(57)【要約】【課題】燃料電池セルにおけるクラックを抑制する。【解決手段】本発明の燃料電池セル１０は、平板形の燃料電池セルである。燃料電池セル１０は、固体電解質１１と、空気極１２と、燃料極１３と、を備えている。空気極１２は、固体電解質１１の一方面に設けられている。燃料極１３は、固体電解質１１の他方面に設けられている。燃料電池セル１０の外周縁部１０ａの一部から他の材料が含浸されてなる緻密領域１４が形成されている。【選択図】図３
2020072002.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板形の燃料電池セルであって、
固体電解質と、
前記固体電解質の一方面に設けられた空気極と、
前記固体電解質の他方面に設けられた燃料極と、
を備え、
前記燃料電池セルの外周縁部の一部から他の材料が含浸されてなる緻密領域が形成される、
燃料電池セル。
【請求項２】
前記固体電解質と前記空気極との間に配置された反応防止膜をさらに備え、
前記緻密領域は、前記燃料極、前記固体電解質及び前記反応防止膜の少なくとも１つに形成される、
請求項１に記載の燃料電池セル。
【請求項３】
前記緻密領域は、他の材料が１．０μｍ以上含浸されてなる、
請求項１または２に記載の燃料電池セル。
【請求項４】
前記他の材料は、ガラスまたはろう材である、
請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池セル。
【請求項５】
前記緻密領域が形成される部材の気孔率は、１０％以上６０％以下である、
請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池セル。
【請求項６】
前記燃料極は、前記固体電解質側の位置する主面を含み、
前記主面は、前記固体電解質から露出する露出領域を有し、
前記緻密領域は、前記露出領域から、他の材料が含浸されてなる、
請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池セル。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池セルと、
前記燃料極と前記空気極との間を隔離するセパレータと、
前記燃料電池セルと前記セパレータとを接合するシール部材と、
を備える、
セルスタック装置。
【請求項８】
前記緻密領域は、前記シール部材を構成する材料と同じ材料が含浸されてなる、
請求項７に記載のセルスタック装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セル及びセルスタック装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
平板状の固体電解質と、固体電解質を挟むように設けられた燃料極及び空気極と、を有する燃料電池セルが複数積層された平板形のセルスタック装置が知られている（例えば特許文献１）。特許文献１には、燃料電池セル本体と、セパレータとを備える、セパレータ付燃料電池セルが開示されている。燃料電池セル本体は、固定電解質を空気極及び燃料極で挟んで構成される。セパレータは、Ａｇを含むロウ材で構成される接合部を介して、燃料電池セル本体に取り付けられる開口部を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−４９３２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１の燃料電池セルに、応力が加えられると、クラックが発生する場合がある。そこで、本発明の課題は、燃料電池セルにおけるクラックを抑制することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のある側面に係る燃料電池セルは、平板形の燃料電池セルである。燃料電池セルは、固体電解質と、空気極と、燃料極と、を備えている。空気極は、固体電解質の一方面に設けられている。燃料極は、固体電解質の他方面に設けられている。燃料電池セルの外周縁部の一部から他の材料が含浸されてなる緻密領域が形成されている。
【０００６】
この構成によれば、燃料電池セルは、外周縁部の一部から他の材料が含浸されてなる緻密領域を有する。これにより、燃料電池セルの外周縁部の強度を向上できる。このため、反りが発生する等によって、外周縁部に応力が加えられても、燃料電池セルにおけるクラックを抑制することができる。
【０００７】
好ましくは、固体電解質と空気極との間に配置された反応防止膜をさらに備えている。緻密領域は、燃料極、固体電解質及び反応防止膜の少なくとも１つに形成される。
【０００８】
