JP7801377B2 - Current collecting structure for electrochemical reaction cell stack, electrochemical reaction cell stack, and method for manufacturing current collecting structure for electrochemical reaction cell stack - Google Patents
Current collecting structure for electrochemical reaction cell stack, electrochemical reaction cell stack, and method for manufacturing current collecting structure for electrochemical reaction cell stackInfo
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Description
本明細書に開示される技術は、電気化学反応セルスタック用集電構造体、電気化学反応セルスタック、および、電気化学反応セルスタック用集電構造体の製造方法に関する。 The technology disclosed in this specification relates to a current collecting structure for an electrochemical reaction cell stack, an electrochemical reaction cell stack, and a method for manufacturing a current collecting structure for an electrochemical reaction cell stack.
水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池の1つとして、固体酸化物形の燃料電池(以下、「SOFC」という。)が知られている。SOFCは、一般に、燃料電池スタックの形態で利用される。燃料電池スタックは、単セルと、燃料電池スタック用集電構造体(以下、単に「集電構造体」ともいう。)と、を備える。集電構造体は、単セルと電気的に接続され、単セルで発生した電力を集める。 Solid oxide fuel cells (hereinafter referred to as "SOFCs") are known as one type of fuel cell that generates electricity using the electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. SOFCs are generally used in the form of a fuel cell stack. A fuel cell stack comprises a single cell and a current collecting structure for the fuel cell stack (hereinafter simply referred to as the "current collecting structure"). The current collecting structure is electrically connected to the single cell and collects the electricity generated by the single cell.
従来、Crを含有する合金であるフェライト系ステンレスにより形成されたインターコネクタ(Cr含有部材)と、Niにより形成される燃料極側集電体(Ni製部材)であって、インターコネクタと接合される燃料極側集電体と、を備える集電構造体が開示されている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, a current collecting structure has been disclosed that includes an interconnector (Cr-containing member) made of ferritic stainless steel, an alloy containing Cr, and a fuel electrode side current collector (Ni member) made of Ni, which is joined to the interconnector (see, for example, Patent Document 1).
集電構造体におけるCr含有部材とNi製部材との間の導電性は、燃料電池スタックの抵抗値に影響を及ぼす。また、Cr含有部材とNi製部材との間の導電性は、Cr含有部材とNi製部材との間の接合性に影響を受ける。具体的には、Cr含有部材とNi製部材との接合が不十分である場合には、燃料電池スタックの運転中に、Cr含有部材に含まれるCrがNi製部材の内部へ十分拡散することなく、Cr含有部材とNi製部材との界面で、比較的導電性の低い酸化被膜として生成することとなる。そのため、Cr含有部材とNi製部材との間の導電性が低下し、ひいては燃料電池スタックの抵抗値の上昇を引き起こし、燃料電池スタックの耐久性能が低下するという課題がある。 The electrical conductivity between the Cr-containing member and the Ni member in the current collecting structure affects the resistance of the fuel cell stack. Furthermore, the electrical conductivity between the Cr-containing member and the Ni member is affected by the bonding strength between the Cr-containing member and the Ni member. Specifically, if the bonding between the Cr-containing member and the Ni member is insufficient, the Cr contained in the Cr-containing member will not sufficiently diffuse into the Ni member during fuel cell stack operation, and will instead form an oxide film with relatively low electrical conductivity at the interface between the Cr-containing member and the Ni member. This reduces the electrical conductivity between the Cr-containing member and the Ni member, which in turn causes an increase in the resistance of the fuel cell stack and reduces the durability of the fuel cell stack.
なお、このような課題は、例えば、水の電気分解を利用して水素の生成を行う電解セル(以下、「SOEC」という。)の一形態である電解セルスタックに用いられる集電構造体にも共通の課題である。本明細書では、燃料電池単セルと電解単セルとをまとめて電気化学反応単セルと呼び、燃料電池スタックと電解セルスタックとをまとめて電気化学反応セルスタックと呼ぶ。また、このような課題は、SOFCやSOECに限らず、他のタイプの電気化学反応セルスタックにも共通の課題である。 Note that these issues are also common to current collecting structures used in electrolysis cell stacks, which are a form of electrolysis cell (hereinafter referred to as "SOEC") that generates hydrogen using the electrolysis of water. In this specification, single fuel cell cells and single electrolysis cells are collectively referred to as single electrochemical reaction cells, and fuel cell stacks and electrolysis cell stacks are collectively referred to as electrochemical reaction cell stacks. Furthermore, these issues are not limited to SOFCs and SOECs, but are also common to other types of electrochemical reaction cell stacks.
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 technology that can solve 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 technology disclosed in this specification can be realized, for example, in the following forms:
(1)本明細書に開示される電気化学反応セルスタック用集電構造体は、Crを含有する合金から形成されるCr含有部材と、Niから形成されるNi製部材であって、前記Cr含有部材と接合されるNi製部材と、を備える。前記電気化学反応セルスタック用集電構造体について、水蒸気を含む還元性ガス雰囲気下で、900℃、100時間の加熱処理を施した場合に、前記Cr含有部材と前記Ni製部材とが接合している接合部の近傍に位置する前記Ni製部材の内部のCr濃度が、1atm%以上である。 (1) The current collecting structure for an electrochemical reaction cell stack disclosed in this specification comprises a Cr-containing member formed from an alloy containing Cr, and a Ni member formed from Ni, the Ni member being joined to the Cr-containing member. When the current collecting structure for an electrochemical reaction cell stack is subjected to a heat treatment at 900°C for 100 hours in a reducing gas atmosphere containing water vapor, the Cr concentration inside the Ni member located near the joint where the Cr-containing member and the Ni member are joined is 1 atm% or more.
本電気化学反応セルスタック用集電構造体によれば、電気化学反応セルスタックの運転中に、Cr含有部材に含まれるCrが、Ni製部材の内部へ十分に拡散されるため、Cr含有部材とNi製部材との界面の密着性が向上し、酸化被膜の生成が抑制される。そのため、Cr含有部材とNi製部材との間の導電性の低下を抑制し、ひいては電気化学反応セルスタックの抵抗値の上昇を抑制し、電気化学反応セルスタックの耐久性能を向上することができる。 With this current collecting structure for an electrochemical reaction cell stack, the Cr contained in the Cr-containing member is sufficiently diffused into the Ni member during operation of the electrochemical reaction cell stack, improving adhesion at the interface between the Cr-containing member and the Ni member and suppressing the formation of an oxide film. This prevents a decrease in conductivity between the Cr-containing member and the Ni member, thereby suppressing an increase in the resistance value of the electrochemical reaction cell stack and improving the durability of the electrochemical reaction cell stack.
(2)上記電気化学反応セルスタック用集電構造体において、前記接合部を介して前記Ni製部材と前記Cr含有部材とが並ぶ方向を第1の方向としたとき、前記Ni製部材には、前記Ni製部材における前記第1の方向の中心部よりも前記接合部側に、前記中心部よりも気孔率が高い多孔層が存在する構成としてもよい。本構成によれば、Ni製部材における第1の方向の中心部よりも接合部側に、中心部よりも気孔率が高い多孔層が存在するため、電気化学反応セルスタックの製造時に、例えばCr含有部材とNi製部材との接合処理を高温の環境下で行う場合、Cr含有部材とNi製部材との熱膨張差に起因する応力を緩和することができる。これにより、Cr含有部材とNi製部材との接合部の剥離が抑制され、Cr含有部材とNi製部材との間の密着性が向上し、Cr含有部材に含まれるCrが、Ni製部材の内部へ十分に拡散されるため、Cr含有部材とNi製部材との界面の酸化被膜の生成が抑制される。そのため、Cr含有部材とNi製部材との間の導電性の低下を抑制し、ひいては電気化学反応セルスタックの抵抗値の上昇を抑制し、電気化学反応セルスタックの耐久性能をより効果的に向上することができる。 (2) In the current collecting structure for an electrochemical reaction cell stack, when the direction in which the Ni member and the Cr-containing member are aligned via the joint is defined as a first direction, the Ni member may have a porous layer with a higher porosity than the central portion, located closer to the joint than the central portion in the first direction. According to this configuration, a porous layer with a higher porosity than the central portion is located closer to the joint than the central portion in the first direction. Therefore, when, for example, the Cr-containing member and the Ni member are joined in a high-temperature environment during the manufacture of an electrochemical reaction cell stack, stress caused by the difference in thermal expansion between the Cr-containing member and the Ni member can be alleviated. This suppresses peeling at the joint between the Cr-containing member and the Ni member, improves adhesion between the Cr-containing member and the Ni member, and sufficiently diffuses the Cr contained in the Cr-containing member into the Ni member, thereby suppressing the formation of an oxide film at the interface between the Cr-containing member and the Ni member. This prevents a decrease in conductivity between the Cr-containing member and the Ni member, thereby preventing an increase in the resistance value of the electrochemical reaction cell stack and more effectively improving the durability of the electrochemical reaction cell stack.
(3)上記電気化学反応セルスタック用集電構造体において、前記多孔層の前記第1の方向の厚みは、5μm以下である構成としてもよい。本構成によれば、Ni製部材に第1の方向の厚みが5μm以下である多孔層が存在するため、電気化学反応セルスタックの製造時におけるCr含有部材とNi製部材との接合部の剥離を抑制しつつ、電気化学反応セルスタックの運転中における接合部への酸素の侵入を抑制することができる。そのため、Cr含有部材とNi製部材との界面の酸化被膜の生成が抑制され、Cr含有部材とNi製部材との間の導電性の低下を抑制し、ひいては電気化学反応セルスタックの抵抗値の上昇を抑制し、電気化学反応セルスタックの耐久性能をより効果的に向上することができる。 (3) In the above-described current collecting structure for an electrochemical reaction cell stack, the thickness of the porous layer in the first direction may be 5 μm or less. According to this configuration, the Ni component has a porous layer with a thickness of 5 μm or less in the first direction. This prevents peeling at the joint between the Cr-containing component and the Ni component during the manufacture of the electrochemical reaction cell stack, while also preventing oxygen from penetrating into the joint during operation of the electrochemical reaction cell stack. This prevents the formation of an oxide film at the interface between the Cr-containing component and the Ni component, preventing a decrease in conductivity between the Cr-containing component and the Ni component, thereby preventing an increase in the resistance value of the electrochemical reaction cell stack and more effectively improving the durability of the electrochemical reaction cell stack.
(4)上記電気化学反応セルスタック用集電構造体において、前記Ni製部材は、厚みが30μm以上の箔、または、線径が60μm以上のメッシュにより形成されている構成としてもよい。本構成によれば、電気化学反応セルスタックの運転中において、Ni製部材の内部では、Cr含有部材から拡散されたCrと、電気化学反応セルスタック内のガスに含まれるH2Oから解離した酸素とが反応することにより、Ni製部材の内部に内部酸化層(例えば、Cr2O3を含む層)が生成する。このとき、接合部側の表面と、第1の方向の接合部とは反対側の表面とのそれぞれで内部酸化層が成長すると、Ni製部材の厚みが薄い場合、各表面同士の距離が短いため、各表面側で形成された内部酸化層が連結し、Ni製部材の内部の導通経路が遮断される場合がある。本構成によれば、Ni製部材が、厚みが30μm以上の箔、または、線径60μm以上のメッシュにより形成される。これにより、各表面同士の距離が比較的長くなり、導通経路の遮断が抑制される。そのため、Cr含有部材とNi製部材との間の導電性の低下を抑制し、ひいては電気化学反応セルスタックの抵抗値の上昇を抑制し、電気化学反応セルスタックの耐久性能をより効果的に向上することができる。 (4) In the current collecting structure for an electrochemical reaction cell stack, the Ni member may be formed of a foil having a thickness of 30 μm or more or a mesh having a wire diameter of 60 μm or more. According to this configuration, during operation of the electrochemical reaction cell stack, Cr diffused from the Cr-containing member reacts with oxygen dissociated from H 2 O contained in the gas in the electrochemical reaction cell stack inside the Ni member, thereby forming an internal oxidation layer (e.g., a layer containing Cr 2 O 3 ) inside the Ni member. When this occurs, if the internal oxidation layers grow on the surface on the joint side and the surface opposite the joint in the first direction, if the Ni member is thin, the distance between the surfaces is short, and the internal oxidation layers formed on each surface may connect, blocking the internal conduction path of the Ni member. According to this configuration, the Ni member is formed of a foil having a thickness of 30 μm or more or a mesh having a wire diameter of 60 μm or more. This makes the distance between the surfaces relatively long, preventing the conduction path from being interrupted, thereby preventing a decrease in conductivity between the Cr-containing member and the Ni member, and thus preventing an increase in the resistance value of the electrochemical reaction cell stack, thereby more effectively improving the durability of the electrochemical reaction cell stack.
(5)上記電気化学反応セルスタック用集電構造体において、前記Cr含有部材における前記Ni製部材と接合される表面は、JIS B 0601で定義される十点平均粗さが10μm以下である構成としてもよい。 (5) In the current collecting structure for an electrochemical reaction cell stack, the surface of the Cr-containing member that is joined to the Ni member may have a ten-point average roughness of 10 μm or less as defined in JIS B 0601.
電気化学反応セルスタックの製造時において、Cr含有部材とNi製部材とを接合する際に、例えばNiが酸化されてNiOとなる際の体積膨張を利用し、Cr含有部材とNi製部材との間の間隙にNiOを形成させることによってCr含有部材とNi製部材との密着性を向上させる場合がある。その後、さらに、NiOからより導電性が高いNiへの還元処理を行う場合には、NiOからNiへの変換に伴う体積収縮によってNi製部材に多孔層が形成される。このとき、多孔層が厚い場合、電気化学反応セルスタックの運転中に接合部へ酸素が侵入しやすくなり、Cr含有部材とNi製部材との界面に酸化被膜が生成し、抵抗値の上昇を招くこととなる。本構成によれば、Cr含有部材におけるNi製部材と接合する表面は、JIS B 0601で定義される十点平均粗さが10μm以下である。これにより、Cr含有部材とNi製部材と間の間隙が過度に大きくならないため、Ni製部材に形成される多孔層の厚みを抑制することができ、電気化学反応セルスタックの運転中における接合部への酸素の侵入を抑制することができる。そのため、Cr含有部材とNi製部材との界面の酸化被膜の生成が抑制され、Cr含有部材とNi製部材との間の導電性の低下を抑制し、ひいては電気化学反応セルスタックの抵抗値の上昇を抑制し、電気化学反応セルスタックの耐久性能をより効果的に向上することができる。 During the manufacture of an electrochemical reaction cell stack, when joining a Cr-containing member and a Ni-based member, the volume expansion that occurs when Ni is oxidized to NiO can be utilized to form NiO in the gap between the Cr-containing member and the Ni-based member, thereby improving adhesion between the two. If a further reduction process is subsequently performed to convert NiO into more conductive Ni, a porous layer is formed in the Ni-based member due to the volume shrinkage that accompanies the conversion of NiO to Ni. If the porous layer is thick, oxygen can easily penetrate the joint during operation of the electrochemical reaction cell stack, forming an oxide film at the interface between the Cr-containing member and the Ni-based member, resulting in increased resistance. According to this configuration, the surface of the Cr-containing member that joins the Ni-based member has a ten-point average roughness of 10 μm or less as defined by JIS B 0601. This prevents the gap between the Cr-containing member and the Ni member from becoming excessively large, thereby reducing the thickness of the porous layer formed in the Ni member and suppressing the intrusion of oxygen into the joint during operation of the electrochemical reaction cell stack. This prevents the formation of an oxide film at the interface between the Cr-containing member and the Ni member, suppressing a decrease in conductivity between the Cr-containing member and the Ni member, and ultimately suppressing an increase in the resistance value of the electrochemical reaction cell stack, more effectively improving the durability of the electrochemical reaction cell stack.
