JP2016186902A - Solid oxide type fuel battery - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid oxide type fuel battery capable of suppressing leakage of fuel gas supplied to a fuel electrode to the outside and mixing of the fuel gas with air supplied to an air electrode.SOLUTION: A solid oxide fuel battery 1 includes a unit battery 30 having an air electrode 32 and a fuel electrode 33 provided on both the surfaces of solid oxide electrolyte 31, and a fuel electrode-side separator 20 disposed outside the fuel electrode 33 of the unit cell 30. A internal seal member 62 for blocking flow of gas is provided between a surface of the unit cell 30 on a side at which the fuel electrode 33 is provided, and the fuel electrode-side separator 20. A space which is surrounded by the unit cell 30, the fuel electrode side separator 20 and the inner sealing member 62 and partitioned from the outside is set as a fuel gas flow passage portion F through which fuel gas flows.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池に関し、さらに詳しくは、単セルやセパレータ等の部材を用いて組み上げられた固体酸化物形燃料電池に関する。   The present invention relates to a solid oxide fuel cell, and more particularly to a solid oxide fuel cell assembled using a member such as a single cell or a separator.

固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、固体電解質層の両面に燃料極（アノード）および空気極（カソード）を接合した単セルを基本的な構成要素としている。ＳＯＦＣにおいては、セパレータを介して複数の単セルを電気的に直列に接続したスタック構造を形成して発電装置とすることが多い。   A solid oxide fuel cell (SOFC) is basically composed of a single cell in which a fuel electrode (anode) and an air electrode (cathode) are bonded to both surfaces of a solid electrolyte layer. In SOFC, a power generation device is often formed by forming a stack structure in which a plurality of single cells are electrically connected in series via a separator.

この種のＳＯＦＣにおいては、燃料極に供給される燃料ガスと、空気極に供給される空気とが混合されることや、燃料ガスがＳＯＦＣの外部に漏出することによって発電効率が低下してしまうのを防止するため、ガラスシール材等を用いて、ガスシール構造が形成される。従来一般の代表的なガスシール構造として、図４に示すものを挙げることができる。   In this type of SOFC, the power generation efficiency decreases due to the mixing of the fuel gas supplied to the fuel electrode and the air supplied to the air electrode, or leakage of the fuel gas outside the SOFC. In order to prevent this, a gas seal structure is formed using a glass sealing material or the like. As a typical typical gas seal structure in the past, the one shown in FIG. 4 can be exemplified.

図４に示す従来一般のＳＯＦＣユニット１００は、空気極側セパレータ１１０、燃料極側セパレータ１２０、単セル１３０、集電材１４０，１４５、絶縁フレーム１５０を主な部材として構成されている。図４（ａ）のように、絶縁フレーム１５０の両面と、空気極側セパレータ１１０を構成する薄膜セパレータ１１２の単セル１３０に面する部位に、ガラスシール等のシール材を塗布したうえで、図４（ｂ）のように各部材が接合されている。これにより、両セパレータ１１０，１２０と絶縁フレーム１５０の間に、外部シール材１６１ａ，１６１ｂが配置され、燃料ガスがＳＯＦＣユニット１００の外部に漏れるのを抑制する。そして、単セル１３０の空気極１３２側の面と空気極側セパレータ１１０との間に、内部シール材１６２が形成され、燃料極１３３に供給される燃料ガスと空気極１３２に供給される空気との混合を防止する。具体的には、内部シール材１６２により、図４（ｂ）中に太線で囲んで示した、燃料極側セパレータ１２０、外部シール材１６１ａ，１６１ｂ、空気極側セパレータ１１０、絶縁フレーム１５０、内部シール材１６２、単セル１３０で囲まれた空間が、燃料ガスが流通する燃料ガス流通部Ｆ’とされる。一方、空気極側セパレータ１１０、内部シール材１６２、単セル１３０で囲まれた空間が、空気が流通する空気流通部Ａ’とされ、燃料ガス流通部Ｆ’と区画される。このように、単セルの空気極１３２側の面に内部シール材１６２が配置され、燃料ガスと空気の混合を防止する構成は、例えば特許文献１に開示されている。   A conventional general SOFC unit 100 shown in FIG. 4 includes an air electrode side separator 110, a fuel electrode side separator 120, a single cell 130, current collectors 140 and 145, and an insulating frame 150 as main members. As shown in FIG. 4A, after applying a sealing material such as a glass seal to both surfaces of the insulating frame 150 and the portion facing the single cell 130 of the thin film separator 112 constituting the air electrode side separator 110, Each member is joined as shown in 4 (b). As a result, the external sealing materials 161 a and 161 b are disposed between the separators 110 and 120 and the insulating frame 150, and the fuel gas is prevented from leaking outside the SOFC unit 100. An internal sealing material 162 is formed between the air electrode 132 side surface of the single cell 130 and the air electrode side separator 110, and the fuel gas supplied to the fuel electrode 133 and the air supplied to the air electrode 132 To prevent mixing. Specifically, the fuel electrode side separator 120, the external seal materials 161a and 161b, the air electrode side separator 110, the insulating frame 150, and the internal seal shown by a thick line in FIG. A space surrounded by the material 162 and the single cell 130 is a fuel gas circulation portion F ′ through which the fuel gas flows. On the other hand, a space surrounded by the air electrode side separator 110, the internal sealant 162, and the single cell 130 is defined as an air circulation part A 'through which air flows, and is partitioned from the fuel gas circulation part F'. Thus, the structure which the internal sealing material 162 is arrange | positioned in the surface at the side of the air electrode 132 of a single cell, and prevents mixing of fuel gas and air is disclosed by patent document 1, for example.

特開２０１４−４９３２１号公報JP 2014-49321 A

上記で説明した図４の形態のように、単セル１３０の燃料極１３３に供給される燃料ガスと空気極１３２に供給される空気との混合を防止するための内部シール材１６２を単セル１３０の空気極１３２側の面に設ける場合、燃料ガス流通部Ｆ’が、ＳＯＦＣユニット１００の厚み方向に沿って、広い範囲を占めやすい。すると、燃料ガス流通部Ｆ’内に露出される部材間接合部が多くなり、それらの部材間接合部から燃料ガスがＳＯＦＣユニット１００の外部に漏出する可能性が高くなる。例えば、図４に示した形態においては、絶縁フレーム１５０と両セパレータ１１０，１２０との間の外部シール材１６１ａ，１６１ｂを介した接合部が、燃料ガス流通部Ｆ’の内部に露出されている。絶縁フレーム１５０の平面度が低い場合や、外部シール材１６１ａ，１６１ｂの厚みに空間的不均一性が存在する場合に、この絶縁フレーム１５０と外部シール材１６１ａ，１６１ｂの間の部位に、密着性が低い部位が生じ、燃料ガスの漏出を招く可能性がある。   As described above with reference to FIG. 4, the internal sealing material 162 for preventing the fuel gas supplied to the fuel electrode 133 of the single cell 130 and the air supplied to the air electrode 132 from mixing is provided. When provided on the surface on the air electrode 132 side, the fuel gas circulation part F ′ tends to occupy a wide range along the thickness direction of the SOFC unit 100. Then, the inter-member joints exposed in the fuel gas circulation part F ′ increase, and the possibility that the fuel gas leaks out of the SOFC unit 100 from the inter-member joints increases. For example, in the embodiment shown in FIG. 4, the joint portion between the insulating frame 150 and the separators 110 and 120 via the external seal materials 161a and 161b is exposed inside the fuel gas circulation portion F ′. . In the case where the flatness of the insulating frame 150 is low or there is a spatial non-uniformity in the thickness of the external sealing materials 161a and 161b, the adhesion between the insulating frame 150 and the external sealing materials 161a and 161b is improved. This may cause a low part and lead to fuel gas leakage.

本発明が解決しようとする課題は、燃料極に供給する燃料ガスが外部へ漏出すること、および空気極に供給する空気と混合されることを抑制できる固体酸化物型燃料電池を提供することにある。   The problem to be solved by the present invention is to provide a solid oxide fuel cell capable of suppressing the fuel gas supplied to the fuel electrode from leaking outside and being mixed with the air supplied to the air electrode. is there.