好ましくは、緻密領域は、他の材料が１．０μｍ以上含浸されてなる。
【０００９】
好ましくは、他の材料は、ガラスまたはろう材である。
【００１０】
好ましくは、緻密領域が形成される部材の気孔率は、１０％以上６０％以下である。
【００１１】
好ましくは、燃料極は、固体電解質側の位置する主面を含む。主面は、固体電解質から露出する露出領域を有する。緻密領域は、露出領域から、他の材料が含浸されてなる。
【００１２】
本発明のセルスタック装置は、燃料電池セルと、セパレータと、シール部材と、を備えている。セパレータは、燃料極と空気極との間を隔離する。シール部材は、燃料電池セルとセパレータとを接合する。
【００１３】
好ましくは、緻密領域は、シール部材を構成する材料と同じ材料が含浸されてなる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、燃料電池セルにおけるクラックを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】セルスタック装置の斜視図。
【図２】セルスタック装置の断面図。
【図３】セルスタックの拡大断面図。
【図４】緻密領域の詳細を示す拡大断面図。
【図５】変形例の緻密領域の詳細を示す拡大断面図。
【図６】変形例の緻密領域の詳細を示す拡大断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明に係るセルスタック装置の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
【００１７】
図１及び図２に示すように、セルスタック装置１は、複数の燃料電池セル１０と、締結部材２１〜２８と、セパレータ３０と、シール部材１００と、を備えている。セルスタック装置１は、複数の燃料電池セルが複数積層された構造を有している。すなわち、セルスタック装置１は、いわゆる平板形のセルスタック構造である。
【００１８】
締結部材２１〜２８は、複数の燃料電池セル１０を締結する。締結部材の４本には、積層方向（ｚ軸）に沿って酸化剤ガスまたは燃料ガスが流れる流路が形成されている。本実施形態では、締結部材２３は燃料ガス供給管として用いられ、締結部材２７は燃料ガス排出管として用いられ、締結部材２５は酸化剤ガス供給管として用いられ、締結部材２１は酸化剤ガス排出管として用いられる。
【００１９】
［燃料電池セル］
図２及び図３に示すように、燃料電池セル１０は、固体電解質１１と、空気極１２と、燃料極１３と、を有している。燃料電池セル１０は、平面視（ｚ軸方向視）において、矩形状である。なお、燃料電池セル１０は、固体酸化物形燃料電池として構成されている。
【００２０】
固体電解質１１は、平板状であり、主面が積層方向（ｚ軸方向）を向いている。空気極１２は、固体電解質１１の一方の主面に配置されている。燃料極１３は、固体電解質１１の他方の主面に配置されている。すなわち、固体電解質１１は、空気極１２と燃料極１３とによって挟まれている。なお、本実施形態では、固体電解質１１の上面に空気極１２が配置され、固体電解質１１の下面に燃料極１３が配置されている。
【００２１】
燃料電池セル１０の厚さ（ｚ軸方向の寸法）は全体に渡って実質的に均一である。例えば、燃料電池セル１０の厚さは、１００〜２１００μｍ程度である。本実施形態では、燃料極１３は、固体電解質１１及び空気極１２の各々よりも厚く構成されている。このため、燃料極１３は、固体電解質１１及び空気極１２を支持するように構成されている。
【００２２】
固体電解質１１は、例えば、ＹＳＺを含む緻密質材料で構成される。固体電解質１１の気孔率は、例えば０〜１０％である。なお、固体電解質１１は、ＧＤＣなどの多孔質材料で構成されてもよい。固体電解質１１の厚さは、例えば１〜５０μｍである。固体電解質１１の熱膨張率は、例えば９〜１１ｐｐｍ/Ｋである。
【００２３】
空気極１２は、例えば、ＬＳＭ（Ｌａ（Ｓｒ）ＭｎＯ３：ランタンストロンチウムマンガナイト）、ＬＳＣＦ（（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３：ランタンストロンチウムコバルトフェライト）などを含む多孔質材料で構成される。空気極１２の気孔率は、例えば１５〜５５％である。空気極１２の厚さは、例えば５０〜２００μｍである。空気極１２の熱膨張率は、例えば１１〜１７ｐｐｍ/Ｋである。
【００２４】
燃料極１３は、燃料極基板１３１及び燃料極活性部１３２を有している。燃料極基板１３１上に、燃料極活性部１３２が配置されている。
【００２５】
