(57)【要約】【課題】燃料電池セルのガスシール部のシール性能や信頼性をより向上させる。【解決手段】アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電する燃料電池セルは、アノードガスが供給されるアノード層と、カソードガスが供給されるカソード層と、アノード層とカソード層との間に配置された電解質層と、アノード層およびカソード層の一方と電気的に接続されると共にアノードガスおよびカソードガスの一方を通過させる集電部材と、ガスシール部とを有し、当該ガスシール部は、熱溶融性を有する緻密層と、当該緻密層に重なり合う多孔質層とを含み、アノード層およびカソード層との一方と集電部材との間の隙間を封止する。【選択図】図１
2018163758.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードガスが供給されるアノード層と、カソードガスが供給されるカソード層と、前記アノード層と前記カソード層との間に配置された電解質層と、前記アノード層および前記カソード層の一方と電気的に接続されると共に前記アノードガスおよび前記カソードガスの一方を通過させる集電部材とを有し、前記アノードガスと前記カソードガスとの電気化学反応により発電する燃料電池セルにおいて、
熱溶融性を有する緻密層と、該緻密層に重なり合う多孔質層とを含み、前記アノード層および前記カソード層との前記一方と前記集電部材との間の隙間を封止するガスシール部を備える燃料電池セル。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池セルにおいて、
前記ガスシール部は、前記緻密層が前記アノード層および前記カソード層との前記一方と前記集電部材との間の前記隙間を覆うと共に、前記多孔質層が前記緻密層を覆うように形成される燃料電池セル。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池セルにおいて、前記ガスシール部は、前記多孔質層を覆う第２の緻密層を更に含む燃料電池セル。
【請求項４】
請求項１に記載の燃料電池セルにおいて、
前記ガスシール部は、前記多孔質層が前記アノード層および前記カソード層との前記一方と前記集電部材との間の前記隙間を覆うと共に、前記緻密層が前記多孔質層を覆うように形成される燃料電池セル。
【請求項５】
請求項１から４の何れか一項に記載の燃料電池セルにおいて、
前記アノード層および前記カソード層の一方と前記集電部材とは、導電性シール部を介して電気的に接続され、
前記ガスシール部は、前記導電性シール部を覆うと共に該導電性シール部の両側に位置する部材に接触するように形成される燃料電池セル。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池セルにおいて、
前記アノード層、前記カソード層および前記電解質層は、それぞれ筒状に形成されると共に、該アノード層は、前記カソード層の端部から突出するように前記電解質層の内側に配置され、
前記集電部材は、前記カソード層の端部から突出した前記アノード層の端部が挿入されて電気的に接続されると共に前記アノードガスの流通孔を有する有底筒状部材であり、
前記緻密層は、ガラス材により形成され、前記多孔質層は、セラミックにより形成される燃料電池セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示の発明は、アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電する燃料電池セルに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数の固体酸化物形燃料電池セルを収容した燃料電池モジュールと、各燃料電池セルに燃料を分配して供給するための燃料ガス分散室とを有する燃料電池装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この燃料電池装置の各燃料電池セルは、燃料ガス分散室を構成する固定部材にセラミック接着剤により気密的に固定されており、各燃料電池セルの周囲には、セラミック接着剤硬化時の収縮によるクラックの発生を抑制する気体漏れ抑制部がセラミック接着剤の層により形成されている。