上記課題を解決するために、本発明にかかる固体酸化物形燃料電池は、固体酸化物電解質の両面に空気極と燃料極を設けた単セルと、前記単セルの燃料極の外側に配された燃料極側セパレータとを有し、前記単セルの前記燃料極が設けられた側の面と、前記燃料極側セパレータとの間に、気体の流通を遮断する内部シール材が設けられ、前記単セルと前記燃料極側セパレータと前記内部シール材とに囲まれて外部と区画された空間が、燃料ガスが流通される燃料ガス流通部とされていることを要旨とする。   In order to solve the above problems, a solid oxide fuel cell according to the present invention is provided with a single cell in which an air electrode and a fuel electrode are provided on both sides of a solid oxide electrolyte, and outside the fuel electrode of the single cell. A fuel electrode side separator, and an internal sealing material for blocking gas flow is provided between a surface of the single cell on which the fuel electrode is provided and the fuel electrode side separator, The gist is that the space surrounded by the single cell, the fuel electrode side separator, and the inner seal material and partitioned from the outside is a fuel gas circulation part through which fuel gas is circulated.

ここで、前記固体酸化物形燃料電池は、前記空気極の外側に配置された空気極側セパレータと、前記燃料極側セパレータと前記空気極側セパレータとの間に配置され、前記単セルを取り囲む絶縁材と、をさらに有し、前記絶縁材と前記空気極側セパレータおよび前記燃料極側セパレータとの間の気体の流通を遮断する外部シール材が、前記燃料ガス流通部の外に設けられているとよい。   Here, the solid oxide fuel cell is disposed between an air electrode side separator disposed outside the air electrode, and between the fuel electrode side separator and the air electrode side separator, and surrounds the single cell. An external sealing material that shuts off the gas flow between the insulating material, the air electrode side separator, and the fuel electrode side separator, and is provided outside the fuel gas flow portion. It is good to be.

また、前記燃料極側セパレータは、薄膜状の金属材よりなる薄膜セパレータと、前記薄膜セパレータより厚い金属材よりなる本体セパレータと、を有してなり、前記薄膜セパレータと前記本体セパレータとは、一部の領域において熱圧着によって相互に気密に接合され、前記内部シール材は、前記薄膜セパレータに接触して設けられているとよい。   The fuel electrode-side separator includes a thin film separator made of a thin metal material and a main body separator made of a metal material thicker than the thin film separator. The thin film separator and the main body separator are It is preferable that the inner sealing material is provided in contact with the thin film separator by being airtightly bonded to each other by thermocompression bonding.

そして、前記単セルと前記燃料極側セパレータの間には、前記燃料ガス流通部の中に、前記単セルおよび前記燃料極側セパレータよりも弾性変形しやすい導電性物質よりなる集電材が配置されているとよい。   Between the single cell and the fuel electrode side separator, a current collector made of a conductive material that is more elastically deformed than the single cell and the fuel electrode side separator is disposed in the fuel gas circulation portion. It is good to have.

この場合さらに、前記燃料極側セパレータは、薄膜状の金属材よりなる薄膜セパレータと、前記薄膜セパレータより厚い金属材よりなる本体セパレータと、を有してなり、前記薄膜セパレータは、前記本体セパレータと熱圧着によって気密に接合された基部と、前記基部から前記単セル側に立ち上がった立ち上がり部と、を有し、前記立ち上がり部は、前記単セル側の面において前記内部シール材と接触し、その反対側の面において前記集電材と接触し、前記本体セパレータとの間で前記集電材を圧縮していることが好ましい。   In this case, the fuel electrode side separator further includes a thin film separator made of a thin film metal material, and a main body separator made of a metal material thicker than the thin film separator, and the thin film separator is made of the main body separator. A base part hermetically bonded by thermocompression bonding, and a rising part rising from the base part to the single cell side, the rising part being in contact with the internal sealing material on the surface of the single cell side, It is preferable that the opposite surface is in contact with the current collector and the current collector is compressed between the main body separator.

上記発明にかかる固体酸化物形燃料電池においては、燃料ガス流通部が、内部シール材によって、固体酸化物形燃料電池の外部、および単セルの空気極を含む空間と隔離されている。これにより、燃料ガスが、燃料ガス流通部の外に漏出することで、固体酸化物形燃料電池外部への漏出や、空気極に供給される空気との混合を起こすのが、抑制される。そして、この内部シール材が、単セルの空気極側の面ではなく燃料極側の面に設けられており、単セルと燃料極側セパレータと内部シール材とに囲まれた狭い空間として燃料ガス流通部が設けられていることにより、燃料ガス流通部内に露出する部材間接合部の数が少なく抑えられている。従って、内部シール材が単セルの空気極側の面に設けられる場合と比較して、部材間接合部を介して燃料ガスの外部への漏出が起こる可能性を低く抑えることができる。   In the solid oxide fuel cell according to the present invention, the fuel gas circulation part is separated from the space including the outside of the solid oxide fuel cell and the air electrode of the single cell by the internal sealing material. Thereby, it is suppressed that fuel gas leaks out of a fuel gas distribution part, causing leakage to the outside of the solid oxide fuel cell and mixing with air supplied to the air electrode. The inner sealing material is provided not on the air electrode side surface of the single cell but on the fuel electrode side surface, and the fuel gas is formed as a narrow space surrounded by the single cell, the fuel electrode side separator, and the inner sealing material. By providing the flow part, the number of inter-member joints exposed in the fuel gas flow part is reduced. Therefore, as compared with the case where the internal sealing material is provided on the surface of the single cell on the air electrode side, the possibility of leakage of the fuel gas to the outside through the inter-member joint can be suppressed.

ここで、固体酸化物形燃料電池が、空気極の外側に配置された空気極側セパレータと、燃料極側セパレータと空気極側セパレータとの間に配置され、単セルを取り囲む絶縁材と、をさらに有し、絶縁材と空気極側セパレータおよび燃料極側セパレータとの間の気体の流通を遮断する外部シール材が、燃料ガス流通部の外に設けられている場合には、絶縁材と外部シール材との間の接合部が、燃料ガス流通部の外側に配置され、燃料ガスと接触しない。よって、絶縁材の平面度が低いことや、外部シール材の厚さに空間的不均一性があることにより、絶縁材と外部シール材との間に密着性の低い部位が生じたとしても、それが外部シール材の接合部からの燃料ガスの漏出につながることはない。よって、燃料ガスの固体酸化物形燃料電池外部への漏出を高度に抑制することができる。空気極に供給される空気は、外部に漏出しても大きな影響がないが、燃料極に供給される燃料ガスが外部に漏出すると、発電効率の低下を招きやすい。   Here, the solid oxide fuel cell includes an air electrode side separator disposed outside the air electrode, and an insulating material disposed between the fuel electrode side separator and the air electrode side separator and surrounding the single cell. In addition, when an external seal material that shuts off the gas flow between the insulating material and the air electrode side separator and the fuel electrode side separator is provided outside the fuel gas flow portion, the insulating material and the external The joint between the sealing material and the sealing material is disposed outside the fuel gas circulation part and does not contact the fuel gas. Therefore, even if a portion with low adhesion occurs between the insulating material and the external sealing material due to the low flatness of the insulating material and the spatial nonuniformity in the thickness of the external sealing material, It does not lead to fuel gas leakage from the joint of the external seal material. Therefore, leakage of fuel gas to the outside of the solid oxide fuel cell can be highly suppressed. The air supplied to the air electrode does not have a great effect even if it leaks to the outside, but if the fuel gas supplied to the fuel electrode leaks to the outside, the power generation efficiency tends to be reduced.

