JP2004319290A - Solid electrolyte fuel cell - Google Patents
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Abstract
【課題】空気極の側において集電体とセル間セパレータとの間の接触抵抗が低減されて、安定した出力が維持される固体電解質型燃料電池を提供する。
【解決手段】本燃料電池100は、複数の単セルが金属製のセル間セパレータ211、212(SUS430等の耐熱合金など)を介して積層された構造を備え、各々の単セルは、固体電解質層11(ScSZ等の安定化ジルコニアなど)、固体電解質層の一面に設けられた燃料極12(Ni及びScSZ等)、及び他面に設けられた空気極13(La1−xSrxMnO3等)を有する発電層と、空気極とセル間セパレータとの間に介装された集電体5(インコネル等からなる緻密質体など)とを備え、この集電体5の少なくとも一部が緻密質部であると共に、この緻密質部の少なくとも一部とセル間セパレータとが接合材(銀ろう材等)を介して接触している。
【選択図】 図3Provided is a solid oxide fuel cell in which a contact resistance between a current collector and an inter-cell separator on an air electrode side is reduced and a stable output is maintained.
The fuel cell has a structure in which a plurality of single cells are stacked via metal inter-cell separators 211 and 212 (such as a heat-resistant alloy such as SUS430). The layer 11 (such as stabilized zirconia such as ScSZ), the fuel electrode 12 (Ni and ScSZ) provided on one surface of the solid electrolyte layer, and the air electrode 13 (La 1-x Sr x MnO 3 ) provided on the other surface And the like, and a current collector 5 (a dense body made of Inconel or the like) interposed between the air electrode and the inter-cell separator, and at least a part of the current collector 5 is provided. In addition to the dense portion, at least a part of the dense portion and the intercell separator are in contact with each other via a bonding material (such as a brazing silver material).
[Selection] Figure 3
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体電解質型燃料電池に関する。更に詳しくは、複数の単セルが積層されてなる燃料電池において、各々の単セルにおける空気極とセル間セパレータとの間に介装された集電体と、セル間セパレータとの間の接触抵抗を低減させることにより、長期に渡って安定した出力が維持される固体電解質型燃料電池に関する。
本発明は、各種の構造を備える固体電解質型燃料電池において広く利用することができる。
【0002】
【従来の技術】
平板型の固体電解質型燃料電池(以下、「平板型SOFCスタック」ということもある。)は、複数の単セルがセパレータを介して積層され、形成されている。この平板型SOFCスタックは、1000℃を越える高温で動作させることが多いが、近年、Y等により安定化されたジルコニアなどの固体電解質層をできるだけ薄くして内部抵抗を低減し、900℃以下、特に800℃以下の比較的低温域で動作させる研究が活発化している。この場合、従来から使用されている耐熱性の高いセラミックセパレータに代えて、金属製の安価なセパレータを使用することができ、特に、より安価なステンレス鋼を用いることができれば、大幅にコストを引き下げることができる。
【0003】
このように金属製のセパレータを使用し、各々の単セルの燃料極及び空気極とセパレータとを、それぞれ集電体により電気的に接続した平板型SOFCスタックでは、各々の電極とセパレータとの間の接触抵抗が高いと、出力が低下して大きな問題となる。特に、空気極の側では、常に酸素ガスが存在し、セパレータが酸化され易く、生成する絶縁性の酸化皮膜により接触抵抗が高くなる傾向にある。このような問題に対処するため、優れた導電性を有するAgを用いた集電体が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。また、耐熱合金からなる母材の表面にクロム酸化物層を介して銀メッキ層が形成された導電性に優れるセパレータも知られている(例えば、特許文献2参照。)。
【0004】
【特許文献1】
特開2002−280026号公報
【特許文献2】
特開2002−289215号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献1に記載の集電体、及び特許文献2に記載のセパレータを使用すれば、低温で動作させても出力密度の高い固体電解質型燃料電池とすることができると記載されている。しかし、これらの集電体及びセパレータは非常に高価であり、より安価であって、且つ接触抵抗を十分に低下させることができる接触手段が必要とされている。
本発明は上記の状況に鑑みてなされたものであり、空気極の側において集電体とセル間セパレータとの間の接触抵抗を低減させることにより、安定した出力が維持される固体電解質型燃料電池を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は以下の通りである。
1. 複数の単セルが金属製のセル間セパレータを介して積層された構造を備える固体電解質型燃料電池において、各々の単セルは、固体電解質層、該固体電解質層の一面に設けられた燃料極、及び他面に設けられた空気極を有する発電層と、該セル間セパレータと該空気極との間に介装された集電体とを備え、該集電体の少なくとも一部が緻密質部であると共に、該緻密質部の少なくとも一部と該セル間セパレータとが接合材を介して接触していることを特徴とする固体電解質型燃料電池。
2. 上記集電体の全部が上記緻密質部である上記1.記載の固体電解質型燃料電池。
3. 上記集電体の一部が上記緻密質部であると共に、上記集電体の他の一部が支燃性ガスを通過させ得る多孔質部である上記1.記載の固体電解質型燃料電池。
4. 上記接合材がろう材であり、上記緻密質部と上記セル間セパレータとが接触する面がろう付けされている上記1.乃至3.のいずれか一項に記載の固体電解質型燃料電池。
5. 上記ろう材がAgを主成分とする上記4.記載の固体電解質型燃料電池。
6. 上記集電体が、支燃性ガスを上記空気極に向って通過させ得るように構成されている上記1.乃至5.のいずれか一項に記載の固体電解質型燃料電池。
【0007】
【発明の効果】
本発明の固体電解質型燃料電池では、集電体とセル間セパレータとが接合されて両者の接触抵抗が低減され、長期に渡って安定した出力が維持される。
また、集電体の全部が緻密質部である場合は、この集電体の緻密質部とセル間セパレータとの接触抵抗をより低減させることができる。
また、集電体の一部が緻密質部であると共に、集電体の他の一部が支燃性ガスを通過させ得る多孔質部である場合は、支燃性ガス流路の形状自由度を拡大できるだけでなく、形状によっては集電体強度を向上することもできる。
また、接合材がろう材であり、緻密質部とセル間セパレータとが接触する面がろう付けされている場合は、耐熱サイクル性等が向上され、さらに安定した出力が維持される。
また、ろう材がAgを主成分とする場合は、集電体とセル間セパレータとの接触抵抗をさらに安定して低減させることができる。
さらに、集電体が、支燃性ガスを上記空気極に向って通過させ得るように構成されている場合は、燃料電池運転時に、支燃性ガスと空気極とを好適に接触させることができる。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
本実施形態に係る固体電解質型燃料電池は、複数の単セルが金属製のセル間セパレータを介して積層され、形成されている。この燃料電池において各々の単セルは発電層を備え、それぞれの発電層は、固体電解質層と、この固体電解質層の一面に設けられた燃料極と、他面に設けられた空気極とを有する。更に、各々の発電層の燃料極及び空気極とセル間セパレータとは、それぞれ集電体により電気的に接続されている。また、各々の単セルは、燃料電池の構造にもよるが、燃料ガスの流路と支燃性ガスの流路とを隔離するための隔離セパレータを備え、この隔離セパレータも金属により形成することができる。更に、それぞれの単セル間を電気的に絶縁するため、絶縁性セラミックからなる枠体が、積層方向の所定部分に配設されることもある。
【0009】
上記「セル間セパレータ」は金属からなり、特に、ステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金等の耐熱合金により形成される。尚、セル間セパレータの上面に更に他の単セルが積層されない場合は、蓋部材として機能し、セル間セパレータの下面に更に他の単セルが積層されない場合は底部材として機能する。
更に、平板型SOFCスタックの構造によっては、燃料ガス又は支燃性ガスの流路が形成されたセル間セパレータが用いられることもある。
【0010】
また、上記「固体電解質層」は、Scにより安定化されたジルコニア(ScSZ)等により形成することができる。この固体電解質層は、電池の動作時に燃料極に導入される燃料ガス又は空気極に導入される支燃性ガスのうち一方の少なくとも一部をイオンとして移動させることができるイオン伝導性を有する。どのようなイオンを伝導することができるかは特に限定されないが、イオンとしては、例えば、酸素イオン及び水素イオン等が挙げられる。
上記「燃料極」はNi及びScSZ等により形成することができる。この燃料極は、水素源となる燃料ガスと接触し、平板型SOFCスタックにおける負電極として機能する。
上記「燃料ガス」は、水素源となりうる限り、その成分などは特に問わないが、水素の他に、たとえばメタンやエタンなど炭化水素ガスなどを挙げることができる。さらに、燃料ガス組成は、純ガス,混合ガスを問わない。
上記「空気極」はLa1−xSrxMnO3系複合酸化物等により形成することができる。この空気極は、酸素源となる支燃性ガスと接触し、平板型SOFCスタックにおける正電極として機能する。
上記「支燃性ガス」は、酸素源となり得る限り、その成分等は特に問わないが、例えば、酸素と他の気体との混合ガス等を挙げることができる。
【0011】
上記「集電体」は、少なくとも一部が緻密質部である限りは、その形状、材質等は特に問わない。この集電体は、通常、支燃性ガスを空気極に向って通過(透過も含む。)させ得るように構成されている。また、この集電体は、例えば、その全部が緻密質部であることができる。この場合、図6及び11に示すように、この緻密質部は、支燃性ガスを空気極に向って通過させ得るガス流路を有する。また、この緻密質部の一方の面がセル間セパレータと接触すると共に、他方の面が空気極と接触する。また、集電体は、例えば、その一部が緻密質部であると共に、他の一部が支燃性ガスを通過させ得る多孔質部であることができる。この場合、図8〜10に示すように、この緻密質部及び多孔質部は、互いに積層されていたり、同一平面内に配設されていたりできる。また、この多孔質部としては、例えば、セラミック多孔体、金属からなる発泡体、フェルト、メッシュ等を挙げることができる。また、この多孔質部は、1種の材料のみからなっていてもよく、2種以上の材料からなっていてもよい。
