CN109478660A - 燃料电池 - Google Patents

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Abstract

燃料电池包括：金属支承板、电池构造体、分隔件、玻璃密封构件以及覆盖层。电池构造体具有配置于金属支承板上的电解质层。分隔件配置于电池构造体上。玻璃密封构件配置于金属支承板和分隔件之间并且比电池构造体靠外侧。覆盖层配置于金属支承板和玻璃密封构件之间，并且与金属支承板以及玻璃密封构件接触。在电池构造体和覆盖层之间设有规定的间隔。

Description

燃料电池
技术领域
本发明涉及燃料电池。
背景技术
以往，为了不形成电池框架，提出一种工序简单并且在经济性上优异的金属支承体型固体氧化物燃料电池堆。该燃料电池堆包含：多个单电池；在两个以上的单电池之间配置并串联连结的分隔板；以及在单电池与分隔板之间形成的密封材料。而且，该单电池包含：金属支承体；形成于金属支承体的一面的第1电极；形成于第1电极的一面的电解质；以及形成于电解质的一面并且具有与第1电极不同的极性的第2电极。此外，在金属支承体、第1电极、电解质以及第2电极形成有作为流体通路的歧管(参照专利文献1。)。
专利文献1：日本特表2014-504778号公报
发明内容
发明要解决的问题
但是，在专利文献1所述的燃料电池堆中，为了防止交叉泄漏，电解质形成至金属支承体的端部。因此，有如下问题：在由于热应力等，裂纹产生于密封材料并且产生的裂纹传播至电解质的情况或者裂纹产生于与密封材料接触的电解质并且产生的裂纹传播至电解质的面方向中心侧的情况下，有发生交叉泄漏的危险。
本发明鉴于这样的现有技术具有的问题而作成。而且，本发明的目的在于提供一种能够更可靠地防止交叉泄漏的燃料电池。
用于解决问题的方案
本发明人们为了达成上述目的专心致志反复探讨。其结果，发现通过在金属支承板与玻璃密封构件之间配置规定的覆盖层而能够达成上述目的，以至完成本发明。
发明的效果
根据本发明，可以提供一种防止裂纹传播至电解质，并且能够更可靠地防止交叉泄漏的燃料电池。
附图说明
图1是表示本发明的第1实施方式涉及的燃料电池的分解的状态的示意性的说明图。
图2是表示图1所示的金属支承板的一主面侧的说明图。
图3是表示图1所示的金属支承板的另一主面侧的说明图。
图4是表示图1所示的燃料电池的装配的状态的示意性的说明图。
图5是图4所示的燃料电池的沿V-V’线的示意性的剖面图。
图6是本发明的第2实施方式涉及的燃料电池的示意性的剖面图。
具体实施方式
以下，一边参照附图一边详细地说明本发明的一实施方式涉及的燃料电池。另外，对于以下引用的附图的尺寸比例，在说明的方便性上有放大、与实际的比例不同的情况。
第1实施方式
首先，详细地说明本发明的第1实施方式涉及的燃料电池。图1是表示第1实施方式涉及的燃料电池的分解的状态的示意性的说明图。此外，图2是表示图1所示的金属支承板的一主面侧的说明图。在此，所谓一主面侧意思是图1中的分隔件21所配置的一侧。另外，在图2中示出了设有玻璃密封构件的状态。另外，图3是表示图1所示的金属支承板的另一主面侧的说明图。在此，所谓另一主面侧意思是图1中的分隔件22所配置的一侧。另外，在图3中示出了形成有密封部的状态。此外，图4是表示图1所示的燃料电池的装配的状态的示意性的说明图。另外，图5是图4所示的燃料电池的沿V-V’线的示意性的剖面图。
如图1～图5所示，本实施方式的燃料电池1包括：金属支承板10、电池构造体20、分隔件31、玻璃密封构件40以及覆盖层50。另外，在图示例中，燃料电池1具有与分隔件31同样的分隔件32。虽然从部件的种类数量的减少、易于层叠多个燃料电池来装配燃料电池堆的观点出发，分隔件31和分隔件32优选是相同的，但是也可以不同。此外，在图示例中，燃料电池1具有多孔质集电构件61。详细来说虽然从提高后述的空气极层的集电性的观点出发，优选具有多孔质集电构件，但是也可以不具有多孔质集电构件。另外，在图示例中，燃料电池1在分隔件32侧与分隔件31侧同样地具有多孔质集电构件62。虽然从部件的种类数量的减少的观点出发，多孔质集电构件61和多孔质集电构件62优选是相同的，但是也可以不同。此外，在图示例中，在金属支承板10的另一主面侧形成有密封部70。