(6)本明細書に開示される電気化学反応セルスタックは、(1)に記載の電気化学反応セルスタック用集電構造体と、前記電気化学反応セルスタック用集電構造体と電気的に接続される単セルと、を備える。 (6) The electrochemical reaction cell stack disclosed in this specification comprises the current collecting structure for the electrochemical reaction cell stack described in (1) and a single cell electrically connected to the current collecting structure for the electrochemical reaction cell stack.
本電気化学反応セルスタックによれば、運転中に、電気化学反応セルスタック用集電構造体におけるCr含有部材に含まれるCrが、Ni製部材の内部へ十分に拡散されるため、Cr含有部材とNi製部材との界面の密着性が向上し、酸化被膜の生成が抑制される。そのため、Cr含有部材とNi製部材との間の導電性の低下を抑制し、ひいては電気化学反応セルスタックの抵抗値の上昇を抑制し、電気化学反応セルスタックの耐久性能を向上することができる。 With this electrochemical reaction cell stack, during operation, the Cr contained in the Cr-containing member in the current collecting structure for the electrochemical reaction cell stack is sufficiently diffused into the Ni member, improving adhesion at the interface between the Cr-containing member and the Ni member and suppressing the formation of an oxide film. This prevents a decrease in conductivity between the Cr-containing member and the Ni member, thereby suppressing an increase in the resistance value of the electrochemical reaction cell stack and improving the durability of the electrochemical reaction cell stack.
(7)本明細書に開示される電気化学反応セルスタック用集電構造体の製造方法は、Crを含有する合金から形成されるCr含有部材と、Niから形成されるNi製部材であって、前記Cr含有部材と接合されるNi製部材と、を備える電気化学反応セルスタック用集電構造体の製造方法であって、前記Cr含有部材と前記Ni製部材とを、NiがNiOに酸化される酸素分圧以上の酸素分圧下で加圧接合する接合工程を備える。 (7) The method for manufacturing a current collecting structure for an electrochemical reaction cell stack disclosed in this specification is a method for manufacturing a current collecting structure for an electrochemical reaction cell stack comprising a Cr-containing member formed from an alloy containing Cr and a Ni member formed from Ni, the Ni member being joined to the Cr-containing member, and comprises a joining step of pressure-joining the Cr-containing member and the Ni member under an oxygen partial pressure equal to or higher than the oxygen partial pressure at which Ni is oxidized to NiO.
本電気化学反応セルスタック用集電構造体の製造方法によれば、接合工程の際にNiが酸化されてNiOとなる際の体積膨張を利用し、Cr含有部材とNi製部材との間の間隙にNiOを形成することによってCr含有部材とNi製部材との密着性を向上させ、界面の酸化被膜の生成を抑制することができる。そのため、Cr含有部材とNi製部材との間の導電性の低下を抑制し、ひいては電気化学反応セルスタックの抵抗値の上昇を抑制し、電気化学反応セルスタックの耐久性能を向上することができる。 This method for manufacturing a current collecting structure for an electrochemical reaction cell stack utilizes the volume expansion that occurs when Ni is oxidized to NiO during the bonding process to form NiO in the gap between the Cr-containing member and the Ni member, improving adhesion between the Cr-containing member and the Ni member and suppressing the formation of an oxide film at the interface. This suppresses a decrease in conductivity between the Cr-containing member and the Ni member, thereby suppressing an increase in the resistance value of the electrochemical reaction cell stack and improving the durability of the electrochemical reaction cell stack.
(8)上記電気化学反応セルスタック用集電構造体の製造方法において、さらに、前記接合工程の後、還元性ガス雰囲気下で、前記Cr含有部材と前記Ni製部材とが並ぶ第1の方向に前記Cr含有部材と前記Ni製部材とを加圧しつつ800℃以上の温度で加熱する還元工程を備える構成としてもよい。本構成によれば、加圧を行うことにより、還元工程におけるNiOからNiへの還元に伴う体積収縮によるCr含有部材とNi製部材との密着性の低下を抑制しつつ、NiOからより導電性が高いNiへの還元処理を行うことができる。また、800℃以上の温度下でNiOをNiに還元するため、NiOを確実に還元することができる。そのため、電気化学反応セルスタックの抵抗値の上昇を抑制し、電気化学反応セルスタックの耐久性能をより効果的に向上することができる。 (8) The above-described method for manufacturing a current collecting structure for an electrochemical reaction cell stack may further include, after the joining step, a reduction step in which, in a reducing gas atmosphere, the Cr-containing member and the Ni member are heated at a temperature of 800°C or higher while being pressurized in a first direction in which the Cr-containing member and the Ni member are aligned. According to this configuration, by applying pressure, it is possible to reduce NiO to Ni with higher conductivity while suppressing a decrease in adhesion between the Cr-containing member and the Ni member due to volumetric shrinkage associated with the reduction of NiO to Ni in the reduction step. Furthermore, because NiO is reduced to Ni at a temperature of 800°C or higher, NiO can be reliably reduced. This suppresses an increase in the resistance value of the electrochemical reaction cell stack and more effectively improves the durability of the electrochemical reaction cell stack.
なお、本明細書に開示される技術は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば電気化学反応セルスタック用集電構造体、電気化学反応セルスタック、および、電気化学反応セルスタック用集電構造体の製造方法等の形態で実現することが可能である。 The technology disclosed in this specification can be realized in various forms, such as a current collecting structure for an electrochemical reaction cell stack, an electrochemical reaction cell stack, and a method for manufacturing a current collecting structure for an electrochemical reaction cell stack.
A.第1実施形態:
A-1.燃料電池スタック10の構成:
図1は、第1実施形態における燃料電池スタック10の外観構成を示す斜視図であり、図2は、図1のII-IIの位置における燃料電池スタック10のXZ断面構成を示す説明図であり、図3は、図1のIII-IIIの位置における燃料電池スタック10のXZ断面構成を示す説明図であり、図4は、図1のIV-IVの位置における燃料電池スタック10のYZ断面構成を示す説明図である。各図には、方向を特定するための互いに直交するXYZ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Z軸方向を上下方向と呼び、Z軸正方向を上方向と呼び、Z軸負方向を下方向と呼ぶものとするが、燃料電池スタック10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いてもよい。また、本明細書における各部材の「厚み」とは、特段の説明がない場合、各部材の上下方向の長さを意味するものとする。燃料電池スタック10は、電気化学反応セルスタックの一例である。Z軸方向は、第1の方向の一例である。
A. First embodiment:
A-1. Configuration of fuel cell stack 10:
FIG. 1 is a perspective view showing the external configuration of a fuel cell stack 10 according to a first embodiment. FIG. 2 is an explanatory diagram showing the XZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 10 taken along line II-II in FIG. 1 . FIG. 3 is an explanatory diagram showing the XZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 10 taken along line III-III in FIG. 1 . FIG. 4 is an explanatory diagram showing the YZ cross-sectional configuration of the fuel cell stack 10 taken along line IV-IV in FIG. 1 . Each figure shows mutually orthogonal X, Y, and Z axes for identifying directions. For convenience, the Z-axis direction is referred to as the up-down direction, the positive Z-axis direction as the up-down direction, and the negative Z-axis direction as the down-down direction. However, the fuel cell stack 10 may actually be installed in an orientation different from these. Furthermore, unless otherwise specified, the "thickness" of each component in this specification refers to the vertical length of each component. The fuel cell stack 10 is an example of an electrochemical reaction cell stack. The Z-axis direction is an example of a first direction.
(燃料電池スタック10の全体構成)
燃料電池スタック10は、図1から図4に示すように、発電ブロック100と、末端セパレータ230と、第1プレート232と、第2プレート260と、第1ターミナルプレート240と、第2ターミナルプレート250と、絶縁部220と、第1エンドプレート210と、第2エンドプレート270と、4つのガス通路部材280と、を備える。第1エンドプレート210、絶縁部220、末端セパレータ230、第1ターミナルプレート240、発電ブロック100、第2ターミナルプレート250、第2プレート260、および第2エンドプレート270は、ほぼ同じ大きさの矩形の外形を有しており、所定の配列方向(上下方向)に、この順に重なって配置されている。
(Overall configuration of fuel cell stack 10)
1 to 4 , the fuel cell stack 10 includes a power generation block 100, an end separator 230, a first plate 232, a second plate 260, a first terminal plate 240, a second terminal plate 250, an insulating section 220, a first end plate 210, a second end plate 270, and four gas passage members 280. The first end plate 210, the insulating section 220, the end separator 230, the first terminal plate 240, the power generation block 100, the second terminal plate 250, the second plate 260, and the second end plate 270 have rectangular outer shapes of approximately the same size and are arranged one on top of the other in this order in a predetermined arrangement direction (vertical direction).
燃料電池スタック10は、図1および図4に示すように、4つの角部付近に、それぞれ、第1エンドプレート210から第2エンドプレート270まで貫通するボルト孔BHを有している。各ボルト孔BHにはボルトBが挿入されている。各ボルトBの両端部にはナットNがねじ付けられている。これらのボルトBおよびナットNにより、第1エンドプレート210から第2エンドプレート270までの部材が一体に締結されている。図2から図4に示すように、第1プレート232は末端セパレータ230に支持されており、4つのガス通路部材280は第2エンドプレート270に接続されている。 As shown in Figures 1 and 4, the fuel cell stack 10 has bolt holes BH near each of its four corners, penetrating from the first end plate 210 to the second end plate 270. A bolt B is inserted into each bolt hole BH. A nut N is threaded onto both ends of each bolt B. These bolts B and nuts N fasten the members from the first end plate 210 to the second end plate 270 together. As shown in Figures 2 to 4, the first plate 232 is supported by the terminal separator 230, and the four gas passage members 280 are connected to the second end plate 270.
発電ブロック100は、図2から図4に示すように、所定の配列方向(上下方向)に並んで配置された複数(本実施形態では7つ)の発電単位100Uによって構成される。 As shown in Figures 2 to 4, the power generation block 100 is composed of multiple (seven in this embodiment) power generation units 100U arranged in a predetermined arrangement direction (vertical direction).
(第1エンドプレート210)
第1エンドプレート210は、1枚の板状部材をプレス加工(屈曲)することにより形成された部材であり、例えばステンレス等の導電材料により形成されている。第1エンドプレート210は、図1から図4に示すように、中央付近に貫通孔212を有する矩形のフレーム状の平面部211と、平面部211から絶縁部220と反対方向(図2の上方)に突出する外側凸部213および内側凸部214と、を備えている。平面部211は、上述したボルト孔BHを構成する孔を有している。外側凸部213は、平面部211の外周縁から突出している。外側凸部213は、平面部211の外周部の全周にわたって形成されている。内側凸部214は、平面部211の内周縁から突出している。内側凸部214は、平面部211の内周部の全周にわたって形成されている。
(First end plate 210)
The first end plate 210 is a member formed by pressing (bending) a single plate-like member, and is formed of a conductive material such as stainless steel. As shown in FIGS. 1 to 4 , the first end plate 210 includes a rectangular, frame-like planar portion 211 having a through-hole 212 near the center, and an outer convex portion 213 and an inner convex portion 214 that protrude from the planar portion 211 in the direction opposite the insulating portion 220 (upward in FIG. 2 ). The planar portion 211 has holes that form the bolt holes BH described above. The outer convex portion 213 protrudes from the outer periphery of the planar portion 211. The outer convex portion 213 is formed around the entire periphery of the outer periphery of the planar portion 211. The inner convex portion 214 protrudes from the inner periphery of the planar portion 211. The inner convex portion 214 is formed around the entire inner periphery of the planar portion 211.
(絶縁部220)
絶縁部220は、中央付近に貫通孔を有する矩形のフレーム状の部材であり、例えば絶縁性材料により形成されている。絶縁部220は、図2に示すように、第1エンドプレート210と末端セパレータ230との間に挟み込まれており、これにより、第1エンドプレート210と末端セパレータ230との絶縁性が確保されている。
(Insulating portion 220)
The insulating section 220 is a rectangular frame-shaped member having a through hole near the center, and is made of, for example, an insulating material. As shown in Figure 2, the insulating section 220 is sandwiched between the first end plate 210 and the terminal separator 230, thereby ensuring insulation between the first end plate 210 and the terminal separator 230.
(末端セパレータ230)
末端セパレータ230は、図2から図4に示すように、中央付近に貫通孔231を有する矩形の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。
(Terminal separator 230)
As shown in FIGS. 2 to 4, the terminal separator 230 is a rectangular frame-shaped member having a through-hole 231 near the center, and is made of, for example, metal.
(第1プレート232)
第1プレート232は、矩形の平板状の部材であり、例えばステンレス等の導電材料により形成されている。第1プレート232は、図2から図4に示すように、末端セパレータ230における貫通孔231の周縁部分に、例えば溶接により接合されている。末端セパレータ230と第1プレート232とは、発電ブロック100を燃料電池スタック10の外部空間から区画する。
(First plate 232)
The first plate 232 is a rectangular, flat member made of a conductive material such as stainless steel. As shown in Figures 2 to 4, the first plate 232 is joined, for example, by welding, to the peripheral portion of the through-hole 231 in the terminal separator 230. The terminal separator 230 and the first plate 232 separate the power generating block 100 from the external space of the fuel cell stack 10.
