特許 6586536 セルスタック装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6586536

(24)【登録日】2019年9月13日

(45)【発行日】2019年10月2日

(54)【発明の名称】セルスタック装置

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0271 20160101AFI20190919BHJP

   H01M 8/12 20160101ALI20190919BHJP

   H01M 8/028 20160101ALI20190919BHJP

   H01M 8/0276 20160101ALI20190919BHJP

   H01M 8/0273 20160101ALI20190919BHJP

   H01M 8/2485 20160101ALI20190919BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20190919BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/0271

   H01M8/12 101

   H01M8/028

   H01M8/0276

   H01M8/0273

   H01M8/2485

   H01M8/12 102A

   H01M8/04 Z

【請求項の数】10

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2019-33548(P2019-33548)

(22)【出願日】2019年2月27日

【審査請求日】2019年2月27日

(31)【優先権主張番号】特願2018-205278(P2018-205278)

(32)【優先日】2018年10月31日

(33)【優先権主張国】JP

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000004064

【氏名又は名称】日本碍子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000202

【氏名又は名称】新樹グローバル・アイピー特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】中村 俊之

(72)【発明者】

【氏名】田中 裕己

(72)【発明者】

【氏名】大森 誠

【審査官】 橋本 敏行

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−０４９３２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１７−０４５７０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−３３１６９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−１１５６２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１２９８５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−３９０４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１７−９８１４５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ８／００−８／２４９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料ガス及び酸化剤ガスによって発電するセルスタック装置であって、
各々が固体電解質、並びに前記固体電解質を挟むように設けられた燃料極及び空気極、を有し、互いに積層される複数の燃料電池セルと、
前記セルスタック装置を構成する部材の隙間を密閉するシール部材と、
を備え、
前記シール部材は、
ガスに露出する露出面を含む第１領域と、
ガスに露出する露出面を含まず、前記第１領域の気孔率よりも気孔率が低い第２領域と、
を有する、セルスタック装置。

【請求項2】

前記シール部材は、枠状である、請求項１に記載のセルスタック装置。

【請求項3】

前記シール部材は、前記燃料極と前記空気極との間を隔離する、請求項１または２に記
載のセルスタック装置。

【請求項4】

前記シール部材は、前記セルスタック装置の内部と外部とを隔離する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のセルスタック装置。

【請求項5】

前記第１領域は、前記露出面からの距離が５０μｍ以下である、請求項１〜４のいずれか１項に記載のセルスタック装置。

【請求項6】

前記第１領域の気孔径は、０．１μｍ以上２０μｍ以下である、請求項１〜５のいずれか１項に記載のセルスタック装置。

【請求項7】

前記第２領域の気孔率に対する前記第１領域の気孔率の比が１．２５以上２００以下である、請求項１〜６のいずれか１項に記載のセルスタック装置。

【請求項8】

前記シール部材における前記露出面からの最大距離に対する、前記第１領域における前記露出面からの最大距離の比が０．０００５０以上０．１０以下である、請求項１〜７のいずれか１項に記載のセルスタック装置。

【請求項9】

前記第１領域と前記第２領域との境界の少なくとも一部は、前記露出面に沿った面である、請求項１〜８のいずれか１項に記載のセルスタック装置。

【請求項10】

前記シール部材は、板状部材に挟まれており、
前記第１領域と前記第２領域の境界の少なくとも一部は、前記板状部材の少なくとも一方の側端面の外側に位置している、請求項１〜９のいずれか１項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、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、燃料ガスと酸化剤ガスとが存在する区画を区分するセパレータが、封止材を用いて燃料電池セルに取り付けられていることが開示されている。

【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の封止材に、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、シール部材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セルスタック装置は、燃料ガス及び酸化剤ガスによって発電するセルスタック装置である。セルスタック装置は、複数の燃料電池セルと、シール部材と、を備えている。複数の燃料電池セルの各々は、固体電解質、並びに固体電解質を挟むように設けられた燃料極及び空気極を有する。複数の燃料電池セルは、互いに積層される。シール部材は、セルスタック装置を構成する部材の隙間を密閉する。シール部材は、第１領域と、第２領域と、を有する。第１領域は、ガスに露出する露出面を含む。第２領域は、第１領域の気孔率よりも気孔率が低い。