図３に示すように、燃料極１３は、第１主面１３ａと、第２主面１３ｃと、外周面１３ｂと、を含む。第１主面１３ａは、固体電解質１１側に位置する。第２主面１３ｃは、第１主面１３ａと反対側に位置する。外周面１３ｂは、第１主面１３ａ及び第２主面１３ｃの外周縁を連結する。本実施形態の燃料極１３の第１主面１３ａは、燃料極活性部１３２の主面と、燃料極基板１３１の主面の外周縁部とで構成される。第１主面１３ａは、被覆領域及び露出領域１３３を有している。被覆領域は、固体電解質１１によって覆われている。露出領域１３３は、固体電解質１１から露出する。
【００２６】
燃料極基板１３１は、例えば、ＮｉとＹＳＺとを含む多孔質材料で構成される。燃料極基板１３１の気孔率は、例えば１５〜５５％である。燃料極基板１３１の厚さは、例えば５０〜２０００μｍである。燃料極基板１３１の熱膨張率は、例えば１１〜１４ｐｐｍ/Ｋである。燃料極基板１３１は、主面１３１ａ及び外周面１３１ｂを有している。主面１３１ａは、固体電解質１１から露出した露出領域１３３を有している。
【００２７】
燃料極活性部１３２は、例えば、ＮｉとＹＳＺとを含む多孔質材料で構成される。燃料極活性部１３２の気孔率は、例えば１５〜５５％である。燃料極活性部１３２の厚さは、例えば５〜１００μｍである。燃料極活性部１３２の熱膨張率は、例えば１１〜１４ｐｐｍ/Ｋである。
【００２８】
燃料電池セル１０は、固体電解質１１と空気極１２との間に配置された反応防止膜（図示せず）をさらに備えている。反応防止膜は、固体電解質１１を構成する材料と空気極１２を構成する材料とが反応して固体電解質１１と空気極１２との界面に電気抵抗が大きい反応層が形成される現象の発生を抑制するために設けられている。反応防止膜は、例えば、ＧＤＣから構成される。反応防止膜の気孔率は、例えば１０〜３０％である。反応防止膜の厚さは、例えば、３〜５０μｍである。
【００２９】
本明細書において「気孔率」は、ＦＥ−ＳＥＭの断面画像を画像解析により気孔部分を数値化することで測定される値である。具体的には、ＦＥ−ＳＥＭで１０００〜２００００倍に拡大した画像をＭＶＴｅｃ社製の画像解析ソフトＨＡＬＣＯＮによって解析する。解析後の断面画像上でシール部材を構成する材料部分と気孔部分とのそれぞれの面積占有率を求め、気孔部分の面積占有率を気孔率として定義する。断面画像は、各１０視野について撮影して気孔率を数値化し、その平均値を気孔率とする。
【００３０】
［緻密領域］
図３及び図４に示すように、緻密領域１４は、燃料電池セル１０の外周縁部１０ａの一部から他の材料が含浸されてなる。なお、燃料電池セル１０の外周縁部１０ａは、外周面を含む縁部である。本実施形態の緻密領域１４は、燃料極１３に形成されている。詳細には、図４に示すように、緻密領域１４は、露出領域１３３、及び、外周面１３１ｂにおける主面側１３１ａに位置する領域１３４から、他の材料が含浸されてなる。すなわち、緻密領域１４は、露出領域１３３から他の材料が含浸されている部分を有する。緻密領域１４は、外周面１３１ｂの一部である領域１３４から他の材料が含浸されてなる部分をさらに有する。緻密領域１４は、燃料電池セル１０の外周縁部１０ａの全てから他の材料が含浸されてなる場合、例えば、連続した枠状、または断続的な枠状である。
【００３１】
緻密領域１４が形成される部材は、多孔質材料で構成されている。緻密領域１４が形成される部材の気孔率は、１０％以上６０％以下である。
【００３２】
緻密領域１４は、多孔質材料の気孔の少なくとも一部に、他の材料が配置されている。他の材料は、特に限定されないが、例えば、ガラス、ろう材、セラミックスなどであり、ガラスまたはろう材であることが好ましい。他の材料は、１種の材料であってもよく、複数の材料であってもよい。ガラスとしては、例えば結晶化ガラス、非晶質ガラス、部分的に結晶化する部分結晶化ガラスを用いることができ、結晶化ガラス及び非晶質ガラスが好ましく、結晶化ガラスがより好ましい。結晶化ガラスとしては、例えば、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系、ＳｉＯ２−ＣａＯ系、またはＳｉＯ２−ＭｇＯ系が採用され得る。なお、本明細書では、結晶化ガラスとは、全体積に対する「結晶相が占める体積」の割合（結晶化度）が６０％以上であり、全体積に対する「非晶質相及び不純物が占める体積」の割合が４０％未満のガラスを指す。なお、他の材料として、非晶質ガラス等が採用されてもよい。具体的には、緻密領域１４は、多孔質材料の気孔に、ＳｉＯ２−ＭｇＯ−Ｂ２Ｏ５−Ａｌ２Ｏ３系及びＳｉＯ２−ＭｇＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＺｎＯ系よりなる群から選ばれる少なくとも一種である他の材料が配置されている。ろう材としては、例えば、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃｕなどを含む材料が採用され得る。