また、燃料極側セパレータが、薄膜状の金属材よりなる薄膜セパレータと、薄膜セパレータより厚い金属材よりなる本体セパレータと、を有してなり、薄膜セパレータと本体セパレータとが、一部の領域において熱圧着によって相互に気密に接合され、内部シール材が、薄膜セパレータに接触して設けられている場合には、セパレータ本体と単セルとの間の熱膨張の差を薄膜セパレータで吸収することができるので、高温で固体酸化物形燃料電池が運転される状態においても、単セルの破損を抑制することができ、また燃料極側セパレータと単セルの間で高いシール性を維持することができる。また、本体セパレータと薄膜セパレータとの間が、シール材等によって接合されているのではなく、熱圧着によって直接接合されているため、この部位で信頼度の高いシールを簡便に形成することができる。   Further, the fuel electrode side separator includes a thin film separator made of a thin film metal material and a main body separator made of a metal material thicker than the thin film separator. When the inner seal material is provided in contact with the thin film separator by thermocompression bonding, the difference in thermal expansion between the separator body and the single cell can be absorbed by the thin film separator. Therefore, even in a state where the solid oxide fuel cell is operated at a high temperature, damage to the single cell can be suppressed, and high sealing performance can be maintained between the fuel electrode side separator and the single cell. . In addition, since the main body separator and the thin film separator are not joined by a seal material or the like but directly joined by thermocompression bonding, a highly reliable seal can be easily formed at this site. .

そして、単セルと燃料極側セパレータの間において、燃料ガス流通部の中に、単セルおよび燃料極側セパレータよりも弾性変形しやすい導電性物質よりなる集電材が配置されている場合には、集電材の弾性変形を利用することで、内部シール材によるシール形成の確度を高めることができる。   And, between the single cell and the fuel electrode side separator, when the current collector made of a conductive material that is more easily elastically deformed than the single cell and the fuel electrode side separator is disposed in the fuel gas circulation part, By utilizing the elastic deformation of the current collector, the accuracy of seal formation by the internal seal material can be increased.

この場合さらに、燃料極側セパレータが、薄膜状の金属材よりなる薄膜セパレータと、薄膜セパレータより厚い金属材よりなる本体セパレータと、を有してなり、薄膜セパレータが、本体セパレータと熱圧着によって気密に接合された基部と、基部から単セル側に立ち上がった立ち上がり部と、を有し、立ち上がり部が、単セル側の面において内部シール材と接触し、その反対側の面において集電材と接触し、本体セパレータとの間で集電材を圧縮している構成によれば、圧縮された集電材の復元力により、内部シール材が、薄膜セパレータから単セル向かって押し付けられる。これにより、内部シール材によるシール形成の確度を、一層高めることができる。   In this case, the fuel electrode side separator further includes a thin film separator made of a thin metal material and a main body separator made of a metal material thicker than the thin film separator, and the thin film separator is hermetically sealed with the main body separator by thermocompression bonding. And a rising portion that rises from the base to the single cell side, and the rising portion contacts the internal sealing material on the surface of the single cell, and contacts the current collector on the opposite surface. However, according to the configuration in which the current collector is compressed with the main body separator, the internal sealing material is pressed from the thin film separator toward the single cell by the restoring force of the compressed current collector. Thereby, the accuracy of seal formation by the internal sealing material can be further enhanced.

本発明の一実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池の断面を示す図であり、（ａ）は組み上げ前、（ｂ）は組み上げ後の状態を示す。It is a figure which shows the cross section of the solid oxide fuel cell concerning one Embodiment of this invention, (a) is before an assembly, (b) shows the state after an assembly. 上記固体酸化物形燃料電池を示す分解斜視図である。It is a disassembled perspective view which shows the said solid oxide fuel cell. 上記固体酸化物形燃料電池を複数積層したセルスタックを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the cell stack which laminated | stacked multiple said solid oxide fuel cells. 従来一般の固体酸化物形燃料電池の断面を示す図であり、（ａ）は組み上げ前、（ｂ）は組み上げ後の状態を示す。It is a figure which shows the cross section of the conventional general solid oxide fuel cell, (a) is before an assembly, (b) shows the state after an assembly. 実施例および比較例にかかる固体酸化物形燃料電池に対して測定した電流−電圧特性を示す図である。It is a figure which shows the current-voltage characteristic measured with respect to the solid oxide fuel cell concerning an Example and a comparative example.

以下に、本発明の一実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）について、図面を参照しながら説明する。図１，２に、本発明の一実施形態にかかるＳＯＦＣを構成するＳＯＦＣユニット１を示す。図１（ａ）は各部材を接合して組み上げを行う前の状態、（ｂ）は組み上げ完了後の状態を示す断面図であり、図２は分解斜視図である。   Hereinafter, a solid oxide fuel cell (SOFC) according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. 1 and 2 show an SOFC unit 1 constituting an SOFC according to an embodiment of the present invention. FIG. 1A is a cross-sectional view showing a state before assembling by joining the respective members, FIG. 1B is a cross-sectional view showing a state after completion of the assembly, and FIG. 2 is an exploded perspective view.

本発明の一実施形態にかかるＳＯＦＣを構成するＳＯＦＣユニット１は、空気極側セパレータ１０と燃料極側セパレータ２０との間に、ＳＯＦＣ単セル３０、空気極側集電材４０および燃料極側集電材４５、絶縁フレーム５０を挟み込んだ構成を有している。そして、各部材間の所定の部位に、外部シール材６１ａ，６１ｂおよび内部シール材６２を有している。図３に示すように、本ＳＯＦＣユニット１は、複数積層したセルスタック２の状態で使用される。セルスタック２においては、空気極側セパレータ１０と燃料極側セパレータ２０が一体に結合されてなる共通セパレータ３が用いられており、共通セパレータ３を介して複数のＳＯＦＣユニット１が直列に積層、接続されている。共通セパレータ３は一体に形成された部材であり、空気極側セパレータ１０に相当する部位と燃料極側セパレータ２０に相当する部位の間に境界を有するものではないが、図１，２では、図３中に破線で囲んだ部位をＳＯＦＣユニット１の１単位として示している。   An SOFC unit 1 constituting an SOFC according to an embodiment of the present invention includes an SOFC single cell 30, an air electrode side current collector 40, and a fuel electrode side current collector between an air electrode side separator 10 and a fuel electrode side separator 20. 45, having an arrangement in which an insulating frame 50 is sandwiched. And it has the external sealing materials 61a and 61b and the internal sealing material 62 in the predetermined site | part between each member. As shown in FIG. 3, the present SOFC unit 1 is used in the state of a cell stack 2 in which a plurality of layers are stacked. In the cell stack 2, a common separator 3 in which an air electrode side separator 10 and a fuel electrode side separator 20 are integrally coupled is used, and a plurality of SOFC units 1 are stacked and connected in series via the common separator 3. Has been. The common separator 3 is an integrally formed member, and does not have a boundary between a portion corresponding to the air electrode side separator 10 and a portion corresponding to the fuel electrode side separator 20, but in FIGS. A portion surrounded by a broken line in 3 is shown as one unit of the SOFC unit 1.