第1プレート232は、発電ブロック100を構成する複数の発電単位100Uのうちの一端(図2の上端)に配された発電単位100Uに備えられる後述のインターコネクタ190に、後述の燃料極集電部材144と同一構造の接続部材を介して接続されており、これにより、この発電単位100Uと第1プレート232とが電気的に接続されている。 The first plate 232 is connected to an interconnector 190 (described below) provided in the power generation unit 100U arranged at one end (the upper end in Figure 2) of the multiple power generation units 100U that make up the power generation block 100, via a connecting member having the same structure as the anode current collecting member 144 (described below), thereby electrically connecting the power generation unit 100U and the first plate 232.
(第1ターミナルプレート240)
第1ターミナルプレート240は、中央付近に貫通孔241を有する矩形のフレーム状の部材であり、例えば表面にアルミナの酸化被膜を形成するフェライト系ステンレス等の導電材料により形成されている。第1ターミナルプレート240は、発電ブロック100を構成する複数の発電単位100Uのうちの一端(図2の上端)に配された発電単位100Uに、第1プレート232、および末端セパレータ230を介して電気的に接続されている。第1ターミナルプレート240の一端部(図2の右端部)は、発電ブロック100から側方に張り出しており、この張り出し部分は、燃料電池スタック10のプラス側の出力端子として機能する。
(First terminal plate 240)
The first terminal plate 240 is a rectangular frame-shaped member having a through hole 241 near the center, and is made of a conductive material such as ferritic stainless steel, which has an alumina oxide coating formed on its surface. The first terminal plate 240 is electrically connected to the power generating unit 100U located at one end (the upper end in FIG. 2 ) of the multiple power generating units 100U that make up the power generating block 100, via a first plate 232 and a terminal separator 230. One end (the right end in FIG. 2 ) of the first terminal plate 240 protrudes laterally from the power generating block 100, and this protruding portion functions as a positive output terminal for the fuel cell stack 10.
(第2ターミナルプレート250)
第2ターミナルプレート250は、矩形の板状の部材であり、例えば表面にアルミナの酸化被膜を形成するフェライト系ステンレス等の導電材料により形成されている。第2ターミナルプレート250は、発電ブロック100を構成する複数の発電単位100Uのうちの他端(図2の下端)に配された発電単位100Uに電気的に接続されている。第2ターミナルプレート250の一端部(図2の右端部)は、発電ブロック100から側方に張り出しており、この張り出し部分は、燃料電池スタック10のマイナス側の出力端子として機能する。
(Second terminal plate 250)
The second terminal plate 250 is a rectangular plate-shaped member made of a conductive material such as ferritic stainless steel that has an alumina oxide coating on its surface. The second terminal plate 250 is electrically connected to the power generating unit 100U located at the other end (the lower end in FIG. 2 ) of the multiple power generating units 100U that make up the power generating block 100. One end (the right end in FIG. 2 ) of the second terminal plate 250 protrudes laterally from the power generating block 100, and this protruding portion functions as the negative output terminal of the fuel cell stack 10.
(第2プレート260)
第2プレート260は、矩形の平板状の部材であり、例えば絶縁材料により形成されている。第2プレート260の周縁部は、第2ターミナルプレート250と第2エンドプレート270との間に挟み込まれており、これにより、第2ターミナルプレート250と第2エンドプレート270との絶縁性が確保されている。
(Second plate 260)
The second plate 260 is a rectangular, flat member made of, for example, an insulating material. The peripheral edge of the second plate 260 is sandwiched between the second terminal plate 250 and the second end plate 270, thereby ensuring insulation between the second terminal plate 250 and the second end plate 270.
(第2エンドプレート270)
第2エンドプレート270は、1枚の板状部材をプレス加工(屈曲)することにより形成された部材であり、例えばステンレス等の導電材料により形成されている。第2エンドプレート270は、中央付近に貫通孔272を有する矩形のフレーム状の平面部271と、平面部271から第2ターミナルプレート250と反対方向(図2の下方)に突出する外側凸部273および内側凸部274と、を備えている。平面部271は、上述したボルト孔BHを構成する孔を有している。外側凸部273は、平面部271の外周縁から突出している。外側凸部273は、平面部271の外周部の全周にわたって形成されている。内側凸部274は、平面部271の内周縁から突出している。内側凸部274は、平面部271の内周部の全周にわたって形成されている。
(Second end plate 270)
The second end plate 270 is formed by pressing (bending) a single plate-like member and is made of a conductive material such as stainless steel. The second end plate 270 includes a rectangular, frame-like planar portion 271 having a through-hole 272 near the center, and an outer convex portion 273 and an inner convex portion 274 that protrude from the planar portion 271 in the direction opposite the second terminal plate 250 (downward in FIG. 2 ). The planar portion 271 has holes that form the bolt holes BH described above. The outer convex portion 273 protrudes from the outer periphery of the planar portion 271. The outer convex portion 273 is formed around the entire outer periphery of the planar portion 271. The inner convex portion 274 protrudes from the inner periphery of the planar portion 271. The inner convex portion 274 is formed around the entire inner periphery of the planar portion 271.
(マニホールド311、312、321、322)
図1、図2および図3に示すように、燃料電池スタック10は、発電ブロック100から第2エンドプレート270まで貫通する4つの孔を有している。4つの孔は、それぞれ、酸化剤ガス供給マニホールド311、酸化剤ガス排出マニホールド312、燃料ガス供給マニホールド321、燃料ガス排出マニホールド322である。
(Manifolds 311, 312, 321, 322)
1, 2, and 3, the fuel cell stack 10 has four holes that penetrate from the power generation block 100 to the second end plate 270. The four holes correspond to an oxidant gas supply manifold 311, an oxidant gas discharge manifold 312, a fuel gas supply manifold 321, and a fuel gas discharge manifold 322, respectively.
図2に示すように、酸化剤ガス供給マニホールド311は、燃料電池スタック10の外部から導入された酸化剤ガスOGを各発電単位100Uの後述の空気室313に供給するガス流路である。酸化剤ガス排出マニホールド312は、各発電単位100Uの空気室313から排出された酸化剤オフガスOOGを燃料電池スタック10の外部へ排出するガス流路である。酸化剤ガスOGとしては、例えば空気が使用される。酸化剤ガス供給マニホールド311と酸化剤ガス排出マニホールド312とは、空気室313を挟んで、互いに反対側に配されている。 As shown in FIG. 2, the oxidant gas supply manifold 311 is a gas flow path that supplies oxidant gas OG introduced from outside the fuel cell stack 10 to the air chamber 313 (described below) of each power generation unit 100U. The oxidant gas discharge manifold 312 is a gas flow path that discharges oxidant off-gas OOG discharged from the air chamber 313 of each power generation unit 100U to the outside of the fuel cell stack 10. Air, for example, is used as the oxidant gas OG. The oxidant gas supply manifold 311 and the oxidant gas discharge manifold 312 are arranged on opposite sides of the air chamber 313.
図3に示すように、燃料ガス供給マニホールド321は、燃料電池スタック10の外部から導入された燃料ガスFGを各発電単位100Uの後述の燃料室323に供給するガス流路である。燃料ガス排出マニホールド322は、各発電単位100Uの燃料室323から排出された燃料オフガスFOGを燃料電池スタック10の外部へ排出するガス流路である。燃料ガスFGとしては、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。燃料ガス供給マニホールド321と燃料ガス排出マニホールド322とは、燃料室323を挟んで、互いに反対側に配されている。 As shown in FIG. 3, the fuel gas supply manifold 321 is a gas flow path that supplies fuel gas FG introduced from outside the fuel cell stack 10 to the fuel chamber 323 (described below) of each power generation unit 100U. The fuel gas discharge manifold 322 is a gas flow path that discharges fuel off-gas FOG discharged from the fuel chamber 323 of each power generation unit 100U to the outside of the fuel cell stack 10. For example, hydrogen-rich gas obtained by reforming city gas is used as the fuel gas FG. The fuel gas supply manifold 321 and the fuel gas discharge manifold 322 are arranged on opposite sides of the fuel chamber 323.
(ガス通路部材280)
4つのガス通路部材280のそれぞれは、図1から図3に示すように、本体部281と、フランジ部282と、を備えている。本体部281には、上下方向に貫通するガス貫通孔283が形成されている。フランジ部282は、本体部281の他端(図2の下端)から外側に張り出すように設けられている。フランジ部282は、複数のボルト孔284を有している。各ボルト孔284には、燃料電池スタック10を外部装置に接続するためのボルト(図示せず)が挿入される。4つのガス通路部材280に備えられる本体部281の一端(図2、図3の上端)は、第2エンドプレート270に対して例えば溶接により接合され、ガス貫通孔283は、それぞれマニホールド311、312、321、322に連通している。各本体部281には、ガスの供給または排出のためのガス配管が接続されている(図示せず)。
(Gas passage member 280)
As shown in FIGS. 1 to 3 , each of the four gas passage members 280 includes a main body portion 281 and a flange portion 282. A gas through-hole 283 is formed in the main body portion 281, penetrating the main body portion 281 in the vertical direction. The flange portion 282 is provided so as to protrude outward from the other end (the lower end in FIG. 2 ) of the main body portion 281. The flange portion 282 has a plurality of bolt holes 284. A bolt (not shown) for connecting the fuel cell stack 10 to an external device is inserted into each bolt hole 284. One end (the upper end in FIGS. 2 and 3 ) of the main body portion 281 of each of the four gas passage members 280 is joined to the second end plate 270 by, for example, welding, and the gas through-holes 283 are connected to the manifolds 311, 312, 321, and 322, respectively. A gas pipe (not shown) for supplying or discharging gas is connected to each of the main body portions 281.
(発電単位100Uの全体構成)
図5は、図2に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位100UのXZ断面構成を示す説明図である。図6は、図3に示す断面と同一の位置における互いに隣接する2つの発電単位100UのXZ断面構成を示す説明図である。図5および図6に示すように、発電単位100Uは、単セル110と、単セル用セパレータ120と、空気極フレーム130と、燃料極フレーム140と、集電構造体160と、2つのIC用セパレータ180と、を備える。一方のIC用セパレータ180、空気極フレーム130、単セル用セパレータ120、燃料極フレーム140、他方のIC用セパレータ180が、この順に重なって配置されている。
(Overall configuration of power generating unit 100U)
Fig. 5 is an explanatory diagram showing the XZ cross-sectional configuration of two adjacent power generating units 100U at the same position as the cross-section shown in Fig. 2. Fig. 6 is an explanatory diagram showing the XZ cross-sectional configuration of two adjacent power generating units 100U at the same position as the cross-section shown in Fig. 3. As shown in Figs. 5 and 6, the power generating unit 100U includes a single cell 110, a single cell separator 120, a cathode frame 130, an anode frame 140, a current collecting structure 160, and two IC separators 180. One IC separator 180, the cathode frame 130, the single cell separator 120, the anode frame 140, and the other IC separator 180 are arranged in this order, stacked one on top of the other.
(単セル110)
単セル110は、電解質層112と、空気極114と、燃料極116と、反応防止層118と、を備える。図5および図6に示すように、空気極114と、反応防止層118と、電解質層112と、燃料極116とが、この順に重なって配されている。本実施形態の単セル110は、燃料極116によって単セル110を構成する他の層(電解質層112、空気極114、反応防止層118)が支持される燃料極支持形の単セルである。単セル110は単セル用セパレータ120に支持されている。
(Single cell 110)
The unit cell 110 includes an electrolyte layer 112, a cathode 114, an anode 116, and a reaction prevention layer 118. As shown in Figures 5 and 6, the cathode 114, the reaction prevention layer 118, the electrolyte layer 112, and the anode 116 are stacked in this order. The unit cell 110 of this embodiment is an anode-supported unit cell in which the anode 116 supports the other layers (electrolyte layer 112, cathode 114, and reaction prevention layer 118) that make up the unit cell 110. The unit cell 110 is supported by a unit cell separator 120.
電解質層112は、矩形の平板状の部材であって、空気極114が配された一面(図5および図6の上面)と、燃料極116が配され、一面に平行な他面(図5および図6の下面)と、を有する。電解質層112は、固体酸化物(例えば、YSZ(イットリア安定化ジルコニア))を含む層である。空気極114は、電解質層112より小さい矩形の外形を有する層であり、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))を含む。燃料極116は、電解質層112と略同じ大きさの矩形の外形を有する層であり、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基合金等を含む。反応防止層118は、空気極114と略同じ大きさの矩形の外形を有する層であり、例えばGDC(ガドリニウムドープセリア)を含む。反応防止層118は、空気極114から拡散した元素(例えば、Sr)が電解質層112に含まれる元素(例えば、Zr)と反応して高抵抗な物質(例えば、SrZrO3)が生成されることを抑制する機能を有する。 The electrolyte layer 112 is a rectangular, flat member having one surface (the upper surface in FIGS. 5 and 6 ) on which the air electrode 114 is disposed and another surface (the lower surface in FIGS. 5 and 6 ) parallel to the first surface on which the anode 116 is disposed. The electrolyte layer 112 is a layer containing a solid oxide (e.g., YSZ (yttria-stabilized zirconia)). The cathode 114 is a layer having a rectangular shape smaller than that of the electrolyte layer 112 and containing, for example, a perovskite-type oxide (e.g., LSCF (lanthanum strontium cobalt iron oxide)). The anode 116 is a layer having a rectangular shape approximately the same size as the electrolyte layer 112 and containing, for example, Ni (nickel), a cermet made of Ni and ceramic particles, a Ni-based alloy, or the like. The reaction prevention layer 118 is a layer having a rectangular shape approximately the same size as the air electrode 114 and containing, for example, GDC (gadolinium-doped ceria). The reaction prevention layer 118 has the function of preventing elements (e.g., Sr) diffused from the cathode 114 from reacting with elements (e.g., Zr) contained in the electrolyte layer 112 to produce a highly resistive substance (e.g., SrZrO 3 ).
(単セル用セパレータ120)
単セル用セパレータ120は、図5および図6に示すように、中央付近に略矩形の貫通孔121を有する矩形の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。単セル用セパレータ120における貫通孔121の周縁部は、電解質層112の一面(空気極114が配された面:図5および図6の上面)の周縁部に、接合部124によって接合されている。接合部124は、例えばロウ材(Agロウ)により形成されている。
(Single cell separator 120)
5 and 6, the single cell separator 120 is a rectangular frame-like member having a substantially rectangular through-hole 121 near the center, and is made of, for example, metal. The peripheral edge of the through-hole 121 in the single cell separator 120 is joined to the peripheral edge of one surface of the electrolyte layer 112 (the surface on which the air electrode 114 is disposed: the upper surface in FIGS. 5 and 6) by a joint 124. The joint 124 is made of, for example, brazing material (Ag brazing).