【０００３】
また、燃料電池装置として、複数の固体酸化物形燃料電池セルを収容した燃料電池モジュールを構成する部材間相互の接合部にセラミック接着剤が充填されたものも知られている（例えば、特許文献２参照）。この燃料電池装置では、セラミック接着剤が硬化することで部材同士が相互に気密的に接合され、セラミック接着剤の充填部分には、当該セラミック接着剤の硬化時におけるクラックの発生を抑制するカバー部材が配置されている。
【０００４】
更に、固体酸化物形燃料電池と、当該固体酸化物形燃料電池にガスを供給するためのガス管とを備えた固体酸化物形燃料電池システムとして、固体酸化物形燃料電池とガス管との接合部が、クリストバライト結晶および／またはリューサイト結晶をガラスマトリックス中に析出させた接合材により形成されたものも知られている（例えば、特許文献３参照）。
【０００５】
また、スタック状に整列した複数の燃料電池セルとして、それぞれの燃料ガス流入側端部が、燃料ガス用のマニホールドの上壁に形成された対応する挿入孔にそれぞれ挿入され、接合材を用いて上壁に接合・支持されるものも知られている（例えば、特許文献２参照）。かかる燃料電池セルは、燃料ガス流入側端部の側面上の任意の点と、その点から側面に対して引いた法線が、接合材が占める領域の外周と交わる点との距離を「ａ」とし、燃料ガス流入側端部の側面の全周についての「ａ」の分布における最大値をａｍａｘ、最小値をａｍｉｎとしたとき、１．２≦ａｍａｘ／ａｍｉｎ≦６．２を満たす。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１５−１１８１４号公報
【特許文献２】特開２０１５−１１８１５号公報
【特許文献３】特開２０１０−２７７７７１号公報
【特許文献４】特開２０１６−１５４１２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１および２に記載されたように、燃料電池セルのガスシール材としてセラミック接着剤を用いた場合、気体漏れ抑制部やカバー部材によってセラミック接着剤の硬化時におけるクラックの発生を抑制したとしても、燃料電池装置の作動時の熱サイクルによりガスシール部にクラックが発生し、ガスを封止し得なくなるおそれがある。また、燃料電池セルのガスシール材として特許文献３のようにガラス材を用いた場合には、高温のガスと接触することでガラス材に気泡（膨れ）が形成されることがあり、当該気泡の成長により当該ガラス材にクラック（孔）が形成されてしまうと、ガスを封止し得なくなってしまう。更に、特許文献４に記載された技術を採用したとしても、ガスシール材の材質や燃料電池セルの作動条件によっては、クラック等の発生により当該ガスシー部材のシール性能が損なわれてしまうおそれがある。
【０００８】
そこで、本開示の発明は、燃料電池セルのガスシール部のシール性能や信頼性をより向上させることを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本開示の燃料電池セルは、アノードガスが供給されるアノード層と、カソードガスが供給されるカソード層と、前記アノード層と前記カソード層との間に配置された電解質層と、前記アノード層および前記カソード層の一方と電気的に接続されると共に前記アノードガスおよび前記カソードガスの一方を通過させる集電部材とを有し、前記アノードガスと前記カソードガスとの電気化学反応により発電する燃料電池セルにおいて、熱溶融性を有する緻密層と、該緻密層に重なり合う多孔質層とを含み、前記アノード層および前記カソード層との前記一方と前記集電部材との間の隙間を封止するガスシール部を備えるものである。
【００１０】
