CN112166518B - 电池堆装置 - Google Patents
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Abstract
电池堆装置具备：燃料电池单电池、第一隔板、以及第一接合材料。燃料电池单电池包括：固体电解质以及设置于固体电解质的一面的空气极。第一隔板(2)包括：朝向空气极(13)突出的突出部(23a)。第一接合材料(4a)将空气极(13)与第一突出部(23a)接合。位于外周部的第一接合材料(4a1)的厚度大于位于中央部的第一接合材料(4a2)的厚度。
Description
技术领域
本发明涉及电池堆装置。
背景技术
已知有：多个燃料电池单电池和多个隔板交替配置的电池堆装置(例如专利文献1)。燃料电池单电池和隔板借助接合材料而彼此接合。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特许5280173号公报
发明内容
燃料电池单电池和隔板通过接合材料而可靠地电连接是比较理想的。因此，本发明的课题在于，使燃料电池单电池和隔板借助接合材料实现的连接稳定。
本发明的一个方案所涉及的电池堆装置具备：燃料电池单电池、第一隔板、以及第一接合材料。燃料电池单电池包括：固体电解质、以及设置于固体电解质的一面的空气极。第一隔板包括：朝向空气极突出的多个突出部。第一接合材料为具有导电性的材料。第一接合材料将空气极与第一突出部接合。位于外周部的第一接合材料的厚度大于位于中央部的第一接合材料的厚度。
根据该构成，即便在因电池堆装置的动作中产生的温度分布而产生热应力、或者因燃料电池单电池的变形而产生局部的应力等情况下，通过外周部的第一接合材料的厚度较大，也能够在外周部可靠地维持空气极与第一接合材料的电连接。因此，能够使燃料电池单电池和第一隔板借助第一接合材料实现的连接稳定。
优选为，燃料电池单电池还包括：设置于固体电解质的另一面的燃料极，还具备：包括朝向燃料极突出的多个第二突出部的第二隔板、以及将燃料极与多个第二突出部接合的导电性的第二接合材料。位于中央部的第二接合材料的厚度大于位于外周部的第二接合材料的厚度。
根据该构成，在设置于固体电解质的一面侧的空气极维持着外周部的电连接，在设置于固体电解质的另一面侧的燃料极维持着中央部的电连接。因此，能够使燃料电池单电池和隔板的连接更加稳定。
优选为，各第一接合材料空开间隔地配置。
本发明的另一方案所涉及的电池堆装置具备：燃料电池单电池、第二隔板、以及第二接合材料。燃料电池单电池包括：固体电解质、以及设置于固体电解质的另一面的燃料极。第二隔板包括：朝向燃料极突出的多个突出部。第二接合材料为具有导电性的材料。第二接合材料将燃料极与第二突出部接合。位于中央部的第二接合材料的厚度大于位于外周部的第二接合材料的厚度。
根据该构成，即便在因电池堆装置的动作中产生的温度分布而产生热应力、或者因燃料电池单电池的变形而产生局部的应力等情况下，通过中央部的第二接合材料的厚度较大，也能够在中央部可靠地维持燃料极与第二接合材料的电连接。因此，能够使燃料电池单电池和第二隔板借助第二接合材料实现的连接稳定。
优选为，各第二接合材料空开间隔地配置。
优选为，第一及第二接合材料中的至少一方由导电性陶瓷构成。第一接合材料的厚度和第二接合材料的厚度可以不同。
发明效果
根据本发明，能够使燃料电池单电池和隔板借助接合材料实现的连接稳定。
附图说明
图1是电池堆装置的立体图。
图2是电池堆装置的截面图。
图3是电池堆的放大截面图。
图4是表示接合部的详细情况的放大截面图。
图5是表示变形例的接合部的放大截面图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明所涉及的电池堆装置的实施方式进行说明。
如图1及图2所示，电池堆装置100具备：多个燃料电池单电池1、以及多个隔板2。电池堆装置100具有：燃料电池单电池1和隔板2交替层叠的结构。即，电池堆装置100是所谓的平板型的电池堆结构。
[燃料电池单电池]