ここで、ＳＯＦＣユニット１を構成する各部材について説明する。まず、ＳＯＦＣ単セル（以下単に、単セルと称する場合がある）３０は、水素を含む燃料ガスと、空気（または酸素を含むガス、以下同様）の供給を受けて発電を行うＳＯＦＣユニット１の主要部材であり、固体酸化物電解質よりなる平板状の電解質層３１と、電解質層３１の一方面に接合された空気極３２、他方面に接合された燃料極３３とを有する。電解質層３１および両電極３２，３３を構成する材料は、公知のＳＯＦＣにおいて用いられる材料から適宜選択すればよい。電解質層３１の材料としては、酸素イオン導電性を示す固体酸化物電解質材料を用いればよく、安定化ジルコニア（ＺｒＯ２）やセリア（ＣｅＯ２）系固溶体、それらとアルミナとの複合体などを例示することができる。空気極３２の材料としては、Ｌａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３、Ｌａ１−ｘＣａｘＭｎＯ３、Ｌａ１−ｘＳｒｘＣｏＯ３、Ｌａ１−ｘＳｒｘＣｏ１−ｙＦｅｙＯ３、Ｐｒ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３などの遷移金属ペロブスカイト型複合酸化物を例示することができる、燃料極３３の材料としては、Ｎｉ、Ｎｉ合金、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、Ｃｏ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の触媒と固体酸化物電解質とから形成されるサーメットを例示することができる。電解質層３１と両電極３２，３３の間には、適宜中間層が形成されてもよい。本単セル３０においては、両電極３２，３３が電解質層３１よりも小面積で形成されており、単セル３０の両面の外周部には、電解質層３１が露出している。 Here, each member constituting the SOFC unit 1 will be described. First, an SOFC single cell (hereinafter sometimes referred to simply as a single cell) 30 is a SOFC unit 1 that generates power by receiving supply of a fuel gas containing hydrogen and air (or a gas containing oxygen, the same applies hereinafter). It is a main member and includes a flat electrolyte layer 31 made of a solid oxide electrolyte, an air electrode 32 bonded to one surface of the electrolyte layer 31, and a fuel electrode 33 bonded to the other surface. The material constituting the electrolyte layer 31 and the electrodes 32 and 33 may be appropriately selected from materials used in known SOFCs. As the material of the electrolyte layer 31, a solid oxide electrolyte material exhibiting oxygen ion conductivity may be used, and examples thereof include stabilized zirconia (ZrO 2 ) and ceria (CeO 2 ) solid solutions, and composites of these with alumina. can do. Examples of the material of the air electrode 32 include La 1-x Sr x MnO 3 , La 1-x Ca x MnO 3 , La 1-x Sr x CoO 3 , La 1-x Sr x Co 1-y Fe y O 3 , Examples of the material of the fuel electrode 33 that can be exemplified by transition metal perovskite complex oxides such as Pr 1-x Sr x MnO 3 include Ni, Ni alloy, nickel oxide (NiO), Co, Ru, Pt, and Pd. A cermet formed from a catalyst such as the above and a solid oxide electrolyte can be exemplified. An intermediate layer may be appropriately formed between the electrolyte layer 31 and the electrodes 32 and 33. In the single cell 30, both electrodes 32 and 33 are formed in a smaller area than the electrolyte layer 31, and the electrolyte layer 31 is exposed on the outer peripheral portions of both surfaces of the single cell 30.

空気極側セパレータ１０および燃料極側セパレータ２０は、それぞれ、単セル３０の空気極３２および燃料極３３の外側に配置されている。両セパレータ１０，２０は、ステンレス鋼等、耐熱性を備えた金属材料よりなる。   The air electrode side separator 10 and the fuel electrode side separator 20 are disposed outside the air electrode 32 and the fuel electrode 33 of the single cell 30, respectively. Both separators 10 and 20 are made of a metal material having heat resistance such as stainless steel.

燃料極側セパレータ２０は、本体セパレータ２１と、薄膜セパレータ２２とからなる。本体セパレータ２１は、比較的厚い金属材料よりなっている。本体セパレータ２１は、外周部にフレーム部２１ａを備え、フレーム部２１ａに囲まれた内側の領域に、平行に走る複数の溝として燃料ガス流路２１ｂが形成されている。薄膜セパレータ２２は、本体セパレータ２１と同種の金属材料よりなるが、本体セパレータ２１よりも薄い板材よりなっている。薄膜セパレータ２２は、外周部に、本体セパレータ２１のフレーム部２１ａと略同一の面形状を有する基部２２ａを備えている。そして、基部２２ａから単セル３０が配置される側に立ち上がって、立ち上がり部２２ｂを一体に有している。立ち上がり部２２ｂの中央には、開口部２２ｃが形成されている。開口部２２ｃは、単セル３０の面よりも小さく、つまり開口部２２ｃの端縁が単セル３０の外縁よりも内側に位置するように、形成されている。本体セパレータ２１のフレーム部２１ａと薄膜セパレータ２２の基部２２ａは、相互に密着された状態で、熱圧着されている。熱圧着は、２つの金属部材を融点以下の温度で圧力を印加しながら加熱することで、双方の金属面を接合させる方法であり、ここでは、本体セパレータ２１と薄膜セパレータ２２を重ねて、高温（例えばともにＳＵＳよりなる場合には８００℃程度）にした状態で重畳部に荷重を印加することで行われる。この熱圧着は、本体セパレータ２１および薄膜セパレータ２２を含む各構成部材を積層してＳＯＦＣユニット１を組み上げた後、ＳＯＦＣユニット１の運転温度まで加熱することで、達成できる。本体セパレータ２１のフレーム部２１ａと薄膜セパレータ２２の基部２２ａは、ともに平面よりなるので、熱圧着によって、両者が気密に接合される。空気極側セパレータ１０は、燃料極側セパレータ２０を構成する本体セパレータ２１と同様の形状を有しており、空気流路１１を備えている。   The fuel electrode side separator 20 includes a main body separator 21 and a thin film separator 22. The main body separator 21 is made of a relatively thick metal material. The main body separator 21 includes a frame portion 21a on the outer peripheral portion, and fuel gas flow paths 21b are formed as a plurality of grooves running in parallel in an inner region surrounded by the frame portion 21a. The thin film separator 22 is made of the same metal material as the main body separator 21, but is made of a plate material thinner than the main body separator 21. The thin film separator 22 includes a base portion 22 a having a surface shape substantially the same as the frame portion 21 a of the main body separator 21 on the outer peripheral portion. And it stands | starts up from the base 22a to the side by which the single cell 30 is arrange | positioned, and has the rising part 22b integrally. An opening 22c is formed in the center of the rising portion 22b. The opening 22 c is smaller than the surface of the single cell 30, that is, is formed so that the end edge of the opening 22 c is located inside the outer edge of the single cell 30. The frame portion 21a of the main body separator 21 and the base portion 22a of the thin film separator 22 are thermocompression bonded in a state of being in close contact with each other. Thermocompression bonding is a method in which two metal members are heated while applying pressure at a temperature equal to or lower than the melting point to join both metal surfaces. Here, the main body separator 21 and the thin film separator 22 are overlapped to form a high temperature. (For example, when both are made of SUS, it is performed by applying a load to the overlapping portion in a state of about 800 ° C.). This thermocompression bonding can be achieved by laminating the constituent members including the main body separator 21 and the thin film separator 22 and assembling the SOFC unit 1 and then heating to the operating temperature of the SOFC unit 1. Since the frame portion 21a of the main body separator 21 and the base portion 22a of the thin film separator 22 are both flat, they are joined airtightly by thermocompression bonding. The air electrode side separator 10 has the same shape as the main body separator 21 constituting the fuel electrode side separator 20, and includes an air flow path 11.

単セル３０の空気極３２と空気極側セパレータ１０との間には、空気極側集電材４０が設けられている。また、単セル３０の燃料極３３と燃料極側セパレータ２０との間には、燃料極側集電材４５が設けられている。これら集電材４０，４５は、単セル３０の電極３２，３３とセパレータ１０，２０の間に接触抵抗の低い良好な電気的接続を提供するとともに、セパレータ１０，２０に設けられたガス流路１１，２１ｂから各電極３２，３３に、空気および燃料ガスを空間的均一性が高い状態で供給する役割を果たす。これらのうち、燃料極側集電材４５は、スチールウールのような金属ウール、金属フォーム、高気孔率ポーラス金属等、導電性を有し、内部を気体が通過可能で、クッション性を有する材料、つまり荷重を印加した際に燃料極側セパレータ２０および単セル３０よりも弾性変形しやすい材料よりなっている。燃料極側集電材４５の面は、燃料極側セパレータ２０を構成する薄膜セパレータ２２の開口部２２ｃよりも大きく、つまり薄膜セパレータ２２の外縁が開口部２２ｃの端縁よりも外側にくるように、形成されている。一方、空気極側集電材４０は、メッシュ材のように、貫通孔を多数形成した金属箔、または金属金網等、実質的にクッション性を有さない材料よりなっている。また、空気極側集電材４０は、燃料極側集電材４５のように大面積を有していなくてもよく、例えば単セル３０の空気極３２と略同一の面積を有していればよい。   An air electrode side current collector 40 is provided between the air electrode 32 and the air electrode side separator 10 of the single cell 30. A fuel electrode side current collector 45 is provided between the fuel electrode 33 and the fuel electrode side separator 20 of the single cell 30. These current collectors 40 and 45 provide good electrical connection with low contact resistance between the electrodes 32 and 33 of the single cell 30 and the separators 10 and 20, and the gas flow paths 11 provided in the separators 10 and 20. , 21b to the electrodes 32, 33 to supply air and fuel gas with high spatial uniformity. Among these, the fuel electrode side current collector 45 is electrically conductive, such as metal wool such as steel wool, metal foam, high porosity porous metal, etc., a material through which gas can pass and has cushioning properties, That is, it is made of a material that is more elastically deformed than the fuel electrode side separator 20 and the single cell 30 when a load is applied. The surface of the fuel electrode side current collector 45 is larger than the opening 22c of the thin film separator 22 constituting the fuel electrode side separator 20, that is, the outer edge of the thin film separator 22 is located outside the edge of the opening 22c. Is formed. On the other hand, the air electrode side current collector 40 is made of a material that does not substantially have cushioning properties, such as a metal foil having a large number of through holes, or a metal wire mesh, such as a mesh material. Further, the air electrode side current collector 40 does not have to have a large area like the fuel electrode side current collector 45, and for example, it has only to have substantially the same area as the air electrode 32 of the single cell 30. .