【００３３】
他の材料は、後述する第１シール部材１１０と同じ材料であることが好ましい。この場合、緻密領域１４は、領域１３３、１３４の少なくとも一方から、第１シール部材１１０と同じ材料が含浸されてなる。本実施形態の緻密領域１４は、燃料極１３を構成する多孔質材料の気孔の少なくとも一部に、第１シール部材１１０を構成する材料と同じ材料が配置されてなる。例えば、第１シール部材１１０が結晶化ガラスで構成されており、緻密領域１４は結晶化ガラスが含浸されてなる。第１シール部材１１０が非晶質ガラスで構成されており、緻密領域１４は非晶質ガラスが含浸されてなる。第１シール部材１１０がろう材で構成されており、緻密領域１４はろう材が含浸されてなる。
【００３４】
第１シール部材１１０が複数の材料で構成されている場合には、緻密領域１４は、第１シール部材１１０を構成する少なくとも１つの材料が含浸されている。例えば、第１シール部材１１０はガラス及びろう材で構成され、緻密領域１４はガラス及びろう材の少なくとも一方が含浸されてなる。
【００３５】
なお、領域１３３、１３４から含浸される他の材料は、互いに異なる材料であってもよい。例えば、第１シール部材１１０は結晶化ガラスで構成されており、緻密領域１４は非晶質ガラスまたはろう材が含浸されてなる。第１シール部材１１０は非晶質ガラスで構成されており、緻密領域１４は結晶化ガラスまたはろう材が含浸されてなる。第１シール部材１１０はろう材で構成されており、緻密領域１４は結晶化ガラスまたは非晶質ガラスが含浸されてなる。第１シール部材１１０はろう材で構成されており、緻密領域１４は異なるろう材が含浸されてなる。
【００３６】
緻密領域１４は、燃料極１３を構成する多孔質材料よりも気孔率が低い。緻密領域１４の気孔率は、例えば、１０％以下であり、好ましくは７％以下である。なお、緻密領域１４の気孔率は０％であってもよい。
【００３７】
緻密領域１４は、領域１３３、１３４のそれぞれから内部に向けて延びる。具体的には、緻密領域１４は、他の材料が１．０μｍ以上含浸されてなる。詳細には、緻密領域１４において領域１３３、１３４からの他の材料の含浸深さＤ１、Ｄ２は、１．０μｍ以上であり、好ましくは１．５μｍ以上１０００μｍ以下である。なお、含浸深さＤ１、Ｄ２は、含浸面からの距離が一定であってもよく、一定でなくてもよい。一定でない場合には、含浸深さＤ１、Ｄ２は、最大の深さである。緻密領域１４が、複数の領域から他の材料が含浸されている場合には、含浸深さは、それぞれの領域１３３、１３４の含浸深さＤ１、Ｄ２の最大値である。本実施形態の含浸深さは、領域１３３からの含浸深さＤ１及び領域１３４からの含浸深さＤ２のうちの最大深さが１．０μｍ以上である。なお、領域１３３からの含浸深さＤ１は、主面１３１ａと直交する方向（図４におけるｚ軸方向）の最大深さである。領域１３４からの含浸深さＤ２は、外周面１３１ｂと直交する方向（図４におけるｙ軸方向）の最大深さである。
【００３８】
領域１３３の主面１３１ａに沿った方向（ｙ軸方向）の長さＬ１、及び領域１３４の外周面１３１ｂに沿った方向（ｚ軸方向）の長さＬ２は、例えば０を超えて３．０ｍｍ以下である。なお、領域１３３と領域１３４とは、連続している。
【００３９】
含浸深さは、多孔質材料の気孔に配置する他の材料の粒子径、多孔質材料に他の材料を含浸させる含浸処理時の減圧などによって調整できる。具体的には、粒子径の小さい材料を含浸することで、含浸深さは大きくなる。また、含浸する際に、多孔質材料内部の圧力を低くすることで、含浸深さは大きくなる。
【００４０】
また、緻密領域１４を形成するべき位置以外の領域にマスクを形成した状態で、含浸処理をすることによって、緻密領域１４の位置を調整できる。
【００４１】
［セパレータ］
図２及び図３に示すように、セパレータ３０は、燃料電池セル１０に接続される。詳細には、セパレータ３０は、固体電解質１１と第１シール部材１１０により接合されている。セパレータ３０は、固体電解質１１の周端部と接続されている。セパレータ３０は、燃料ガスが流れる空間と酸化剤ガスが流れる空間とを区画する。このため、セパレータ３０は、酸化剤ガスと燃料ガスとの混合を防止する機能を有している。
【００４２】
セパレータ３０は、枠状である。セパレータは、例えば、金属で構成される。セパレータ３０は、好ましくは、フェライト系ステンレス、オーステナイト系ステンレス、あるいはＮｉ系耐熱合金（例えば、インコネル６００及びハステロイ等）で構成されている。セパレータ３０の厚みは、例えば１０〜１０００μｍとすることができる。セパレータの熱膨張率は、例えば１１〜１８ｐｐｍ/Ｋ程度とすることができる。