如图3所示，燃料电池单电池1具有：固体电解质11、燃料极12、以及空气极13。在俯视观察时(z轴方向观察时)，燃料电池单电池1为矩形。应予说明，燃料电池单电池1构成为固体氧化物型燃料电池。
固体电解质11为平板状，其主面朝向层叠方向(z轴方向)。空气极13配置于固体电解质11的一面。燃料极12配置于固体电解质11的另一面。即，固体电解质11被燃料极12和空气极13夹持。应予说明，本实施方式中，在固体电解质11的上表面配置有燃料极12，在固体电解质11的下表面配置有空气极13。
燃料电池单电池1的厚度(z轴方向上的尺寸)从整体来看实质上均匀。例如，燃料电池单电池1的厚度为110～2100μm左右。本实施方式中，燃料极12构成为：其比固体电解质11及空气极13各自要厚。因此，燃料极12构成为：支撑固体电解质11及空气极13。
具体而言，燃料极12的厚度可以为50～2000μm，固体电解质11的厚度可以为1～50μm，空气极13的厚度可以为50～200μm。
固体电解质11由例如包含YSZ的致密质材料构成。燃料极12由例如包含Ni和YSZ的多孔质材料构成。空气极13由例如包含LSM(La(Sr)MnO3：镧锶锰酸盐)的多孔质材料构成。燃料极12的气孔率可以为15～55％左右，固体电解质11的气孔率可以为0～10％左右，空气极13的气孔率可以为15～55％左右。燃料极12的热膨胀率可以为11～13ppm/K，固体电解质11的热膨胀率为9～11ppm/K，空气极13的热膨胀率为11～17ppm/K。
[隔板]
如图2及图3所示，隔板2以与燃料电池单电池1对置的方式进行配置。当以1个燃料电池单电池1为中心进行观察时，将设置于单电池1的一面的隔板称为第一隔板，将设置于燃料电池单电池1的另一面的隔板称为第二隔板。第一隔板2具有：平板部21、一对框体部22、以及第一突出部23。平板部21和一对框体部22由1个部件构成。应予说明，平板部21和一对框体部22可以由不同的部件构成。在俯视观察时(z轴方向观察时)，第一隔板2的形状与燃料电池单电池1的形状实质上相同。应予说明，配置于电池堆装置100上端部的上端部隔板2a及配置于电池堆装置100下端部的下端部隔板2b具有1个框体部22，而不是一对。
框体部22在平板部21的周缘部的整周进行配置。框体部22构成为环状。框体部22构成为：从平板部21的两面分别沿着层叠方向(z轴方向)突出。即，各框体部22朝向相邻的燃料电池单电池1突出。本实施方式中各框体部22向上方或下方突出。
应予说明，位于电池堆装置100上端部的上端部隔板2a具有向下方突出的框体部22，但不具有向上方突出的框体部。另一方面，位于电池堆装置100下端部的下端部隔板2b具有向上方突出的框体部22，但不具有向下方突出的框体部。
第一隔板2的框体部22压紧单电池1的周缘部。例如，第一隔板2的框体部22和单电池1通过第三接合材料5(玻璃材料等)等而接合。
第一突出部23a从平板部21朝向空气极13突出。第一突出部23a构成为：将燃料电池单电池1和平板部21电连接。第一突出部23a和平板部21由1个部件构成。应予说明，第一突出部23a和平板部21也可以由不同的部件构成。
通过平板部21、框体部22以及第一突出部23a而划分出气体流路24。该气体流路24的深度d为例如0.1～5mm左右。气体流路24面向燃料电池单电池1。面向燃料电池单电池1的空气极13的气体流路24用于供给燃料气体。
第一突出部23a配置有多个。各突出部23a彼此空开间隔地配置。例如，各突出部23a在x轴方向上空开间隔地配置，且在y轴方向延伸。
如图4所示，第一突出部23a的厚度t1优选为例如1.0～5.0mm左右。应予说明，第一突出部23a的厚度t1是指：层叠方向(z轴方向)上的第一突出部23a的尺寸。
隔板2由Ni系耐热合金(例如、铁氧体系SUS、铬镍铁合金600以及耐蚀耐热镍基合金等)构成。隔板2的热膨胀率可以为例如11～14ppm/K左右。
第二隔板包括：朝向燃料极12突出的第二突出部23b。第二隔板的构成与第一隔板的构成相同，因此，省略说明。
[接合材料]