(空気極フレーム130)
空気極フレーム130は、図5および図6に示すように、中央付近に略矩形の貫通孔131を有する矩形のフレーム状の部材であり、例えばマイカにより形成されている。空気極フレーム130の厚みは、0.5mm以上、5mm以下であることが好ましい。空気極フレーム130は、図5に示すように、酸化剤ガス供給マニホールド311と空気室313とを連通する酸化剤ガス供給連通流路132と、空気室313と酸化剤ガス排出マニホールド312とを連通する酸化剤ガス排出連通流路133と、を有している。
(Air electrode frame 130)
5 and 6, the air electrode frame 130 is a rectangular frame-like member having a substantially rectangular through-hole 131 near the center, and is made of, for example, mica. The thickness of the air electrode frame 130 is preferably 0.5 mm or more and 5 mm or less. As shown in FIG. 5, the air electrode frame 130 has an oxidant gas supply communicating channel 132 that connects the oxidant gas supply manifold 311 and the air chamber 313, and an oxidant gas discharge communicating channel 133 that connects the air chamber 313 and the oxidant gas discharge manifold 312.
(燃料極フレーム140)
燃料極フレーム140は、図5および図6に示すように、中央付近に略矩形の貫通孔141を有する矩形の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。燃料極フレーム140は、図6に示すように、燃料ガス供給マニホールド321と燃料室323とを連通する燃料ガス供給連通流路142と、燃料室323と燃料ガス排出マニホールド322とを連通する燃料ガス排出連通流路143と、を有している。
(Anode frame 140)
5 and 6, the anode frame 140 is a rectangular frame-like member having a substantially rectangular through-hole 141 near the center, and is made of, for example, metal. As shown in Fig. 6, the anode frame 140 has a fuel gas supply communication channel 142 that connects the fuel gas supply manifold 321 and the fuel chamber 323, and a fuel gas discharge communication channel 143 that connects the fuel chamber 323 and the fuel gas discharge manifold 322.
(IC用セパレータ180)
IC用セパレータ180は、図5および図6に示すように、中央付近に貫通孔181を有する矩形の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。
(IC separator 180)
As shown in FIGS. 5 and 6, the IC separator 180 is a rectangular frame-shaped member having a through-hole 181 near the center, and is made of, for example, metal.
(集電構造体160)
集電構造体160は、単セル110と電気的に接続され、単セル110で発生した電力を集める。集電構造体160は、インターコネクタ190と、燃料極集電部材144と、を備える。集電構造体160は、電気化学反応セルスタック用集電構造体の一例である。
Current Collecting Structure 160
The current collecting structure 160 is electrically connected to the unit cell 110 and collects the power generated in the unit cell 110. The current collecting structure 160 includes an interconnector 190 and an anode current collecting member 144. The current collecting structure 160 is an example of a current collecting structure for an electrochemical reaction cell stack.
インターコネクタ190は、図5および図6に示すように、矩形の平板形状の平板部191と、平板部191の一面から空気極114に向かって突出した複数の板状の空気極集電部192と、被覆層193と、を備えている。平板部191と空気極集電部192とは、FeとCrとを含有する合金(例えば、フェライト系ステンレス)から形成され、導電性を有している。被覆層193は、導電性を有し、空気極集電部192の表面と、平板部191において空気極集電部192が配された面と、を覆うように配されている。平板部191は、IC用セパレータ180における貫通孔181の周縁部に、例えば溶接により接合されている。インターコネクタ190はIC用セパレータ180に支持されている。インターコネクタ190は、Cr含有部材の一例である。 As shown in Figures 5 and 6, the interconnector 190 comprises a rectangular flat plate portion 191, multiple plate-shaped air electrode current collectors 192 protruding from one surface of the flat plate portion 191 toward the air electrode 114, and a coating layer 193. The flat plate portion 191 and the air electrode current collectors 192 are formed from an alloy containing Fe and Cr (e.g., ferritic stainless steel) and are electrically conductive. The coating layer 193 is electrically conductive and is disposed so as to cover the surface of the air electrode current collector 192 and the surface of the flat plate portion 191 on which the air electrode current collectors 192 are disposed. The flat plate portion 191 is joined to the periphery of the through-hole 181 in the IC separator 180, for example, by welding. The interconnector 190 is supported by the IC separator 180. The interconnector 190 is an example of a Cr-containing member.
燃料極集電部材144は、インターコネクタ190と燃料極116とを接続する部材であって、Niから形成されている。燃料極集電部材144は、上下方向の厚み(図8に示すL1の長さ)が30μm以上の箔により形成されている。燃料極集電部材144は、図5および図6に示すように、インターコネクタ対向部146と、インターコネクタ対向部146に平行な電極対向部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、全体としてU字状をなしている。電極対向部145は、燃料極116と接合され、インターコネクタ対向部146は、インターコネクタ190の平板部191と接合される。燃料極集電部材144は、単セル110とインターコネクタ190との間に配されている。なお、本明細書において「Niから形成される」とは、Niが90wt%以上を占める構成を意味しており、Niのみから形成される構成に限定されない。燃料極集電部材144は、Ni製部材の一例である。 The anode current collecting member 144 is a member that connects the interconnector 190 and the anode 116 and is made of Ni. The anode current collecting member 144 is formed from foil with a vertical thickness (length L1 shown in Figure 8) of 30 μm or more. As shown in Figures 5 and 6, the anode current collecting member 144 has an interconnector facing portion 146, an electrode facing portion 145 parallel to the interconnector facing portion 146, and a connecting portion 147 connecting the electrode facing portion 145 and the interconnector facing portion 146, and is U-shaped overall. The electrode facing portion 145 is joined to the anode 116, and the interconnector facing portion 146 is joined to the flat portion 191 of the interconnector 190. The anode current collecting member 144 is disposed between the single cell 110 and the interconnector 190. In this specification, "formed from Ni" means a configuration in which Ni accounts for 90 wt% or more, and is not limited to a configuration made only of Ni. The anode current collecting member 144 is an example of a Ni member.
図5および図6に示すように、インターコネクタ190は、隣り合う2つの発電単位100Uに共有されている。より具体的には、図5および図6に示すように、空気極集電部192は、例えばスピネル型酸化物により構成された導電性接合材196を介して、隣り合う2つの発電単位100Uのうち一方に備えられる単セル110の空気極114に接合されており、これにより空気極114に電気的に接続されている。平板部191は、燃料極集電部材144を介して、隣り合う2つの発電単位100Uのうち他方に備えられる単セル110の燃料極116に電気的に接続されている。これにより、隣り合う2つの発電単位100U間の電気的導通が確保されている。 As shown in Figures 5 and 6, the interconnector 190 is shared by two adjacent power generating units 100U. More specifically, as shown in Figures 5 and 6, the cathode current collecting portion 192 is joined to the cathode 114 of the unit cell 110 in one of the two adjacent power generating units 100U via a conductive bonding material 196 made of, for example, a spinel-type oxide, thereby electrically connecting to the cathode 114. The flat plate portion 191 is electrically connected to the anode 116 of the unit cell 110 in the other of the two adjacent power generating units 100U via an anode current collecting member 144. This ensures electrical continuity between the two adjacent power generating units 100U.
但し、図2に示すように、複数の発電単位100Uのうち他端(図2の下端)に位置する発電単位100Uは、燃料極116側のインターコネクタ190を備えていない。この発電単位100Uに備えられる燃料極116は、燃料極集電部材144を介して第2ターミナルプレート250に接続されている。 However, as shown in FIG. 2, the power generating unit 100U located at the other end (the lower end in FIG. 2) of the multiple power generating units 100U does not have an interconnector 190 on the anode 116 side. The anode 116 included in this power generating unit 100U is connected to the second terminal plate 250 via the anode current collecting member 144.
電極対向部145とインターコネクタ対向部146との間には、例えばマイカにより形成されたスペーサー149が配置されている。そのため、燃料極集電部材144が温度サイクルや反応ガス圧力変動による発電単位100Uの変形に追随し、燃料極集電部材144を介した燃料極116とインターコネクタ190(または第2ターミナルプレート250)との電気的接続が良好に維持される。 A spacer 149 made of, for example, mica is disposed between the electrode facing portion 145 and the interconnector facing portion 146. This allows the anode current collecting member 144 to follow deformation of the power generating unit 100U due to temperature cycles and reactant gas pressure fluctuations, maintaining good electrical connection between the anode 116 and the interconnector 190 (or second terminal plate 250) via the anode current collecting member 144.
(空気室313および燃料室323)
図5および図6に示すように、単セル用セパレータ120および単セル110と、空気極フレーム130と、IC用セパレータ180およびインターコネクタ190と、で区画される空間は、空気極114に面し、酸化剤ガスOGが流通する空気室313となっている。空気極フレーム130は、空気室313を全周にわたって外部空間から区画するとともに、単セル用セパレータ120とIC用セパレータ180との間をシールし、空気室313から外部空間へガスが漏れ出ることを防ぐ役割を果たしている。
(Air chamber 313 and fuel chamber 323)
5 and 6 , the space partitioned by the single cell separator 120, the single cell 110, the air electrode frame 130, the IC separator 180, and the interconnector 190 faces the air electrode 114 and serves as an air chamber 313 through which the oxidant gas OG flows. The air electrode frame 130 partitions the entire periphery of the air chamber 313 from the external space and seals the gap between the single cell separator 120 and the IC separator 180, thereby preventing gas from leaking from the air chamber 313 to the external space.
また、単セル用セパレータ120および単セル110と、燃料極フレーム140と、IC用セパレータ180およびインターコネクタ190と、で区画される空間は、燃料極116に面し、燃料ガスFGが流通する燃料室323となっている。燃料極フレーム140は、燃料室323を全周にわたって外部空間から区画するとともに、単セル用セパレータ120とIC用セパレータ180との間をシールし、燃料室323から外部空間へガスが漏れ出ることを防ぐ役割を果たしている。 The space partitioned by the single cell separator 120, single cell 110, fuel electrode frame 140, IC separator 180, and interconnector 190 faces the fuel electrode 116 and forms a fuel chamber 323 through which fuel gas FG flows. The fuel electrode frame 140 separates the entire periphery of the fuel chamber 323 from the external space and seals the gap between the single cell separator 120 and IC separator 180, preventing gas from leaking from the fuel chamber 323 to the external space.
単セル用セパレータ120により、空気室313と燃料室323とが区画され、単セル110の周辺において空気極114側から燃料極116側、または燃料極116側から空気極114側へのガスのリーク(クロスリーク)が抑制される。また、IC用セパレータ180とインターコネクタ190とにより、隣り合う発電単位100U間のガスのリークが抑制される。 The single cell separator 120 separates the air chamber 313 and the fuel chamber 323, preventing gas leakage (cross leakage) from the air electrode 114 side to the fuel electrode 116 side, or from the fuel electrode 116 side to the air electrode 114 side, around the single cell 110. The IC separator 180 and interconnector 190 also prevent gas leakage between adjacent power generation units 100U.
A-2.燃料電池スタック10の動作:
図2および図5に示すように、酸化剤ガスOGは、ガス配管(図示せず)およびガス通路部材280を介して酸化剤ガス供給マニホールド311に供給され、酸化剤ガス供給連通流路132を介して空気室313に供給される。
A-2. Operation of the fuel cell stack 10:
As shown in Figures 2 and 5, the oxidizing gas OG is supplied to the oxidizing gas supply manifold 311 via a gas piping (not shown) and a gas passage member 280, and is supplied to the air chamber 313 via the oxidizing gas supply communication passage 132.
また、図3および図6に示すように、燃料ガスFGは、ガス配管(図示せず)およびガス通路部材280を介して燃料ガス供給マニホールド321に供給され、燃料ガス供給連通流路142を介して燃料室323に供給される。 Also, as shown in Figures 3 and 6, fuel gas FG is supplied to the fuel gas supply manifold 321 via a gas pipe (not shown) and a gas passage member 280, and is supplied to the fuel chamber 323 via the fuel gas supply communication passage 142.
各発電単位100Uの空気室313に酸化剤ガスOGが供給され、燃料室323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。この発電反応は発熱反応である。上述したように、インターコネクタ190は、隣り合う2つの発電単位100Uに共有されており、インターコネクタ190によって隣り合う2つの発電単位100U間の導通が確保されている。つまり、燃料電池スタック10に含まれる複数の発電単位100Uは、電気的に直列に接続されている。また、複数の発電単位100Uのうち他端(図2の下端)に位置する発電単位100Uには、第2ターミナルプレート250が電気的に接続されており、一端(図2の上端)に位置する発電単位100Uには、第1ターミナルプレート240が電気的に接続されている。これにより、燃料電池スタック10の出力端子として機能するターミナルプレート240、250から、各発電単位100Uにおいて生成された電気エネルギーが取り出される。なお、SOFCは、比較的高温(例えば700℃から1000℃)で発電が行われることから、起動後、発電により発生する熱で高温が維持できる状態になるまで、燃料電池スタック10が加熱器(図示せず)により加熱されてもよい。 When oxidant gas OG is supplied to the air chamber 313 of each power generating unit 100U and fuel gas FG is supplied to the fuel chamber 323, power is generated in the single cell 110 through an electrochemical reaction between the oxidant gas OG and the fuel gas FG. This power generation reaction is exothermic. As described above, the interconnector 190 is shared by two adjacent power generating units 100U, and the interconnector 190 ensures electrical continuity between the two adjacent power generating units 100U. In other words, the multiple power generating units 100U included in the fuel cell stack 10 are electrically connected in series. Furthermore, the power generating unit 100U located at the other end (the lower end in Figure 2) of the multiple power generating units 100U is electrically connected to a second terminal plate 250, and the power generating unit 100U located at one end (the upper end in Figure 2) is electrically connected to a first terminal plate 240. As a result, electrical energy generated in each power generating unit 100U is extracted from the terminal plates 240, 250, which function as output terminals of the fuel cell stack 10. Since SOFCs generate electricity at relatively high temperatures (e.g., 700°C to 1000°C), after startup, the fuel cell stack 10 may be heated by a heater (not shown) until the high temperature can be maintained using the heat generated by power generation.
図2および図5に示すように、各発電単位100Uの空気室313から酸化剤ガス排出連通流路133を介して酸化剤ガス排出マニホールド312に排出された酸化剤オフガスOOGは、本体部281の内部空間を通って燃料電池スタック10の外部に排出される。また、図3および図6に示すように、各発電単位100Uの燃料室323から燃料ガス排出連通流路143を介して燃料ガス排出マニホールド322に排出された燃料オフガスFOGは、本体部281の内部空間を通って燃料電池スタック10の外部に排出される。 As shown in Figures 2 and 5, the oxidant off-gas OOG discharged from the air chamber 313 of each power generating unit 100U to the oxidant gas discharge manifold 312 via the oxidant gas discharge communication passage 133 is discharged to the outside of the fuel cell stack 10 through the internal space of the main body 281. As shown in Figures 3 and 6, the fuel off-gas FOG discharged from the fuel chamber 323 of each power generating unit 100U to the fuel gas discharge manifold 322 via the fuel gas discharge communication passage 143 is discharged to the outside of the fuel cell stack 10 through the internal space of the main body 281.