この燃料電池セルでは、その作動中に高温のガスがアノード層およびカソード層との一方と集電部材との間の隙間を介してガスシール部に達すると、緻密層が熱により溶融して多孔質層の細孔の内部に入り込む。これにより、高温のガスとの接触に起因した緻密層における気泡の発生や成長を抑えることが可能となり、緻密層での孔（クラック）の発生を抑制して良好にガスを封止することができる。この結果、燃料電池セルのガスシール部のシール性能や信頼性をより向上させることが可能となる。
【００１１】
また、前記ガスシール部は、前記緻密層が前記アノード層および前記カソード層との前記一方と前記集電部材との間の前記隙間を覆うと共に、前記多孔質層が前記緻密層を覆うように形成されてもよい。かかるガスシール部では、アノード層およびカソード層との一方と集電部材との間の隙間を介して緻密層に達した高温のガスの熱により当該緻密層が溶融して気泡が発生すると、当該気泡により押し出されることで溶融した緻密層の一部が外側の多孔質層の細孔の内部に入り込む。そして、多孔質層によって、細孔内に入り込んだ溶融物の更なる外側への進行が規制される。これにより、緻密層で気泡が発生しても、その成長を抑えることができるので、当該緻密層での孔（クラック）の発生を極めて良好に抑制することが可能となる。
【００１２】
更に、前記ガスシール部は、前記多孔質層を覆う第２の緻密層を含むものであってもよい。かかるガスシール部では、多孔質層の内側の緻密層における気泡の成長を抑えつつ、当該多孔質層の外側の第２の緻密層における気泡の発生を抑えることができる。この結果、ガスシール部のシール性能や信頼性をより一層向上させることが可能となる。
【００１３】
また、前記ガスシール部は、前記多孔質層が前記アノード層および前記カソード層との前記一方と前記集電部材との間の前記隙間を覆うと共に、前記緻密層が前記多孔質層を覆うように形成されてもよい。かかるガスシール部では、燃料電池セルの作動中に高温のガスがアノード層およびカソード層との一方と集電部材との間の隙間や多孔質層の細孔を介して緻密層に達すると、当該緻密層の一部が熱により溶融して内側の多孔質層の細孔の内部に入り込む。これにより、緻密層での気泡の発生を抑えることができるので、当該緻密層での孔（クラック）の発生を極めて良好に抑制することが可能となる。
【００１４】
更に、前記アノード層および前記カソード層の一方と前記集電部材とは、導電性シール部を介して電気的に接続されてもよく、前記ガスシール部は、前記導電性シール部を覆うと共に該導電性シール部の両側に位置する部材に接触するように形成されてもよい。
【００１５】
また、前記アノード層、前記カソード層および前記電解質層は、それぞれ筒状に形成されてもよく、該アノード層は、前記カソード層の端部から突出するように前記電解質層の内側に配置されてもよく、前記集電部材は、前記カソード層の端部から突出した前記アノード層の端部が挿入されて電気的に接続されると共に前記アノードガスの流通孔を有する有底筒状部材であってもよく、前記緻密層は、ガラス材により形成されてもよく、前記多孔質層は、セラミックにより形成されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本開示の燃料電池セルを示す部分断面図である。
【図２】本開示の燃料電池セルのガスシール部を示す拡大断面図である。
【図３】本開示における他のガスシール部を示す拡大断面図である。
【図４】本開示における更に他のガスシール部を示す拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
次に、図面を参照しながら、本開示の発明を実施するための形態について説明する。
【００１８】
図１は、本開示の燃料電池セル１を示す部分断面図である。同図に示す燃料電池セル１は、円筒型の固体酸化物形燃料電池セルとして構成されており、それぞれ長尺の円筒状に形成された固体電解質層２、アノード層（内側電極層）３、およびカソード層（外側電極層）４を含む。固体電解質層２は、アノード層３とカソード層４との間に配置され、アノード層３は、固体電解質層２よりも内側に配置される。アノード層３の内部には、水素を含むアノードガス（燃料ガス）が供給され、当該アノード層３は、負極として機能する。また、カソード層４は、その周囲に供給される例えば空気等の酸素を含むカソードガス（酸化剤ガス）と接触し、正極として機能する。燃料電池セル１は、アノード層３における水素の酸化反応とカソード層４における酸素の還元反応により発電する。