絶縁フレーム５０は、雲母等の鉱物や金属酸化物等、ＳＯＦＣの運転温度（７００〜１０００℃）での使用に耐える耐熱性を有した絶縁体よりなる。絶縁フレーム５０は、単セル３０および集電材４０，４５を収容できる開口部を有し、これらの部材の側面を取り囲むように開口部に収容した状態で、空気極側セパレータ１０と燃料極側セパレータ２０の間に配置され、両セパレータ１０，２０の間の絶縁を確保しながら、両セパレータ１０，２０の間隔を規定する役割を果たす。   The insulating frame 50 is made of an insulator having heat resistance that can withstand use at the operating temperature (700 to 1000 ° C.) of the SOFC, such as minerals such as mica and metal oxides. The insulating frame 50 has openings that can accommodate the single cells 30 and the current collectors 40 and 45, and the air electrode side separator 10 and the fuel electrode side separator in a state of being housed in the openings so as to surround the side surfaces of these members. It arrange | positions between 20 and plays the role which prescribes | regulates the space | interval of both the separators 10 and 20, ensuring the insulation between both the separators 10 and 20. FIG.

図２に示すように、絶縁フレーム５０には、貫通孔として、空気通過孔５１と燃料ガス通過孔５２が１対ずつ設けられている。そして、空気極側セパレータ１０には、それぞれと対応する位置に、貫通孔として、空気通過孔１２および燃料ガス通過孔１３が設けられている。燃料極側セパレータ２０においても、本体セパレータ２１および薄膜セパレータ２２それぞれに、同様の空気通過孔２１ｄ，２２ｄおよび燃料ガス通過孔２１ｅ，２２ｅが設けられている。本体セパレータ２１においては、燃料ガス通過孔２１ｅがフレーム部２１ａの内側の燃料ガス流路２１ｂと連通しており、空気極側セパレータ１０においても、図では示されないが、空気通過孔１２が同様に空気流路１１と連通している。ＳＯＦＣユニット１を組み上げる際、さらには複数のＳＯＦＣユニットを積層してセルスタック２を構成する際に、各部材の空気通過孔１２，５１，２１ｄ，２２ｄおよび各部材の燃料ガス通過孔１３，５２，２１ｅ，２２ｅを重ねて連通させ、空気および燃料ガスの供給路を形成することで、それらの供給路を通して、それぞれのＳＯＦＣユニット１の空気極３２および燃料極３３に、空気および燃料ガスを供給することができる。   As shown in FIG. 2, the insulating frame 50 is provided with a pair of air passage holes 51 and a pair of fuel gas passage holes 52 as through holes. The air electrode side separator 10 is provided with an air passage hole 12 and a fuel gas passage hole 13 as through holes at positions corresponding to the air electrode side separator 10. In the fuel electrode side separator 20, similar air passage holes 21 d and 22 d and fuel gas passage holes 21 e and 22 e are provided in the main body separator 21 and the thin film separator 22, respectively. In the main body separator 21, the fuel gas passage hole 21e communicates with the fuel gas flow path 21b inside the frame portion 21a, and the air electrode side separator 10 also has the air passage hole 12 in the same manner, although not shown in the figure. It communicates with the air flow path 11. When the SOFC unit 1 is assembled, and when the cell stack 2 is formed by stacking a plurality of SOFC units, the air passage holes 12, 51, 21d, 22d of each member and the fuel gas passage holes 13, 52 of each member are formed. , 21e and 22e are overlapped to communicate with each other to form an air and fuel gas supply path, and air and fuel gas are supplied to the air electrode 32 and the fuel electrode 33 of each SOFC unit 1 through these supply paths. can do.

絶縁フレーム５０と、空気極側セパレータ１０および燃料極側セパレータ２０との間には、それぞれ、外部シール材６１ａ，６１ｂが設けられている。また、燃料極側セパレータ２０を構成する薄膜セパレータ２２と、単セル３０の燃料極３３側の面に露出した電解質層３１との間には、内部シール材６２が設けられている。外部シール材６１ａ，６１ｂおよび内部シール材６２は、ＳＯＦＣユニット１が運転される高温（７００〜１０００℃）でも、気体の流通を遮断し、気密なシールを維持することができる絶縁性材料よりなっている。そのようなシールを形成でき、かつペースト状で塗布することができるシール材として、ガラスシールやセラミックシール等、公知のガスシールを用いることができる。   External seal materials 61a and 61b are provided between the insulating frame 50 and the air electrode side separator 10 and the fuel electrode side separator 20, respectively. Further, an internal sealing material 62 is provided between the thin film separator 22 constituting the fuel electrode side separator 20 and the electrolyte layer 31 exposed on the surface of the single cell 30 on the fuel electrode 33 side. The outer sealing materials 61a and 61b and the inner sealing material 62 are made of an insulating material that can block gas flow and maintain an airtight seal even at a high temperature (700 to 1000 ° C.) at which the SOFC unit 1 is operated. ing. A known gas seal such as a glass seal or a ceramic seal can be used as a seal material that can form such a seal and can be applied in a paste form.

本ＳＯＦＣユニット１を組み上げる際、図１（ａ）に示すように、燃料極側セパレータ２０の本体セパレータ２１と薄膜セパレータ２２との間に燃料極側集電材４５を挟み込むとともに、薄膜セパレータ２２の立ち上がり部２２ｂの単セル３０側に向く面に、開口部２２ｃの端縁の外側を一周するように、シール材６２を塗布しておく。また、絶縁フレーム５０の上下の面において、各辺に沿った部位と各通過孔５１，５２の周囲に、シール材６１ａ，６１ｂを塗布しておく（図２参照）。そして、薄膜セパレータ２２の基部２２ａの上にシール材６１ａ，６１ｂを塗布した絶縁フレーム５０を載置するとともに、シール材６２を塗布した立ち上がり部２２ｂの上に、単セル３０と空気極側セパレータ１０の組合体を載置する。さらに、上方から空気極側セパレータ１０をかぶせるように配置し、空気極側セパレータ１０の上方から、燃料極側セパレータ２０に向かって、荷重を印加する。荷重印加の際に、各部のシール材６１ａ，６１ｂ，６２を押し付けるようにして、それぞれ上下の部材に密着させる。また、燃料極側集電材４５のうち、薄膜セパレータ２２の立ち上がり部２２ｂと重畳している部位を、押し潰すようにして、薄膜セパレータ２２と本体セパレータ２１の間で圧縮変形させる。   When assembling the present SOFC unit 1, as shown in FIG. 1A, the fuel electrode side current collector 45 is sandwiched between the main body separator 21 and the thin film separator 22 of the fuel electrode side separator 20 and the thin film separator 22 is raised. The sealing material 62 is applied to the surface of the portion 22b facing the single cell 30 so as to go around the outside of the edge of the opening 22c. Further, on the upper and lower surfaces of the insulating frame 50, sealing materials 61a and 61b are applied around the portions along the sides and the periphery of the passage holes 51 and 52 (see FIG. 2). Then, the insulating frame 50 coated with the sealing materials 61a and 61b is placed on the base portion 22a of the thin film separator 22, and the single cell 30 and the air electrode side separator 10 are placed on the rising portion 22b coated with the sealing material 62. Place the union. Furthermore, it arrange | positions so that the air electrode side separator 10 may be covered from upper direction, and a load is applied toward the fuel electrode side separator 20 from the upper direction of the air electrode side separator 10. When applying a load, the sealing materials 61a, 61b, 62 of each part are pressed against each other so as to be in close contact with the upper and lower members. Further, a portion of the fuel electrode side current collector 45 that overlaps the rising portion 22b of the thin film separator 22 is compressed and deformed between the thin film separator 22 and the main body separator 21 so as to be crushed.