【００４３】
［インターコネクタ］
インターコネクタ４０は、燃料電池セル１０間の導通を確保する。また、インターコネクタ４０は、燃料電池セル１０間でのガスの混合を防止する。インターコネクタ４０は、板状であり、ｘ軸方向及びｙ軸方向に延びる。インターコネクタ４０は、例えば、金属で構成される。
【００４４】
なお、図２に示すように、最上層及び最下層には、インターコネクタ４０の代わりに、保持板４１が配置されてもよい。
【００４５】
［集電体］
集電体５０は、燃料電池セル１０の空気極１２及び燃料極１３と、インターコネクタ４０との間の導通を確保する。集電体５０は、例えば、インターコネクタ４０から空気極１２に向けて突出する複数の突出部である。また集電体５０は、例えば、インターコネクタ４０から燃料極１３に向けて突出する複数の突出部である。各突出部は、互いに間隔をあけて配置されている。各突出部の間は、ガス流路を構成する。例えば、集電体５０は、ｙ軸方向に間隔をあけて配置され、ｘ軸方向に延びている。集電体は、例えば、金属で構成される。
【００４６】
［シール部材］
シール部材１００は、セルスタック装置１を構成する部材の隙間を密閉する。シール部材１００は、例えば、板状部材に挟まれている。セルスタック装置１において、シール部材１００は、複数設けられている。シール部材１００は、例えば、図２及び図３に示すように、第１シール部材１１０及び第２シール部材１２０を含む。
【００４７】
詳細には、第１シール部材１１０は、空気極１２と燃料極１３との間を隔離している。すなわち、第１シール部材１１０は、燃料ガスが流れる空間と、酸化剤ガスが流れる空間とを区画している。第１シール部材１１０は、例えば、固体電解質１１とセパレータ３０とを接合する接合材である。
【００４８】
第２シール部材１２０は、複数の部材の隙間を密閉した結果、セルスタック装置１の内部空間と外部空間とを区画している。すなわち、第２シール部材１２０は、セルスタック装置１の内部と外部とを隔離している。第２シール部材１２０は、例えば、空気極１２に供給する酸化剤ガスの流路、及び燃料極１３に供給する燃料ガスの流路を構成する部材に設けられた接合材である。第２シール部材１２０は、例えば、セパレータ３０、インターコネクタ４０及び締結部材２３、２７を接合する接合材である。
【００４９】
また、シール部材は、第３シール部材（図示せず）をさらに含んでもよい。第３シール部材は、例えばセパレータ３０とインターコネクタ４０とを接合する接合材である。詳細には、第３シール部材は、セパレータ３０とインターコネクタ４０とを、他の部材を用いずに単独で、または、他の部材が配置された状態で、接合する。他の部材は、例えばセパレータ３０とインターコネクタ４０との間を絶縁するための絶縁材、コンプレッションシール材などである。なお、セパレータ３０とインターコネクタ４０とが他の部材で封止されている場合には、第３シール部材は、省略されてもよい。
【００５０】
シール部材１００は、酸化剤ガス、燃料ガスなどのガスと接する。すなわち、シール部材１００は、気相と面している。第１及び第２シール部材１１０、１２０は、枠状である。すなわち、第１及び第２シール部材１１０、１２０は、連続した一体の環状である。
【００５１】
シール部材１００は、例えば、結晶化ガラスである。結晶化ガラスとしては、例えば、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３系、ＳｉＯ２−ＣａＯ系、またはＳｉＯ２−ＭｇＯ系が採用され得る。なお、シール部材１００の材料として、非晶質ガラス、ろう材、またはセラミックス等が採用されてもよい。具体的には、シール部材１００は、ＳｉＯ２−ＭｇＯ−Ｂ２Ｏ３−Ａｌ２Ｏ３系及びＳｉＯ２−ＭｇＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＺｎＯ系よりなる群から選ばれる少なくとも一種である。
【００５２】
セルスタック装置１において、絶縁を確保するための絶縁材（図示せず）が適宜配置される。絶縁材は、例えば、セパレータ３０とインターコネクタ４０との間、燃料ガス及び酸化剤ガスの流路となる締結部材２１、２３、２５、２７などに対して配置される。
【００５３】
以上のように構成されたセルスタック装置１は、次のようにして発電する。空気極１２に酸化剤ガスを流すとともに、燃料極１３に燃料ガス（水素ガス等）を流す。そして、このセルスタック装置１を外部の負荷に接続すると、空気極１２において下記（１）式に示す電気化学反応が起こり、燃料極１３において下記（２）式に示す電気化学反応が起こり、電流が流れる。