A-3.集電構造体160の詳細構成:
図7および図8は、第1実施形態の集電構造体160の詳細構成を示すXZ断面図である。図7は、図6のX1部が拡大して示されている。図8は、図7のX2部が拡大して示されている。燃料極集電部材144とインターコネクタ190とは、上下方向に並んでいる。また、図8に示されるように、インターコネクタ190における平板部191の表面191Sと、燃料極集電部材144の表面144Sとは、上下方向に互いに対向している。集電構造体160において、表面191Sと表面144Sとが互いに接合されることにより、インターコネクタ190と燃料極集電部材144とが互いに接合する接合部CPが形成されている。接合部CPとは、具体的には、インターコネクタ190と燃料極集電部材144とが物理的に接触している部分を意味し、XY平面に直交する断面をSEM(例えばキーエンス製 VE-9800、以下同じ。)で観察した際に、インターコネクタ190と燃料極集電部材144との間に1μm以上の間隔が存在しない部分を意味する。
A-3. Detailed configuration of current collecting structure 160:
7 and 8 are XZ cross-sectional views showing the detailed configuration of the current collecting structure 160 of the first embodiment. FIG. 7 shows an enlarged view of the X1 portion of FIG. 6 . FIG. 8 shows an enlarged view of the X2 portion of FIG. 7 . The anode current collecting member 144 and the interconnector 190 are aligned in the vertical direction. As shown in FIG. 8 , a surface 191S of the flat plate portion 191 of the interconnector 190 and a surface 144S of the anode current collecting member 144 face each other in the vertical direction. In the current collecting structure 160, the surfaces 191S and 144S are joined to each other, thereby forming a joint CP where the interconnector 190 and the anode current collecting member 144 are joined to each other. Specifically, the joint CP refers to a portion where the interconnector 190 and the anode current collecting member 144 are in physical contact with each other, and refers to a portion where there is no gap of 1 μm or more between the interconnector 190 and the anode current collecting member 144 when a cross section perpendicular to the XY plane is observed with an SEM (for example, a VE-9800 manufactured by Keyence; the same applies hereinafter).
集電構造体160は、水蒸気を含む還元性ガス雰囲気下(例えば、気体の体積流量としてH2O/H2=1、H2/N2=0.1)で、900℃、100時間の加熱処理を施した場合に、接合部CPの近傍に位置する燃料極集電部材144の内部のCr濃度が、1atm%以上となるように構成されている。つまり、集電構造体160は、燃料電池スタック10の運転中に、インターコネクタ190に含まれるCrが、燃料極集電部材144の内部へと拡散するように構成されているといえる。これにより、燃料電池スタック10の運転中に、接合部CPの近傍に位置する燃料極集電部材144の内部に、Cr酸化物(例えば、Cr2O3)を含む内部酸化層INが形成されることとなる(図8参照)。 The current collecting structure 160 is configured so that when heat treatment is performed at 900°C for 100 hours in a reducing gas atmosphere containing water vapor (for example, H2O / H2 = 1, H2 / N2 = 0.1 as gas volume flow rates), the Cr concentration inside the anode current collecting member 144 located near the joint CP is 1 atm% or more. In other words, the current collecting structure 160 is configured so that the Cr contained in the interconnector 190 diffuses into the anode current collecting member 144 during operation of the fuel cell stack 10. As a result, an internal oxidation layer IN containing Cr oxide (for example, Cr2O3 ) is formed inside the anode current collecting member 144 located near the joint CP during operation of the fuel cell stack 10 (see Figure 8).
図9は、集電構造体160のCr濃度の測定方法の概要を示す説明図である。本明細書において「接合部CPの近傍」とは、燃料極集電部材144における表面144Sから6μm離れた位置と12μm離れた位置との間に挟まれた部分を意味する。Cr濃度の測定は、上記加熱処理を施した後、XY平面に直交する断面であって、接合部CPを含む断面で切断し、接合部CPの周辺を対象としてSEM/EDX分析を行うことにより実施される。すなわち、図9に示すように、接合部CPから燃料極集電部材144の方向に6μm離れた位置と12μm離れた位置との間に挟まれた6μm四方の各領域について、Crの含有量を、CrとNiとFeとの合計の含有量で除することにより、Cr濃度(atm%)を求めることにより、接合部CPの近傍のCr濃度を決定することができる。なお、「接合部CPの近傍に位置する燃料極集電部材144の内部のCr濃度が、1atm%以上」である構成とは、燃料電池スタック10における接合部CPを含む任意の断面における6μm四方の各領域のうち、少なくとも1つの領域のCr濃度が1atm%以上である構成を意味する。換言すると、上記加熱処理を施す前の接合部CP近傍のCr濃度は1atm%未満である。 Figure 9 is an explanatory diagram outlining a method for measuring the Cr concentration of the current collecting structure 160. In this specification, "vicinity of the joint CP" refers to the area between 6 μm and 12 μm away from the surface 144S of the anode current collecting member 144. The Cr concentration is measured by cutting the anode current collecting member 144 at a cross section perpendicular to the XY plane, including the joint CP, after the heat treatment, and performing SEM/EDX analysis on the area surrounding the joint CP. That is, as shown in Figure 9, for each 6 μm square region between 6 μm and 12 μm away from the joint CP in the direction toward the anode current collecting member 144, the Cr content is divided by the total content of Cr, Ni, and Fe to determine the Cr concentration (atm %), thereby determining the Cr concentration near the joint CP. Note that a configuration in which "the Cr concentration inside the anode current collecting member 144 located near the joint CP is 1 atm% or higher" means a configuration in which the Cr concentration in at least one region of each 6 μm square region in any cross section of the fuel cell stack 10 that includes the joint CP is 1 atm% or higher. In other words, the Cr concentration near the joint CP before the heat treatment is less than 1 atm%.
燃料極集電部材144には、燃料極集電部材144における上下方向の中心部(すなわち、燃料極集電部材144を上下方向に仮想的に二等分する中心線CLの位置)よりも接合部CP側に、中心部よりも気孔率が高い多孔層PLが存在している。多孔層PLの気孔率は、XY平面に直交する断面をSEMで観察することにより測定することができ、好ましくは1%以上、50%以下であり、より好ましくは5%以上、30%以下である。また、多孔層PLの上下方向の厚みは、5μm以下であることが好ましい。また、多孔層PLは、接合部CPの周縁部に存在していることが好ましい。 The anode current collecting member 144 has a porous layer PL with a higher porosity than the center, located closer to the joint CP than the vertical center of the anode current collecting member 144 (i.e., the position of the center line CL that vertically bisects the anode current collecting member 144). The porosity of the porous layer PL can be measured by observing a cross section perpendicular to the XY plane using an SEM, and is preferably 1% or more and 50% or less, and more preferably 5% or more and 30% or less. The vertical thickness of the porous layer PL is preferably 5 μm or less. The porous layer PL is preferably present on the periphery of the joint CP.
また、インターコネクタ190における平板部191の表面191Sは、所定の粗さ以下に抑えられている。より詳細には、表面191Sは、JIS B 0601で定義される十点平均粗さが10μm以下となっている。表面191Sの粗さの測定は、例えば、以下のように行うことができる。すなわち、燃料電池スタック10から、インターコネクタ190と燃料極集電部材144との接合部CPを含むように切り出し、XY平面に直交する断面をSEMにより500倍拡大した画像から表面191Sの輪郭曲線を取得し、JIS B 0601に準拠して十点平均粗さRzを取得することにより行うことができる。 Furthermore, the surface 191S of the flat plate portion 191 of the interconnector 190 is kept below a predetermined roughness. More specifically, the surface 191S has a ten-point average roughness of 10 μm or less as defined in JIS B 0601. The roughness of the surface 191S can be measured, for example, as follows. That is, a section including the joint CP between the interconnector 190 and the anode current collecting member 144 is cut out from the fuel cell stack 10, and a cross section perpendicular to the XY plane is magnified 500 times using an SEM to obtain the profile curve of the surface 191S, and the ten-point average roughness Rz is obtained in accordance with JIS B 0601.
A-4.集電構造体160の製造方法:
図10は、集電構造体160の製造方法を示すフローチャートである。図11は、集電構造体160の製造過程におけるインターコネクタ190と燃料極集電部材144との界面を概略的に示す説明図である。集電構造体160の製造方法は、例えば以下の通りである。
A-4. Method for manufacturing the current collecting structure 160:
Fig. 10 is a flowchart showing a method for manufacturing the current collecting structure 160. Fig. 11 is an explanatory diagram schematically showing the interface between the interconnector 190 and the anode current collecting member 144 during the manufacturing process of the current collecting structure 160. The current collecting structure 160 can be manufactured, for example, as follows.
はじめに、既知の方法により、インターコネクタ190と燃料極集電部材144とを準備する(S11)。 First, prepare the interconnector 190 and the anode current collecting member 144 using a known method (S11).
次に、インターコネクタ190と燃料極集電部材144とを加圧接合する(S12)。具体的には、インターコネクタ190と燃料極集電部材144とを、NiがNiOに酸化される酸素分圧以上の酸素分圧下で加圧接合する。NiがNiOに酸化される酸素分圧については、例えばエリンガム図から求めることができる。また、NiがNiOに酸化される酸素分圧以上の酸素分圧下であれば、ガス種は特に限定されない。S12は、接合工程の一例である。 Next, the interconnector 190 and the anode current collecting member 144 are pressure-bonded together (S12). Specifically, the interconnector 190 and the anode current collecting member 144 are pressure-bonded together under an oxygen partial pressure equal to or greater than the oxygen partial pressure at which Ni is oxidized to NiO. The oxygen partial pressure at which Ni is oxidized to NiO can be determined, for example, from an Ellingham diagram. Furthermore, the type of gas is not particularly limited as long as it is under an oxygen partial pressure equal to or greater than the oxygen partial pressure at which Ni is oxidized to NiO. S12 is an example of a bonding process.
図11(A)に示すように、S12の工程を行う前のインターコネクタ190と燃料極集電部材144との界面には間隙SPを有している。一方で、図11(B)に示すように、S12の工程を行った後は、燃料極集電部材144に含まれるNiがNiOに酸化されることによる体積膨張が生じ、間隙SPが酸化ニッケル層NOLにより埋められることとなる。これにより、インターコネクタ190と燃料極集電部材144との密着性が向上する。 As shown in Figure 11(A), before step S12 is performed, there is a gap SP at the interface between the interconnector 190 and the anode current collecting member 144. On the other hand, as shown in Figure 11(B), after step S12 is performed, the Ni contained in the anode current collecting member 144 is oxidized to NiO, causing a volume expansion, and the gap SP is filled with a nickel oxide layer NOL. This improves the adhesion between the interconnector 190 and the anode current collecting member 144.
次に、インターコネクタ190と燃料極集電部材144とを加圧しつつ加熱する(S13)。具体的には、還元性ガス雰囲気下で、インターコネクタ190と燃料極集電部材144とが並ぶ上下方向にインターコネクタ190と燃料極集電部材144とを加圧しつつ、800℃以上の温度で加熱する。加熱温度は、800℃以上、900℃以下であることが好ましい。S13は、還元工程の一例である。 Next, the interconnector 190 and the anode current collecting member 144 are heated while being pressurized (S13). Specifically, in a reducing gas atmosphere, the interconnector 190 and the anode current collecting member 144 are heated at a temperature of 800°C or higher while being pressurized in the vertical direction in which the interconnector 190 and the anode current collecting member 144 are aligned. The heating temperature is preferably 800°C or higher and 900°C or lower. S13 is an example of a reduction process.
図11(C)に示すように、S13の工程を行った後は、酸化ニッケル層NOLが多孔層PLへと変化する。つまり、酸化ニッケル層NOLのNiOがNiに還元されることによる体積収縮が生じ、多孔質な部分が形成されることとなる。S13の工程においては、加熱するとともに加圧を行っているため、多孔層PLは、比較的緻密な層となる。また、NiOが、より導電性の高いNiに還元されることにより、集電構造体160の抵抗値は低下することとなる。 As shown in Figure 11(C), after step S13, the nickel oxide layer NOL changes into a porous layer PL. In other words, volume shrinkage occurs as the NiO in the nickel oxide layer NOL is reduced to Ni, resulting in the formation of porous portions. Because heating and pressure are applied in step S13, the porous layer PL becomes a relatively dense layer. Furthermore, the resistance value of the current collecting structure 160 decreases as NiO is reduced to Ni, which has higher conductivity.
A-5.本実施形態の効果:
以上説明したように、本実施形態の集電構造体160は、Crを含有する合金から形成されるインターコネクタ190と、Niから形成される燃料極集電部材144であって、インターコネクタ190と接合される燃料極集電部材144と、を備える。集電構造体160について、水蒸気を含む還元性ガス雰囲気下で、900℃、100時間の加熱処理を施した場合に、インターコネクタ190と燃料極集電部材144とが接合している接合部CPの近傍に位置する燃料極集電部材144の内部のCr濃度が、1atm%以上である。
A-5. Effects of this embodiment:
As described above, current collecting structure 160 of the present embodiment includes interconnector 190 formed from an alloy containing Cr, and anode current collecting member 144 formed from Ni, which is joined to interconnector 190. When current collecting structure 160 is subjected to a heat treatment at 900°C for 100 hours in a reducing gas atmosphere containing water vapor, the Cr concentration inside anode current collecting member 144 located in the vicinity of joint CP where interconnector 190 and anode current collecting member 144 are joined is 1 atm% or more.
本実施形態の集電構造体160によれば、燃料電池スタック10の運転中に、インターコネクタ190に含まれるCrが、燃料極集電部材144の内部へ十分に拡散されるため、インターコネクタ190と燃料極集電部材144との界面の密着性が向上し、酸化被膜の生成が抑制される。そのため、インターコネクタ190と燃料極集電部材144との間の導電性の低下を抑制し、ひいては燃料電池スタック10の抵抗値の上昇を抑制し、燃料電池スタック10の耐久性能を向上することができる。 With the current collecting structure 160 of this embodiment, during operation of the fuel cell stack 10, the Cr contained in the interconnector 190 is sufficiently diffused into the interior of the anode current collecting member 144, improving adhesion at the interface between the interconnector 190 and the anode current collecting member 144 and suppressing the formation of an oxide film. This suppresses a decrease in conductivity between the interconnector 190 and the anode current collecting member 144, thereby suppressing an increase in the resistance value of the fuel cell stack 10 and improving the durability of the fuel cell stack 10.