电池堆装置100还具备：将燃料电池单电池1和隔板2接合的接合材料。接合材料包括：第一接合材料4a和第二接合材料4b。第一接合材料4a将空气极13和第一突出部23a接合。第二接合材料4b将燃料极12和第二突出部23b接合。第一接合材料4a及第二接合材料4b配置有多个。例如，各接合材料4a、4b在x轴方向上空开间隔地配置。
如图3所示，位于燃料电池单电池1的外周部的第一接合材料4a1的厚度t2大于位于燃料电池单电池1的中央部的第一接合材料4a2的厚度t2。优选为，各第一接合材料4a的厚度t2从中央朝向外周端缘而逐渐变大。
外周部的第一接合材料4a1的厚度t2优选为例如0.1～0.5mm左右。中央部的第一接合材料4a2的厚度t2优选为例如0.05～0.3mm左右。中央部的第一接合材料4a2的厚度相对于外周部的第一接合材料4a1的厚度的比例优选为例如0.3～0.9左右。
位于中央部的第二接合材料4b2的厚度t4大于位于外周部的第二接合材料4b1的厚度t4。优选为，各第二接合材料4b的厚度t4从外周端缘朝向中央而逐渐变大。
外周部的第二接合材料4b1的厚度t4优选为例如0.05～0.3mm左右。中央部的第二接合材料4b2的厚度t4优选为例如0.1～0.5mm左右。外周部的第二接合材料4b1的厚度相对于中央部的第二接合材料4b2的厚度的比例优选为例如0.3～0.9左右。
应予说明，位于外周部的接合材料4a1、4b1是指：在1个层上最靠近燃料电池单电池延伸的方向(x轴方向)上的外周端缘的位置的接合材料。位于中央部的接合材料4a2、4b2是指：在1个层上最靠近燃料电池单电池延伸的方向(x轴方向)上的中央的位置的接合材料。
第一接合材料4a的厚度t2和第二接合材料4b的厚度t4可以相同，也可以不同。此处，第一接合材料4a的厚度t2、以及第二接合材料4b的厚度t4是指：层叠方向(z轴方向)上的各接合材料4a、4b的尺寸。具体而言，对于以从各接合材料4a、4b通过且在层叠方向上延伸的铅直面将电池堆装置切断的截面中观察到的各接合材料4a、4b，求出外周部的接合材料4a1、4b1的厚度的平均值和中央部的接合材料4a2、4b2的厚度的平均值。应予说明，不考虑各接合材料4a、4b中从第一以及第二突出部23a、23b向外侧突出的部分的各接合材料4a、4b的厚度。另外，在计算平均值时，不考虑接合不良或未接合的各接合材料4a、4b的厚度。
第一接合材料4a与第一突出部23a的朝向燃料电池单电池1侧的面的整体接触。第一接合材料4a与第一突出部23a的接合面积、以及第二突出部23b与第二接合材料4b的接合面积优选为1～50mm2左右。应予说明，在突出部23a、23b由多个部件构成的情况下，优选使各突出部23a、23b与各接合材料4a、4b的各接合面积在上述的范围内，不过，也可以有一部分在范围之外。
第一接合材料4a及第二接合材料4b为具有导电性的材料，由(Mn，Co)3O4系的导电性陶瓷、或贵金属构成。具体而言，第一接合材料4a以及第二接合材料4b由选自由(Mn，Co)3O4、(La、Sr)(Co，Fe)O3、Pt、以及Ag等构成的组中的至少1种构成。与燃料极12接合的第二接合材料4b优选由包含Ni的材料构成。与空气极13接合的第一接合材料4a优选由导电性陶瓷构成。
如上构成的电池堆装置100如下进行发电。使燃料气体(氢气等)流通于面向燃料极12的气体流路24，并且，使空气流通于面向空气极13的气体流路24。然后，当将该电池堆装置100与外部的负荷连接时，在空气极13发生下述(1)式所示的电化学反应，在燃料极12发生下述(2)式所示的电化学反应，使得电流流动。
(1/2)·O2+2e－→O2－…(1)
H2+O2－→H2O+2e－…(2)
(制造方法)
接下来，对如上所述构成的电池堆装置100的制造方法进行说明。首先，对于燃料电池单电池1，形成燃料极12的生片。接下来，通过丝网印刷等，在该生片上涂布固体电解质用糊料，对其进行烧成，形成烧成体。然后，通过丝网印刷等，在该烧成体上涂布空气极用糊料，并进行烧成。结果，形成燃料电池单电池1。
隔板2是：通过针对例如Fe－Cr系耐热合金、Ni系耐热合金的薄板实施切削加工、以及压制加工等而形成的。