（１／２）・Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−      …（１）
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−          …（２）
【００５４】
このような発電時、還元過程の際などに、燃料電池セル１０に反りが発生することにより、燃料電池セル１０の外周縁部１０ａに応力が加えられる。本実施形態の燃料電池セル１０は、応力が加えられやすい外周縁部１０ａに、緻密領域１４を有している。したがって、燃料電池セル１０におけるクラックを抑制できる。
【００５５】
［変形例］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。
【００５６】
上述した実施形態では、緻密領域１４は、燃料極基板１３１に形成されているが、これに限定されない。図５に示すように、燃料電池セル１０は、燃料極活性部１３２の外周面１３２ｂから他の材料が含浸された緻密領域１５をさらに備えてもよい。また、図６に示すように、燃料電池セル１０は、固体電解質１１の主面１１ａ及び外周面１１ｂから他の材料が含浸された緻密領域１６をさらに備えてもよい。また、反応防止膜の主面及び外周面から他の材料が含浸されてなる緻密領域（図示せず）をさらに備えていてもよい。なお、燃料電池セル１０は、反応防止膜に形成された緻密領域及び緻密領域１４〜１６のいずれか１つ以上を備えていてもよい。
【００５７】
［実施例１］
本実施例では、燃料電池セルの外周縁部の一部から他の材料が含浸されてなる緻密領域の効果について調べた。
【００５８】
（サンプルＮｏ．１〜９）
図１〜図４に示すセルスタック装置を準備した。具体的には、燃料極基板１３１の気孔率は、４０％であった。燃料極基板１３１の露出領域１３３は、主面１３１ａにおいて、外周面１３１ｂから５０μｍ（図４におけるＬ１）内側に延び、領域１３４は、外周面１３１ｂにおいて、主面１３１ａから５０μｍ（図４におけるＬ２）下方に延びていた。領域１３３、１３４に、下記の表１のスラリー状のガラスを塗布した。真空引きをして燃料極基板１３１の外周縁部１０ａにガラスを含浸させた。各サンプルにおいて、真空引きの時間を変更して、領域１３３、１３４からの含浸深さを調整した。その後、熱処理を施すことにより、緻密領域１４を形成した。領域１３３、１３４からの含浸深さを、下記の表１に記載する。なお、燃料電池セル１０とセパレータ３０とを接合する第１シール部材１１０は、結晶化ガラスで構成されていた。
【００５９】
（サンプルＮｏ．１０）
サンプルＮｏ．１０のセルスタック装置は、燃料極基板１３１に他の材料を含浸しなかった点において、サンプルＮｏ．１〜９と異なっていた。つまり、サンプルＮｏ．１０の燃料電池セルは、緻密領域を備えていなかった。
【００６０】
（評価方法）
サンプルＮｏ．１〜１０のセルスタック装置について、熱サイクル試験により、燃料電池セルの強度及び接合強度を調べた。具体的には、各セルスタック装置を電気炉内に設置し、室温から８００℃まで昇降温速度４００℃／ｈｒでの上げ下げを１０回繰り返した後、電気炉から取り出して、燃料電池セルにおけるクラック発生の有無及びガスリーク量と、第１シール部材におけるクラック発生の有無を調べた。
【００６１】
ガスリーク量については、空気極から燃料極へのリークするガスの流量を測定した。詳細には、セルスタック装置１の酸化剤ガス排出管出口端部及び燃料ガス排出管入口端部を封止した上で、酸化剤ガス供給管よりアルゴンガスを供給し、燃料ガス供給管の出口端部に設けた流量計によりガスリーク量を測定した。クラック有無の確認については、セルスタック装置を解体して燃料電池セルの外周縁部に浸透探傷剤を塗布し、マイクロスコープで観察することにより行った。下記の表１の「セルの強度」において、「◎」はクラックがなく、ガスリークがなかったことを意味し、「○」は微小なクラックがあったが、ガスリークがなかったことを意味し、「×」はクラックがあり、ガスリークがあったことを意味する。
【００６２】
接合強度については、第１シール部材の外側面に浸透探傷剤を塗布し、マイクロスコープで観察することによりクラックの有無を確認した。その結果を下記の表１に記載する。表１の「接合強度」において、「◎」はクラックがなかったことを意味し、「○」は微小なクラックがあったことを意味し、「×」はクラックがあったことを意味する。
【００６３】
【表１】
2020072002.tif 000003
【００６４】
（評価結果）
表１に示すように、緻密領域１４を有するサンプルＮｏ．１〜９は、燃料電池セルの強度を向上できた。特に、他の材料が１．０μｍ以上含浸されてなる緻密領域１４を有するサンプルＮｏ．２〜６、８及び９は、燃料電池セルの強度をより向上できた。