【００１９】
固体電解質層２は、Ｙ，Ｓｃ，Ｃａ等の希土類元素から選ばれる１種または２種以上をドープした安定化ジルコニアや、Ｇｄ，Ｙ，Ｓｍ等の希土類元素から選ばれる１種または２種以上をドープしたセリア、Ｌａ，Ｓｒ，Ｇａ，Ｍｇ，Ｃｏから選ばれる１種または２種以上をドープしたランタンガレート等により形成される。
【００２０】
アノード層３は、例えばＮｉやＦｅといった触媒金属とＹ，Ｓｃ，Ｃａ等の希土類元素から選ばれる１種または２種以上をドープした安定化ジルコニアとの混合体や、ＮｉやＦｅ等の触媒金属とＧｄ，Ｙ，Ｓｍ等の希土類元素から選ばれる１種または２種以上をドープしたセリアとの混合体、ＮｉやＦｅ等の触媒金属とＬａ，Ｓｒ，Ｇａ，Ｍｇ，Ｃｏから選ばれる１種または２種以上をドープしたランタンガレートとの混合体等により形成される。
【００２１】
カソード層４は、例えばＳｒを含有するペロブスカイト型酸化物により形成される。ペロブスカイト型酸化物として、例えば、Ｌａ1-xＳｒxＣｏ1-yＦｅyＯ3系酸化物（例えば、ｘ＝０．４、ｙ＝０．８）や、Ｌａ1-xＳｒxＣｏＯ3系酸化物（例えば、ｘ＝０．４）、Ｌａ1-xＳｒxＦｅＯ3系酸化物（例えばｘ＝０．４）、Ｌａ1-xＳｒxＭｎＯ3系酸化物（例えば、ｘ＝０．２）、Ｓｍ1-xＳｒxＣｏＯ3系酸化物（例えば、ｘ＝０．５）等が挙げられる。なお、固体電解質層２とカソード層４との間には、例えば、ＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）、ＹＤＣ（イットリアドープセリア）、ＳＤＣ（サマリウムドープセリア）といった希土類をドープしたセリア混合体により形成された図示しない反応防止層が設けられてもよい。
【００２２】
また、燃料電池セル１は、両端部に設けられた２つの集電キャップ（集電部材）５を含む（ただし、図１では、一方の集電キャップ５のみを示す）。各集電キャップ５は、導電性を有する金属により略有底筒状に形成されており、図示するように、円盤状の底板部５ａと、底板部５ａの外周から軸方向に延出された円筒状の筒状部５ｂと、底板部５ａの中央から筒状部５ｂとは反対側に延出された延出管部５ｃとを有する。延出管部５ｃには、当該延出管部５ｃを貫通して筒状部５ｂの内部に連通するガス流通孔（貫通孔）５ｄが形成されている。
【００２３】
本実施形態において、燃料電池セル１の固体電解質層２およびアノード層３の両端部は、カソード層４の両端部から外方に突出しており、固体電解質層２およびアノード層３の各端部は、アノード層３の端面が集電キャップ５の底板部５ａの内底面に当接するように筒状部５ｂ内に挿入される。そして、筒状部５ｂと固体電解質層２およびアノード層３との間には、銀やパラジウム等を含む銀ペーストが充填され、当該銀ペーストを高温下（例えば、１５０℃程度）で乾燥させると共に焼成させることにより環状の導電性シール部６が形成される。これにより、アノード層３と集電キャップ５とが直接的かつ導電性シール部６を介して電気的に接続される。また、一方の集電キャップ５の延出管部５ｃのガス流通孔５ｄには、アノードガスが供給される。これにより、当該一方の集電キャップ５のガス流通孔５ｄからアノード層３の内部にアノードガスを供給すると共に、他方の集電キャップ５の延出管部５ｃのガス流通孔５ｄからアノード層３を通過したアノードオフガスを流出させることができる。
【００２４】