また、この集電体を用いると、空気極側のセル間セパレータの抵抗、集電体の抵抗、及びそれらの接触抵抗からなる総抵抗を、緻密質部を有していない多孔質集電体を用いる場合の総抵抗の50%未満(好ましくは、30%未満)とすることができる。
【0012】
また、集電体は、セル間セパレータと同等以上の耐酸化性を有することが好ましい。この酸化の難易は、集電体を形成する材料からなる試験片を500時間程度燃料電池の運転温度にて熱処理し、その後、試験片の断面を鏡面研磨し、この断面を電子顕微鏡により観察し、酸化被膜の厚さ、及びこの酸化被膜が剥離していないか、剥離している場合は剥離の程度等を確認することで評価することができる。尚、集電体はセル間セパレータより酸化し難いことが特に好ましく、この場合、電流集中によって集電体が発熱したとき、集電体がより酸化し難く、電気特性が悪化し難いため好ましい。
【0013】
また、集電体の少なくとも一部に空気極を構成する元素と同じ元素が含まれていることが好ましい。同じ元素が含まれていることにより、空気極と集電体との間の反応が抑えられ、これらが変質せず、接触抵抗の増加が抑制されて安定した出力が維持される。更に、集電体の少なくとも一部が空気極と同じ組成を有することがより好ましい。同じ元素が含まれていても、組成が異なる場合は、濃度の高い側から低い側へと元素等がマイグレーションすることがあり、変質及び接触抵抗の増加を十分に抑えることができない場合がある。一方、組成が同じであれば、空気極と集電体との間の反応及び元素等のマイグレーションが十分に抑制され、出力をより安定させることができる。
【0014】
上記「緻密質部」は、少なくともその一部が後述の接合材を介してセル間セパレータと接触している限り、その材質、形状等は特に問わない。この緻密質部としては、例えば、セラミック又は金属からなるブロック状体、板状体、異形状体等を挙げることができる。また、この緻密質部は、1種の材料のみからなっていてもよく、2種以上の材料からなっていてもよい。
ここで、緻密質部とは、セル間セパレータと接触する集電体の面を鏡面研磨した場合、気孔率8%以下、好ましくは5%以下、特に好ましくは3%となっており且つ1mm2以上の面積を有する部位を意味する。この気孔率の測定としては、例えば、鏡面研磨した面を電子顕微鏡等で画像を取得し、任意の範囲について画像解析処理装置を用いて、全面積に対する気孔の占める面積を計算させ、これを気孔率とするものを挙げることができる。
【0015】
上記「接合材」は、集電体とセル間セパレータとを密着させ、安定して接触させることができる限り特に限定されない。この接合材としては、例えば、ろう材、導電性材料等を挙げることができる。このろう材としては、特に、平板型SOFCスタックの動作温度を650〜900℃と想定した場合、耐熱性、耐酸化性、耐食性等の観点からAgを主成分とするものが好ましい。また、Agを主成分とし、Pd、Ti等を含有するものがより好ましい。Agを主成分とするとは、ろう材を100質量%とした場合に、Agが50質量%以上であることを意味し、このAgは70〜98質量%、特に90〜98質量%、更には93〜97質量%含有されていることが特に好ましい。Agが70〜98質量%、特に90〜98質量%含有されるろう材であれば、ろう付け時にろう材が十分に流動し、接触抵抗を低下させることができる。更に、酸化され難く、十分な耐久性を有するろう付け部を形成することができる。
【0016】
ろう材を用いて集電体とセル間セパレータとをろう付けする際の温度は特に限定されないが、ろう材の固相点温度以上で、且つ液相点温度を50℃越える温度以下とすることが好ましい。Agの融点は約962℃であるが、ろう材の固相点温度以上の温度でろう付けすれば、Agを含有するろう材成分が融解し、展延性に富むAgが集電体とセル間セパレータとの間に十分に流動し、これらを密着させることができる。また、特にろう材の液相点温度を越える温度でろう付けした場合は、より安定した十分な密着性及び接合強度が維持され、容易に剥離することがない。一方、このろう付けの温度は液相点温度を50℃越えて高い温度とする必要はなく、固相点温度以上、且つ液相点温度を50℃越える温度以下でろう付けすれば、十分な密着性及び接合強度が得られる。
【0017】
ろう付けの際の雰囲気は不活性雰囲気であれば特に限定されず、真空、及びアルゴン、窒素等の不活性ガス雰囲気とすることができる。ろう付けの際の雰囲気は特に真空であることが好ましく、真空雰囲気であれば接合強度を大きく向上させることができる。この真空の程度は10Pa以下、特に1×10−2〜1Paとすることが好ましい。
尚、平板型SOFCスタックでは、集電体とセル間セパレータの他、同様にAgを含有する接合材等により気密にシールする必要のある部分が多くあり、これらの接合操作の際に同時にろう付けすることができる。従って、集電体とセル間セパレータとをろう付けしても、平板型SOFCスタック製造のための操作、工程の増加は僅かである。
【0018】
また、上記導電性材料としては、例えば、燃料電池の運転環境下において化学的に安定しているといった観点から、白金、金、銀、及びパラジウムのうちの少なくとも一種を主成分とするものが好ましい。特に、コスト面、化学的安定性等の観点から、銀を主成分とするものが好ましい。ここで、主成分とするとは、導電性材料を100質量%とした場合に、主成分となる金属の合計が50質量%以上であることを意味し、その主成分は70〜98質量%、特に90〜98質量%、更には93〜97質量%含有されていることが特に好ましい。
また、導電性材料を含有する導電性ペーストを、集電体の緻密質部及びセル間セパレータのうちの少なくとも一方に塗布し、その塗布面を介して集電体の緻密質部とセル間セパレータとを接触させた状態で熱処理すれば、集電体の緻密質部とセル間セパレータとの間に導電性材料を介在させることができる。なお、熱処理の条件は、特に限定されず、材料により異なるためそれぞれに適した熱処理温度、時間、雰囲気等とすることができる。
【0019】
【実施例】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
実験例1〜7及び比較実験例1
下記(1)の試片を使用し、下記(2)のようにしてSUS製角板と集電体▲1▼〜▲5▼又は角板とをろう付けし、図12のような試験体を作製して下記(3)のようにして総抵抗を測定した。
(1)試片
実験例の試片としては、平板型SOFCスタックにおいて、セル間セパレータ等として使用されるSUS430からなる35mm角、厚さ0.3mmのSUS製角板(s1)と、後記の表1に示す材質及び形状を組み合わせてなる集電体▲1▼〜▲5▼(s2)(いずれも外郭形状は、30mm角、厚さ2mm)とを使用した。具体的には、La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3(気孔率3%以下;後記の表1では「LSCF6428」と表記する。)からなる集電体▲1▼〜▲5▼と、インコネル610からなる集電体▲1▼▲5▼とを用意した。
比較実験例の試片としては、実験例の試片と同じ構成のSUS製角板(s1)と、LSCF6428多孔体(気孔率50%)であって形状が30mm角、厚さ2mmの角板(s2)とを使用した。
【0020】
上記集電体▲1▼(s2)は、図6及び7に示すように、上下側に貫通する複数の長孔(ガス流路)(g)が形成された緻密質体である。また、集電体▲2▼(s2)は、図8に示すように、緻密質部(厚さ0.2mm)(m)と、この緻密質部(m)の下面側に積層される多孔質部(気孔率20%、厚さ0.2mm)(n1)と、この多孔質部(n1)の下面側に積層される多孔質部(気孔率40%、厚さ1.6mm)(n2)とを有している。また、集電体▲3▼(s2)は、図9に示すように、緻密質部(m)と多孔質部(n)を交互に配列し、上下側に貫通するガス流路(g)を多孔質部(n)で形成している。また、集電体▲4▼(s2)は、図10に示すように、緻密質部(厚さ0.2mm)(m)と、この緻密質部(m)の下面側に積層される多孔質部(気孔率40%、厚さ1.8mm)(n)とを有している。さらに、集電体▲5▼(s2)は、図11に示すように、下面側に開口する複数の長溝(ガス流路)(g)が形成された緻密質体である。なお、図6〜11において、SUS製角板(s1)及び各集電体▲1▼〜▲5▼(s2)を燃料電池として用いる際の位置関係を明瞭にするため、セル部iを仮想線で示す。
尚、集電体▲1▼〜▲5▼をセラミック材料で作製する場合、例えば、集電体▲1▼▲2▼▲4▼▲5▼は、性質(気孔率等)の異なる、又は、予めガス流路となる部分を打抜いたセラミックシートを積層し焼成して作製することができる。また、集電体▲1▼▲5▼は、プレス成形により一度で成形される成形品を焼成して作製することもできる。また、集電体▲3▼は、押し出し成形法を用い、性質(気孔率等)の異なる材料を交互に配列し成形される成形品を焼成することで作製できる。さらに、集電体▲1▼〜▲5▼を金属材料で作製する場合、例えば、粉末治金法により作製(金属粉末を用いて、上記セラミック材料と同様の作製法をする。)したり、金属ブロックを切削加工により作製したりできる。
【0021】
(2)ろう付け(実験例1〜7及び比較実験例1)
SUS製角板(s1)と、上記集電体▲1▼〜▲5▼又は角板(s2)とを、95質量%のAgと5質量%のPdとからなるろう材を使用してろう付けにて接続した。具体的には、SUS製角板(s1)と、上記集電体▲1▼〜▲5▼または角板(s2)とを、95質量%のAgと5質量%のPdとからなり、30mm角、厚さ50μmのろう材シートを介在させて積層した。この際、各々の中心が同じくなるようにして積層した。その後、真空熱処理炉に導入し、1050℃で30分保持してろう付けし、SUS製角板と上記集電体▲1▼〜▲5▼の緻密質部または角板(s2)とが接合部(c)を介して接合されてなる積層体を形成した。昇降温速度はいずれも500℃/時間とした。
【0022】
(3)総抵抗の評価
外径40mm、長さ500mmのアルミナ管(a)の先端にPt網(p)を被せたものを2本用意し、そのうちの1本をPt網を被せた側を上方として垂直に立て、先端のPt網上に、上述の積層体をSUS製角板(s1)を下にして載せた。その後、積層体上に更に他のアルミナ管をPt網が集電体▲1▼〜▲5▼又は角板(s2)と接触するようにして立設させ、試験体(e)を作製した。次いで、大気圧下、700℃でSUS製角板(s1)側から集電体▲1▼〜▲5▼又は角板(s2)側へと通電し(電流2A)、その際の電圧変化により、SUS製角板(s1)の抵抗、集電体▲1▼〜▲5▼又は角板(s2)の抵抗及びこれらの接触抵抗からなる総抵抗を測定した。結果を表1に示す。
【0023】
【表1】
【0024】
表1の結果によれば、集電体▲1▼〜▲5▼の緻密質部がろう付けされている実験例1〜7の総抵抗は、多孔体である角板がろう付けされている比較実験例1の総抵抗より非常に低いことが分かる。従って、実験例1〜7では、集電体として電気抵抗を小さく抑えると共に、ガス流路を容易に形成することができる有効な手法であることがわかった。また、集電体▲1▼〜▲5▼へのろう材の滲入は見られず、集電体▲1▼〜▲5▼の緻密質部が良好に接合されていた。
【0025】
実施例1(積層された3個の単セルを有し、燃料極を基板とする内部マニホールド型の平板型SOFCスタック)
(1)構造
▲1▼発電層及び各種セパレータ
3個の発電層等が積層された平板型SOFCスタック100の外観を図1に斜視図により示す。また、図2は、図1におけるA−A断面の模式図であり、図3は、図1におけるB−B断面の模式図である。