また、本実施形態の集電構造体160では、接合部CPを介して燃料極集電部材144とインターコネクタ190とが並ぶ方向を上下方向としたとき、燃料極集電部材144には、燃料極集電部材144における上下方向の中心部よりも接合部CP側に中心部よりも気孔率が高い多孔層PLが存在する。本実施形態の集電構造体160によれば、燃料極集電部材144における上下方向の中心部よりも接合部CP側に、中心部よりも気孔率が高い多孔層PLが存在するため、燃料電池スタック10の製造時に、例えばインターコネクタ190と燃料極集電部材144との接合処理を高温の環境下で行う場合、インターコネクタ190と燃料極集電部材144との熱膨張差に起因する応力を緩和することができる。これにより、インターコネクタ190と燃料極集電部材144との接合部CPの剥離が抑制され、インターコネクタ190と燃料極集電部材144との密着性が向上し、インターコネクタ190に含まれるCrが、燃料極集電部材144の内部へ十分に拡散されるため、インターコネクタ190と燃料極集電部材144との界面の酸化被膜の生成が抑制される。そのため、インターコネクタ190と燃料極集電部材144との間の導電性の低下を抑制し、ひいては燃料電池スタック10の抵抗値の上昇を抑制し、燃料電池スタック10の耐久性能をより効果的に向上することができる。 Furthermore, in the current collecting structure 160 of this embodiment, when the direction in which the anode current collecting member 144 and the interconnector 190 are aligned via the joint CP is defined as the vertical direction, the anode current collecting member 144 has a porous layer PL with a higher porosity than the central portion on the joint CP side of the vertical center of the anode current collecting member 144. According to the current collecting structure 160 of this embodiment, the porous layer PL with a higher porosity than the central portion is located on the joint CP side of the vertical center of the anode current collecting member 144. Therefore, when, for example, the joining process between the interconnector 190 and the anode current collecting member 144 is performed in a high-temperature environment during the manufacture of the fuel cell stack 10, stress caused by the difference in thermal expansion between the interconnector 190 and the anode current collecting member 144 can be alleviated. This prevents peeling at the joint CP between the interconnector 190 and the anode current collecting member 144, improves adhesion between the interconnector 190 and the anode current collecting member 144, and allows the Cr contained in the interconnector 190 to be sufficiently diffused into the anode current collecting member 144, thereby preventing the formation of an oxide film at the interface between the interconnector 190 and the anode current collecting member 144. This prevents a decrease in conductivity between the interconnector 190 and the anode current collecting member 144, thereby preventing an increase in the resistance value of the fuel cell stack 10 and more effectively improving the durability of the fuel cell stack 10.
また、本実施形態の集電構造体160では、多孔層PLの上下方向の厚みは、5μm以下である。本実施形態の集電構造体160によれば、燃料極集電部材144に上下方向の厚みが5μm以下である多孔層PLが存在するため、燃料電池スタック10の製造時におけるインターコネクタ190と燃料極集電部材144との接合部CPの剥離を抑制しつつ、燃料電池スタック10の運転中における接合部CPへの酸素の侵入を抑制することができる。そのため、インターコネクタ190と燃料極集電部材144との間の導電性の低下を抑制し、ひいては燃料電池スタック10の抵抗値の上昇を抑制し、燃料電池スタック10の耐久性能をより効果的に向上することができる。 Furthermore, in the current collecting structure 160 of this embodiment, the vertical thickness of the porous layer PL is 5 μm or less. According to the current collecting structure 160 of this embodiment, the anode current collecting member 144 has a porous layer PL with a vertical thickness of 5 μm or less. This prevents peeling of the joint CP between the interconnector 190 and the anode current collecting member 144 during manufacturing of the fuel cell stack 10, while also preventing oxygen from penetrating into the joint CP during operation of the fuel cell stack 10. This prevents a decrease in conductivity between the interconnector 190 and the anode current collecting member 144, thereby preventing an increase in the resistance value of the fuel cell stack 10 and more effectively improving the durability of the fuel cell stack 10.
また、本実施形態の集電構造体160では、燃料極集電部材144は、厚みが30μm以上の箔により形成されている。燃料電池スタック10の運転中において、燃料極集電部材144の内部では、インターコネクタ190から拡散されたCrと、燃料電池スタック10内のガスに含まれるH2Oから解離した酸素とが反応することにより、燃料極集電部材144の内部に内部酸化層INが生成する。このとき、接合部CP側の表面と、上下方向の接合部CPとは反対側の表面とのそれぞれで内部酸化層INが成長すると、燃料極集電部材144の厚みが薄い場合、各表面同士の距離が短いため、各表面側で形成された内部酸化層INが連結し、インターコネクタ190から燃料極116に至る導通経路が燃料極集電部材144の内部において遮断される場合がある。本実施形態の集電構造体160によれば、燃料極集電部材144が、厚みが30μm以上の箔により形成される。これにより、各表面同士の距離が比較的長くなり、導通経路の遮断が抑制される。そのため、インターコネクタ190と燃料極集電部材144との間の導電性の低下を抑制し、ひいては燃料電池スタック10の抵抗値の上昇を抑制し、燃料電池スタック10の耐久性能をより効果的に向上することができる。 In the current collecting structure 160 of this embodiment, the anode current collecting member 144 is formed of a foil having a thickness of 30 μm or more. During operation of the fuel cell stack 10, Cr diffused from the interconnector 190 reacts with oxygen dissociated from H 2 O contained in the gas in the fuel cell stack 10 inside the anode current collecting member 144, thereby forming an internal oxide layer IN inside the anode current collecting member 144. When the internal oxide layer IN grows on the surface on the joint CP side and on the surface opposite the joint CP in the vertical direction, if the thickness of the anode current collecting member 144 is thin, the distance between the surfaces is short, and the internal oxide layers IN formed on the surfaces may be connected, thereby blocking the conduction path from the interconnector 190 to the anode 116 inside the anode current collecting member 144. In the current collecting structure 160 of this embodiment, the anode current collecting member 144 is formed of a foil having a thickness of 30 μm or more. This makes the distance between the surfaces relatively long, preventing the conduction path from being interrupted, thereby preventing a decrease in conductivity between the interconnector 190 and the anode current collecting member 144, and thus preventing an increase in the resistance of the fuel cell stack 10, thereby more effectively improving the durability of the fuel cell stack 10.
また、本実施形態の集電構造体160では、インターコネクタ190における燃料極集電部材144と接合される表面191Sは、JIS B 0601で定義される十点平均粗さが10μm以下である。 Furthermore, in the current collecting structure 160 of this embodiment, the surface 191S of the interconnector 190 that is joined to the anode current collecting member 144 has a ten-point average roughness of 10 μm or less as defined by JIS B 0601.
燃料電池スタック10の製造時において、インターコネクタ190と燃料極集電部材144とを接合する際に、例えばNiが酸化されてNiOとなる際の体積膨張を利用し、インターコネクタ190と燃料極集電部材144との間の間隙SPにNiOを形成させることによってインターコネクタ190と燃料極集電部材144との密着性を向上させる場合がある。その後、さらに、NiOからより導電性が高いNiへの還元処理を行う場合には、NiOからNiへの変換に伴う体積収縮によって燃料極集電部材144に多孔層PLが形成される。このとき、多孔層PLが厚い場合、燃料電池スタック10の運転中に接合部CPへ酸素が侵入しやすくなり、インターコネクタ190と燃料極集電部材144との界面に酸化被膜が生成し、抵抗値の上昇を招くこととなる。本実施形態の集電構造体160によれば、インターコネクタ190における燃料極集電部材144と接合する表面191Sは、JIS B 0601で定義される十点平均粗さが10μm以下である。これにより、インターコネクタ190と燃料極集電部材144との間の間隙SPが過度に大きくならないため、燃料極集電部材144に形成される多孔層PLの厚みを抑制することができ、燃料電池スタック10の運転中における接合部CPへの酸素の侵入を抑制することができる。そのため、インターコネクタ190と燃料極集電部材144との界面の酸化被膜の生成が抑制され、インターコネクタ190と燃料極集電部材144との間の導電性の低下を抑制し、ひいては燃料電池スタック10の抵抗値の上昇を抑制し、燃料電池スタック10の耐久性能をより効果的に向上することができる。 During the manufacture of the fuel cell stack 10, when joining the interconnector 190 and the anode current collecting member 144, the volume expansion that occurs when Ni is oxidized to NiO may be utilized to form NiO in the gap SP between the interconnector 190 and the anode current collecting member 144, thereby improving the adhesion between the interconnector 190 and the anode current collecting member 144. If a reduction process is subsequently performed to convert NiO to the more conductive Ni, the volume contraction that accompanies the conversion of NiO to Ni forms a porous layer PL in the anode current collecting member 144. If the porous layer PL is thick, oxygen may easily penetrate the joint CP during operation of the fuel cell stack 10, forming an oxide film at the interface between the interconnector 190 and the anode current collecting member 144 and resulting in an increase in resistance. According to the current collecting structure 160 of this embodiment, the surface 191S of the interconnector 190 that joins with the anode current collecting member 144 has a ten-point average roughness of 10 μm or less as defined in JIS B 0601. This prevents the gap SP between the interconnector 190 and the anode current collecting member 144 from becoming excessively large, thereby reducing the thickness of the porous layer PL formed in the anode current collecting member 144 and preventing oxygen from penetrating into the joint CP during operation of the fuel cell stack 10. This prevents the formation of an oxide film at the interface between the interconnector 190 and the anode current collecting member 144, preventing a decrease in conductivity between the interconnector 190 and the anode current collecting member 144 and ultimately preventing an increase in the resistance of the fuel cell stack 10, thereby more effectively improving the durability of the fuel cell stack 10.
また、本実施形態の燃料電池スタック10では、集電構造体160と、集電構造体160と電気的に接続される単セル110と、を備える。 The fuel cell stack 10 of this embodiment also includes a current collecting structure 160 and a single cell 110 electrically connected to the current collecting structure 160.
本実施形態の燃料電池スタック10によれば、運転中に、集電構造体160におけるインターコネクタ190に含まれるCrが、燃料極集電部材144の内部へ十分に拡散されるため、インターコネクタ190と燃料極集電部材144との界面の密着性が向上し、酸化被膜の生成が抑制される。そのため、インターコネクタ190と燃料極集電部材144との間の導電性の低下を抑制し、ひいては燃料電池スタック10の抵抗値の上昇を抑制し、燃料電池スタック10の耐久性能を向上することができる。 In the fuel cell stack 10 of this embodiment, during operation, the Cr contained in the interconnector 190 of the current collecting structure 160 is sufficiently diffused into the interior of the anode current collecting member 144, improving adhesion at the interface between the interconnector 190 and the anode current collecting member 144 and suppressing the formation of an oxide film. This suppresses a decrease in conductivity between the interconnector 190 and the anode current collecting member 144, thereby suppressing an increase in the resistance value of the fuel cell stack 10 and improving the durability of the fuel cell stack 10.
また、本実施形態の集電構造体160の製造方法では、インターコネクタ190と燃料極集電部材144とを、NiがNiOに酸化される酸素分圧以上の酸素分圧下で加圧接合する接合工程S12を備える。 The manufacturing method for the current collecting structure 160 of this embodiment also includes a bonding step S12 in which the interconnector 190 and the anode current collecting member 144 are pressure-bonded under an oxygen partial pressure equal to or higher than the oxygen partial pressure at which Ni is oxidized to NiO.
本実施形態の集電構造体160の製造方法によれば、接合工程S12の際にNiが酸化されてNiOとなる際の体積膨張を利用し、インターコネクタ190と燃料極集電部材144との間の間隙SPにNiOを形成することによってインターコネクタ190と燃料極集電部材144との密着性を向上させ、酸化被膜の生成を抑制することができる。そのため、インターコネクタ190と燃料極集電部材144との間の導電性の低下を抑制し、ひいては燃料電池スタック10の抵抗値の上昇を抑制し、燃料電池スタック10の耐久性能を向上することができる。 The manufacturing method for the current collecting structure 160 of this embodiment utilizes the volume expansion that occurs when Ni is oxidized to NiO during the bonding step S12 to form NiO in the gap SP between the interconnector 190 and the anode current collecting member 144, thereby improving the adhesion between the interconnector 190 and the anode current collecting member 144 and suppressing the formation of an oxide film. This suppresses a decrease in conductivity between the interconnector 190 and the anode current collecting member 144, thereby suppressing an increase in the resistance value of the fuel cell stack 10 and improving the durability of the fuel cell stack 10.
また、本実施形態の集電構造体160の製造方法では、さらに、接合工程S12の後、還元性ガス雰囲気下で、インターコネクタ190と燃料極集電部材144とが並ぶ上下方向にインターコネクタ190と燃料極集電部材144とを加圧しつつ800℃以上の温度で加熱する還元工程S13を備える。本実施形態の集電構造体160の製造方法によれば、加圧を行うことにより、還元工程S13におけるNiOからNiへの還元に伴う体積収縮によるインターコネクタ190と燃料極集電部材144との密着性の低下を抑制しつつ、NiOからより導電性が高いNiへの還元処理を行うことができる。また、800℃以上の温度下でNiOをNiに還元するため、NiOを確実に還元することができる。そのため、燃料電池スタック10の抵抗値の上昇を抑制し、燃料電池スタック10の耐久性能をより効果的に向上することができる。 In addition, the manufacturing method of the current collecting structure 160 of this embodiment further includes, after the joining step S12, a reduction step S13 in which the interconnector 190 and the anode current collecting member 144 are heated at a temperature of 800°C or higher while applying pressure to them in a reducing gas atmosphere in the vertical direction in which the interconnector 190 and the anode current collecting member 144 are aligned. According to the manufacturing method of the current collecting structure 160 of this embodiment, by applying pressure, it is possible to reduce NiO to Ni with higher conductivity while suppressing a decrease in adhesion between the interconnector 190 and the anode current collecting member 144 due to volumetric shrinkage associated with the reduction of NiO to Ni in the reduction step S13. Furthermore, because NiO is reduced to Ni at a temperature of 800°C or higher, the NiO can be reliably reduced. This suppresses an increase in the resistance value of the fuel cell stack 10 and more effectively improves the durability of the fuel cell stack 10.