更に、図１および図２に示すように、燃料電池セル１には、アノード層３と集電キャップ５との間の隙間を封止するためのガスシール部７が設けられている。ガスシール部７は、熱溶融性を有する緻密層７１と、当該緻密層７１に重なり合う多孔質層７２とを含み、固体電解質層２の外周面と集電キャップ５の筒状部５ｂの端面とに沿って環状に延在する。アノード層３と集電キャップ５との間の隙間としては、アノード層３の端面と集電キャップ５の底板部５ａとの間の微小な隙間や、固体電解質層２およびアノード層３の外周面と導電性シール部６との間に形成された微小な隙間、導電性シール部６と集電キャップ５の筒状部５ｂの内周面との間に形成された微小な隙間等が挙げられる。
【００２５】
本実施形態において、緻密層７１は、燃料電池セル１の作動温度域（例えば、６００〜１０００℃程度）において熱により溶融するガラス材により形成されており、導電性シール部６の端面、すなわちアノード層３と集電キャップ５との間の隙間を覆うと共に、当該導電性シール部６の両側に位置する部材である固体電解質層２の表面および集電キャップ５の筒状部５ｂの端面に接する。緻密層７１は、導電性シール部６を形成する上記銀ペーストを乾燥させた後、専用機械あるいは手作業によりガラス材の粉末と樹脂とを含むガラスペースト等を固体電解質層２、導電性シール部６および筒状部５ｂに対して塗布し、乾燥・焼成させることにより形成される。緻密層７１を形成する材料としては、８１重量％のＳｉＯ2、４重量％のＫ2ＯまたはＮａ2Ｏ、２重量％のＡｌ2Ｏ3、１３重量％のＢ2Ｏ3を含むガラス材を用いることができる。
【００２６】
また、本実施形態において、多孔質層７２は、アルミナ等のセラミックスと無機ポリマーとを含むセラミック接着剤により形成されており、緻密層７１を覆うと共に、固体電解質層２の表面および集電キャップ５の筒状部５ｂの端面に接する。多孔質層７２は、緻密層７１の形成後に、専用機械あるいは手作業によりセラミック接着剤を固体電解質層２、緻密層７１および筒状部５ｂに対して塗布し、乾燥・焼成させることにより形成される。多孔質層７２を形成する材料としては、５５〜６５重量％のＡｌ2Ｏ3、１〜５重量％のＺｒ化合物、１０〜２０重量％のＭＯ・ＳｉＯ2、１〜５重量％のＳｉＯ2等、１５〜２５重量％のＨ2Ｏを含むペースト状のセラミック接着剤や、１〜５重量％のＡｌ2Ｏ3、１０〜２０重量％のＭＯ・ＳｉＯ2、５０〜６０重量％のＳｉＯ2等、２０〜３０重量％のＨ2Ｏを含むペースト状のセラミック接着剤を用いることができる。
【００２７】
上述のように構成される燃料電池セル１では、その作動中に一方の集電キャップ５を流通する高温のアノードガスの一部がアノード層３の端面と集電キャップ５の底板部５ａとの間の隙間や、固体電解質層２およびアノード層３の外周面と導電性シール部６との間の隙間、導電性シール部６と筒状部５ｂの内周面との間の隙間等を介してガスシール部７の緻密層７１に達することがある。このように高温のアノードガスが緻密層７１まで達し、アノードガスの熱により当該緻密層７１が溶融して気泡が発生すると、当該気泡により押し出されることで緻密層７１を形成するガラス材の溶融した一部が外側の多孔質層７２の細孔の内部に入り込む。そして、多孔質層７２によって、細孔内に入り込んだガラス材の更なる外側への進行が規制されることになる。
【００２８】
これにより、アノードガスとの接触により緻密層７１で気泡が発生しても、その成長を抑えることが可能となり、当該緻密層７１での孔（クラック）の発生を極めて良好に抑制してアノードガスを封止することができる。この結果、燃料電池セル１では、ガスシール部７のシール性能や信頼性をより向上させると共に、カソードガスの流通領域へのアノードガスの漏洩に起因した電圧低下を抑制することが可能となる。
【００２９】
なお、上記燃料電池セル１は、ガスシール部７の代わりに、図３に示すガスシール部７Ｂを含むものであってもよい。図３に示すガスシール部７Ｂは、多孔質層７２Ｂを覆う第２の緻密層７３Ｂを含むものである。このようなガスシール部７Ｂでは、多孔質層７２Ｂの内側の緻密層７１Ｂにおける気泡の成長を抑えつつ、当該多孔質層７２Ｂの外側の第２の緻密層７３Ｂにおける気泡の発生を抑えることができる。この結果、ガスシール部７Ｂによれば、シール性能や信頼性をより一層向上させることが可能となる。
【００３０】