而且，优选的是，金属支承板10例如在作为与厚度方向垂直的方向的面方向上在内侧具有多孔质部101，并且在外侧具有致密质部102。在此，所谓“多孔质”意思是具有能够透过燃料气体、氧化剂气体的气体透过性。此外，所谓“致密质”意思是具有不能够透过燃料气体、氧化剂气体的气体不透过性。另外，在图示例中，金属支承板10中的致密质部102形成了阻断气体透过的框架。另一方面，由致密质部102形成的框架具有供燃料气体、氧化剂气体流通的通孔H1～H4。此外，在图示例中，金属支承板10具有一主面为平坦的构造。详细来说虽然从利用图案化易于形成后述的电解质层以及由与电解质层同样的材料形成的覆盖层的观点出发，优选具有一主面为平坦的构造，但是不限定于此。另外，虽然没有特别限定，但是作为金属支承板10，从耐热性高等观点出发，优选适用由例如不锈钢形成的金属支承板。此外，虽然没有特别限定，但是作为金属支承板10，也能够适用将多孔质板的周围适当加压压缩而使其致密质、形成规定的多孔质部和致密质部的金属支承板。另外，关于通孔，虽然可以在加压压缩后利用机械加工形成，但是不限定于此。
此外，电池构造体20具有电解质层201。此外，电解质层201配置于金属支承板10上。另外，在图示例中，电解质层201的面方向上的尺寸具有比金属支承板10中的多孔质部101的面方向上的尺寸大的关系。若具有这样的关系，则由于无需为了防止交叉泄漏而在电解质层201以外的其他的构件进一步进行气体密封而优选，但是不限定于此。此外，在图示例中，电池构造体20具有空气极层202和燃料极层203，并且具有电解质层201利用空气极层202和燃料极层203夹持的构造。另外，在图示例中，电池构造体20具有配置于金属支承板10与电解质层201之间的燃料极层203。另外，若具有这样的构造，则能够发挥优异的发电性能，但是不限定于此。例如，虽然没有图示，但是通过调制金属支承板的多孔质部的材质，多孔质部的一部分或者全部能够承担作为燃料极层的功能。此外，在图示例中，电解质层201的面方向上的尺寸具有比燃料极层203的面方向上的尺寸大的关系。若具有这样的关系时，则由于无需为了防止交叉泄漏而在电解质层201以外的其他的构件进一步进行气体密封而优选，但是不限定于此。另外，作为电解质层201，能够适用由适用于固体氧化物型燃料电池的电解质层的以往公知的电解质材料形成的电解质层。此外，虽然没有特别限定，但是作为电解质层201，能够举出由钇稳定氧化锆等氧化物离子导体构成的电解质层作为优选例。另外，作为空气极层202，能够适用由适用于固体氧化物型燃料电池的空气极层的以往公知的空气极材料形成的空气极层。此外，作为燃料极层203，能够适用由适用于固体氧化物型燃料电池的燃料极层的以往公知的燃料极材料形成的燃料极层。另外，形成了将燃料极层203、电解质层201以及空气极层202以该顺序层叠于金属支承板10而成的电池构造体的电池通常被称为金属支承电池。
另外，分隔件31配置于电池构造体20上。另外，在图示例中，多孔质集电构件61配置于电池构造体20与分隔件31之间。此外，在图示例中，分隔件32配置于金属支承板10的未配置电池构造体20的一侧。另外，在图示例中，分隔件31具有平板部311以及连续的凸部312。此外，在图示例中，分隔件32也具有平板部321以及连续的凸部322。另外，在图示例中，在与配置电池构造体20的发电区域相对的位置形成有连续的凸部312、322。而且，连续的凸部312、322形成供燃料气体、氧化剂气体流通的流路。此外，在图示例中，分隔件31、32在与金属支承板10中的通孔H1～H4同样的位置具有通孔H1～H4。另外，虽然没有特别限定，但是从耐热性高等观点出发，作为分隔件31、32，优选适用由例如不锈钢形成的分隔件。另外，虽然没有图示，但是分隔件31、32在与配置电池构造体20的发电区域相对的位置具有连续的表背反转的凹凸部，这些也可以形成供燃料气体、氧化剂气体流通的流路。