この平板型SOFCスタック100では、3個の単セルがセル間セパレータ211、212を介して積層されている。各々の単セルが備える発電層は、それぞれNiとScSZとからなり、平面形状が正方形であり、厚さが1000μmの燃料極12を基板としている。この燃料極12の表面にはそれぞれScSZからなり、平面方向の形状、寸法が燃料極12と同じであり、厚さが30μmの固体電解質層11が形成されている。更に、この固体電解質層11の表面にはそれぞれLa1−xSrxMnO3からなり、平面方向の形状が固体電解質層11と同じであり、寸法が固体電解質層11より小さく、厚さが30μmの空気極13が形成されている。
【0026】
上部単セルは、セル間セパレータ211の上面に配設されたニッケルフェルトからなる集電体4、基板となる燃料極12、固体電解質層11、空気極13、インコネルからなる緻密質集電体5及び蓋部材22をこの順に備える。この緻密質集電体5は、上下方向に貫通するガス流路5aが形成されている(図6及び7参照。)。この緻密質集電体5と蓋部材22とは、これらが接触する面の全面において、95質量%のAgと5質量%のPdとからなるろう材によりろう付けされ、ろう付け部6が形成されている。また、上部単セルでは、固体電解質層11の上面が上部単セル用隔離セパレータ23と接合され、この上部単セル用隔離セパレータ23の上面が絶縁性セラミックであるMgO−MgAl2O4焼結体からなる枠体7及び金属製枠体81を介して蓋部材22と接合されている。
【0027】
中間部単セルは、セル間セパレータ212の上面に配設されたニッケルフェルトからなる集電体4、基板となる燃料極12、固体電解質層11、空気極13、及びインコネルからなる緻密質集電体5をこの順に備える。この緻密質集電体5は、上部単セルの場合と同様にして、ガス流路5aが形成されていると共に、セル間セパレータ211の下面とろう付けされ、ろう付け部6が形成されている。また、中間部単セルでは、固体電解質層11の上面が中間単セル用隔離セパレータ24と接合され、この中間単セル用隔離セパレータ24の上面が絶縁性セラミックであるMgO−MgAl2O4焼結体からなる枠体7及び金属製枠体83を介してセル間セパレータ211と接合されている。
【0028】
下部単セルは、底部材26の上面に配設されたニッケルフェルトからなる集電体4、基板となる燃料極12、固体電解質層11、空気極13、及びインコネルからなる緻密質集電体5をこの順に備える。この緻密質集電体5は、上部単セルの場合と同様にして、ガス流路5aが形成されていると共に、セル間セパレータ212の下面とろう付けされ、ろう付け部6が形成されている。また、下部単セルでは、固体電解質層11の上面が下部単セル用隔離セパレータ25と接合され、下部単セル用隔離セパレータ25の上面が枠体7及び金属製枠体85を介してセル間セパレータ212と接合されている。
【0029】
セル間セパレータ211、212、蓋部材22、上部単セル用隔離セパレータ23、中間単セル用隔離セパレータ24、下部単セル用隔離セパレータ25、底部材26、金属製枠体81、82、83、84、85、86は、いずれもSUS430により形成されている。更に、蓋部材22と金属製枠体81、金属製枠体81と枠体7、枠体7と上部単セル用隔離セパレータ23、上部単セル用隔離セパレータ23と金属製枠体82、金属製枠体82とセル間セパレータ211、セル間セパレータ211と金属製枠体83、金属製枠体83と枠体7、枠体7と中間単セル用隔離セパレータ24、中間単セル用隔離セパレータ24と金属製枠体84、金属製枠体84とセル間セパレータ212、セル間セパレータ212と金属製枠体85、金属製枠体85と枠体7、枠体7と下部単セル用隔離セパレータ25、下部単セル用隔離セパレータ25と金属製枠体86、及び金属製枠体86と底部材26、はそれぞれAg、Pd及び少量のTiを含有する接合材により接合され、接合層10が形成されている。
【0030】
▲2▼燃料ガス導入管又は排出管、及び支燃性ガス導入管又は排出管
上部単セルにおいて、上部単セル用隔離セパレータ23とセル間セパレータ211との間に形成された空間には、上部単セルの燃料極12に燃料ガスを導入するための燃料ガス導入管91が開口している(図2参照)。また、この空間の燃料ガス導入管91の開口部と対向する側には、上部単セルの燃料極12から燃料ガスを排出するための燃料ガス排出管92が開口している(図2参照)。更に、蓋部材22と上部単セル用隔離セパレータ23との間に形成された空間には、上部単セルの空気極13に支燃性ガスを導入するための支燃性ガス導入管93が開口している(図3参照)。また、この空間の支燃性ガス導入管93の開口部と対向する側には、上部単セルの空気極13から支燃性ガスを排出するための支燃性ガス排出管94が開口している(図3参照)。さらに、それら支燃性ガス導入管93及び支燃性ガス排出管94が開口する空間は、所定の連絡路(図示せず)を介して緻密質集電体5のガス流路5aと連絡されている。
【0031】
また、中間部単セルにおいて、中間部単セル用隔離セパレータ24とセル間セパレータ212との間に形成された空間には、中間部単セルの燃料極12に燃料ガスを導入するための燃料ガス導入管91が開口している(図2参照)。更に、この空間の燃料ガス導入管91の開口部と対向する側には、中間部単セルの燃料極12から燃料ガスを排出するための燃料ガス排出管92が開口している(図2参照)。また、セル間セパレータ211と中間部単セル用隔離セパレータ24との間に形成された空間には、中間部単セルの空気極13に支燃性ガスを導入するための支燃性ガス導入管93が開口している(図3参照)。更に、この空間の支燃性ガス導入管93の開口部と対向する側には、中間部単セルの空気極13から支燃性ガスを排出するための支燃性ガス排出管94が開口している(図3参照)。さらに、それら支燃性ガス導入管93及び支燃性ガス排出管94が開口する空間は、所定の連絡路(図示せず)を介して緻密質集電体5のガス流路5aと連絡されている。
【0032】
更に、下部単セルにおいて、下部単セル用隔離セパレータ25と底部材26との間に形成された空間には、下部単セルの燃料極12に燃料ガスを導入するための燃料ガス導入管91が開口している(図2参照)。また、この空間の燃料ガス導入管91の開口部と対向する側には、下部単セルの燃料極12から燃料ガスを排出するための燃料ガス排出管92が開口している(図2参照)。更に、セル間セパレータ212と下部単セル用隔離セパレータ25との間に形成された空間には、下部単セルの空気極13に支燃性ガスを導入するための支燃性ガス導入管93が開口している(図3参照)。また、この空間の支燃性ガス導入管93の開口部と対向する側には、下部単セルの空気極13から支燃性ガスを排出するための支燃性ガス排出管94が開口している(図3参照)。さらに、それら支燃性ガス導入管93及び支燃性ガス排出管94が開口する空間は、所定の連絡路(図示せず)を介して緻密質集電体5のガス流路5aと連絡されている。
【0033】
また、上部単セル、中間部単セル及び下部単セルの各々に燃料ガス又は支燃性ガスを導入し、又は排出するためのそれぞれの管は、本管に側管が取り付けられた構造であり、上部単セル、中間部単セル及び下部単セルの各々の発電層に燃料ガス及び支燃性ガスが同時に導入され、且つ排出される。更に、燃料ガス導入管と燃料ガス排出管、及び支燃性ガス導入管と支燃性ガス排出管は、この実施例1の場合は、燃料ガス及び支燃性ガスがそれぞれ対向方向に流通するような位置に取り付けられている。これにより、上部単セル、中間部単セル及び下部単セルのそれぞれの発電層の各々の燃料極と燃料ガス、及び空気極と支燃性ガスをそれぞれ効率よく接触させることができる。
【0034】
(2)燃料電池からの電力の取り出し
この平板型SOFCスタック100では、上部単セルの燃料極12は、ニッケルフェルトからなる集電体4を介してセル間セパレータ211と電気的に接続されている。また、セル間セパレータ211は、インコネルからなる緻密質集電体5を介して中間部単セルの空気極13と電気的に接続されている。更に、中間部単セルの燃料極12は、集電体4を介してセル間セパレータ212と電気的に接続されている。また、セル間セパレータ212は、緻密質集電体5を介して下部単セルの空気極13と電気的に接続されている。このように上部単セル、中間部単セル及び下部単セルは各々直列に接続されている。また、スタックを所定の動作温度に昇温させ、燃料ガス導入管91に水素等の燃料ガスを導入して燃料極12と接触させ、支燃性ガス導入管93に空気等の支燃性ガスを導入して空気極13と接触させることにより、燃料極12と空気極13との間に起電力が生じ、この電力を外部に取り出すことにより発電装置として機能させることができる。
【0035】
電力は、燃料極側においては下部単セルの発電層の下面に配設された集電体4を介して底部材26に取り出され、空気極側においては上部単セルの発電層の上面に配設された緻密質集電体5を介して蓋部材22に取り出され、蓋部材22と底部材26との間でスタック全体の電力を取り出すことができる。この平板型SOFCスタック100では、3個の発電層がそれぞれ燃料極支持型であり、この構造の場合、600℃程度の動作温度でも電流を取り出すことができ、蓋部材、各種セパレータ、金属製枠体及び底部材を、セラミックではなくSUS430等のステンレス鋼により形成することができるものである。
【0036】
(3)燃料ガス及び支燃性ガス
実施例1の固体電解質型燃料電池を用いて発電させる場合、燃料極側には燃料ガスを導入し、空気極側には支燃性ガスを導入する。燃料ガスとしては、水素、水素源となる炭化水素、水素と炭化水素との混合ガス、及びこれらのガスを所定温度の水中を通過させ加湿した燃料ガス、これらのガスに水蒸気を混合させた燃料ガス等が挙げられる。炭化水素は特に限定されず、例えば、天然ガス、ナフサ、石炭ガス化ガス等が挙げられる。更に、メタン、エタン、プロパン、ブタン及びペンタン等の炭素数が1〜10、好ましくは1〜7、より好ましくは1〜4の飽和炭化水素、並びにエチレン及びプロピレン等の不飽和炭化水素を主成分とするものが好ましく、飽和炭化水素を主成分とするものが更に好ましい。これらの燃料ガスは1種のみを用いてもよいし、2種以上を併用することもできる。また、50体積%以下の窒素及びアルゴン等の不活性ガスを含有していてもよい。
【0037】
支燃性ガスとしては、酸素と他の気体との混合ガス等が挙げられる。また、この混合ガスには80体積%以下の窒素及びアルゴン等の不活性ガスが含有されていてもよい。これらの支燃性ガスのうちでは安全であって、且つ安価であるため空気(約80体積%の窒素が含まれている。)が好ましい。
【0038】
実施例2(積層された3個の単セルを有し、燃料極を基板とする内部マニホールド型の平板型SOFCスタック)
尚、本実施例2においては、集電体の構成以外は実施例1と同じ構成であり、その同じ構成部位には同符号を付けて詳細な説明を省略する。
図4及び5に示すように、平板型SOFCスタック200を構成する上部単セルは、セル間セパレータ211の上面に配設されたニッケルフェルトからなる集電体4、基板となる燃料極12、固体電解質層11、空気極13、La0.8Sr0.2MnO3からなる集電体50及び蓋部材22をこの順に備える。この集電体50は、緻密質部50a(気孔率3%)と、この緻密質部50aの下面側に積層される多孔質部50b(気孔率40%)とを有している。この集電体50の緻密質部50aと蓋部材22とは、これらが接触する面の全面において、95質量%のAgと5質量%のPdとからなるろう材によりろう付けされ、ろう付け部6が形成されている。
【0039】
中間部単セルは、セル間セパレータ212の上面に配設されたニッケルフェルトからなる集電体4、基板となる燃料極12、固体電解質層11、空気極13、及びLa0.8Sr0.2MnO3からなる集電体50をこの順に備える。この集電体50は、上部単セルの場合と同様にして、緻密質部50a及び多孔質部50bを積層してなると共に、その緻密質部50aがセル間セパレータ211の下面とろう付けされ、ろう付け部6が形成されている。