【0006】

この構成によれば、シール部材は、ガスに露出する側の第１領域と、ガスに露出しない第２領域とを有する。第１領域は、第２領域よりも気孔率が大きい。これにより、応力が加えられる露出面近傍の第１領域の変形性を向上できる。また、シール部材において応力が加えられる露出面から離隔した第２領域の気孔率は小さい。このため、第２領域によって、シール部材の強度低下を抑制できる。したがって、第１領域の応力緩和と、第２領域の強度低下の抑制とによって、シール部材におけるクラックを抑制できる。

【0007】

好ましくは、シール部材は、枠状である。

【0008】

好ましくは、シール部材は、燃料極と空気極との間を隔離する。

【0009】

好ましくは、シール部材は、セルスタック装置の内部と外部とを隔離する。

【0010】

好ましくは、第１領域は、露出面からの距離が５０μｍ以下である。

【0011】

好ましくは、第１領域の気孔径は、０．１μｍ以上２０μｍ以下である。

【0012】

好ましくは、第２領域の気孔率に対する第１領域の気孔率の比が１．２５以上２００以下である。

【0013】

好ましくは、シール部材における露出面からの最大距離に対する、第１領域における露出面からの最大距離の比が０．０００５０以上０．１以下である。

【0014】

好ましくは、第１領域と前記第２領域との境界の少なくとも一部は、露出面に沿った面である。

【0015】

好ましくは、シール部材は、板状部材に挟まれている。第１領域と第２領域の境界の少なくとも一部は、板状部材の少なくとも一方の側端面の外側に位置している。

【0016】

好ましくは、シール部材において、第１領域よりも第２領域が大きい。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、シール部材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】

【0018】

【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】シール部材の詳細を示す拡大断面図。

【発明を実施するための形態】

【0019】

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。

【0020】

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。

【0021】

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。

【0022】

［燃料電池セル］
図２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。

【0023】

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。

【0024】

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。

【0025】

具体的には、燃料極１３の厚さは５０〜２０００μｍとすることができ、固体電解質１１の厚さは１〜５０μｍとすることができ、空気極１２の厚さは５０〜２００μｍとすることができる。

【0026】

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。空気極１２は、例えば、ＬＳＭ（Ｌａ（Ｓｒ）ＭｎＯ_３：ランタンストロンチウムマンガナイト）、ＬＳＣＦ（（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３：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。燃料極１３は、例えば、ＮｉとＹＳＺとを含む多孔質材料で構成される。固体電解質１１の気孔率は０〜１０％程度とすることができ、空気極１２の気孔率は１５〜５５％程度とすることができ、燃料極１３の気孔率は１５〜５５％程度とすることができる。固体電解質１１の熱膨張率は、９〜１１ｐｐｍ/Ｋであり、空気極１２の熱膨張率は１１〜１７ｐｐｍ/Ｋであり、燃料極１３の熱膨張率は、１１〜１４ｐｐｍ/Ｋとすることができる。

【0027】

［セパレータ］
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とシール部材１００により接合されている。セパレータ３０は、固体電解質１１の周縁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。

【0028】

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。

【0029】

［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。

【0030】

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。

【0031】

［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。

【0032】

［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。

【0033】

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。

【0034】

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。

【0035】

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。

【0036】

第１及び第２シール部材１１０、１２０は、ガスと接する。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。

【0037】

図３及び図４に示すように、シール部材１００は、第１領域１０１と、第２領域１０２とを有している。第１領域１０１は、ガスに露出する露出面１００ａを含む。詳細には、第１領域１０１は、酸化剤ガス、燃料ガスなどのガスに露出する露出面１００ａを含む。すなわち、第１領域１０１は、気相に面している露出面１００ａから内部に向けて延びる。第２領域１０２は、シール部材１００において第１領域１０１を除く残部である。第２領域１０２は、ガスに露出していない。第１領域１０１と第２領域１０２との境界Ｂの少なくとも一部は、露出面１００ａに沿った面である。本実施形態の境界Ｂの一部は、露出面１００ａに沿っている。