【００６５】
また、第１シール部材を構成する材料と同じ材料を含浸させたサンプルＮｏ．１〜６は、異なる材料を含浸させたサンプルＮｏ．７〜９に比べて、接合強度を向上できた。
【００６６】
一方、緻密領域を有していないサンプルＮｏ．１０は、燃料電池セルの外周縁部の強度が非常に低かった。このため、熱サイクル試験時に燃料電池セル１０に反りが発生したことに起因して、燃料電池セルにクラックが生じた。また、第１シール部材との接合部分にもクラックが生じた。
【００６７】
以上より、本実施例によれば、外周縁部１０ａの一部から他の材料が含浸されてなる緻密領域１４を有することによって、燃料電池セル１０におけるクラックを抑制できることが確認できた。また、燃料電池セル１０に含浸させる材料と第１シール部材１１０とが同一材料であることによって、接合強度が高まることが確認できた。
【００６８】
なお、本発明者は、含浸深さが１０００μｍを超えても、燃料電池セル１０の強度がほとんど向上しないという知見を得ている。このため、他の材料を容易に含浸させる観点、含浸させる他の材料を低減する観点などから、含浸深さの好ましい上限は１０００μｍである。
【００６９】
このように、本発明者は、応力によって燃料電池セル１０のクラックが発生しやすい部分である外周縁部１０ａの強度を含浸により高めることによって、クラックを抑制することでガスリークを抑制できるという特有の効果を見出した。続いて、本発明者は、この効果が顕著に発現できる燃料極基板１３１の気孔率について検討した。具体的には、以下のように燃料極基板１３１の気孔率を種々変更して、燃料電池セルを製造した。
【００７０】
（サンプルＮｏ．１１〜１４）
サンプルＮｏ．１１〜１４のセルスタック装置のそれぞれは、気孔率が８％、１０％、６０％及び７０％の気孔率の多孔質材料で構成された燃料極基板となる材料を準備した点において、サンプルＮｏ．２と異なっていた。
【００７１】
気孔率が１０％未満のサンプルＮｏ．１１は、領域１３３、１３４からガラスが含浸しにくかった。また、燃料極基板１３１自体の強度は高いので、緻密領域１４による効果が小さかった。
【００７２】
また、気孔率が６０％を超えるサンプルＮｏ．１４は、領域１３３、１３４からガラスが含浸しやすかった。しかし、燃料極基板１３１自体の強度が低いので、第１シール部材１１０との接合部分が剥がれやすく、微小なクラックがあった。
【００７３】
一方、気孔率が１０％以上６０％以下のサンプルＮｏ．１２及び１３は、緻密領域１４による効果が大きく発現したため、燃料電池セル１０の強度を向上できた。また、領域１３３、１３４からガラスを含浸しやすかったので、緻密領域１４を容易に形成できた。さらに、第１シール部材１１０との接合部分にクラックが発生しなかった。
【００７４】
以上より、１０％以上６０％以下の気孔率を有する多孔質材料で構成された燃料極基板１３１を用いることにより、緻密領域１４による効果が顕著であるとともに、接合強度を向上できることが確認できた。この結果から、緻密領域１４が形成される部材の気孔率は、１０％以上６０％以下であることが好ましいことがわかる。
【００７５】
ここで、上記実施例では、燃料極基板１３１が緻密領域１４を有している構造について、説明した。燃料極活性部１３２、固体電解質１１及び反応防止膜の少なくとも１つが緻密領域１４を有している場合にも、同様の結果であった。
【００７６】
また、上記実施例では、ガラスが含浸された緻密領域１４の効果について、説明した。ろう材が含浸された緻密領域１４についても、同様の結果であった。
【００７７】
また、上記実施例では、結晶化ガラスで構成された第１シール部材１１０について説明した。第１シール部材１１０が非晶質ガラスで構成される場合にも、同様の効果であった。詳細には、第１シール部材１１０が非晶質ガラスで構成されたセルスタック装置において、結晶化ガラスが含浸されてなる緻密領域１４を備える場合よりも、非晶質ガラスが含浸されてなる緻密領域１４を備える場合に、接合強度が高いことを確認した。
【００７８】
また、上記実施例では、１種の材料が含浸されてなる緻密領域１４の効果について説明した。複数の材料が含浸されてなる緻密領域１４についても、同様の結果であった。詳細には、第１シール部材１１０がろう材及びガラスで構成されており、ろう材及びガラスが含浸されてなる緻密領域１４について、同様の結果であることを確認した。
【符号の説明】
【００７９】
１                セルスタック装置
１０              燃料電池セル
１４，１５，１６  緻密領域
３０              セパレータ
１００            シール部材