【0040】
下部単セルは、底部材26の上面に配設されたニッケルフェルトからなる集電体4、基板となる燃料極12、固体電解質層11、空気極13、及びLa0.8Sr0.2MnO3からなる集電体50をこの順に備える。この集電体50は、上部単セルの場合と同様にして、緻密質部50a及び多孔質部50bを積層してなると共に、その緻密質部50aがセル間セパレータ212の下面とろう付けされ、ろう付け部6が形成されている。
【0041】
また、上部単セル、中間部単セル及び下部単セルの各々は、実施例1と同様にして、電気的に直列に接続されている。そして、スタックを所定の動作温度に昇温させた状態で、燃料ガス導入管91に水素等の燃料ガスを導入すると共に、支燃性ガス導入管93に空気等の支燃性ガスを導入する。すると、燃料ガスが集電体4を透過して燃料極12と接触し、支燃性ガスが集電体50の多孔質部50bを透過して空気極13と接触することにより、燃料極12と空気極13との間に起電力が生じ、この電力を外部に取り出すことにより発電装置として機能させることができる。
【0042】
尚、本発明では上記の実施例に限られず、目的、用途等によって本発明の範囲内において種々変更した実施例とすることができる。例えば、蓋部材、各種セパレータ、底部材を形成するステンレス鋼としては、フェライト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼が挙げられる。フェライト系ステンレス鋼としては、SUS430以外に、SUS434、SUS405等が挙げられる。マルテンサイト系ステンレス鋼としては、SUS403、SUS410、SUS431等が挙げられる。オーステナイト系ステンレス鋼としては、SUS201、SUS301、SUS305等が挙げられる。更に、ニッケル基合金としては、インコネル600、インコネル718、インコロイ802等が挙げられる。クロム基合金としては、Ducrlloy CRF(94Cr5Fe1Y2O3)等が挙げられる。これらの各種の耐熱合金は、それぞれ積層体の用途等によって選択することができる。
【0043】
発電層等の平面形状は、長方形、円形及び楕円形等とすることができ、同様の平面形状を有する固体電解質型燃料電池とすることができる。また、平板型SOFCスタックでは、各種セパレータ等の金属成形体の間は溶接などの方法によっても接合することができる。しかし、実施例の内部マニホールド型のスタックにおけるセパレータの周縁の貫通孔の内部は溶接では接合することができない。この場合、Agを含有する特定の接合材を使用すれば、展延性に優れるAgによって貫通孔の周縁を十分に気密に密着させることができる。
【0044】
更に、固体電解質層の形成に用いる材料はScSZに限定されず、平板型SOFCスタックの使用条件等により適宜選択することができる。この材料としては、例えば、ZrO2系セラミック、LaGaO3系セラミック、BaCeO3系セラミック、SrCeO3系セラミック、SrZrO3系セラミック及びCaZrO3系セラミック等が挙げられる。これらのセラミック系材料のうちでは、ZrO2系セラミックが好ましく、Y及び希土類元素のうちの少なくとも1種により安定化されたZrO2系セラミックが好ましい。こられの安定化ジルコニアもScSZと同様に優れたイオン伝導性及び機械的強度を有する。
尚、この固体電解質層の厚さは電気抵抗と強度とを勘案し、5〜100μm、特に5〜50μm、更には5〜30μmとすることができる。
【0045】
また、燃料極の形成に用いる材料もNi及びScSZに限定されず、平板型SOFCスタックの使用条件等により適宜選択することができる。この材料としては、例えば、Pt、Au、Ag、Cu、Pd、Ir、Ru、Rh、Ni及びFe等の金属が挙げられる。これらの金属は1種のみでもよいし、2種以上の金属の合金でもよい。また、これらの金属及び/又は合金と、Y及び希土類元素のうちの少なくとも1種により安定化されたジルコニア等のジルコニア系セラミック、セリア系セラミック及び酸化マンガン等のセラミックとの混合物(サーメットを含む。)が挙げられる。更に、Ni及びFe等の金属の酸化物と、上記セラミックのうちの少なくとも1種との混合物などが挙げられる。
また、燃料極の平面形状は特に限定されないが、固体電解質層及び空気極と同じ形状であることが好ましい。更に、燃料極と固体電解質層とは各々の全面で積層されていることが好ましい。
【0046】
固体電解質型燃料電池において、各々の単セルが有する発電層は、強度の観点から過度に薄くすることは好ましくないが、発電性能の観点では前記のように固体電解質層を厚くすることは好ましくない。そのため、実施例1のように燃料極支持型とすることができ、この燃料極支持型では、燃料極は固体電解質層の20倍以上の厚さであることが好ましい。20倍未満であると発電層の機械的強度が不十分となる傾向にある。この燃料極の厚さは200〜3000μm、特に500〜2000μmであることが好ましい。200μm未満であると基板として有効に機能せず、3000μmを越えると、体積当たりの発電効率が低下する傾向にある。一方、空気極支持型とすることもでき、この場合は、燃料極の厚さは、10〜50μm、特に20〜40μmであることが好ましい。この厚さが10〜50μmであれば、電極として十分に機能し、50μmを越えて厚くする必要はない。
【0047】
また、空気極の形成に用いる材料はLa1−xSrxMnO3系複合酸化物に限定されず、平板型SOFCスタックの使用条件等により適宜選択することができる。この材料としては、例えば、Pt、Au、Ag、Pd、Ir、Ru及びRh等の金属が挙げられる。これらの金属は1種のみでもよいし、2種以上の金属の合金でもよい。更に、La、Sr、Ce、Co及びMn等の酸化物(例えば、La2O3、SrO、Ce2O3、Co2O3、MnO2及びFeO等)が挙げられる。また、La、Sr、Ce、Co及びMn等のうちの少なくとも1種を含有する各種の複合酸化物(例えば、La1−xSrxCoO3系複合酸化物、La1−xSrxFeO3系複合酸化物、La1−xSrxCo1−yFeyO3系複合酸化物、Pr1−xBaxCoO3系複合酸化物及びSm1−xSrxCoO3系複合酸化物等)が挙げられる。
【0048】
また、この空気極の平面形状は特に限定されないが、固体電解質層及び燃料極と同じ形状であることが好ましい。更に、その平面方向の寸法は、特に、隔離セパレータが固体電解質層の一表面の周縁に接合されない場合等、燃料電池の構造によっては、固体電解質層及び燃料極と同じにすることもできる。これら空気極と固体電解質層とは各々の全面で積層されていることが好ましい。
【0049】
空気極は、発電層の強度を支持する基板として形成することもできる。空気極支持型である場合は、空気極の厚さは固体電解質層の20倍以上の厚さであることが好ましい。20倍未満であると発電層の機械的強度が不十分となる傾向にある。この空気極の厚さは200〜3000μm、特に500〜2000μmであることが好ましい。200μm未満であると基板として有効に機能せず、3000μmを越えると、体積当たりの発電効率が低下する傾向にある。一方、燃料極支持型である場合は、空気極の厚さは10〜100μm、特に20〜50μmであることが好ましい。10μm未満であると電極として十分に機能しないことがあり、100μmを越えると固体電解質層から剥離することがある。
【0050】
ろう材には、Cuが含有されていてもよい。Cuが含有されている場合のAg、Pd及びCuの各々の含有量は特に限定されないが、Ag、Pd及びCuの合計を100質量%とした場合に、Agの含有量は45〜65質量%、特に50〜60質量%、Pdの含有量は15〜35質量%、特に20〜30質量%、Cuの含有量は10〜30質量%、特に15〜25質量%であることが好ましい。Cuが含有されている場合、含有されていないろう材に比べてより多量のPdを含有していても、十分な流動性を有し、優れた密着性が維持される。一方、AgとCuの合計が65質量%未満、即ち、Pdの含有量が35質量%を越えると、流動性が低下し、密着性が不十分になる傾向にある。
【0051】
ろう材にTiが含有されていることにより、接合温度が比較的低い場合でも、特に大きな接合強度が得られる。このTiの含有量は、Ag、Pd及びTiの合計を100質量%とした場合に、又はCuが含有されているときは、Ag、Pd、Cu及びTiの合計を100質量%とした場合に、0.05〜10質量%であることが好ましく、特に0.05〜8質量%、更には0.05〜6質量%であることがより好ましい。Tiの含有量が0.05〜10質量%であれば、ろう付けの雰囲気が真空ではなく、アルゴン等の不活性雰囲気であっても、実用上、十分な強度を有するろう付け部を形成することができる。また、ろう付けの雰囲気が真空である場合は、Tiの含有量は、0.05〜20質量%、特に0.05〜15質量%とすることもでき、更に、Tiの含有量が0.08〜10質量%であれば、接合強度が大きく向上する。
【0052】
ろう材には、接合強度及び密着性等が低下しない範囲で更に他の成分が含有されていてもよい。この他の成分としてはSn、In、Ni、Nb等が挙げられる。これらの他の成分は、AgとPdとの合計、更にCuを含有する場合はAg、Pd及びCuの合計、更にTiを含有する場合はAg、Pd及びTiの合計、又はAg、Pd、Cu及びTiの合計を100質量部とした場合に、10質量部以下、特に0.1〜10質量部、更には0.5〜5質量部含有させることができる。
【0053】
また、上記実施例では、空気極側においてセル間セパレータと集電体とをろう付けにより接合するようにしたが、これに限定されず、例えば、導電性材料を含有する導電性ペーストをセル間セパレータ及び集電体のうちの少なくとも一方に塗布し、その塗布面を介して両者を接触させた状態で熱処理することによって、空気極側のセル間セパレータと集電体とを接合するようにしてもよい。
【0054】
また、上記実施例2では、緻密質部と多孔質部とを積層して集電体を構成したが、これに限定されず、例えば、図8に示すように、緻密質部と、気孔率の異なる複数層の多孔質部とを積層して集電体を構成してもよい。この場合、集電体を構成する緻密質部とセル間セパレータとがろう付けされることとなる。また、図9に示すように、同一平面内に緻密質部と多孔質部とを交互に配設して集電体を構成してもよい。この場合、集電体を構成する緻密質部及び多孔質部の一方の面とセル間セパレータとがろう付けされると共に、緻密質部及び多孔質部の他方の面と空気極とが接触することとなる。ここで、セル間セパレータと集電体の多孔質部との界面に接合材が導入されていても、燃料電池としての性能に悪影響を与えない。また、多孔質部の上下面側に緻密質部を積層して集電体を構成してもよい。この場合、空気極側の緻密質部にはガス流路が形成される。さらに、上記実施例1では、緻密質集電体5のガス流路を上下に開口するようにしたが、これに限定されず、例えば、図11に示すように、ガス流路は、少なくとも空気極側に開口していればよい。
【0055】
また、セル間セパレータと燃料極との間に介装される集電体としては、ニッケルフェルトに限られず前記の空気極の場合と同様の形状のものを用いることができる。この燃料極側の集電体はセル間セパレータとの接触面において空気極側と同様にしてろう付けされていてもよいが、燃料極側ではセル間セパレータは酸化され難いため、ろう付けされていなくてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1の燃料電池の外観を示す斜視図である。
【図2】図1の燃料電池のA−A断面を示す模式図である。
【図3】図1の燃料電池のB−B断面を示す模式図である。
【図4】実施例2の燃料電池の縦断面を示し、図1のA−A断面に相当する模式図である。
【図5】実施例2の燃料電池の縦断面を示し、図1のB−B断面に相当する模式図である。
【図6】実験例で使用した集電体▲1▼を模式的に示す説明図である。