此外，玻璃密封构件40配置于金属支承板10与分隔件31之间并且比电池构造体20靠外侧。另外，在图示例中，玻璃密封构件40配置于金属支承板10、分隔件31的外周缘部、通孔H1、H3的周围。此外，作为玻璃密封构件40，能够适用由适用于固体氧化物型燃料电池的玻璃密封构件的以往公知的玻璃密封材料形成的玻璃密封构件。
另外，覆盖层50配置于金属支承板10与玻璃密封构件40之间。此外，覆盖层50与金属支承板10以及玻璃密封构件40接触。从气体密封性的充分的确保的观点出发，覆盖层50优选配置于玻璃密封构件40的自分隔件31侧的整个投影面。另外，在电池构造体20与覆盖层50之间设有规定的间隔G。此外，在图示例中，规定的间隔G位于金属支承板10中的致密质部102上。若使规定的间隔G位于金属支承板10中的致密质部102上，则由于无需为了防止交叉泄漏而在其他的构件进行气体密封而优选。另外，在图示例中，规定的间隔G的面方向上的宽度具有比金属支承板10中的多孔质部101的外端101oe与玻璃密封构件40的内端40ie在面方向上的距离小的关系。若具有这样的关系，则覆盖层可靠地配置于玻璃密封构件与金属支承板之间，不仅能够更可靠地防止交叉泄漏，也能够充分地确保气体密封性。此外，在图示例中，覆盖层50配置于通孔H1、H3的周围以及致密质部102的大致整个面。由此，有易于维持发电性能的优点。但是，不限定于此，虽然没有图示，但是也可以仅配置于通孔H1、H3的周围以及致密质部102的外周缘部。另外，虽然没有特别限定，但是作为覆盖层50，从构造的自由度较高等观点出发，优选适用例如具有绝缘性的覆盖层。此外，虽然没有特别限定，但是作为覆盖层50，优选适用例如含有与构成电解质层的材料同样的材料的覆盖层，更具体来说，优选是与电解质层同样的覆盖层。
此外，在图示例中，多孔质集电构件61配置于分隔件31与空气极层202之间。另外，多孔质集电构件61只要能够适当地确保空气极层202的集电性以及使空气极层202侧的氧化剂气体能够透过的气体透过性，就并没有特别限定。作为多孔质集电构件61，能够举出由金属板网形成的多孔质集电构件作为优选例。另外，多孔质集电构件62与多孔质集电构件61是同样的构件。虽然从部件的种类数量的减少、易于层叠多个燃料电池来装配燃料电池堆的观点出发，多孔质集电构件61和多孔质集电构件62优选是相同的，但是也可以不同。
另外，在图示例中，密封部70形成于金属支承板10、分隔件32的外周缘部、通孔H2、H4的周围。此外，密封部70能够由例如玻璃密封材料或者钎焊材料配置密封构件而形成。另外，作为玻璃密封材料，能够适用与上述同样的材料。此外，作为钎焊材料，能够适用在固体氧化物型燃料电池中适用的以往公知的钎焊材料。但是不限定于这些，例如，密封部70也能够将金属支承板10和分隔件32焊接而形成。另外，从能够确保导电性的观点出发，密封部70优选利用钎焊材料的配置或者焊接来形成。此外，从部件数量的减少的观点出发，密封部70优选利用焊接形成。
而且，若变为燃料电池1装配后的状态，则金属支承体10上的覆盖层50与分隔件31之间利用玻璃密封构件40气体密封，金属支承体10与分隔件32之间利用密封部70气体密封。另外，如图2以及图3所示，在燃料电池中，通过如图中箭头Z所示自通孔H4向空气极层侧供给氧化剂气体，如图中箭头Y所示自通孔H1向燃料极层侧供给燃料气体，从而进行发电。另外，未利用的氧化剂气体自通孔H2排出，未利用的燃料气体、反应生成气体、水蒸气等自通孔H3排出。在此，作为氧化剂气体，能够适用例如氧气、空气等。此外，作为燃料气体，能够适用例如氢气、汽油等烃燃料、乙醇等烃系燃料等，也可以根据需要混合水。