A-6.性能評価:
次に、本実施形態の性能評価について説明する。種々の物性が互いに異なる集電構造体160をそれぞれ備える燃料電池スタック10の複数のサンプルを作製し、当該複数のサンプルを用いて性能評価を行った。表1から表3は、性能評価結果を示している。
A-6. Performance evaluation:
Next, performance evaluation of this embodiment will be described. Multiple samples of the fuel cell stack 10, each including a current collecting structure 160 with various different physical properties, were fabricated, and performance evaluation was performed using these multiple samples. Tables 1 to 3 show the performance evaluation results.
(評価用サンプルの作製)
上述の「A-4.集電構造体160の製造方法」に記載の方法により集電構造体160を作製した。具体的には、燃料電池スタック10を構成する部材を積層し、ボルトBおよびナットNにより第1エンドプレート210から第2エンドプレート270までの部材を締結した状態で接合工程S12および還元工程S13を実施した。その際、燃料極集電部材144の構成、接合工程S12の条件および還元工程S13の条件を変えることにより、種々の物性が異なる集電構造体160を作製した。そして、種々の物性が互いに異なる集電構造体160をそれぞれ備える燃料電池スタック10のサンプルを既知の方法により作製し、以下の性能評価を行った。
(Preparation of evaluation samples)
The current collecting structure 160 was fabricated by the method described above in "A-4. Manufacturing method of the current collecting structure 160." Specifically, the components constituting the fuel cell stack 10 were stacked, and the components from the first end plate 210 to the second end plate 270 were fastened together using bolts B and nuts N, and then the joining step S12 and the reduction step S13 were carried out. By varying the configuration of the anode current collecting member 144, the conditions for the joining step S12, and the conditions for the reduction step S13, current collecting structures 160 with various different physical properties were fabricated. Samples of the fuel cell stack 10 each including the current collecting structures 160 with various different physical properties were then fabricated by a known method, and the following performance evaluations were performed.
(性能評価-加熱処理後のCr濃度)
上記方法により作製した燃料電池スタック10から、インターコネクタ190と燃料極集電部材144とを含む部分を切り出し、水蒸気を含む還元性ガス雰囲気下(H2O/H2=1、H2/N2=0.1)で、900℃、100hrの加熱処理を施した。加熱処理を施した後、XY平面に直交する断面であって、接合部CPを含む断面で切断し、上述の方法により燃料電池スタック10の各サンプルのCr濃度の測定を行った。
(Performance evaluation - Cr concentration after heat treatment)
A portion including the interconnector 190 and the anode current collecting member 144 was cut out from the fuel cell stack 10 fabricated by the above method and subjected to a heat treatment at 900°C for 100 hours in a reducing gas atmosphere containing water vapor ( H2O / H2 = 1, H2 / N2 = 0.1). After the heat treatment, the sample was cut at a cross section perpendicular to the XY plane and including the joint CP, and the Cr concentration of each sample of the fuel cell stack 10 was measured by the above method.
(性能評価-スタック劣化率)
上記方法により作製した燃料電池スタック10について、700℃で運転を開始させ、運転開始時の電位VIを測定する。その後、700℃の温度のまま10000時間の継続運転を行い、運転開始から10000時間経過時の電位VEを測定した。以下の式を用いて、燃料電池スタック10の各サンプルの継続運転によるスタック劣化率を算出した。
スタック劣化率(%)=100×(VI-VE)/VI
(Performance evaluation - stack deterioration rate)
The fuel cell stack 10 fabricated by the above method was started to operate at 700°C, and the potential VI at the start of operation was measured. Subsequently, the stack was continuously operated for 10,000 hours at 700°C, and the potential VE was measured 10,000 hours after the start of operation. The stack deterioration rate due to continuous operation of each sample of the fuel cell stack 10 was calculated using the following equation.
Stack deterioration rate (%) = 100 × (V I - V E ) / V I
(性能評価結果)
表1は、性能評価結果を表す表である。
Table 1 shows the performance evaluation results.
表1およびこれ以降の表では、各サンプルの燃料極集電部材144およびインターコネクタ190の構成、接合工程S12の条件、還元工程S13の条件および性能評価結果が示されている。各表の記載のうち、「流通ガス」とは、接合工程S12を行う際に、燃料ガス供給マニホールド321または燃料ガス排出マニホールド322を介して燃料室323に供給されるガス種が示されている。また、「加熱処理後のCr濃度」とは、接合部CPを含む任意の断面でCr濃度の測定を行った際の、接合部CPから燃料極集電部材144の方向に6μm離れた位置と12μm離れた位置との間に挟まれた6μm四方の各領域のCr濃度の平均値が示されている。 Table 1 and the following tables show the configuration of the anode current collecting member 144 and interconnector 190 for each sample, the conditions for the joining process S12, the conditions for the reduction process S13, and the performance evaluation results. In each table, "flowing gas" refers to the type of gas supplied to the fuel chamber 323 via the fuel gas supply manifold 321 or the fuel gas exhaust manifold 322 during the joining process S12. Furthermore, "Cr concentration after heat treatment" refers to the average Cr concentration in a 6 μm square region between a position 6 μm and a position 12 μm away from the joint CP in the direction of the anode current collecting member 144, when the Cr concentration was measured at an arbitrary cross section including the joint CP.
表1には、サンプルS1からS3までが示されている。サンプルS1からS3までのうち、サンプルS1の加熱処理後のCr濃度は比較的低く、サンプルS2,S3の加熱処理後のCr濃度は比較的高かった。また、サンプルS1のスタック劣化率は比較的高く、サンプルS2,S3のスタック劣化率は比較的低かった。以上のことから、加熱処理後のCr濃度と、スタック劣化率とは相関し、加熱処理後のCr濃度が高いほど、スタック劣化率が低い(つまり、燃料電池スタック10の耐久性能が高い)ことが確認された。 Table 1 shows samples S1 to S3. Of samples S1 to S3, the Cr concentration after heat treatment of sample S1 was relatively low, while the Cr concentrations after heat treatment of samples S2 and S3 were relatively high. Furthermore, the stack deterioration rate of sample S1 was relatively high, while the stack deterioration rates of samples S2 and S3 were relatively low. From the above, it was confirmed that there is a correlation between the Cr concentration after heat treatment and the stack deterioration rate, and that the higher the Cr concentration after heat treatment, the lower the stack deterioration rate (i.e., the higher the durability performance of the fuel cell stack 10).
さらに、サンプルS1からS3までのうち、サンプルS1は多孔層PLを有さず、サンプルS2,S3は多孔層PLを有している。このことから、多孔層PLの有無と、スタック劣化率とは相関し、多孔層PLを有しているサンプルは、スタック劣化率が低いことが確認された。つまり、多孔層PLを有することにより、インターコネクタ190と燃料極集電部材144との密着性が向上し、インターコネクタ190のCrが燃料極集電部材144の内部に十分拡散した結果として、スタック劣化率が抑制されたと考えられる。 Furthermore, of samples S1 to S3, sample S1 does not have a porous layer PL, while samples S2 and S3 have a porous layer PL. This confirms that the presence or absence of a porous layer PL correlates with the stack deterioration rate, and that samples that have a porous layer PL have a lower stack deterioration rate. In other words, it is believed that the presence of the porous layer PL improves the adhesion between the interconnector 190 and the anode current collecting member 144, and as a result, the Cr of the interconnector 190 is sufficiently diffused inside the anode current collecting member 144, thereby suppressing the stack deterioration rate.
また、多孔層PLの有無は、接合工程S12の条件に起因していると考えられる。すなわち、サンプルS1については、接合工程S12における酸素分圧が比較的低いことにより、燃料極集電部材144のNiがNiOに酸化されなかった結果として、多孔層PLが形成されなかったものと考えられ、サンプルS2,3については、接合工程S12における酸素分圧が比較的高いことにより、燃料極集電部材144のNiがNiOに酸化された結果として、多孔層PLが形成されたものと考えられる。 The presence or absence of the porous layer PL is thought to be due to the conditions of the bonding step S12. That is, for sample S1, the relatively low oxygen partial pressure in the bonding step S12 prevented the Ni in the anode current collecting member 144 from being oxidized to NiO, and as a result, the porous layer PL was not formed. For samples S2 and S3, the relatively high oxygen partial pressure in the bonding step S12 prevented the Ni in the anode current collecting member 144 from being oxidized to NiO, and as a result, the porous layer PL was formed.
表2は、性能評価結果を表す表である。
表2には、サンプルS4およびS5が示されている。サンプルS4は、燃料極集電部材144の多孔層PLの厚みが5μmより大きいのに対し、サンプルS5は、燃料極集電部材144の多孔層PLの厚みが5μm以下である。また、サンプルS4のスタック劣化率は比較的高く、サンプルS5のスタック劣化率は比較的低かった。このことから、多孔層PLの厚みと、スタック劣化率とは相関し、多孔層PLが5μm以下であることにより、スタック劣化率が低くなることが確認された。 Table 2 shows samples S4 and S5. Sample S4 has a porous layer PL of the anode current collecting member 144 with a thickness greater than 5 μm, while sample S5 has a porous layer PL of the anode current collecting member 144 with a thickness of 5 μm or less. Furthermore, the stack deterioration rate of sample S4 was relatively high, while the stack deterioration rate of sample S5 was relatively low. This confirms that the thickness of the porous layer PL and the stack deterioration rate are correlated, and that a porous layer PL of 5 μm or less reduces the stack deterioration rate.
また、多孔層PLの厚みは、還元工程S13の条件に起因していると考えられる。すなわち、サンプルS4については、還元工程S13における還元温度が800℃より低いことにより、多孔層PLが緻密化されなかったものと考えられ、サンプルS5については、還元工程S13における還元温度が800℃以上であることにより、多孔層PLが緻密化されたものと考えられる。 The thickness of the porous layer PL is also thought to be due to the conditions of the reduction step S13. That is, for sample S4, the reduction temperature in the reduction step S13 was lower than 800°C, which is thought to have prevented the porous layer PL from being densified. For sample S5, the reduction temperature in the reduction step S13 was 800°C or higher, which is thought to have caused the porous layer PL to be densified.
表3は、性能評価結果を表す表である。
表3には、サンプルS6からS8までが示されている。サンプルS6の燃料極集電部材144の形状は箔であって、厚みが30μmよりも小さく、サンプルS7の燃料極集電部材144の形状は箔であって、厚みが30μm以上であり、サンプルS8の燃料極集電部材144の形状はメッシュであって、メッシュの線径が60μm以上である。また、サンプルS6のスタック劣化率は比較的高く、サンプルS7,S8のスタック劣化率は比較的低かった。以上のことから、燃料極集電部材144の厚みと、スタック劣化率とは相関し、燃料極集電部材144の厚みが厚いほど、スタック劣化率が低いことが確認された。なお、燃料極集電部材144がメッシュである構成については、後に詳述する。 Table 3 shows samples S6 to S8. The anode current collecting member 144 of sample S6 is foil-shaped and has a thickness of less than 30 μm. The anode current collecting member 144 of sample S7 is foil-shaped and has a thickness of 30 μm or more. The anode current collecting member 144 of sample S8 is mesh-shaped and has a wire diameter of 60 μm or more. Furthermore, the stack deterioration rate of sample S6 was relatively high, while the stack deterioration rates of samples S7 and S8 were relatively low. From the above, it was confirmed that the thickness of the anode current collecting member 144 and the stack deterioration rate are correlated, and that the thicker the anode current collecting member 144, the lower the stack deterioration rate. The configuration in which the anode current collecting member 144 is mesh will be described in detail later.
B.第2実施形態:
図12は、第2実施形態の集電構造体160aの詳細構成を示すXZ断面図である。以下では、第2実施形態の燃料電池スタック10の構成のうち、上述した第1実施形態の燃料電池スタック10と同一の構成については、同一の符号を付すことによってその説明を適宜省略する。
B. Second embodiment:
12 is an XZ cross-sectional view showing the detailed configuration of the current collecting structure 160a of the second embodiment. In the following, among the configuration of the fuel cell stack 10 of the second embodiment, the same configuration as that of the fuel cell stack 10 of the first embodiment described above will be denoted by the same reference numerals and the description thereof will be omitted as appropriate.
第2実施形態の集電構造体160aは、燃料極集電部材の構成が、第1実施形態の集電構造体160と異なっている。具体的には、第2実施形態の集電構造体160aは、燃料極集電部材144aがメッシュにより構成されている。燃料極集電部材144aは、Niから形成された複数の線材により構成されており、X軸方向に延びる線材と、Y軸方向に延びる線材とが網目状の構造をなしている。燃料極集電部材144aは、線径(図12に示すL2の長さ)が60μm以上である。 The current collecting structure 160a of the second embodiment differs from the current collecting structure 160 of the first embodiment in the configuration of the anode current collecting member. Specifically, in the current collecting structure 160a of the second embodiment, the anode current collecting member 144a is configured as a mesh. The anode current collecting member 144a is configured from multiple wires made of Ni, with wires extending in the X-axis direction and wires extending in the Y-axis direction forming a mesh-like structure. The anode current collecting member 144a has a wire diameter (length L2 shown in Figure 12) of 60 μm or more.
以上説明したように、第2実施形態の集電構造体160aでは、燃料極集電部材144aは、線径が60μm以上のメッシュにより形成されている。燃料電池スタック10の運転中において、燃料極集電部材144aの内部では、インターコネクタ190から拡散されたCrと、燃料電池スタック10内のガスに含まれるH2Oから解離した酸素とが反応することにより、燃料極集電部材144aの内部に内部酸化層INが生成する。このとき、接合部CP側の表面と、上下方向の接合部CPとは反対側の表面とのそれぞれで内部酸化層INが成長すると、燃料極集電部材144aの厚みが薄い場合、各表面同士の距離が短いため、各表面側で形成された内部酸化層INが連結し、燃料極集電部材144a内部の導通経路が遮断される場合がある。本実施形態の集電構造体160aによれば、燃料極集電部材144aが、線径が60μm以上のメッシュにより形成される。これにより、各表面同士の距離が比較的長くなり、導通経路の遮断が抑制される。そのため、インターコネクタ190と燃料極集電部材144aとの間の導電性の低下を抑制し、ひいては燃料電池スタック10の抵抗値の上昇を抑制し、燃料電池スタック10の耐久性能をより効果的に向上することができる。 As described above, in the current collecting structure 160a of the second embodiment, the anode current collecting member 144a is formed of a mesh having a wire diameter of 60 μm or more. During operation of the fuel cell stack 10, Cr diffused from the interconnector 190 reacts with oxygen dissociated from H 2 O contained in the gas in the fuel cell stack 10 inside the anode current collecting member 144a, thereby forming an internal oxide layer IN inside the anode current collecting member 144a. When the internal oxide layer IN grows on the surface on the joint CP side and on the surface opposite the joint CP in the vertical direction, if the thickness of the anode current collecting member 144a is thin, the distance between the surfaces is short, and the internal oxide layers IN formed on the surfaces may be connected, thereby interrupting the electrical conduction path inside the anode current collecting member 144a. According to the current collecting structure 160a of the present embodiment, the anode current collecting member 144a is formed of a mesh having a wire diameter of 60 μm or more. This makes the distance between the surfaces relatively long, preventing the conduction path from being interrupted, thereby preventing a decrease in conductivity between the interconnector 190 and the anode current collecting member 144a, and thus preventing an increase in the resistance of the fuel cell stack 10, thereby more effectively improving the durability of the fuel cell stack 10.