【0038】

図４に示すように、第１領域１０１は、露出面１００ａからの距離Ｌ１が例えば５０μｍ以下の領域である。すなわち、第１領域１０１と第２領域１０２との境界Ｂは、露出面１００ａからの距離Ｌ１が５０μｍ以下の位置である。第１領域１０１は、露出面１００ａからの距離Ｌ１が好ましくは０μｍを超えて５０μｍ以下、より好ましくは２μｍ以上４５μｍ以下、最も好ましくは５μｍ以上４０μｍ以下の領域である。なお、「露出面からの距離Ｌ１」は、露出面１００ａのそれぞれの位置における接線に垂直な直線の長さである。

【0039】

第１領域１０１と第２領域１０２の境界Ｂの少なくとも一部は、シール部材１００を挟む板状部材の少なくとも一方の側端面の外側に位置している。例えば、図４では、シール部材１００はセパレータ３０及び固体電解質１１に挟まれており、第１領域１０１と第２領域１０２との境界Ｂの少なくとも一部は、固体電解質１１の側端面よりも外側に位置している。

【0040】

第２領域１０２の気孔率は、第１領域１０１の気孔率よりも低い。このため、第１領域１０１は、高い変形性を有し、第２領域１０２は、高い強度及びシール性を有している。詳細には、還元過程、温度分布が生じる際などに、燃料電池セル１０に反りが発生することにより、シール部材１００に応力が加えられる。この変形による応力を、第１領域１０１が変形することにより緩和できる。第１領域１０１の応力緩和の効果を維持しつつ、第２領域１０２により、シール部材１００全体の強度低下を抑制できる。

【0041】

第１領域１０１の気孔率は、好ましくは５．０％以上２５％以下であり、より好ましくは５．０％以上２０％以下である。５．０％以上であると、変形性がより向上し、応力を緩和する効果がより得られる。一方、２５％以下であると、強度低下の影響を抑制できる。

【0042】

第２領域１０２の気孔率は、好ましくは０．１０％以上４．０％以下であり、より好ましくは０．１０％以上３．０％以下である。４．０％以下であると、良好なシール性を確保できる。第２領域１０２の気孔率についてはシール性の観点でより小さいほど好ましいが、作製容易性の観点から０．１０％以上が好ましい。

【0043】

上記「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、第１領域１０１及び第２領域１０２ともに各１０視野について撮影して気孔率を数値化し、その平均値を第１領域１０１及び第２領域１０２の気孔率とする。

【0044】

第２領域１０２の気孔率に対する第１領域１０１の気孔率の比（第１領域１０１の気孔率／第２領域１０２の気孔率）は、好ましくは１．２０以上２５０００以下であり、より好ましくは１．２５以上２００以下であり、より一層好ましくは１．６０以上１００以下である。上記範囲内とすることで、シール性と応力緩和との効果を両立することができる。

【0045】

第１領域１０１の気孔径は、例えば０．１μｍ以上２０μｍであり、好ましくは０．１μｍ以上１０μｍ以下であり、より好ましくは０．２μｍ以上８μｍ以下である。０．１μｍ以上であると、変形性が向上し、応力をより緩和する効果が得られる。２０μｍ以下であると、強度低下の影響を抑制できる。

【0046】

上記「気孔径」は、ＦＥ−ＳＥＭの断面画像の画像解析により求めた気孔の円相当径の値である。ここで、円相当径とは、断面の画像解析により求められる測定対象（粒子や気孔）の面積値を有する円の直径である。気孔率の算出と同様に、断面画像は１０視野について撮影して気孔径を数値化する。各視野の平均気孔径を算出し、１０視野の平均気孔径をさらに平均したものを気孔径として定義する。ただし、平均気孔径の算出の際には、０．０１μｍ以下の気孔径のものを除く。

【0047】

なお、第１領域１０１及び第２領域１０２の気孔率及び気孔径は、例えば、熱処理前に添加される有機成分を含有する造孔材の大きさ及び量（体積割合）を調整することによって制御できる。

【0048】

シール部材１００における露出面１００ａからの最大距離Ｌに対する第１領域１０１を区画する露出面１００ａからの距離Ｌ１の比（Ｌ１／Ｌ）は、例えば０．５未満である。第２領域の最大距離（Ｌ−Ｌ１）は、距離Ｌ１よりも大きい。つまり、シール部材１００において、第１領域１０１よりも第２領域１０２は、大きい。

【0049】

比（Ｌ１／Ｌ）は、好ましくは０．００００８以上０．５未満であり、より好ましくは０．０００５０以上０．１０以下であり、より一層好ましくは０．０００５０以上０．０３以下である。上記範囲内とすることで、強度と応力緩和との効果を両立することができる。