接下来，将已完成的燃料电池单电池1和隔板2交替层叠。应予说明，针对隔板2的第一突出部23a，在面向空气极13的面涂布第一接合材料4a，针对隔板2的第二突出部23b，在面向燃料极12的面涂布第二接合材料4b。在该工序中，以中央部的厚度较小且外周部的厚度较大的方式涂布各第一接合材料4a。另外，以中央部的厚度较大且外周部的厚度较小的方式涂布各第二接合材料4b。
对该层叠体实施热处理。例如，热处理温度可以为800～1100℃，热处理时间可以为1～10小时。结果，通过各接合材料固化而使该层叠体一体化，从而图1所示的电池堆装置100完成。
[变形例]
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但是，本发明并不受这些实施方式的任何限定，只要不脱离本发明的主旨就可以进行各种变更。例如，在上述实施方式中，在各气体流路24内配置有6个第一以及第二突出部23a、23b，不过，也可以在各气体流路24内仅配置有2个突出部23a、23b。另外，在上述实施方式中，各气体流路24内的多个第一以及第二突出部23a、23b在x轴方向以及y轴方向上排列，不过，也可以仅在x轴方向或y轴方向上排列。
另外，可以为，第一突出部23a朝向燃料极12突出，第二突出部23b朝向空气极13突出。
另外，第一突出部23a以及第二突出部23b可以由层叠的多个部件构成。例如，如图5所示，第二突出部23b可以由集电部件231、以及第四接合材料232构成。
符号说明
1 燃料电池单电池
2 隔板
4a 第一接合材料
4b 第二接合材料
100 电池堆装置
Claims (7)
1.一种电池堆装置，其中，具备：
燃料电池单电池，该燃料电池单电池包括：固体电解质以及设置于所述固体电解质的一面的空气极；
第一隔板，该第一隔板包括朝向所述空气极突出的多个第一突出部；
多个导电性的第一接合材料，该第一接合材料将所述空气极的主面与所述多个第一突出部接合，
位于外周部并且接合所述空气极的所述主面的所述导电性的第一接合材料的厚度大于位于中央部并且接合所述空气极的所述主面的所述导电性的第一接合材料的厚度，
各所述第一接合材料空开间隔地配置。
2.一种电池堆装置，其中，具备：
燃料电池单电池，该燃料电池单电池包括：固体电解质以及设置于所述固体电解质的一面的空气极；
第一隔板，该第一隔板包括朝向所述空气极突出的多个第一突出部；
导电性的第一接合材料，该第一接合材料将所述空气极与所述多个第一突出部接合，
位于外周部的所述第一接合材料的厚度大于位于中央部的所述第一接合材料的厚度，
位于中央部的所述第一接合材料的厚度相对于位于外周部的所述第一接合材料的厚度的比例为0.3～0.9。
3.根据权利要求1或2所述的电池堆装置，其中，
所述燃料电池单电池还包括：设置于所述固体电解质的另一面的燃料极，
所述电池堆装置还具备：
第二隔板，该第二隔板包括朝向所述燃料极突出的多个第二突出部；以及
导电性的第二接合材料，该第二接合材料将所述燃料极与所述多个第二突出部接合，
位于中央部的所述第二接合材料的厚度大于位于外周部的所述第二接合材料的厚度。
4.根据权利要求3所述的电池堆装置，其中，
所述第一接合材料及第二接合材料中的至少一方由导电性陶瓷构成。
5.根据权利要求2所述的电池堆装置，其中，
各所述第一接合材料空开间隔地配置。
6.一种电池堆装置，其中，具备：
燃料电池单电池，该燃料电池单电池包括固体电解质以及设置于所述固体电解质的另一面的燃料极；
第二隔板，该第二隔板包括朝向所述燃料极突出的多个第二突出部；以及
导电性的第二接合材料，该第二接合材料将所述燃料极与所述多个第二突出部接合，
位于中央部的所述第二接合材料的厚度大于位于外周部的所述第二接合材料的厚度，
位于外周部的所述第二接合材料的厚度相对于位于中央部的所述第二接合材料的厚度的比例为0.3～0.9。
7.根据权利要求6所述的电池堆装置，其中，
各所述第二接合材料空开间隔地配置。
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