また、上記燃料電池セル１には、ガスシール部７の代わりに、図４に示すガスシール部７Ｃが設けられてもよい。図４に示すガスシール部７Ｃでは、多孔質層７２Ｃが導電性シール部６の端面、すなわちアノード層３と集電キャップ５との間の隙間を覆うと共に、当該導電性シール部６の両側に位置する部材である固体電解質層２の表面および集電キャップ５の筒状部５ｂの端面に接するように形成される。本実施形態において、多孔質層７２Ｃは、導電性シール部６を形成する銀ペーストの充填後に当該銀ペースト等に対してセラミック接着剤を塗布すると共に銀ペーストおよびセラミック接着剤を同時に乾燥させることにより形成される。更に、ガスシール部７Ｃでは、緻密層７１Ｃが多孔質層７２Ｃを覆うと共に、固体電解質層２の表面および集電キャップ５の筒状部５ｂの端面に接するように形成される。
【００３１】
このようなガスシール部７Ｃでは、燃料電池セル１の作動中に高温のアノードガスが、アノード層３と集電キャップ５との間の隙間や、多孔質層７２の細孔を介して緻密層７１に達すると、当該緻密層７１を形成するガラス材の一部が熱により溶融して内側の多孔質層７２Ｃの細孔の内部に入り込む。これにより、ガスシール部７Ｃでは、緻密層７１Ｃでの気泡の発生を抑えることができるので、当該緻密層７１Ｃでの孔（クラック）の発生を極めて良好に抑制することが可能となる。
【００３２】
以上説明したように、本開示の燃料電池セル１は、アノードガスが供給されるアノード層３と、カソードガスが供給されるカソード層４と、アノード層３とカソード層４との間に配置された固体電解質層２と、アノード層３と電気的に接続されると共にアノードガスを通過させる集電キャップ５と、アノード層３と集電キャップ５との間の隙間を封止するガスシール部７，７Ｂまたは７Ｃを有する。そして、ガスシール部７，７Ｂおよび７Ｃは、熱溶融性を有する緻密層７１，７１Ｂ，７１Ｃ，７３Ｂと、当該緻密層に重なり合う多孔質層７２，７２Ｂ，７２Ｃとを含む。これにより、高温のアノードガスとの接触に起因した緻密層７１，７１Ｂ，７１Ｃ，７３Ｂにおける気泡の発生や成長を抑えることが可能となり、緻密層７１，７１Ｂ，７１Ｃ，７３Ｂでの孔（クラック）の発生を抑制して良好にガスを封止することができる。この結果、ガスシール部７，７Ｂおよび７Ｃのシール性能や信頼性をより向上させることが可能となる。
【００３３】
ただし、上述のガスシール部７，７Ｂおよび７Ｃは、カソード層が電解質層の内側に配置されると共に、カソードガスを通過させる集電キャップ（集電部材）に当該カソードの端部が挿入される燃料電池セルに適用されてもよく、平板型の燃料電池セルに適用されてもよい。また、上述のガスシール部７，７Ｂおよび７Ｃは、固体酸化物形以外の形式の燃料電池セルに適用されてもよい。更に、燃料電池セルの作動温度によっては、ガスシール部の緻密層は、樹脂により形成されてもよい。また、ガスシール部の多孔質層は、セラミック以外の多孔質材料により形成されてもよい。
【００３４】
そして、本開示の発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本開示の外延の範囲内において様々な変更をなし得ることはいうまでもない。更に、上記実施形態は、あくまで発明の概要の欄に記載された発明の具体的な一形態に過ぎず、発明の概要の欄に記載された発明の要素を限定するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本開示の発明は、燃料電池セルの製造産業等において利用可能である。
【符号の説明】
【００３６】
１  燃料電池セル、２  固体電解質層、３  アノード層、４  カソード層、５  集電キャップ、５ａ  底板部、５ｂ  筒状部、５ｃ  延出管部、５ｄ  ガス流通孔、６  導電性シール部、７，７Ｂ，７Ｃ  ガスシール部、７１，７１Ｂ，７１Ｃ，７３Ｂ  緻密層、７２，７２Ｂ，７２Ｃ  多孔質層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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