevention film 52 carbon deposition suppression catalyst layer 54 carbon oxide absorbing layer

Claims (6)

電極層及び電解質層が金属支持層の一方の面に支持されるとともに他方の面にセパレータが取り付けられる内部改質型の燃料電池セルを含み、前記金属支持層の他方の面と前記セパレータの表面との間の空間に燃料流路が形成される燃料電池セル構造であって、
前記燃料流路の上流領域において前記金属支持層の他方の面に、前記燃料流路のガス流れ方向及び前記ガス流れ方向に直交する電極幅方向における所定範囲に伸張して設けられた第1改質触媒層と、
前記燃料流路の下流領域において前記金属支持層の他方の面に設けられた第2改質触媒層と、
記第1改質触媒層の前記電極幅方向における端部に設けられるとともに、該第1改質触媒層をバイパスして前記金属支持層に燃料が流出することを抑制する燃料流出防止膜と、
を備え、
前記第1改質触媒層は、前記第2改質触媒層に比べて改質反応に起因した炭素析出を抑制する効果が高い材料により構成され、
前記燃料流出防止膜は、前記第1改質触媒層における前記改質反応により生成される炭素酸化物を吸収する炭素酸化物吸収材を含む、
燃料電池セル構造。
A fuel cell structure including an internal reforming type fuel cell in which an electrode layer and an electrolyte layer are supported on one surface of a metal support layer and a separator is attached to the other surface of the metal support layer, and a fuel flow path is formed in a space between the other surface of the metal support layer and a surface of the separator,
a first reforming catalyst layer provided on the other surface of the metal support layer in the upstream region of the fuel flow channel , the first reforming catalyst layer extending over a predetermined range in a gas flow direction of the fuel flow channel and in an electrode width direction perpendicular to the gas flow direction ;
a second reforming catalyst layer provided on the other surface of the metal support layer in a downstream region of the fuel flow channel;
a fuel outflow prevention film provided at an end of the first reforming catalyst layer in the electrode width direction and configured to prevent fuel from bypassing the first reforming catalyst layer and outflowing to the metal support layer;
Equipped with
the first reforming catalyst layer is made of a material that is more effective in suppressing carbon deposition caused by a reforming reaction than the second reforming catalyst layer;
the fuel outflow prevention film includes a carbon oxide absorbent that absorbs carbon oxides generated by the reforming reaction in the first reforming catalyst layer.
Fuel cell structure.
請求項1に記載の燃料電池セル構造であって、
前記第1改質触媒層は、酸化物で構成される担体に触媒粒子が担持されることで構成される、
燃料電池セル構造。
2. The fuel cell structure according to claim 1,
The first reforming catalyst layer is configured by supporting catalyst particles on a support made of an oxide.
Fuel cell structure.
請求項1又は2に記載の燃料電池セル構造であって、
前記第1改質触媒層の端部は、前記燃料流出防止膜に対して積層方向において重なるように構成される、
燃料電池セル構造。
3. The fuel cell structure according to claim 1 or 2,
an end portion of the first reforming catalyst layer is configured to overlap with the fuel outflow prevention film in the stacking direction;
Fuel cell structure.
請求項1~3の何れか1項に記載の燃料電池セル構造であって、
前記セパレータには、該セパレータの表面の略全域に亘って前記第2改質触媒層に比べて前記改質反応に起因した炭素析出を抑制する効果が高い炭素析出抑制触媒層が設けられる、
燃料電池セル構造。
The fuel cell structure according to any one of claims 1 to 3,
the separator is provided with a carbon deposition suppression catalyst layer that is more effective at suppressing carbon deposition caused by the reforming reaction than the second reforming catalyst layer over substantially the entire surface of the separator;
Fuel cell structure.
請求項4に記載の燃料電池セル構造であって、
前記セパレータには、該セパレータの表面と前記炭素析出抑制触媒層の間に、炭素酸化物を吸収する炭素酸化物吸収層が設けられる、
燃料電池セル構造。
The fuel cell structure according to claim 4,
The separator has a carbon oxide absorbing layer between a surface of the separator and the carbon deposition suppression catalyst layer, the carbon oxide absorbing layer absorbing carbon oxides.
Fuel cell structure.
請求項1~5の何れか1項に記載の燃料電池セル構造を製造する製造方法であって、
前記燃料電池セルにおける前記金属支持層の他方の面に前記燃料流出防止膜を施す工程と、
前記金属支持層の他方の面に前記第1改質触媒層を施す工程と、
前記セパレータを前記金属支持層の表面に配置する工程と、
前記セパレータと前記金属支持層の表面をレーザー溶接する工程と、を含む、
燃料電池セル構造の製造方法。
A method for manufacturing the fuel cell structure according to any one of claims 1 to 5, comprising the steps of:
applying the fuel outflow prevention film to the other surface of the metal support layer in the fuel cell;
applying the first reforming catalyst layer to the other side of the metal support layer;
disposing the separator on a surface of the metal support layer;
and laser welding the separator and the surface of the metal support layer.
A method for manufacturing a fuel cell structure.
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