このように各部材からＳＯＦＣユニット１を組み上げた際に、両セパレータ１０，２０と絶縁フレーム５０の間において、外部シール材６１ａ，６１ｂが、ＳＯＦＣユニット１内部から外部へのガス漏れ（外部漏れ）を遮断する外部シールを形成する。また、燃料極側セパレータ２０を構成する薄膜セパレータ２２と単セル３０の燃料極３３側の面との間において、内部シール材６２が、燃料ガスが流通する空間と空気が流通する空間の間でのガスの流れ（内部漏れ）を遮断する内部シールを形成する。換言すると、本体セパレータ２１、薄膜セパレータ２２、内部シール材６２、単セル３０の燃料極３３側の面に囲まれた空間として、図１（ｂ）中に太線で表示した燃料ガス流通部Ｆが形成される。一方、空気極側セパレータ１０、外部シール材６１ａ，６１ｂ、絶縁フレーム５０、薄膜セパレータ２２、内部シール材６２、単セル３０の空気極３２側の面に囲まれた空間として、空気流通部Ａが形成される。そして、燃料ガス流通部Ｆと空気流通部Ａとが、内部シール材６２によって、それぞれの内部を流れる燃料ガスと空気との混合が生じない状態で、相互に隔離される。   Thus, when the SOFC unit 1 is assembled from each member, the external sealing materials 61a and 61b leak gas from the inside of the SOFC unit 1 to the outside (external leakage) between the separators 10 and 20 and the insulating frame 50. An external seal is formed to block Further, between the thin film separator 22 constituting the fuel electrode side separator 20 and the surface of the single cell 30 on the fuel electrode 33 side, the internal sealing material 62 is provided between the space where the fuel gas flows and the space where the air flows. An internal seal is formed to block the gas flow (internal leakage). In other words, as the space surrounded by the main body separator 21, the thin film separator 22, the inner sealing material 62, and the surface of the unit cell 30 on the fuel electrode 33 side, the fuel gas circulation portion F indicated by a bold line in FIG. It is formed. On the other hand, as the space surrounded by the air electrode side separator 10, the outer seal materials 61 a and 61 b, the insulating frame 50, the thin film separator 22, the inner seal material 62, and the surface of the single cell 30 on the air electrode 32 side, the air circulation part A is provided. It is formed. Then, the fuel gas circulation part F and the air circulation part A are separated from each other by the internal sealing material 62 in a state where mixing of the fuel gas and the air flowing through the respective parts does not occur.

一般に、ＳＯＦＣユニットにおいては、外部漏れによって燃料ガスがＳＯＦＣユニットの外部に漏出して燃料極への供給量が減少したり、内部漏れによって燃料ガスが空気と混合されて発電を経ずに燃焼されたりすることで、発電効率が低下する可能性がある。しかし、本ＳＯＦＣユニット１においては、外部シール材６１ａ，６１ｂと内部シール材６２の存在によって、燃料ガスの外部漏れおよび内部漏れによる発電効率の低下が防止されている。   In general, in an SOFC unit, fuel gas leaks to the outside of the SOFC unit due to external leakage and the supply amount to the fuel electrode decreases, or fuel gas is mixed with air due to internal leakage and burned without generating electricity. Power generation efficiency may be reduced. However, in the present SOFC unit 1, due to the presence of the external sealing materials 61a and 61b and the internal sealing material 62, a decrease in power generation efficiency due to external leakage and internal leakage of fuel gas is prevented.

具体的には、本実施形態にかかるＳＯＦＣユニット１においては、内部シール材６２が燃料極側セパレータ２０を構成する薄膜セパレータ２２と単セル３０の燃料極３３側の面の間に形成されており、図４に示したような従来一般のＳＯＦＣユニット１００において内部シール材１６２を空気極側セパレータ１１０と単セル１３０の空気極１３２側の面の間に配置する場合と比較して、燃料ガス流通部Ｆが狭い空間に限定されている。それに伴い、ＳＯＦＣユニット１を構成する各部材間の接合部のうち、燃料ガス流通部Ｆ内の空間に露出するものの数が、少なく抑えられている。燃料ガス流通部Ｆ内に露出される部材間接合部の数が多いと、それら部材間接合部を介して、燃料ガスの内部漏れや外部漏れが起こる確率が高くなってしまうが、本ＳＯＦＣユニット１においては、そのような接合部の数を少なく抑えることで、燃料ガスの漏れ、特に外部漏れの発生を抑制することができる。   Specifically, in the SOFC unit 1 according to the present embodiment, the internal sealing material 62 is formed between the thin film separator 22 constituting the fuel electrode side separator 20 and the surface of the single cell 30 on the fuel electrode 33 side. Compared with the case where the internal sealing material 162 is disposed between the air electrode side separator 110 and the surface of the single cell 130 on the air electrode 132 side in the conventional general SOFC unit 100 as shown in FIG. The part F is limited to a narrow space. Accordingly, the number of parts exposed to the space in the fuel gas circulation part F among the joint parts between the members constituting the SOFC unit 1 is reduced. If there are a large number of inter-member joints exposed in the fuel gas distribution part F, there is a high probability that fuel gas internal leakage and external leakage will occur through the inter-member joints. In 1, by suppressing the number of such joints to be small, it is possible to suppress the leakage of fuel gas, particularly the occurrence of external leakage.

とりわけ、絶縁フレーム５０と両セパレータ１０，２０の間の接合部においては、他の部材間接合部に比較して、局所的にシールの形成が不完全になる可能性が排除しにくい。なぜなら、雲母等の絶縁材よりなる絶縁フレーム５０において、製造時に高い平面度を得ることが難しいからである。また、絶縁フレーム５０上の広い面積に外部シール材６１ａ，６１ｂを設ける必要があり、シール材を塗布する際の塗布ムラや、硬化させる際の体積変化のムラに起因して、外部シール材６１，ａ，６１ｂの厚さに不均一性が生じやすいからである。しかし、本ＳＯＦＣユニット１においては、この外部シール材６１ａ，６１ｂによってシールされる部位が、燃料ガス流通部Ｆではなく、空気流通部Ａに存在するため、仮にシールが不完全な部位が存在するとしても、漏出するガスは空気のみであり、水素を含んだ燃料ガスの外部漏れは起こらない。空気ならば、ＳＯＦＣユニット１の外部に漏出したとしても、外部の状況および発電効率に対して大きな影響を与えにくい。図４に示す従来一般のＳＯＦＣユニット１００においては、外部シール材１６１ａ，１６１ｂによってシールされる部位が、燃料ガス流通部Ｆ’の中に存在し、シールが不完全な部位が存在すれば、燃料ガスが外部に漏出してしまうことになる。   In particular, in the joint between the insulating frame 50 and the separators 10 and 20, it is difficult to exclude the possibility that the seal formation is locally incomplete compared to the joint between the other members. This is because it is difficult to obtain high flatness at the time of manufacturing the insulating frame 50 made of an insulating material such as mica. In addition, it is necessary to provide the external sealing materials 61a and 61b over a wide area on the insulating frame 50, and the external sealing material 61 is caused by uneven application when applying the sealing material and unevenness in volume change when curing. , A and 61b are likely to have non-uniform thickness. However, in the present SOFC unit 1, the part sealed by the external sealing materials 61a and 61b exists not in the fuel gas circulation part F but in the air circulation part A. Therefore, there is a part where sealing is incomplete. Even so, the only gas that leaks out is air, and no external leakage of fuel gas containing hydrogen occurs. If it is air, even if it leaks to the outside of the SOFC unit 1, it does not easily affect the external situation and power generation efficiency. In the conventional general SOFC unit 100 shown in FIG. 4, if the parts sealed by the external seal materials 161 a and 161 b exist in the fuel gas circulation part F ′, and there is an incompletely sealed part, the fuel Gas will leak outside.