【0050】

燃料電池セル１０の幅方向に沿った断面（ｚ軸方向視）において、シール部材１００の面積に対する第１領域１０１の面積の比（第１領域１０１の面積／シール部材１００の面積）は、好ましくは０．０００２以上０．５未満であり、より好ましくは０．００２以上０．３以下である。上記範囲内とすることで、強度と応力緩和との効果を両立することができる。

【0051】

なお、第１領域１０１及び第２領域１０２の距離及び面積は、第１領域１０１及び第２領域１０２となるべき材料を塗布する量及び範囲を調整することによって制御できる。

【0052】

第１領域１０１と第２領域１０２とを構成する材料は、同じであってもよく、異なっていてもよい。また、第１領域１０１は、単一の材料で構成されてもよく、複数の材料で構成されてもよい。同様に、第２領域１０２は、単一の材料で構成されてもよく、複数の材料で構成されてもよい。

【0053】

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、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系、ＳｉＯ_２−ＣａＯ系、またはＳｉＯ_２−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、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、ＳｉＯ_２−ＭｇＯ−Ｂ_２Ｏ_３−Ａｌ_２Ｏ_３系及びＳｉＯ_２−ＭｇＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＺｎＯ系よりなる群から選ばれる少なくとも一種である。

【0054】

ここで、第１領域１０１及び第２領域１０２は、さらに気孔率の異なる複数の部分を有していてもよい。この場合、シール部材１００は、露出面１００ａに向けて気孔率が増加することが好ましい。つまり、シール部材１００の気孔率は、露出面１００ａに向けて常に同じまたは増加している。

【0055】

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。

【0056】

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）・Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２− …（１）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ …（２）

【0057】

［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。

【0058】

上述した実施形態では、シール部材１００として、第１シール部材１１０及び第２シール部材１２０を例に挙げて説明したが、これに限定されない。本発明のシール部材は、セルスタック装置１において設けられる任意のシール部材に適用できる。

【0059】

また、上述した実施形態では、シール部材１００の全てが、第１領域１０１及び第２領域１０２を備えているが、これに限定されない。少なくとも１つのシール部材１００が第１領域１０１及び第２領域１０２を備えていればよい。

【0060】

また、上述した実施形態の第１領域１０１は、ガスに露出した露出面１００ａから内部に延びるが、これに限定されない。第１領域１０１は、シール部材１００の表面においてガスに露出していない非露出面から、内部に延びてもよい。すなわち、第１領域１０１が、非露出面を有してもよい。

【0061】

［実施例１］
本実施例では、第１領域１０１の気孔率よりも気孔率が低い第２領域１０２を有するシール部材１００の効果について調べた。

【0062】

（サンプルＮｏ．１〜２３）
固体電解質と枠状のセパレータとを接合する種々のシール部材１００を備える、図１〜図４に示すセルスタック装置を準備した。燃料電池セル１０の積層方向（ｚ軸方向）に沿った断面において、第１シール部材１１０の気孔率を測定した。第１領域１０１における露出面１００ａからの最大距離Ｌ１、及び第１シール部材１１０における露出面１００ａからの最大距離Ｌを下記の表１に記載する。なお、第１シール部材１１０は、結晶化ガラスで構成されていた。サンプルＮｏ．２〜５、７〜１０、１２〜１５、１７〜２３において、第１シール部材１１０となるべき材料に有機成分を含有する造孔材を種々の量で添加した後、熱処理によって第１シール部材１１０を形成した。

【0063】

第１シール部材１１０において、第１領域１０１の気孔率は５．０％であり、第２領域１０２の気孔率は０．１０％であった。なお、「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した。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によって解析した。解析後の断面画像上でガラス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した。断面画像は、第１領域１０１及び第２領域１０２ともに各１０視野について撮影して気孔率を数値化し、その平均値を第１領域１０１及び第２領域１０２の気孔率とした。

【0064】

また、第１領域１０１の気孔径は、０．１μｍであった。なお、「気孔径」は、ＦＥ−ＳＥＭの断面画像の画像解析により求めた気孔の円相当径の値である。円相当径とは、断面の画像解析により求められる測定対象（粒子及び気孔）の面積値を有する円の直径である。気孔率の算出と同様に、断面画像は１０視野について撮影して気孔径を数値化した。各視野の平均気孔径を算出し、１０視野の平均気孔径をさらに平均したものを気孔径として定義した。