此外，虽然没有特别限定，但是在将多个燃料电池1进一步层叠来装配燃料电池堆的情况下，能够使用将电池构造体20和覆盖层50形成于金属支承板10上并且将分隔件32与多孔质集电构件62接合于不形成电池构造体20的一侧而构成的电池单元。虽然没有特别限定，但是从能够确保导电性的观点出发，金属支承板10与分隔件32之间的接合、分隔件32与多孔质集电构件62之间的接合优选利用钎焊材料的配置、焊接来进行。在使用这样的电池单元并层叠的情况下，分隔件31和多孔质集电构件61成为构成其他的电池单元的构件。而且，变为利用玻璃密封构件40来进行电池单元间的接合以及气体密封。另外，若使用这样的电池单元，则在装配燃料电池堆的情况下，由于仅在电池单元涂布玻璃密封材料并层叠，因此能够使制造工序简化。
如上所述，通过具有以下的(1)～(6)的结构，燃料电池变得能够更可靠地防止交叉泄漏。
(1)具有：金属支承板、电池构造体、分隔件、玻璃密封构件以及覆盖层。
(2)电池构造体具有配置于金属支承板上的电解质层。
(3)分隔件配置于电池构造体上。
(4)玻璃密封构件配置于金属支承板与分隔件之间并且比电池构造体靠外侧。
(5)覆盖层配置于金属支承板与玻璃密封构件之间，并且与金属支承板以及玻璃密封构件接触。
(6)在电池构造体与覆盖层之间设有规定的间隔。
换言之，有由于热应力等而在利用玻璃密封构件、覆盖层形成的密封部产生裂纹的情况。但是，通过在电池构造体与覆盖层之间设置规定的间隔，能够防止在玻璃密封构件、覆盖层产生的裂纹向电池构造体，甚至向电解质层传播。由此，能够更可靠地防止交叉泄漏。
此外，通过在金属支承板与玻璃密封构件之间配置与金属支承板以及玻璃密封构件接触的覆盖层，也有能够抑制乃至于防止覆盖层与玻璃密封构件之间、玻璃密封材料本身的气体密封性的降低的次要的优点。更具体来说，通过配置覆盖层，例如若覆盖层是与电解质层同样的氧化物，则由于玻璃密封构件也是氧化物，因此覆盖层与玻璃密封构件的接合性优异。由此，能够抑制乃至于防止覆盖层与玻璃密封构件之间的气体密封性的降低。此外，通过配置覆盖层，能够避免例如不锈钢等含有铬的金属支承板与玻璃密封构件的直接接触。由此，能够抑制由于高温下的铬的蒸发、扩散导致的玻璃密封构件本身的劣化。其结果，能够抑制乃至于防止玻璃密封构件本身的气体密封性的降低。
此外，如上所述，燃料电池优选具有以下的(7)的结构。由此，变得能够更可靠地防止交叉泄漏，具有优异的气体密封性。
(7)覆盖层含有与构成电解质层的材料同样的材料。
换言之，通过利用已知能够防止燃料极层与空气极层之间的交叉泄漏的与电解质层同样的材料来形成覆盖层，能够更可靠地防止交叉泄漏，能够充分地确保气体密封性。
另外，如上所述，燃料电池优选具有以下的(8)～(10)的结构。由此，能够更可靠地防止交叉泄漏。
(8)金属支承板在作为与厚度方向垂直的方向的面方向上在内侧具有多孔质部，并且在外侧具有致密质部。
(9)规定的间隔位于致密质部上。
(10)规定的间隔的面方向上的宽度比多孔质部的外端与玻璃密封构件的内端在面方向上的距离小。
换言之，通过在致密质部上配置规定的间隔，无需配置例如像为了防止交叉泄漏而将多孔质部的一部分气体密封这样的其他的密封构件，此外，能够使成为气体密封性的降低要因的构件之间的接合界面减少。其结果，能够更可靠地防止交叉泄漏。
此外，如上所述，燃料电池优选具有以下的(11)的结构。由此，能够更可靠地防止交叉泄漏。
(11)电解质层的面方向上的尺寸比多孔质部的面方向上的尺寸大。
换言之，通过使电解质层的面方向上的尺寸比多孔质部的面方向上的尺寸大，无需配置例如像为了防止交叉泄漏而将多孔质部的一部分气体密封这样的其他的密封构件，此外，能够使成为气体密封性的降低要因的构件之间的接合界面减少。其结果，能够更可靠地防止交叉泄漏。
另外，如上所述，燃料电池优选具有以下的(12)以及(13)的结构。由此，变得能够更可靠地防止交叉泄漏，具有优异的发电性能。
(12)电池构造体具有配置于金属支承板与电解质层之间的燃料极层。
(13)电解质层的面方向上的尺寸比燃料极层的面方向上的尺寸大。
换言之，通过使电池构造体具有配置于金属支承板与电解质层之间的燃料极层，并使电解质层的面方向上的尺寸比燃料极层的面方向上的尺寸大，无需配置例如像将燃料极层的一部分气体密封这样的其他的密封构件，此外，能够使成为气体密封性的降低要因的构件之间的接合界面减少。其结果，能够更可靠地防止交叉泄漏。此外，由于设置了燃料极层，因此能够发挥优异的发电性能。