上記で説明したＳＯＦＣユニット１においては、燃料極側セパレータ２０を、単一の部材から形成するのではなく、厚い金属材よりなる本体セパレータ２１と、薄い金属材よりなる薄膜セパレータ２２より構成し、それらの一部を熱圧着したうえで、薄膜セパレータ２２と単セル３０の間に、内部シール材６２を配置している。ＳＯＦＣユニット１の運転に伴って加熱を受けた際、金属よりなる本体セパレータ２１と酸化物を主としてなる単セル３０との間で熱膨張に差が生じやすいが、薄膜セパレータ２２が変形することでこの熱膨張の差を吸収することができる。この効果により、ＳＯＦＣユニット１の耐久性を高く維持することができるとともに、高温環境下でも燃料ガスの内部漏れを高度に抑制することができる。ここで、薄膜セパレータ２２と本体セパレータ２１の間は、熱圧着によって直接に接合されており、シール材等、別部材を用いて接合する場合と比較して、簡便に気密な接合を達成することができる。本体セパレータ２１と薄膜セパレータ２２の間の接合部は、燃料ガス流通空部Ｆ内に露出しているが、本体セパレータ２１のフレーム部２１ａと薄膜セパレータ２２の基部２２ａが十分に高い平面度を有してさえいれば、熱圧着によって高い気密性が得られるので、この接合部から外部への燃料ガスの漏出は、実質的に起こらない。金属部材においては容易に高い平面度を達成することができ、金属部材同士を接触させて熱圧着を行うことで、信頼性の高いガスシール構造を容易に形成することができるからである。なお、単セル３０との熱膨張の差が大きな問題とならない場合には、燃料極側セパレータ２０を単独の部材より構成してもよい。   In the SOFC unit 1 described above, the fuel electrode side separator 20 is not formed from a single member, but is composed of a main body separator 21 made of a thick metal material and a thin film separator 22 made of a thin metal material, An internal sealing material 62 is disposed between the thin film separator 22 and the single cell 30 after thermocompression of some of them. When heated in conjunction with the operation of the SOFC unit 1, a difference in thermal expansion tends to occur between the main body separator 21 made of metal and the single cell 30 mainly made of oxide, but the thin film separator 22 is deformed. This difference in thermal expansion can be absorbed. Due to this effect, the durability of the SOFC unit 1 can be maintained high, and the internal leakage of fuel gas can be highly suppressed even in a high temperature environment. Here, the thin film separator 22 and the main body separator 21 are directly joined together by thermocompression bonding, and a simple and airtight joining is achieved as compared with the case of joining using another member such as a sealing material. Can do. The joint between the main body separator 21 and the thin film separator 22 is exposed in the fuel gas circulation space F, but the frame portion 21a of the main body separator 21 and the base portion 22a of the thin film separator 22 have sufficiently high flatness. If this is the case, high airtightness can be obtained by thermocompression bonding, so that leakage of fuel gas from the joint to the outside does not substantially occur. This is because high flatness can be easily achieved in the metal member, and a highly reliable gas seal structure can be easily formed by bringing the metal members into contact with each other and performing thermocompression bonding. In addition, when the difference of thermal expansion with the single cell 30 does not become a big problem, you may comprise the fuel electrode side separator 20 from a single member.

従来より、ＳＯＦＣにおいては、燃料極に供給される燃料ガスに圧損を与え、燃料極の面に対して高い均一性をもって燃料ガスを供給するために、燃料極側集電材として、スチールウールに代表される金属ウールが汎用される。金属ウールは、高いクッション性を有している。一方、空気極側集電材においては、空気極への空気の供給の空間的均一性を高めることの重要度が燃料ガスの場合に比べて低いので、メッシュ材をはじめとして、金属ウールに比べて安価に利用できる、貫通孔を設けた金属箔や金属板が用いられることが多い。これらの材料は、実質的にクッション性を有さない。上記のように、本実施形態にかかるＳＯＦＣユニット１においても、集電材４０，４５として、これらの組み合わせを採用している。   Conventionally, in SOFC, in order to supply pressure loss to the fuel gas supplied to the fuel electrode and to supply the fuel gas with high uniformity to the surface of the fuel electrode, it is representative of steel wool as a fuel electrode side current collector. Metal wool is widely used. Metal wool has a high cushioning property. On the other hand, in the air electrode side current collector, the importance of improving the spatial uniformity of the air supply to the air electrode is lower than in the case of fuel gas, so compared with metal wool including mesh materials In many cases, a metal foil or a metal plate provided with a through hole that can be used at low cost is used. These materials have substantially no cushioning properties. As described above, also in the SOFC unit 1 according to the present embodiment, a combination of these is adopted as the current collectors 40 and 45.

図４に示した従来一般のＳＯＦＣ１００においては、空気極側セパレータ１１０を構成する薄膜セパレータ１１１に内部シール材１６２を均一に塗布し、薄膜セパレータ１１１と内部シール材１６２の合計の厚さを、空気極１３２とクッション性を有さない空気極側集電材１４０の合計の厚さと高精度に揃えなければ、内部シール材１６２によるシールが不完全な箇所が発生し、燃料ガスの内部漏れを起こす可能性がある。これに対し、図１に示した本実施形態にかかるＳＯＦＣユニット１においては、燃料極側集電材４５がクッション性を有するため、燃料極側セパレータ２０を構成する薄膜セパレータ２２上の内部シール材６の厚さに多少の空間的不均一性が存在しても、上記のように荷重印加によって燃料極側集電材４５を圧縮変形させることで、内部シール材６２の厚さの空間分布を吸収させ、内部シールを高確度に確立することができる。とりわけ、燃料極側集電材４５が燃料極３３よりも大面積に形成されており、薄膜セパレータ２２の立ち上がり部２２ｂが、本体セパレータ２１との間で燃料極側集電材４５を圧縮するとともに、その反対側の単セル３０側の面で内部シール材６２に接触している。これにより、圧縮された燃料極側集電材４５の復元力が薄膜セパレータ２２を介して内部シール材６２に印加され、内部シール材６２が薄膜セパレータ２２から単セル３０に向かって押し付けられる。これにより、内部シール材６２によるシール性が、ますます高められている。   In the conventional general SOFC 100 shown in FIG. 4, the inner sealing material 162 is uniformly applied to the thin film separator 111 constituting the air electrode side separator 110, and the total thickness of the thin film separator 111 and the inner sealing material 162 is set to the air thickness. If the total thickness and high accuracy of the electrode 132 and the non-cushioned air electrode side current collector 140 are not aligned, an incomplete seal with the internal seal material 162 may occur, causing internal leakage of fuel gas There is sex. On the other hand, in the SOFC unit 1 according to the present embodiment shown in FIG. 1, the fuel electrode side current collector 45 has a cushioning property, and therefore, the internal sealing material 6 on the thin film separator 22 constituting the fuel electrode side separator 20. Even if there is some spatial non-uniformity in the thickness of the fuel cell, by compressing and deforming the fuel electrode side current collector 45 by applying a load as described above, the spatial distribution of the thickness of the inner seal material 62 is absorbed. The internal seal can be established with high accuracy. In particular, the fuel electrode side current collector 45 is formed in a larger area than the fuel electrode 33, and the rising portion 22 b of the thin film separator 22 compresses the fuel electrode side current collector 45 between the main body separator 21, and The surface of the opposite single cell 30 is in contact with the internal sealing material 62. Thereby, the restoring force of the compressed fuel electrode side current collector 45 is applied to the inner seal material 62 via the thin film separator 22, and the inner seal material 62 is pressed from the thin film separator 22 toward the single cell 30. Thereby, the sealing performance by the internal sealing material 62 is further enhanced.