【図7】図6のVII−VII線断面図である。
【図8】実験例で使用した集電体▲2▼を模式的に示す説明図である。
【図9】実験例で使用した集電体▲3▼を模式的に示す説明図である。
【図10】実験例で使用した集電体▲4▼を模式的に示す説明図である。
【図11】実験例で使用した集電体▲5▼を模式的に示す説明図である。
【図12】総抵抗の評価に用いた試験体を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
100,200;平板型SOFCスタック、11;固体電解質層、12;燃料極、13;空気極、211、212;セル間セパレータ、22;蓋部材、23;上部単セル用隔離セパレータ、231、232;貫通孔、24;中間単セル用隔離セパレータ、25;下部単セル用隔離セパレータ、26;底部材、251、252;貫通孔、31;燃料ガスの流路、32;支燃性ガスの流路、4;ニッケルフェルトからなる集電体、5;緻密質集電体、5a;ガス流路、50;集電体、50a;緻密質部、50b;多孔質部、6;ろう付け部、7;枠体、81、82、83、84、85、86;金属製枠体、91;燃料ガス導入管、92;燃料ガス排気管、93;支燃性ガス導入管、94;支燃性ガス排気管、10;接合層。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a solid oxide fuel cell. More specifically, in a fuel cell in which a plurality of single cells are stacked, the contact resistance between a current collector interposed between an air electrode and an inter-cell separator in each single cell and the inter-cell separator The present invention relates to a solid oxide fuel cell capable of maintaining a stable output for a long time by reducing the fuel cell.
INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be widely used in solid oxide fuel cells having various structures.
[0002]
[Prior art]
A flat solid electrolyte fuel cell (hereinafter, also referred to as a “flat SOFC stack”) is formed by stacking a plurality of single cells with a separator interposed therebetween. This flat type SOFC stack is often operated at a high temperature exceeding 1000 ° C., but in recent years, the internal resistance has been reduced by making the solid electrolyte layer such as zirconia stabilized by Y or the like as thin as possible. In particular, research for operating in a relatively low temperature range of 800 ° C. or less has been activated. In this case, an inexpensive metal separator can be used in place of the conventionally used heat-resistant ceramic separator. In particular, if a cheaper stainless steel can be used, the cost can be significantly reduced. be able to.
[0003]
In such a flat-plate SOFC stack in which a metal separator is used and the fuel electrode and the air electrode of each single cell are electrically connected to the separator by a current collector, the distance between each electrode and the separator is increased. If the contact resistance is high, the output will decrease, causing a serious problem. In particular, on the air electrode side, oxygen gas is always present, the separator is easily oxidized, and the generated insulating oxide film tends to increase the contact resistance. In order to cope with such a problem, a current collector using Ag having excellent conductivity has been proposed (for example, see Patent Document 1). Further, a separator having excellent conductivity in which a silver plating layer is formed on a surface of a base material made of a heat-resistant alloy via a chromium oxide layer is also known (for example, see Patent Document 2).
[0004]
[Patent Document 1]
JP 2002-280026 A
[Patent Document 2]
JP 2002-289215 A
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
It is described that if the current collector described in
The present invention has been made in view of the above circumstances, and a solid electrolyte fuel in which a stable output is maintained by reducing the contact resistance between the current collector and the inter-cell separator on the air electrode side. It is intended to provide a battery.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is as follows.
1. In a solid oxide fuel cell having a structure in which a plurality of single cells are stacked via a metal inter-cell separator, each single cell is a solid electrolyte layer, a fuel electrode provided on one surface of the solid electrolyte layer, And a power generation layer having an air electrode provided on the other surface, and a current collector interposed between the inter-cell separator and the air electrode, at least a part of the current collector has a dense portion. And a solid oxide fuel cell, wherein at least a part of the dense portion and the inter-cell separator are in contact with each other via a bonding material.
2. The above-mentioned 1., wherein the entire current collector is the dense portion. The solid oxide fuel cell according to the above.
3. A part of the current collector is the dense part, and another part of the current collector is a porous part capable of passing a supporting gas. The solid oxide fuel cell according to the above.
4. The joining material is a brazing material, and a surface where the dense portion and the inter-cell separator are in contact with each other is brazed. To 3. The solid oxide fuel cell according to any one of the above.
5. 3. The brazing material as described above, wherein the brazing material is mainly composed of Ag. The solid oxide fuel cell according to the above.
6). The above-described 1., wherein the current collector is configured to allow the supporting gas to pass toward the air electrode. To 5. The solid oxide fuel cell according to any one of the above.
[0007]
【The invention's effect】
In the solid oxide fuel cell of the present invention, the current collector and the inter-cell separator are joined to each other to reduce the contact resistance between them, and to maintain a stable output for a long time.