【0065】

サンプルＮｏ．１〜２３のセルスタック装置について、熱サイクル試験により、ガスリーク量及びクラックの有無を調べた。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、ガスリーク量とクラック発生の有無とを調べた。その結果を下記の表１に記載する。

【0066】

表１において、ガスリーク量については、空気極から燃料極へ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第１シール部材１１０の表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行った。

【表1】

【0067】

表１に示すように、気孔率の大きい第１領域を有していないサンプルＮｏ．１、６、１１及び１６は、ほとんど変形できない。このため、熱サイクル試験時にセパレータ３０及び燃料電池セル１０の少なくとも一方が変形することによって第１シール部材１１０に応力が加えられたので、露出面１００ａからクラックが発生した。その結果、内部空間に導入されたアルゴンガスが漏れ出してしまった。

【0068】

一方、気孔率の大きい第１領域１０１を有するサンプルＮｏ．２〜５、７〜１０、１２〜１５、１７〜２３は、変形が可能であった。このため、熱サイクル試験時の応力によってセパレータ３０及び燃料電池セル１０が変形しても、第１シール部材１１０に発生する応力を緩和できた。つまり、サンプルＮｏ．２〜５、７〜１０、１２〜１５、１７〜２３では、第１領域１０１の変形による応力緩和が有効に機能することで、第１シール部材１１０におけるクラックを抑制できた。その結果、ガスリークが発生しないことを確認した。

【0069】

また、第１領域１０１が５０μｍを超えるサンプルＮｏ．５、１０、１５、２０及び２１は、露出面１００ａからの距離Ｌ１が５０μｍであるサンプルＮｏ．４、９、１４及び１９と比べて、変形性は同程度である。このことから、距離Ｌ１が５０μｍを超えても、変形性を大きく向上できないことがわかる。したがって、気孔率が相対的に大きい第１領域１０１が露出面１００ａから０μｍを超えて５０μｍ以下であると、シール部材１００の高い変形性を発現できるので、還元過程及び温度分布環境下での燃料電池セル１０及びセパレータ３０の反りに有効である。

【0070】

さらに、サンプルＮｏ．５、１０、１５、２０及び２１は、変形性は高いものの、最大距離Ｌが同じシール部材と比較すると第２領域１０２が小さくなるので、シール部材全体としての強度低下を生じ、微小なクラックが生じた。なお、微小なクラックなので、ガスリークは生じなかった。

【0071】

また、比（Ｌ１／Ｌ）が０．０００５０未満のサンプルＮｏ．２２は、第１領域１０１が小さかったので変形性がやや低下し、微小なクラックが生じた。比（Ｌ１／Ｌ）が０．１０を超えるサンプルＮｏ．５及び２１は、第２領域１０２が小さくなるので、シール部材全体としての強度低下を生じ、微小なクラックが生じた。

【0072】

このように、サンプルＮｏ．２〜５、７〜１０、１２〜１５、１７〜２３は、シール部材において、変形性を確保するための第１領域１０１と、強度を確保する第２領域１０２とを備えているので、クラックを防止できた。特に、Ｌ１が５０μｍ以下で、かつ比（Ｌ１／Ｌ）が０．０００５０以上０．１０以下のサンプルＮｏ．２〜４、７〜９、１２〜１４、１７〜１９、２３は、第１領域１０１による変形性と第２領域１０２による強度とによって、クラック発生を非常に抑制できた。

【0073】

なお、サンプルＮｏ．２〜５、７〜１０、１２〜１５、１７〜２３のシール部材１００において、第１領域１０１と第２領域１０２との境界の少なくとも一部は、気相に面した露出面１００ａに沿った面であった。

【0074】

以上より、第１領域１０１の気孔率よりも気孔率が低い第２領域１０２を有するシール部材１００を備えることにより、高い変形性と、高い強度とを両立できるので、クラックを抑制できることが確認できた。

【0075】

［実施例２］
本実施例では、実施例１と同様のセルスタック装置において、第１領域１０１及び第２領域１０２の気孔率を制御することの効果について、調べた。なお、表２におけるガスリーク量及びクラック有無について、実施例１と同様の熱サイクル試験で評価した。