此外，如上所述，燃料电池优选具有以下的(14)的结构。由此，能够更可靠地防止交叉泄漏。
(14)致密质部形成了阻断气体透过的框架。
换言之，通过利用致密质部形成阻断气体透过的框架，无需配置例如在金属支承板的周围形成通孔的另外的构件，此外，能够使成为气体密封性的降低要因的构件之间的接合界面减少。其结果，能够更可靠地防止交叉泄漏。
第2实施方式
接着，详细地说明本发明的第2实施方式涉及的燃料电池。图6是第2实施方式涉及的燃料电池的示意性的剖面图，具体来说，是沿着与图4所示的V-V’线同样位置的线的剖面图。另外，对于与上述的实施方式同样的结构，通过附上同样的附图标记而省略重复的说明。
如图6所示，对于本实施方式的燃料电池2，在规定的间隔G设有凸部103这点与上述的实施方式的燃料电池1不同。另外，关于没有图示的部分，对于凸部103以外来说与图1～图5所示的结构同样。此外，在图示例中，虽然凸部103由金属支承板10，进一步来说，由致密质部102形成，但是不限定于此。也可以例如在致密质部102上配置另外的构件形成。此外，凸部103未必需要与致密质部102同样地为致密质。
如上所述，通过具有(1)～(6)的结构，燃料电池能够更可靠地防止交叉泄漏。此外，也有能够抑制乃至于防止气体密封性的降低的次要的优点。另外，如上所述，燃料电池优选适当具有(7)～(14)的结构。由此，变得能够更可靠地防止交叉泄漏，具有优异的气体密封性、发电性能。而且，如上所述，通过设置规定的凸部103，能够可靠地避免覆盖层、玻璃密封构件与电池构造体接触。由此，能够更可靠地防止在玻璃密封构件、覆盖层产生的裂纹向电池构造体，甚至向电解质层传播。其结果，能够更可靠地防止交叉泄漏。
以上，虽然利用若干的实施方式说明了本发明，但是本发明不限定于这些，在本发明的要旨的范围内能够进行各种的变形。
例如，上述的燃料电池的优选方式中的结构能够适当地组合采用。
附图标记说明
1、2、燃料电池；10、金属支承板；101、多孔质部；101oe、外端；102、致密质部；103、凸部；20、电池构造体；201、电解质层；202、空气极层；203、燃料极层；31、32、分隔件；311、321、平板部；312、322、凸部；40、玻璃密封构件；40ie、内端；50、覆盖层；61、62、多孔质集电构件；70、密封部；G、间隔；H1～H4、通孔。

Claims (6)

1.一种燃料电池，其包括：
金属支承板；
电池构造体，其具有配置于所述金属支承板上的电解质层；
分隔件，其配置于所述电池构造体上；以及
玻璃密封构件，其配置于所述金属支承板与所述分隔件之间并且比所述电池构造体靠外侧，所述燃料电池的特征在于，
所述燃料电池具有覆盖层，该覆盖层配置于所述金属支承板与所述玻璃密封构件之间，并且与所述金属支承板以及所述玻璃密封构件接触，
在所述电池构造体与所述覆盖层之间设有规定的间隔。
2.根据权利要求1所述的燃料电池，其特征在于，
所述覆盖层含有与构成所述电解质层的材料同样的材料。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池，其特征在于，
所述金属支承板在作为与厚度方向垂直的方向的面方向上在内侧具有多孔质部，并且在外侧具有致密质部，
所述规定的间隔位于所述致密质部上，
所述规定的间隔的所述面方向上的宽度比所述多孔质部的外端与所述玻璃密封构件的内端在所述面方向上的距离小。
4.根据权利要求3所述的燃料电池，其特征在于，
所述电解质层的所述面方向上的尺寸比所述多孔质部的所述面方向上的尺寸大。
5.根据权利要求1～4中任1项所述的燃料电池，其特征在于，
所述电池构造体具有配置于所述金属支承板与所述电解质层之间的燃料极层，
所述电解质层的所述面方向上的尺寸比所述燃料极层的所述面方向上的尺寸大。
6.根据权利要求3所述的燃料电池，其特征在于，
所述致密质部形成阻断气体透过的框架。
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