In addition, when the entire current collector is a dense portion, the contact resistance between the dense portion of the current collector and the separator between cells can be further reduced.
In addition, when a part of the current collector is a dense part and another part of the current collector is a porous part capable of passing the supporting gas, the shape of the supporting gas passage is free. In addition to increasing the degree, the current collector strength can be improved depending on the shape.
When the joining material is a brazing material and the surface where the dense portion and the intercell separator contact each other is brazed, the heat cycle resistance and the like are improved, and a more stable output is maintained.
When the brazing material is mainly composed of Ag, the contact resistance between the current collector and the intercell separator can be more stably reduced.
Further, when the current collector is configured to allow the supporting gas to pass toward the air electrode, it is possible to preferably bring the supporting gas into contact with the air electrode during the operation of the fuel cell. it can.
[0008]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The solid oxide fuel cell according to the present embodiment is formed by stacking a plurality of single cells via a metal intercell separator. In this fuel cell, each single cell has a power generation layer, and each power generation layer has a solid electrolyte layer, a fuel electrode provided on one surface of the solid electrolyte layer, and an air electrode provided on the other surface. . Further, the fuel electrode and the air electrode of each power generation layer and the inter-cell separator are electrically connected to each other by a current collector. In addition, each unit cell has an isolation separator for isolating the fuel gas flow path and the supporting gas flow path, depending on the structure of the fuel cell, and this isolation separator is also formed of metal. Can be. Further, in order to electrically insulate each single cell, a frame made of insulating ceramic may be provided at a predetermined portion in the stacking direction.
[0009]
The “inter-cell separator” is made of a metal, and is particularly formed of a heat-resistant alloy such as stainless steel, a nickel-based alloy, and a chromium-based alloy. In addition, when another single cell is not laminated on the upper surface of the inter-cell separator, it functions as a lid member, and when another single cell is not laminated on the lower surface of the inter-cell separator, it functions as a bottom member.
Furthermore, depending on the structure of the flat-plate type SOFC stack, an inter-cell separator having a flow path for a fuel gas or a supporting gas may be used.
[0010]
Further, the “solid electrolyte layer” can be formed of zirconia stabilized by Sc (ScSZ) or the like. The solid electrolyte layer has an ion conductivity capable of moving at least a part of one of a fuel gas introduced into the fuel electrode and a supporting gas introduced into the air electrode during operation of the battery as ions. The type of ions that can be conducted is not particularly limited, and examples of the ions include oxygen ions and hydrogen ions.
The “fuel electrode” can be formed of Ni, ScSZ, or the like. The fuel electrode contacts a fuel gas serving as a hydrogen source and functions as a negative electrode in the flat-plate SOFC stack.
The "fuel gas" is not particularly limited as long as it can serve as a hydrogen source, but may be, for example, hydrocarbon gas such as methane or ethane in addition to hydrogen. Further, the fuel gas composition may be either pure gas or mixed gas.
The above “air electrode” is La 1-x Sr x MnO 3 It can be formed of a composite oxide or the like. The air electrode comes in contact with a supporting gas serving as an oxygen source, and functions as a positive electrode in the flat-plate SOFC stack.
The component of the “combustible gas” is not particularly limited as long as it can serve as an oxygen source, and examples thereof include a mixed gas of oxygen and another gas.
[0011]
The shape, material, and the like of the “current collector” are not particularly limited as long as at least a part of the current collector is a dense portion. The current collector is generally configured to allow the combustion supporting gas to pass (including permeation) toward the air electrode. Further, the current collector may be, for example, a dense portion entirely. In this case, as shown in FIGS. 6 and 11, the dense portion has a gas flow path through which the combustible gas can pass toward the air electrode. In addition, one surface of the dense portion contacts the inter-cell separator, and the other surface contacts the air electrode. In addition, the current collector may be, for example, a porous part capable of passing a combustible gas while part of the current collector is a dense part. In this case, as shown in FIGS. 8 to 10, the dense portion and the porous portion can be stacked on each other or disposed on the same plane. Examples of the porous portion include a ceramic porous body, a metal foam, a felt, a mesh, and the like. Further, this porous portion may be made of only one kind of material, or may be made of two or more kinds of materials.
In addition, when this current collector is used, the resistance of the separator between the cells on the air electrode side, the resistance of the current collector, and the total resistance including the contact resistance thereof are reduced by a porous current collector having no dense portion. Can be less than 50% (preferably, less than 30%) of the total resistance when using.
[0012]
The current collector preferably has oxidation resistance equal to or higher than that of the inter-cell separator. This oxidation is difficult because a test piece made of a material forming a current collector is heat-treated at the operating temperature of the fuel cell for about 500 hours, and then the cross section of the test piece is mirror-polished, and this cross section is observed with an electron microscope. The thickness can be evaluated by checking the thickness of the oxide film, and whether or not the oxide film has peeled off, or if the oxide film has peeled off, the degree of peeling. It is particularly preferable that the current collector is less likely to be oxidized than the inter-cell separator. In this case, when the current collector generates heat due to current concentration, the current collector is more difficult to be oxidized, and the electrical characteristics are less likely to deteriorate.
[0013]
Further, it is preferable that at least a part of the current collector contains the same element as the element constituting the air electrode. By containing the same element, the reaction between the air electrode and the current collector is suppressed, these are not deteriorated, the increase in contact resistance is suppressed, and a stable output is maintained. More preferably, at least a part of the current collector has the same composition as the air electrode. Even when the same element is contained, if the composition is different, the element or the like may migrate from the higher concentration side to the lower concentration side, and the deterioration and the increase in the contact resistance may not be sufficiently suppressed. On the other hand, if the composition is the same, the reaction between the air electrode and the current collector and the migration of elements and the like are sufficiently suppressed, and the output can be further stabilized.
[0014]
The material, shape, and the like of the “dense portion” are not particularly limited as long as at least a part thereof is in contact with the inter-cell separator via a bonding material described below. As the dense portion, for example, a block-shaped body, a plate-shaped body, a deformed body made of ceramic or metal, and the like can be given. Further, the dense portion may be made of only one kind of material, or may be made of two or more kinds of materials.
Here, the dense portion refers to a porosity of 8% or less, preferably 5% or less, particularly preferably 3% or less, and 1 mm when the surface of the current collector in contact with the intercell separator is mirror-polished. 2 It means a part having the above area. As the measurement of the porosity, for example, an image of a mirror-polished surface is obtained by an electron microscope or the like, and an image analysis processing device is used for an arbitrary range, and the area occupied by the pores with respect to the entire area is calculated. The rate can be listed.
[0015]
The “joining material” is not particularly limited as long as the current collector and the inter-cell separator can be stuck and stably contacted. Examples of the joining material include a brazing material, a conductive material, and the like. As the brazing material, a material containing Ag as a main component is preferable from the viewpoint of heat resistance, oxidation resistance, corrosion resistance, and the like, particularly when the operating temperature of the flat SOFC stack is assumed to be 650 to 900 ° C. Further, those containing Ag as a main component and containing Pd, Ti and the like are more preferable. Ag as a main component means that Ag is 50% by mass or more when the brazing material is 100% by mass, and this Ag is 70 to 98% by mass, particularly 90 to 98% by mass, and more preferably 90 to 98% by mass. It is particularly preferred that the content is 93 to 97% by mass. If the brazing material contains 70 to 98% by mass, particularly 90 to 98% by mass of Ag, the brazing material sufficiently flows at the time of brazing, and the contact resistance can be reduced. Further, a brazed portion which is not easily oxidized and has sufficient durability can be formed.
[0016]
The temperature at which the current collector and the inter-cell separator are brazed using the brazing material is not particularly limited, but the temperature should be equal to or higher than the solidus point temperature of the brazing material and equal to or lower than the liquidus point temperature exceeding 50 ° C. Is preferred. Although the melting point of Ag is about 962 ° C., if brazing is performed at a temperature equal to or higher than the solidus point temperature of the brazing material, the Ag-containing brazing material is melted, and the Ag, which is highly extensible, is formed between the current collector and the cell. It flows sufficiently between the separator and the separator, and these can be adhered to each other. In particular, when brazing is performed at a temperature exceeding the liquidus temperature of the brazing material, more stable and sufficient adhesion and bonding strength are maintained, and there is no easy peeling. On the other hand, the brazing temperature does not need to be higher than the liquidus point temperature by more than 50 ° C., and it is sufficient if brazing is performed at a temperature higher than the solidus point temperature and lower than the liquidus point temperature higher than 50 ° C. Adhesion and bonding strength can be obtained.
[0017]
The atmosphere at the time of brazing is not particularly limited as long as it is an inert atmosphere. Vacuum and an inert gas atmosphere such as argon and nitrogen can be used. The atmosphere at the time of brazing is particularly preferably a vacuum, and if it is a vacuum atmosphere, the bonding strength can be greatly improved. The degree of this vacuum is 10 Pa or less, especially 1 × 10 -2 It is preferably set to 1 Pa.
In the flat type SOFC stack, in addition to the current collector and the separator between the cells, there are also many parts that need to be hermetically sealed with a bonding material containing Ag and the like. can do. Therefore, even if the current collector and the inter-cell separator are brazed, the number of operations and steps for manufacturing a flat SOFC stack is small.
[0018]
In addition, as the conductive material, for example, a material containing at least one of platinum, gold, silver, and palladium as a main component is preferable from the viewpoint of being chemically stable under the operating environment of a fuel cell. . Particularly, those containing silver as a main component are preferable from the viewpoint of cost, chemical stability and the like. Here, the term “main component” means that, when the conductive material is 100% by mass, the total of the metal as the main component is 50% by mass or more, and the main component is 70 to 98% by mass. In particular, it is particularly preferred that the content is 90 to 98% by mass, more preferably 93 to 97% by mass.
Further, a conductive paste containing a conductive material is applied to at least one of the dense portion of the current collector and the inter-cell separator, and the dense portion of the current collector and the inter-cell separator are applied through the applied surface. If the heat treatment is performed in a state where the conductive material is in contact with the conductive material, a conductive material can be interposed between the dense portion of the current collector and the inter-cell separator. Note that the conditions of the heat treatment are not particularly limited, and vary depending on the material, so that a suitable heat treatment temperature, time, atmosphere, and the like can be used.