【表2】

【0076】

表２に示すように、第１領域１０１の気孔率が５．０％未満のサンプルＮｏ．２４及び４３は、ガスリークは生じなかったが、第１領域１０１による変形性が小さかったので、微小なクラックが発生した。第２領域１０２の気孔率が４．０％を超えるサンプルＮｏ．４２は、ガスリークは生じなかったが、第２領域１０２による強度が小さかったので、微小なクラックが生じた。

【0077】

また、第２領域３２０の気孔率に対する第１領域３１０の気孔率の比が１．２５未満のサンプルＮｏ．４３は、ガスリークは生じなかったが、第１領域１０１による変形性が小さかったので、微小なクラックが発生した。また、第２領域３２０の気孔率に対する第１領域３１０の気孔率の比が２００を超えるサンプルＮｏ．２８は、ガスリークは生じなかったが、第２領域１０２による強度が小さかったので、微小なクラックが生じた。

【0078】

特に、第１領域の気孔率が５．０％以上であり、第２領域１０２の気孔率が４．０％以下であり、第２領域３２０の気孔率に対する第１領域３１０の気孔率の比が１．２５以上２００以下のサンプルＮｏ．２５〜２７、２９〜４１は、第１領域１０１の変形性を高めるとともに、第２領域１０２の強度を高めることによる効果をより発現できる。

【0079】

［実施例３］
本実施例では、実施例１と同様のセルスタック装置において、第１領域１０１の気孔径を制御することの効果について、調べた。なお、下記の表３におけるガスリーク量及びクラック有無について、実施例１と同様に評価した。

【表3】

【0080】

表３に示すように、第１領域１０１の気孔径が０．１μｍ以上２０μｍ以下のサンプルＮｏ．４５〜４９は、この範囲外のサンプルＮｏ．４４及び５０に比べて、クラック発生を抑制できた。このため、第１領域１０１の変形性を高めることによる効果をより発現できる。

【0081】

なお、サンプルＮｏ．４４及び５０のセルスタック装置は、第１領域１０１を有していたので、微小なクラックは発生したものの、ガスリークは生じなかった。

【0082】

ここで、上記実施例１〜３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。非晶質ガラスで構成された第１シール部材１１０及びろう材で構成された第１シール材についても、同様の結果であった。

【0083】

また、上記実施例１〜３では、燃料極と空気極との間を隔離する第１シール部材について、説明した。セルスタック装置の内部と外部とを隔離する第２シール部材についても、同様の結果であった。なお、第２シール部材のガスリーク量の測定は、以下の通りであった。セルスタック装置１の酸化剤ガス排出管出口端部と、燃料ガス排出管の入口及び出口端部とを封止した。酸化剤ガス供給管の入口端部に、流量計を設けた。この状態で、酸化剤ガス供給管より、所定圧力までアルゴンガスを供給した。所定圧力に達した時点で、リークがない場合には、流量計に表示される流量は下限値未満となり、リークがある場合には、流量計に流量値が表示された。これにより、セルスタック装置内部の酸化剤ガス流路と外部との隙間を密閉する第２シール部材のガスリークの有無を確認した。同様の手順により、燃料極側についても、セルスタック装置内部の燃料ガス流路と外部との隙間を密閉する第２シール部材のガスリークの有無を確認した。

【符号の説明】

【0084】

１ セルスタック装置
１０ 燃料電池セル
３０ セパレータ
１００ シール部材
１００ａ 露出面
１０１ 第１領域
１０２ 第２領域

【要約】

【課題】シール部材におけるクラックを抑制する。
【解決手段】セルスタック装置は、燃料ガス及び酸化剤ガスによって発電するセルスタック装置１である。セルスタック装置１は、複数の燃料電池セル１０と、シール部材１００とを備えている。燃料電池セル１０の各々は、固体電解質１１、並びに固体電解質１１を挟むように設けられた燃料極１３及び空気極１２を有する。複数の燃料電池セル１０は、互いに積層されている。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、第１領域１０１と、第２領域１０２とを有する。第１領域１０１は、ガスに露出する露出面１００ａを含む。第２領域１０２は、第１領域１０１の気孔率よりも気孔率が低い。
【選択図】図３

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】