以下、実施例を用いて本発明を説明する。   Hereinafter, the present invention will be described using examples.

（実験方法）
実施例として、図１に示したような、単セルの燃料極側の面に内部シール材を配置したＳＯＦＣを形成した。また、比較例として、図３に示したような、単セルの空気極側の面に内部シール材を配置したＳＯＦＣを形成した。
そして、上記で形成した実施例および比較例にかかるＳＯＦＣに対して、電流−電圧測定を行った。この際、燃料極に供給したガスはＨ２であり空気極に供給したガスは空気であった。測定時のＳＯＦＣの運転温度は８００℃とした。測定は、電圧を下降させながら行った。 (experimental method)
As an example, an SOFC in which an internal sealing material was disposed on the surface of a single cell on the fuel electrode side as shown in FIG. 1 was formed. Further, as a comparative example, an SOFC in which an internal sealing material is disposed on the air electrode side surface of a single cell as shown in FIG. 3 was formed.
And the current-voltage measurement was performed with respect to SOFC concerning the Example and comparative example which were formed above. At this time, the gas supplied to the fuel electrode was H 2 and the gas supplied to the air electrode was air. The operating temperature of SOFC at the time of measurement was 800 ° C. The measurement was performed while decreasing the voltage.

（結果と考察）
図５に、実施例および比較例にかかるＳＯＦＣについて測定された電流−電圧特性を示す。実施例の結果を実線で、比較例の結果を破線で示す。 (Results and discussion)
In FIG. 5, the current-voltage characteristic measured about SOFC concerning an Example and a comparative example is shown. The results of the examples are indicated by solid lines, and the results of the comparative examples are indicated by broken lines.

図５によると、内部シール材を単セルの空気極側の面に設けた比較例にかかるＳＯＦＣよりも、内部シール材を単セルの燃料極側の面に設けた実施例にかかるＳＯＦＣにおいて、高い電流密度が得られているのが分かる。その傾向は、電流密度が大きい領域において特に顕著である。この結果は、内部シール材を単セルの空気極側に設けた場合には、燃料ガスの外部漏れおよび内部漏れが起こることによって、ＳＯＦＣの出力が低下してしまうのに対し、内部シール材を単セルの燃料極側に設けた場合には、燃料ガスの外部漏れや内部漏れが抑制され、高い出力が得られているものと解釈される。   According to FIG. 5, in the SOFC according to the example in which the inner seal material is provided on the surface of the single cell on the fuel electrode side, rather than the SOFC according to the comparative example in which the inner seal material is provided on the surface of the single cell on the air electrode side, It can be seen that a high current density is obtained. This tendency is particularly remarkable in a region where the current density is large. As a result, when the internal sealing material is provided on the air electrode side of the single cell, the external leakage and internal leakage of the fuel gas occur, and the SOFC output is reduced. When it is provided on the fuel electrode side of the single cell, it is interpreted that the external leakage and internal leakage of the fuel gas are suppressed and a high output is obtained.

本発明は上記実施形態および実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。   The present invention is not limited to the above-described embodiments and examples, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

１ 固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）ユニット
２ セルスタック
３ 共通セパレータ
１０ 空気極側セパレータ
２０ 燃料極側セパレータ
２１ 本体セパレータ
２１ａ フレーム部
２１ｂ 燃料ガス流路
２２ 薄膜セパレータ
２２ａ 基部
２２ｂ 立ち上がり部
２２ｃ 開口部
３０ （ＳＯＦＣ）単セル
３１ 電解質層
３２ 空気極
３３ 燃料極
４０ 空気極側集電材
４５ 燃料極側集電材
５０ 絶縁フレーム
６１ａ，６１ｂ 外部シール材
６２ 内部シール材 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solid oxide fuel cell (SOFC) unit 2 Cell stack 3 Common separator 10 Air electrode side separator 20 Fuel electrode side separator 21 Main body separator 21a Frame part 21b Fuel gas flow path 22 Thin film separator 22a Base part 22b Rising part 22c Opening part 30 (SOFC) Single cell 31 Electrolyte layer 32 Air electrode 33 Fuel electrode 40 Air electrode side current collector 45 Fuel electrode side current collector 50 Insulating frames 61a and 61b External seal material 62 Internal seal material

Claims (5)

固体酸化物電解質の両面に空気極と燃料極を設けた単セルと、前記単セルの燃料極の外側に配された燃料極側セパレータとを有し、
前記単セルの前記燃料極が設けられた側の面と、前記燃料極側セパレータとの間に、気体の流通を遮断する内部シール材が設けられ、前記単セルと前記燃料極側セパレータと前記内部シール材とに囲まれて外部と区画された空間が、燃料ガスが流通される燃料ガス流通部とされていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。 A single cell provided with an air electrode and a fuel electrode on both sides of the solid oxide electrolyte, and a fuel electrode side separator disposed outside the fuel electrode of the single cell;
An internal sealing material for blocking the flow of gas is provided between the surface of the single cell where the fuel electrode is provided and the fuel electrode side separator, and the single cell, the fuel electrode side separator, A solid oxide fuel cell, characterized in that a space surrounded by an inner sealing material and partitioned from the outside is a fuel gas circulation section through which fuel gas is circulated. 前記固体酸化物形燃料電池は、前記空気極の外側に配置された空気極側セパレータと、前記燃料極側セパレータと前記空気極側セパレータとの間に配置され、前記単セルを取り囲む絶縁材と、をさらに有し、
前記絶縁材と前記空気極側セパレータおよび前記燃料極側セパレータとの間の気体の流通を遮断する外部シール材が、前記燃料ガス流通部の外に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。 The solid oxide fuel cell includes an air electrode side separator disposed outside the air electrode, an insulating material disposed between the fuel electrode side separator and the air electrode side separator, and surrounding the single cell. , And
The external sealing material for blocking the gas flow between the insulating material and the air electrode side separator and the fuel electrode side separator is provided outside the fuel gas flow part. 2. A solid oxide fuel cell according to 1. 前記燃料極側セパレータは、薄膜状の金属材よりなる薄膜セパレータと、前記薄膜セパレータより厚い金属材よりなる本体セパレータと、を有してなり、
前記薄膜セパレータと前記本体セパレータとは、一部の領域において熱圧着によって相互に気密に接合され、
前記内部シール材は、前記薄膜セパレータに接触して設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池。 The fuel electrode side separator comprises a thin film separator made of a thin metal material and a main body separator made of a metal material thicker than the thin film separator,
The thin film separator and the main body separator are bonded to each other in an airtight manner by thermocompression bonding in a partial region,
The solid oxide fuel cell according to claim 1, wherein the inner sealing material is provided in contact with the thin film separator. 前記単セルと前記燃料極側セパレータの間には、前記燃料ガス流通部の中に、前記単セルおよび前記燃料極側セパレータよりも弾性変形しやすい導電性物質よりなる集電材が配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池。   Between the single cell and the fuel electrode side separator, a current collector made of a conductive material that is more easily elastically deformed than the single cell and the fuel electrode side separator is disposed in the fuel gas circulation section. The solid oxide fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein 前記燃料極側セパレータは、薄膜状の金属材よりなる薄膜セパレータと、前記薄膜セパレータより厚い金属材よりなる本体セパレータと、を有してなり、
前記薄膜セパレータは、前記本体セパレータと熱圧着によって気密に接合された基部と、前記基部から前記単セル側に立ち上がった立ち上がり部と、を有し、
前記立ち上がり部は、前記単セル側の面において前記内部シール材と接触し、その反対側の面において前記集電材と接触し、前記本体セパレータとの間で前記集電材を圧縮していることを特徴とする請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池。 The fuel electrode side separator comprises a thin film separator made of a thin metal material and a main body separator made of a metal material thicker than the thin film separator,
The thin film separator has a base part hermetically bonded to the main body separator by thermocompression bonding, and a rising part rising from the base part to the single cell side,
The rising portion is in contact with the inner seal material on the surface on the unit cell side, is in contact with the current collector on the surface on the opposite side, and compresses the current collector with the main body separator. 5. The solid oxide fuel cell according to claim 4, wherein
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