[0019]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described specifically by way of examples.
Experimental Examples 1 to 7 and Comparative Experimental Example 1
Using the test piece of (1) below, the SUS square plate and the current collectors (1) to (5) or the square plate were brazed as in (2) below, and the test piece as shown in FIG. Was prepared, and the total resistance was measured as described in (3) below.
(1) Specimen
As a test piece of an experimental example, in a flat-plate SOFC stack, a 35 mm square, 0.3 mm thick SUS square plate (s1) made of SUS430 used as an inter-cell separator or the like, and a material shown in Table 1 below And current collectors (1) to (5) (s2) (in all cases, the outer shape is 30 mm square and 2 mm thick). Specifically, La 0.6 Sr 0.4 Co 0.2 Fe 0.8 O 3 (A porosity of 3% or less; described in Table 1 below as "LSCF6428".) A current collector (1) to (5) composed of Inconel 610 and a current collector (1) and (5) composed of Inconel 610 are prepared. did.
As the test piece of the comparative example, a SUS square plate (s1) having the same structure as the test example and a LSCF6428 porous body (porosity of 50%) having a shape of 30 mm square and 2 mm thick were used. (S2) was used.
[0020]
The current collector {circle around (1)} (s2) is a dense body in which a plurality of long holes (gas flow paths) (g) penetrating vertically are formed as shown in FIGS. As shown in FIG. 8, the current collector {circle around (2)} (s2) has a dense portion (thickness: 0.2 mm) (m) and a porous layer laminated on the lower surface side of the dense portion (m). Porous portion (
When the current collectors (1) to (5) are made of a ceramic material, for example, the current collectors (1), (2), (4), and (5) have different properties (porosity, etc.) or It can be manufactured by laminating and firing ceramic sheets in which a portion to be a gas passage is punched in advance. In addition, the current collectors (1) and (5) can be produced by firing a molded article formed at a time by press molding. In addition, the current collector (3) can be manufactured by extruding a molded product by alternately arranging materials having different properties (porosity and the like) by using an extrusion molding method. Further, in the case where the current collectors (1) to (5) are made of a metal material, for example, the current collectors are made by a powder metallurgy method (the same manufacturing method as that of the ceramic material is made by using a metal powder), or the like. A metal block can be produced by cutting.
[0021]
(2) Brazing (Experimental Examples 1 to 7 and Comparative Experimental Example 1)
The SUS square plate (s1) and the current collectors (1) to (5) or the square plate (s2) may be made of a brazing material composed of 95% by mass of Ag and 5% by mass of Pd. Connected. Specifically, the SUS square plate (s1) and the current collectors (1) to (5) or the square plate (s2) were composed of 95% by mass of Ag and 5% by mass of Pd, Lamination was performed with a brazing material sheet having a corner and a thickness of 50 μm. At this time, the layers were laminated such that their centers were the same. After that, it is introduced into a vacuum heat treatment furnace, brazed by holding at 1050 ° C. for 30 minutes, and the SUS square plate and the dense portion or square plate (s2) of the current collectors (1) to (5) are joined. A laminated body joined through the portion (c) was formed. The rate of temperature rise and fall was 500 ° C./hour in each case.
[0022]
(3) Evaluation of total resistance
Two alumina tubes (a) having an outer diameter of 40 mm and a length of 500 mm were prepared by covering two ends with a Pt net (p), and one of them was set up vertically with the side covered with the Pt net upward. The above-described laminate was placed on the Pt net of No. 1 with the SUS square plate (s1) facing down. Thereafter, another alumina tube was erected on the laminate such that the Pt net was in contact with the current collectors (1) to (5) or the square plate (s2), thereby producing a test body (e). Then, at 700 ° C. under atmospheric pressure, a current is applied from the SUS square plate (s1) side to the current collectors (1) to (5) or the square plate (s2) side (current 2A). The resistance of the SUS square plate (s1), the resistance of the current collectors (1) to (5) or the square plate (s2), and the total resistance consisting of these contact resistances were measured. The results are shown in Table 1.
[0023]
[Table 1]
[0024]
According to the results shown in Table 1, the total resistance of Experimental Examples 1 to 7 in which the dense portions of the current collectors (1) to (5) were brazed was that the square plate that was a porous body was brazed. It can be seen that the total resistance is much lower than that of Comparative Example 1. Therefore, in Experimental Examples 1 to 7, it was found that the current collector was an effective technique capable of suppressing the electric resistance as a current collector and easily forming a gas flow path. No penetration of the brazing material into the current collectors (1) to (5) was observed, and the dense portions of the current collectors (1) to (5) were well joined.
[0025]
Example 1 (Internal manifold type flat plate SOFC stack having three unit cells stacked and using a fuel electrode as a substrate)
(1) Structure
(1) Power generation layer and various separators
FIG. 1 is a perspective view showing the appearance of a
In this flat
[0026]
The upper single cell includes a
[0027]
The intermediate unit cell includes a
[0028]
The lower single cell includes a
[0029]
[0030]
(2) Fuel gas introduction pipe or discharge pipe, and flammable gas introduction pipe or discharge pipe
In the upper unit cell, a fuel
[0031]
In the intermediate unit cell, a fuel gas for introducing fuel gas into the
[0032]
Further, in the lower unit cell, a fuel
[0033]
In addition, each pipe for introducing or discharging the fuel gas or the supporting gas to each of the upper unit cell, the intermediate unit cell and the lower unit cell has a structure in which a side pipe is attached to the main pipe. The fuel gas and the supporting gas are simultaneously introduced into and discharged from the power generation layers of the upper unit cell, the middle unit cell and the lower unit cell. Further, in the case of the first embodiment, the fuel gas introduction pipe and the fuel gas exhaust pipe, and the fuel gas introduction pipe and the combustion supporting gas exhaust pipe, the fuel gas and the combustion supporting gas respectively flow in opposite directions. It is mounted in such a position. Thus, the fuel electrode and the fuel gas, and the air electrode and the supporting gas of each of the power generation layers of the upper unit cell, the intermediate unit cell, and the lower unit cell can be efficiently contacted.
[0034]
(2) Extraction of electric power from fuel cell
In the flat
[0035]
Electric power is extracted to the
[0036]
(3) Fuel gas and supporting gas
When power is generated using the solid oxide fuel cell of the first embodiment, a fuel gas is introduced into the fuel electrode side, and a supporting gas is introduced into the air electrode side. Examples of the fuel gas include hydrogen, a hydrocarbon serving as a hydrogen source, a mixed gas of hydrogen and a hydrocarbon, a fuel gas humidified by passing these gases through water at a predetermined temperature, and a fuel obtained by mixing steam with these gases. Gas and the like. The hydrocarbon is not particularly limited, and examples thereof include natural gas, naphtha, and coal gasification gas. Furthermore, methane, ethane, propane, butane, pentane and the like have 1 to 10, preferably 1 to 7, more preferably 1 to 4 saturated hydrocarbons, and unsaturated hydrocarbons such as ethylene and propylene as main components. Are preferable, and those containing a saturated hydrocarbon as a main component are more preferable. One of these fuel gases may be used alone, or two or more thereof may be used in combination. Further, it may contain 50% by volume or less of an inert gas such as nitrogen and argon.
[0037]
Examples of the supporting gas include a mixed gas of oxygen and another gas. The mixed gas may contain 80% by volume or less of an inert gas such as nitrogen and argon. Of these combustible gases, air (containing about 80% by volume of nitrogen) is preferred because it is safe and inexpensive.
[0038]
Example 2 (internal manifold type flat plate SOFC stack having three unit cells stacked and using a fuel electrode as a substrate)
Note that the second embodiment has the same configuration as the first embodiment except for the configuration of the current collector, and the same components are denoted by the same reference numerals and detailed description thereof will be omitted.
As shown in FIGS. 4 and 5, the upper single cell constituting the
[0039]
The intermediate unit cell includes a
[0040]
The lower single cell includes a
[0041]
Each of the upper unit cell, the intermediate unit unit cell, and the lower unit cell is electrically connected in series similarly to the first embodiment. Then, while the stack is heated to a predetermined operating temperature, a fuel gas such as hydrogen is introduced into the fuel
[0042]
It should be noted that the present invention is not limited to the above embodiment, but may be variously modified within the scope of the present invention depending on the purpose, application, and the like. For example, examples of the stainless steel forming the lid member, various separators, and the bottom member include ferritic stainless steel, martensitic stainless steel, and austenitic stainless steel. Examples of the ferritic stainless steel include SUS434 and SUS405 in addition to SUS430. Examples of the martensitic stainless steel include SUS403, SUS410, and SUS431. Examples of the austenitic stainless steel include SUS201, SUS301, and SUS305. Further, examples of the nickel-based alloy include Inconel 600, Inconel 718, Incoloy 802, and the like. As a chromium-based alloy, Ducrroy CRF (94Cr5Fe1Y 2 O 3 ) And the like. These various heat-resistant alloys can be selected depending on the use of the laminate and the like.
[0043]
The planar shape of the power generation layer or the like can be rectangular, circular, elliptical, or the like, and a solid oxide fuel cell having a similar planar shape can be obtained. In the case of a flat-plate SOFC stack, metal moldings such as various separators can be joined by a method such as welding. However, the inside of the through hole at the peripheral edge of the separator in the internal manifold type stack of the embodiment cannot be joined by welding. In this case, if a specific bonding material containing Ag is used, the periphery of the through hole can be sufficiently airtightly adhered by Ag having excellent spreadability.
[0044]
Further, the material used for forming the solid electrolyte layer is not limited to ScSZ, and can be appropriately selected depending on the use conditions of the flat SOFC stack. As this material, for example, ZrO 2 Ceramic, LaGaO 3 Ceramic, BaCeO 3 Ceramic, SrCeO 3 Ceramic, SrZrO 3 Ceramic and CaZrO 3 Series ceramics and the like. Among these ceramic materials, ZrO 2 ZrO stabilized with at least one of Y and rare earth elements 2 Base ceramics are preferred. These stabilized zirconia also have excellent ionic conductivity and mechanical strength similarly to ScSZ.