【図１】
2020072002.tif 000004
【図２】
2020072002.tif 000005
【図３】
2020072002.tif 000006
【図４】
2020072002.tif 000007
【図５】
2020072002.tif 000008
【図６】
2020072002.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】令和1年5月10日(2019.5.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板形の燃料電池セルであって、
固体電解質と、
前記固体電解質の一方面に設けられた空気極と、
前記固体電解質の他方面に設けられた燃料極と、
を備え、
前記燃料電池セルの外周縁部の一部から他の材料が含浸されてなる緻密領域が形成され、
前記緻密領域は、前記燃料極に形成され、
前記緻密領域の厚さは、前記燃料極の厚さよりも小さい、
燃料電池セル。
【請求項２】
前記固体電解質と前記空気極との間に配置された反応防止膜をさらに備え、
前記緻密領域は、前記固体電解質及び前記反応防止膜の少なくとも１つにさらに形成される、請求項１に記載の燃料電池セル。
【請求項３】
前記緻密領域は、他の材料が１．０μｍ以上含浸されてなる、
請求項１または２に記載の燃料電池セル。
【請求項４】
前記他の材料は、ガラスまたはろう材である、
請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池セル。
【請求項５】
前記緻密領域が形成される部材の気孔率は、１０％以上６０％以下である、
請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池セル。
【請求項６】
前記燃料極は、前記固体電解質側に位置する主面を含み、
前記主面は、前記固体電解質から露出する露出領域を有し、
前記緻密領域は、前記露出領域から、他の材料が含浸されてなる、
請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池セル。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池セルと、
前記燃料極と前記空気極との間を隔離するセパレータと、
前記燃料電池セルと前記セパレータとを接合するシール部材と、
を備える、
セルスタック装置。
【請求項８】
前記緻密領域は、前記シール部材を構成する材料と同じ材料が含浸されてなる、
請求項７に記載のセルスタック装置。
【請求項９】
前記シール部材と前記固体電解質とは、ガスシール部を構成する、請求項７または８に記載のセルスタック装置。
【手続補正書】
【提出日】令和1年9月17日(2019.9.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板形であって、固体電解質と、前記固体電解質の一方面に設けられた空気極と、前記固体電解質の他方面に設けられた燃料極と、を備える燃料電池セルと、
前記燃料極と前記空気極との間を隔離するセパレータと、
前記燃料電池セルと前記セパレータとを接合するシール部材と、
を備え、
前記燃料電池セルの外周縁部の一部から他の材料が含浸されてなる緻密領域が形成され、
前記緻密領域は、前記燃料極に形成され、
前記緻密領域の厚さは、前記燃料極の厚さよりも小さく、
前記燃料極は、前記固体電解質側に位置する主面を含む段差構造を有し、
前記主面は、前記固体電解質から露出する露出領域を有し、
前記緻密領域は、前記露出領域から、他の材料が含浸されてなり、
前記シール部材は、前記露出領域と前記セパレータとを接合する、
セルスタック装置。
【請求項２】
前記固体電解質と前記空気極との間に配置された反応防止膜をさらに備え、
前記緻密領域は、前記固体電解質及び前記反応防止膜の少なくとも１つにさらに形成される、請求項１に記載のセルスタック装置。
【請求項３】
前記緻密領域は、他の材料が１．０μｍ以上含浸されてなる、
請求項１または２に記載のセルスタック装置。
【請求項４】
前記他の材料は、ガラスまたはろう材である、
請求項１から３のいずれかに記載のセルスタック装置。
【請求項５】
前記緻密領域が形成される部材の気孔率は、１０％以上６０％以下である、
請求項１から４のいずれかに記載のセルスタック装置。
【請求項６】
前記緻密領域は、前記シール部材を構成する材料と同じ材料が含浸されてなる、
請求項１から５のいずれかに記載のセルスタック装置。
【請求項７】
前記シール部材と前記固体電解質とは、ガスシール部を構成する、
１から６のいずれかに記載のセルスタック装置。