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. Variations:
The technology disclosed in this specification is not limited to the above-described embodiments, and can be modified into various forms without departing from the spirit thereof, for example, the following modifications are also possible.
上記実施形態における燃料電池スタック10や発電単位100Uの構成は、あくまで一例であり、種々変形可能である。例えば、上記実施形態における燃料電池スタック10に含まれる単セル110の個数(発電単位100Uの個数)は、あくまで一例であり、単セル110の個数は、燃料電池スタック10に要求される出力電圧に応じて適宜決められる。 The configurations of the fuel cell stack 10 and power generation units 100U in the above embodiments are merely examples and can be modified in various ways. For example, the number of unit cells 110 (number of power generation units 100U) included in the fuel cell stack 10 in the above embodiments is merely an example, and the number of unit cells 110 is determined appropriately depending on the output voltage required for the fuel cell stack 10.
上記実施形態における各部材を構成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により構成されていてもよい。 The materials used to make each component in the above embodiment are merely examples, and each component may be made of other materials.
上記実施形態では、集電構造体160には、多孔層PLが存在しているが、集電構造体には、必ずしも多孔層が存在していなくてもよい。また、上記実施形態では、多孔層PLの厚みが5μm以下であるが、多孔層は、5μmより厚くてもよい。 In the above embodiment, the current collecting structure 160 includes a porous layer PL, but the current collecting structure does not necessarily need to include a porous layer. Also, in the above embodiment, the thickness of the porous layer PL is 5 μm or less, but the porous layer may be thicker than 5 μm.
第1実施形態では、燃料極集電部材144が厚み30μm以上の箔により形成され、第2実施形態では、燃料極集電部材144aが線径60μm以上のメッシュにより形成されているが、Ni製部材の形状はこれらに限定されず、その厚みもこれらに限定されない。 In the first embodiment, the anode current collecting member 144 is formed from a foil with a thickness of 30 μm or more, and in the second embodiment, the anode current collecting member 144a is formed from a mesh with a wire diameter of 60 μm or more, but the shape of the Ni member is not limited to these, and neither is its thickness.
上記実施形態では、表面191Sの十点平均粗さが燃料電池スタック10μm以下であるが、Cr含有部材におけるNi製部材と接合される表面の粗さはこれに限定されない。 In the above embodiment, the ten-point average roughness of surface 191S is 10 μm or less for the fuel cell stack, but the roughness of the surface of the Cr-containing component that is joined to the Ni component is not limited to this.
集電構造体の製造方法は、上記実施形態に限定されない。 The method for manufacturing the current collecting structure is not limited to the above embodiment.
上記実施形態の燃料電池スタック10は、コフロータイプのSOFCであるが、本明細書に開示される技術は、カウンターフロータイプのSOFCやクロスフロータイプのSOFCにも適用可能である。 The fuel cell stack 10 in the above embodiment is a coflow-type SOFC, but the technology disclosed in this specification can also be applied to counterflow-type SOFCs and crossflow-type SOFCs.
上記実施形態では、単セル110は、燃料極支持型の単セルであるが、電解質支持型や金属支持型等の他のタイプの単セルであってもよい。 In the above embodiment, the unit cell 110 is an anode-supported unit cell, but it may also be another type of unit cell, such as an electrolyte-supported or metal-supported type.
上記実施形態の集電構造体160では、インターコネクタ190をCr含有部材の一例としているが、Cr含有部材はこれに限定されない。例えば、上記実施形態における第1プレート232がCrを含有する場合には、第1プレート232もCr含有部材の一例とすることができ、金属支持型の単セルにおける金属支持体がCrを含有する場合には、金属支持体もCr含有部材の一例とすることができる。同様に、上記実施形態の集電構造体160では、燃料極集電部材144をNi製部材の一例としているが、Ni製部材はこれに限定されない。 In the current collecting structure 160 of the above embodiment, the interconnector 190 is an example of a Cr-containing member, but Cr-containing members are not limited to this. For example, if the first plate 232 in the above embodiment contains Cr, the first plate 232 can also be an example of a Cr-containing member, and if the metal support in a metal-supported single cell contains Cr, the metal support can also be an example of a Cr-containing member. Similarly, in the current collecting structure 160 of the above embodiment, the anode current collecting member 144 is an example of a Ni member, but Ni members are not limited to this.
上記実施形態では、燃料電池スタック10は、平板型の単セル110を複数備える構成であるが、本発明は、他のタイプ(例えば、筒型、扁平筒型等)の単セルを複数備える燃料電池スタックにも同様に適用可能である。 In the above embodiment, the fuel cell stack 10 is configured to include multiple flat-plate type unit cells 110, but the present invention is equally applicable to fuel cell stacks that include multiple unit cells of other types (e.g., cylindrical, flat cylindrical, etc.).
上記実施形態では、電気化学反応セルスタックが、固体酸化物形の燃料電池(SOFC)に用いられるセルスタックであったが、上記の構成は、固体高分子形燃料電池(PEFC)、リン酸型燃料電池(PAFC)、溶融炭酸塩形燃料電池(MCFC)といった他のタイプの燃料電池に用いられるセルスタック、あるいは、固体酸化物形電解セル(SOEC)の構成単位である電解セル単位を単セルとして備える電解セルスタックにも適用可能である。 In the above embodiment, the electrochemical reaction cell stack was a cell stack used in a solid oxide fuel cell (SOFC), but the above configuration can also be applied to cell stacks used in other types of fuel cells, such as polymer electrolyte fuel cells (PEFCs), phosphoric acid fuel cells (PAFCs), and molten carbonate fuel cells (MCFCs), or to electrolysis cell stacks that include electrolysis cell units, which are the constituent elements of solid oxide electrolysis cells (SOECs), as single cells.
10:燃料電池スタック 100:発電ブロック 100U:発電単位 110:単セル 112:電解質層 114:空気極 116:燃料極 118:反応防止層 120:単セル用セパレータ 121:貫通孔 124:接合部 130:空気極フレーム 131:貫通孔 132:酸化剤ガス供給連通流路 133:酸化剤ガス排出連通流路 140:燃料極フレーム 141:貫通孔 142:燃料ガス供給連通流路 143:燃料ガス排出連通流路 144,144a:燃料極集電部材 144S:表面 145:電極対向部 146:インターコネクタ対向部 147:連接部 149:スペーサー 160,160a:集電構造体 180:IC用セパレータ 181:貫通孔 190:インターコネクタ 191:平板部 191S:表面 192:空気極集電部 193:被覆層 196:導電性接合材 210:第1エンドプレート 211:平面部 212:貫通孔 213:外側凸部 214:内側凸部 220:絶縁部 230:末端セパレータ 231:貫通孔 232:第1プレート 240:第1ターミナルプレート 241:貫通孔 250:第2ターミナルプレート 260:第2プレート 270:第2エンドプレート 271:平面部 272:貫通孔 273:外側凸部 274:内側凸部 280:ガス通路部材 281:本体部 282:フランジ部 283:ガス貫通孔 284:ボルト孔 311:酸化剤ガス供給マニホールド 312:酸化剤ガス排出マニホールド 313:空気室 321:燃料ガス供給マニホールド 322:燃料ガス排出マニホールド 323:燃料室 B:ボルト BH:ボルト孔 N:ナット FG:燃料ガス FOG:燃料オフガス OG:酸化剤ガス OOG:酸化剤オフガス CP:接合部 IN:内部酸化層 PL:多孔層 CL:中心線 SP:間隙 NOL:酸化ニッケル層 10: Fuel cell stack 100: Power generation block 100U: Power generation unit 110: Single cell 112: Electrolyte layer 114: Air electrode 116: Anode 118: Reaction prevention layer 120: Single cell separator 121: Through hole 124: Joint 130: Air electrode frame 131: Through hole 132: Oxidant gas supply communication channel 133: Oxidant gas discharge communication channel 140: Anode frame 141: Through hole 142: Fuel gas supply communication channel 143: Fuel gas discharge communication channel 144, 144a: Anode current collecting member 144S: Surface 145: Electrode opposing portion 146: Interconnector opposing portion 147: Connection portion 149: Spacer 160, 160a: Current collecting structure 180: IC separator 181: Through hole 190: Interconnector 191: Flat plate portion 191S: Surface 192: Air electrode current collecting portion 193: Coating layer 196: Conductive bonding material 210: First end plate 211: Flat portion 212: Through hole 213: Outer convex portion 214: Inner convex portion 220: Insulating portion 230: Terminal separator 231: Through hole 232: First plate 240: First terminal plate 241: Through hole 250: Second terminal plate 260: Second plate 270: Second end plate 271: Flat portion 272: Through hole 273: Outer convex portion 274: Inner convex portion 280: Gas passage member 281: Main body portion 282: Flange portion 283: Gas through hole 284: Bolt hole 311: Oxidant gas supply manifold 312: Oxidant gas exhaust manifold; 313: Air chamber; 321: Fuel gas supply manifold; 322: Fuel gas exhaust manifold; 323: Fuel chamber; B: Bolt; BH: Bolt hole; N: Nut; FG: Fuel gas; FOG: Fuel off-gas; OG: Oxidant gas; OOG: Oxidant off-gas; CP: Joint; IN: Inner oxide layer; PL: Porous layer; CL: Center line; SP: Gap; NOL: Nickel oxide layer.
Claims (8)
Niから形成されるNi製部材であって、前記Cr含有部材と接合されるNi製部材と、
を備える、電気化学反応セルスタック用集電構造体において、
前記電気化学反応セルスタック用集電構造体について、水蒸気を含む還元性ガス雰囲気下で、900℃、100時間の加熱処理を施した場合に、前記Cr含有部材と前記Ni製部材とが接合している接合部の近傍に位置する前記Ni製部材の内部のCr濃度が、1atm%以上である、
ことを特徴とする、電気化学反応セルスタック用集電構造体。 a Cr-containing member formed from an alloy containing Cr;
a Ni member formed from Ni and joined to the Cr-containing member;
A current collecting structure for an electrochemical reaction cell stack, comprising:
When the current collecting structure for an electrochemical reaction cell stack is subjected to a heat treatment at 900°C for 100 hours in a reducing gas atmosphere containing water vapor, the Cr concentration inside the Ni member located in the vicinity of the joint where the Cr-containing member and the Ni member are joined is 1 atm% or more.
A current collecting structure for an electrochemical reaction cell stack, comprising:
前記接合部を介して前記Ni製部材と前記Cr含有部材とが並ぶ方向を第1の方向としたとき、前記Ni製部材には、前記Ni製部材における前記第1の方向の中心部よりも前記接合部側に、前記中心部よりも気孔率が高い多孔層が存在する、
ことを特徴とする、電気化学反応セルスタック用集電構造体。 The current collecting structure for an electrochemical reaction cell stack according to claim 1,
When a direction in which the Ni member and the Cr-containing member are aligned with each other through the joint is defined as a first direction, the Ni member has a porous layer that is closer to the joint than a center portion of the Ni member in the first direction, and the porous layer has a higher porosity than the center portion.
A current collecting structure for an electrochemical reaction cell stack, comprising:
前記多孔層の前記第1の方向の厚みは、5μm以下である、
ことを特徴とする、電気化学反応セルスタック用集電構造体。 The current collecting structure for an electrochemical reaction cell stack according to claim 2,
The thickness of the porous layer in the first direction is 5 μm or less.
A current collecting structure for an electrochemical reaction cell stack, comprising:
前記Ni製部材は、厚みが30μm以上の箔、または、線径が60μm以上のメッシュにより形成されている、
ことを特徴とする、電気化学反応セルスタック用集電構造体。 The current collecting structure for an electrochemical reaction cell stack according to claim 1,
The Ni member is formed of a foil having a thickness of 30 μm or more, or a mesh having a wire diameter of 60 μm or more.
A current collecting structure for an electrochemical reaction cell stack, comprising:
前記Cr含有部材における前記Ni製部材と接合される表面は、JIS B 0601で定義される十点平均粗さが10μm以下である、
ことを特徴とする、電気化学反応セルスタック用集電構造体。 The current collecting structure for an electrochemical reaction cell stack according to claim 2,
The surface of the Cr-containing member to be joined to the Ni member has a ten-point average roughness of 10 μm or less as defined in JIS B 0601.
A current collecting structure for an electrochemical reaction cell stack, comprising:
ことを特徴とする、電気化学反応セルスタック。 A current collecting structure for an electrochemical reaction cell stack according to claim 1, and a unit cell electrically connected to the current collecting structure for an electrochemical reaction cell stack.
An electrochemical reaction cell stack comprising:
Niから形成されるNi製部材であって、前記Cr含有部材と接合されるNi製部材と、
を備える、電気化学反応セルスタック用集電構造体の製造方法において、
前記Cr含有部材と前記Ni製部材とを、NiがNiOに酸化される酸素分圧以上の酸素分圧下で加圧接合する接合工程を備える、
ことを特徴とする、電気化学反応セルスタック用集電構造体の製造方法。 a Cr-containing member formed from an alloy containing Cr;
a Ni member formed from Ni and joined to the Cr-containing member;
A method for manufacturing a current collecting structure for an electrochemical reaction cell stack, comprising:
a joining step of pressure-joining the Cr-containing member and the Ni-made member under an oxygen partial pressure equal to or higher than the oxygen partial pressure at which Ni is oxidized to NiO,
A method for manufacturing a current collecting structure for an electrochemical reaction cell stack, comprising:
前記接合工程の後、還元性ガス雰囲気下で、前記Cr含有部材と前記Ni製部材とが並ぶ第1の方向に前記Cr含有部材と前記Ni製部材とを加圧しつつ800℃以上の温度で加熱する還元工程を備える、
ことを特徴とする、電気化学反応セルスタック用集電構造体の製造方法。 The method for producing a current collecting structure for an electrochemical reaction cell stack according to claim 7, further comprising:
a reduction step of heating the Cr-containing member and the Ni-made member at a temperature of 800°C or higher while applying pressure to them in a first direction in which the Cr-containing member and the Ni-made member are aligned under a reducing gas atmosphere after the joining step;
A method for manufacturing a current collecting structure for an electrochemical reaction cell stack, comprising:
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