The thickness of the solid electrolyte layer can be 5 to 100 μm, particularly 5 to 50 μm, and more preferably 5 to 30 μm in consideration of electric resistance and strength.
[0045]
Further, the material used for forming the fuel electrode is not limited to Ni and ScSZ, and can be appropriately selected depending on the conditions of use of the flat-plate type SOFC stack. Examples of the material include metals such as Pt, Au, Ag, Cu, Pd, Ir, Ru, Rh, Ni, and Fe. These metals may be only one kind or an alloy of two or more kinds of metals. Further, a mixture (including cermet) of these metals and / or alloys and zirconia-based ceramics such as zirconia stabilized with at least one of Y and rare earth elements, and ceramics such as ceria-based ceramics and manganese oxide. ). Further, a mixture of an oxide of a metal such as Ni and Fe with at least one of the above-mentioned ceramics may be used.
The planar shape of the fuel electrode is not particularly limited, but is preferably the same shape as the solid electrolyte layer and the air electrode. Further, it is preferable that the fuel electrode and the solid electrolyte layer are laminated on the entire surface of each.
[0046]
In the solid oxide fuel cell, the power generation layer of each single cell is not preferably excessively thin from the viewpoint of strength, but it is not preferable to increase the thickness of the solid electrolyte layer as described above from the viewpoint of power generation performance. . Therefore, the anode support type can be used as in the first embodiment. In this anode support type, the anode is preferably 20 times or more the thickness of the solid electrolyte layer. If it is less than 20 times, the mechanical strength of the power generation layer tends to be insufficient. The thickness of this fuel electrode is preferably 200 to 3000 μm, particularly preferably 500 to 2000 μm. If it is less than 200 μm, it does not function effectively as a substrate, and if it exceeds 3000 μm, the power generation efficiency per volume tends to decrease. On the other hand, it is also possible to use an air electrode support type. In this case, the thickness of the fuel electrode is preferably 10 to 50 μm, particularly preferably 20 to 40 μm. If this thickness is 10 to 50 μm, it functions sufficiently as an electrode and does not need to be thicker than 50 μm.
[0047]
The material used for forming the air electrode is La 1-x Sr x MnO 3 The type of the composite oxide is not limited, and can be appropriately selected depending on the conditions of use of the flat SOFC stack. Examples of the material include metals such as Pt, Au, Ag, Pd, Ir, Ru, and Rh. These metals may be only one kind or an alloy of two or more kinds of metals. Further, oxides such as La, Sr, Ce, Co, and Mn (for example, La 2 O 3 , SrO, Ce 2 O 3 , Co 2 O 3 , MnO 2 And FeO). In addition, various composite oxides containing at least one of La, Sr, Ce, Co, Mn, and the like (for example, La 1-x Sr x CoO 3 Composite oxide, La 1-x Sr x FeO 3 Composite oxide, La 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3 Based composite oxide, Pr 1-x Ba x CoO 3 -Based composite oxide and Sm 1-x Sr x CoO 3 System composite oxide).
[0048]
The planar shape of the air electrode is not particularly limited, but is preferably the same shape as the solid electrolyte layer and the fuel electrode. Furthermore, the dimension in the planar direction can be the same as the solid electrolyte layer and the fuel electrode depending on the structure of the fuel cell, particularly when the separator is not joined to the periphery of one surface of the solid electrolyte layer. It is preferable that the air electrode and the solid electrolyte layer are laminated on the entire surface.
[0049]
The air electrode can also be formed as a substrate that supports the strength of the power generation layer. In the case of an air electrode support type, the thickness of the air electrode is preferably at least 20 times the thickness of the solid electrolyte layer. If it is less than 20 times, the mechanical strength of the power generation layer tends to be insufficient. The thickness of the air electrode is preferably 200 to 3000 μm, particularly preferably 500 to 2000 μm. If it is less than 200 μm, it does not function effectively as a substrate, and if it exceeds 3000 μm, the power generation efficiency per volume tends to decrease. On the other hand, in the case of the fuel electrode support type, the thickness of the air electrode is preferably 10 to 100 μm, particularly preferably 20 to 50 μm. If it is less than 10 μm, it may not function sufficiently as an electrode, and if it exceeds 100 μm, it may peel off from the solid electrolyte layer.
[0050]
The brazing material may contain Cu. The content of each of Ag, Pd and Cu when Cu is contained is not particularly limited, but when the total of Ag, Pd and Cu is 100% by mass, the content of Ag is 45 to 65% by mass. Preferably, the content of Pd is 15 to 35% by mass, particularly 20 to 30% by mass, and the content of Cu is 10 to 30% by mass, particularly 15 to 25% by mass. When Cu is contained, even if it contains a larger amount of Pd than a brazing material that does not contain Cu, it has sufficient fluidity and excellent adhesion is maintained. On the other hand, if the total of Ag and Cu is less than 65% by mass, that is, if the Pd content exceeds 35% by mass, the fluidity tends to decrease and the adhesion tends to be insufficient.
[0051]
By including Ti in the brazing material, particularly high joining strength can be obtained even when the joining temperature is relatively low. The content of Ti is determined when the total of Ag, Pd, and Ti is set to 100% by mass, or when Cu is included, when the total of Ag, Pd, Cu, and Ti is set to 100% by mass. , 0.05 to 10% by mass, more preferably 0.05 to 8% by mass, and even more preferably 0.05 to 6% by mass. If the Ti content is 0.05 to 10% by mass, a brazing portion having practically sufficient strength is formed even when the brazing atmosphere is not a vacuum but an inert atmosphere such as argon. be able to. When the brazing atmosphere is vacuum, the content of Ti can be 0.05 to 20% by mass, particularly 0.05 to 15% by mass. When the content is 08 to 10% by mass, the joining strength is greatly improved.
[0052]
The brazing material may further contain other components as long as the joining strength and the adhesion are not reduced. Other components include Sn, In, Ni, Nb and the like. These other components are the sum of Ag and Pd, the sum of Ag, Pd and Cu when further containing Cu, the sum of Ag, Pd and Ti when further containing Ti, or the sum of Ag, Pd and Cu. When the total of Ti and Ti is 100 parts by mass, the content can be 10 parts by mass or less, particularly 0.1 to 10 parts by mass, and further 0.5 to 5 parts by mass.
[0053]
Further, in the above embodiment, the inter-cell separator and the current collector are joined by brazing on the air electrode side. However, the present invention is not limited to this. For example, a conductive paste containing a conductive material may be used between the cells. By applying to at least one of the separator and the current collector, and performing heat treatment in a state where both are in contact via the coated surface, to join the separator between the air electrode side and the current collector Is also good.
[0054]
In the second embodiment, the current collector is formed by laminating the dense part and the porous part. However, the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIG. A current collector may be formed by laminating a plurality of different porous portions. In this case, the dense portion constituting the current collector and the inter-cell separator are brazed. As shown in FIG. 9, a current collector may be formed by alternately arranging dense portions and porous portions in the same plane. In this case, one surface of the dense portion and the porous portion constituting the current collector are brazed to the inter-cell separator, and the other surface of the dense portion and the porous portion come into contact with the air electrode. It will be. Here, even if the bonding material is introduced at the interface between the inter-cell separator and the porous portion of the current collector, the performance of the fuel cell is not adversely affected. Further, a current collector may be formed by laminating dense portions on the upper and lower surfaces of the porous portion. In this case, a gas flow path is formed in the dense portion on the air electrode side. Further, in the first embodiment, the gas flow path of the dense
[0055]
Further, the current collector interposed between the inter-cell separator and the fuel electrode is not limited to nickel felt, and may have a shape similar to that of the above-described air electrode. The current collector on the fuel electrode side may be brazed at the contact surface with the inter-cell separator in the same manner as the air electrode side, but the inter-cell separator is hardly oxidized on the fuel electrode side, and thus is brazed. It is not necessary.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view illustrating an appearance of a fuel cell according to a first embodiment.
FIG. 2 is a schematic view showing an AA cross section of the fuel cell of FIG.
FIG. 3 is a schematic diagram showing a BB cross section of the fuel cell of FIG. 1;
FIG. 4 is a schematic view illustrating a vertical cross section of the fuel cell according to the second embodiment, which corresponds to a cross section AA in FIG. 1;
FIG. 5 is a schematic view illustrating a vertical cross section of the fuel cell according to the second embodiment, corresponding to a cross section taken along line BB of FIG. 1;
FIG. 6 is an explanatory view schematically showing a current collector (1) used in an experimental example.
7 is a cross-sectional view taken along line VII-VII in FIG.
FIG. 8 is an explanatory view schematically showing a current collector (2) used in an experimental example.
FIG. 9 is an explanatory view schematically showing a current collector (3) used in an experimental example.
FIG. 10 is an explanatory diagram schematically showing a current collector (4) used in an experimental example.
FIG. 11 is an explanatory diagram schematically showing a current collector (5) used in an experimental example.
FIG. 12 is an explanatory view schematically showing a test body used for evaluating the total resistance.
[Explanation of symbols]
100, 200; flat-plate SOFC stack, 11; solid electrolyte layer, 12; fuel electrode, 13; air electrode, 211, 212; inter-cell separator, 22; lid member, 23; Through-hole, 24; isolation separator for intermediate unit cell, 25; isolation separator for lower unit cell, 26; bottom member, 251, 252; through-hole, 31; fuel gas flow path, 32; Current collector made of nickel felt, 5; dense current collector, 5a; gas flow path, 50; current collector, 50a; dense portion, 50b; porous portion, 6; brazing portion, 7; frame, 81, 82, 83, 84, 85, 86; metal frame, 91; fuel gas introduction pipe, 92; fuel gas exhaust pipe, 93; flammable gas introduction pipe, 94; Gas exhaust pipe, 10; bonding layer.
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